连铸结晶器电磁搅拌参数对磁场分布的影响
铜管坯水平连铸过程的电磁搅拌技术
摘
要 ： 究 了铜 管 坯 的 的水 平 电 磁 连 续 铸 造 技 术 ， 讨 了 电 流 的 输 入 方 式 对 搅 拌 器 内 的 磁 感 应 强 度 的 影 研 探
能 。 因此 ， 电磁 加 工 被认 为 是 ２ １世 纪在 冶 的技术 。
２ ０世 纪 ２ ０年代 开始 ， 电磁 场 产 生 的 电 能 用 于金 属 的溶解 ；０年 代 电磁 搅 拌 的概 念 被 提 出 ， 广 泛地 ３ 并
应 用 于 钢 坯 的 连 续 铸 造 中 ， 钢 坯 的质 量 大 幅 度 提 使
响 。结 果 表 明 ： 相 同外 形 尺 寸 时 ， 相 磁 场 较 三 相 磁 场 的 磁 感 应 强 度 有 较 大 幅 度 的 提 高 ； 铜 管 坯 水 平 连 在 两 在 铸 过 程 中施 加 三相 磁 场 ， 管 坯 粗 大 的柱 状 晶凝 固组 织 得 到 明 显 细 化 ， 除 了 穿 晶 现 象 ， 坯 凝 固 组 织 分 布 铜 消 管
发展 ， 铜 管 的 需 求 不 断 增 长 。同 时 ， 对 随着 装 备 向 节
能、 高效 和小 型 化 发 展 ， 铜 管 的 质 量 提 出 了越 来 越 对 高 的 要 求 ， 管 生 产 的 竞 争 从 量 扩 大 到 质 的 提 铜
升 Ｉ 。 因此 ， ３ 消除铜 管 缺 陷 、 高 质 量 、 低成 本 已 提 降
均 匀 ， 轴 晶 比率 大 于 ９ ％ ， 高 了 管坯 的 致 密 性 。 等 ０ 提
关键词 ： 平连续铸造 ； 管坯 ； 磁场 ； 水 铜 电 电磁 搅 拌
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.。
连铸电磁搅拌
连铸电磁搅拌1.引言连铸技术是金属冶炼和加工过程中的重要环节，其目的是将高温熔融的金属连续不断地浇注成所需形状的固体金属件。
在连铸过程中，为了提高铸坯的质量和产量，人们引入了多种冶金技术和工艺，其中连铸电磁搅拌是近年来发展起来的一项重要技术。
2.电磁搅拌技术原理电磁搅拌技术是一种利用磁场力对金属熔体进行非接触式、低能耗的强化搅拌技术。
在连铸过程中，通过在钢水注入结晶器的过程中施加一个适当的磁场，使钢水在磁场的作用下产生旋转或流动，从而实现钢水的均匀混合和传热。
这种技术的应用可以显著提高铸坯的内部质量和表面质量，减少铸坯的缺陷和裂纹，从而提高了产品的成品率和力学性能。
3.连铸电磁搅拌的应用连铸电磁搅拌技术在多种金属材料的连铸过程中得到了广泛应用，如钢铁、铜、铝等。
在钢铁行业，连铸电磁搅拌技术主要用于提高方坯、板坯和圆坯的质量和产量。
通过对方坯进行电磁搅拌，可以显著减少中心疏松和偏析，提高其力学性能；对板坯进行电磁搅拌，可以提高其表面质量和尺寸精度；对圆坯进行电磁搅拌，可以提高其内部质量和生产效率。
在铜、铝行业，连铸电磁搅拌技术也得到了广泛应用。
例如，对铜合金进行电磁搅拌可以显著提高其成分均匀性和力学性能；对铝合金进行电磁搅拌可以改善其组织结构和力学性能，从而提高其抗拉强度和延伸率。
4.经济效益与社会效益连铸电磁搅拌技术的应用可以带来显著的经济效益和社会效益。
首先，通过提高铸坯的质量和产量，可以减少产品的废品率和生产成本，提高企业的经济效益。
其次，连铸电磁搅拌技术的应用可以显著降低能耗和减少环境污染，从而提高了企业的环保水平和社会形象。
此外，连铸电磁搅拌技术的应用还可以提高生产效率和生产能力，从而为企业创造更多的商业机会和竞争优势。
5.结论连铸电磁搅拌技术是一种重要的冶金技术，其在提高铸坯质量和产量、降低能耗和环境污染等方面具有显著的优势。
随着技术的不断发展和完善，连铸电磁搅拌技术的应用范围和效果将不断扩大和提高。
电磁搅拌对特大方坯结晶器内流场及温度场影响
ut为湍流黏度系数，kg∙m−1·s−1；C1，C2，σk， σε为经验常数，采用Launder和Spalding的推荐值 ，取C1=1.44，C2=1.92，σk=1.0，σε=1.3；Sk、 Sε为考虑凝固时k方程和ε方程中添加的源项
3 电磁力的作用下，钢液的水平旋流能够抑制初生坯壳的生长，降低坯壳的生长速度，出结晶器坯壳厚
度减小约2。3mm。当电流大小从300A增加到500A，结晶器内凝固坯壳生长的变化并不大
4 (4)为达到最优的生产效果，建议生产时电磁搅拌的电流大小为400A，频率为1。5Hz
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3.2搅拌对结晶器流场及液面波动的影响
该厂实际生产时采用四孔浸入式水口，水口倾角向下15°，控制水口方向呈45°对 角，水口浸入深度为120mm，拉速为0.43m∙min−1.以下通过改变电磁搅拌的电流 大小和电流频率来研究结晶器内部流场和液面波动的变化情况，并找出合适的电 磁搅拌参数
计算结果与讨论分析
目录
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1 模型的建立 2 数学模型 3 计算结果与讨论分析 4 结论
电磁搅拌对特大方坯结晶器内流场及温度场影响
结晶器作为连铸机的"心脏",其流场直接影 响铸坯质量. 对于大方坯连铸机来说，目 前结晶器电磁搅拌作为其必选配置， 具有 改善结晶器内的流场、均匀钢液温度、改 善偏析和提高铸坯质量等作用. 而电磁搅 拌的作用机理必须与实际冶金机理相结合， 根据现场生产情况选择合适的电磁搅拌工
结晶器电磁搅拌对铸坯质量影响的研究
结晶器电磁搅拌对铸坯质量影响的研究张建新宋维兆(新疆八一钢铁集团有限公司)摘要：研究了电磁搅拌对中高碳钢铸坯组织和质量的影响，通过对搅拌强度的控制，改善了铸坯的表面质量，得到了良好的铸坯组织，减少了偏析、缩孔，提高了连铸坯质量．1前言电磁搅拌技术随着连铸技术发展和对连铸坯高质量的要求愈来愈来被广泛采用，电磁搅拌能有效的改善金属凝固组织，提高等轴晶率、减少缩孔级别、降低铸坯的偏析度等。
新疆八钢1999年建成一座70t直流电弧炉，主要生产的品种有：合金钢、中高碳钢、低合金结构钢和普钢，但以低合金结构钢和普钢为主。
为适应市场的需要及改变品种结构，2006年我们在小方坯连铸机上应用了结晶器电磁搅拌技术，该项技术的应用使铸坯质量得到了明显的改善。
2试验方案及方法2．1试验方案生产工艺流程为：70 t直流电炉一L F(70 t精炼炉)一CCM(R8合金钢连铸机)一轧钢。
