·1356· 北京科技大学学报 第36卷 表1模拟计算条件 加电磁搅拌后，在切向电磁力和径向电磁力的作用 Table 1 Simulation conditions 下，钢液由中心向外流动，钢液到达结晶器壁面后， 参数 数值 分别沿壁面向上、向下流动，而轴向的电磁力梯度会 结品器计算区域 260mm×300mm×2000mm 强化这种流动，从而在结晶器中心纵截面上形成上、 水口类型 直通型 下两对回流方向相反的回流区，如图3(b)所示：同 水口外径/mm 75 时，切向电磁力会使钢液在水平方向上产生旋转运 水口内径/mm 36 动，如图4(b)所示，钢液的旋转流动可以清洗凝固 水口浸入深度/mm 100 前沿，打断柱状晶梢，促进等轴晶增殖 拉速/(m"minl) 0.55 (al b 钢液密度1(kgm3) 7000 保护渣密度/(kgm) 2700 钢液黏度1(kgm1。) 0.0055 钢液电阻率/（Ωm) 1.4d0-6 结品器铜板电阻率/("m) 1.75d0-8 铁芯相对磁导率 1000 钢液、线圈、空气相对磁导率 1 电磁搅拌电流强度/A 0-300 电磁搅拌频率/Hz 2-5 的磁感应强度进行了测量.图2为测量值和计算值 的对比.从图2可以看出，计算值和测量值的变化 趋势一致，磁场的峰值并未出现在搅拌器中心位置. 计算值和测量值并不完全相同，其原因可能是：(1) 测量设备和环境的影响：(2)计算过程中忽略了漏 磁，导致计算值略高于测量值 计算值 搅拌器中心 40 图3结品器中心纵截面速度分布矢量图.(a)无电磁搅拌：(b) 35 。测量值 有电磁搅拌(1=300A,f=3Hz) 30 Fig.3 Distribution of velocity vector on y plane at=0m.(a) 25 without M-EMS:(b)with M-EMS (/=300 A.f=3 Hz) 图5所示为电流对搅拌器中心横截面切向速度 10 的影响.由图5(a)可知，频率一定时，不同电流下 钢液的切向速度具有相似的分布，即在靠近壁面处 0000.2030.4050.60.70.8091.0 最大，向铸坯中心逐渐衰减，铸坯中心切向速度为 距结品器铜管上沿的距离m 零；但是，在同一径向位置处，钢液的切向速度随电 图2搅拌器中心轴线磁感应强度的计算值与测量值比较 流的增大而增大，即电流不改变切向速度的分布结 Fig.2 Comparison of the calculated and measured magnetic induc- 构，而只对切向速度的大小有影响，电流对搅拌器中 tion along the axial direction in the center of the stirrer 心横截面上铸坯最大切向速度的影响见图5(). 3.2电磁搅拌对结晶器流场的影响 由图5(b)可知，在搅拌器中心横截面上，钢液的最 图3为无电磁搅拌（图3(a))和有电磁搅拌 大切向速度与电流呈线性关系，频率为3Hz时，电 (图3(b)的情况下，结晶器中心纵截面速度分布 流每增大50A,最大切向速度相应增加0.075 矢量图.由图3(a)可知，没有电磁搅拌时，钢液从 ms.在实际生产中，可以通过调节电流大小来控 浸入式水口吐出，然后沿壁面一侧向上回流，因流体 制电磁搅拌强度. 的连续性而形成单一的环流：结晶器水平截面上钢 图6所示为电流对铸坯中心轴向速度和边缘切 液只有由中心向外的径向速度，如图4(a)所示.施 向速度分布的影响.由图6(a)可知，在没有电磁搅北 京 科 技 大 学 学 报 第 36 卷 表 1 模拟计算条件 Table 1 Simulation conditions 参数 数值 结晶器计算区域 260 mm × 300 mm × 2000 mm 水口类型 直通型 水口外径/mm 75 水口内径/mm 36 水口浸入深度/mm 100 拉速/( m·min － 1 ) 0. 55 钢液密度/( kg·m － 3 ) 7000 保护渣密度/( kg·m － 3 ) 2700 钢液黏度/( kg·m － 1·s － 1 ) 0. 0055 钢液电阻率/( Ω·m) 1. 4 !10 － 6 结晶器铜板电阻率/( Ω·m) 1. 75 !10 － 8 铁芯相对磁导率 1000 钢液、线圈、空气相对磁导率 1 电磁搅拌电流强度/A 0 ～ 300 电磁搅拌频率/Hz 2 ～ 5 的磁感应强度进行了测量． 图 2 为测量值和计算值 的对比． 从图 2 可以看出，计算值和测量值的变化 趋势一致，磁场的峰值并未出现在搅拌器中心位置． 计算值和测量值并不完全相同，其原因可能是: ( 1) 测量设备和环境的影响; ( 2) 计算过程中忽略了漏 磁，导致计算值略高于测量值． 图 2 搅拌器中心轴线磁感应强度的计算值与测量值比较 Fig． 2 Comparison of the calculated and measured magnetic induc￾tion along the axial direction in the center of the stirrer 3. 2 电磁搅拌对结晶器流场的影响 图 3 为无电磁搅拌( 图 3 ( a) ) 和有电磁搅拌 ( 图 3( b) ) 的情况下，结晶器中心纵截面速度分布 矢量图． 由图 3( a) 可知，没有电磁搅拌时，钢液从 浸入式水口吐出，然后沿壁面一侧向上回流，因流体 的连续性而形成单一的环流; 结晶器水平截面上钢 液只有由中心向外的径向速度，如图 4( a) 所示． 施 加电磁搅拌后，在切向电磁力和径向电磁力的作用 下，钢液由中心向外流动，钢液到达结晶器壁面后， 分别沿壁面向上、向下流动，而轴向的电磁力梯度会 强化这种流动，从而在结晶器中心纵截面上形成上、 下两对回流方向相反的回流区，如图 3( b) 所示; 同 时，切向电磁力会使钢液在水平方向上产生旋转运 动，如图 4( b) 所示，钢液的旋转流动可以清洗凝固 前沿，打断柱状晶梢，促进等轴晶增殖． 图 3 结晶器中心纵截面速度分布矢量图． ( a) 无电磁搅拌; ( b) 有电磁搅拌( I = 300 A，f = 3 Hz) Fig． 3 Distribution of velocity vector on y--z plane at x = 0 m． ( a) without M-EMS; ( b) with M-EMS ( I = 300 A，f = 3 Hz) 图 5 所示为电流对搅拌器中心横截面切向速度 的影响． 由图 5( a) 可知，频率一定时，不同电流下 钢液的切向速度具有相似的分布，即在靠近壁面处 最大，向铸坯中心逐渐衰减，铸坯中心切向速度为 零; 但是，在同一径向位置处，钢液的切向速度随电 流的增大而增大，即电流不改变切向速度的分布结 构，而只对切向速度的大小有影响，电流对搅拌器中 心横截面上铸坯最大切向速度的影响见图 5 ( b) ． 由图 5( b) 可知，在搅拌器中心横截面上，钢液的最 大切向速度与电流呈线性关系，频率为 3 Hz 时，电 流每 增 大 50 A，最 大 切 向 速 度 相 应 增 加 0. 075 m·s － 1 ． 在实际生产中，可以通过调节电流大小来控 制电磁搅拌强度． 图 6 所示为电流对铸坯中心轴向速度和边缘切 向速度分布的影响． 由图 6( a) 可知，在没有电磁搅 · 6531 ·