方坯连铸机凝固末端电磁搅拌工艺过程数值模拟研究
铸造过程模拟仿真
铸造过程模拟仿真 1、概述 在铸造生产中，铸件凝固过程是最重要的过程之一，大部分铸造缺陷产生于这一过程。凝固过程的数值模拟对优化铸造工艺，预测和控制铸件质量和各种铸造缺陷以及提高生产效率都非常重要。 凝固过程数值模拟可以实现下述目的： 1）预知凝固时间以便预测生产率。 2）预知开箱时间。 3）预测缩孔和缩松。 4）预知铸型的表面温度以及内部的温度分布，以便预测金属型表面熔接情况，方便金属型设计。 5）控制凝固条件[1]。 为预测铸应力，微观及宏观偏析，铸件性能等提供必要的依据和分析计算的基础数据。作为铸造工艺过程计算机数值模拟的基础，温度场模拟技术的发展历程最长，技术也最成熟。温度场模拟是建立在不稳定导热偏微分方程的基础上进行的。考虑了传热过程的热传导、对流、辐射、结晶潜热等热行为。所采用的计算方法主要有：有限差分法、有限元法、边界元法等；所采用的边界条件处理方法有N方程法、温度函数法、点热流法、综合热阻法和动态边界条件法；潜热处理方法有：温度回升法、热函法和固相率法。 自丹麦Forsound于1962年第一次采用电子计算机模拟铸件凝固过程以来，为铸造工作者科学地掌握与分析铸造工艺过程提出了新的方法与思路，在全世界范围内产生了积极的影响，许多国家的专家与学者陆续开展此项研究工作。在铸造工艺过程中，铸件凝固过程温度场的数值模拟计算相对简单，因此，各国的专家与学者们均以铸件凝固过程的温度场数值模拟为研究起点。继丹麦人之后，美国在60年代中期开始进行大型铸钢件温度场的计算机数值模拟计算研究，且模拟计算的结果与实测温度场吻合良好；进入70年代后，更多的国家加入了铸件凝固过程数值模拟的研究行列中，相继开展了有关研究与应用，理论研究与实际应用各具特色。其中有代表性的研究人员有美国芝加哥大学的R.D.Pehlke教授、佐治亚工学院的J.Berry教授、日本日立研究所的新山英辅教授、大阪大学的大中逸雄教授、德国亚探工业大学的P.Sham教授和丹麦科技大学的P.N.Hansen教授等。我国的铸件凝固过程温度场数值模拟研究始于70年代末期，沈阳铸造研究所的张毅高级工程师与大连工学院的金俊泽教授在我国率先开展了铸造工艺过程的计算机数值模拟研究工作，虽然起步较晚，但研究工作注重与生产实践密切结合，取得了较好的应用效果，形成了我国在这一研究领域的研究特色[2]。 1988年5月，在美国佛罗里达州召开的第四届铸造和焊接计算机数值模拟会议上，共有来自10个研究单位的从事铸造凝固过程计算机数值模拟技术研究的专家和学者参加了会议组织的模拟斧锤型铸件凝固过程的现场比赛。由于该铸件在几何形状上属复杂类型，模拟计算有一定的难度。从比赛结果看，绝大部分的模拟结果与实际测温结果相吻合。此次比赛得出如下结论[8]： l）铸件凝固过程的计算机模拟达到了相当的水平，如三维自动刻分、三维模拟计算、三维温度场显示等，并产生了一些软件包，如日立公司的HICASS、丹麦的Geomesh、大阪大学的SOLAM及亚琛的CASTS等。 2）模拟计算的结果都接近实测，这说明有限差分、有限元和边界元这三种计算方法对温度场计算都能满足精度要求，同时也说明了铸件凝固过程温度场计算机模拟计算技术已趋成熟。
电磁搅拌
板坯电磁搅拌的现状 摘要:介绍了电磁搅拌技术的原理、电磁搅拌器的分类、电磁搅拌装置的应用条件 关键词:电磁搅拌技术; 板坯; 连铸; 应用 Electromagnetic Stirring of Slabs Abstract: It is introduced the principle of electromagnetic stirring technique as well as types and application condition of stirrer． Key words: electromagnetic stirring; continuous casting of slab; multi-mode EMS 1前言 在连续铸钢发展初期, 钢铁制造者们已认识到钢液的凝固及铸坯质量受液相穴钢液的运动和诸如对流、传热、收缩等基本物理现象的影响。毫无疑问, 电磁搅拌的研究是以优化上述运动和现象以提高钢的质量和消除不利因素等为目标的[1]。 电磁搅拌装置(Electro – Magnetic Stirring)英语缩写为EMS。目前采用电磁搅拌装置已经成为板坯连铸设备为提高铸坯产品质量的重要途径,其作用就是在铸线扇形段上安装多段电磁搅拌用的电磁线圈, 在各段辊内的电磁线圈上施加低压、低频、大电流的交流电源, 电磁力线贯穿铸坯的凝固相(即坯壳部分),在将要冷却凝固的钢水内部产生强磁场,通过钢水内流动的感应电流相互作用, 使液向部分能定向移动及旋转运动,从而对铸坯内的液相钢水进行搅拌,使铸坯内部结晶组织均匀, 提高了板坯的质量[2]。 2 电磁搅拌技术原理及作用 2.1 电磁搅拌技术原理 与已普及的长材产品生产中采用的转式电磁搅拌有所不同, 针对大断面的矩形, 板坯连铸生产采用独特的线形电磁搅拌。其原理十分简单, 如同由两相或三相电流驱动的, 能产生交变磁场的线性感应马达。电流发生相变时磁场从一极到达另一极, 并同时产生电磁推力, 将液态钢水向磁场运动的方向推动。通过电流相位变化选择方向, 通过电流密度和频率调整推力大小[3]。
铸件充型凝固过程数值模拟