实验钢种为55钢、65钢、60Si2Mn．方案为搅拌与不搅拌对比试验：对缩孔、碳偏析、皮下气孔及铸坯组织的影响。
连铸机主要参数见表l2．2试验方法 (1)在连铸机电磁搅拌结晶器上四流分别采用不同的频率、电流对钢水进行搅拌，在不同的温度、拉速下对铸坯截取试样。
(2)对截取的铸坯试样进行切割、车铣、磨光、酸洗。
作低倍检验研究电磁搅拌对缩孔、偏析和铸坯组织的影响。
(3)电磁搅拌对铸坯表面质量的影响。
取十块不同工艺参数150木150咖方厚10m的铸坯，将铸坯从边缘到中心分为4个区，即细晶区、柱状晶区等分两个区、中心区，用M5光谱分析仪在每个区做全分析，分析电磁搅拌对中高碳钢碳成分偏析影响。
3试验结果与分析3．1结晶器电磁搅拌对连铸坯缩孔的影响 3．1．1结晶器电磁搅拌参数对连铸坯缩孔的影响本次试验了取不同频率、电流参数下的铸坯100个，对不同的中间包过热度、拉速分别取样。
高级别的缩孔发生降低了，说明缩孔控制得到改善。
特别是高过热度下，铸坯缩孔改善明显。
电磁搅拌技术在炼钢连铸机中的应用技术
电磁搅拌技术在炼钢连铸机中的应用技术随着社会经济与科学技术不断的发展与完善，对连铸坯的质量提出了更高要求。
最近几年，建筑行业得到迅猛发展，人们越来越重视连铸坯的质量。
电磁搅拌技术在建筑领域中的应用进一步提高了连铸坯的质量，并且对于降低杂物质量和促进成分融合具有至关重要的作用。
磁场相互作用产生电磁力，对钢水起到搅拌作用。
是通过恒定磁场与运动的导电钢水相互作用，在钢水中产生感应电流，感应电流与磁场相互作用产生电磁力，此电磁力的方向恰好与钢水的运动方向相反，对钢水起制动作用，因此这种搅拌被称为电磁制动。
文章从多个角度就电磁搅拌技术在炼钢连铸机中的应用进行探究。
标签：电磁搅拌技术；连铸机；应用技术随着钢管连铸生产需求不断增加，我国对电磁搅拌连铸工艺的理论研究与实践研究不断加大，并且在各个领域中得到广泛应用。
超纯净钢的开发与应用对铸坯的质量与凝固组织提出了更严格的要求，电磁搅拌技术以其独特被广泛应用，对社会生产生活以及社会经济发展具有积极的促进作用。
1、电磁搅拌技术原理电磁搅拌的工作原理主要是依靠磁场，也就是说当电流变化时，线性感应电机的磁极和另一个极点会产生相同的电磁力，然后开始以恒定角速度切断熔金属，熔体内就会产生相应的感应电流。
当前我国对电磁搅拌技术的理论研究与实践研究还不够成熟，由于多方面因素限制在生产过程中还存在一些问题，并没有发挥出应有的效能。
从本质上来说，电磁搅拌技术就是使用电磁力迫使熔融金属产生平稳移动，减少外界因素对电磁场的影响。
同时使凝固过程熔熔金属的温度与浓度保持均匀，如果在凝固过程中受到其他因素影响或者操作失误等原因导致熔融金属浓度与温度都不符合相应要求，则就降低凝固过程的形核功和临界核半径。
只有保持熔融金属浓度与温度均匀化，才可以增加等轴晶的数量，最终实现晶粒细化的目的。
根据磁场的工作形式，电磁搅拌可以分为直线型与旋转型，结合生产实际情况与生产需求，使用不同的电磁搅拌形式，从根本上保证铸坯内外部分的质量，一般情况下，直线型电磁搅拌磁场方向与坯材表面的宽度保持水平，也就是说在铁芯的定子绕组上连接交流电，通过金属液产生感应电流与电磁转矩，进而提高铸坯质量。
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。
电磁场相位对小方坯连铸结晶器电磁搅拌的影响
・相关技术・电磁场相位对小方坯连铸结晶器电磁搅拌的影响李建超 王宝峰 董 方李贵阳 底更顺 翟永臻(内蒙古科技大学,包头014010) (宣化钢铁集团有限责任公司,宣化075103)摘 要 通过数值模拟对两相和三相结晶器电磁搅拌器作用下钢液内部的磁场和流场进行耦合数值分析,得出了不同相位电磁搅拌时,钢液内部磁感应强度、电磁体积力及搅拌速度的分布规律。
模拟结果表明:在相位差为90°的两相电磁搅拌器结晶器电磁搅拌时,钢液内部的磁感应强度、电磁体积力及钢液的搅拌速度要比相位差为120°三相电磁搅拌器的高。
计算结果与文献中实验结果及宣钢等厂的生产实践结果一致。
关键词 电磁场相位,结晶器电磁搅拌,小方坯连铸中图分类号 TF777.3 文献标识码 BEffect of electro magneti c f i eld pha se on M-E M S of b illet ca sti n gL I J ianchao,WANG Baofeng,DONG Fang(I nnerMongolia University of Science and Technol ogy,Baot ou014010)L I Guiyang,D I Gengshun,Z HA I Yongzhen(Xuanhua Ir on&Steel Gr oup Co.,L td.,Xuanhua075103)ABSTRACT Based on ANSYS s oft w are,a coup led analysis on magnetic field and fluid field of t w o and three phase M-E MS in a billet caster was carried out.The distributi on of magnetic flux density, magnetic volu me force and liquid steel stirring vel ocity with sa me current and frequency values were obtained and compared.Calculated results showed that t w o phase M-E MS with phase difference of90 degree has higher stirring magnetic flux density,magnetic v olume f orce and liquid steel stirring vel oci2 ty than the three phase M-E MS with phase difference of120degree.Calculated results agree well with the experi m ental data in operati on p ractice at Xuanhua Ir on&Steel Co.and the data fr om litera2 ture.KE Y WO R D S electr omagnetic field phase,M-E MS,billet casting1 前言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。
