哈尔滨工业大学
博士学位论文开题报告
学 院 材料学院 学 科、专 业 材料加工工程 导 师 ××× 教授 研 究 生 ××× 入 学 时 间 年 月 开题报告日期 年 月
论 文 题 目 基于Direct-SIMPLE法的合金连铸
电磁耦合凝固传输三维数值计算
研究生院培养处
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1课题来源及研究的目的和意义
连续铸造技术在现代工业生产中发挥着非常重要的作用，自1840年金属连续浇注思想的提出，到现在已历经从诞生、发展、成熟到优化4个阶段。目前世界上大多数产钢国家的连铸比已超过90%，我国自1996年成为世界第一产钢大国以来，连铸比逐年增加，由1990年的59.5%迅速提高到2003年的96%，已达到发达国家的水平，基本上达到饱和状态[1]。伴随连铸比的增长，以高拉速为核心，以高质量、无缺陷铸坯生产为基础，实现高连浇率、高作业率的连铸新技术不断涌现。近年来，冶金工艺技术最富有代表性的进步就是薄板坯连铸连轧技术 (Thin Slab Continuous Casting and Direct Rolling)，自第一条薄板坯连铸连轧生产线投产以来，薄板坯连铸连轧技术得到了迅速的发展和推广应用，据不完全统计，截止2007年10月，世界上已投入的薄板坯连铸连轧生产线达54条，具体分布情况见表1-1。
表1-1 世界各国薄板坯连铸连轧生产线及年产能力统计（截止2007）[1]
生产线/条 国 家 CSP ISP FTSC QSP CONROLL TSP 其他 美 国 德 国 韩 国 中 国 8 1 1 7 1 2 4 7 3 3 6 2 1 3 1 3 4 2 2 3 3 合计 13 1 3 3 13 21 54 铸机 年产 流数 /×104t 18 2 3 6 28 29 86 1962.5 240 280 600 3280 2829.5 9192 意大利 2 其 他 10 总 计 29 注: CSP-Contact Strip Production; ISP-Inline Strip Production; FTSC-Flexible Thin Slab Casting for Quality; QSP-Quality Strip Production; CONROLL- Continuous Roll; TSP-Tippins-Samsung Process
目前，电磁连铸技术不仅应用于钢铁的生产，还广泛应用于铝合金、钛合金，
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铜合金等的生产，镁合金的电磁连铸技术也正在研发之中。
现代冶金工艺中，随着人们对钢水纯净度要求的提高，中间包和结晶器冶金环节受到极大重视。电磁连铸具有生产率和成材率高及节能的特点，同时可减少铸件中夹杂物的含量，提高铸件质量，被誉为20世纪钢铁生产技术的里程碑。结晶器是连铸机的心脏。结晶器内金属液的流动对卷渣、夹杂物的捕捉、裂纹的形成和铸件表面质量等有重要影响[4,5]。从结晶器浸入式水口流出的钢液首先冲击结晶器窄面的凝固壳，一方面高温钢液容易导致凝固壳重溶甚至产生拉漏事故，另一方面也促使凝固壳对夹杂物的捕获。另外, 钢液从出口处流出来以后，形成上下两个回流区，其中上返流冲击液面造成液面的波动，易造成卷渣，下返回流穿透深度较大, 导致非金属夹杂物随着钢液流至结晶器深处而不易上浮，形成内部缺陷。随着拉速的增大，更有恶化的趋势，从而影响高拉速连铸的发展。因而，如何控制板坯连铸结晶器内钢液流场是提高铸坯质量和产量的关键。电磁制动技术的开发为解决上述问题提供了有利措施。因此，结晶器内金属液流场的研究一直受到冶金界的高度重视。钢液在结晶器内流动是一个复杂的湍流流动过
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程，其主要特征是不规则性、有旋性、三维性、扩散性和耗散性[6]。