铸件充型凝固过程数值模拟 1 概述 欲获得健全的铸件，必先确定一套合理的工艺参数。数值模拟或称数值试验的目的，就是要通过对铸件充型凝固过程的数值计算，分析工艺参数对工艺实施结果的影响，便于技术人员对所设计的铸造工艺进行验证和优化，以及寻求工艺问题的尽快解决办法。 铸件充型凝固过程数值计算以铸件和铸型为计算域，包括熔融金属流动和传热数值计算，主要用于液态金属充填铸型过程；铸件铸型传热过程数值计算，主要用于铸件凝固过程；应力应变数值计算，用于铸件凝固和冷却过程；晶体形核和生长数值计算，主要用于金属铸件显微组织形成过程和铸件机械性能预测；传热传质传动量数值计算，主要用于大型铸件或凝固时间较长的铸件的凝固过程。数值计算可预测的缺陷主要是铸件形成过程中易发生的冷隔、卷气、缩孔、缩松、裂纹、偏析、晶粒粗大等等，另外可以通过数值计算，提出合理的铸造工艺参数，包括浇注温度、铸型温度、铸件凝固时间、打箱时间、冷却条件等等。目前，用于液态金属充填铸型过程的熔融金属流动和传热数值计算以及用于铸件凝 固过程的铸件铸型传热过程数值计算已经比较成熟，逐渐为铸造厂家在实际生产中采用，下面主要介绍这两种数值试验
方法。 1.1 数学模型 熔融金属充型与凝固过程为高温流体于复杂几何型腔内作有阻碍和带有自由表面的流动及向铸型和空气的传热过程。该物理过程遵循质量守恒、动量守恒和能量守恒定律，假设液态金属为常密度不可压缩的粘性流体，并忽略湍流作用，则可以采用连续、动量、体积函数和能量方程组描述这一过程。 质量守恒方程 ? u/? x+? v/? y+? w/? z= 0 (2-1) 动量守恒方程 ?（ρ u）/? t+u?（ρ u）/? x+v?（ρ u）/? y+w?（ρ u） /?z = -? p/? x+μ(?2u/? x2+?2v/?y2+? 2w/? z2)+ρ g x (2-2a) ?（ρ v）/? t+u?（ρ v）/? x+v?（ρ v）/? y+w?（ρ v） /?z = -? p/?y+μ (?2u/?x2+?2v/?y2+? 2w/? z2)+ρ
凝固末端电磁搅拌器设计及应用
凝固末端电磁搅拌器设计及应用 岳阳中科电气有限公司李爱武、蒋海波 天津钢管集团有限公司姚家华、刘强 1.概述 连铸电磁搅拌能有效地改善连铸坯内部的组织结构，减少中心偏析及中心缩孔，大大增加等轴晶率。已成为连铸、特别是品种钢连铸必不可少的一种工艺手段。 连铸电磁搅拌的实质在于借助电磁力的作用来强化铸坯中末凝固钢液的运动，从而改变钢水凝固过程中的流动，传热和迁移过程，达到改善铸坯质量的目的。 结晶器电磁搅拌可以明显改善中碳钢、中低合金钢的内部及皮下质量，但对于高碳钢和高合金钢来说，仍存在中心偏析、中心缩孔、中心裂纹等问题，甚至在所谓的糊状区终点处形成“V”形槽即“V”形宏观偏析。尤其对于象不锈钢这样的多合金高合金钢，由于枝晶发达中心裂纹及缩孔非常明显。要解决这些问题必须在凝固末端上电磁搅拌。 2.高碳钢、高合金钢连铸的凝固特征和可能出现的缺陷 高含碳量、高合金含量有使凝固组织恶化的趋势。高碳钢、高合金钢的液相与固相间温度区间较大，凝固间隙长度增加，粘稠区加宽。因此容易形成中心偏析、中心裂纹和中心缩孔。这些缺陷对产品的机械性能和耐腐蚀性能会产生有害的影响。在不锈钢冷轧板中出现单相波纹。 宏观偏析是在凝固末端粘稠区内的溶质富集的钢液由于凝固收缩引起流动、沿粘稠区内枝晶间通道传输、聚集而成的。显然它极大地受粘稠区内钢液流动和传质所控制，有时形成中心偏析，有时形成V形偏析。中心偏析是由于铸坯在凝固过程中倾向于生成柱状晶，产生搭桥现象而产生的。V形偏析形成的原因比较复杂，主要是由粘稠区内等轴晶凝固时产生的收缩力及对钢液的抽吸力和钢液沿树枝晶的渗透引起的，可以用著名的V形偏析凝固模型来解释。偏析的严重程度与凝固时间有关，时间越长越严重。由于高含碳量、高合金含量的钢凝固时间长，因此偏析也就更严重。 3.影响凝固末端电磁搅拌的冶金效果的主要因素及措施 影响凝固末端电磁搅拌的冶金效果的主要因素在于：1）是否有结晶器电磁搅拌作用。2）电磁搅拌器能否提供足够大的电磁推力。3）电磁搅拌作用区域内磁场是否均匀。4）电磁搅拌的作用区域是否足够大。5）搅拌的时机即电磁搅拌的安装位置是否得当。其中第2、3、4个因素取决于凝固末端电磁搅拌器的参数及结构设计，而第1、5个因素则取决于电磁搅拌器与连铸机性能参数及连铸工艺的匹配是否合理。因此，一套电磁搅拌装置要达到最佳的冶金效果，除了要求其本身性能优良外，还要求设计者有较丰富的理论与实践经验。
连铸电磁搅拌
1.什么叫电磁搅拌(简称EMS)? 大家知道，一个载流的导体处于磁场中，就受到电磁力的作用而发生运动。同样。载流钢水处于磁场中就会产生一个电磁力推动钢水运动，这就是电磁搅拌的原理。 电磁搅拌是改善金属凝固组织，提高产品质量的有效手段。应用于连续铸钢，已显示改善铸坯质量的良好效果。 早在1922年就提出了电磁搅拌的专利。论述了流动对金属结构、致密性、偏析和夹杂物等方面的影响。1952年开始在钢厂连铸机二次冷却区装置电磁搅拌的试验。随着连铸技术的发展，为改善连铸坯质量，人们对电磁搅拌结构、类型、搅拌方式和冶金效果进行广泛深入研究，使电磁搅拌技术日益成熟，得到了广泛的应用。 2.电磁搅拌器有哪几种类型? 电磁搅拌器型式和结构是多种多样的。根据铸机类型、铸坯断面和搅拌器安装位置的不同，目前处于实用阶段的有以下几种类型。 (1)按使用电源来分，有直流传导式和交流感应式。 (2)按激发的磁场形态来分，有：恒定磁场型，即磁场在空间恒定，不随时间变化；旋转磁场型，即磁场在空间绕轴以一定速度作旋转运动；行波磁场型，即磁场在空间以一定速度向一个方向作直线运动；螺旋磁场型，即磁场在空间以一定速度绕轴作螺旋运动。 