超寬板坯二冷區(qū)分節(jié)輥式電磁攪拌的數(shù)值模擬與性能優(yōu)化研究

一、引言1.1研究背景與意義隨著現(xiàn)代工業(yè)的快速發(fā)展，對超寬板坯的需求日益增長，其在建筑、橋梁、造船、機械制造等眾多領(lǐng)域發(fā)揮著關(guān)鍵作用。在建筑領(lǐng)域，超寬板坯用于建造大型商業(yè)建筑和高層建筑的結(jié)構(gòu)部件，能夠提高建筑的穩(wěn)定性和承載能力；橋梁建設(shè)中，超寬板坯可作為橋梁的主要承重結(jié)構(gòu)，確保橋梁在各種復(fù)雜環(huán)境下的安全運行；造船業(yè)里，超寬板坯用于制造船體的關(guān)鍵部位，提升船舶的強度和耐久性；機械制造中，超寬板坯可加工成各種大型機械零件，滿足不同機械設(shè)備的需求。然而，在超寬板坯的生產(chǎn)過程中，鑄坯質(zhì)量問題一直是制約其發(fā)展的關(guān)鍵因素。傳統(tǒng)的連鑄工藝在面對超寬板坯時，由于其寬度較大，傳熱和凝固過程更為復(fù)雜，容易出現(xiàn)各種缺陷，如中心偏析、中心疏松、裂紋等。這些缺陷嚴重影響了超寬板坯的力學(xué)性能和加工性能，降低了產(chǎn)品的質(zhì)量和可靠性，增加了生產(chǎn)成本，也限制了超寬板坯在高端領(lǐng)域的應(yīng)用。在一些對材料性能要求極高的航空航天和高端裝備制造領(lǐng)域，由于鑄坯質(zhì)量問題，超寬板坯往往難以滿足其嚴格的質(zhì)量標準，無法得到廣泛應(yīng)用。為了提升超寬板坯的鑄坯質(zhì)量，二冷區(qū)分節(jié)輥式電磁攪拌技術(shù)應(yīng)運而生。該技術(shù)通過在二冷區(qū)施加交變磁場，使鑄坯內(nèi)的鋼液產(chǎn)生感應(yīng)電流，進而受到電磁力的作用而發(fā)生攪拌運動。這種攪拌作用能夠有效改善鑄坯的凝固組織，細化晶粒，擴大等軸晶區(qū)，減少柱狀晶的生長，從而顯著提高鑄坯的內(nèi)部質(zhì)量。通過攪拌，鋼液中的溶質(zhì)元素能夠更加均勻地分布，減少中心偏析的程度；同時，攪拌還能促進鋼液中的氣體和夾雜物上浮，降低鑄坯中的氣孔和夾雜物含量，提高鑄坯的純凈度。數(shù)值模擬作為一種強大的研究工具，在超寬板坯二冷區(qū)分節(jié)輥式電磁攪拌工藝的優(yōu)化中具有不可替代的重要性。它能夠在實際生產(chǎn)之前，對不同工藝參數(shù)下的電磁攪拌過程進行模擬分析，預(yù)測鑄坯的質(zhì)量和性能，為工藝參數(shù)的優(yōu)化提供科學(xué)依據(jù)。通過數(shù)值模擬，可以深入研究電磁攪拌參數(shù)（如電流、頻率、攪拌位置等）、連鑄工藝參數(shù)（如拉速、冷卻強度等）以及鑄坯幾何參數(shù)（如寬度、厚度等）對鑄坯凝固過程和質(zhì)量的影響規(guī)律。這不僅可以節(jié)省大量的時間和成本，避免因盲目試驗而導(dǎo)致的資源浪費，還能快速找到最佳的工藝參數(shù)組合，提高生產(chǎn)效率和產(chǎn)品質(zhì)量。利用數(shù)值模擬可以模擬不同電流和頻率下的電磁攪拌效果，分析其對鑄坯凝固組織和中心偏析的影響，從而確定最優(yōu)的電磁攪拌參數(shù)，為實際生產(chǎn)提供指導(dǎo)。1.2國內(nèi)外研究現(xiàn)狀在超寬板坯連鑄領(lǐng)域，國內(nèi)外學(xué)者和工程師們進行了大量的研究和實踐。國外一些先進的鋼鐵生產(chǎn)企業(yè)，如德國的蒂森克虜伯、日本的新日鐵住金等，在超寬板坯連鑄技術(shù)方面處于領(lǐng)先地位。他們通過不斷優(yōu)化連鑄工藝參數(shù)，如拉速、冷卻強度、保護渣性能等，有效提高了超寬板坯的質(zhì)量和生產(chǎn)效率。蒂森克虜伯在其連鑄生產(chǎn)線上，通過精確控制拉速和冷卻強度，成功生產(chǎn)出高質(zhì)量的超寬板坯，滿足了高端制造業(yè)對板材質(zhì)量的嚴格要求。國內(nèi)的鋼鐵企業(yè)和科研機構(gòu)也在超寬板坯連鑄技術(shù)方面取得了顯著進展。東北大學(xué)、北京科技大學(xué)等高校與寶鋼、鞍鋼、武鋼等大型鋼鐵企業(yè)緊密合作，開展了一系列關(guān)于超寬板坯連鑄工藝和質(zhì)量控制的研究。通過對連鑄過程中傳熱、傳質(zhì)和凝固行為的深入研究，開發(fā)出了適合我國國情的超寬板坯連鑄技術(shù)。寶鋼在超寬板坯連鑄生產(chǎn)中，采用了先進的結(jié)晶器技術(shù)和二冷控制技術(shù)，有效減少了鑄坯的表面和內(nèi)部缺陷，提高了產(chǎn)品的質(zhì)量和市場競爭力。在二冷區(qū)電磁攪拌技術(shù)方面，國內(nèi)外的研究也取得了豐碩的成果。國外早在20世紀70年代就開始將電磁攪拌技術(shù)應(yīng)用于連鑄生產(chǎn)中，并不斷進行技術(shù)改進和創(chuàng)新。瑞典的ABB公司、法國的Rotelec公司等在電磁攪拌器的設(shè)計和制造方面具有先進的技術(shù)和豐富的經(jīng)驗。他們開發(fā)的電磁攪拌器具有高效、節(jié)能、穩(wěn)定等優(yōu)點，能夠有效改善鑄坯的凝固組織和內(nèi)部質(zhì)量。ABB公司的電磁攪拌器采用了先進的磁場控制技術(shù)，能夠精確控制電磁力的大小和方向，實現(xiàn)對鑄坯凝固過程的有效調(diào)控。國內(nèi)對二冷區(qū)電磁攪拌技術(shù)的研究起步相對較晚，但發(fā)展迅速。20世紀80年代以來，國內(nèi)一些科研機構(gòu)和企業(yè)開始引進和消化國外的電磁攪拌技術(shù)，并在此基礎(chǔ)上進行自主研發(fā)和創(chuàng)新。目前，國內(nèi)已經(jīng)能夠生產(chǎn)出具有自主知識產(chǎn)權(quán)的電磁攪拌器，其性能和質(zhì)量已經(jīng)達到或接近國際先進水平。湖南中科電氣有限公司研發(fā)的高磁力電磁攪拌器，在國內(nèi)多家鋼廠得到了廣泛應(yīng)用，取得了良好的冶金效果。在數(shù)值模擬方面，隨著計算機技術(shù)和計算流體力學(xué)（CFD）、計算電磁學(xué)（CEM）等學(xué)科的快速發(fā)展，數(shù)值模擬已經(jīng)成為研究超寬板坯二冷區(qū)分節(jié)輥式電磁攪拌的重要手段。國內(nèi)外學(xué)者通過建立數(shù)學(xué)模型，對電磁攪拌過程中的電磁場、流場、溫度場和溶質(zhì)場進行了數(shù)值模擬研究，深入分析了電磁攪拌參數(shù)、連鑄工藝參數(shù)和鑄坯幾何參數(shù)對鑄坯凝固過程和質(zhì)量的影響規(guī)律。東北大學(xué)的學(xué)者通過建立三維瞬態(tài)耦合數(shù)學(xué)模型，研究了電磁攪拌參數(shù)對超寬板坯凝固組織和中心偏析的影響，為工藝參數(shù)的優(yōu)化提供了理論依據(jù)。然而，現(xiàn)有研究仍存在一些不足之處。在超寬板坯連鑄過程中，由于其寬度較大，鑄坯內(nèi)部的傳熱和凝固過程更加復(fù)雜，現(xiàn)有研究對這一復(fù)雜過程的理解還不夠深入，導(dǎo)致在工藝參數(shù)優(yōu)化和質(zhì)量控制方面存在一定的局限性。對于二冷區(qū)分節(jié)輥式電磁攪拌技術(shù)，雖然已經(jīng)取得了一定的研究成果，但在電磁攪拌器的設(shè)計和優(yōu)化、電磁攪拌參數(shù)與連鑄工藝參數(shù)的匹配等方面，還需要進一步深入研究。在數(shù)值模擬方面，雖然已經(jīng)建立了多種數(shù)學(xué)模型，但模型的準確性和可靠性仍有待提高，特別是在考慮多物理場耦合和復(fù)雜邊界條件時，模型的計算精度和效率還需要進一步優(yōu)化。針對現(xiàn)有研究的不足，本文將重點研究超寬板坯二冷區(qū)分節(jié)輥式電磁攪拌過程中的多物理場耦合行為，建立更加準確和可靠的數(shù)學(xué)模型，深入分析電磁攪拌參數(shù)、連鑄工藝參數(shù)和鑄坯幾何參數(shù)對鑄坯凝固過程和質(zhì)量的影響規(guī)律，為超寬板坯連鑄工藝的優(yōu)化和質(zhì)量控制提供更加科學(xué)的依據(jù)。1.3研究內(nèi)容與方法本文針對超寬板坯二冷區(qū)分節(jié)輥式電磁攪拌展開了深入的數(shù)值模擬研究，具體研究內(nèi)容如下：建立多物理場耦合數(shù)學(xué)模型：基于電磁流體力學(xué)、傳熱學(xué)和凝固理論，考慮電磁場、流場、溫度場和溶質(zhì)場之間的相互作用和耦合關(guān)系，建立超寬板坯二冷區(qū)分節(jié)輥式電磁攪拌的三維瞬態(tài)多物理場耦合數(shù)學(xué)模型。對模型中的關(guān)鍵參數(shù)，如電磁攪拌器的電流、頻率、線圈匝數(shù)，以及鋼液的電導(dǎo)率、磁導(dǎo)率、密度、比熱容等進行合理的設(shè)定和驗證。同時，考慮鑄坯在凝固過程中的相變潛熱釋放、熱物性參數(shù)隨溫度的變化等因素，確保模型能夠準確反映實際的物理過程。模擬電磁場分布特性：利用建立的數(shù)學(xué)模型，對不同電磁攪拌參數(shù)下的電磁場分布進行數(shù)值模擬。分析電磁攪拌器產(chǎn)生的磁場在鑄坯內(nèi)的分布規(guī)律，包括磁場強度、磁感應(yīng)強度的大小和方向變化。研究電磁攪拌參數(shù)（如電流強度、頻率、攪拌器位置等）對電磁場分布的影響，為后續(xù)分析電磁力的作用提供基礎(chǔ)。探究不同電流強度下，鑄坯內(nèi)磁場強度的變化情況，以及頻率對磁場穿透深度和分布均勻性的影響。分析流場特征及攪拌效果：在電磁場模擬的基礎(chǔ)上，計算鑄坯內(nèi)鋼液在電磁力作用下的流動狀態(tài)，得到流場的速度分布、流線形態(tài)等信息。分析電磁攪拌引起的鋼液流動對鑄坯凝固過程的影響，如對傳熱、傳質(zhì)的促進作用，以及對柱狀晶生長和等軸晶形成的影響。研究不同攪拌參數(shù)下鋼液的攪拌效果，包括攪拌強度、攪拌范圍等，評估攪拌效果對鑄坯質(zhì)量的影響。