Vol.21 No.2 薄开涛等：双条型磁极对连铸结晶器内钢液流动特性的影响 ·147· 流的客观存在性，并进一步讨论了在双条型磁极 所示（类似于电源）. 作用下结晶器内液态金属的受力状况， 在磁铁覆盖区域即电源内部，电流从负极流 磁场中运动流体由于磁场作用产生感生电 向正极；在磁铁覆盖区域以外即电源外部，电流 动势场E=”XB及感生电流了，与磁场交互作用 由正极流向负极.同时左右电流闭合形成回路如 使单位流体受到的力为： 图2(c)所示. F=g正+了×B. 2.2拉普拉斯力分析 其中第1项gE为库仑力，在导体材料作为流体 拉普拉斯力和它的受力图如图2(b),(©)所 示，结晶器内液体在水口区受向内的磁压力，在 时可以忽略.在这种电磁理论近似中，单位体积 液面区域受向上的托力；在液面的近宽面区域还 力称为拉普拉斯力： 受到向液体内部的磁压力；在水口处的压力能够 F=J×B 抑制水口出流的冲击，在液面处所受的托力和压 2.1感生电动势场分析 力能够减弱钢液和结晶器壁之间的作用力，从而 由图2所示，根据结晶器中磁极所覆盖的2 起到软接触作用，对提高初生坯壳的表面质量起 个区域分别进行感生电动势场的推导， 到一定的作用. 浸人式水口 (a) 液面宽面处所受的挤压力 3实验结果及分析 液面 磁力线 3.1双条型磁极对弯月面波动的影响 第1对电磁铁 图3是液面区域速度测量所得到的一段记录 曲线，2条记录曲线分别记录着同一时刻速度的 结晶器 X方向和Y方向分量，记录曲线上的任一点相对 第2对电磁铁 (b) 于标定线的偏距表示速度值的大小，通过单位偏 格与速度值的关系式计算可以得到速度值.曲线 的平稳程度即反映了液面的波动程度.由该记录 曲线可以看到，在施加恒稳磁场前，速度大小在X 方向分量和Y方向分量随时间增加变化较大，液 面的波动也较大；但在施加恒稳磁场后，速度大 小的波动显著地变小，即液面的波动受磁场的作 图2结晶器内感生电动势场及拉普拉斯力分析示意图 用而被有效地抑制 (1)第1对磁铁处（液面附近）右边区域：速度 (I)(Ⅱ)（Ⅲ） 4=(-4,0.0),磁场B=(0,B,0),则， 时标线 i jk 速度X方向分 E=i×B= 量波形曲线 -400 =-4Bk=(0,0,-4B). 外 标定线 0B0 速度Y方向分量 波形曲线 左边区域：速度4=(u0,0),磁场B=(0,B,0), 与上同理：E=(0,0,4B). 图3速度记录曲线.(I)有电磁场作用；（Ⅱ）过渡区； (2)第2对磁铁处（水口附近）右边区域：速 (Ⅲ)无电磁场作用 度u=(u0,-w),磁场B=(0-B,0), 图4是拉速为0.38m/min下施加磁感应强度 则：E=（-uB,0,-B) 分别为0,0.125T时液面近壁面处纵向速度的速 左边区域：速度u=（-40,-),磁场B= 度散点图.由图4可以看到，在施加磁场后，液面 (0,-B,0),则，E=（-4B,0,4B) 近壁面处纵向速度沿结晶器宽面的变化减小.如 对于第2对磁铁处，由于4，<<4，电动势项 上所述，液面近壁面处纵向速度沿结晶器宽面的 中的u,B项可忽略.于是得到电场分布如图2(a) 变化反应了弯月面的波动情况，可以认为，施加 磁场后，弯月面的波动减小.对比图5中不同磁场薄开涛等 双条型磁极 对连铸结晶器 内钢液流动特性 的影 响 流 的 客观存在性 ， 并 进 一 步讨论 了在 双 条型磁 极 作 用 下 结 晶器 内液 态金 属 的受 力状况 磁 场 中运 动 流 体 由于 磁 场 作 用 产 生 感 生 电 动 势崛 子 若及感 生 电流了 ， 与磁 场交互 作 用 使单位 流体受 到 的力 为 其 中第 项 若为库 仑 力 ， 在 导体 材 料 作 为 流 体 时 可 以 忽 略 在 这 种 电磁 理 论 近 似 中 ， 单 位 体积 力称 为拉普拉 斯力 感 生 电动势场 分析 由 图 所 示 ， 根 据 结 晶 器 中磁 极 所 覆 盖 的 个 区 域分别 进行感 生 电动势场 的推 导 浸人式水 口 所示 类 似于 电源 在 磁 铁覆 盖 区 域 