目前，正在开发多功能组合式电磁搅拌器．即一台搅拌器具有旋转、行波或螺旋磁场等多种功能。 (3)按使用电源相数来分，有两相电磁搅拌器，三相电磁搅拌器。 (4)按搅拌器在连铸机安装位置来分，有结晶器电磁搅拌器、二次冷却区电磁搅拌器、凝固末端电磁搅拌器。 3.电磁搅拌技术有何特点? 与其他搅拌钢水方法(如振动、吹气)相比，电磁搅拌技术有以下特点： (1)通过电磁感应实现能量无接触转换，不和钢水接触就可将电磁能转换成钢水的动能。也有部分转变为热能。 (2)电磁搅拌器的磁场可以人为控制，因而电磁力也可人为控制，也就是钢水流动方向和形态也可以控制。钢水可以是旋转运动、直线运动或螺旋运动。可根据连铸钢钢种质量的要求，调节参数获得不同的搅拌效果。 (3)电磁搅拌是改善连铸坯质量、扩大连铸品种的一种有效手段。 4.什么叫结晶器电磁搅拌(简称M--EMS)，有何作用? 结晶器电磁搅拌器特点：钢水在结晶器内，搅拌器置于结晶器外围。搅拌器内的铁芯所激发的磁场通过结晶器的钢质水套和铜板渗入钢水中，借助电磁感应产生的电磁力，促使钢水产生旋转运动或上下垂直运动。 结晶器铜板的高导电性，使用工频(50Hz)电源，由于集肤效应，磁场在铜层厚度由外向里穿透能力只有几毫米，小于铜壁的厚度，也就是磁场被结晶器铜壁屏蔽不能渗入钢水内，无法搅拌钢水。为此采用低电源频率(2～10Hz)，使磁场穿过铜壁搅拌钢水。 结晶器电磁搅拌作用：1)钢水运动可清洗凝固壳表层区的气泡和夹杂物，改善了铸坯表面质量。2)钢水运动有利于过热度的降低，这样可适当提高钢水过热度，有利于去除夹杂物，提高铸坯清洁度。3)钢水运动可把树枝晶打碎，增加等轴晶核心，改善铸坯内部结构。4)结晶器钢-渣界面经常更新，有利于保护渣吸收上浮的夹杂物。
电磁搅拌
电磁搅拌 科技名词定义 中文名称：电磁搅拌 英文名称：electromagnetic stirring，EMS 其他名称：EMS技术 定义：利用电磁效应实现熔体的搅拌，熔炼时使温度和成分均匀、连铸时控制凝固过程的工艺。 应用学科：材料科学技术（一级学科）；材料科学技术基础（二级学科）；材料合成、制备与加工（三级学科）；特种冶金（四级学科） 以上内容由全国科学技术名词审定委员会审定公布 目录 定义 原理 模式 效果 编辑本段定义 任何通有电流的导体，都可以在其周围产生磁场的现象，称为电流的磁效应。 闭合电路的一部分导体在磁场里做切割磁力线的运动时，导体中就会产生电流这种现象叫电磁感应。 旋转磁场就是一种极性和大小不变，且以一定转速旋转的磁场。 三相交流电能够产生旋转磁场。 当旋转磁场半径很大时，就成了直线运动的行（xing）波磁场。 直线搅拌：由行波磁场产生的，使钢水以一定速度向磁场运动方向运动，故称直线搅拌。 钢水的流动方向始终和磁场的运动方向相一致。 编辑本段原理
电磁搅拌器（Electromagneticstirring:EMS）的实质是借助在铸坯液相穴中感生的电磁力，强化钢水的运动。具体地说，搅拌器激发的交变磁场渗透到铸坯的钢水内，就在其中感应起电流，该感应电流与当地磁场相互作用产生电磁力，电磁力是体积力，作用在钢水体积元上，从而能推动钢水运动。 编辑本段模式 根据电磁搅拌器在铸机冶金长度上的不同安装位置大致有以下几种模式 结晶器电磁搅拌：MoldElectromagneticstirring:MEMS搅拌器安装在结晶器铜管外面 二冷区电磁搅拌：StrandElectromagneticStirring:SEMS搅拌器安装在铸坯外面 凝固末端电磁搅拌：FinalElectromagneticstirring:FEMS用于方坯连铸搅拌器安装在铸坯外面 编辑本段效果 搅拌位置冶金效果适用钢种 MEMS 增加等轴晶率低合金钢 减少表面和皮下的气孔和针孔 弹簧钢 减少表面和皮下的夹杂物 冷轧钢 坯壳均匀化 中高碳钢等 稍稍改善中心偏析 SEMS扩大等轴晶率不锈钢 减少内裂 改善中心偏析工具钢 减少中心疏松 FEMS细化等轴晶弹簧钢 有效地改善中心偏析轴承钢 有效地改善中心缩孔和疏松特殊高碳钢
电磁搅拌器的分类与应用
电磁搅拌器的分类与应用 （一）电磁搅拌器装置 电磁搅拌装置在许多的大型钢铁企业中的到使用，极大的改善了钢铁企业的产品质量。 近年来，随着连铸技术的发展，对连铸坯内部质量提出了更高的要求，而铸坯内部质量在很大程度上取决于铸坯内部是否呈现均匀而致密的等轴晶凝固组织。但是在连铸坯实际凝固过程中，由于冷却速度很快，造成铸坯凝固时柱状晶的发展，往往产生“搭桥”现象，导致铸坯内缩孔偏析、疏松、夹杂物聚集等缺陷产生。 一个载流的导体处于磁场中就要受到电磁力的作用而发生运动。同样，钢水流过磁场，流动的钢水会产生感生电流，感生电流产生的磁场与设定磁场之间的相互作用，会推动钢液运动，这就是电磁搅拌的原理。采用电磁搅拌装置，有利于改善连铸坯的凝固组织，也是改善以及提高铸坯表面的有效措施。 （二）电磁搅拌装置的形式 电磁搅拌装置的形式是多种多样的。根据铸机的类型，铸坯断面和电磁搅拌器安装的位置不同，连铸机常用的有如下几种类型： 1、按感应形式分：有直流传导式、交流感应式和近年来发展起来的永磁式。 2、按激发的磁场形态分：有恒定磁场型，即菜场在空间恒定，不随时间变化；有旋转磁场型，即磁场在空间绕轴以一定的速度作旋转运动；行波磁场型，即磁场在空间以一定的速度向一个方向做直线运动；螺旋磁场型，即磁场在空间以一定速度绕轴做螺旋运动。 目前正在开发多功能组合式电磁搅拌器，即一台搅拌器同时具有旋转、行波或螺旋磁场等多种功能。 3、按使用电源相数分：有两相电源电磁搅拌器，有三相电源电磁搅拌器。 4、按搅拌器在连铸机安装位置分：有结晶器电磁搅拌装置，有二次冷却电磁搅