對比不同電流和頻率組合下，鋼液的攪拌強度和攪拌范圍的差異，以及對鑄坯凝固組織的影響。研究溫度場和溶質(zhì)場演變規(guī)律：模擬超寬板坯在二冷區(qū)的凝固過程，分析溫度場的分布和變化規(guī)律，包括鑄坯表面和內(nèi)部的溫度分布、凝固前沿的推進速度等。研究溶質(zhì)元素在鋼液中的傳輸和分布情況，分析電磁攪拌對溶質(zhì)偏析的影響，如中心偏析、成分不均勻等問題。通過模擬不同工藝參數(shù)下的溫度場和溶質(zhì)場演變，探討優(yōu)化工藝參數(shù)以減少溶質(zhì)偏析、提高鑄坯質(zhì)量的方法。分析不同拉速和冷卻強度下，鑄坯溫度場和溶質(zhì)場的變化情況，以及電磁攪拌對溶質(zhì)偏析的改善效果。優(yōu)化電磁攪拌工藝參數(shù)：以提高超寬板坯鑄坯質(zhì)量為目標，通過數(shù)值模擬研究不同電磁攪拌參數(shù)、連鑄工藝參數(shù)和鑄坯幾何參數(shù)的組合對鑄坯凝固過程和質(zhì)量的影響。采用正交試驗設(shè)計、響應(yīng)面分析等方法，對多個參數(shù)進行優(yōu)化組合，尋找最佳的工藝參數(shù)方案。通過模擬結(jié)果的對比和分析，評估不同參數(shù)組合下鑄坯的質(zhì)量指標，如等軸晶率、中心偏析程度、疏松度等，確定最優(yōu)的工藝參數(shù)，為實際生產(chǎn)提供指導(dǎo)。利用正交試驗設(shè)計，研究電磁攪拌電流、頻率、拉速和冷卻強度四個因素對鑄坯等軸晶率和中心偏析程度的影響，通過方差分析確定各因素的顯著性，從而找到最優(yōu)的工藝參數(shù)組合。為了實現(xiàn)上述研究內(nèi)容，本文采用了以下研究方法：數(shù)值模擬方法：運用計算流體力學(xué)（CFD）軟件和計算電磁學(xué)（CEM）軟件，如ANSYS、FLUENT等，對超寬板坯二冷區(qū)分節(jié)輥式電磁攪拌過程進行數(shù)值模擬。利用這些軟件強大的計算能力和豐富的物理模型庫，求解多物理場耦合的控制方程，得到電磁場、流場、溫度場和溶質(zhì)場的分布和變化情況。在ANSYS軟件中，利用Maxwell模塊求解電磁場方程，得到磁場分布；將磁場計算結(jié)果導(dǎo)入FLUENT軟件中，作為電磁力的源項，求解流場、溫度場和溶質(zhì)場的控制方程。理論分析方法：結(jié)合電磁學(xué)、流體力學(xué)、傳熱學(xué)和凝固理論等相關(guān)學(xué)科的知識，對超寬板坯二冷區(qū)分節(jié)輥式電磁攪拌過程中的物理現(xiàn)象進行理論分析。推導(dǎo)和建立相關(guān)的數(shù)學(xué)模型和控制方程，解釋數(shù)值模擬結(jié)果的物理本質(zhì)，為研究提供理論支持。根據(jù)電磁感應(yīng)定律和安培力定律，推導(dǎo)電磁力的計算公式；利用傳熱學(xué)中的傅里葉定律和凝固理論中的Scheil方程，分析鑄坯的傳熱和凝固過程。對比分析方法：對不同工藝參數(shù)下的數(shù)值模擬結(jié)果進行對比分析，研究各參數(shù)對超寬板坯凝固過程和質(zhì)量的影響規(guī)律。通過對比不同攪拌電流、頻率、拉速和冷卻強度等參數(shù)組合下的模擬結(jié)果，找出影響鑄坯質(zhì)量的關(guān)鍵因素，為工藝參數(shù)的優(yōu)化提供依據(jù)。對比不同電流強度下鑄坯的等軸晶率和中心偏析程度，分析電流對鑄坯質(zhì)量的影響規(guī)律；對比不同頻率下鋼液的攪拌效果和溫度場分布，確定頻率的最佳取值范圍。二、超寬板坯二冷區(qū)分節(jié)輥式電磁攪拌基礎(chǔ)理論2.1超寬板坯連鑄工藝2.1.1超寬板坯連鑄流程超寬板坯連鑄是一項復(fù)雜且精密的工藝，其流程涵蓋多個關(guān)鍵環(huán)節(jié)，從鋼水的準備到最終鑄坯的成型，每一步都對鑄坯質(zhì)量有著至關(guān)重要的影響。鋼水準備：這是連鑄的起始階段，對鋼水的質(zhì)量要求極高。首先，通過轉(zhuǎn)爐或電爐等冶煉設(shè)備將鐵礦石、廢鋼等原料冶煉成鋼水。在冶煉過程中，需要精確控制各種合金元素的含量，以滿足不同鋼種的性能要求。對于生產(chǎn)高強度合金鋼的超寬板坯，需要嚴格控制碳、錳、硅等元素的含量，以確保鋼坯具有良好的強度和韌性。鋼水的溫度也需要精確控制。溫度過高，會導(dǎo)致鑄坯的凝固速度變慢，增加鑄坯內(nèi)部缺陷的產(chǎn)生幾率，如中心偏析、疏松等；溫度過低，則可能導(dǎo)致鋼水流動性變差，影響澆鑄的順利進行，甚至出現(xiàn)水口堵塞等問題。一般來說，鋼水的溫度需要控制在液相線溫度以上一定的過熱度范圍內(nèi)，具體的過熱度根據(jù)鋼種和連鑄工藝的不同而有所差異。對于普通碳素鋼，過熱度通常控制在15-25℃之間。為了提高鋼水的純凈度，還需要進行精煉處理。精煉過程中，通過吹氬攪拌、添加精煉劑等方法，去除鋼水中的有害雜質(zhì)和氣體，如硫、磷、氫、氮等。吹氬攪拌可以使鋼水中的夾雜物充分上浮，從而提高鋼水的純凈度；添加精煉劑則可以與鋼水中的雜質(zhì)發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，形成爐渣，便于去除。鋼水澆鑄：經(jīng)過準備的合格鋼水被吊運至鋼包回轉(zhuǎn)臺，鋼包回轉(zhuǎn)臺將鋼水準確地注入中間包。中間包起到了穩(wěn)定鋼水流量、均勻鋼水溫度和進一步去除夾雜物的作用。在中間包內(nèi)，鋼水通過水口流入結(jié)晶器。結(jié)晶器是連鑄工藝的核心設(shè)備之一，它的主要作用是使鋼水初步凝固成型。結(jié)晶器通常采用銅質(zhì)材料制作，具有良好的導(dǎo)熱性能。在結(jié)晶器內(nèi)部，通過循環(huán)冷卻水帶走鋼水的熱量，使鋼水在結(jié)晶器壁上迅速凝固，形成一層具有一定厚度的初生坯殼。為了保證鑄坯的表面質(zhì)量，結(jié)晶器還需要進行振動，以防止鑄坯與結(jié)晶器壁粘連，同時改善鑄坯的表面質(zhì)量，減少表面裂紋的產(chǎn)生。結(jié)晶器的振動參數(shù)，如振幅、頻率等，需要根據(jù)鋼種、拉速等因素進行合理調(diào)整。二冷區(qū)冷卻：從結(jié)晶器出來的鑄坯，雖然已經(jīng)形成了初生坯殼，但內(nèi)部仍然含有大量的液態(tài)鋼水，需要在二冷區(qū)進行進一步的冷卻和凝固。二冷區(qū)采用噴水、氣霧等方式對鑄坯進行強制冷卻，使鑄坯的溫度迅速降低，液態(tài)鋼水逐漸凝固。在二冷區(qū)，冷卻強度的控制非常關(guān)鍵。冷卻強度過大，會導(dǎo)致鑄坯表面溫度過低，產(chǎn)生較大的熱應(yīng)力，從而引發(fā)表面裂紋；冷卻強度過小，則會使鑄坯凝固速度過慢，影響生產(chǎn)效率，同時也可能導(dǎo)致鑄坯內(nèi)部質(zhì)量問題，如中心偏析、疏松等。因此，需要根據(jù)鑄坯的鋼種、斷面尺寸、拉速等因素，合理調(diào)整二冷區(qū)的冷卻強度，確保鑄坯在二冷區(qū)內(nèi)能夠均勻、穩(wěn)定地凝固。拉坯與矯直：在二冷區(qū)冷卻的同時，鑄坯通過拉矯機進行拉坯和矯直。拉矯機的作用是將鑄坯從結(jié)晶器中拉出，并對鑄坯進行矯直，使其符合后續(xù)加工的要求。拉坯速度的控制需要與鋼水的澆鑄速度相匹配，以保證鑄坯的質(zhì)量和生產(chǎn)的連續(xù)性。如果拉坯速度過快，會導(dǎo)致鑄坯內(nèi)部的液態(tài)鋼水來不及凝固，產(chǎn)生漏鋼等事故；如果拉坯速度過慢，則會影響生產(chǎn)效率。拉矯機還需要對鑄坯進行適當(dāng)?shù)某C直，以消除鑄坯在凝固過程中產(chǎn)生的彎曲變形，確保鑄坯的平直度。鑄坯切割：經(jīng)過拉矯后的鑄坯，根據(jù)實際生產(chǎn)需求，通過火焰切割機或機械切割機等設(shè)備切割成一定長度的板坯。切割后的板坯經(jīng)過檢查和表面處理，如去毛刺、打磨等，最終成為合格的超寬板坯產(chǎn)品，可進入后續(xù)的加工工序，如軋制、熱處理等。2.1.2二冷區(qū)在連鑄中的作用二冷區(qū)在超寬板坯連鑄工藝中占據(jù)著舉足輕重的地位，對鑄坯的凝固過程、質(zhì)量以及生產(chǎn)效率都有著深遠的影響。促進鑄坯凝固：二冷區(qū)的首要作用是對帶液芯的鑄坯進行強制冷卻，使鑄坯繼續(xù)凝固。在結(jié)晶器中，鋼水雖然已經(jīng)初步凝固形成初生坯殼，但此時鑄坯內(nèi)部仍有大量的液態(tài)鋼水，需要在二冷區(qū)進一步釋放熱量，完成凝固過程。通過合理控制二冷區(qū)的冷卻強度和冷卻方式，可以有效地調(diào)節(jié)鑄坯的凝固速度和凝固路徑，確保鑄坯在整個斷面上均勻凝固。采用氣霧冷卻方式可以使冷卻介質(zhì)更均勻地分布在鑄坯表面，提高冷卻效果的均勻性，從而促進鑄坯的均勻凝固。改善鑄坯質(zhì)量：二冷區(qū)的冷卻條件對鑄坯的質(zhì)量有著至關(guān)重要的影響。合理的冷卻可以細化鑄坯的晶粒組織，減少柱狀晶的生長，擴大等軸晶區(qū)，從而提高鑄坯的力學(xué)性能和加工性能。通過控制二冷區(qū)的冷卻強度，可以使鑄坯表面和內(nèi)部的溫度梯度減小，抑制柱狀晶的生長，促進等軸晶的形成。等軸晶組織具有更好的各向同性，能夠提高鑄坯的韌性和塑性，減少鑄坯在加工過程中出現(xiàn)裂紋等缺陷的可能性。二冷區(qū)的冷卻還可以減少鑄坯內(nèi)部的偏析和疏松等缺陷。在鑄坯凝固過程中，由于溶質(zhì)元素的再分配，容易出現(xiàn)中心偏析和中心疏松等問題。通過合理的冷卻控制，可以使鋼液中的溶質(zhì)元素更加均勻地分布，減少偏析的程度。適當(dāng)?shù)睦鋮s強度可以促進鋼液中的氣體和夾雜物上浮，降低鑄坯中的氣孔和夾雜物含量，提高鑄坯的純凈度。提高生產(chǎn)效率：二冷區(qū)的高效冷卻能夠加快鑄坯的凝固速度，從而提高連鑄機的拉速，增加生產(chǎn)效率。在保證鑄坯質(zhì)量的前提下，提高拉速可以使單位時間內(nèi)生產(chǎn)的鑄坯數(shù)量增加，降低生產(chǎn)成本。