连铸结晶器电磁搅拌磁场及钢液流场模拟
小方坯连铸结晶器电磁搅拌磁场和流场的耦合分析
文章编号:1004-9762(2006)03-0222-04小方坯连铸结晶器电磁搅拌磁场和流场的耦合分析Ξ丁 国,李建超,王宝峰,麻永林(内蒙古科技大学材料与冶金学院,内蒙古包头 014010)关键词:频率;结晶器;电磁搅拌;小方坯中图分类号:TF77713 文献标识码:A摘 要:借助有限元方法,对小方坯结晶器电磁搅拌过程进行了磁场和流场耦合数值分析,得出了不同频率下钢液内部磁感应强度和电磁体积力及搅拌速度的分布规律1结果表明,在结晶器电磁搅拌时,随着频率的增加,钢液内部磁感应强度降低,电磁体积力在钢液内部分布不均匀;在电流频率为3H z 时,钢液搅拌速度最大1在现场对结晶器电磁搅拌器的磁场强度进行了冷态测试,实验值和模拟值基本相符1Coupled analysis of magnetic field and fluid f ield in mouldEMS for squar e billet continuous ca stingDI NG G uo ,LI Jian 2chao ,W A NG Bao 2feng ,M A Y ong 2lin(Material and Metallurg y Scho ol ,Inn er M ong olia University of Science and T echn ology ,Baotou 014010,China)K ey w or ds :frequency;mould ;electromagnetic strirring;billetAbstract :T he cou pled analys is of magnetic field and fluid in M 2E MS was carried ou t for the square billet contin ous casting on the basis o f fin ite unit meth od.T he distributions o f magnetic flux density ,magnetic v olume force and liqu id steel v il ocity with the same current value and v ariable f requency w ere ob tained .T he calcu lated results sh ow ed that the magn etic flux density in the liquid steel was reduced and the dis tribution of magnetic v olu me force became n on 2un iform in the cross section w ith increasing th e frequency.And liquid s teel s tirring velocity alon g th e m ould reaches max imum at th e frequency v alue o f 3H z.T he magn etic flux density in stirring zon e w as measured in cool condition.C omparison o f the calcu lated resu lts w ith the experimen tal data presents satis factory agreements. 随着连铸技术的应用和发展,连铸坯的质量越来越受到重视,特别是由于用户对钢材质量越来越高的要求及国际市场的激烈竞争,使提高铸坯质量成为连铸生产中首要的问题,因而围绕提高连铸坯质量的研究工作也取得了很大的进展1电磁搅拌技术是利用不同形式的装置,通过电磁力来控制连铸过程中钢水的流动、传热和凝固,进而提高钢的清洁度,扩大等轴晶区,减少成分偏析,减轻或消除中心疏松和中心缩孔,并可降低过热度等,从而满足生产优质、高等级钢材的要求1几十年来,国内外学者对电磁搅拌进行了大量的实验研究[1～3],并应用于工业生产1随着连铸技术的不断发展及计算机的普及,数值模拟成为研究连铸过程中电磁搅拌的有效手段[4～9],采用数值模拟方法进行电磁搅拌结构设计以及工艺参数确定是一种有效的方法1结晶器电磁搅拌效果的好坏应该根据钢液内部的搅拌速度来确定[9],搅拌速度越大,搅拌效果越好1所以在确定电磁搅拌的工艺参数的时候,应对电磁搅拌过程磁场和流场进行耦合分析1本文首先建立结晶器电磁搅拌的模型,然后在不同频率下对结晶器电磁搅拌过程进行磁场和流场耦合分析,得出钢液内部磁感应强度、电磁体积力以2006年9月第25卷第3期包头钢铁学院学报Journal o f Baotou Univers ity of Iron and Steel T echnol