从20世纪70年代以来，国内外对中间包、结晶器以及电磁定向凝固下驼峰内流场进行了大量研究，但生产实际中，存在试验周期长、工艺不易控制、成本高等问题，所以物理模拟技术和数值模拟技术研究方法得到了迅速的发展，这些研究工作为控制结晶器内流场以及结晶器和浸入式水口的设计及优化提供了手段。连铸结晶器内流场的主要研究方法有：示踪法、物理模拟法和数值模拟法。其中，物理模拟和数值模拟应用较多[7-10]。
利用物理模型，如水模型对结晶器内流体流动现象进行研究，具有直观、可动态实时地进行控制测量等优点，但也存在着一些不足，如受模型及水的物性限制，水模型不能准确模拟高温下流体的运动特点。钢水在结晶器内流动过程中，同时受到冷却作用，温度是不均匀分布的，而水模型很难模拟出温度差对流动的作用，因此全面地考察结晶器内钢液的速度分布需要利用数学模型。随着计算机的发展和数值计算技术的不断成熟，利用计算机对实际过程进行数值模拟，即“数值试验” 的计算流体力学方法迅速发展起来，这种研究方法通过对全过程进行直接模拟，可以快速、准确地对中间包和连铸结晶器内钢液流动和传热进行分析, 得到装置内各种变量的连续分布信息，从而成为优化结晶器侵入式水口及其它参数的主要手段。并可以广泛地设定条件对各种极端情况进行模拟，例如对危险的、超越正常条件的、待开发的过程进行数值模拟，可以把握设备内过程机理，对现有过程进行诊断、优化装置设计及改善操作，特别是该方法迅速、廉价、灵活、直观并易于理解，能模拟真实条件和理想条件,这些都是物理试验所不能实现的。 目前，应用于流场、温度场等场量计算的商用软件很多，在动力工程领域出现了像PHOENICS[11]、FLUENT[12]、CFX[13]、Flow-3D[14]等用于流动与传热计算的大型通用软件，在材料领域，有专门针对铸造过程的MAGMAsoft[15]、
ProCast[16]、华铸CAE[17],等。电磁场作用下的合金凝固过程，是一个多场作用下的热量、质量及流体动量强耦合传输过程，对于这一多物理场耦合的复杂问题，目前这些商用软件还不能很好的解决。因此，国内外许多学者对电磁连铸工艺这一复杂过程的理论模型及计算方法的研究和改进做了大量工作[18,19]。
本课题组早期提出了计算铸件凝固过程的耦合传输统一数学模型及求解速度-压力耦合问题的Direct-SIMPLE法，基于有限体积法，对二维有/无电磁场作用下类叶片铸件的凝固传输现象进行了计算，前期工作表明这一模型是成功的，并且所使用的Direct- SIMPLE法在二维速度-压力耦合计算方面效率很高[20,21]，但目前还未能成功地应用于有凝固条件下三维速度场-压力场的耦合计算 [22]。
本论文工作以课题组早期工作为基础，旨在建立二维电磁连铸过程中的动态凝固传输行为模型，以及三维电磁连铸过程中的流场计算、压力场、温度场及浓度场计算模型，利用本课题组提出的Direct-SIMPLE法求解速度与压力，对电磁场作用下的二维/三维传统连铸(Conventional Continuous Casting)过程进行凝固传输模拟研究，并对三维薄板坯电磁连铸（Thin Slab Continuous Casting）过程中的传输行为进行计算研究。
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2、国内外在该方向的研究现状及分析
2.1 电磁制动技术的原理及发展
在连铸过程中，低碳铝镇静钢和超低碳钢的浇注速度范围通常为1.0-2.0m/min，对应的连铸机每流的钢液生产能力为3-4.5 ton/min。当钢液以4.5 ton/min的速率从水口流入结晶器中时，从水口出口流出的钢液喷流速度可达1.8m/s或更高。从结晶器浸入式水口流出的钢液首先冲击结晶器窄面的凝固壳, 一方面高温钢液容易导致凝固壳重溶甚至产生拉漏事故, 另一方面高速的钢液喷流产生的高速表面流和涡流将钢液表面的保护渣卷入钢液中，高速的向下流动将气泡和非金属夹杂物带入结晶器内很深的位置，被凝固坯壳捕获。这些保护渣、非金属夹杂物和氢气泡就会在冷轧薄带产品中引起裂缝和砂眼等缺陷，为此有必要减小钢液喷流速度以减小结晶器中钢液的表面流速来减少缺陷的发生频率。为了防止水口堵塞，通常氩气与钢液一起从浸入式水口流入结晶器内。当氩气泡在钢液的自由表面上爆裂时就会将保护渣卷入金属液中。因此，吹入的氢气也是引起板坯表面缺陷的潜在原因。