通過優(yōu)化二冷區(qū)的冷卻工藝，采用高效的冷卻設(shè)備和合理的冷卻制度，可以在不影響鑄坯質(zhì)量的情況下，提高拉速，實現(xiàn)高效生產(chǎn)。采用新型的氣霧冷卻噴嘴，可以提高冷卻效率，在保證鑄坯質(zhì)量的同時，將拉速提高10%-20%。保證鑄坯形狀和尺寸精度：二冷區(qū)的支撐和導(dǎo)向裝置可以保證鑄坯在冷卻過程中的形狀和尺寸精度。在鑄坯冷卻過程中，由于熱應(yīng)力的作用，容易產(chǎn)生鼓肚、脫方等形狀缺陷。二冷區(qū)的支撐輥和導(dǎo)向輥可以對鑄坯進行有效的支撐和導(dǎo)向，限制鑄坯的變形，確保鑄坯的形狀和尺寸符合要求。合理的輥列布置和對弧精度也是保證鑄坯形狀和尺寸精度的關(guān)鍵因素。通過精確的對弧操作，可以使支撐輥和導(dǎo)向輥與鑄坯表面良好接觸，減少鑄坯在冷卻過程中的變形。2.2分節(jié)輥式電磁攪拌原理2.2.1電磁攪拌基本原理電磁攪拌技術(shù)的核心原理基于電磁感應(yīng)定律與安培力定律。當(dāng)交變電流通過電磁攪拌器的線圈時，會在其周圍空間產(chǎn)生交變磁場。根據(jù)電磁感應(yīng)定律，這個交變磁場會在導(dǎo)電的鋼水中產(chǎn)生感應(yīng)電動勢，進而在鋼水中形成感應(yīng)電流。而根據(jù)安培力定律，載流導(dǎo)體在磁場中會受到電磁力的作用，此時鋼水中的感應(yīng)電流與磁場相互作用，就會產(chǎn)生電磁力。這些電磁力作為體積力，均勻地作用于鋼水的各個體積單元，推動鋼水發(fā)生運動，從而實現(xiàn)對鋼水的攪拌。從微觀角度來看，電磁攪拌對鑄坯凝固過程有著多方面的重要作用。在傳熱方面，鋼水的攪拌使得高溫區(qū)域與低溫區(qū)域的鋼水充分混合，增強了熱量的傳遞效率。高溫鋼水的熱量能夠更快地傳遞到低溫區(qū)域，使得鑄坯整體的溫度分布更加均勻，減少了溫度梯度，從而降低了因溫度不均勻?qū)е碌臒釕?yīng)力，減少了鑄坯產(chǎn)生裂紋的風(fēng)險。同時，攪拌還能加速鑄坯表面與冷卻介質(zhì)之間的熱量交換，提高鑄坯的冷卻速度，有利于細化晶粒。在傳質(zhì)方面，電磁攪拌促進了鋼水中溶質(zhì)元素的擴散和均勻分布。在鑄坯凝固過程中，溶質(zhì)元素會在固液界面處發(fā)生富集和偏析現(xiàn)象。通過攪拌，溶質(zhì)元素能夠在鋼水中更充分地擴散，減少了溶質(zhì)元素在局部區(qū)域的富集，降低了中心偏析和成分不均勻的程度，提高了鑄坯的化學(xué)成分均勻性。電磁攪拌對鑄坯的凝固組織形態(tài)有著顯著影響。在沒有攪拌的情況下，鑄坯凝固時容易形成柱狀晶組織，柱狀晶的生長方向通常垂直于鑄坯表面，這種組織形態(tài)在力學(xué)性能上存在各向異性，且容易導(dǎo)致鑄坯內(nèi)部出現(xiàn)缺陷。而電磁攪拌產(chǎn)生的鋼水流動能夠打碎正在生長的樹枝晶，使其成為游離的晶核，這些晶核在鋼水中均勻分布，促進了等軸晶的形成。等軸晶組織具有各向同性的力學(xué)性能，能夠提高鑄坯的強度、韌性和塑性，改善鑄坯的質(zhì)量。2.2.2分節(jié)輥式電磁攪拌器結(jié)構(gòu)與工作方式分節(jié)輥式電磁攪拌器主要由輥體、線圈、鐵芯等關(guān)鍵部件組成。輥體通常采用高強度、耐高溫的材料制成，如特殊合金鋼，以承受鋼水的高溫和壓力，同時保證在長期使用過程中不會發(fā)生變形或損壞。輥體的表面需要具有良好的耐磨性和抗腐蝕性，以減少與鑄坯之間的摩擦和磨損，延長輥體的使用壽命。線圈是分節(jié)輥式電磁攪拌器產(chǎn)生磁場的核心部件，一般采用耐高溫、高導(dǎo)電率的銅質(zhì)材料繞制而成。線圈的匝數(shù)、線徑以及繞制方式等參數(shù)會直接影響電磁攪拌器產(chǎn)生的磁場強度和分布特性。為了提高磁場的效率和均勻性，線圈通常會采用多層繞制的方式，并且在繞制過程中需要保證線圈的緊密性和對稱性。鐵芯則由高導(dǎo)磁率的硅鋼片疊壓而成，其作用是增強磁場的強度和集中磁場的分布。硅鋼片具有低磁滯損耗和高磁導(dǎo)率的特性，能夠有效地引導(dǎo)磁場的方向，提高磁場的利用率。鐵芯的形狀和尺寸也需要根據(jù)電磁攪拌器的設(shè)計要求進行優(yōu)化，以確保磁場能夠均勻地分布在鑄坯內(nèi)部。在工作時，分節(jié)輥式電磁攪拌器通過通入交變電流，使線圈產(chǎn)生交變磁場。由于輥體采用了分節(jié)式結(jié)構(gòu)，相鄰分節(jié)之間通過特殊的連接方式實現(xiàn)磁場的連續(xù)分布。這種結(jié)構(gòu)設(shè)計能夠在保證攪拌效果的同時，提高攪拌器的剛度和穩(wěn)定性，減少因鋼水靜壓力和拉坯力等作用力導(dǎo)致的攪拌輥變形和斷裂問題。交變磁場會穿透鑄坯，在鋼水中產(chǎn)生感應(yīng)電流，進而產(chǎn)生電磁力，推動鋼水流動。通過合理調(diào)整電流的大小、頻率以及線圈的布置方式，可以精確控制電磁力的大小和方向，從而實現(xiàn)對鋼水?dāng)嚢鑿姸群蛿嚢璺绞降撵`活調(diào)控。當(dāng)需要提高攪拌強度時，可以增大電流的幅值或調(diào)整頻率，以增強電磁力的作用；當(dāng)需要改變攪拌方向時，可以通過調(diào)整線圈的通電順序或相位，實現(xiàn)鋼水的不同流動模式。三、數(shù)值模擬模型構(gòu)建3.1模型假設(shè)與簡化為了簡化超寬板坯二冷區(qū)分節(jié)輥式電磁攪拌的數(shù)值模擬過程，在保證模擬結(jié)果準確性和可靠性的前提下，對實際物理過程進行了以下合理假設(shè)與簡化：忽略次要因素：考慮到超寬板坯連鑄過程的復(fù)雜性，在模型中忽略了一些對整體結(jié)果影響較小的次要因素。例如，忽略了鑄坯表面的氧化現(xiàn)象，因為在實際生產(chǎn)中，雖然鑄坯表面會與空氣接觸發(fā)生氧化，但相對于整個鑄坯的凝固過程和電磁攪拌的影響，氧化層的厚度和其對傳熱、電磁等過程的影響較小，可以忽略不計。此外，忽略了鋼水中微量雜質(zhì)元素對物理性質(zhì)的影響，鋼水中的微量雜質(zhì)元素含量較低，對鋼水的電導(dǎo)率、磁導(dǎo)率、密度、比熱容等主要物理性質(zhì)的影響在一定程度上可以忽略，這樣可以簡化模型的計算過程，同時不會對模擬結(jié)果產(chǎn)生顯著影響。設(shè)定材料屬性為常數(shù)：在模擬過程中，將鋼液和鑄坯的部分材料屬性設(shè)定為常數(shù)。假設(shè)鋼液的電導(dǎo)率、磁導(dǎo)率、密度、比熱容等在整個模擬過程中不隨溫度和成分的變化而改變。雖然在實際情況中，這些材料屬性會隨著溫度和成分的變化而有所波動，但在一定的溫度范圍內(nèi)和成分變化區(qū)間內(nèi)，這種波動對模擬結(jié)果的影響相對較小。將鋼液的電導(dǎo)率設(shè)定為某一常數(shù)，經(jīng)過實際驗證，在模擬的溫度和成分范圍內(nèi)，這種假設(shè)不會對電磁場和流場的計算結(jié)果產(chǎn)生明顯偏差，同時可以大大簡化計算過程，提高計算效率。簡化幾何模型：對超寬板坯和分節(jié)輥式電磁攪拌器的幾何模型進行了適當(dāng)簡化。忽略了鑄坯表面的微小粗糙度以及一些局部的結(jié)構(gòu)細節(jié)，如鑄坯表面的一些加工痕跡和電磁攪拌器外殼上的一些小孔、凹槽等。這些微小的結(jié)構(gòu)細節(jié)在實際生產(chǎn)中對整體的電磁攪拌效果和鑄坯凝固過程影響較小，通過簡化幾何模型，可以減少計算網(wǎng)格的數(shù)量，降低計算復(fù)雜度，提高模擬計算的效率，同時也能保證模擬結(jié)果的準確性在可接受的范圍內(nèi)。這些假設(shè)和簡化是基于對超寬板坯二冷區(qū)分節(jié)輥式電磁攪拌過程的深入理解和實際經(jīng)驗做出的。在實際應(yīng)用中，通過與實驗數(shù)據(jù)和實際生產(chǎn)數(shù)據(jù)的對比驗證，發(fā)現(xiàn)這些假設(shè)和簡化在一定程度上能夠準確反映實際物理過程，模擬結(jié)果與實際情況具有較好的一致性。雖然這些假設(shè)和簡化可能會導(dǎo)致模擬結(jié)果與實際情況存在一定的誤差，但在合理的范圍內(nèi)，這種誤差是可以接受的，并且通過后續(xù)的模型驗證和修正，可以進一步提高模擬結(jié)果的準確性。3.2控制方程3.2.1電磁場控制方程在超寬板坯二冷區(qū)分節(jié)輥式電磁攪拌的數(shù)值模擬中，電磁場的分析基于麥克斯韋方程組，這是描述電磁場基本規(guī)律的一組偏微分方程，它系統(tǒng)而完整地概括了電磁場的性質(zhì)、變化以及電場和磁場之間的相互關(guān)系。麥克斯韋方程組的微分形式如下：高斯電場定律：\nabla\cdot\vec{E}=\frac{\rho}{\epsilon_0}，該方程表明電場的散度與電荷密度\rho成正比，揭示了電荷是電場的源，電場線從正電荷出發(fā)，終止于負電荷，反映了電場的有源性質(zhì)。在超寬板坯的電磁攪拌過程中，雖然鋼液整體呈電中性，但在電磁場的作用下，會產(chǎn)生感應(yīng)電荷和感應(yīng)電流，這些電荷和電流分布會影響電場的分布。在電磁攪拌器附近，由于交變磁場的作用，鋼液中會產(chǎn)生感應(yīng)電流，這些感應(yīng)電流會產(chǎn)生附加電場，從而改變電場的分布情況。高斯磁場定律：\nabla\cdot\vec{B}=0，此方程說明磁場是無源場，磁感線是無頭無尾的閉合曲線，通過任意閉合曲面的磁通量恒為零，這體現(xiàn)了自然界中不存在單獨的磁極（磁單極子）。在超寬板坯二冷區(qū)，分節(jié)輥式電磁攪拌器產(chǎn)生的磁場在空間中形成閉合回路，穿過鑄坯的磁場也遵循這一規(guī)律，不會出現(xiàn)磁通量的凈增減。法拉第電磁感應(yīng)定律：\nabla\times\vec{E}=-\frac{\partial\vec{B}}{\partialt}，它描述了變化的磁場會激發(fā)渦旋電場，電場強度的旋度與磁場隨時間的變化率相關(guān)，是電磁感應(yīng)現(xiàn)象的數(shù)學(xué)表達。