拌器，有凝固末端电磁搅拌器。 一般公认的就是用第4种分法来说明用什么形式的电磁搅拌装置设备。 （三）电磁搅拌装置的性能，对钢质的影响 1、结晶器电磁搅拌（简称M-EMS或M搅拌） 钢水在结晶器内，电磁搅拌器安装于结晶器外围。电磁搅拌器的铁芯所激发的磁场通过结晶器的钢质水套，和铜套侵入钢水中，借助于电磁感应产生的电磁力，使钢水产生旋转左右或上下垂直运动。 结晶器的电磁搅拌主要改善钢坯的表面质量和皮下质量。图1-2表示结晶器电磁搅拌器引起的冷隔变化。从图中可以看出，在不考虑拉坯频率的情况下，磁通密度较高的地方（在结晶器内壁表面上磁通密度最大），冷隔趋于变浅。这是因为，结晶器内电磁搅拌使得结晶器冷却均匀。事实证明，凝固界面被通过搅拌形成的钢流冲刷和早期形成的凝固坯壳重新熔化，与新进入的钢水混合后再凝固。在进行搅拌的地方，冷隔的深度就变得很浅。因此M搅拌器可以增强结晶器内钢液均匀凝壳的生成，从而导致表面纵裂的消除。 实践证明电源频率取6HZ比较合适。频率没有取下限1HZ的原因是因为频率小于1HZ时搅拌不充分；如果频率超过15HZ，在钢水中衰减严重，结果只能进行表面搅拌，因此不能完全发挥仰制冷隔的作用。 一般有以下几种搅拌方法： 一、单台旋转磁场 电磁搅拌器置于结晶器外围，通以两相低频电流，激发一旋转磁场，使结晶器内钢液产生旋转运动。绕组采用直接水冷，结构简单，冷却效果好。与结晶器水
数值模拟在铸造充型及凝固过程的应用进展
数值模拟在铸造充型及凝固过程的应用进展 摘要：综述了铸造过程中数值计算的基本理论，简要介绍了铸造充型及凝固当前国内外发展状况以及所存在的问题，并对铸造过程数值模拟的相关软件进行评述。最后指出合理地利用铸造模拟软件，能够优化铸件的微观组织，提高产品质量，降低产品成本，缩短产品设计和试制周期。 关键词：铸造；充型过程；数值模拟；模拟软件
The Application of Numerical Simulation in Mold Filling and Solidification Process Abstract：The basic theory of numerical calculations is summarized, and a brief introduction of the developing situation and existing problems of the casting mold filling and solidification process at home and abroad，reviewed the numerical simulation software of casting process. In the end, it also clearly shows that it can optimize the casting microstructure, improve the quality, decrease the cost and reduce the design and trial cycle for the products by using the numerical simulation software properly. Key words: Casting; Filling and Solidification process; Numerical Simulation; Simulation Software
定向凝固中的界面形态演化
定向凝固中的界面形态演化 引言 通常人们在研究金属及其合金的凝固时，由于金属本身的不透明性，使得人们无法动态实时观察金属内部凝固过程中凝固组织的演化与选择；而采用X射线透视或者原子力显微镜则代价较为高昂，也不可能获得对组织演化细节的清楚认识。由于熔体凝固时对流会造成材料组分上的变化，造成杂质条纹等缺陷。要获得高质量的材料，就要对凝固过程的熔体流动和其稳定性进行深入研究。借助实时观察方法对凝固过程进行实时原位观察，研究凝固过程中材料表面微观形貌和整体形态的变化以及流体运动，实现动态过程的可视化监测和测量，从中就可获得有关凝固的信息。 随着对凝固理论与晶体生长技术不断深入的研究，发现凝固形态是由晶体界面性质和凝固驱动力场的性质所完全决定的。界面性质决定了界面形态对驱动力场的响应性质，因而相似的界面性质在相似的驱动力场作用下将产生相似的动力学行为，从而导致相似的界面形态。 固--液界面可以分为两类[1]：规则界面和不规则界面。规则界面是指正常凝固条件下的平面、胞状和枝晶界面[2]。理论分析表明，只有当固--液界面能是各向异性时才能形成稳定枝晶界面[3]，通常情况下大多数材料是以稳定枝晶界面生长。 当晶体沿着一定的晶向生长时，如立方晶系的<111>晶向，固--液界面能接近于各向同性[4]，这时将会出现不规则界面。在这样的条件下，枝晶尖端常常随机分枝，分枝与枝晶干不对称，从而形成不规则界面。至今已经观察到几种不规则界面，如：倾斜枝晶界面、退化枝晶界面、海藻状晶体界面。 1实验方法 晶体生长室的最大平面放在x-y平面中，观察二维晶体生长。实验采用了丁二腈-5at%水来作为模拟晶体，测试开始前，试样加热至全部融化并静止一段时间冷却，使得试样内的熔质均匀化。温度通过采用SWP-T803数字控温仪控温，控温精度0.1°C，可在0°C到200°C范围内任意调节。加热至一定温度且保持恒定，试样内形成一定的温度梯度，试样放在温度梯度场中。晶体中温度的测量利用热电偶，晶体生长过程中，根据晶体界面的位置移动热电偶的位置，记录温度值，即可获得温度梯度值。 实验系统见图1，试样放入定向固系统中，使用CKX41型浮雕相衬显微镜可
