[01638734]新型电磁连铸结晶器的数值新方法以及结构优化研究

1、课题来源与背景：该项目依托国家自然科学基金：“现代电磁连铸技术的基础研究”，国家自然科学基金重点项目(项目编号：59734080)。时间：1998.5-2005.12；经费：103万；东大财务帐号：75102083。为了实现高速连铸，在整个连铸工艺中，改善并控制结晶器过程是关键。对于结晶器过程而言，其关键性技术难题有：随着拉速的提高，水口出流的流量和流速增加，会加剧对坯壳的冲刷，特别是对结晶器窄壁面的冲刷，使坯壳不均匀甚至造成漏钢；此外，钢液的上返流加速会促进液面波动，并使钢液夹带的夹杂和气泡进入深部，恶化钢坯内部的洁净度；更甚者，由于液面波动加剧，造成初生坯壳的不均匀，使坯壳热烈敏感性增加，同时也使振痕等表面缺陷加重。因此提高中国钢材生产的工艺技术水平，发展中国具有高科技含量、高附加值产品的生产能力，实现高速连铸、生产出高质量钢材是钢铁行业发展所迫切需要解决的基础性科学问题，是促进电磁冶金和磁流体力学学科发展的科学需要。该项目正是在具有重要理论意义和广泛应用前景的背景下立项的。2、研究目的与意义：近终型连铸特别是薄板坯连铸连轧技术随着薄板坯连铸连轧技术的不断发展和完善，人们逐步认识到薄板坯连铸连轧相对于常规工艺所特有的优势，对薄板坯连铸连轧工艺从品种、质量和产量等方面提出了更高的要求：成品规格尺寸越来越薄；热轧带钢的厚度越来越薄；产量规模变大，薄板坯连铸机的拉速、厚度、宽度等参数也需要优化；如何利用现有老厂的高炉、转炉设备建设薄板坯连铸连轧生产线，既可用热轧超薄板代替相当一部分商品冷轧板，节约冷轧厂的投资，又可解放传统热轧带钢轧机的能力，促进生产等。由于比表面积大，散热速度快，从而使连铸坯的缺陷产生几率增加，最终导致薄板坯的质量下降。如何浇铸出无缺陷板坯成为薄板坯领域研究人员攻关的主要课题。结晶器的结构设计以及与之相适应的水口形状对于板坯的质量至关重要。而结晶器内的流场、温度场以及初始凝固坯壳厚度又是决定结晶器形状的关键因素。鉴于以上分析，该研究针对普通板坯开发组合式电磁连铸结晶器，同时针对结晶器漏斗形结构的特殊性，开发了高效节能的新型电磁制动装置，并采用数值模拟方法对这两种电磁制动结晶器进行检验，为中国节能减排和提高钢铁产量质量做出贡献。3、主要论点与论据：通过对组合式结晶器的数值模拟，结果显示：(1)与软接触单独作用相比，组合磁场显著减轻了皮下夹杂，50mm颗粒有60﹪降至20﹪，20mm颗粒由40﹪降至20﹪，内部夹杂物的分布更均匀，基本达到电磁制动水平；组合磁场对夹杂物的去除率甚至超过电磁制动，50mm颗粒增加6.7﹪，20mm颗粒保持13.3﹪。(2)组合磁场对水口出流和上、下返流的抑制有利于减少皮下夹杂，是内部夹杂物均匀分布，二次回流有利于夹杂物被水口吸附而去除。(3)随着静磁场磁感应强度的增加，组合磁场对水口出流抑制效果的增强，气泡的去除率逐渐增加，当静磁场磁感应强度有0.03T增至0.26T，气泡取出来增加13.3﹪。(4)组合磁场作用下的气泡去除率远大于软接触，通过调整静磁场的位置，组合磁场对大气泡(大于150mm)的去除率能够超过电磁制动。对薄板坯漏斗形结晶器，通过对新型电磁制动结晶器和传统电磁制动结晶器内电磁场的数值模拟研究比较，可以发现：(5)传统电磁制动装置在结晶器主磁场区域的磁场强度分布较为均匀，且场强在沿结晶器厚度方向和宽度方向变化较小，主磁场区域以外在拉坯方向上呈梯度递减。但是新型电磁制动装置在结晶器主磁场区的磁场分布极不均匀，在主磁场中心高度偏下靠近结晶器窄侧壁区域的磁感应强度最大，其他区域以磁感应最大的区域为中心呈梯度降低，主磁场以外区域的磁场变化情况与传统电磁制动装置类似。(6)新型电磁制动装置产生的平均磁场强度要明显大传统电磁制动装置产生的平均磁场强度，约是后者的1.8倍。(7)比较两种结构制动装置的控制效果会发现，对相同条件下的钢液进行制动并达到相同的制动效果条件下，新型电磁制动装置可以节约40﹪的磁动势。(8)在相同的电磁参数条件下，比较三个磁场位置高度，可见随着电磁制动装置位置高度的降低，电磁制动作用越明显，制动效果越好。(9)当电磁制动装置的位置高度一定(h=250mm)时，改变磁动势，钢液行为也相应的发生改变，当磁动势在8000a·n-12000a·n的范围内，都能达到明显的制动效果；但从减低能源消耗和成本的角度考虑，优先选择8000a·n的磁动势。4、创见与创新：(1)开发了以软接触电磁连铸技术和电磁制动技术为基础的组合式电磁连铸技术，实现两种技术的优势互补。(2)对时域有限差分法进行了修正，得到了适用于金属介质的频率转换理论。(3)对金属与绝缘介质交界面的边界条件进行推导，成功的采用新的交界面处理方法消除传统的时域有限差分法在引入电磁冶金的频率范围后所带来的误差。(4)建立了三维组合磁场计算模型，通过对组合式电磁连铸结晶器磁场和电磁力的模拟，优化了磁场相对最佳位置，为实际应用提供理论依据。(5)基于磁流体力学的基本原理，开发了电磁制动、软接触和组合式电磁连铸结晶器内钢液流动的数值模拟程序。对组合式电磁连铸结晶器的工作原理进行了分析。(6)开发了描述结晶器内夹杂物和气泡运动轨迹的数值模拟程序，研究了软接触、电磁制动和组合式电磁连铸结晶器内的夹杂物机器跑的运动轨迹。(7)针对漏斗形结晶器的特殊结构开发了一种新型电磁制动装置。通过数值模拟验证新型电磁制动结晶器在节约电能的前提下，提高薄板铸坯的内部质量。(8)针对漏斗形结晶器内钢液扰动剧烈的特点，通过对结构参数和操作参数进行数值模拟分析，优化设计了工艺参数。使得薄板坯结晶器内的钢液流场研究取得了新的进展。5、社会经济效益，存在的问题：该研究成果出版专著一部，在国内外高水平学术刊物上发表学术论文近20篇，其中被SCIENCE CITATION INDEX-EXPANDED (SCI)收录13篇，EI COMENDEX WEB (EI)收录18篇。SCIE论文引用来源文献10篇次，其中：被外文文献引用19篇次，他引文献10篇次。中国引文数据库(CNKI)被他人引用29次。成果获得授权实用新型专利6项，在电磁冶金和计算磁流体力学的学科发展上起到了重要的推动作用，在行业和教育事业中得到了广泛的应用，对推动中国电磁冶金事业的发展和科学研究工作的深入具有重要意义，取得了重大的社会效益和学术成果，推动了学科发展。6、历年获奖情况：无。