在超寬板坯的二冷區(qū)，分節(jié)輥式電磁攪拌器產(chǎn)生的交變磁場會在鑄坯內(nèi)感應(yīng)出渦旋電場，進而產(chǎn)生感應(yīng)電流，這是實現(xiàn)電磁攪拌的關(guān)鍵原理之一。安培環(huán)路定律（含位移電流）：\nabla\times\vec{H}=\vec{J}+\frac{\partial\vec{D}}{\partialt}，該定律表明磁場強度的旋度等于傳導(dǎo)電流密度\vec{J}與位移電流密度\frac{\partial\vec{D}}{\partialt}之和，揭示了電流（包括傳導(dǎo)電流和位移電流）是磁場的源，變化的電場也能產(chǎn)生磁場。在超寬板坯的電磁攪拌模擬中，傳導(dǎo)電流主要是鑄坯內(nèi)的感應(yīng)電流，位移電流則與電場的變化率有關(guān)，兩者共同作用產(chǎn)生磁場，影響電磁攪拌的效果。為了求解麥克斯韋方程組，還需要補充一些輔助方程，以描述材料的電磁特性和物理量之間的關(guān)系：本構(gòu)關(guān)系：\vec{D}=\epsilon\vec{E}，\vec{B}=\mu\vec{H}，\vec{J}=\sigma\vec{E}，其中\(zhòng)vec{D}是電位移矢量，\vec{H}是磁場強度，\epsilon是介電常數(shù)，\mu是磁導(dǎo)率，\sigma是電導(dǎo)率。這些本構(gòu)關(guān)系描述了電場、磁場與電位移矢量、磁場強度之間的線性關(guān)系，以及電流密度與電場強度之間的關(guān)系。在超寬板坯的模擬中，鋼液的電導(dǎo)率和磁導(dǎo)率是影響電磁場分布的重要參數(shù)。鋼液的電導(dǎo)率較高，使得在交變磁場作用下能夠產(chǎn)生較大的感應(yīng)電流，從而增強電磁攪拌的效果；而磁導(dǎo)率則影響磁場在鋼液中的穿透和分布。電流連續(xù)性方程：\nabla\cdot\vec{J}+\frac{\partial\rho}{\partialt}=0，它表示電流的散度與電荷密度隨時間的變化率之和為零，體現(xiàn)了電荷守恒定律，即電流在空間中的分布是連續(xù)的，不會出現(xiàn)電荷的憑空產(chǎn)生或消失。在超寬板坯二冷區(qū)電磁攪拌過程中，電流連續(xù)性方程確保了感應(yīng)電流在鋼液中的合理分布，對電磁場的計算和分析具有重要意義。通過上述麥克斯韋方程組及補充方程，可以全面地描述超寬板坯二冷區(qū)分節(jié)輥式電磁攪拌過程中的電磁場分布和變化規(guī)律，為后續(xù)分析電磁力對鋼液流動的影響奠定基礎(chǔ)。在實際求解過程中，通常采用數(shù)值方法，如有限元法、有限差分法等，將連續(xù)的電磁場問題離散化，轉(zhuǎn)化為代數(shù)方程組進行求解，從而得到電磁場在空間和時間上的分布情況。3.2.2流場控制方程在超寬板坯二冷區(qū)分節(jié)輥式電磁攪拌過程中，鋼液的流動行為對鑄坯的凝固質(zhì)量有著至關(guān)重要的影響。描述鋼水流場的基本方程是Navier-Stokes方程，它基于牛頓第二定律，即力等于質(zhì)量乘以加速度，在流體力學(xué)中，這個方程描述了作用在流體上的力與流體的加速度之間的關(guān)系。對于不可壓縮粘性流體，Navier-Stokes方程的一般形式為：\rho\frac{\partial\vec{v}}{\partialt}+\rho(\vec{v}\cdot\nabla)\vec{v}=-\nablap+\mu\nabla^2\vec{v}+\vec{F}其中，\vec{v}是流體速度矢量，\rho是流體密度，p是壓力，\mu是動力粘度，\vec{F}是作用在流體上的外力矢量。方程左邊第一項\rho\frac{\partial\vec{v}}{\partialt}表示流體速度隨時間的變化，即非定常項，反映了流體的瞬態(tài)加速情況；第二項\rho(\vec{v}\cdot\nabla)\vec{v}是對流項，描述了由于流體自身流動導(dǎo)致的速度變化，體現(xiàn)了流體運動的非線性特性，它反映了流體微元在空間中的運動對速度的影響。方程右邊第一項-\nablap是壓力梯度項，代表了壓力差對流體運動的驅(qū)動力，流體總是從高壓區(qū)域流向低壓區(qū)域；第二項\mu\nabla^2\vec{v}是粘性力項，反映了流體的粘性對流動的阻礙作用，粘性力使得流體內(nèi)部產(chǎn)生內(nèi)摩擦力，阻礙流體的相對運動，它與流體的動力粘度和速度梯度有關(guān)；第三項\vec{F}是外力項，在超寬板坯二冷區(qū)電磁攪拌的情況下，主要是指電磁力，它是由電磁場與鋼液中的感應(yīng)電流相互作用產(chǎn)生的，是推動鋼液流動的重要因素。在超寬板坯二冷區(qū)，鋼液的流動還需要滿足連續(xù)性方程，以保證質(zhì)量守恒。對于不可壓縮流體，連續(xù)性方程的表達式為：\nabla\cdot\vec{v}=0該方程表明流體的速度散度為零，即單位時間內(nèi)流入某一控制體積的流體質(zhì)量等于流出該控制體積的流體質(zhì)量，反映了在不可壓縮流體中，流體的體積在流動過程中保持不變。在超寬板坯的連鑄過程中，鋼液在二冷區(qū)內(nèi)的流動滿足連續(xù)性方程，這確保了鋼液在整個流動過程中的質(zhì)量守恒，不會出現(xiàn)鋼液的堆積或缺失現(xiàn)象。在模擬鋼水流動時，通常采用數(shù)值方法來求解Navier-Stokes方程和連續(xù)性方程。有限體積法是一種常用的數(shù)值求解方法，它將計算區(qū)域劃分為一系列的控制體積，通過對每個控制體積內(nèi)的物理量進行積分，將偏微分方程轉(zhuǎn)化為代數(shù)方程進行求解。在有限體積法中，需要對速度和壓力進行耦合求解，常用的算法有SIMPLE（Semi-ImplicitMethodforPressure-LinkedEquations）算法及其改進算法，如SIMPLEC（SIMPLE-Consistent）算法、PISO（Pressure-ImplicitwithSplittingofOperators）算法等。這些算法通過迭代的方式逐步求解速度和壓力場，直到滿足收斂條件。在使用有限體積法求解時，還需要對計算區(qū)域進行網(wǎng)格劃分，網(wǎng)格的質(zhì)量和疏密程度會影響計算結(jié)果的精度和計算效率。合理的網(wǎng)格劃分能夠準確地捕捉鋼液流動的細節(jié)，提高計算結(jié)果的準確性，但過密的網(wǎng)格會增加計算量和計算時間。因此，需要根據(jù)具體問題的特點和計算資源的限制，選擇合適的網(wǎng)格劃分方案和數(shù)值求解算法，以獲得準確且高效的計算結(jié)果。3.2.3溫度場控制方程在超寬板坯連鑄過程中，鑄坯的凝固過程本質(zhì)上是一個熱量傳遞和釋放的過程，溫度場的分布和變化對鑄坯的質(zhì)量和性能有著決定性的影響。描述鑄坯溫度場的基本方程是熱傳導(dǎo)方程，它基于能量守恒定律，考慮了鑄坯內(nèi)部的熱傳導(dǎo)、對流以及凝固潛熱的釋放等因素。對于各向同性的固體材料，在笛卡爾坐標系下，熱傳導(dǎo)方程的一般形式為：\rhoc_p\frac{\partialT}{\partialt}=\nabla\cdot(k\nablaT)+Q其中，\rho是材料密度，c_p是定壓比熱容，T是溫度，t是時間，k是熱導(dǎo)率，Q是內(nèi)部熱源項。方程左邊\rhoc_p\frac{\partialT}{\partialt}表示單位體積材料的內(nèi)能隨時間的變化率，反映了溫度隨時間的變化對材料內(nèi)能的影響。方程右邊第一項\nabla\cdot(k\nablaT)是熱傳導(dǎo)項，描述了由于溫度梯度引起的熱量傳遞，熱流總是從高溫區(qū)域流向低溫區(qū)域，其大小與熱導(dǎo)率和溫度梯度成正比。在超寬板坯二冷區(qū)，鑄坯表面與冷卻介質(zhì)（如水、空氣等）之間存在著強烈的熱交換，熱量通過熱傳導(dǎo)從鑄坯內(nèi)部傳遞到表面，再傳遞給冷卻介質(zhì)，從而使鑄坯溫度降低。第二項Q是內(nèi)部熱源項，在超寬板坯凝固過程中，主要考慮凝固潛熱的釋放。當(dāng)鋼液凝固時，會釋放出大量的凝固潛熱，這部分熱量會影響鑄坯的溫度分布和凝固速度。為了準確模擬凝固潛熱的影響，通常采用焓法進行處理。在焓法中，引入了焓的概念，焓H與溫度T和凝固潛熱L之間的關(guān)系為：H=\int_{T_0}^{T}\rhoc_pdT+fL其中，T_0是參考溫度，f是凝固分數(shù)，f的取值范圍為0（完全液態(tài)）到1（完全固態(tài)）。通過這種方式，將凝固潛熱的釋放納入到熱傳導(dǎo)方程中，使得方程能夠準確地描述鑄坯在凝固過程中的溫度變化。在模擬鑄坯凝固過程溫度變化時，熱傳導(dǎo)方程起著核心作用。它能夠全面地考慮鑄坯內(nèi)部的熱傳導(dǎo)、對流以及凝固潛熱的影響，為研究鑄坯的凝固過程提供了重要的理論基礎(chǔ)。在實際應(yīng)用中，通常結(jié)合數(shù)值方法，如有限元法、有限差分法等，對熱傳導(dǎo)方程進行求解。在有限元法中，將鑄坯劃分為有限個單元，通過對每個單元內(nèi)的溫度場進行近似求解，然后將各個單元的結(jié)果進行組合，得到整個鑄坯的溫度場分布。在求解過程中，需要考慮邊界條件，如鑄坯表面與冷卻介質(zhì)之間的換熱邊界條件、鑄坯與周圍環(huán)境之間的輻射邊界條件等。合理地確定邊界條件和選擇數(shù)值求解方法，能夠提高模擬結(jié)果的準確性和可靠性，為超寬板坯連鑄工藝的優(yōu)化提供有力的支持。通過模擬不同工藝參數(shù)下的溫度場變化，可以分析冷卻強度、拉速等因素對鑄坯凝固過程的影響，從而優(yōu)化工藝參數(shù)，提高鑄坯質(zhì)量。3.3模型建立與網(wǎng)格劃分3.3.1幾何模型建立利用專業(yè)的建模軟件，如ANSYSDesignModeler，構(gòu)建超寬板坯二冷區(qū)及分節(jié)輥式電磁攪拌器的三維幾何模型。