D010.13374斤.issn10153x.20l.02.004 第33卷第2期 北京科技大学学报 Vo133 No 2 2011年2月 Journal ofUniversity of Science and Technobgy Bejjing Feb 2011 钢连铸电磁搅拌工艺中流场的数值模拟 于洋”李宝宽 0 杨刚) 1)东北大学材料与治金学院.沈阳1100042)辽河油田金马公司.盘锦124010 通信作者，Ema1bk6382@163cm 摘要利用旋转磁场特征变换模型方程并结合边界更新法，与k:湍流模型耦合计算了交变电磁场作用下连铸方坯内的流 场.结果表明：电磁力使得钢液在水平方向形成旋转流动，能够降低向下过高的流速并增强回流从搅拌区域垂直中心向下，水 平旋转流动的速度逐渐变小.钢液旋转流速随电源电流和频率的增大而提高，并且在水平面上呈单峰值分布，在近壁面处最大. 关键词连铸：电磁效应：电磁搅拌：流场：数值模拟 分类号TF7699 Num ericalmodelng of flow fields in the continuous casting process of steel under electram agnetic stirring YU Yang),LI Bao kuan),YANG Gang 1)hoolofMateras and Men llugy NorheastemUniversit Shenyang 110004 Chna 2)LmoheOilfeH Jima Compay Panjn 124010 Chna Corespand ng author Email bl6382@163 com ABSTRACT Combined w it he transpmed model equation of routing magnetic fields and the boundary renevalmethod the ke turbu entmodelwas used to analyze he fpw fied in the contnuous castng process of steel under he action of a otatngm aghetic fie The electromagnetic fieH makes molten seelwhirl in the horizontal plane decieases the downward velocit and speeds up te vortex The horizonul romting velocity decreases gradually downwards from he vertical center of he stimring area The routing vepcity ncrea ses with the ncreasing of both electric current and frequency w ith a d istrbution of sigle peak values an he horgzonl plane and he m axmum occurs near the wall KEY WORDS continuous casting electromagnetic fied effects ekctmagnetic stirring fow fiels num erical modeling 通常中间包的钢水注入到结晶器内，钢水在结 于径向非旋转力，至今仍被应用于连铸过程中电磁 晶器中均匀快速地冷却，形成厚度均匀、表面良好的 力的计算2-到.Meye等l利用BioLSavar定理对 初生坯壳并被连续地从结晶器下口拉拔出去，进入 方坯的行波电磁搅拌进行了模拟计算，但是需要将 二次冷却区，从而保证连铸的顺利进行.电磁搅拌 求解边界扩大到距方坯位置较远的外围真空区域. 技术除在改善铸坯的表面及皮下质量、改善铸坯凝 Naa9采用位函数T和代换了磁场强度和感 固组织，提高等轴晶率以及减轻中心偏析和中心疏 应电流密度简化了磁场方程，同时边界条件也变得 松等内部缺陷等诸多方面都有明显的效果外，与机 较为简单并且仅求解感应区域.Ueyaa等l句和 械搅拌法相比，电磁搅拌还具有对金属熔体无污染、 Gie等刀利用矢量磁位A和标量点位P求解电磁 降低金属熔体氧化等优势，所以电磁搅拌技术成为提 场，该方法需要分别对涡流区和非涡流区建立方程 高连铸结品工艺效率和产品质量的重要辅助手段. 并且每个计算节点一般存在四个求解变量，计算量 目前研究者己经建立了一些电磁搅拌电磁场计 较大.SP还等还提出用实验测量空隙中磁感应 算的模型.SPt2等II将搅拌器简化为无限长，通 强度以确定边界条件的模拟方法，但是当搅拌器的 过求解数学物理方程得到电磁力的二维时均解析 高度较小时其对端部边界条件的假设(B/司-0) 解.该解析解表明随半径的增大轴向旋转力明显高 与实际的误差较大.