李少翔等：圆坯凝固末端电磁搅拌作用下的流动与传热行为 751· 表1材料热物性参数 小，因此空载条件下测量的磁感应强度能够代表有 Table I Thermophysical properties of material employed in this study 铸坯时的数据.为与实际相符，在以下计算均加入 参数 数值 铸坯.图2(b)给出了铸坯表面温度沿拉坯方向的 真空磁导率/(Hm1) 1.257×10-6 分布，以及计算值与测量值对比.测量值通过Sci- 钢液、线圈和空气相对磁导率 1 ample CIT-G测温枪现场测量铸坯表面温度获得. 铁芯相对磁导率 1000 从图中可以看出，计算温度与测量温度相差较小，说 钢液电导率/(Sm1) 7.14×10-5 明流动凝固模型具有较好的准确性；同时，测量值稍 钢液密度/(kgm3) 7020 低于计算值，可能是由于铸坯表面存在一定量的氧 钢液比热容/(kg1K-) 680 化铁皮使表面温度降低 钢液导热系数/(W·m1.K1) 29 2.2电磁场 钢液黏度/(kgm·s1) 0.0055 图3为电流强度600A频率20Hz时铸坯表面 凝固潜热/(Jkg1) 270000 的磁感应强度云图(a)及搅拌器中心处铸坯横截面 热膨胀系数K1 1×10-4 上的时均电磁力矢量图().图中可见，铸坯表面的 固相线温度/K 1738 磁感应强度沿轴向呈现出中间大，两头小的分布特 液相线温度/K 1784 点，磁感应强度主要集中于搅拌器区域，出搅拌器范 糊状区常数] 1×108 围后迅速衰减.电磁力在铸坯横截面上呈周向分 布，并随着距铸坯横截面中心距离的增加而增大，在 表2连铸工艺参数 Table 2 Main technical parameters of the continuous casting process 铸坯边部达到最大值。由于没有受到结晶器铜管的 参数 数值 磁屏蔽影响，末端电磁搅拌在铸坯上产生的电磁力 断面直径/mm 178 远大于结晶器电磁搅拌的电磁力的.由于较大的 拉速/(m'min-1) 2.0 电磁力大部分作用于凝固坯壳上，因此真正有效驱 过热度/K 34 动液芯处钢液旋转流动的电磁力要小很多 二冷区比水量/(kgL) 图4为电流频率20Hz时，不同电流强度下搅 0.65 拌器中心轴线上及搅拌器中心点的磁感应强度分 M-EMS工作电流/A 400 M-EMS工作频率/Hz 6 布.可以看出，随着电流强度的增加，相同位置处的 F-EMS工作电流/A 400~800 磁感应强度明显增加，且最大磁感应强度处于搅拌 器中心位置.电流频率一定时，磁感应强度与电流 F-EMS工作频率/Hz 20-40 之间具有良好的线性关系.其中，电流强度分别为 F-EMS中心位置（距弯月面距离）/m 10.5 400、500、600、700和800A时，对应的搅拌器中心磁 上的磁感应强度略低，这是由于凝固坯壳对磁感应 感应强度分别为76.21、95.27、114.32、133.38和 强度有一定的屏蔽作用.此外，测量值与无铸坯时 152.43mT:也就是说，电流每增加100A,中心点的 的计算值基本吻合，证明电磁模型具有较好的可靠 磁感应强度相应增加19.05mT. 性.由于铸坯的电导率较低，对磁场的屏蔽作用很 为保证铸坯中心钢液能够得到充分搅拌，F一 120 一无铸坏计算值 (a） L80 一·有铸坯计算值 一计算值 100 ·测量值 1700 测量值 80 L600 60 1500 40 L1400 1300 200 -1.0-0.8-0.6-0.4-0.200.20.40.60.81.0 024681012141618 距搅拌器中心的位置m 距弯月面的距离m 图2搅拌器中心轴线上的磁感应强度(a)及铸坯表面温度(b)的计算值与测量值 Fig.2 Comparison between calculated and measured values of the magnetic flux density (a)and billet surface temperature (b)李少翔等: 圆坯凝固末端电磁搅拌作用下的流动与传热行为 表 1 材料热物性参数 Table 1 Thermophysical properties of material employed in this study 参数 数值 真空磁导率/( H·m － 1 ) 1. 