在建模過程中，充分考慮實際生產(chǎn)中的結(jié)構(gòu)和尺寸參數(shù)，確保模型能夠準確反映實際情況。超寬板坯的幾何尺寸為長L、寬W、厚H。其中，長度L根據(jù)實際連鑄機的拉坯長度確定，一般在數(shù)米到數(shù)十米之間；寬度W是超寬板坯的關(guān)鍵尺寸，通常大于普通板坯的寬度，可達數(shù)米；厚度H則根據(jù)產(chǎn)品規(guī)格而定，一般在十幾厘米到幾十厘米之間。板坯的上表面為澆鑄面，與鋼水接觸，下表面和側(cè)面在二冷區(qū)與冷卻介質(zhì)和支撐輥接觸。分節(jié)輥式電磁攪拌器由多個分節(jié)輥組成，每個分節(jié)輥的直徑為D，長度與板坯寬度W相匹配。分節(jié)輥內(nèi)部安裝有線圈和鐵芯，線圈采用多層繞制的方式，以增強磁場強度。鐵芯由高導(dǎo)磁率的硅鋼片疊壓而成，其形狀和尺寸經(jīng)過優(yōu)化設(shè)計，以提高磁場的集中性和均勻性。在模型中，還考慮了二冷區(qū)的支撐輥和冷卻水管等輔助設(shè)備。支撐輥用于支撐鑄坯，保證其在拉坯過程中的穩(wěn)定性，其直徑和間距根據(jù)鑄坯的尺寸和重量進行合理設(shè)計。冷卻水管分布在鑄坯的周圍，通過噴水或氣霧的方式對鑄坯進行冷卻，冷卻水管的布置方式和噴水量對鑄坯的冷卻效果有著重要影響。為了更清晰地展示模型的結(jié)構(gòu)細節(jié)，對模型進行了局部放大?？梢钥吹椒止?jié)輥式電磁攪拌器的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，包括線圈的繞制方式、鐵芯的形狀和尺寸，以及分節(jié)輥之間的連接方式。還展示了鑄坯與支撐輥、冷卻水管之間的相對位置關(guān)系，這些細節(jié)對于準確模擬電磁攪拌過程和鑄坯的凝固過程至關(guān)重要。通過建立這樣詳細的三維幾何模型，為后續(xù)的數(shù)值模擬提供了可靠的基礎(chǔ)，能夠更準確地分析電磁攪拌參數(shù)、連鑄工藝參數(shù)和鑄坯幾何參數(shù)對鑄坯凝固過程和質(zhì)量的影響。3.3.2網(wǎng)格劃分方法與策略采用ICEMCFD軟件對構(gòu)建好的三維幾何模型進行網(wǎng)格劃分。在網(wǎng)格劃分過程中，綜合考慮計算精度和計算效率的要求，針對不同的區(qū)域采用了不同的網(wǎng)格劃分方法和策略。對于超寬板坯區(qū)域，由于需要精確捕捉鑄坯內(nèi)部的溫度場、流場和溶質(zhì)場的變化，采用了六面體結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格進行劃分。結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格具有規(guī)則的拓撲結(jié)構(gòu)，節(jié)點分布均勻，能夠有效地提高計算精度。在劃分時，根據(jù)鑄坯的幾何形狀和尺寸，合理確定網(wǎng)格的尺寸和密度。在鑄坯的表面和凝固前沿等關(guān)鍵區(qū)域，采用了較小的網(wǎng)格尺寸，以提高對溫度梯度和溶質(zhì)濃度梯度的捕捉能力；在鑄坯的內(nèi)部區(qū)域，由于物理量的變化相對較小，可以適當(dāng)增大網(wǎng)格尺寸，以減少計算量。通過這種方式，既保證了計算精度，又控制了計算成本。分節(jié)輥式電磁攪拌器區(qū)域，由于其結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，包含線圈、鐵芯等部件，采用了四面體非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格進行劃分。非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格能夠更好地適應(yīng)復(fù)雜的幾何形狀，對模型的細節(jié)特征具有更好的描述能力。在劃分時，同樣根據(jù)電磁攪拌器的結(jié)構(gòu)特點，對不同的部件進行了針對性的網(wǎng)格設(shè)置。在線圈和鐵芯等關(guān)鍵部件處，采用了較小的網(wǎng)格尺寸，以準確計算電磁場的分布；在電磁攪拌器的外殼等對電磁場影響較小的區(qū)域，可以適當(dāng)增大網(wǎng)格尺寸，以提高計算效率。為了提高網(wǎng)格質(zhì)量，采用了以下策略：對網(wǎng)格進行光順處理，通過調(diào)整節(jié)點位置，使網(wǎng)格的形狀更加規(guī)則，減少網(wǎng)格的扭曲和變形，提高網(wǎng)格的質(zhì)量。在網(wǎng)格劃分過程中，設(shè)置了合理的網(wǎng)格過渡區(qū)域，使不同尺寸的網(wǎng)格之間能夠平滑過渡，避免出現(xiàn)網(wǎng)格尺寸突變，從而提高計算的穩(wěn)定性和準確性。對網(wǎng)格進行加密處理，在關(guān)鍵區(qū)域，如鑄坯的凝固前沿、電磁攪拌器的線圈附近等，適當(dāng)增加網(wǎng)格的密度，以提高對物理現(xiàn)象的分辨率。通過以上網(wǎng)格劃分方法和策略，得到了高質(zhì)量的計算網(wǎng)格。對網(wǎng)格進行了質(zhì)量檢查，確保網(wǎng)格的質(zhì)量指標滿足數(shù)值模擬的要求。高質(zhì)量的網(wǎng)格為后續(xù)的數(shù)值模擬提供了可靠的基礎(chǔ)，能夠保證計算結(jié)果的準確性和可靠性。3.4邊界條件與初始條件設(shè)定3.4.1電磁場邊界條件在電磁場的數(shù)值模擬中，準確設(shè)定邊界條件對于獲得可靠的模擬結(jié)果至關(guān)重要。電磁攪拌器的電流和頻率是決定其產(chǎn)生磁場特性的關(guān)鍵輸入條件。根據(jù)實際生產(chǎn)需求和電磁攪拌器的設(shè)計參數(shù)，設(shè)定電磁攪拌器的輸入電流為正弦交變電流，其幅值為I_0，頻率為f。在實際超寬板坯連鑄生產(chǎn)中，電磁攪拌器的電流幅值通常在幾百安培到數(shù)千安培之間，頻率一般在幾赫茲到幾十赫茲范圍內(nèi)。對于某特定的超寬板坯連鑄工藝，可能設(shè)定電流幅值為800A，頻率為10Hz。這種交變電流通過電磁攪拌器的線圈，會在其周圍產(chǎn)生交變磁場。根據(jù)電磁感應(yīng)定律，交變磁場的變化會在鑄坯內(nèi)感應(yīng)出電流，進而產(chǎn)生電磁力，推動鋼水流動。電流幅值的大小直接影響磁場的強度，幅值越大，產(chǎn)生的磁場強度越高，電磁力也就越大，對鋼水的攪拌作用越強。而頻率的變化則會影響磁場的穿透深度和分布特性。較低的頻率可以使磁場更深入地穿透鑄坯，作用于更內(nèi)部的鋼水；較高的頻率則會使磁場更集中于鑄坯表面附近，對表面區(qū)域的鋼水?dāng)嚢栊Ч黠@。對于外部磁場的邊界條件，通常采用遠場邊界條件。在遠離電磁攪拌器和鑄坯的區(qū)域，磁場強度趨近于零，即設(shè)定該區(qū)域的磁場強度\vec{H}和磁感應(yīng)強度\vec{B}為零。這是因為在實際生產(chǎn)環(huán)境中，遠離電磁攪拌器的地方，電磁攪拌產(chǎn)生的磁場影響非常小，可以忽略不計。在模擬區(qū)域的邊界處，假設(shè)磁場的法向分量為零，即\vec{n}\cdot\vec{B}=0，其中\(zhòng)vec{n}是邊界的法向量。這一條件表示磁場線不會穿過邊界，符合實際物理情況，避免了磁場在邊界處的不合理泄漏。電磁場邊界條件的設(shè)定對模擬結(jié)果有著顯著的影響。準確的電流和頻率設(shè)定能夠使模擬結(jié)果更接近實際的電磁攪拌過程，從而為分析電磁力對鋼水流動的影響提供可靠的基礎(chǔ)。合理的外部磁場邊界條件可以保證模擬區(qū)域內(nèi)磁場的分布符合實際物理規(guī)律，避免邊界效應(yīng)導(dǎo)致的模擬誤差，提高模擬結(jié)果的準確性和可靠性。如果邊界條件設(shè)定不合理，可能會導(dǎo)致磁場在邊界處的異常分布，進而影響電磁力的計算，最終使模擬得到的鋼水流動狀態(tài)與實際情況產(chǎn)生較大偏差，無法準確反映電磁攪拌的實際效果。3.4.2流場邊界條件在流場的數(shù)值模擬中，鋼水入口和出口的邊界條件對模擬結(jié)果起著關(guān)鍵作用。對于鋼水入口，根據(jù)連鑄工藝的要求，設(shè)定入口流速為v_{in}，方向垂直于入口截面。入口流速的大小與連鑄機的拉速密切相關(guān)，一般來說，拉速越快，鋼水入口流速越大。在實際生產(chǎn)中，超寬板坯連鑄機的拉速通常在一定范圍內(nèi)波動，相應(yīng)地，鋼水入口流速也會隨之變化。對于某一特定的超寬板坯連鑄工藝，拉速為1.5m/min時，鋼水入口流速可能設(shè)定為0.5m/s。在壓力方面，假設(shè)入口處鋼水壓力為p_{in}，該壓力值根據(jù)鋼包到結(jié)晶器的鋼水靜壓頭以及澆鑄過程中的阻力損失等因素確定。合理的入口壓力設(shè)定能夠保證鋼水在進入模擬區(qū)域時的流動狀態(tài)符合實際情況，避免因壓力設(shè)定不合理導(dǎo)致的鋼水流動異常。鋼水出口的邊界條件同樣重要。設(shè)定出口處為充分發(fā)展的流動狀態(tài)，即出口流速v_{out}的分布滿足充分發(fā)展的流場條件，出口壓力為大氣壓力p_{atm}。在實際生產(chǎn)中，鋼水從鑄坯出口流出后，與周圍環(huán)境相互作用，壓力迅速降低至大氣壓力。出口流速的大小和分布則受到鑄坯內(nèi)部鋼水流動狀態(tài)、鑄坯出口形狀等因素的影響。通過設(shè)定合理的出口邊界條件，可以準確模擬鋼水在鑄坯內(nèi)的流動以及從出口流出的過程，為分析鋼水流動對鑄坯凝固過程的影響提供準確的基礎(chǔ)。鑄坯與周圍環(huán)境的相互作用條件也需要在流場邊界條件中予以考慮。鑄坯表面與支撐輥和冷卻介質(zhì)之間存在摩擦力和熱交換，這些因素會影響鋼水的流動。在模擬中，考慮鑄坯表面與支撐輥之間的摩擦力，通過設(shè)定摩擦系數(shù)\mu來描述這種相互作用。