肖红等：行波磁场铸流搅拌提升不锈钢板坯等轴晶率 801 已发表的研究四.为体现电磁力作用范围的完整 敛标准设定为能量残差小于10'，其他变量残差小 性及其湍流的充分发展，选取搅拌器所在的自弯 于10板坯1Cr17不锈钢主要成分如表1所示， 月面2~7m一段二冷区作为本研究的计算域 计算所用的热物性参数和连铸工艺参数如表2 其中，采用ANSOFT Maxwell模拟得到计算域的电 所示. 磁场数据，通过Fluent软件计算二冷区稳态下的 流动、传热与凝固信息，将Fluent中的节点坐标信 表11C17铁素体不锈钢主要化学成分（质量分数） Table 1 Chemical composition of 1Cr17 stainless steel 息载入Maxwell并利用坐标插值算法提取时均电 C Cr Ni Mn 磁力，最后利用源项用户自定义子程序(User P define function,UDF)将电磁力加载到动量方程，收 ≤0.1217≤0.6≤1.25 ≤0.035 ≤0.03≤0.75 表2计算用1Cr17不锈钢热物性参数和连铸工艺参数 Table 2 Parameter values of 1Cr17 stainless-steel thermophysical properties and continuous casting practice Parameters Value Parameters Value Slab cross section/mm" 1280×200 Liquidus temperature/K 1768 Distance to meniscus of B-EMS/m 4.0 Solidus temperature/K 1703 Distance to meniscus of R-EMS/m 3.8,4.09,and5.2 Specific heat/(J-kg.K) 720 Relative permeability of each material 1 Latent heat of solidification/(Jkg) 272000 Relative permeability of iron core 1000 Superheat degree/K 30 Conductivity of molten steel/(S-m) 7.14×105 Molten steel density/(kg'm) 7200 Specific water flow/(Lkg) 0.4 Molten steel viscosity/(kg ms) 0.0055 Casting speed/(m-min) 0.9 Thermal conductivity of molten steel/(W.mK-) 32 对流动和凝固模型的网格进行了无关性检 信号处理模式的特斯拉计测量了搅拌器的磁感应 验，分别设置了4组不同计算节点数量的网格，即 强度.图4为电流=500A,频率戶7Hz箱式和辊 116×10°、212×103、370×104和508×101，在无搅拌器 式相邻型同向搅拌器下铸坯宽面中心线上的磁感 条件下计算二冷区窄面中心坯壳沿拉坯方向的分 应强度计算值和测量值比对情况.由图可见，磁感 布，如图3.结果表明，网格节点数量大于370×103 应强度的测量值与计算值高度吻合，说明所建立 后，坯壳厚度分布差异相对小，网格数量对计算结 的电磁场模型准确可靠 果的影响明显减弱，因此最终计算采用节点数量 此外，图5为箱式和辊式相邻型同向搅拌器的 为370×10的网格 电流-电压关系伏安特性测量值和预测值以及电 流-功率关系.由图5(a)可见，两种搅拌器的电压 60 116×10 nodes 212×10 nodes 与电流都呈线性关系.其中，电压的实测值略低于 目50 370x10 nodes 508×10'nodes 预测值的主要原因应该与测量导线具有一定的欧 40 姆损耗有关，但总体误差都不超过5%，从而进一 步验证电磁模型可靠性.由图5(b)可知，在额定功 30 率和频率为400kW和7Hz的情况下，箱式和辊式 20 搅拌器的运行电流分别为425A和500A,即在相 同的电气成本下，箱式搅拌器的电流比辊式的要 4 5 Distance from the meniscus/m 小，从而可能导致其搅拌强度也低于辊式 国3不同节点数量网格下计算的坯壳分布曲线 箱式和辊式电磁搅拌都是基于行波磁场特性 Fig.3 Shell thickness curves for different grid nodes 用于板坯连铸二冷区对凝固前沿钢液实施强推力 搅拌的常用设备，其电磁搅拌磁感应强度分布特 2结果分析与讨论 征如图6所示.由于搅拌器铁芯为直线式以构成 2.1电磁结果 磁感应强度行波式运动，可见箱式电磁搅拌的磁 为了验证模型的可靠性，采用LakeShore数字 感应强度是从N极出发穿过铸坯从S极返回到搅已发表的研究[22] . 为体现电磁力作用范围的完整 性及其湍流的充分发展，选取搅拌器所在的自弯 月面 2～7 m 一段二冷区作为本研究的计算域. 