l连铸电磁搅拌器标准 -回复
l连铸电磁搅拌器标准-回复连铸电磁搅拌器是一种常用于铸造和冶炼过程中的设备，是利用电磁力和传热原理实现金属液体搅拌的装置。
它通过在铸造液中施加电磁场，改善铸造液的流动性和均匀性，提高铸坯质量。
本文将详细介绍连铸电磁搅拌器的标准规范，并分步回答相关问题。
一、连铸电磁搅拌器的基本原理连铸电磁搅拌器通过在连铸过程中施加电磁场，利用电磁力的作用改善铸造液的流动性和均匀性，使其凝固过程更加均匀，得到高质量的铸坯。
连铸电磁搅拌器的基本原理包括磁流体力学和传热原理。
在磁流体力学原理中，电磁搅拌器利用导线通过电流产生磁场，使得铸造液中的金属液体受到电磁力的作用，形成液流，并通过磁阻力和电磁涡流阻力的耗散作用使得液流层内不同位置的流速趋于一致，从而改善金属液体内部流动的均匀性。
传热原理中，连铸电磁搅拌器的作用是加快铸造液的传热速度，使得液体内温度分布均匀，从而避免热裂纹和内部偏析的产生。
搅拌的同时，连铸电磁搅拌器还能提高流体对坯壳内壁的冷却效果，有助于形成坯壳结构的均匀和致密。
二、连铸电磁搅拌器的标准规范（一）设备选型和安装1. 根据工艺要求和铸造工况，选择适用的型号和规格的连铸电磁搅拌器。
2. 确保设备的安装平稳、可靠，并配备必要的安全装置，确保操作人员的安全。
3. 设备应布置在便于操作和维护的位置，方便观察和调整搅拌效果。
（二）参数设定1. 根据铸造工艺要求和金属液体特性，设置连铸电磁搅拌器的搅拌参数，包括电流、频率和时间等。
2. 连铸电磁搅拌器的电源和调节装置应具备精确可调的功能，以满足不同工艺需要。
（三）操作和维护1. 连铸电磁搅拌器操作人员应熟悉设备的工作原理和操作要领，并按照操作规程进行操作。
2. 定期检查设备的电气线路和连接部分，确保无安全隐患。
3. 定期对搅拌器的工作性能进行测试和评估，保证其稳定可靠地运行。
4. 对设备进行定期保养，包括清洁、涂抹润滑剂和更换易损部件等。
三、连铸电磁搅拌器的优势和应用连铸电磁搅拌器具有以下几个优势：1. 提高铸坯质量：连铸电磁搅拌器能够改善铸造液的流动性和均匀性，减少气泡和夹杂物的形成，提高铸坯质量。
电磁搅拌技术在连铸中的应用
电磁搅拌技术在连铸中的应用近年来，连铸坯的质量越来越受到重视，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。
电磁搅拌技术是电磁流体力学在钢铁工业中最成功的应用之一。
通过定量认识电磁场在多层介质中的传递，控制连铸过程中钢水的流动、传热和凝固，进而降低钢水的过热度、去除夹杂从而扩大等轴晶区，减少成分偏析，减轻中心疏松和中心缩孔。
几十年来，国内外学者对电磁搅拌技术进行了大量的理论及实验研究，并应用于工业生产。
电磁搅拌技术已经成为连铸过程中改善铸坯质量的最重要和最有效的手段之一。
1国内外电磁搅拌技术的发展概况磁流体力学是电磁学，流体力学以及热力学相互交叉的学科，简称MHD(magnetohydrodynamics)，主要研究电磁场作用下，导电金属流体的运动规律。
在磁场里，导体的运动产生电动势，从而产生感应电流，导体本身也产生磁场。
液态金属作为载流导体，在外加磁场的作用下产生了电磁力，这种电磁力的作用促使载流液体流动，同时伴随着三种基本的物理现象——电磁热，电磁搅拌，电磁压力。
这三种现象在材料的冶炼、成形、凝固等工艺中已广泛应用。
连铸钢液电磁搅拌技术已经历几十年的试验研究和发展的过程。
早在上世纪50年代，就由在德国Schorndorf和Huckingen半工业连铸机上。
进行了首例连续铸钢电磁搅拌的试验。
60年代，在奥地利Kapfenberg厂的Boehler连铸机上用于浇铸合金钢。
60年代末一些工作者还进行了结晶器电磁搅拌和二冷区电磁搅拌的实验。
1973年法国的一家工厂率先在其连铸机上安装了电磁搅拌器并投入工业应用，从而奠定了连铸电磁搅拌技术工业应用的基础。
1977年，法国的Rotelec公司开发了小方坯和大方坯结晶器电磁搅拌器并以Magnetogyr-Process 注册商标，将其商品化。
1979年，法国钢研院又在德国Dunkirk厂板坯连铸机上采用了线性搅拌技术，取得良好效果。
进入80年代后，电磁搅拌技术发展更快，特别是日本，发展更为迅速。
电磁搅拌技术在连铸机上的应用及其对铸坯质量的影响
电磁搅拌技术在连铸机上的应用及其对铸坯质量的影响摘要：连铸电磁搅拌装置能有效地改善铸坯的内部组织结构，提升表面的质量，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，是生产高碳钢的必要设备，因而广泛应用于各种方坯连铸机上。
电磁搅拌能够实现无接触能量的转换，即不予钢水接触就可以将电磁能转换为钢水的动能和部门热能，并且可人为调节电磁流的方向及钢水搅拌方向，从而生产出符合不同钢种需求的板坯，对改善板坯质量有重要的作用。
鉴于此，本文对电磁搅拌技术在连铸机上的应用及其对铸坯质量的影响进行分析与探讨。
关键词：电磁搅拌技术；连铸机；二冷配水；铸坯质量1.电磁搅拌技术原理和分类电磁搅拌器相较于三相异步电动机工作原理相同，三相电源提供电力支持，在磁极中形成旋转磁场。
通过搅拌装置的钢液，磁场会产生电磁力矩作用在钢液上，围绕着注流断面轴心旋转运动。
电磁力方向是由磁场磁极变化方向所决定，任意两相电源界限交换，即可改变电磁力方向，结合搅拌工艺要求，灵活调整电磁搅拌方向。
通过控制钢液对流、传热和传质过程，促使钢液过热度均匀，打破树枝晶，促进钢液中的气泡和杂质上浮，加剧等轴晶形成。
通过此种方式，可以改善中心疏松、缩孔和中心偏析问题，切实提升铸坯内在质量和表面质量。
就电磁搅拌器类型来看，依据不同安装位置划分为三种：①二冷区电磁搅拌器，在连铸机的二冷段位置安装，有足辊下搅拌器。
②结晶器电磁搅拌器，在连铸机结晶器的位置上安装，跨于足辊和结晶器的搅拌器也属于此类范畴。
③凝固末端电磁搅拌器，在接近连铸机凝固末端区域安装。
④中间包加热用电磁搅拌器，此类电磁搅拌器在连铸机中应用，促使钢液温度始终保持在中间包液相温度的10~25℃范围内，在应用范围较广，无论是投资还是成本都远远小于等离子加热方式，二次冶金效果较为可观。
1.电磁搅拌工艺对于连铸工艺的影响电磁搅拌装置的应用，铸坯可以获得中心较宽的等轴晶带，对于改善中心偏析和中心疏松等问题效果显著。