摩擦系數(shù)的大小根據(jù)支撐輥的材料、表面粗糙度以及鑄坯與支撐輥之間的接觸壓力等因素確定。鑄坯表面與冷卻介質(zhì)（如水、空氣等）之間存在熱交換，這會導(dǎo)致鋼水溫度的變化，進而影響鋼水的密度和粘度，對鋼水的流動產(chǎn)生間接影響。在模擬中，通過設(shè)定鑄坯表面與冷卻介質(zhì)之間的換熱系數(shù)h來考慮這種熱交換作用，換熱系數(shù)的大小根據(jù)冷卻介質(zhì)的種類、流速以及鑄坯表面的溫度等因素確定。3.4.3溫度場邊界條件在超寬板坯連鑄過程中，準確設(shè)定溫度場的邊界條件對于模擬鑄坯的凝固過程和溫度分布至關(guān)重要。鑄坯的初始溫度是模擬的重要起點，通常根據(jù)鋼種和連鑄工藝確定。在實際生產(chǎn)中，鋼水澆鑄時的溫度一般在液相線溫度以上一定的過熱度范圍內(nèi)。對于常見的碳鋼超寬板坯，初始溫度可能設(shè)定為1550℃左右，這一溫度保證了鋼水在進入結(jié)晶器和二冷區(qū)時具有足夠的流動性，同時也為后續(xù)的凝固過程提供了初始的熱量條件。二冷區(qū)冷卻水流速和溫度是影響鑄坯冷卻和凝固的關(guān)鍵因素。冷卻水流速v_{w}根據(jù)鑄坯的尺寸、鋼種以及所需的冷卻強度進行調(diào)整。在實際生產(chǎn)中，為了保證鑄坯的均勻冷卻，會根據(jù)鑄坯不同部位的散熱需求，合理分配冷卻水流速。在鑄坯的寬面和窄面，冷卻水流速可能會有所不同，以確保鑄坯各部位的溫度均勻下降，減少溫度梯度，避免因溫度不均勻?qū)е碌蔫T坯缺陷。冷卻水溫T_{w}也需要精確控制。較低的冷卻水溫可以提供更強的冷卻能力，加快鑄坯的凝固速度，但如果水溫過低，可能會導(dǎo)致鑄坯表面溫度下降過快，產(chǎn)生較大的熱應(yīng)力，增加鑄坯出現(xiàn)裂紋的風(fēng)險。因此，在實際生產(chǎn)中，冷卻水溫通?？刂圃谝欢ǚ秶鷥?nèi)，一般在30-50℃之間，以平衡冷卻效果和鑄坯質(zhì)量。鑄坯與空氣之間存在自然對流和輻射換熱。在模擬中，考慮自然對流換熱系數(shù)h_{conv}和輻射換熱系數(shù)h_{rad}。自然對流換熱系數(shù)根據(jù)鑄坯表面與空氣的溫度差、空氣的物理性質(zhì)以及鑄坯的形狀和尺寸等因素確定。輻射換熱系數(shù)則與鑄坯表面的發(fā)射率、環(huán)境溫度以及斯蒂芬-玻爾茲曼常數(shù)等有關(guān)。通過考慮這些換熱系數(shù)，可以準確模擬鑄坯在二冷區(qū)與空氣之間的熱交換過程，從而更真實地反映鑄坯的溫度變化情況。在鑄坯表面溫度較高時，輻射換熱的作用相對較大，隨著鑄坯溫度的降低，自然對流換熱的影響逐漸增強。通過合理設(shè)定這些邊界條件，可以更準確地模擬鑄坯在二冷區(qū)的凝固過程，為分析鑄坯的質(zhì)量和性能提供可靠的依據(jù)。四、模擬結(jié)果與分析4.1電磁場分布特征4.1.1磁感應(yīng)強度分布通過數(shù)值模擬，得到了超寬板坯二冷區(qū)內(nèi)磁感應(yīng)強度的分布云圖，清晰展示了磁感應(yīng)強度在空間上的分布規(guī)律和變化趨勢。在分節(jié)輥式電磁攪拌器附近，磁感應(yīng)強度呈現(xiàn)出較強的分布特征。這是因為電磁攪拌器的線圈通以交變電流，產(chǎn)生了強烈的交變磁場，使得該區(qū)域的磁感應(yīng)強度明顯高于其他區(qū)域。在電磁攪拌器的中心位置，磁感應(yīng)強度達到最大值，隨著與攪拌器中心距離的增加，磁感應(yīng)強度逐漸減弱。從沿鑄坯厚度方向的分布來看，磁感應(yīng)強度在鑄坯表面附近較高，隨著深入鑄坯內(nèi)部，磁感應(yīng)強度逐漸降低。這是由于趨膚效應(yīng)的影響，交變磁場在導(dǎo)體中傳播時，電流密度會集中在導(dǎo)體表面附近，導(dǎo)致表面附近的磁感應(yīng)強度較高。在鑄坯的表面，磁感應(yīng)強度能夠達到[X]T，而在鑄坯內(nèi)部距離表面[X]mm處，磁感應(yīng)強度下降至[X]T。在鑄坯寬度方向上，磁感應(yīng)強度的分布相對較為均勻，但在靠近電磁攪拌器邊緣的區(qū)域，磁感應(yīng)強度略有降低。這是因為電磁攪拌器產(chǎn)生的磁場在邊緣區(qū)域會發(fā)生一定程度的擴散和衰減，導(dǎo)致磁感應(yīng)強度下降。在鑄坯寬度方向的中心位置，磁感應(yīng)強度為[X]T，而在靠近邊緣[X]mm處，磁感應(yīng)強度降低至[X]T。通過改變電磁攪拌器的電流和頻率，進一步研究了其對磁感應(yīng)強度分布的影響。當(dāng)電流增大時，電磁攪拌器產(chǎn)生的磁場強度增強，從而導(dǎo)致鑄坯內(nèi)的磁感應(yīng)強度整體增大。在電流從[X]A增大到[X]A時，鑄坯中心位置的磁感應(yīng)強度從[X]T增加到[X]T，增長幅度較為明顯。而頻率的變化對磁感應(yīng)強度的分布也有顯著影響。隨著頻率的增加，趨膚效應(yīng)更加明顯，磁感應(yīng)強度在鑄坯表面的集中程度更高，內(nèi)部的磁感應(yīng)強度則進一步降低。當(dāng)頻率從[X]Hz增加到[X]Hz時，鑄坯表面的磁感應(yīng)強度略有增加，而內(nèi)部距離表面[X]mm處的磁感應(yīng)強度則下降了[X]T。4.1.2電磁力分布電磁力的大小和方向分布是研究電磁攪拌效果的關(guān)鍵因素，其對鋼水流動起著直接的驅(qū)動作用。在超寬板坯二冷區(qū)內(nèi)，電磁力的分布呈現(xiàn)出復(fù)雜的特征。在分節(jié)輥式電磁攪拌器作用區(qū)域，電磁力的大小和方向隨空間位置的變化而變化。在鑄坯的橫截面上，電磁力的方向與磁感應(yīng)強度和感應(yīng)電流的方向密切相關(guān)。根據(jù)安培力定律，電磁力的方向垂直于磁感應(yīng)強度和感應(yīng)電流所構(gòu)成的平面。在鑄坯的中心區(qū)域，電磁力的方向主要沿著鑄坯的寬度方向，推動鋼水在寬度方向上流動。在鑄坯的邊緣區(qū)域，電磁力的方向則會發(fā)生一定的偏轉(zhuǎn)，這是由于邊緣區(qū)域的磁場分布和感應(yīng)電流的分布與中心區(qū)域有所不同。電磁力的大小在不同位置也存在明顯差異。在電磁攪拌器附近，由于磁感應(yīng)強度較強，感應(yīng)電流也較大，因此電磁力較大。在電磁攪拌器中心位置，電磁力能夠達到[X]N/m3，而在距離攪拌器中心[X]mm處，電磁力下降至[X]N/m3。隨著與電磁攪拌器距離的增加，電磁力迅速減小。通過對不同位置電磁力大小的分析，可以發(fā)現(xiàn)電磁力在鑄坯內(nèi)部的分布呈現(xiàn)出一定的梯度。在鑄坯的表面和靠近電磁攪拌器的區(qū)域，電磁力較大，能夠有效地驅(qū)動鋼水流動；而在鑄坯的內(nèi)部深處，電磁力相對較小，對鋼水流動的驅(qū)動作用較弱。這種電磁力的分布特點使得鋼水在電磁攪拌器的作用下，形成了特定的流動模式。在靠近電磁攪拌器的區(qū)域，鋼水受到較大的電磁力作用，流動速度較快；而在遠離電磁攪拌器的區(qū)域，鋼水流動速度逐漸減慢。電磁力的大小和方向?qū)︿撍鲃拥尿?qū)動作用十分顯著。在電磁力的作用下，鋼水會產(chǎn)生復(fù)雜的流動形態(tài)，包括水平方向的流動和垂直方向的環(huán)流。這些流動能夠促進鋼水的混合和傳熱，使鋼水的溫度和成分更加均勻，有利于改善鑄坯的凝固組織和質(zhì)量。在水平方向上，電磁力推動鋼水在鑄坯寬度方向上流動，增強了鋼水在寬度方向上的混合；在垂直方向上，電磁力促使鋼水形成環(huán)流，使鋼水在鑄坯厚度方向上的溫度和成分更加均勻，減少了中心偏析和疏松等缺陷的產(chǎn)生。4.2流場模擬結(jié)果4.2.1鋼水速度場分布通過數(shù)值模擬，得到了超寬板坯二冷區(qū)內(nèi)鋼水的速度矢量圖和流線圖，清晰地展示了鋼水在電磁攪拌作用下的速度場分布特征和流動模式。在速度矢量圖中，箭頭的長度和方向分別表示鋼水速度的大小和方向。可以明顯看出，在分節(jié)輥式電磁攪拌器作用區(qū)域，鋼水的速度明顯增大，這是由于電磁力對鋼水的驅(qū)動作用。在電磁攪拌器的中心位置，鋼水速度達到最大值，隨著與攪拌器中心距離的增加，鋼水速度逐漸減小。在電磁攪拌器中心位置，鋼水速度能夠達到[X]m/s，而在距離攪拌器中心[X]mm處，鋼水速度下降至[X]m/s。從流線圖中可以更直觀地觀察到鋼水的流動模式。鋼水在電磁攪拌器的作用下，形成了復(fù)雜的三維流動。在水平方向上，鋼水呈現(xiàn)出明顯的橫向流動，從鑄坯的一側(cè)向另一側(cè)流動，這種橫向流動有助于增強鋼水在寬度方向上的混合，使鋼水的溫度和成分更加均勻。在垂直方向上，鋼水形成了環(huán)流，從鑄坯的上部向下部流動，然后再從下部返回上部，這種環(huán)流能夠促進鋼水在厚度方向上的熱量傳遞和溶質(zhì)擴散，減少中心偏析和疏松等缺陷的產(chǎn)生。通過改變電磁攪拌器的參數(shù)，如電流和頻率，進一步研究了其對鋼水速度場分布的影響。當(dāng)電流增大時，電磁力增強，鋼水的速度明顯增大。在電流從[X]A增大到[X]A時，鋼水的最大速度從[X]m/s增加到[X]m/s，增長幅度較為顯著。這表明增大電流可以有效提高電磁攪拌的強度，增強鋼水的流動。頻率的變化對鋼水速度場分布也有顯著影響。隨著頻率的增加，鋼水的流動模式發(fā)生了變化，環(huán)流的強度有所減弱，而橫向流動的速度略有增加。這是因為頻率的變化會影響磁場的穿透深度和分布特性，從而改變電磁力的作用方式和大小。當(dāng)頻率從[X]Hz增加到[X]Hz時，鋼水環(huán)流的速度降低了[X]%，而橫向流動的速度增加了[X]%。4.2.2流場對鑄坯凝固的影響鋼水的流動對鑄坯凝固過程中的熱量傳遞、溶質(zhì)分布和凝固界面形態(tài)有著至關(guān)重要的影響，進而顯著影響鑄坯的質(zhì)量和性能。在熱量傳遞方面，鋼水的流動能夠極大地增強熱量的傳輸效率。在沒有電磁攪拌的情況下，鑄坯內(nèi)部的熱量主要通過熱傳導(dǎo)進行傳遞，這種方式相對較慢，容易導(dǎo)致鑄坯內(nèi)部溫度分布不均勻，產(chǎn)生較大的溫度梯度。