电磁搅拌器的分类与应用
电磁搅拌器的分类与应用 电磁搅拌器的分类与应用 （一）电磁搅拌装置 电磁搅拌装置在许多的大型钢铁企业中的到使用，极大的改善了钢铁企业的产品质量。 近年来，随着连铸技术的发展，对连铸坯内部质量提出了更高的要求，而铸坯内部质量在很大程度上取决于铸坯内部是否呈现均匀而致密的等轴晶凝固组织。但是在连铸坯实际凝固过程中，由于冷却速度很快，造成铸坯凝固时柱状晶的发展，往往产生“搭桥”现象，导致铸坯内缩孔偏析、疏松、夹杂物聚集等缺陷产生。 一个载流的导体处于磁场中就要受到电磁力的作用而发生运动。同样，钢水流过磁场，流动的钢水会产生感生电流，感生电流产生的磁场与设定磁场之间的相互作用，会推动钢液运动，这就是电磁搅拌的原理。采用电磁搅拌装置，有利于改善连铸坯的凝固组织，也是改善以及提高铸坯表面的有效措施。 （二）电磁搅拌装置的形式 电磁搅拌装置的形式是多种多样的。根据铸机的类型，铸坯断面和电磁搅拌器安装的位置不同，连铸机常用的有如下几种类型： 1、按感应形式分：有直流传导式、交流感应式和近年来发展起来的永磁式。 2、按激发的磁场形态分：有恒定磁场型，即菜场在空间恒定，不随时间变化；有旋转磁场型，即磁场在空间绕轴以一定的速度作旋转运动；行波磁场型，即磁场在空间以一定的速度向一个方向做直线运动；螺旋磁场型，即磁场在空间以一定速度绕轴做螺旋运动。 目前正在开发多功能组合式电磁搅拌器，即一台搅拌器同时具有旋转、行波或螺旋磁场等多种功能。 3、按使用电源相数分：有两相电源电磁搅拌器，有三相电源电磁搅拌器。 4、按搅拌器在连铸机安装位置分：有结晶器电磁搅拌装置，有二次冷却电磁搅拌器，有凝固末端电磁搅拌器。 一般公认的就是用第4种分法来说明用什么形式的电磁搅拌装置设备。 （三）电磁搅拌装置的性能，对钢质的影响 1、结晶器电磁搅拌（简称M-EMS或M搅拌） 钢水在结晶器内，电磁搅拌器安装于结晶器外围。电磁搅拌器的铁芯所激发的磁场通过结晶器的钢质水套，和铜套侵入钢水中，借助于电磁感应产生的电磁力，使钢水产生旋转左右或上下垂直运动。 结晶器的电磁搅拌主要改善钢坯的表面质量和皮下质量。图1-2表示结晶器电磁搅拌器引起的冷隔变化。从图中可以看出，在不考虑拉坯频率的情况下，磁通密度较高的地方（在结晶器内壁表面上磁通密度最大），冷隔趋于变浅。这是因为，结晶器内电磁搅拌使得结晶器冷却均匀。事实证明，凝固界面被通过搅拌形成的钢流冲刷和早期形成的凝固坯壳重新熔化，与新进入的钢水混合后再凝固。在进行搅拌的地方，冷隔的深度就变得很浅。因此M搅拌
凝固过程模拟仿真课程论文
凝固过程模拟仿真课程论 文 铸造过程数值模拟的研究发展现状 (Research on the development status of numerical simulation of casting process) 学院名称：材料科学与工程学院 专业班级：复合材料1102 学生姓名：不知道 学号：3110703451 指导教师：怯喜周
铸造过程数值模拟的研究发展现状 摘要：随着电子计算机技术的飞速发展，铸造工艺计算机辅助设计CAD，铸件凝固过程数值模拟CAE等多项技术已大量应用于生产实际。工业发达国家制定的下一代制造（NGM）计划所提出的十项关键基础技术中就包括建模与仿真。铸件的凝固过程数值模拟技术主要包括铸件及其工艺的几何造型、三维传热数值计算技术和缺陷判据这三部分，并可对凝固过程中出现的缺陷进行预测，评判铸造工艺设计的合理性，以减少工艺实验的次数，降低工艺设计成本，提高工艺出品率和合格率。 关键词：凝固模拟；数值仿真；铸造CAE；CAD；铸造充型； Research on the development status of numerical simulation of casting process Abstract: with the rapid development of computer technology, computer aided design of foundry technology CAD, numerical simulation of casting solidification process of CAE and many other technology has been widely applied in actual production. Industrial developed countries to develop the next generation manufacturing (NGM) are ten key basic technology plan put forward in includes modeling and simulation. The casting defects of computing technology and criterion of this three part of numerical heat transfer, including 3D geometric modeling and Simulation of the process of casting solidification process