og y September ,2006V ol.25,N o.3Ξ收稿日期66作者简介丁 国(),男,内蒙古通辽人,内蒙古科技大学讲师,主要从事材料电磁过程实验研究1:200-0-14:1971-及钢液搅拌速度的分布规律,从而确定最佳的电流频率11 结晶器电磁搅拌计算模型的建立图1为结晶器电磁搅拌模型图,E MS 是基于感应电动机原理设计的1为了显示电磁搅拌器内部结构情况,周围空气及内部水的模型没有画出1所用的电源为二相低频电源,各相电流的相位差为90°,相对的2个线圈断面上加同相位的电流密度,电流密度的值见式11ω为角速度,ω=2π/f ;t 为时间;f 为电流频率;J 0为线圈电流密度的幅值,由电流值、线圈匝数及线圈的断面积决定1J ax =J 0sin (ωt ),J by =J 0sin (ωt +π/2)1(1)图1 计算模型图Fig.1 Model o f M 2EMS模型中除空气和水之外均采用六面体单元,周围空气和内部水由于形状不规则,采用四面体单元1将计算体离散为81354个节点,50968个单元1模型具体尺寸及计算参数见表1,其余材料物理参数见表21表1 数值计算参数T a b le 1 Para meter s f or computation结晶器厚度/m 0.012铸坯断面尺寸/�0115×0115线圈电流/A 150频率/H z1～9拉速()1表2 电磁搅拌磁场数值模拟的物理参数T a ble 2 Par a meter s f o r the computa tion o f electr omagneti cfield材料相对磁导率电导率/(Ωm -1)钢液1107114×105结晶器(铜板)110417×107空气(水)1100线圈1100铁心10007114×1052 结果分析211 频率对钢液内部磁感应强度及电磁体积力的影响图2为不同频率下,电磁搅拌器高度中心钢液横断面上不同的磁感应强度的分布1从图2可以看出,随着频率的增加,钢液边部中心和钢液中心磁感应强度逐渐降低,这是因为钢液外部的结晶器材料为铜板,它的导电性非常好,当磁场在穿透结晶器的过程中,结晶器内将产生涡流,涡流产生和原磁场相反的磁场,阻止原磁场的穿透1频率越大,结晶器内产生的涡流越大,穿透结晶器进入钢液内的磁场强度越小1所以在能够保证连铸生产顺利进行的情况下,结晶器的厚度越小越好1图2 钢液内部频率和磁感应强度的关系Fig.2 The relatio n bet w een fr equency an d ma g netic fluxdensity i n the liquid steel图3为频率为3和8H z 时,电磁搅拌器高度中心钢液横断面上电磁体积力的分布1从图3可以看出,频率为3z 时,电磁体积力分布比较均匀,而且电磁体积力的方向是逆时针方向旋转,钢液在322丁 国等:小方坯连铸结晶器电磁搅拌磁场和流场的耦合分析/m m in -124H这个旋转的电磁体积力的作用下完成搅拌过程1当频率为8H z时,钢液内部电磁体积力分布不均匀,从图3可以看出,钢液4个角部电磁体积力比较大,而其它地方电磁体积力比较小1所以把钢液边部电磁体积力大小作为判断电磁搅拌效果好坏是不恰当的[4]1图3 搅拌区中心钢液横断面上电磁体积力的分布Fig.3 Distr ibutio n of magnetic vo lume for ce i n the middle o f stir r i ng zone212 频率对钢液内部搅拌速度的影响为了判断不同频率下电磁搅拌的效果,需进行磁场和流场的耦合分析1图4为3和8H z时钢液在电磁力作用下的流体速度矢量图1从图4可以看出,钢液在电磁体积力的作用下,钢液旋转流动,钢液速度从边部到中心逐渐变小1图5为不同频率和钢液边部速度的关系,从图5可以看出,钢液边部搅拌速度在3H z时最大,低于3H z时,速度随频率的降低而降低,当大于3H z时,速度随频率的增加而减小1这是因为电磁体积力和磁感应强度及钢液内部的感应电流有关,当低于3 H z时,钢液内部磁感应强度变大,但是频率过低,会降低钢液感应电流强度,对提高电磁体积力不利1当大于3H z时,虽然钢液内部的感应电流增加,但钢液内部的磁感应强度降低,综合起来,当大于3H z时,随着频率的增加,电磁体积力对钢液的作用降低1因此对于150小方坯来说,频率3H z时为最佳搅拌的电流频率1图4 搅拌区中心钢液横断面上速度分布Fig.4 Distr ibution o f liquid steel velocity a t cr oss sectio n i n the middle o f stirr i ng zone3 实验研究采用美国B公司的58高斯计对结晶器电磁搅拌器的中心磁场强度进行冷态测试,测量位置示意图见图61测量值和模拟值见图1从图可以看出,测量值和模拟值比较吻合,说明了可以使用有422包头钢铁学院学报2006年9月 第25卷第3期ell0077限元方法对电磁搅拌的磁场进行数值分析1图5 