一种连铸二冷区钢液内电磁场及流场物理模拟装置及方法与流程

本发明属于钢铁连铸技术领域，特别涉及一种连铸二冷区钢液内电磁场及流场物理模拟装置及方法。

背景技术：

目前90％以上的钢材都是采用连铸方式生产，然而由于选分结晶和体积收缩，金属在凝固过程中不可避免地会出现成分偏析和缩孔疏松等缺陷。对于合金元素含量较高的特殊钢，这些缺陷尤为突出，已成为连铸坯质量提升的瓶颈。因此，减轻和消除连铸坯内各种缺陷，成为了提高连铸生产的质量和产量的关键所在。

研究发现，连铸二冷区施加电磁场，通过细化金属凝固组织，可以有效的减轻和消除各种缺陷，提高等轴晶率，改善成分偏析。但是，由于连铸生产具有高温、不透明等特点，使得电磁场作用下连铸二冷区钢液内流场、电磁场的测定变的极其困难，导致人们对电磁场的细化机制尚不清楚。目前，研究连铸二冷区钢液内部电磁场和流场的分布主要采用数值模拟的方法，但是模拟分析过程中，往往要对边界条件和材料属性进行简化，从而导致模拟结果误差较大，而且采用的模型和离散化的形式不同，也会使得模拟结果不同。

技术实现要素：

发明目的：为解决现有技术中的上述问题，本发明第一目的是提供一种连铸二冷区钢液内电磁场及流场物理模拟装置，通过该装置可以精确的测量连铸过程中二冷区内的电磁场及流场分布规律；本发明第二目的是提供该发明装置测量二冷区内电磁场及流场分布规律的使用方法。

技术方案：为实现本发明的目的，本发明所采用的技术方案是：本发明用来测量连铸二冷区钢液内电磁场及流场的物理模拟装置，包括二冷区物理模拟系统、二维移动装置、电磁场和流场测量系统及控制系统。所述二冷区物理模拟系统由储液装置、低熔点液态金属及电磁场发生装置组成，二维移动装置由电机、丝杆和联轴器组成，电磁场和流场测量系统由磁场测量装置及流速测量装置组成。

进一步的，电磁场发生装置与二维移动装置中的丝杆相连，丝杆与电机通过联轴器相连，从而通过控制电机的转速来控制线圈上下移动的速度。流速测量装置放置在储液装置底部、上部或者侧面，电磁场测量装置从储液装置上部测量磁场强度。电机、电磁场及流场测量装置分别与控制系统相连。储液装置中装有低熔点液态金属。

进一步的，电磁场发生装置优选为线圈或电磁搅拌器，储液装置高度为100mm～5000mm，内径为10mm～2000mm，优选为圆柱形、方形，储液装置中的低熔点液态合金优选为常温下为液态的gainsn合金或者水银，电机优选为步进电机或伺服电机。

本发明采用上述的装置测量连铸二冷区内电磁场及流场分布的方法，该方法包括如下步骤：先向储液装置中加入一定量的低熔点液态合金，电磁场发生装置移至储液装置底部，然后通过控制系统设定电磁场发生装置向上移动的速度，待设定完成后，开启电机开关，控制电磁场发生装置向上运动，从而模拟连铸过程中铸坯向下的拉坯过程，同时电磁场及流场测量装置测量储液装置中低熔点液态合金的磁场分布和流场分布。

进一步的，电磁场发生装置向上移动速度控制在0.01m/s～1m/s之间，电磁场及流场测量装置可以同时测量不同位置的磁场及流场分布。

有益效果：与现有技术相比，本发明的技术方案具有以下有益技术效果：

本发明可以物理模拟连铸二冷区钢液的流动，以及精确的测量二冷区内电磁场及流场分布规律，从而为研究电磁场对连铸二冷区的作用机制提供帮助。而且，采用该装置测量连铸二冷区内电磁场及流场的方法简单，可操作性强。

附图说明

图1为本发明连铸二冷区电磁场及流场物理模拟装置结构示意图，该装置中的流场测量装置从储液装置底部测量熔体流速；

图2为本发明连铸二冷区电磁场及流场物理模拟装置结构示意图，该装置中的流场测量装置从储液装置顶部测量熔体流速；

图3为本发明连铸二冷区电磁场及流场物理模拟装置结构示意图，该装置中的流场测量装置从储液装置侧壁测量熔体流速；

附图中的标号说明：(1)储液装置，(2)电磁场发生装置，(3)低熔点液态金属，(4)丝杆，(5)联轴器，(6)电机，(7)滑块，(8)流场测量装置，(9)电磁场测量装置，(10)连接线，(11)控制系统。