连铸电磁搅拌的作用
连铸电磁搅拌是一种应用于连铸过程中的一种技术，它通过在铸模中加入电磁感应线圈，利用电磁场对流体金属进行搅拌和剪切，从而改善了铸坯的组织和性能。
连铸电磁搅拌的主要作用有以下几个方面：
1. 改善铸坯均匀性：在非均匀冷却和凝固条件下，熔体中的包含气泡、夹杂物和浮渣等杂质会聚集在坯内部的某些位置，导致铸坯不均匀。
电磁搅拌可以有效地打破熔体表面张力，促进熔体的混合和扩散，使得坯内的气泡、夹杂物和浮渣分布更均匀，从而改善铸坯的质量。
2. 促进晶粒细化：在铸造过程中，熔体的流动状态对晶粒的形成和生长具有重要影响。
电磁搅拌可以产生流体的强剪切力和涡流，使得熔体进行快速混合，从而促进晶粒的细化和均匀分布。
3. 改善铸坯中的偏析：熔体在凝固过程中往往存在着组分偏离的现象，这导致铸坯中某些部位组成不均匀。
电磁搅拌可以加快熔体的混合速度，减少组分的偏析，改善铸坯的组织和均匀性。
4. 提高产品质量：连铸电磁搅拌技术可以改善铸坯的组织和性能，使得产品的质量得到提高。
同时，它还可以降低生产成本，提高生产效率，是一种非常有价值的先进铸造技术。
结晶器电磁搅拌数值模拟及应用研究
重庆大学硕士学位论文重钢方坯连铸结晶器电磁搅拌数值模拟及应用研究姓名：周亮申请学位级别：硕士专业：冶金工程指导教师：唐萍20070420２重钢方坯连铸结晶器内电磁搅拌磁场测试与分析２重钢方坯连铸结晶器内电磁搅拌磁场测试与分析２．１磁感应强度测试实验的目的和意义由于电磁搅拌装置结构形状复杂，其定量规律研究还不完善。
为了优化电磁搅拌工艺参数，为电磁搅拌数值模拟计算提供磁感应强度的相关数据，并分析电磁搅拌对连铸坯质量的影响，对结晶器电磁搅拌磁场进行了现场测试与分析。
本实验对结晶器电磁搅拌１５０ｍｍｘｌ５０ｍｍ与１５０ｍｍｘ２１０ｍｍ方坯的磁场进行了在线测试，测试结果对于研究结晶器电磁搅拌装置的磁场分布、电磁搅拌力、钢液的旋转、流动和搅拌工艺制定都具有指导意义［１６－１９］。
２．２测试实验方案本次实验针对不同断面的结晶期铜套中心轴线及铜套内壁面中心线的磁感应强度值进行测量。
测试采用的主要仪器是ＫａｎｅｔｅｃＴＭ．６０１高斯计，如图２．１所示。
其工作原理是利用霍尔效应将磁场转换为电动势。
本次实验还自制了带刻度的探头定位杆。
结晶器与搅拌器主要参数见表２．１。
搅拌器安装位置如图２．２所示（单位，ｍｍ）。
测点位置如表２．２所示。
其中测点距结晶器顶端垂直距离为Ｈ，单位为ｍ。
图２．１ＫａｎｅｔｅｃＴｌＶｌ．６０１高斯计Ｆｉｇ．２．１ＫａｎｅｔｅｃＴＭ－６０１ｇａｕｓｓａｐｐａｒａｔｕｓ。
—＼撇囊Ｎ《＼ｌＭＭ｜则恻｛图２．２重钢方坯连铸机电磁搅拌装置示意图Ｆｉｇ．２．２Ｓｃｈｅｍａｔｉｃｏｆｅｌ咄ｏｍａｇｎｅｔｉｃｓｔｉｒｒｉｎｇｄｏｖｉｃｅｆｏｒｂｉｌｌｅｔｓＣａｓｔｅｒａｔＣｈｏｎｇｓｔｅｅｌ３电磁搅拌下结晶器内流体流动的数值模拟３电磁搅拌下结晶器内流体流动的数值模拟３．１连铸结晶器内电磁搅拌过程的理论解析电磁搅拌是改善铸坯内部组织和表面质量的一种重要的方法，也是连铸高拉速的一种重要保证。
其原理就是在连铸结晶器内安装一套电磁感应线圈。
电磁搅拌参数对电磁扭矩的影响
ｆ ｒ ｅ ｑ ｕｅ ｎ ｃ ｙ ｏ ｆ ｃｏ ｎｔ ｉ ｎｕ ｏ ｕｓ ｃ ａ ｓ ｔ ｉ ｎ ｇ ａ ｐｐ ａ ｒ ａ ｔ ｕ ｓ ｈ ａ ｖ ｅ ｂ ｅ ｅ ｎ ｓ ｔ ｕ ｄ ｉ ｅ ｄ ． Ｔｈｅ ｒ ｅ ｓ ｕ ｌ ｔ ｓ ｈ ｏ ｗｅ ｄ ｔ ｈａ ｔ ｔ ｏ ｒ ｑ ｕｅ ｓ ｏ ｆ ｂ ｏ ｔ ｈ ｍｏ ｕ ｌ ｄ ｅ ｌ ｅ ｃ ｔ ｒ ｏ ｍａ ｇ —
Ｋｅ ｙ ｗｏｒ ｄｓ ： ｅ ｌ ｅ ｃ ｔ ｒ ｏ ｍａ ｇ ｎ ｅ ｔ ｉ ｃ ｓ ｔ ｉ ｒ ｒ ｉ ｎｇ；ｔ ｏ ｒ ｑｕ ｅ；ｃ ｕ ｒ ｒ ｅ ｎ ｔ ；ｆ ｒ ｅ ｑｕ ｅ ｎ ｃ ｙ
电磁 搅拌 技术 在铸 坯液相 穴 内钢水 中所 产生
表１ 电磁 搅 拌 主 要 性 能 参 数
《 中国重 型装备》
Ｃ ＨＩ Ｎ Ａ Ｈ Ｅ Ａ Ｖ Ｙ Ｅ Ｑ Ｕ Ｉ Ｐ Ｍ Ｅ Ｎ Ｔ
Ｎｏ ． ４ Ｄｅ ｃ ｅ ｍｂ ｅ ｒ ２ ０１ ４
电磁搅拌参数对 电磁扭矩的影响
郭 鑫。 马忠存 岳 峰 吴 华杰 熊 洪进
（ １ ． 北满特殊钢有限责任公司技术 中心 ， 黑龙 江 １ ６ １ ０ ４ １ ； ２ ． 北京科技大学冶金工程研究 院， 北京 １ ０ ０ ０ ８ ３ ） 摘要 ： 研究 了某 圆坯连铸机结晶器 、 末端 电磁搅拌 的电磁扭 矩与 电流 、 频 率的关 系。结果表 明 ： 结 晶器 、 末
350mm大方坯连铸结晶器电磁搅拌电磁场与流场耦合数值模拟
350mm大方坯连铸结晶器电磁搅拌电磁场与流场耦合数值模拟易军;邢淑清;王军;李美玲;麻永林【摘要】采用三维有限元技术研究350 mm×350 mm大方坯连铸结晶器电磁搅拌过程电磁场、电磁力和流场的变化规律.在固定电流强度、搅拌器尺寸等参数情况下,研究搅拌频率对铸坯内部磁感应强度、电磁力及钢液流动速度的影响.研究表明:搅拌频率为2,6和8 Hz时,磁感应强度在6 Hz时出现最大磁感应强度,电磁力也出现峰值,钢液流动速度最大,说明350 mm方坯搅拌在2 Hz到8 Hz有一个最优值.从电磁力的分布看,搅拌器的下端出现向上的电磁力,有利于减小钢液的冲击深度.【期刊名称】《内蒙古科技大学学报》【年(卷),期】2013(032)002【总页数】7页(P162-168)【关键词】方坯连铸;电磁搅拌;耦合;数值模拟【作者】易军;邢淑清;王军;李美玲;麻永林【作者单位】内蒙古科技大学材料与冶金学院,内蒙古包头014010;内蒙古科技大学材料与冶金学院,内蒙古包头014010;内蒙古科技大学材料与冶金学院,内蒙古包头014010;内蒙古大学物理科学与技术学院,内蒙古呼和浩特010020;内蒙古科技大学材料与冶金学院,内蒙古包头014010【正文语种】中文【中图分类】TM153;O242近年来，连铸技术的迅速发展已得到国内外学者的一致肯定.在连铸生产过程中，铸坯质量已成为衡量其性能的重要依据，为了获得性能更好的铸坯，必须克服其内部如夹杂物、中心偏析等缺陷的影响［1，2］，而电磁搅拌技术的引入有效提高了铸坯的等轴晶率，更好的抑制了柱状晶的生长，去除夹杂物，减少中心偏析［3，4］.由于现场环境的特殊性，采用数值模拟方法模拟现场工艺成为研究铸坯内部变化的重要手段.多数学者单纯研究铸坯内部电磁场环境下参量变化，而与流场耦合计算很少.特别是对于大方坯电磁场的分析，由于其尺寸变化，与小方坯等小尺度电磁作用下的磁场变化行为、流场特性等有了新的特点.