其中，采用 ANSOFT Maxwell 模拟得到计算域的电 磁场数据，通过 Fluent 软件计算二冷区稳态下的 流动、传热与凝固信息，将 Fluent 中的节点坐标信 息载入 Maxwell 并利用坐标插值算法提取时均电 磁力 ，最后利用源项用户自定义子程 序 (User define function, UDF) 将电磁力加载到动量方程，收 敛标准设定为能量残差小于 10−7，其他变量残差小 于 10−4 . 板坯 1Cr17 不锈钢主要成分如表 1 所示， 计算所用的热物性参数和连铸工艺参数如表 2 所示. 表 1  1Cr17 铁素体不锈钢主要化学成分（质量分数） Table 1   Chemical composition of 1Cr17 stainless steel % C Cr Ni Mn P S Si ≤0.12 17 ≤0.6 ≤1.25 ≤0.035 ≤0.03 ≤0.75 表 2 计算用 1Cr17 不锈钢热物性参数和连铸工艺参数 Table 2   Parameter values of 1Cr17 stainless-steel thermophysical properties and continuous casting practice Parameters Value Parameters Value Slab cross section/mm2 1280×200 Liquidus temperature/K 1768 Distance to meniscus of B-EMS/m 4.0 Solidus temperature/K 1703 Distance to meniscus of R-EMS/m 3.8, 4.09, and 5.2 Specific heat/(J·kg−1·K−1) 720 Relative permeability of each material 1 Latent heat of solidification/(J·kg−1) 272000 Relative permeability of iron core 1000 Superheat degree/K 30 Conductivity of molten steel/(S·m−1) 7.14×105 Molten steel density/(kg·m−3) 7200 Specific water flow/(L·kg−1) 0.4 Molten steel viscosity/(kg·m−1·s−1) 0.0055 Casting speed/(m·min−1) 0.9 Thermal conductivity of molten steel/(W·m−1·K−1) 32 对流动和凝固模型的网格进行了无关性检 验，分别设置了 4 组不同计算节点数量的网格，即 116×104、212×104、370×104 和 508×104 ，在无搅拌器 条件下计算二冷区窄面中心坯壳沿拉坯方向的分 布，如图 3. 结果表明，网格节点数量大于 370×104 后，坯壳厚度分布差异相对小，网格数量对计算结 果的影响明显减弱，因此最终计算采用节点数量 为 370×104 的网格. 2 3 4 5 6 7 10 20 30 40 50 60 Shell thickness/mm Distance from the meniscus/m 116×104 nodes 212×104 nodes 370×104 nodes 508×104 nodes 图 3    不同节点数量网格下计算的坯壳分布曲线 Fig.3    Shell thickness curves for different grid nodes 2    结果分析与讨论 2.1    电磁结果 为了验证模型的可靠性，采用 LakeShore 数字 信号处理模式的特斯拉计测量了搅拌器的磁感应 强度. 图 4 为电流 I=500 A，频率 f=7 Hz 箱式和辊 式相邻型同向搅拌器下铸坯宽面中心线上的磁感 应强度计算值和测量值比对情况. 由图可见，磁感 应强度的测量值与计算值高度吻合，说明所建立 的电磁场模型准确可靠. 此外，图 5 为箱式和辊式相邻型同向搅拌器的 电流‒电压关系伏安特性测量值和预测值以及电 流‒功率关系. 由图 5（a）可见，两种搅拌器的电压 与电流都呈线性关系. 其中，电压的实测值略低于 预测值的主要原因应该与测量导线具有一定的欧 姆损耗有关，但总体误差都不超过 5%，从而进一 步验证电磁模型可靠性. 由图 5（b）可知，在额定功 率和频率为 400 kW 和 7 Hz 的情况下，箱式和辊式 搅拌器的运行电流分别为 425 A 和 500 A，即在相 同的电气成本下，箱式搅拌器的电流比辊式的要 小，从而可能导致其搅拌强度也低于辊式. 箱式和辊式电磁搅拌都是基于行波磁场特性 用于板坯连铸二冷区对凝固前沿钢液实施强推力 搅拌的常用设备，其电磁搅拌磁感应强度分布特 征如图 6 所示. 由于搅拌器铁芯为直线式以构成 磁感应强度行波式运动，可见箱式电磁搅拌的磁 感应强度是从 N 极出发穿过铸坯从 S 极返回到搅 肖    红等： 行波磁场铸流搅拌提升不锈钢板坯等轴晶率 · 801 ·