numerical, and to predict the defects that appear during the solidification process of casting process design, evaluation of rationality, in order to reduce the times of experiment process, reduce the design cost, increase the process yield and the qualified rate. Keywords: solidification simulation; numerical simulation; CAE CAD; casting; mold filling; 1 前言 凝固在自然界及人类生产实践中占有十分重要的地位。从熔岩冻结为地壳到
小方坯初始凝固三维数值模拟
小方坯初始凝固三维数值模拟 邓安元赫冀成 摘要：建立了描述小方坯初始凝固的三维数学模型,并用实验数据进行了验证。计算表明:三维模型比二维模型能更好的用来描述小方坯结晶器内的初始凝固和流体流动,凝固时结晶器内的回流区明显减小。 关键词：小方坯初始凝固三维模型流体流动回流区 NUMERICAL VALUE SIMULATION OF INITIAL SOLIDIFICATION OF BILLET Deng Anyuan He Jichen (Northeastern University) Abstract：A mathematical model depicting the initial solidification of the billet is built up and verified with the experimental data.Calculation shows that the 3-dimensional model can more effectively describe the solidification of the billet and flowing of the hot metal in the mould compared with the 2-dimensional model,and the return flow region in the mould is apparently reduced during solidification. Keywords：initial solidification of billet3-dimensional model fluid flow return flow region▲ 1 前言 在连铸过程中,凝固过程对铸坯质量具有决定性的影响,它直接关系到铸坯的表面缺陷和内部组织的形成以及高速连铸技术的实现。铸坯凝固是一个复杂的过程,除流体流动外,还同时伴随有传热、传质以及多相组元的相变。各国冶金工作者对铸坯凝固已做了大量的实验和理论研究工作［1～4］,但大多集中在热传导模型上［1～2］。由于通过引入有效传热系数来表示对流换热的影响,使所得结果与实际有较大的误差,因此,又提出了耦合模型［3～4］。 目前,对连铸结晶器内钢液流动、传热及凝固耦合模型的研究还很不充分,且主要集中在二维模型上［3～4］。二维模型对于圆坯能较好的进行模拟,但对方坯误差较大［3］。本文运用三维耦合模型对小方坯初始凝固进行了数值模拟,并用实验数据加以验证,同时与二维模型进行了对比。 2 数学模型 由于小方坯凝固过程的复杂性,首先对所研究的问题作如下假设: (1)流体流动为不可压缩定常流动;
ABB电磁搅拌系统在钢厂的应用和改进
?现场经验? ABB电磁搅拌系统在钢厂的应用和改进 李奕1① 艾军林2 李守林2 (1:武汉钢铁集团公司第一炼钢厂 武汉430083;2:宣化钢铁集团公司机动处 张家口075100) 摘要 阐述了武钢钢铁公司第一炼钢厂所引进的ABB电磁搅拌装置的原理,以及在实际运用中电搅线圈和逆变柜常见故障的解决方法和相关管理经验。 关键词 电磁搅拌器 变频器 IG BT(大功率晶体管) 逆变 线圈 改进 Applica tion and M od if ica tion of Electro M agnetic Stirrer from ABB L i Yi1 A i Jun lin2 L i Shoulin2 (1:The No.1M aking Steel Plant of W ISGCO 430083;2:Xuanhua Iron and Steel Group Co.) ABSTRACT The article states the p rincip le of electro magnetic stirrer from ABB operated in the NO.1steel making p lant of W ISGCO and p rovides the failure solving methods and relative management experience on stirrer coil and inverter cabinet. KEYWO RD S Electro magnetic stirrer Inverter IG BT Inversing Coil Modification 1 前言 连铸用电磁搅拌能有效地改善铸坯的内部组织结构,提高表面质量,减少中心偏析和中心疏松。