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分析结晶器电磁搅拌对连铸坯质量的影响摘要：连铸坯是炼钢炉炼成的钢水经过连铸机铸造后所得的产品。
其应用领域十分广泛，国内外在机械工程设备方面都在使用连铸坯制件。
其中，一些钢用的连铸坯可以直接轧钢，制成管、板、型钢等。
连铸坯在经过结晶器电磁搅拌后能够有效改善一些存在缺陷的地方。
基于此，本文对结晶器电磁搅拌、连铸坯概念以及相关实验进行简要分析。
关键词：结晶器；电磁搅拌；连铸坯引言：连铸坯中最关键的问题就是其中心偏析、夹杂物以及中心缩孔等严重影响铸坯的内部质量。
电磁搅拌是最常使用的连铸生产技术，它通过电磁力来优化消除结晶器内钢水过热度。
铸坯在经过电磁搅拌后其等轴晶率会有明显提高，从而得到良好凝固组织的铸坯，使得成品性能得到改善。
可以有效地解决连铸坯中心缩孔、纯净度等问题。
一、结晶器电磁搅拌及连铸坯概述连铸坯是钢水通过连续铸钢机铸成的钢坯。
连续铸钢技术可以把生产钢水到钢坯的整个过程进行简化，不需要经过初轧过程。
因此，连铸坯具备生产成本低、金属获得率高以及劳动条件好等一系列优点。
目前，连铸坯已是轧钢生产的重要原料。
然而，连铸坯也有一定的缺陷。
例如，一般疏松、中心疏松、锭型偏析、一般点状偏析、边缘偏析、皮下气泡、内部气泡、缩孔残余、翻皮、白点、轴心晶体裂缝、非金属夹杂物和心部裂纹等。
在低倍检验中会出现中心疏松、缩孔、中心偏析、表面角部裂纹、表面边部裂纹等缺陷。
电磁搅拌就是借助在铸坯的液相穴内感生的电磁力强化液相穴内钢水的运动，由此强化钢水的对流、传热和传质过程，从而控制铸坯的凝固过程，对提高铸坯质量具有积极的作用。
其中，结晶器电磁搅拌是目前最常见的、适用于各类连铸机的装置，它对改善铸坯表面质量、细化晶粒和减少铸坯内部夹杂及中心疏松等都有明显的作用。
一般情况下，为避免影响液面自动控制装置的使用，通常将其安装在结晶器的下部。
结晶器电磁搅拌的作用有以下几点：第一，改善铸坯表面质量。
铸坯在结晶器下面其表面呈现凝固的状态，此时可以将搅拌器置于结晶器的弯月面处，以起到对铸坯表面凝固开始前对其“清洗”的作用。
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. [3]Bettlman L.Effect of mold EM S design on billet castingproductivity and product quality[J].Ca nad ian M etallurgic alQuarter ly,2000,38(3):301-309.[4]Oh K S,Chang Y W.M acrosegregation behavior i ncontinuously cast high carbon steel blooms and billets at thefinal stage of solidification in combination stirring[J].ISIJIn ternational,2001,41(10):1229-1235.[5]Raj M,Pandey J C.Optimi zation of electromagnetic stirring i ncontinuous cast steel billets using ultrasonic C scan imaging techn ique[J].Ironmaking and Steelmaking,2008,35(4):288-296.[6]M edina M,Duterrail Y,Durand F,et al.Channelsegregation during solidification and the effects of analternating traveli ng magnetic field[J].M etallurgic al andM aterials Transactions B,2004,35(8):743-754.[7]Ludlow V,Normanton A,Anderson A.S trategy to minimizecentral segregation in high carbon steel grades during billet casting[J].Ironmaking a nd S teelmaking,2005,32(1):69 -72.[8]张宏丽 线性电磁搅拌在钢液凝固过程中的作用规律[D]沈阳:东北大学,2002(Zhang Hong li.Rule of linear electromagn etic stirring during solidification process of molten steel[D].Sh enyang: Northeastern University,2002.)[9]Leonardo B,Antonio C F V.Numerical m odel ofelectromagnetic stirring for continuous casting billets[J].I EEE T ransactions on M agnetic,2002,38(6):3658-3662.(上接第1431页)[5]Nagahisa L.Advanced automation on the new plate mill:aM izushima works[J].I ron and S teel E ngineer,1978,55(12):34-40.[6]Zhao J,Wang W,Liu Q L,et al.A two s tage schedulingmethod for hot rol ling and i ts application[J].ControlE ngineering Practice,2009,17(6):629-641.