钢液边部搅拌速度和频率的关系Fig.5 The r ela tion bet w een stir r i ng velocity and fr equencyin the liquid steel图6 中心磁场侧试位置示意图Fig.6 Diagr amma tic sketch o f measurement positio n inthe center of sti r r ing zo ne图7 搅拌区中心轴线上磁感应强度计算值和测量值的比较Fig.7 The compa r ison o f ma g netic density calc u lated w ithth a t mea sur ed alo ng a xis i n stir r ing zo ne从图7可以看出,随着位置向下移动,磁感应强度逐渐增加,在距测量位置开始点约0128m 处达到最大值,随后逐渐减小,搅拌器内下部的磁感应强度比上部对应位置稍大,这是因为由于结晶器铜板的影响,磁场在穿透铜板过程中在铜板内产生了涡流,磁场在结晶器内损耗一部分,由于结晶器电磁搅拌器位于结晶器稍微靠下部,电磁搅拌器上面的铜板结晶器长度要大于电磁搅拌器上面钢板的长度,所以磁场在搅拌器上面结晶器内的损耗要大于搅拌器下部结晶器内损耗,所以搅拌器内下部磁感应强度要高于搅拌器内上部的磁感应强度14 结论(1)由于铜结晶器的影响,钢液内部的磁感应强度随电流频率的增加而减小1电流频率低时钢液内部的电磁体积力分布比较均匀;电流频率高时电磁体积力分布不均匀,角部比较大1频率过高或过低,对提高电磁体积力都没有好处,因此存在一个最佳的电流频率1(2)结晶器电磁搅拌时,在电流频率为3H z 时搅拌区中心钢液横断面上速度最大,搅拌效果最好1(3)对结晶器电磁搅拌过程的磁感应强度进行了冷态测试,计算值和模拟值基本相符1参考文献:[1] OH K S ,CH A NG Y W.Macrosegregation beh avi or in continu 2ous ly cast high carb on steel bl ooms and b illets at the finalstage o f s olidification in combination s tirring[J ]1ISI J Interna 2tional ,1995,35(7):86628751[2] Beitelman L.E ffect o f m old E MS des ig n on the billet castingproductivity and prod ict quality [J ]1Canad ian Metallurg icalQuarterly ,1999,38(5):30123091[3] 李春龙,姜茂发,王宝峰1组合电磁搅拌对连铸大方坯内部质量的影响[J ]1东北大学学报,2003,24(7):67726801[4] T rindade L B ,Vilela 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200141:1.。
连铸结晶器钢水流动控制技术（三篇）
连铸结晶器钢水流动控制技术连铸板坯的表面和内部缺陷与结晶器内钢液的流动状态密切相关。
伴随着连铸机拉速的提高，结晶器内液面波动加剧，容易产生卷渣，造成铸坯质量恶化。
采用结晶器钢水流动控制技术可以改善结晶器内流场形态，抑制水口出流速度以平稳液面，促进夹杂物上浮。
连铸板坯的表面和内部缺陷与结晶器内钢液的流动状态密切相关。
伴随着连铸机拉速的提高，结晶器内液面波动加剧，容易产生卷渣，造成铸坯质量恶化。
采用结晶器钢水流动控制技术可以改善结晶器内流场形态，抑制水口出流速度以平稳液面，促进夹杂物上浮。
用于板坯结晶器的电磁制动（EMBr）、电磁流动控制（FC结晶器）和多模式电磁搅拌（M-MEMS）是结晶器钢水流动控制技术的典型代表。
电磁制动器通过对结晶器施加一个与铸流方向垂直的静态磁场而对流动的钢液进行制动。
钢流由于电磁感应而产生感应电压，因此在钢液中产生感应电流，这些电流由于受到静态磁场的作用而产生一个与钢水运动方向相反的制动力。
钢液的流速越快，制动力也越大。
电磁制动器具有一个单一的、覆盖整个板坯宽度的静态磁场。
电磁制动技术可抑制水口射流速度，减缓沿凝固壳向下流动，促进夹杂物和气泡上浮。
FC结晶器含有两个方向相反的制动磁场，第一个位于弯月面区域，另一个位于结晶器的下部，每一个磁场都覆盖了板坯的整个宽度。
FC结晶器的磁场的上电磁场减少了结晶器弯月面紊流，可防止保护渣卷入凝固壳和角部横裂；下电磁场可减少钢液向下流速，有利于夹杂物和气泡上浮。
利用M-MEMS多模式电磁搅拌器可根据需要以不同的方式搅动结晶器内的钢水，显著减少板坯铸造缺陷。
该技术采用4个线性电磁搅拌器，位于结晶器高度方向的中部、浸入式水口两侧，每侧2个线圈并排设置，可用于使浸入式水口流出的钢水制动（EMIS）或加速（EMLA）。