所以，利用ANSYS软件对350 mm×350 mm大方坯电磁场-流场耦合计算的数值模拟，在电磁场环境下获得电磁力，进而作为流场环境下的动量源，为实际生产提供参考数据［5］.铸坯断面尺寸350 mm×350 mm，搅拌器长度625 mm，铜管厚度25 mm，线圈匝数100，电流强度150 A，钢液密度7 400 kg· m－3，钢液粘度0.006 kg·m－1·s－1.计算模型见图 1.（1）钢液为不可压缩粘性液体;（2）不考虑钢液的流动对磁场的影响;（3）各物理参数为定值，不随时间而变化;（4）钢液在结晶器形成的薄坯壳对流场没有影响.电磁场的控制方程满足麦克斯韦方程组及欧姆定律.式中:B为磁感应强度，T;E为电场强度，V·m－1;H为磁场强度，A·m－1;J为感应电流密度，A·m－2;U为钢液运动速度，m·s－1;σ为电导率，S·m－1;μ为磁导率，H·m－1.在电磁场与流场耦合计算时，采用瞬态电磁力作为电磁搅拌力.在两对绕组线圈上加载交流电，相邻两相之间电流相位差为90°，相对的两个线圈上加载同相位的电流密度.包围电磁搅拌器空气外表面的节点磁力线与外表面平行. 式中，ρ为钢液密度，kg·m－3;ui（j）为xi（j）方向上的速度分量，m·s－1;xi （j）为不同坐标方向，m;P为压力，Pa;μi为动力粘度系数，kg/（m·s）;μt为湍流粘度系数，kg/（m·s）;Fi为xi方向上的电磁力，N·m－3.K-ε紊流双方程:式中，K为紊流脉动动能，m2·s－2;ε为紊流脉动动能的耗散率，m2·s－3.（1）垂直自由液面的速度为零，其他物理量沿法线方向梯度为零;（2）由质量流动边界条件以保证出入钢液质量守恒;（3）用壁面函数法处理为无滑移壁面.图2是同一时刻不同搅拌频率下磁感应强度在铸坯中心截面的分布规律.从图2中看出，不同搅拌频率下磁感应强度的整体分布规律是相同的，只是数值大小不同.从图中可以得知，在一个周期内各时刻磁感应强度是沿铸坯表面做周向旋转变化，且铸坯角部出现最大值，顺着铸坯边部向中心方向观察，磁感应强度呈逐步减小.从2 Hz变化到8 Hz，中心的磁感应强度从0.129 T变化到0.091 T，边部中心则从0.251 T 变化到0.176 T，都是减小的趋势，在角部，变化较小.说明了铜管厚度，特别是铸坯坯壳和金属液体的作用导致了边部中心和铸坯中心的变化.图3为同一时刻，不同搅拌频率下磁感应强度大小的具体数值.从图3可知，在铸坯中心处和边部中心处，磁感应强度是随搅拌频率的增大而减小，这是因为结晶器外层为铜板，而铜板对钢液中的磁场具有一定的屏蔽效果，这样通过结晶器到达钢液内部的磁通量密度就会减小.加之由于铜板的导电性好，当磁场穿过结晶器时会产生一个由涡流形成的磁场与原磁场方向相反，搅拌频率越大，这种阻止原磁场穿透的效果越明显，即这种屏蔽的效果也会更明显.从图4看出，在一个周期内各时刻电磁力同样是沿铸坯表面做周向旋转变化，且与磁感应旋转方向相同，电磁力在整个截面上分布不均匀，边角处电磁力较大，分布较密，而趋于中心，电磁力越来越小，分布越稀疏.从图5可知，搅拌频率为6 Hz时所对应的铸坯中心位置和铸坯边角处电磁力比频率为2 Hz和8 Hz所对应相同位置的电磁力数值要大，很明显，整个过程，电磁力随频率的变化规律是先增大后减小，在频率达到6 Hz时，出现一个峰值，频率从2 Hz到6 Hz变化时，对应电磁力变化特别明显，这是因为频率较低时，根据公式f=J×B，其中，f表示电磁力，J表示感应电流，B为磁感应强度.所以铸坯内部产生的感应电流较小，不利于提高铸坯内部钢液的电磁力.而频率由6 Hz到8 Hz变化时，对应的电磁力略微减小，这是由于频率较高时，结晶器的铜板具有良好的导电性，使得穿过结晶器铜板的磁耗增大，磁感应强度减小，相对应的电磁力也有所减小.从图6（b），（e）看出，铸坯左右两侧形成了两个半圆形方向朝上电磁力分布，而其余部分则形成电磁力向上数值相对较小的“哑铃”式分布，电磁力向上分布有利于减小钢液的冲击深度.在图6（a），（d），（c），（f）中，电磁力总体表现为沿切向方向，并且呈现出由铸坯所在最大值处向上下两端减小的趋势.电磁力数值最大的地方基本位于铸坯中心偏上，这个位置刚好为搅拌器中心位置，这个结果与文献［4］中提到的搅拌器中心电磁力最大的结论相吻合.不同时刻对应铸坯两侧的电磁力方向都是水平的，而且方向是相反的，这一点也应证了前面提到的电磁力是沿铸坯表面周向旋转变化.从图7看出，同一时刻不同位置速度矢量整体分布情况一致，搅拌速度从铸坯边部到中心有逐渐减小的过程，速度矢量都有一个绕周向旋转的趋势.从搅拌器中心到结晶器出口，再到其下30 mm处，铸坯中心流速从1.419 m/s变化到1.51m/s，又变化到0.843 m/s，边部最大流速由2.839 m/s变化到3.021 m/s，再变化到2.53 m/s.显然在结晶器出口处，流动速度最大，这是因为在结晶器出口处没有铜板屏蔽磁场的作用，可以获得更大的电磁力.而在搅拌器下端，虽然没有铜板的屏蔽作用，但由于搅拌区域缩小，不易获得较大的电磁力，因而流动速度不是很大.图8（a），（b）是在电磁力驱动下铸坯内部第1个周期各点的搅拌速度的变化规律.图8（a）是沿拉坯方向截取铸坯左右两侧的速度变化规律，可以看出，右侧基本呈现出速度随时间延长而减小，在25 s以后钢液流动趋于稳定，而左侧区域，速度值在10 s与15 s之间出现一次波动，而后也是在25 s后开始稳定流动.图8（b）是沿拉坯方向截取铸坯中心截面的速度变化规律，速度值由5 s到10 s有一变化，10 s后流动平稳.结合两图可以看出，在同一时刻，左右两侧速度值大于中心区域对应值，这是因为边部所对应的电磁力较中心位置更大，所以产生驱动钢液流动的力就更大.而在两图中三个不同位置，都有一个开始速度减小，随后钢液稳定流动的过程.图8（c）是在电磁力驱动下铸坯内部第20个周期三个不同位置各点搅拌速度的变化情况.较图8（a），（b），速度值在一个周期内变化很小，说明第20个周期钢液流动已完全达到稳定.图9（a），（b）反映了在整个循环的20个周期，对应点沿拉坯方向截取了铸坯左侧、中心及右侧的截面，从图9可知，三个不同截面速度分布规律相同，在第1周期与第2周期之间，速度变化有减小，第2周期以后，边部速度值在0.980 73 m/s与0.980 82m/s之间变化，中心速度值在0.886 45 m/s与0.886 47 m/s之间变化，速度值变化非常小，钢液很快达到稳态流动，说明钢液在20个周期内的流动达到稳定，这也应证了前面提出的结论.