[7]Pan C C,Yang G K.A m ethod of solvi ng a large scale rollingbatch scheduling problem i n steel production using a variant ofcolumn generation[J].Compu ters&Ind ustrialEngineering,2009,56(1):165-178.[8]Peter C.A flex i ble decision support system for steel hotrolling mill scheduli ng[J].Comp uter s&Ind ustrialEngineering,2003,45(2):307-321.[9]Tang L X,Liu J Y,Rong A Y,et al.A multiple travelingsales man problem model for hot rolling scheduling in ShanghaiBaoshan Iron&S teel Complex[J].Eu ropean Jou rnal ofOperational Research,2000,124(2):267-282.[10]姚小兰,梁启宏,张迪生 控制轧制节奏的优化[J] 北京理工大学学报,2004,24(4):327-330(Yao Xiao lan,Liang Qi hong,Zhang Di sh eng.Optimization of rhythm s in controlled rolli ng[J].Jou rnal ofBeij ing I nstitute of T e ch nology,2004,24(4):327-330.)1436东北大学学报(自然科学版) 第31卷。
连铸过程原理及数值模拟连铸是一种重要的金属成形工艺，广泛应用于钢铁、铝合金等金属材料的生产和加工中。
连铸过程原理及数值模拟是研究连铸工艺的关键内容，通过对连铸过程的原理分析和数值模拟，可以优化连铸工艺参数，提高产品质量和生产效率。
连铸过程是将熔融金属直接注入到连续运动的铸坯中，通过冷却和凝固过程，将熔融金属转化为固态铸坯。
连铸的基本原理是利用连续运动的铸坯带走热量，使熔融金属迅速凝固，形成连续的固态铸坯。
在连铸过程中，主要包括液相区、液固两相区和固相区三个区域。
在液相区，熔融金属通过连续浇注，填充到铸坯的空腔中。
熔融金属的温度高于固相线，处于液态状态。
随着熔融金属的注入，液相区的长度逐渐增加。
在液固两相区，熔融金属和正在凝固的铸坯同时存在。
由于熔融金属的温度高于固相线，所以熔融金属仍然保持液态。
而铸坯由于受到液相的热量传递，开始逐渐凝固。
在这个区域中，液相区的长度逐渐减小，凝固铸坯的长度逐渐增加。
在固相区，整个铸坯都已经完全凝固。
熔融金属已经完全转化为固态，形成连续的固态铸坯。
在这个区域中，液相区的长度为零，凝固铸坯的长度为整个连铸过程的长度。
为了研究连铸过程的细节和优化连铸工艺参数，数值模拟成为一种重要的方法。
数值模拟是通过数学模型和计算机仿真技术，对连铸过程进行模拟和分析。
数值模拟可以准确地计算连铸过程中的温度场、流场和凝固结构等关键参数，为工艺优化提供科学依据。
在连铸过程的数值模拟中，需要考虑多个物理过程的相互作用。
首先是流体力学过程，包括熔融金属的流动和铸坯带走热量的过程。
其次是热传导过程，包括熔融金属的冷却和凝固过程。
最后是凝固结构演化过程，包括铸坯的晶粒生长和偏析等现象。
为了建立连铸过程的数值模型，需要考虑材料的物理性质、流体力学和热传导方程等方面的参数。
同时，还需要考虑边界条件和初始条件等参数。
通过数值模拟，可以预测连铸过程中的温度分布、流速分布和凝固结构等重要参数，为工艺优化提供指导。
u71mn大方坯凝固坯壳与结晶器铜管温度场的数值模拟【实用版】目录一、引言1.1 研究背景1.2 研究目的1.3 研究方法二、大方坯凝固坯壳与结晶器铜管温度场模拟的基础理论2.1 大方坯凝固坯壳温度场的基础理论2.2 结晶器铜管温度场的基础理论三、数值模拟方法3.1 数值模拟的基本原理3.2 数值模拟的具体方法四、模拟结果与分析4.1 大方坯凝固坯壳温度场的模拟结果与分析4.2 结晶器铜管温度场的模拟结果与分析五、结论5.1 研究结论5.2 研究展望正文一、引言1.1 研究背景近年来，我国钢铁工业得到了快速发展，在产量和质量上都取得了显著的成果。
大方坯连铸是钢铁生产中的重要环节，其质量直接影响到后续钢材产品的性能。
因此，研究大方坯凝固坯壳与结晶器铜管温度场，对提高连铸坯质量具有重要意义。
1.2 研究目的本研究旨在通过数值模拟方法，研究大方坯凝固坯壳与结晶器铜管温度场，为优化大方坯连铸工艺提供理论依据。
1.3 研究方法本研究采用数值模拟方法，对大方坯凝固坯壳与结晶器铜管温度场进行模拟，并对模拟结果进行分析。
二、大方坯凝固坯壳与结晶器铜管温度场模拟的基础理论2.1 大方坯凝固坯壳温度场的基础理论大方坯凝固坯壳温度场模拟的基础理论主要包括热传导理论和凝固理论。
热传导理论主要研究热量在物体中的传递规律，而凝固理论主要研究物质从液态到固态的相变过程。
2.2 结晶器铜管温度场的基础理论结晶器铜管温度场模拟的基础理论主要包括热传导理论和热对流理论。
热传导理论同样研究热量在物体中的传递规律，而热对流理论主要研究流体中热量的传递规律。
三、数值模拟方法3.1 数值模拟的基本原理数值模拟的基本原理是将连续的物理量（如温度、压力等）离散化，通过求解离散方程组，得到离散点上的物理量分布。
3.2 数值模拟的具体方法本研究采用有限元法进行数值模拟。
首先建立几何模型和数学模型，然后对模型进行网格划分，最后求解离散方程组，得到温度分布。