具体实施方式

下面结合附图及实施例对本发明的技术方案做进一步详细说明。

实施例1采用图1所示装置，从储液装置底部测量熔体流速

(1)向由有机玻璃管制成的内径为10mm，外径为12mm，高100mm的储液装置中加入高75mm的gainsn低熔点合金；

(2)将三个流场测量装置分别放置在储液装置底部的中心处、1/2r处和边缘处，将电磁场测量装置从储液装置顶部插进gainsn低熔点合金中；

(3)将内径为12mm，外径22mm，高50mm的线圈通过控制系统移至储液装置底部；

(4)通过控制系统设定线圈向上移动的速度为0.01m/s，线圈中通入的脉冲电流强度为1000a，频率为30hz，脉宽为3ms；

(5)同时启动电机、电磁场测量装置和流场测量装置，在线圈向上移动的过程中分别测量熔体中的电磁场分布和流场分布，进而物理模拟连铸过程中二冷区内电磁场和流场分布规律。

实施例2采用图1所示装置，从储液装置底部测量熔体流速

(1)向底部由有机玻璃管制成，侧壁由不锈钢制成的内径为2000mm，外径为2100mm，高5000mm的储液装置中加入高4000mm的gainsn低熔点合金；

(2)将三个流场测量装置分别放置在储液顶部的中心处、1/2r处和边缘处，将电磁场测量装置从储液装置顶部插进gainsn低熔点合金中；

(3)将内径为2100mm，外径2200mm，高300mm的线圈通过控制系统移至储液装置底部；

(4)通过控制系统设定线圈向上移动的速度为1m/s，线圈中通入的脉冲电流强度为2000a，频率为5hz，脉宽为10ms；

(5)同时启动电机、电磁场测量装置和流场测量装置，在线圈向上移动的过程中分别测量熔体中的电磁场分布和流场分布，进而物理模拟连铸过程中二冷区内电磁场和流场分布规律。

实施例3采用图1所示装置，从储液装置底部测量熔体流速

(1)向由有机玻璃管制成的内径为1000mm，外径为1100mm，高2500mm的储液装置中加入高2000mm的gainsn低熔点合金；

(2)将三个流场测量装置分别放置在储液侧壁的底部、中心和上部，将电磁场测量装置从储液装置顶部插进gainsn低熔点合金中；

(3)将内径为1100mm，外径1200mm，高300mm的线圈通过控制系统移至储液装置底部；

(4)通过控制系统设定线圈向上移动的速度为0.5m/s，线圈中通入的脉冲电流强度为3000a，频率为10hz，脉宽为20ms；

(5)同时启动电机、电磁场测量装置和流场测量装置，在线圈向上移动的过程中分别测量熔体中的电磁场分布和流场分布，进而物理模拟连铸过程中二冷区内电磁场和流场分布规律。

技术特征：

技术总结
本发提出了一种连铸二冷区电磁场及流场物理模拟装置及方法，包括二冷区物理模拟系统、二维移动装置、电磁场和流场测量系统及控制系统。采用该装置测量连铸二冷区电磁场及流场分布时，先向储液装置中加入一定量的低熔点液态合金，电磁场发生装置移至储液装置底部，然后通过控制系统设定电磁场发生装置向上移动的速度，待设定完成后，开启电机开关，控制电磁场发生装置向上运动，从而模拟连铸过程中铸坯向下的拉坯过程，同时电磁场及流场测量装置测量储液装置中低熔点液态合金的磁场分布和流场分布。本发明可以物理模拟连铸二冷区钢液的流动，以及精确的测量二冷区内电磁场及流场分布规律，从而为研究电磁场对连铸二冷区的作用机制提供帮助。

技术研发人员：叶春洋;苏月莹;徐燕祎;张云虎;申延平;陈湘茹;徐智帅;翟启杰
受保护的技术使用者：上海大学
技术研发日：2019.08.28
技术公布日：2019.11.08