第三种工作模式则用于使位于弯月面的钢水转动（EMRS），此项技术可有效控制热传导梯度和坯壳凝固前沿的均匀性，消除某些钢种存在的气孔、针孔和表面夹渣等铸造缺陷。
钢铁工艺连铸工艺中电磁技术的应用
【钢铁工艺】连铸工艺中电磁技术的应用近年来，电磁制动与电磁搅拌技术在我国钢铁行业应用广泛，是连铸工艺体系的重要组成部分，电磁技术的应用有助于解决结晶器内钢水过热、铸坯等轴晶率不足、结晶器液面不稳、铸坯夹杂物含量高等工艺难题，进一步提升了产品质量。
基于此，为切实满足日益提高的连铸工艺要求与生产需求。
今天我们就给大家介绍一下连铸工艺体系中电磁制动、电磁搅拌两项技术的发展历程、作用原理与注意事项，并探讨技术应用措施。
电磁制动技术一发展历程电磁制动技术理念早在20世纪八十年代便被日本川崎公司与瑞典ABB公司提出，水岛钢厂等项目中得到应用实施，有助于提高产品质量与生产效率,但第一代电磁制动技术却存在着电磁极间距不易控制的缺陷不足，实际制动效果并不理想。
对于第一代电磁制动设备而言，设备空间极为狭小，这就对设备中的各类元件提出了更高的要求。
当设备内部元件体积过大时，将会使各元件的作用无法得到发挥。
此外，还会使铸坯厚度大大增加。
针对此类问题，两家公司陆续推出单条型电磁制动、双条型电磁制动、全幅两段与三段电磁制动等全新技术。
例如，双条形电磁制动技术应用期间会生成两个位置不同的磁场，各磁场能够相互制约、促进，且方向相反，发挥着不同的功能,这使得制动效果得到明显改善，电磁制动技术逐渐具备了大规模应用推广的技术条件，得到国内外钢铁企业的广泛应用。
虽然我国该领域研究发展起步晚，但相关技术人员正积极应用信息技术提高该领域整体发展水平。
电磁制动技术一作用原理在连铸工艺体系中，电磁制动是一项装置通电条件下通过形成静态磁场来引导结晶器内钢水沿特定方向流动、控制钢水流速和抑制涡流的技术手段,起到稳定结晶器液面、提高弯月面温度、降低钢水夹杂物含量等多重作用，具体如下：其一，稳定结晶器液面。
在磁场制动力作用下来维持液面状态，避免因液面波动幅度过大出现拉漏、重熔、坯壳残留过量保护残渣的问题，或是因液面波动量不足而影响到保护渣融化、润滑效果。
连铸电磁搅拌技术的试验研究
分析 试验 数 据 表 明 ， 矩 随着 电流 、 率 的增 扭 频
大 而增 加 ， 图 ２ 见 。在 磁 场 中 ， 均时 间 内的磁 力 平 密 度 值 Ｆ Ｎ ｍ ）可用 下式 表 示 ： （／
可 明显看 到结 晶器 内熔 融合 金 在 电磁搅 拌 作用 下
２ 试 验的方 法与步骤
试验 在 电磁搅 拌平 台上 进行 ， １０ｍｍ×１ ０ 用 ４ ４ Ｉｎ 的方坯 外 置式 结 晶器搅 拌 器 。 验介 质 伍德 合 ｎ 试 金 （ ｂＳ — ｉ的成 分 为 ： ｂ １ ． ６ 、 ｎ５ ． ４ 、 Ｐ —ｎＢ ） Ｐ ０ １ ％ Ｓ ９ ２ ％ Ｂ ０ ６ ％ ， 始 熔 化 温 度 １ ０ ｏ ｉ ．０ 初 ３ ０ Ｃ，液 相 线 温 度
注 ：表 中钢 蔽 是 在 １７ ０℃ 条 件 Ｆ的 粘 腰 值 ， 验 合 金 是 ０ 试
在 １０℃ 条 件 下 的粘 度 值 。 ２
试验 步 骤 为 ： １ 用 调 压器 逐渐 对 加热 电阻升 （） 压 ， 化 合 金 ；２ 合金 温度 达 到 ２ ０ｃ 时停 止加 融 （） １ ｃ
金
的旋 转状 态 ， 图 １ 见 。 试验 使 用 耐火 材 料 模 拟夹 杂物 。在 向心 力作 用下 ， 耐火 材 料 向中心 聚集 ， 随合 金 一起 旋 转 ； 并 同 时存 在 于表 层 区域 的气 泡 和 夹 杂 向中 心 聚集 、
逸 出 ，从 而 获得 洁 净 致 密 的表层 。在离 心 力作 用 下 ， 金 沿 结 晶器 四周 器 壁 向上 隆起 ， 合 电磁 力 可强
ｓ ｅ ｉｌｔ ｆｓｉ ｅ ａ ｅ ｎ ａ ａ ｙ ｅ ．Ｉ ｏ ｃ ｕ ｈ ｅ ａ ｉｎｓ ｐ ｂ ｔ ｅ ｈｅｓ ｅ ｉｌｔ ｆｍａ ｎｅｉ ｐ ｃ ａｉｙ ｏ ｔ ｒｈ ｓｂ ｅ ｎ ｌ ｚ ｄ ｔｃ ｎ ｌ ｄｓｔ ｅｒ ｌ ｔ ｒ ｏ ｈｉ ｅ ｗｅ ｎ ｔ ｐ ０～２０ 年 投资 建设 了 电磁搅 ０１
电磁搅拌中旋转磁场及洛伦兹力的数值模拟
７×言一［ 一
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电磁 力 密度 可分解 为法 向力 厂 和切 向力 ， ｒ 低频
其中产生感应电流 ， 电流与当地磁场相互作用 该
产生 电磁力 。电磁 力作 用在 金属熔 液 每个体 积元
电磁搅拌情况下主要表现为切向力 ， 切向力可 促使流体沿着圆周运动并最终对流体实现电磁搅
文 献标 志码 ： Ａ 中搅拌 技术 由于 具有 非 接 触 、 污 染金 属 不
液、 可精确控制 以及容易与工业生产对接等优点 ， 在半 固态坯料制备领域率先获得工业应用并且实 现产业 化［。虽 然 电磁 搅 拌 中 的 电磁 场 可 由 １ ］