图10（a），（b），（c）表示不同频率沿拉坯方向铸坯左侧的速度分布.从图中看出，对应的速度分布情况相同，都是对应的边部速度较大，且速度方向垂直向上.这是因为钢液在水平电磁力驱动下周向转动，在流动的过程中有部分钢液与结晶器内壁接触，使得水平方向上受到一个阻力，速度减小.但因惯性作用，钢液继续流动，迫使钢液向上运动，而靠近中心位置，速度呈水平方向运动，且保持稳定.图10（d），（e），（f）表示不同频率下沿拉坯方向铸坯中心截面的速度分布.整体速度分布相同，都形成了两个较明显的“漩涡”.而图10（g），（h），（i）表示不同频率下沿拉坯方向铸坯右侧的速度分布.从图中看出，f=6 Hz和8 Hz所对应的速度分布图较f=2 Hz时，形成了一个很明显的“漩涡”，在此速度下，钢液流动较充分.图11（a），（b）反映不同搅拌频率下沿拉坯方向不同位置搅拌速度的变化规律.从图中可知，不论在铸坯的哪个位置，f=6 Hz时所对应的搅拌速度最大，由于结晶器电磁搅拌效果是根据搅拌速度来确定的，在一定范围内，搅拌速度越大，钢液的流动就越充分，效果就越好.所以，对于350 mm×350 mm大方坯而言，搅拌效果在搅拌频率f=6 Hz时为最优.（1）随着搅拌频率的增大，铸坯内部的磁感应强度减小，但搅拌频率为6 Hz时铸坯内部最大磁感应强度数值要大于搅拌频率为2 Hz和8 Hz;（2）电磁力总体表现为沿切向方向，搅拌频率从2 Hz到8 Hz变化时，对应电磁力是先增大后减小，在搅拌频率为6 Hz时出现一峰值.对应的钢液流动越充分，效果越好;（3）对于350 mm大方坯，搅拌速度值开始时减小，25 s后，钢液流动逐渐稳定.【相关文献】［1］陈永，朱苗勇，蔡可森，等.280 mm×380 mm方坯连铸结晶器电磁搅拌数值模拟［J］.钢铁钒钛，2008，29（2）:43-49.［2］陈荣，沈厚发.板坯结晶器电磁搅拌电磁场与流场的数值模拟［J］.连铸，2010，（3）:1-5. ［3］李建超，吉利宏，王宝峰.方坯连铸结晶器电磁搅拌磁场与流场数值模拟［J］.铸造技术，2010，31（11）:1468-1472.［4］任兵芝，朱苗勇，王宏丹，等.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［J］.金属学报，2008，44（4）:507-512.［5］张静，王恩刚，邓安元，等.大方坯结晶器电磁搅拌磁场流场耦合数值模拟［J］.铸造，2011，60（5）:469-472.。
重钢方坯连铸结晶器电磁搅拌数值模拟及应用研究的开题报告
重钢方坯连铸结晶器电磁搅拌数值模拟及应用研究的开题报告一、选题背景及研究意义随着钢铁制造工艺的不断更新与发展，连铸技术已经成为制造优质钢铁的重要手段之一。
在连铸过程中，结晶器起着至关重要的作用，它直接关系到钢坯的质量及产品性能。
因此，如何优化连铸结晶器的工艺参数，提高结晶器温度场的均匀性和结晶器内流场的稳定性，是当今钢铁行业需要解决的重要问题。
电磁搅拌技术是一种通过施加电磁力对流体进行搅拌的方法，可以显著改善熔体流动状态，使其温度分布均匀，同时消除流动中产生的气泡、夹杂物等缺陷，提高钢坯的质量。
因此，在连铸结晶器中应用电磁搅拌技术，可以有效改进结晶器内流场的稳定性与均匀性。
本研究拟采用数值模拟方法，研究重钢方坯连铸结晶器电磁搅拌技术在结晶器内流场变化中的作用，分析电磁搅拌参数对结晶器温度分布的影响，探讨电磁搅拌技术在提高钢坯质量、优化结晶器工艺参数方面的应用前景。
二、研究内容1.建立重钢方坯连铸结晶器电磁搅拌数值模型2.对比分析结晶器内流场变化及温度分布的差异3.优化结晶器电磁搅拌工艺参数4.探究电磁搅拌技术在提高连铸钢坯质量中的应用三、研究方法和技术路线本研究采用数值模拟方法，建立重钢方坯连铸结晶器电磁搅拌数值模型；利用Fluent软件对结晶器内流场变化和温度分布进行数值模拟，并对不同电磁搅拌参数下的结晶器内流场和温度场进行对比分析；通过优化结晶器电磁搅拌工艺参数，提高连铸钢坯的质量，增加产量。
同时，通过理论分析，探究电磁搅拌技术在钢铁制造过程中的应用前景。
四、预期成果1.建立重钢方坯连铸结晶器电磁搅拌数值模型2.分析电磁搅拌参数对结晶器内温度分布和流场的影响3.探讨电磁搅拌技术在提高连铸钢坯质量的应用前景4.撰写1篇学术论文，撰写1份实验报告五、研究进度安排第1-2周：文献调研及相关技术知识学习第3-4周：建立数值模型、进行参数选择与网格划分第5-6周：对结晶器内流场和温度场进行数值模拟，并进行数据分析第7-8周：对比分析不同电磁搅拌参数下的结晶器内温度分布和流场的差异第9-10周：优化电磁搅拌工艺参数，并进行实验验证第11-12周：分析实验结果并进行讨论第13周：完成实验报告第14-15周：撰写学术论文六、预计存在的问题及解决方法可能存在的问题：数值模拟的结果与实验结果存在差异。
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收稿日期:2010-04-13基金项目:国家自然科学基金资助项目(50834009)作者简介:张 静(1982-),女,辽宁葫芦岛人,东北大学博士研究生;王恩刚(1962-),男,辽宁沈阳人,东北大学教授,博士生导师;赫冀成(1943-),男,辽宁瓦房店人,东北大学教授,博士生导师第31卷第10期2010年10月东北大学学报(自然科学版)Journal of Northeastern U niversity(Natural Science)Vo l.31,No.10O c t. 2010连铸结晶器电磁搅拌参数对磁场分布的影响张 静,王恩刚,邓安元,赫冀成(东北大学材料电磁过程教育部重点实验室,辽宁沈阳 110004)摘 要:结合连铸过程的实际情况,采用现场实测与数值模拟的方法,研究了连铸 250mm 圆坯结晶器电磁搅拌电流和频率对磁感应强度和电磁力分布的影响 研究结果表明,数值模拟计算值与现场实测数据基本一致;当电流相同时,随着频率的增加,磁感应强度减小;沿着结晶器方向,电磁力随着频率的增加而增加,且随着频率的增加,最大电磁力增加量减小,但在搅拌器中心对应的径向上,随着频率的增加,电磁力减小;当频率相同时,随着电流强度的增加,钢液内的磁感应强度和电磁力都增加 结合数值模拟的具体结果,电磁搅拌电流和频率为480A ,3Hz 时,能起到良好的搅拌效果 关 键 词:磁场;电磁搅拌;磁感应强度;电磁力;数值模拟中图分类号:T F 777 文献标志码:A 文章编号:1005 3026(2010)10 1432 