基本消除中心缩孔和裂纹,大大增加等轴晶率,为生产高碳钢的必要设备。因而已广泛应用于各种方坯连铸机上。炼钢厂五机五流大方坯连铸机采用了瑞典ABB公司制造的结晶器电磁搅拌装置。该装置采用了空心铜管纯水内冷式技术,整机结构紧凑、搅拌功率大,为国际20世纪90年代末的先进技术。 ABB电磁搅拌系统主要由3个部分组成:供电系统、电搅线圈水冷系统、ACS600多传动系统。 2 系统介绍 2.1 水冷系统 在电磁搅拌线圈工作时,将产生很大的电流,会引起线圈发热,若没有保护措施,必然将线圈烧坏。一般都是给线圈通水冷却。通水冷却的方式根据各厂家的情况有不同的方法,可以将线圈浸漆绝缘后,浸入循环冷却水中,但这种方式线圈的使用寿命短,一般最多使用两年。本系统采用ABB专利技术,线圈采用中空铜管绕制而成,中间通循环冷却水冷却,但这种方式对冷却水的水质要求较高,必须采用水处理技术保证在线圈中循环流动的水不至于结垢。 为了达到控制水质并与线圈进行热交换的目的,本系统有两套冷却水装置,一套是用于冷却线圈的纯水系统,另一套是用于冷却纯水的冷却系统。线圈所产生的热量首先通过循环的纯水带出,然后通过对水质要求不高的工业水经过板式换热器给纯水冷却。 由图1可以看出,纯水系统通过两台泵提供水循环动力,图中所用离子交换器中注入了离子交换树脂,用于吸附纯水系统中的钠离子,保证纯水的电导率不高于系统所规定的范围。 2.2 电搅运行原理 控制原理如下: 1)10kV高压电通过变电所送至电搅变压器一次侧由变压器变成交流525V。合上主电源开关,整流部分工作,整流成700V的直流电通过母排送到1～5流逆变器。 2)水站水泵(一用一备)启动,给线圈的铜管进行冷却,同时线圈的温度和水量的信号返回到水站的远程I/O。水系统的控制全部由扩展I/O完成,同时通过通讯,将水系统的信号传递给AOS操作面板和主控制系统APC。它不仅在操作面板上能够看到线圈进出水温度、流量、运行情况及水的电导率等,而且主控制系统APC通过光纤和每流的脉冲触发控制器AMC通讯,能够根据水系统的具体情况为每一流的变频器提供启动允许信号。对 — 5 6 — Total No1150 Ap ril2005 冶 金 设 备 M ET ALLURGI CAL EQU IP M ENT 总第150期 2005年4月第2期 ①作者简介:李奕,男,1972年出生,毕业于武汉钢铁公司职工大学电器专业,武钢第一炼钢厂,电气助理工程师
泵体铸件凝固过程模拟
第一章绪论 1．1选题的背景及意义 铸造行业是一个古老而又非常重要的传统行业，具有数千年的历史。无论过去还是现在，无论发达国家还是发展中国家，铸造行业对国民经济的发展都起着十分重要的作用。据有关资料统计，铸件(按重量计)在机床、内燃机、重型机器中占70％～90％，农业机械中占40％--70％。此外，在冶金工业、能源工业的水电站、火电站与核电站、航空、航天等产业部门都发挥着重要作用。 铸造技术随着科学技术和生产机械化的发展而获得了巨大发展，但我国铸造行业的技术水平与国外相比有较大差距，它严重制约着我国国民经济的发展。我国铸件年产量已超过1000万吨。居世界第二，但其中高性能、优质铸件的比例只占20．7％，丽美国已占40．7％(1998年统计)；精密铸件比例只占2％，而美国已占13％(1994年统计)。又如，服务予航空、航天工业的精密熔模铸造业，全世界销售额为52.3亿美元，其中美国为24.8亿奖元，占47.4％，而中国仅1．8亿美元，只占3.4％。另外，我国铸件重量平均比国外重10％、20％，劳动生产率低5～8倍，而能耗高2倍。再以汽车发动机缸体铸件为例：我国生产的发动机缸体铸件平均壁厚为5.5～6.0mm，而国外只有3.5-4.5mm。我国的轿车生产已有多年历史，但目前发动机铸铁缸体质量仍然是关键技术问题。 铸件充型凝固过程计算机模拟仿真是铸造学科发展的前沿领域，是改造传统铸造产业的重要途径。经历了数十年的努力，铸件充型凝固过程计算机模拟仿真发展已进入工程实用化阶段。铸造生产正在由凭经验走向科学理论指导。铸件充型凝固过程的数值模拟，可以帮助工作人员在实际铸造前对铸件可能出现的某些缺陷及其大小、部位和发生的时间予以有效的预测，在浇注前采取对策以确保铸件的质量。缩短试制岗期，降低生产成本。计算机技术的突飞猛进使得这一梦想成为现实。 1．2用计算机技术改造传统铸造行业 1．2．1 铸造过程计算数值模拟的国内外研究概况 随着计算机技术的迅猛发展，计算机在铸造中的应用越来越广泛。60年代初，杰·麦德弗洛桑德把戴森摩尔等人在工程应用中提出的有限差分近似法第一次用于铸造凝固过程的传热计算，开始了铸件凝固的过程模拟。此后，美国密西根大学的曼.万等人以及日本的大中逸雄等相继开始了凝固过程模拟，并取得了显著的进步。在第50届国际铸造年会举办的“凝固过程计算机模拟”专题讨论会上，深入讨论了铸件凝国过程数值模拟在研究微观组织结构和铸件性能等方面的应用，总结了凝固过程模拟所依据的。系列关系式，并设想利用这些关系式将几何
铸件充型凝固过程数值模拟实验报告
哈尔滨工业大学 《材料加工过程数值模拟基础》实验课程 铸件充型凝固过程数值模拟实验报告 姓名： 学号： 班级： 材料科学与工程学院