成三对 极 的电磁 搅拌 器 ， 接 三 相 交 流 电产 生 旋 外 转磁 场 ， 三对 极线 圈 的相位角 相差 １０。 ２。
图 ３ 不 同相对磁导率情 况下金属熔体中磁场分布示意图
图 １ 三 相 电磁 搅 拌 器 的物 理 模 型
３ 三相 电磁搅拌器 电磁力密度计算
不同搅拌频率下金属熔体内的电磁力密度分
三相交流电产生旋转磁场 的物理模型如图 １
基金项目： ０ ０ ２ １ 年内蒙古科技大学理科基地教改项 目
电磁搅拌 中旋转磁场及洛伦兹力的数值模拟
所示， 取搅拌 器 的 一个 横 截 面 为计 算 对 象 。搅 拌 装 置 采用高磁 导率 的硅 钢片制 成 搅拌器 磁轭 和铁 芯系统 ， 其相 对 磁 导率 取 为 ２ ０ ， 圆形 轭 铁 内 ００在 部均 匀分布 ６个磁极 ， 每个磁极 上 套有线 圈 ， 拌 搅
图， 中搅 拌频 率取 ０ ５Ｈｚ 其 ． 。由 图可得 插 入高 磁 导率 的磁 轭和 铁芯 等 磁 介 质 时磁 场 可 提高 １ Ｏ倍 以上 ， 主要是 由于 高磁 导 率 的磁 介 质 磁 化后 产 这 生 的附加磁 场极 大 的增加 了系统 的总 磁场 。
连铸电磁搅拌器原理
连铸电磁搅拌器原理连铸电磁搅拌器是一种应用于连铸过程中的设备，通过电磁力的作用实现对铸坯温度和组织的控制。
它的原理是利用电磁感应和电磁力的相互作用，通过在连铸坯内部产生交变磁场，从而搅拌坯内的金属液，使其温度和组织均匀。
连铸电磁搅拌器主要由电磁线圈、电源和控制系统组成。
电磁线圈是通过电流产生磁场的装置，通常由多层螺线管组成。
电源主要用于提供电流，控制系统则用于控制电磁搅拌器的工作状态。
在连铸过程中，电磁线圈通过电流产生的磁场作用于铸坯内的金属液，从而达到搅拌的效果。
具体来说，连铸电磁搅拌器的工作原理如下：1. 电磁感应：当电流通过电磁线圈时，会在铸坯内产生交变磁场。
根据法拉第电磁感应定律，交变磁场会在金属液中产生涡流。
2. 涡流作用：涡流会在金属液中形成环流，这种环流会导致金属液受到电磁力的作用。
涡流的强度和方向与金属液的电导率、磁场强度和频率等因素有关。
3. 电磁力作用：涡流受到电磁力的作用，使金属液发生搅拌。
电磁力的大小和方向由涡流和磁场的相互作用决定。
通过调节电流和频率等参数，可以控制电磁力的大小和方向，从而实现对金属液的搅拌。
连铸电磁搅拌器的原理基于电磁感应和电磁力的相互作用，可以实现对连铸坯的温度和组织的控制。
通过搅拌坯内的金属液，连铸电磁搅拌器可以使铸坯的温度和组织更加均匀，提高产品的质量和性能。
此外，连铸电磁搅拌器还可以减少铸坯内部的气孔和夹杂物，提高产品的表面质量。
连铸电磁搅拌器是一种通过电磁力实现对连铸坯温度和组织控制的设备。
它的工作原理是利用电磁感应和电磁力的相互作用，通过在连铸坯内部产生交变磁场，对金属液进行搅拌。
连铸电磁搅拌器可以提高产品的质量和性能，使铸坯的温度和组织更加均匀。
它在连铸过程中具有重要的应用价值。
结晶器电磁搅拌对连铸坯质量的影响
结晶器电磁搅拌对连铸坯质量的影响摘要：随着连铸技术的应用与发展，连铸坯的质量越来越受到重视，特别是由于用户对钢材质量越来越高的要求及国际市场的激烈竞争，使提高铸坯质量成为连铸生产中首要的问题，因而围绕提高连铸坯质量的研究工作也取得了很大的进展。
连铸的电磁搅拌技术因其能显著改善铸坯质量而在国内外受到重视并得到发展与广泛应用。
基于此，本文主要对结晶器电磁搅拌对连铸坯质量的影响进行分析探讨。
关键词：结晶器；电磁搅拌；连铸坯质量；影响前言电磁搅拌技术对提高连铸坯的等轴晶率、细化凝固组织、改善夹杂物分布并促进成分均匀化具有重要作用，现今超级钢的开发，要求在现有条件下最大幅度地提高铸坯的等轴晶率，并使凝固的成分及夹杂物分布更加均匀，充分发挥出电磁搅拌冶金功能，因此，需要对电磁搅拌提高铸坯等轴晶率、细化及均质化凝固组织的作用效果和作用机理进行更深入的研究。
1连铸电磁搅拌原理对电磁搅拌通以三相电源，电磁搅拌内线圈产生一旋转磁场，铸坯在旋转磁场中切割磁力线产生感生电流，而感生电流在旋转磁场中必然会受电磁力的作用，且电磁力的方向与磁场运行方向一致，始终沿圆周方向运动，这样就推动了铸坯中的钢液也作圆周运动，从而达到了搅拌钢液的目的。
1.1连铸电磁搅拌的分类1)连铸电磁搅拌按安装位置可分为结晶器电磁搅拌(M−EMS)、二冷段电磁搅拌(S−EMS)和末端电磁搅拌(F−EMS)及其相互间的组合。
M−EMS是三种搅拌形式中改善铸坯质量最显著的方法。
S−MES是最先发明的一种搅拌形式。
随着连铸的发展，单独使用M−EMS或S−EMS已无法满足高质量产品的要求，生产中多采用结晶器、二冷区和凝固终点联合搅拌方式。
2)结晶器电磁搅拌的分类（1）结晶器电磁搅拌按安装方式可分为内置式和外置式两种。
按电磁感应器的冷却方式可分为传统型外水直冷式、独立冷却外水直冷式及空芯铜管纯水内冷式三种。