05Effects of Mold EMS Parameters on Distributions of Magnetic Induction and Electromagnetic Force During Continuous CastingZ H AN G Jing ,WANG En gang,DEN G A n yuan,H E Ji cheng(K ey L aboratory of National Education M inistry for Electr omag netic P rocessing of M ater ials,N ortheastern U niversity,Shenyang 110004,China.Correspondent:ZHA NG Jing,E mail:jing510@)Abstract :A numerical simulation in combination w ith in situ measurement w as conducted according to the actual continuous casting process for the M EMS(mold electrom agnetic stirring )behavior of 250mm bloom.The effects of EMS current and frequency on the distributions of magnetic induction and electrom agnetic force w ere then investig ated.T he results showed that the simulated results conform basically w ith the measured data.With the current kept constant and frequency increased,the mag netic induction decreases,and along the centerline in mold,the electrom agnetic force increases w ith frequency though its increment decreases gradually.But,along the radius of electromagnetic stirrer the electromag netic force decreases w ith increasing frequency and w ith the frequency kept constant and current intensity increased,the magnetic induction and electromagnetic force both increase in molten steel.Considering the results of numerical simulation as a whole,the optimal EM S parameters should be as follows:stirring current=480A w ith a frequency=3Hz.Key words:magnetic field;electrom agnetic stirring;mag netic induction;electromagnetic force;numerical simulation电磁搅拌技术作为提高铸钢质量的有效手段之一已经广泛应用在连铸过程中[1-3] 电磁搅拌的作用机理是通过对钢水的搅动,一方面柱状晶被打断,再与钢水混在一起,作为等轴晶的核心;另一方面增加钢液流动,提高凝固相间的热传递,降低过热度,减少凝固前沿的温度梯度,抑制柱状晶的定向增大,从而促进等轴晶的生成 因此在连铸过程中普遍采用结晶器电磁搅拌,来改善铸坯的质量[5-7]本文从连铸过程的实际情况出发,采用现场实测与数值模拟的方法,研究了连铸 250m m 圆坯结晶器电磁搅拌电流和频率对钢液磁感应强度和电磁力分布的影响,找出了合适的工艺参数,为后续的流动及凝固提供可参考的依据1 数学模型1.1 模型假设钢水是不可压缩的导电流体;钢水密度、运动黏性系数、电磁率和电导率等物性参数为标量常数;连铸电磁搅拌电流频率为低频,忽略位移电流;钢水与坯壳磁导率均取为真空磁导率 1.2 基本参数电磁搅拌器安装在结晶器外部,搅拌器线圈由铁芯和铜线绕组而成,具体参数为:结晶器长度850mm,铜板厚度30mm ,搅拌器高度570mm,搅拌器距结晶器顶端距离350mm相关物性参数为:铁芯相对磁导率3000,铜板和钢液的电阻率分别为1 7 10-8和1 4 10-6 m,钢液的密度和黏度分别为6850kg/m 3和0 0053kg/(m s)1.3 控制方程麦克斯韦方程组包括以下几个方面:法拉第电磁感应定律: E =- Bt,安培环路定律: H =J ,高斯定律: B =0,本构方程:B =!H ,欧姆定律:J =∀(E +u B) 1.4 边界条件与初始条件1)初始条件:采用三相低频电源,各相电流的相位差为120!,相对应的两个线圈施加相同的电流,具体见式(1),采用谐波分析,计算t =0时刻磁场的分布I a =I 0N [sin (#t )+icos (#t)],I b =I 0N [sin (#t -2∃/3)+icos (#t -2∃/3)],I c =I 0N [sin (#t +2∃/3)+icos (#t +2∃/3)](1)2)边界条件:施加磁力线平行条件,垂直条件自然发生,不用施加2 结果与分析2.1 模拟计算结果与实测值的对比为了验证数值模拟的正确性,采用美国Lake Shore 数字信号处理模式特斯拉计475对 250mm 结晶器电磁搅拌空载情况的磁场进行了在线测试,并与数值模拟结果进行对比 电流为480A,频率为3H z 时沿结晶器高度方向以及搅拌器径向上的磁感应强度分布的对比如图1所示 数值模拟结果与实测结果基本上是一致的,存在的误差是由于现场实测的干扰和人为因素,以及数值模拟过程中的假设所造成的 这说明数值模拟具有可信性图1 现场实测值与数值模拟结果的对比Fig.1 Comparison between magnetic inducti on simulated and m eas ured(a)∀沿结晶器中心线;(b)∀搅拌器径向电流为480A,频率为3Hz 