铸件充型凝固过程数值模拟实验报告 实验一：铸件凝固过程数值模拟 一、实验目的 1．学习有限差分法温度场模拟的数学模型和基本思路； 2．掌握用AnyCasting 铸造模拟软件进行温度场模拟的方法。 二、实验原理 1．有限差分法温度场模拟的基本思路： 设计铸造工艺方案→根据定解条件求解能量方程→揭示凝固行为细节→预测凝固缺陷→改进工艺方案，返回第二步循环。 2．有限差分法温度场模拟的数学模型： 222222T T T T L C t x y z t r l 骣抖抖?÷?÷=+++?÷÷?抖抖?桫 三、铸件凝固模拟过程及参数设置 1．凝固模拟过程 铸件、浇冒口等三维实体造型（输出STL 文件）→网格剖分、纯凝固过程参数设置等前处理→凝固温度场和收缩缺陷计算模拟数据→后处理得到动态的液相凝固、铸件色温图和缩孔缺陷等文件。 2．参数设置 铸件材质：AC1B 铸型材质：SM20C 初始条件：上下模500℃，侧模400℃，升液管700℃。 边界条件：所有界面与空气间的界面传热系数都为10W/(m 2?K)，熔融金属液与模具之间的界面传热系数为4000 W/(m 2?K)，各部分模具间和模具与升液管间界面传热系数都为5000 W/(m 2?K)。 四、模拟结果
图1 冷却时间 由于模拟中设置了水冷和空冷条件，所以铸件冷却速度较快。由图1可知凝固首先发生在铸件表面，铸件的轮辋区厚度较薄，冷却速度比轮辐处冷却快。内浇口先于轮辐凝固，在内浇口凝固后升液管内铝合金熔液无法对轮毂进行补缩， 则在轮毂中最后凝固处容易产生缩松缩孔。 图2 冷却率 由冷却率分布情况可知凝固过程中各部分冷却速率不同，可以判断出凝固时 内应力较大的区域，在应力较大区域铸件容易产生裂纹缺陷。 由模拟结果中铸件的温度场情况，合理设置工艺参数减少缩松缩孔及裂纹的 产生，合理布置冷却水管的分布位置。
电磁搅拌水系统维护
板坯电磁搅拌系统现场维护人员培训资料 水系统部分 使用前注意 3．1 注入纯水，检查纯水箱水位是否达到要求（100cm），满水位160cm。液位低于80cm停电磁搅拌。 3．2 打开热交换器上“工业进水”、“工业回水”所属管路上所有阀门，并注意水温不超过40℃，压力不得超过热交换器规定的使用压力1.1MPa，大于0.3MPa。 3．3 水质管理 3．3．1 为了保证流入EMS的纯水质量，必须经常对纯水进行电导率的管理。 电导率计可以分别检测到纯水泵出口侧和纯水制造装置出口侧的电导率。纯水泵出 口侧的电导率大于50μs/cm，电磁搅拌系统停机，高于45us/cm声光报警，对应 值闪烁。 运行注意事项 1）、确认进出水支管阀门位置，哪个应该打开、哪个应该关闭。 2）、开启纯水泵，注意泵压力在0.5Mpa-0.8Mpa之间，通过旁通阀调节，一般第一次调节后不需要再调节。，低于0.3Mpa自动切换水泵，并停电磁搅拌，低于0.4Mpa 声光报警，对应值闪烁。 3）、对各流量计的流量密切关注，线圈流量低于1.7m3/h,外壳流量低于1.9m3/h电磁搅拌停机。 4）、当纯水回水温度>65℃时，停电磁搅拌，大于55℃声光报警，对应值闪烁。此时应密切注意冷媒水水温是否符合要求＜40℃，流量是否正常，冷却效果怎么样。 5）、当流量异常时，系统闪烁报警，请及时检查，找出问题，主要是过滤网的清洗。 6）、停浇后，末端电磁搅拌停止供电后，纯水系统应继续工作1小时以上，以至线圈温度接近常温方可停泵（注：开浇后，未卸下末端电磁搅拌即使不使用电搅电源， 也应启动纯水系统）。 7）、每班交接时各巡检设备一次，确认设备无故障隐患。 湖南中科电气股份有限公司 技术部2009-9-17
铸件凝固过程中热应力场及热裂的数值模拟分析
铸件凝固过程中热应力场及热裂的数值模拟分析 作者：杨屹蒋玉明刘力菱焦玉琴 1铸件凝固过程数值模拟的意义及概况 自1962年丹麦Fround第1个采用电子计算机模拟铸件凝固过程以来，计算机在铸造工艺研究中得到了广泛的应用，如凝固过程温度场、热应力场的数值模拟，充型过程流速场的数值模拟；组织形态及力学性能的数值模拟等。通过这些单1或复合过程的数值模拟，可以分析铸件中存在的各种缺陷的产生原因，进而采取相应工艺措施来消除缺陷，实现工艺优化，同时可以节省大量的人力、物力和财力，缩短产品从设计到应用的周期，增强产品的市场竞争能力。如今，在芬兰，90%以上的铸造厂在日常中应用铸造模拟软件辅助铸造工艺设计；世界上一些大型的汽车公司的铸造厂，如美国的通用、福特，德国的奔驰等，都把数值模拟软件作为1种日常工具来使用。 近10年来，涌现出了许多优秀的铸造过程数值模拟软件，如美国的ProCast、德国的MAGMASoft、芬兰的CastCAE、西班牙的ForCast、日本的CASTEM、法国的SIMULOR 软件等。从功能上看，许多软件可以对砂型铸造、金属型铸造、精密铸造、压力铸造等多种工艺进行温度场、流场、应力场的数值模拟，可以预测铸件的缩孔、缩松、裂纹等缺陷和铸件各部位的组织。国内在经历了10多年的基础研究和发展后，也出现了一些技术水平接近国外商品化的应用软件，可以进行铸钢、铸铁件砂型铸造时的三维温度场模拟及收缩缺陷的预测，以及对铸钢、铝合金件的热应力场进行模拟。总的来说，国外软件的通用性强，能进行铸造全过程的数值模拟，并具有较强的后置处理功能及友好的用户界面。建模方便，易于模型设计和修改，便于用户掌握和使用。其计算精度与运算速度等方面也能满足需要。正因为如此，国外模拟软件已经成为实际生产中的有力工具.国内不少用户趋向于采用大型通用工程软件如：COSMOS、ANSYS、ADINA等进行模拟计算。 2数值模拟的基础性研究 2.1铸件凝固过程温度场数值模拟 经过几十年的发展，铸件凝固过程温度场数值模拟技术已日臻成熟。现在可以采用有限差分法、有限元法、DFF格式、Solyef格式等进行温度值的计算，边界条件处理方法有N方程法、温差函数法、点热流法、综合热阻法、动态边界条件法等，潜热的处理方法有温度