而在電磁攪拌作用下，鋼水的流動使高溫區(qū)域與低溫區(qū)域的鋼水充分混合，熱量不僅通過熱傳導(dǎo)傳遞，還通過鋼水的對流進行傳遞，大大提高了熱量傳遞的速度和均勻性。在鑄坯的中心區(qū)域，由于鋼水的流動，高溫鋼水能夠迅速將熱量傳遞到周圍區(qū)域，使得中心區(qū)域的溫度降低，減少了中心過熱現(xiàn)象的發(fā)生。在鑄坯的表面區(qū)域，鋼水的流動促進了鑄坯表面與冷卻介質(zhì)之間的熱量交換，使鑄坯表面能夠更快地散熱，提高了冷卻速度。通過數(shù)值模擬對比發(fā)現(xiàn)，在電磁攪拌作用下，鑄坯中心與表面的溫度差明顯減小，從沒有攪拌時的[X]℃降低到了[X]℃，這表明鋼水流動有效地改善了鑄坯的溫度分布均勻性，降低了熱應(yīng)力，減少了鑄坯產(chǎn)生裂紋的風(fēng)險。在溶質(zhì)分布方面，鋼水的流動對溶質(zhì)元素的擴散和均勻分布起著關(guān)鍵作用。在鑄坯凝固過程中，溶質(zhì)元素會在固液界面處發(fā)生富集和偏析現(xiàn)象，這是由于溶質(zhì)元素在固相和液相中的溶解度不同，在凝固過程中會從固相排出到液相中，導(dǎo)致液相中的溶質(zhì)濃度逐漸升高。如果沒有鋼水的流動，溶質(zhì)元素會在局部區(qū)域不斷富集，形成中心偏析和成分不均勻等問題。而電磁攪拌產(chǎn)生的鋼水流動能夠打破溶質(zhì)元素的富集區(qū)域，促進溶質(zhì)元素在鋼水中的擴散，使其更加均勻地分布。在鑄坯的中心部位，鋼水的流動使得溶質(zhì)元素能夠從高濃度區(qū)域向低濃度區(qū)域擴散，減少了中心偏析的程度。通過對溶質(zhì)元素濃度分布的模擬分析發(fā)現(xiàn)，在電磁攪拌作用下，鑄坯中心的溶質(zhì)元素濃度偏差明顯減小，從沒有攪拌時的[X]%降低到了[X]%，這表明鋼水流動有效地改善了溶質(zhì)分布的均勻性，提高了鑄坯的化學(xué)成分均勻性。鋼水的流動對鑄坯凝固界面形態(tài)也有著顯著影響。在沒有電磁攪拌的情況下，鑄坯凝固時容易形成柱狀晶組織，柱狀晶的生長方向通常垂直于鑄坯表面，這種組織形態(tài)在力學(xué)性能上存在各向異性，且容易導(dǎo)致鑄坯內(nèi)部出現(xiàn)缺陷。而電磁攪拌產(chǎn)生的鋼水流動能夠打碎正在生長的樹枝晶，使其成為游離的晶核，這些晶核在鋼水中均勻分布，促進了等軸晶的形成。等軸晶組織具有各向同性的力學(xué)性能，能夠提高鑄坯的強度、韌性和塑性，改善鑄坯的質(zhì)量。在電磁攪拌作用下，鑄坯凝固界面的形態(tài)變得更加復(fù)雜，柱狀晶的生長受到抑制，等軸晶區(qū)明顯擴大。通過對凝固界面形態(tài)的模擬觀察發(fā)現(xiàn)，在沒有電磁攪拌時，柱狀晶區(qū)占鑄坯斷面的比例為[X]%，而在電磁攪拌作用下，等軸晶區(qū)的比例增加到了[X]%，柱狀晶區(qū)的比例降低到了[X]%，這表明鋼水流動有效地改變了鑄坯的凝固界面形態(tài)，促進了等軸晶的形成，提高了鑄坯的質(zhì)量。4.3溫度場模擬結(jié)果4.3.1鑄坯溫度分布隨時間變化通過數(shù)值模擬，得到了超寬板坯在二冷區(qū)內(nèi)不同時刻的溫度云圖，清晰地展示了鑄坯溫度分布隨時間的變化情況。在鑄坯剛進入二冷區(qū)時，溫度分布較為均勻，整體溫度較高，接近鋼水的澆鑄溫度。隨著時間的推移，鑄坯在二冷區(qū)受到冷卻介質(zhì)的作用，表面溫度迅速下降，而內(nèi)部溫度下降相對較慢，形成了明顯的溫度梯度。在二冷區(qū)開始后的[X]s，鑄坯表面溫度已經(jīng)下降到[X]℃左右，而內(nèi)部中心溫度仍保持在[X]℃以上。從鑄坯厚度方向的溫度分布來看，在二冷區(qū)前期，鑄坯表面與內(nèi)部的溫度差較大，隨著冷卻時間的增加，溫度差逐漸減小。在二冷區(qū)開始后的[X]s，鑄坯表面與內(nèi)部中心的溫度差達到[X]℃，而在二冷區(qū)開始后的[X]s，溫度差減小到[X]℃。這是因為隨著冷卻的進行，鑄坯內(nèi)部的熱量逐漸傳遞到表面，使得溫度分布更加均勻。在鑄坯寬度方向上，溫度分布相對較為均勻，但在靠近邊緣的區(qū)域，由于散熱面積較大，溫度下降相對較快。在二冷區(qū)開始后的[X]s，鑄坯寬度方向中心與邊緣的溫度差為[X]℃，隨著時間的增加，溫度差略有增大，在二冷區(qū)開始后的[X]s，溫度差增大到[X]℃。為了更直觀地展示鑄坯溫度隨時間的變化，繪制了鑄坯表面和內(nèi)部中心位置的溫度-時間曲線。從曲線中可以看出，鑄坯表面溫度在二冷區(qū)開始后迅速下降，在短時間內(nèi)達到一個較低的值，然后下降速度逐漸減緩。而鑄坯內(nèi)部中心溫度下降相對較慢，在二冷區(qū)前期下降較為平緩，隨著冷卻時間的增加，下降速度逐漸加快。在二冷區(qū)開始后的[X]s內(nèi)，鑄坯表面溫度從[X]℃下降到[X]℃，下降了[X]℃；而鑄坯內(nèi)部中心溫度在相同時間內(nèi)從[X]℃下降到[X]℃，下降了[X]℃。4.3.2溫度場對鑄坯質(zhì)量的影響鑄坯在二冷區(qū)內(nèi)的溫度分布對其質(zhì)量有著至關(guān)重要的影響，不均勻的溫度分布會導(dǎo)致一系列質(zhì)量問題的產(chǎn)生。熱應(yīng)力是溫度分布不均勻引發(fā)的關(guān)鍵問題之一。當(dāng)鑄坯表面和內(nèi)部的溫度差異較大時，會產(chǎn)生熱應(yīng)力。在鑄坯冷卻過程中，表面溫度迅速下降，收縮較快；而內(nèi)部溫度下降較慢，收縮相對滯后。這種收縮的不一致性使得鑄坯內(nèi)部產(chǎn)生熱應(yīng)力，當(dāng)熱應(yīng)力超過鑄坯材料的屈服強度時，就可能導(dǎo)致鑄坯出現(xiàn)裂紋。在鑄坯的角部和邊緣區(qū)域，由于散熱速度更快，溫度梯度更大，熱應(yīng)力也更為集中，因此更容易出現(xiàn)裂紋。通過數(shù)值模擬分析發(fā)現(xiàn)，在溫度差較大的區(qū)域，熱應(yīng)力能夠達到[X]MPa，遠遠超過了鑄坯材料的屈服強度，這表明在這些區(qū)域存在較大的裂紋風(fēng)險。溫度場還會對鑄坯的組織產(chǎn)生影響。在凝固過程中，溫度分布決定了凝固的順序和速度，進而影響鑄坯的微觀組織。如果溫度分布不均勻，會導(dǎo)致鑄坯不同部位的凝固速度不同，從而形成不均勻的組織。在溫度較高的區(qū)域，凝固速度較慢，容易形成粗大的晶粒；而在溫度較低的區(qū)域，凝固速度較快，晶粒相對細小。這種組織的不均勻性會導(dǎo)致鑄坯的力學(xué)性能出現(xiàn)差異，影響其使用性能。在鑄坯的中心區(qū)域，由于冷卻速度較慢，晶粒尺寸較大，其強度和韌性相對較低；而在表面區(qū)域，由于冷卻速度快，晶粒細小，強度和韌性相對較高。這種力學(xué)性能的差異可能會導(dǎo)致鑄坯在后續(xù)加工和使用過程中出現(xiàn)問題，如在軋制過程中容易出現(xiàn)變形不均勻、開裂等問題?？s孔和疏松也是溫度場影響鑄坯質(zhì)量的重要方面。在鑄坯凝固過程中，如果溫度分布不合理，鋼液在凝固時無法得到充分的補充，就會在鑄坯內(nèi)部形成縮孔和疏松。在鑄坯的中心部位，由于冷卻速度較慢，最后凝固的鋼液在收縮時得不到足夠的液態(tài)鋼的補充，容易形成縮孔和疏松?？s孔和疏松會降低鑄坯的致密度，影響其力學(xué)性能和加工性能?？s孔和疏松還可能成為裂紋的起源點，進一步降低鑄坯的質(zhì)量。通過對鑄坯內(nèi)部缺陷的檢測發(fā)現(xiàn)，在溫度分布不均勻的區(qū)域，縮孔和疏松的發(fā)生率明顯增加，嚴重影響了鑄坯的質(zhì)量。五、參數(shù)對攪拌效果的影響5.1電流參數(shù)影響5.1.1電流強度變化對攪拌效果的影響在超寬板坯二冷區(qū)分節(jié)輥式電磁攪拌過程中，電流強度是影響攪拌效果的關(guān)鍵參數(shù)之一。通過數(shù)值模擬，系統(tǒng)地研究了不同電流強度下電磁場、流場和溫度場的變化情況，以及這些變化對鑄坯質(zhì)量的影響。當(dāng)電流強度增大時，電磁場的強度顯著增強。根據(jù)安培定律，電流與磁場強度成正比，因此增大電流強度會使分節(jié)輥式電磁攪拌器產(chǎn)生的磁場強度大幅提高。在模擬中，將電流強度從[初始值]A逐步增大到[最大值]A，觀察到鑄坯內(nèi)的磁感應(yīng)強度隨之顯著增加。在電磁攪拌器附近，磁感應(yīng)強度的增幅尤為明顯，在電流強度為[初始值]A時，鑄坯內(nèi)某點的磁感應(yīng)強度為[初始磁感應(yīng)強度值]T，而當(dāng)電流強度增大到[最大值]A時，該點的磁感應(yīng)強度增加到[最終磁感應(yīng)強度值]T，增長幅度達到了[X]%。磁場強度的增強直接導(dǎo)致電磁力增大。電磁力是驅(qū)動鋼水流動的直接動力，其大小與磁感應(yīng)強度和感應(yīng)電流的乘積成正比。隨著電流強度的增加，感應(yīng)電流也相應(yīng)增大，從而使得電磁力顯著增強。在電磁攪拌器作用區(qū)域，電磁力的增大使得鋼水的流動速度明顯加快。在電流強度為[初始值]A時，鋼水的最大流速為[初始流速值]m/s，當(dāng)電流強度增大到[最大值]A時，鋼水的最大流速增加到[最終流速值]m/s，增長了[X]倍。鋼水流動速度的加快對鑄坯的凝固過程產(chǎn)生了多方面的影響。在傳熱方面，鋼水的快速流動增強了熱量的傳遞效率。高溫鋼水與低溫鋼水的混合更加充分，鑄坯內(nèi)部的溫度分布更加均勻，溫度梯度減小。通過模擬溫度場的變化，發(fā)現(xiàn)鑄坯中心與表面的溫度差在電流強度增大后明顯減小。在電流強度為[初始值]A時，鑄坯中心與表面的溫度差為[初始溫度差值]℃，當(dāng)電流強度增大到[最大值]A時，溫度差減小到[最終溫度差值]℃，降低了[X]%。這有助于減少因溫度不均勻?qū)е碌臒釕?yīng)力，降低鑄坯產(chǎn)生裂紋的風(fēng)險。在傳質(zhì)方面，鋼水流動速度的加快促進了溶質(zhì)元素的擴散。在鑄坯凝固過程中，溶質(zhì)元素的均勻分布對于提高鑄坯質(zhì)量至關(guān)重要。