257 × 10 － 6 钢液、线圈和空气相对磁导率 1 铁芯相对磁导率 1000 钢液电导率/( S·m － 1 ) 7. 14 × 10 － 5 钢液密度/( kg·m － 3 ) 7020 钢液比热容/( J·kg － 1·K － 1 ) 680 钢液导热系数/( W·m － 1·K － 1 ) 29 钢液黏度/( kg·m － 1·s － 1 ) 0. 0055 凝固潜热/( J·kg － 1 ) 270000 热膨胀系数/K － 1 1 × 10 － 4 固相线温度/K 1738 液相线温度/K 1784 糊状区常数［17］ 1 × 108 表 2 连铸工艺参数 Table 2 Main technical parameters of the continuous casting process 参数 数值 断面直径/mm 178 拉速/( m·min － 1 ) 2. 0 过热度/K 34 二冷区比水量/( kg·L － 1 ) 0. 65 M--EMS 工作电流/A 400 M--EMS 工作频率/Hz 6 F--EMS 工作电流/A 400 ～ 800 F--EMS 工作频率/Hz 20 ～ 40 F--EMS 中心位置( 距弯月面距离) /m 10. 5 图 2 搅拌器中心轴线上的磁感应强度( a) 及铸坯表面温度( b) 的计算值与测量值 Fig． 2 Comparison between calculated and measured values of the magnetic flux density ( a) and billet surface temperature ( b) 上的磁感应强度略低，这是由于凝固坯壳对磁感应 强度有一定的屏蔽作用． 此外，测量值与无铸坯时 的计算值基本吻合，证明电磁模型具有较好的可靠 性． 由于铸坯的电导率较低，对磁场的屏蔽作用很 小，因此空载条件下测量的磁感应强度能够代表有 铸坯时的数据． 为与实际相符，在以下计算均加入 铸坯． 图 2( b) 给出了铸坯表面温度沿拉坯方向的 分布，以及计算值与测量值对比． 测量值通过 Sci￾ample CIT--G 测温枪现场测量铸坯表面温度获得． 从图中可以看出，计算温度与测量温度相差较小，说 明流动凝固模型具有较好的准确性; 同时，测量值稍 低于计算值，可能是由于铸坯表面存在一定量的氧 化铁皮使表面温度降低． 2. 2 电磁场 图 3 为电流强度 600 A 频率 20 Hz 时铸坯表面 的磁感应强度云图( a) 及搅拌器中心处铸坯横截面 上的时均电磁力矢量图( b) ． 图中可见，铸坯表面的 磁感应强度沿轴向呈现出中间大，两头小的分布特 点，磁感应强度主要集中于搅拌器区域，出搅拌器范 围后迅速衰减． 电磁力在铸坯横截面上呈周向分 布，并随着距铸坯横截面中心距离的增加而增大，在 铸坯边部达到最大值． 由于没有受到结晶器铜管的 磁屏蔽影响，末端电磁搅拌在铸坯上产生的电磁力 远大于结晶器电磁搅拌的电磁力［15］． 由于较大的 电磁力大部分作用于凝固坯壳上，因此真正有效驱 动液芯处钢液旋转流动的电磁力要小很多． 图 4 为电流频率 20 Hz 时，不同电流强度下搅 拌器中心轴线上及搅拌器中心点的磁感应强度分 布． 可以看出，随着电流强度的增加，相同位置处的 磁感应强度明显增加，且最大磁感应强度处于搅拌 器中心位置． 电流频率一定时，磁感应强度与电流 之间具有良好的线性关系． 其中，电流强度分别为 400、500、600、700 和 800 A 时，对应的搅拌器中心磁 感应强 度 分 别 为 76. 21、95. 27、114. 32、133. 38 和 152. 43 mT; 也就是说，电流每增加 100 A，中心点的 磁感应强度相应增加 19. 05 mT． 为保证铸坯中心钢液能够得到充分搅拌，F-- · 157 ·