第6期 魏宁等：大方坯连铸结晶器电磁搅拌三维电磁场的数值模拟 ·705· 应强度非常小，表明电磁搅拌对此区域几乎没有作 逐渐衰减，越靠近磁极磁场越强，越到铸坯中心，磁 用.由图4(c)搅拌器中心横截面上径向宽面磁感 场强度越小 应强度的分布可知，磁感应强度从铸坯表面到中心 a 0.426x1010.002050.0036750.0052990.006923 0.0012380.0028620.0044870.0061110.007735 5.17(0) 7.069r +4.630 -6.809 色3486 6549 2342 529 厘1.198 6.029 0280.560.841.121.40 5.7696 0.0560.1120.1680.2240280 距结品器铜管上沿的距离.Zm 中心横截面径向宽度加 图4磁感应强度分布.()铸坯立体云图（单位：T):(b)沿结品器中心轴向：(c)搅拌器中心径向宽面 Fig.4 Distribution of magnetic flux density:(a)nephogram of the bloom (unit:T):(b)along the axis:(c)along the radius of the mold at the center of the stirrer 2.3搅拌器内磁场随时间的周期性变化 电磁力与电流强度的关系。由图可知，节点电磁力 图5为一个周期内搅拌器中心横截面内不同时 随电流强度的增加近似呈抛物线变化，且电流400A 刻磁感应强度的分布，图中圆形为搅拌器，中间矩形 时的电磁力约为电流200A时的4倍，此结果和文 框内为结品器区域.每相对绕组线圈上施加方向相 献4]中得到的结果是一致的.其原因在于，电磁力 同的电流密度，每相对绕组上的相位角依次为0°、 与磁感应强度的平方成正比，即F∝B,而电流强度 120°和240°.由图可知，电磁搅拌器内的磁场在一 和磁感应强度呈线性关系，则电磁力与电流强度的 个周期不同时刻沿顺时针方向的旋转变化，由某一 平方成正比.因此，实际电磁搅拌过程中，增大电流 时刻磁场的分布可以将该时刻的磁场等效为一对磁 强度是提高搅拌强度最有效的方法 极(NS极)，由磁极方位可以将旋转磁场理解为一 2.5电流频率对磁场和电磁力的影响 对磁极旋转时在磁极气隙间所产生的时变磁场.结 图8为固定电流I=250A,磁感应强度与电流 晶器内磁场分布较为均匀. 频率的关系.由图8(a)可知，沿结晶器高度方向不 2.4电流强度对磁场和电磁力的影响 同位置的磁感应强度都随电流频率的增大而减小， 图6为电流频率f=2.5Hz时，电流强度对搅拌 但由于在低频条件下，随着频率的增大，磁感应强度 器中心磁感应强度的影响.由图可知，随着电流的 的减小并不明显.在出结晶器(Z>900mm)以后， 增加，铸坯中心磁场强度增大.电流由150A提高到 不同频率下的磁场强度基本相同.图8()中，频率 400A,磁感应强度由3.328×10-2T增大到8.877× 由1.5Hz增大到6.0Hz时，中心磁感应强度由 10-2T:电流强度每增加50A,磁感应强度相应增大 5.737×10-2T减小至4.765×10-2T.这是因为， 约1.10×10-2T.当电流频率一定时，搅拌器中心 具有高导电性能的结晶器铜板对钢液内的磁场具有 磁感应强度和电流强度有很好的线性关系. 屏蔽作用，减小穿过钢液内的磁通密度，使得磁感应 图7为电流频率为2.5Hz时，搅拌器中心节点 强度减小，并且随着电流频率的提高，磁屏蔽现象越第 6 期 魏 宁等: 大方坯连铸结晶器电磁搅拌三维电磁场的数值模拟 应强度非常小，表明电磁搅拌对此区域几乎没有作 用． 由图 4( c) 搅拌器中心横截面上径向宽面磁感 应强度的分布可知，磁感应强度从铸坯表面到中心 逐渐衰减，越靠近磁极磁场越强，越到铸坯中心，磁 场强度越小． 图 4 磁感应强度分布． ( a) 铸坯立体云图( 单位: T) ; ( b) 沿结晶器中心轴向; ( c) 搅拌器中心径向宽面 Fig． 4 Distribution of magnetic flux density: ( a) nephogram of the bloom ( unit: T) ; ( b) along the axis; ( c) along the radius of the mold at the center of the stirrer 2. 3 搅拌器内磁场随时间的周期性变化 图 5 为一个周期内搅拌器中心横截面内不同时 刻磁感应强度的分布，图中圆形为搅拌器，中间矩形 框内为结晶器区域． 每相对绕组线圈上施加方向相 同的电流密度，每相对绕组上的相位角依次为 0°、 120°和 240°． 由图可知，电磁搅拌器内的磁场在一 个周期不同时刻沿顺时针方向的旋转变化，由某一 时刻磁场的分布可以将该时刻的磁场等效为一对磁 极( N--S 极) ，由磁极方位可以将旋转磁场理解为一 对磁极旋转时在磁极气隙间所产生的时变磁场． 结 晶器内磁场分布较为均匀． 2. 4 电流强度对磁场和电磁力的影响 图 6 为电流频率 f = 2. 5 Hz 时，电流强度对搅拌 器中心磁感应强度的影响． 由图可知，随着电流的 增加，铸坯中心磁场强度增大． 电流由150 A 提高到 400 A，磁感应强度由3. 328 × 10 － 2 T 增大到8. 877 × 10 － 2 T; 电流强度每增加 50 A，磁感应强度相应增大 约 1. 10 × 10 － 2 T． 当电流频率一定时，搅拌器中心 磁感应强度和电流强度有很好的线性关系． 图 7 为电流频率为 2. 5 Hz 时，搅拌器中心节点 电磁力与电流强度的关系． 由图可知，节点电磁力 随电流强度的增加近似呈抛物线变化，且电流 400 A 时的电磁力约为电流 200 A 时的 4 倍，此结果和文 献［4］中得到的结果是一致的． 其原因在于，电磁力 与磁感应强度的平方成正比，即 F∝B2 ，而电流强度 和磁感应强度呈线性关系，则电磁力与电流强度的 平方成正比． 因此，实际电磁搅拌过程中，增大电流 强度是提高搅拌强度最有效的方法． 2. 5 电流频率对磁场和电磁力的影响 图 8 为固定电流 I = 250 A，磁感应强度与电流 频率的关系． 由图 8( a) 可知，沿结晶器高度方向不 同位置的磁感应强度都随电流频率的增大而减小， 但由于在低频条件下，随着频率的增大，磁感应强度 的减小并不明显． 在出结晶器( Z ＞ 900 mm) 以后， 不同频率下的磁场强度基本相同． 图 8( b) 中，频率 由 1. 5 Hz 增 大 到 6. 0 Hz 时，中心磁感应强度由 5. 737 × 10 － 2 T 减小至 4. 765 × 10 － 2 T． 这是因为， 具有高导电性能的结晶器铜板对钢液内的磁场具有 屏蔽作用，减小穿过钢液内的磁通密度，使得磁感应 强度减小，并且随着电流频率的提高，磁屏蔽现象越 ·705·