（2）连铸电磁搅拌按钢液流动方向可分为旋转型搅拌、线性搅拌和旋转型搅拌与线性搅拌共同作用产生的螺旋型搅拌。
360mm×450mm方坯连铸结晶器电磁搅拌的数值模拟
结 晶器 内电磁场 、 电磁力的分布特征 以及 电流 （０ ７ ０Ａ） 搅拌 频率 （ ． ３ ０ Ｈ ） 电磁 场和 电磁力 的影 响。 ３０～ ０ 、 ２ ０～ ． ｚ 对
结果表 明， 转磁 场在结晶器搅拌 区域 内产生 电磁力 ， 旋 使钢 液在水平方 向形成旋 转流动 ； 磁感 应强度 与搅拌 电流成 线性关系 ， 在低频 率搅拌条件下频率 对电磁搅拌强 拌 磁场 数值模拟
Ｃ ｎ Ｙｏ ｇ ，Ｚｈｕ Ｍｉ ｏ ｏ ｇ ｈｅ ｎ ａ ｙ ｎ ，Ｒｅ ｎ ｚ ｎ Ｂｉ ｇ ｈｉ （ ｃ ｏ ｌ ｆ ｔｒ ｌ ａ ｄ Ｍｅａ ｕｇ ， ｏ ｈ ａｔ ｎＵ ｉｅｓ ｙ ｈ ｎ ａ ｇ１ ０ ０ ； １Ｓ ｈ ｏ ｏ ｅｉ ｓ ｎ ｔ ｌ ｙ Ｎ ｒ ｅ ｓ ｒ ｎｖ ｒ ｔ，Ｓ ｅ ｙ ｎ １ ０ ４ Ｍａ ａ ｌ ｒ ｔ ｅ ｉ ２ Ｄ ｐｒ ｅｔ ｆ ｔ ｉ ｅｅｒｈ Ｐ ｎｈ ｕ ｏ ｎ ｔ ｌ ｅｅｒ ｎｔｕｅ Ｐ ｎｈ ｕ １０ ０ ｅａｔ ｎ ｅ ａ Ｒ ｓａｃ ， ａｚｉ ａＩ ｎａｄＳｅ ｓａ ｈＩｓ ｔｔ， ａｚｉ ａ６７ ０ ） ｍ ｏ Ｍａ ｒ ｌ ｈ ｒ ｅＲ ｃ ｉ ｈ
陈 永 朱 苗勇 任 兵 芝
（ １东北 大学材料与 冶金学 院 ， 阳 １００ ； 沈 １０ ４ ２攀枝花钢铁研究 院材 料所 ， 攀枝 花 ６ ７ ０ ） １ ００
摘
要
根据麦克斯 韦电磁理论 ， 建立 了３ ０ｍ ４ ０ｍ ６ ｍ ｘ ５ ｍ方坯 连铸 结晶器 电磁旋转搅 拌的数学模型 ， 分析 了
ｌｃ ｒ ｍａ ｎ ｔ ｏｃ ｎ ｍｏ ｄ ｔ ｋ ｌ ｎ ｓｅ ｌ ｈ ｒ ｎ ｔ ｏ ｚ ｎ ａ ｅ ｔ ｎ：ｔ ｅｒ ｌ ｔ ｎ ｂ ｔ ｅ ｇ ｅｉ ｕ ｔ ｎ ｉ ｅ ｔｏ ｇ ｅｉ ｆｒ ｅ ｉ ｌ ｍａ ｅ ｍｏ ｔ ｔｅ ｉ ｉ ｇａ ｒ ｏ ｔ ｓ ｃ ｉ ｃ ｏ ｅ ｗ ｌ ｈｉ ｌ ｏ ｈ ｅ ａｉ ｅｗｅ ｎ ｍａ ｔ ｆ ｘ ｉ ｅ ｓｔ ｏ ｎ ｃｌ ｎ ｙ ｏ ｄ ｃｉｎ ａ ｄ ｓｉ ｉ ｇ ｃ ｒｅ ｔ ｓｌ ｅ ｒｔ ，ａ ｄ ｗｉ ｗｅ ｔ ｒｎ ｅ ｕ ｎ ｙｔ ｅｅ ｅ ｔ ｆｆ ｑ ｅ ｃ ｎ ｅ ｅ ｔｏ ｇ ｅｉ ｔ － ｆ ｎ ｕ ｔ ｎ ｔ ｒ ｕ ｒ ｎ ｎ ａ ｙ ｎ ｔ ｌ ｒ ｉ ｉ ｇｆ ｑ ｅ ｃ ｈ ｆ ｃ ｅ ｕ ｎ ｙ Ｏ ｌｃ ｒｍａ ｎ ｔ ｓｉ ｉ ｏ ｒｎ ｉ ｉ ｉ ｈｏ ｓｒ ｒ ｏｒ ｃ ｒ
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第20卷第7期2008年7月钢铁研究学报Jour nal of Ir on and Steel ResearchV ol.20,No.7 July 2008作者简介:陈 永(1969-),男,博士生,教授级高级工程师; E -mail:chenyong880@yah ; 修订日期:2008-01-04连铸结晶器电磁搅拌磁场及钢液流场模拟陈 永1,2, 张长利3, 沈厚发3, 柳百成3(1.东北大学材料与冶金学院,辽宁沈阳110004; 2.攀枝花钢铁研究院,四川攀枝花617000;3.清华大学机械工程系,北京100084)摘 要:建立了大方坯连铸结晶器电磁搅拌条件下电磁场及钢液流场数学模型,开发了相应的V isual Cast 仿真软件,并应用软件模拟分析了大方坯连铸结晶器内磁场、电磁力分布及双侧孔浸入式水口条件下结晶器内钢液流场的分布特征。
结果表明,结晶器内磁场分布均匀,并沿横断面水平旋转,电磁力的旋转周期为磁场旋转周期的一半。
电磁搅拌改变了结晶器内流场形态,减小回流区和冲击深度,有利于促进钢液中非金属夹杂物上浮排除,提高大方坯洁净度。
关键词:大方坯连铸;结晶器电磁搅拌;磁场中图分类号:T F777 文献标识码:A 文章编号:1001-0963(2008)07-0011-04Numerical Simulation of Electromagnetic Stirring Field and Molten Steel Flow Field in Mold of Bloom Continuous C astingCH EN Yong 1,2, ZH AN G Chang -li 3, SH EN H ou -fa 3, LIU Ba-i cheng 3(1.Scho ol of M ater ials and M et allur gy ,N o rtheast ern U niversit y,Shenyang 110004,Liaoning,China;2.Panzhihua Iro n and Steel Research Institute,Panzhihua 617000,Sichuan,China; 