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1、1大方坯连铸结晶器电磁搅拌三维电磁场与流场的数值模拟大方坯连铸结晶器电磁搅拌三维电磁场与流场的数值模拟 *任兵芝1)，朱苗勇1)，王宏丹1)，陈永1, 2)1) 东北大学材料与冶金学院，沈阳 1100042) 攀枝花钢铁研究院，攀枝花 617000摘摘 要要: 本文建立了描述大方坯连铸结晶器电磁搅拌过程的电磁场和流场三维数学模型，并分别用有限元、有限体积法进行数值求解，对电磁场计算结果进行了实测检验。结果表明，电磁力在水平面上呈周向分布，铸坯边缘上的切向电磁力在搅拌器中心横截面上最大，在结晶器出口处有一峰值。钢液在横截面内旋转流动，而在纵截面内，形成四个旋涡。在铸坯内，从水口向下吐出的钢水与向
2、上回流的钢水流股相冲突，使流股浸入深度变浅，同时使流股向四周发散，从而有利于传热。励磁电流强度与频率对电磁力和流场均有影响。关键词关键词: 大方坯连铸，结晶器电磁搅拌，电磁场，流场，数值模拟NUMERICAL SIMULATION OF ELECTROMAGNETIC FIELD AND FLOW FIELD IN BLOOM CONTINUOUS CASTING MOLD WITH ELECTROMAGNETIC STIRRINGREN Bingzhi 1), ZHU Miaoyong 1), WANG Hongdan 1), CHEN Yong 1, 2)1) School of Mate
3、rials (b) X=0.526-0.2-0.10.00.10.2-3000-2000-10000100020003000300A400A500A600AFZ , N/m3Y , m图 4 搅拌器中心横截面上切向电磁力分布图 Fig.4 Variation of the tangential EM force at different current intensity in the line: X=0.52 and Z=0.0 (f=4Hz)图 5 为不同励磁电流下，铸坯边缘切向电磁力沿垂直方向的分布。可以看出，在搅拌器中心的 电磁力最大，随着电流从 300A 增加到 600A，最大电磁力
4、增加了约 3 倍。值得注意的是，出结晶 器之后又出现一峰值，这主要是由于少了结晶器铜板的屏蔽作用。 图 6 为频率与电磁力的关系图。可以看出，随着频率的增大，电磁力先增大后减小，在频率为 8Hz 时达到最大值。这是因为频率较低时，铸坯内感应电流也比较小2，不利于钢液内部电磁力的 提高；当频率大于 8Hz 时，由于结晶器铜板具有良好的导电性，磁场在穿透铜板时磁耗较大，这样 最终进入钢液内部的磁感应强度变小（见图 7） ，从而导致电磁力降低11。这同时解释了结晶器电 磁搅拌所选用的频率为 110Hz 的原因。0.00.20.40.60.81.01.2050010001500200025003000
5、FZ , N/m3X , m300A400A500A600A图 5 铸坯边缘切向电磁力沿轴向的分布 Fig.5 Variation of the tangential EM force at different current intensity in the line: Y=0.225 and Z=0.0 (f=4Hz)7024681012141660080010001200140016001800FZ /N m-3f, Hz图 6 中心横截面上短边中心切向电磁力与电流频率关系图 Fig.6 The tangential EM force vs frequency at the point:
6、 X=0.52 , Y=0.225, Z=0.0 (I=400A)024681012141650100150200250300350B , 10-4Tf , Hz图 7 搅拌器中心磁感应强度与频率关系图 Fig.7 Magnetic induction values vs frequency in the center of stirrer (f=2.4Hz)3.2 流场流场图 8 为铸坯顶表面（图 8a）和搅拌器中心横截面（图 8b）的速度矢量图，从图中可以看出， 在水平面上流动呈旋涡状，在顶表面上旋涡已经基本形成，但尚未充分发展，见图 8a，而在图 8b 中旋涡已经充分发展，边缘部分的切向
7、速度达到 0.25m/s 左右，正是这一切向速度能有效地折断枝 晶形成晶核，从而有利于等轴晶生长，同时清刷凝固面前沿，使坯壳生长均匀，减少漏钢事故。图 9 为中心横截面上切向速度的分布，可以看出，切向速度在边缘部分最大，向中心不断衰减，且与 Y 轴呈正比关系（除去壁面附近部分） ，切向速度随频率增大而增大，最大速度由 2Hz 的 0.186m/s 增大到 8Hz 的 0.296m/s。8yz0.25m/sFrame 001 11 Jul 2007 yz0.25m/sFrame 001 11 Jul 2007 (a) (b) 图 8 铸坯横截面流场分布图 Fig.8 Computed veloc
8、ity field on Y-Z plane at X=0.34 (a) and X=0.52 (b) (I=400A and f=4Hz)-0.2-0.10.00.10.2-0.3-0.2-0.10.00.10.20.3w, m/sY, m2Hz4Hz8Hz图 9 不同频率下中心横截面上速度变化 Fig.9 Variation of the tangential velocity at different frequency in the line: X=0.52 and Z=0.0 (I=400A)图 10 是不同频率下，铸坯边缘切向速度沿 X 轴的分布。可以看出，切向速度随着频率的增加