高拉速连铸、连铸连轧及近终形连铸已成为钢连铸发展的必然趋势，而现行连铸工艺生产的铸坯不可避免地存在振痕、裂纹、夹杂等质量缺陷，制约了新工艺的应用。为了解决上述问题,近年来国内外专家采取了许多措施[23]，其中电磁制动技术一经提出就得到众多专家学者的重视[24]。
电磁制动技术就是在结晶器宽面浸入式水口区域设置与从水口流出的钢液流动方向垂直的恒稳磁场，当液态金属切割磁力线流动时，根据欧姆定律在液态金属中将产生感生电流，感生电流与恒稳磁场的交互作用又在液态金属中产生与流动方向相反的洛仑兹力，从而使液态金属的流动受到抑制。通过对金属液流的控制可改善操作工艺和提高铸坯质量。 (a)
(b)
(c)
图2-1 连铸电磁制动装置结构 (a)一代；(b) 二代；(c) 三代
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电磁制动技术的发展从20世纪80年代初第1代区域型电磁制动技术的出现, 经过了第2代单条型电磁制动, 至今发展到完全改变了磁场的布置可获得能改善质量的优化流场的第3代电磁制动技术，即结晶器内流动控制技术[5]。1980 年初瑞典的ABB和日本川崎钢铁公司联合开发了第1代区域型电磁制动装置EMBR，即局部磁场电磁制动技术，如图2-1(a)所示[5,25]。
通过设置在结晶器宽面、浸入式水口两侧的区域型恒稳磁场的作用，控制了从浸入式水口流出的钢液的速度和方向，有效地减弱了钢液对窄面坯壳的冲刷，
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并抑制了液面的波动，从而降低了卷渣和铸坯表面夹杂物缺陷的发生机率。应用覆盖整个板坯宽度的水平磁场的第2代电磁制动器1991年在法国的Sollac公司和荷兰的Hoogovens公司安装并进行了实验，称之为EMBR Ruler 或LMF (Level DC
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Magnetic Field)方法，如图2-1(b)所示。在结晶器的整个宽度上的水平磁场可获得更稳定的电磁制动效果, 且对不同的浇铸条件的敏感性减小。流动控制结晶器FC-mold ( Flow Control mold)是由日本川崎钢铁公司开发的第3代电磁制动装置[5,27]。它是由两个覆盖住整个板坯宽度的水平磁场构成，如图2-1(c) 所示。为优化连铸结晶器中钢液的流动其中一个磁场在弯月面处, 另一个磁通量相反地施加在浸入式水口的下方, 可同时减小弯月面处的钢液流速和结晶器下部钢液的向下流速。当磁通量密度为0. 3 T时，钢液的穿透深度可减小50 %以上，制动效率可通过改变浸入式水口的深度和角度来控制。
2.2电磁连铸的数值模拟
电磁连续铸造的铸坯在成型过程中同时受电磁场、温度场和流场等的综合作用，它们决定了半悬浮液柱的成型性与稳定性。因此，电磁场、温度场和流场的数值模拟对电磁连续铸造系统的优化设计和工艺过程的控制具有特别重要的意义。但是电磁场、温度场、流场均为复杂的三维场且相互关联相互影响，对电磁铸造工艺过程进行数值分析需要同时考虑描述电磁场的Maxwell基本方程、Ohm定律等本构关系、支配流体流动的Navier-Stokes方程以及传热方程。Maxwell方程和电磁本构关系结合起来通常称为电磁方程组；Navier-Stokes方程和紊流模型的结合则称为紊流流体流动方程；传热方程则用来分析凝固过程及温度分布。上述方程同时联立求解、耦合计算被认为是求出精确解的方法，但其过程复杂、求解较困难，三维问题数值计算量极大。但较之采用实测方法研究电磁连铸过程，采用数值模拟的方法可以更方便的获得凝固过程各物理场量之间的变化信息，还可以缩短研究周期，节省实验研究所需的巨大费用，同时对实验研究具有一定的指导意义。因而对电磁连铸工艺过程进行数值模拟的研究是非常有意义的。
(a) (b)
图2-2 抽拉速度Vcast=1.8m/min时中心截面的流场分布图[28] (a)无电磁制动计算结果；(b)电磁制动下强度为Bmax=0.3T计算结果
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