3.D epar tment o f M echanical Eng ineer ing,T singhua U niver sity,Beijing 100084,China)Abstract:I n o rder to simulate the mag net ic flux density ,electro magnetic st irr ing for ce and fluid flow in blo om con -tinuous casting mold,a mathematical model is set up and the softw are of V isual Cast has been dev eloped.Numer-i cal simulat ion results show that the ro tary mag netic field in mo ld is uniform and its per iod is tw o t imes electr omag -netic force.T he flow patter n g reatly var ies and the circumfluence reg ion as w ell as the jet impinging dept h decr ea -ses w ith the effect o f elect romag net ic stirr ing,w hich w ill decr ease the quantit y of no n -meta llic inclusio n in bloo m.Key words:bloo m continuo us casting;mold elect romag net ic st irr ing;magnetic field电磁搅拌是现代连铸的一项重要冶金工艺,具有改善钢液流动、降低钢液过热度、扩大铸坯等轴晶区及减轻铸坯中心偏析和中心缩孔等缺陷的作用[1~3]。
连铸生产实践表明,结晶器内钢水流动在很大程度上影响了连铸坯质量,国内外已有一些针对电磁搅拌方面的实验及数值研究[4,5]。
浸入式水口结构是控制结晶器内钢液流动的主要因素,因而电磁搅拌使结晶器内的钢液流动更加复杂。
目前人们对电磁搅拌条件下钢液流场的认识仍然有限。
本文通过建立连铸电磁搅拌电磁场及结晶器内钢液流场的耦合计算模型,探讨了电磁搅拌与双侧孔浸入式水口条件下大方坯连铸结晶器内钢液的流场特征。
1 电磁场流场计算数学模型111 电磁场计算数学模型电磁流体力学控制方程包括麦克斯韦方程组、运动流体的欧姆定律和连续方程[6~8]。
在连铸电磁搅拌过程中,若假定:¹钢水是不可压缩的导电流体;º钢水的密度Q 、运动粘性系数M 、电导率R 和磁导率L 等物性参数为标量常数;»钢水与坯壳导磁率取真空导磁率(L0=4P@10-7H/m),则其控制方程可以描述为:安培定律:J=¨@H(1)法拉第定律:¨@E=-5B5t(2)磁通连续方程:¨#B=0(3)欧姆定律:J=R#[E+(U@B)](4)本构方程:B=L#H(5)式中,B为磁感应强度;J为感应电流密度;H为磁场强度;E为电场强度;U(u,v,w)为流体速度;L为磁导率。
由麦克斯韦方程组推导可得到磁场的计算方程:¨@(¨@B)=-L R5B5t(6)根据感应电流和磁感应强度的相互作用得到洛沦兹力:F=J@B(7) 112流场控制方程采用K和E双方程紊流模型:¨#(Q U)=0(8) 55t(Q u i)+¨#(Q Uu i)=¨#(L eff#¨u i)+S i(9)55t(Q K)+¨#(Q UK)=¨#L0+L tR K#¨K+ G-Q E(10)55t(Q E)+¨#(Q U E)=¨#L0+L tR E#¨E+C1G EJ-C2EJ Q E(11)式中,Q为钢液密度;L eff=L0+L t=L0+Q C L K 2E;S i 为包括电磁力的源项;K为湍流动能;E为湍流耗散率;G为应力产生项;L0、L t、L eff分别为层流粘度系数、湍流粘度系数和有效粘度系数;C1、C2、C L、R K、R E 为经验常数,c1=1144,c2=1192,C L=0109,R K= 110,R E=113。
113计算条件根据国内某钢厂三相六极结晶器电磁搅拌器结构及相关参数建立电磁搅拌过程数学模型。
连铸大方坯断面尺寸为380mm@280m m,采用双侧孔浸入式水口浇注,拉坯速度018m/m in,搅拌电流500A,搅拌频率为214H z。
钢液电导率7114@ 105/(8#m),钢液磁导率4P@10-7H/m,钢液密度7000kg/m3,分子粘度系数516@10-3kg/(m#s)。
114求解方法电磁场和流场计算方程采用有限差分离散后,基于SIM PLER算法,开发了Visual Cast仿真软件。
该软件采用C++语言编制,能够自动处理水口形状。