9、而增加，特别是顶表面的切向速度由 2Hz 的 0.03m/s，增大到 8Hz 的 0.053m/s，顶表面的这种旋转 流动有利于提高弯月面附近温度，促进保护渣的熔融与流动。但搅拌强度并不是越大越好，过强的 旋转运动将使钢水在结晶器壁面附近隆起，从而在弯月面形成凹坑，使保护渣铺展不均，易被卷吸12。所以电流频率不宜太高，以保证弯月面稳定。切向速度在搅拌器中心处最大，与电磁力分布(如图 5)相对应，在结晶器出口处出现一小平台，使得电磁搅拌的作用范围向下得到更大的延伸。90.00.20.40.60.81.01.21.41.61.80.000.050.100.150.200.250.302Hz4Hz8
10、Hzw , m/sX , m图 10 不同频率下切向速度沿轴向的分布 Fig.10 Variation of the tangential EM force at different frequency in the line: Y=0.21 and Z=0.0 (I=400A) 在电磁搅拌过程中，由于旋转磁场的作用，钢液主要是绕中心轴线做近似的圆周运动（如图 8） ，但由于离心力的原因，搅拌器中心的钢液将向铸坯边缘运动，到达凝固前沿后，再向上、向下 运动，由于流动的连续性，在凝固前沿向下流动的钢液，必定会在铸坯中心向上回流，最终又回到 搅拌器中心，形成一个奇特的二次流模式（如图 11） 。图
11、 11 是数值模拟得到的结晶器中心纵截面 上的速度分布矢量图，图 11a 未加电磁场，图 11b 励磁电流为 400A，4Hz，可以看出，加电磁搅拌 前后，纵截面上流动情况发生明显变化，由未加电磁搅拌时的两个旋涡，变为上下两对旋涡，且对 应的上下旋涡旋转方向相反。 图 12 为铸坯中心、边缘和角部的轴向速度沿轴向的分布图。可以看出，由于水口的流速原因， 铸坯中心的速度一开始很大，随着位置下移，速度不断减小，至搅拌器中心以下 18cm(X=0.7m)， 速度减为 0，随后速度为负，变为向上流动。向上回流的钢水与浸入式水口向下吐出的钢水流股相 冲突，一方面顶托了流股，使其浸入深度变浅；另一方面使流
12、股发散，向四周流动。这样能使轴向 温度迅速降低，而径向温度升高，使凝固面前沿的温度梯度增大，有利于传热。而边部和角部的流 动情况刚好相反，先向上流动，后向下流动，且速度方向的转变点出现在搅拌器中心附近。在相同 高度，角部的速度比边缘的速度更大。10XY0.1m/sFrame 001 11 Jul 2007 XY0.1m/sFrame 001 11 Jul 2007 （a） （b） 图 11 铸坯纵截面流场分布图 Fig.11 Computed velocity field on X-Y plane at Z=0: (a)without M-EMS;(b)with M-EMS0.00.20.40
13、.60.81.01.21.41.61.8-0.2-0.10.00.10.20.30.40.50.60.7Y=0.00,Z=0.00Y=0.21,Z=0.00Y=0.21,Z=0.16u ,m/sX , m图 12 轴向速度沿轴向的分布 Fig.12 Axial variation of the X-component of velocity for f=4Hz and I=400A 图 13 是铸坯内的三维流线图，以上分析横、纵截面上的流动特性在图 13 中得到集中体现。可 以看出从水口流出的钢液，在搅拌器区域得到充分的旋转，同时搅拌器下端的向上回流，延长了钢11液在结晶器内的停留时间，使铸坯
14、内的夹杂物和气泡向中心聚集并上浮，从而被熔融保护渣吸收， 使铸坯质量得到提高。XY ZFrame 001 11 Jul 2007 图 13 铸坯内三维流线图 Fig.13 Distribution of 3-D streamline in the bloom4 结论结论(1) 铸坯水平剖面上，电磁力呈周向分布，且切向电磁力与到中心距离成正比。铸坯边缘上切 向电磁力沿拉坯方向有两个峰值，一个在搅拌器中心，一个在结晶器出口处。 (2) 电磁力随着频率的增加，先增大后减小，在8Hz时出现最大值。 (3) 铸坯水平剖面上，钢液呈旋涡流动，且切向速度与到中心距离成正比（除铸坯边缘部分） 。 在铸坯纵截面
15、内，钢液流动呈现出四个旋涡。在低频范围内，切向速度随频率增大而增大。 (4) 铸坯内，从水口向下吐出的钢水与向上回流的钢水相冲突，使浸入深度变浅，同时使流股 向四周发散，从而有利于传热。参考文献参考文献1Chen Y. Iron steel vanadium titanium, 2003; 24(2): 29(陈永. 钢铁钒钛, 2003; 24(2): 29)2Spizer K H, Dubke M, Schwerdtfeger K. Metall Trans, 1986; 17B: 1193Natarajan T T, Ei-Kaddah N. ISIJ Int, 1998; 38: 68
16、04Huang J T, He J C. Journal of iron and steel research, 2001; 13(5): 19(黄军涛, 赫冀成. 钢铁研究学报, 2001; 13(5): 19)5Zhang Q, JIN J Z, Wang T M, LI T J, GUO Q T. The Chinese Journal of Nonferrous Metals, 2007; 17(1): 98(张琦, 金俊泽, 王同敏, 李廷举, 郭庆涛. 中国有色金属学报, 2007; 17(1): 98)126Zhou W, Han H Y, Jia B, Zhang Y, Ma Y L, He Y D. J Baotou inst Iron and Steel, 1999; 18: 139(周伟, 韩海鹰, 贾斌, 张胤, 麻永林, 贺友多. 包头钢铁学院学报, 19