即 电源 内部 ， 电流 从 负极 流 向正 极 在 磁 铁 覆 盖 区 域 以 外 即 电源 外 部 ， 电流 由正 极 流 向负极 同时左 右 电流 闭合 形 成 回路 如 图 所 示 拉普拉斯 力分析 拉 普 拉 斯 力 和 它 的 受 力 图 如 图 ， 所 示 结 晶 器 内液 体 在 水 口 区 受 向 内 的磁 压 力 ， 在 液 面 区域 受 向上 的托力 在 液 面 的近 宽 面 区 域 还 受 到 向液 体 内部 的磁 压 力 在 水 口 处 的压 力 能够 抑 制 水 口 出流 的冲击 ， 在 液 面处 所 受 的托 力 和 压 力 能 够 减 弱 钢 液 和 结 晶器 壁 之 间 的作 用 力 ， 从而 起 到 软 接 触 作 用 ， 对提 高初 生 坯 壳 的 表 面 质 量起 到 一 定 的作 用 液面 节了多 ‘ 二 · 三只共胜 二 侧汀， 口吮尸二、 么 ‘ 女 含 态 “ 三止二互 日份欢 二 “ ‘ 尸口口一 二 ， 叫 门 侧 一卜毕奇 一 翻 一 华 一 卜 · 耳率 图 结晶器 内感生 电动势场及拉普拉斯力分析示意图 第 对磁铁处 液 面 附近 右边 区域 速度 子一 一 ， ， 磁骊 一 ， 刀 ， ， 则 ， 实验结果及分析 双条型磁极对弯月面波动的影响 图 是 液面 区域速度测量所得到 的一段 记 录 曲线 ， 条 记 录曲 线分别 记 录 着 同一 时刻 速 度 的 方 向和 方 向分量 ， 记 录 曲线上 的任 一 点 相 对 于 标定 线 的偏距表示 速 度值 的大 小 ， 通 过 单位偏 格 与速度值 的 关系 式 计算 可 以 得 到 速 度 值 曲线 的平稳 程 度 即反 映 了液 面 的波 动 程 度 由该记 录 曲线可 以看到 ， 在施加恒稳磁场前 ， 速 度大小 在 方 向分量 和 方 向分 量 随 时 间增 加 变 化 较 大 ， 液 面 的 波 动 也 较 大 但 在 施 加 恒 稳 磁 场 后 ， 速 度 大 小 的波 动显著地 变小 ， 即液 面 的波 动 受磁 场 的作 用 而 被有效地 抑 制 时标线 速度 方 向分 一 量波形 曲线 卜 甲 尸叶州卜十州 叫 州 闷，廿，亚州月卜，州 一， 一‘ ‘ 卜 二不二 扭士臼三生，上三三王曰 二干月‘ 币一辛 卜 ‘ 斗 二 二 ‘ ‘ 干三 千开一 三耘二二生 砚 云‘ 卜 卜 弓一 卜 币‘ 研 喇‘ ‘ 诵石卜刁自声刁‘ 刁三三三于 三巨三匡三三月目巨军目乒 兰日三称三 二 二 十 呻 十问 十 干 呼‘ 三王三石 十一 ，生竺 十 如弓， ‘ 州肠斗‘ 声 舀石杯石 ‘于 ‘ 二卜舀 只王三万干一三干日三 ‘ 于刁‘ 二二二砰耳二下 率奎峥 三生三 三 二 ，州 沈 巨 卜 二 霉卜杯山夏‘票三 日于 要卜 奎山 不维石砰二 十‘ 卜十 卜问 “二‘ ‘ 刁石‘卜蔺舀不二卜月 干‘ 任王二于 标定线 速度 方 向分量 波形 曲线 左边 区域 速度 与上 同理 ， ， ， ， 磁场 ， ， ， “ 第 对 磁 铁 处 水 口 附 近 右 边 区 域 速 度 ， ， 一 ， 磁场 ， 一 ， ， 则 一 “ 岁 ， ， 一 · 左 边 区 域 速 度“ 一 。 ， ， 一 ， 磁 场 二 ， 一 刀 ， ， 则 ， 一 尹 ， ， · 对 于 第 对磁 铁处 ， 由于 二 ， 电动 势项 中 的 。 项 可 忽 略 于 是 得 到 电场 分 布 如 图 图 速度记录 曲线 工 有电磁场 作用 过渡区 无 电磁场作用 图 是 拉 速 为 订 下 施加 磁感 应强度 分别 为 ， 时液 面 近壁 面处纵 向速度 的速 度 散 点 图 由 图 可 以 看 到 ， 在 施 加 磁 场 后 ， 液 面 近 壁 面 处纵 向速 度 沿 结 晶器 宽 面 的变化减 小 如 上 所 述 ， 液 面 近 壁 面处纵 向速 度 沿 结 晶器 宽 面 的 变 化 反 应 了 弯月 面 的 波 动情 况 ， 可 以 认 为 ， 施 加 磁场后 ， 弯月 面 的波 动减 小 对 比图 中不 同磁场