在上述研究的基础上笔者提出 收稿日期：2010-03-25 基金项目：国家自然科学基金重点项目(N950934008)第 33卷 第 2期 2011年 2月 北 京 科 技 大 学 学 报 JournalofUniversityofScienceandTechnologyBeijing Vol.33 No.2 Feb.2011 钢连铸电磁搅拌工艺中流场的数值模拟 于 洋 1) 李宝宽 1) 杨 刚 2) 1) 东北大学材料与冶金学院, 沈阳 110004 2) 辽河油田金马公司, 盘锦 124010 通信作者, E-mail:lbk6382@163.com 摘 要 利用旋转磁场特征变换模型方程并结合边界更新法, 与 k--ε湍流模型耦合计算了交变电磁场作用下连铸方坯内的流 场.结果表明:电磁力使得钢液在水平方向形成旋转流动, 能够降低向下过高的流速并增强回流;从搅拌区域垂直中心向下, 水 平旋转流动的速度逐渐变小.钢液旋转流速随电源电流和频率的增大而提高, 并且在水平面上呈单峰值分布, 在近壁面处最大. 关键词 连铸;电磁效应;电磁搅拌;流场;数值模拟 分类号 TF769.9 Numericalmodelingofflowfieldsinthecontinuouscastingprocessofsteelunder electromagneticstirring YUYang1) , LIBao-kuan1) , YANGGang2) 1) SchoolofMaterialsandMetallurgy, NortheasternUniversity, Shenyang110004, China 2) LiaoheOilfieldJinmaCompany, Panjin124010, China Correspondingauthor, E-mail:lbk6382@163.com ABSTRACT Combinedwiththetransformedmodelequationofrotatingmagneticfieldsandtheboundaryrenewalmethod, thek-ε turbulentmodelwasusedtoanalyzetheflowfieldinthecontinuouscastingprocessofsteelundertheactionofarotatingmagneticfield. Theelectromagneticfieldmakesmoltensteelwhirlinthehorizontalplane, decreasesthedownwardvelocityandspeedsupthevortex. Thehorizontalrotatingvelocitydecreasesgraduallydownwardsfromtheverticalcenterofthestirringarea.Therotatingvelocityincrea￾seswiththeincreasingofbothelectriccurrentandfrequency, withadistributionofsinglepeakvaluesonthehorizontalplaneandthe maximumoccursnearthewall. KEYWORDS continuouscasting;electromagneticfieldeffects;electromagneticstirring;flowfields;numericalmodeling 收稿日期:2010--03--25 基金项目:国家自然科学基金重点项目 ( No.50934008 ) 通常中间包的钢水注入到结晶器内, 钢水在结 晶器中均匀快速地冷却, 形成厚度均匀、表面良好的 初生坯壳, 并被连续地从结晶器下口拉拔出去, 进入 二次冷却区, 从而保证连铸的顺利进行.电磁搅拌 技术除在改善铸坯的表面及皮下质量、改善铸坯凝 固组织 、提高等轴晶率以及减轻中心偏析和中心疏 松等内部缺陷等诸多方面都有明显的效果外, 与机 械搅拌法相比, 电磁搅拌还具有对金属熔体无污染、 降低金属熔体氧化等优势, 所以电磁搅拌技术成为提 高连铸结晶工艺效率和产品质量的重要辅助手段. 目前研究者已经建立了一些电磁搅拌电磁场计 算的模型.Spitzer等 [ 1] 将搅拌器简化为无限长, 通 过求解数学物理方程得到电磁力的二维时均--解析 解 .该解析解表明随半径的增大轴向旋转力明显高 于径向非旋转力, 至今仍被应用于连铸过程中电磁 力的计算 [ 2--3] .Meyer等 [ 4] 利用 Biot-Savart定理对 方坯的行波电磁搅拌进行了模拟计算, 但是需要将 求解边界扩大到距方坯位置较远的外围真空区域. Natarajan [ 5]采用位函数 T和 ψ代换了磁场强度和感 应电流密度, 简化了磁场方程, 同时边界条件也变得 较为简单并且仅求解感应区域.Ueyama等 [ 6] 和 Gliere等 [ 7]利用矢量磁位 A和标量点位 φ求解电磁 场, 该方法需要分别对涡流区和非涡流区建立方程, 并且每个计算节点一般存在四个求解变量, 计算量 较大 .Spizer等 [ 8]还提出用实验测量空隙中磁感应 强度以确定边界条件的模拟方法, 但是当搅拌器的 高度较小时其对端部边界条件的假设 ( B/ z=0) 与实际的误差较大 .在上述研究的基础上笔者提出 DOI :10 .13374 /j .issn1001 -053x .2011 .02 .004