时,结晶器中心线上不同方向的磁感应强度与电磁力的分布如图2所示,其中z 方向为拉速方向 由图2可知,磁感应强度主要分布在x 和y 方向,z 方向很小,而电磁力主要分布在z 方向,x 和y 方向很小 磁感应强度的最大值与电磁力的最大值是相对应的,位于搅拌器中下部,并未在搅拌器中心位置(距结晶器顶端730mm)处 磁感应强度的最大值约为0 052T,电磁力的最大值约为1 125kN/m 3由图2a 可见,磁感应强度的分布沿高度方向出现两个峰值,这是由于结晶器铜板的屏蔽作用造成的 钢液在出结晶器后由于铜管的屏蔽作用消失,钢液磁感应强度再一次出现峰值 因此,需要考虑结晶器对钢液磁感应强度和电磁力的影响1433第10期 张 静等:连铸结晶器电磁搅拌参数对磁场分布的影响图2 沿结晶器中心线不同方向的磁感应强度和电磁力分布Fig.2 Distributions of magnetic i nduction and electromagnetic force along centerli ne of mold2.2 电流对磁感应强度和电磁力分布的影响由图3a 可知,随着电流的增加,磁感应强度也相应地增加 由图3b 可知,电磁力随着电流的增加而增加,电磁力的最大值位于搅拌器中心下部,出现在距结晶器顶端约850mm 处,并未出现在搅拌器的中心位置 电流每增加50A,磁感应强度最大值增加约0 005T ,电磁力最大值增加约300N/m 3 虽然电流的增加会增大电磁力,但是电流过大会导致搅拌器寿命的降低,而且,过强的搅拌会使铸坯出现负偏析 当电磁力大于1kN/m 3效果比较显著[8] 因此,结晶器电磁搅拌电流为480A 时即能达到良好的搅拌效果由图4a 可见,随着电流的增加,磁感应强度也相应地增加,但变化较平缓;磁感应强度由铸坯边缘向中心逐渐减小 由图4b 可见,电磁力随着电流的增加而增加,且与径向距离成正比,变化较快 电磁力由铸坯边缘向中心逐渐减小,电磁力最大值由400A 时的4 2kN/m 3增加到600A 时的9 5kN/m 3 电磁力增加了4倍多,这验证了电磁力与电流的平方成正比图3 不同电流下沿结晶器方向铸坯中心线磁感应强度和电磁力的分布Fi g.3 Distri butions of magnetic induction and electrom agneti c force along centerline of bl oomin mold at different current图4 不同电流下搅拌器径向上磁感应强度和电磁力的分布F i g.4 Distri butions of magnetic induction and electr omagnetic force along sti rrer radius at different current1434东北大学学报(自然科学版) 第31卷2.3 频率对磁感应强度和电磁力分布的影响由图5可见,随着电流频率的增加,沿结晶器方向铸坯中心线的磁感应强度减小,而电磁力却随着频率的增加而增加 这是因为随着频率的增加,结晶器铜管的屏蔽作用增强,使得磁感应强度减小 而电磁力近似与电流的平方和频率成正比[8],所以随着频率的增加电磁力也增大 但是频率对电磁力的影响却随着频率的增加而逐渐减小 频率从1Hz 增加到2Hz 时最大电磁力增加约450N/m 3 频率从2Hz 增加到3Hz 时最大电磁力增加约200N/m 3 频率从3H z 增加到4H z 时最大电磁力增加约100N/m 3 在4,5和6Hz 时增大频率对电磁力影响很小,因此在结晶器电磁搅拌过程中存在一个最佳的频率 结合数值模拟结果,频率为3H z 比较合适由图6可知,随着电流频率的增加,沿铸坯径向的磁感应强度和电磁力都相应的减小 与图4相类似,磁感应强度和电磁力由铸坯边缘向中心逐渐减小 但是电磁力的变化幅度要明显大于磁感应强度 对于中高碳钢,当铸坯中心磁感应强度达到0 045~0 006T 时,搅拌效果比较显著[9] 从图6a 可知,当电流为480A,频率为3H z,即能达到这个标准图5 不同频率下沿结晶器方向铸坯中心线磁感应强度和电磁力的分布F i g.5 Distri butions of magnetic i nduction and electr omagnetic force at differentfrequencies图6 不同频率下搅拌器对应铸坯径向中心线磁感应强度和电磁力的分布Fig.6 D i stributi ons of magnetic inducti on and electrom agnetic force along bl oom radius at di fferent frequenci es3 结 论1)沿着结晶器方向,磁感应强度主要分布在水平方向,拉速方向很小 电磁力主要分布在拉速方向,水平方向很小2)钢液内磁感应强度随频率的增大而减小,随着电流的增加而增加 钢液边缘的磁感应强度和电磁力大于中心部位的磁感应强度和电磁力3)钢液内电磁力沿结晶器方向随着电流和频率的增大而增大,而沿着搅拌器中心对应的铸坯径向,随着电流的增大而增大,随着频率的增加反而减小 钢液边缘的电磁力明显大于中心部位的电磁力4)连铸(断面 250mm)的电磁搅拌电流为480A,频率为3Hz 时,能起到良好的搅拌效果 参考文献:[1]李建超,崔建忠,王宝峰,等 大方坯连铸跨结晶器电磁搅拌的数值模拟[J ] 东北大学学报:自然科学版,2006,27(5):497-500 (Li Jian chao,Cui Jian zhong,Wang Bao feng,et al .Numerical simul ation of M EM S for bloom conti nuous casting [J ].Jou rnal of Nor theastern Univ ersity :Natural S cience ,1435第10期 张 静等:连铸结晶器电磁搅拌参数对磁场分布的影响2006,27(5):497-500.)[2]Partinen J,Saluja N,Szekely J,et al.Experimental andcom putational i n vestigation of rotary EM S in w oods metal system[J].I SIJ International,1994,34(9):707-714. 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