电磁场收敛判断采用式(12)来判断,一般条件下经过十几次迭代即可得到较好的收敛结果。
R C=2li=12mj=1|B t+$ti,j-Bti,j|2li=12mj=1|B t i,j|(12) 2计算结果及分析211磁场及电磁力计算结果图1为计算得出的沿拉坯方向结晶器中心磁感应强度的分布,其分布曲线基本呈正态分布。
在搅拌器中心位置磁感应强度达到最大值,沿结晶器中心轴线随距搅拌器中心距离的增加,磁感应强度迅速降低。
图2为一个周期内搅拌器中心横截面内不同时刻磁感应强度的分布,图中圆形为搅拌器,矩形框内为结晶器区域。
可以看到磁场顺势针旋转,在每一个时刻搅拌器内磁场大致可分为两个半圆,半圆的起点和终点处磁场最小,而在中间处达到最大值。
结晶器内磁场分布较为均匀。
图3为一个周期内不同时刻的电磁力分布。
可以看出电磁力变化周期为磁场变化周期的一半。
整个横截面上电磁力基本上分为两部分,方向相反,形成一对力偶,驱动钢液顺时针旋转。
图1沿拉坯方向结晶器中心磁感应强度的分布Fig11Magnetic flux density along height of mold#12#钢铁研究学报第20卷212流场计算结果图4和图5表示电磁搅拌对结晶器内钢液流场的影响。
施加电磁搅拌后,结晶器内钢液流场发生了较大的变化,在浸入式水口下部形成钢液的旋转运动,见图4(b)和图5(b),并且在搅拌器中心横截面上搅拌速度达到最大值,在结晶器宽面中心边缘附近搅拌速度约为018m/s。
对比图5(a)和图5(b),电磁搅拌使浸入式水口下部的回流区变小,同时使冲击深度也变小。
浸入式水口出流在撞击窄面后即开始沿结晶器下部螺旋运动,在进入搅拌器后旋转速度增大,在向外离心力作用下心部液体被/甩出0洗刷结晶器内表面。
结晶#13#第7期陈永等:连铸结晶器电磁搅拌磁场及钢液流场模拟(a)I=0;(b)I=500A、f=214H z图4电磁搅拌对大方坯搅拌器中心横断面内钢液流场的影响(距弯月面0165m)Fig14Influence of M-EMS on molten steel flow field along cross-section(a)I=0;(b)I=500A、f=214H z图5电磁搅拌对大方坯连铸结晶器内钢液三维流场的影响Fig15Inf luence of M-EMS on molten steel f low field器下回流区的减小及钢液的旋转运动有利于夹杂物的上浮,减少铸坯夹杂。
3结论(1)结晶器中心磁场沿拉坯方向基本呈正态分布,随距搅拌器中心的距离增大,结晶器中心磁场强度迅速降低。
(2)三相六极搅拌器内钢液磁场分布不均匀,但在结晶器内部的分布相对较为均匀。
电磁力和磁场具有相同的变化方向,磁场变化周期为电磁力变化周期的一倍。
结晶器内搅拌电磁力形成力偶距,驱动金属流体运动。
(3)双侧孔浸入式水口条件下施加结晶器电磁搅拌后,钢液下回流区减小,冲击深度减少,在搅拌器中心搅拌速度达到最大值,有利于钢液中非金属夹杂物上浮排除,提高大方坯洁净度。
参考文献:[1]邢文彬.电磁搅拌对连铸坯质量的影响[J].连铸,1989,(3):61.[2]李开煜,杨焕祥.电磁搅拌工艺参数的研究与应用[J].炼钢,1994,(3):47.[3]杨吉春,王磊,蔡开科.用M-IE M S改善重轨钢大方坯中心碳偏析和组织[J].包头钢铁学院学报,2001,(2):125.[4]麻永林,王宝峰,李保卫.结晶器/足辊区电磁搅拌的数值分析[J].钢铁,2004,39(增刊):533.[5]Trophim e C,M as se P,Etay J.A Numerical Code for StrongC ou pling in M agneto H ydro Dynam ic Application to EM Stirrer[J].IEEE T ran sactions on M agnetics,1996,32(3):1006. [6]毛斌,王世郁.钢水连铸电磁搅拌的磁流体力学基础[J].钢铁研究,1998,(1):11.[7]Dubk e M,S pitz er K H,Schw erdtfeger K.Spatial Distribu tionof M agnetic Field of Linear Inductors Used for Electromagnetic S tirring in C on tin uous Cas tin g[J].Ironmaking and S teelma-king,1991,18(5):347.[8]Chung S I,Yoon J K.Numerical Analysis of Effect of Electro-magn etic Stirring on Solidification Phenomen a in ContinuousCas tin g[J].Ironmaking an d S teelmak ing,1996,23(5):425.#14#钢铁研究学报第20卷。