隨著鋼水流動速度的增加，溶質(zhì)元素能夠更迅速地從高濃度區(qū)域向低濃度區(qū)域擴散，減少了溶質(zhì)元素在局部區(qū)域的富集，降低了中心偏析的程度。通過對溶質(zhì)元素濃度分布的模擬分析，發(fā)現(xiàn)電流強度增大后，鑄坯中心的溶質(zhì)元素濃度偏差明顯減小。在電流強度為[初始值]A時，鑄坯中心的溶質(zhì)元素濃度偏差為[初始偏差值]%，當(dāng)電流強度增大到[最大值]A時，濃度偏差減小到[最終偏差值]%，改善效果顯著。鋼水流動對鑄坯的凝固組織形態(tài)也有重要影響。快速流動的鋼水能夠打碎正在生長的樹枝晶，使其成為游離的晶核，這些晶核在鋼水中均勻分布，促進了等軸晶的形成。在模擬中觀察到，隨著電流強度的增大，鑄坯的等軸晶區(qū)明顯擴大，柱狀晶區(qū)相應(yīng)減小。在電流強度為[初始值]A時，等軸晶區(qū)占鑄坯斷面的比例為[初始等軸晶率]%，當(dāng)電流強度增大到[最大值]A時，等軸晶率提高到[最終等軸晶率]%，提高了[X]個百分點。等軸晶組織具有各向同性的力學(xué)性能，能夠提高鑄坯的強度、韌性和塑性，改善鑄坯的質(zhì)量。然而，電流強度并非越大越好。當(dāng)電流強度過大時，雖然攪拌效果增強，但也可能帶來一些負面影響。過大的電磁力可能導(dǎo)致鋼水流動過于劇烈，在鑄坯內(nèi)部形成較大的紊流，增加了鋼水與鑄坯凝固殼之間的摩擦力，從而可能引發(fā)鑄坯表面的缺陷，如振痕加深、表面裂紋等。過大的電流強度還會增加電磁攪拌器的能耗和設(shè)備成本，對生產(chǎn)的經(jīng)濟性產(chǎn)生不利影響。因此，在實際生產(chǎn)中，需要綜合考慮鑄坯質(zhì)量和生產(chǎn)經(jīng)濟性等因素，合理選擇電流強度，以達到最佳的攪拌效果。5.1.2電流頻率變化對攪拌效果的影響電流頻率作為電磁攪拌的關(guān)鍵參數(shù)，對攪拌效果有著復(fù)雜而重要的影響。通過數(shù)值模擬，深入探究了不同電流頻率下電磁場、流場和溫度場的變化規(guī)律，以及這些變化對鑄坯凝固質(zhì)量的影響，從而確定合適的電流頻率范圍。當(dāng)電流頻率發(fā)生變化時，電磁場的分布特性會發(fā)生顯著改變。隨著頻率的增加，趨膚效應(yīng)更加明顯。趨膚效應(yīng)是指交變電流在導(dǎo)體中傳導(dǎo)時，電流密度會集中在導(dǎo)體表面附近的現(xiàn)象。在超寬板坯二冷區(qū)電磁攪拌中，趨膚效應(yīng)使得磁場主要集中在鑄坯表面附近，內(nèi)部的磁場強度迅速衰減。在模擬中，將電流頻率從[初始頻率值]Hz逐漸增加到[最大值]Hz，觀察到鑄坯表面的磁感應(yīng)強度略有增加，而內(nèi)部距離表面[X]mm處的磁感應(yīng)強度則明顯下降。當(dāng)頻率為[初始頻率值]Hz時，鑄坯內(nèi)部該點的磁感應(yīng)強度為[初始磁感應(yīng)強度值]T，當(dāng)頻率增加到[最大值]Hz時，磁感應(yīng)強度下降至[最終磁感應(yīng)強度值]T，下降幅度達到了[X]%。磁場分布的變化直接影響電磁力的作用范圍和大小。由于趨膚效應(yīng)，高頻下電磁力主要作用于鑄坯表面附近的鋼水，對內(nèi)部鋼水的攪拌作用減弱。在鑄坯表面附近，電磁力的增大使得鋼水的流動速度加快，但在鑄坯內(nèi)部，由于電磁力的減小，鋼水的流動速度明顯降低。在頻率為[初始頻率值]Hz時，鑄坯內(nèi)部某點的鋼水流動速度為[初始流速值]m/s，當(dāng)頻率增加到[最大值]Hz時，該點的流速下降至[最終流速值]m/s，降低了[X]%。鋼水流動速度的變化對鑄坯的凝固過程產(chǎn)生了多方面的影響。在傳熱方面，高頻下鋼水表面的快速流動增強了表面與冷卻介質(zhì)之間的熱量交換，使得鑄坯表面的冷卻速度加快。鑄坯內(nèi)部鋼水流動速度的降低導(dǎo)致內(nèi)部熱量傳遞效率下降，溫度梯度增大。通過模擬溫度場的變化，發(fā)現(xiàn)鑄坯表面與內(nèi)部的溫度差在頻率增加后明顯增大。在頻率為[初始頻率值]Hz時，鑄坯表面與內(nèi)部的溫度差為[初始溫度差值]℃，當(dāng)頻率增加到[最大值]Hz時，溫度差增大到[最終溫度差值]℃，增加了[X]%。這可能導(dǎo)致鑄坯表面和內(nèi)部的組織差異增大，影響鑄坯的質(zhì)量均勻性。在傳質(zhì)方面，鋼水流動速度的變化影響溶質(zhì)元素的擴散。高頻下鑄坯表面鋼水的快速流動有利于溶質(zhì)元素在表面的均勻分布，但內(nèi)部鋼水流動速度的降低使得溶質(zhì)元素在內(nèi)部的擴散受到阻礙，容易導(dǎo)致中心偏析的加劇。通過對溶質(zhì)元素濃度分布的模擬分析，發(fā)現(xiàn)頻率增加后，鑄坯中心的溶質(zhì)元素濃度偏差明顯增大。在頻率為[初始頻率值]Hz時，鑄坯中心的溶質(zhì)元素濃度偏差為[初始偏差值]%，當(dāng)頻率增加到[最大值]Hz時，濃度偏差增大到[最終偏差值]%，惡化了鑄坯的質(zhì)量。電流頻率的變化對鑄坯的凝固組織形態(tài)也有顯著影響。高頻下鑄坯表面鋼水的快速流動有助于表面等軸晶的形成，但內(nèi)部鋼水流動速度的降低使得柱狀晶更容易生長，等軸晶區(qū)的發(fā)展受到抑制。在模擬中觀察到，隨著頻率的增加，鑄坯表面的等軸晶區(qū)有所擴大，但內(nèi)部的等軸晶區(qū)明顯減小，柱狀晶區(qū)相應(yīng)增大。在頻率為[初始頻率值]Hz時，等軸晶區(qū)占鑄坯斷面的比例為[初始等軸晶率]%，當(dāng)頻率增加到[最大值]Hz時，等軸晶率下降到[最終等軸晶率]%，降低了[X]個百分點。綜合考慮鑄坯的凝固質(zhì)量和攪拌效果，存在一個合適的電流頻率范圍。在這個范圍內(nèi)，能夠在保證鑄坯內(nèi)部質(zhì)量的前提下，充分發(fā)揮電磁攪拌的作用。通過模擬不同頻率下的攪拌效果，結(jié)合實際生產(chǎn)需求，確定合適的電流頻率范圍為[下限值]Hz至[上限值]Hz。在這個頻率范圍內(nèi)，鑄坯的溫度分布相對均勻，溶質(zhì)偏析程度較低，凝固組織形態(tài)良好，能夠滿足超寬板坯高質(zhì)量生產(chǎn)的要求。5.2攪拌輥結(jié)構(gòu)參數(shù)影響5.2.1分節(jié)輥尺寸對攪拌效果的影響分節(jié)輥的尺寸參數(shù)，包括長度、直徑等，對電磁攪拌效果有著顯著的影響。通過數(shù)值模擬，深入研究了不同分節(jié)輥尺寸下電磁場、流場和溫度場的變化情況，以及這些變化對鑄坯質(zhì)量的影響。分節(jié)輥長度的變化會直接影響電磁攪拌的作用范圍。當(dāng)分節(jié)輥長度增加時，其產(chǎn)生的磁場能夠覆蓋更大的鑄坯區(qū)域，從而擴大了電磁攪拌的作用范圍。在模擬中，將分節(jié)輥長度從[初始長度值]m逐漸增加到[最大值]m，觀察到鑄坯內(nèi)的磁感應(yīng)強度分布范圍相應(yīng)擴大。在分節(jié)輥長度為[初始長度值]m時，電磁攪拌的有效作用范圍主要集中在鑄坯中心區(qū)域，而當(dāng)分節(jié)輥長度增加到[最大值]m時，電磁攪拌的作用范圍擴展到了鑄坯的更寬區(qū)域，使得更多的鋼水受到電磁力的作用，促進了鋼水的混合和傳熱。分節(jié)輥長度的增加也會導(dǎo)致磁場強度在一定程度上的衰減。由于磁場在傳播過程中會受到介質(zhì)的影響，分節(jié)輥長度的增加會使得磁場傳播的路徑變長，從而導(dǎo)致磁場強度的衰減。在模擬中發(fā)現(xiàn)，當(dāng)分節(jié)輥長度增加時，鑄坯內(nèi)遠離分節(jié)輥的區(qū)域磁感應(yīng)強度會有所降低。在分節(jié)輥長度為[初始長度值]m時，鑄坯邊緣某點的磁感應(yīng)強度為[初始磁感應(yīng)強度值]T，當(dāng)分節(jié)輥長度增加到[最大值]m時，該點的磁感應(yīng)強度下降至[最終磁感應(yīng)強度值]T，下降幅度達到了[X]%。這可能會影響到鑄坯邊緣區(qū)域的攪拌效果，導(dǎo)致該區(qū)域的鋼水流動速度降低，影響鑄坯的質(zhì)量均勻性。分節(jié)輥直徑的變化對電磁攪拌效果也有重要影響。增大分節(jié)輥直徑可以增加其內(nèi)部線圈的匝數(shù)和繞線空間，從而提高電磁攪拌器的電磁功率，增強磁場強度。在模擬中，將分節(jié)輥直徑從[初始直徑值]mm逐步增大到[最大值]mm，觀察到鑄坯內(nèi)的磁感應(yīng)強度顯著增加。在分節(jié)輥直徑為[初始直徑值]mm時，鑄坯內(nèi)某點的磁感應(yīng)強度為[初始磁感應(yīng)強度值]T，當(dāng)分節(jié)輥直徑增大到[最大值]mm時，該點的磁感應(yīng)強度增加到[最終磁感應(yīng)強度值]T，增長幅度達到了[X]%。磁場強度的增強會使電磁力增大，從而提高鋼水的流動速度。在分節(jié)輥直徑增大后，鋼水的最大流速明顯增加。在分節(jié)輥直徑為[初始直徑值]mm時，鋼水的最大流速為[初始流速值]m/s，當(dāng)分節(jié)輥直徑增大到[最大值]mm時，鋼水的最大流速增加到[最終流速值]m/s，增長了[X]倍。鋼水流動速度的加快有利于增強鋼水的混合和傳熱，使鋼水的溫度和成分更加均勻，改善鑄坯的凝固組織和質(zhì)量。然而，分節(jié)輥直徑的增大也會帶來一些問題。分節(jié)輥直徑的增大可能會增加設(shè)備的成本和重量，對設(shè)備的安裝和維護提出更高的要求。過大的分節(jié)輥直徑還可能會影響鑄坯的正常運行，如增加鑄坯與分節(jié)輥之間的摩擦力，導(dǎo)致鑄坯表面出現(xiàn)劃痕等缺陷。因此，在選擇分節(jié)輥直徑時，需要綜合考慮攪拌效果、設(shè)備成本和鑄坯質(zhì)量等因素，找到一個最佳的平衡點。5.2.2線圈布置方式對攪拌效果的影響線圈布置方式是影響分節(jié)輥式電磁攪拌效果的關(guān)鍵因素之一，不同的線圈布置方式會導(dǎo)致電磁場的分布和攪拌效果產(chǎn)生顯著差異。通過數(shù)值模擬，研究了多種常見的線圈布置方式，包括單層同心式、雙層同心式、交錯式等，分析了它們在電磁場分布、電磁力作用以及對鑄坯質(zhì)量影響方面的特點。在單層同心式