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 ·749· KEY WORDS round billet continuous casting:F-EMS:electromagnetic field:melt flow in mushy zone:heat transfer 连铸坯的中心偏析及其伴随的中心疏松、缩孔 客观地正确认识实际连铸工况下末端电磁搅拌作用 一直都是制约铸坯质量提升的瓶颈，凝固末端电磁 规律，本研究以特殊钢圆坯连铸为例，基于麦克斯韦 搅拌(F-EMS)利用铸坯液相穴内钢液的感生电流 方程组和低雷诺数湍流模型，建立了从结晶器水口 与交变磁场相互作用产生电磁力，驱动末端糊状区 入口至凝固末端的三维全流程电磁一流动一凝固耦 钢液旋转流动，改善铸坯凝固过程中的对流、传热和 合数值模型，并利用达西源项法处理钢液在糊状区 传质行为.F-EMS与结品器电磁搅拌(M一EMS)组 的流动.其中重点分析了电流强度和实际较大频率 合，广泛应用于中、高碳钢方圆坯连铸生产，以减轻 (20~40Hz)对凝固末端电磁搅拌区域电磁场和钢 铸坯中心偏析、V型偏析和中心疏松、缩孔) 液流动与传热特征的影响，以期对实际连铸末搅工 F-EMS的安装位置至关重要，严重影响其使用 艺设计和铸坯中心质量的控制提供科学依据. 效果.Ayata等回根据钢锭凝固过程末端电磁搅拌 1模型建立 试验，提出有效改善钢锭中心低倍质量的合理搅拌 位置应在中心固相分率0.05~0.2范围内，且液芯 凝固末端电磁搅拌模型主要包括线圈、铁芯、铸 面积比应小于0.2.Mizukami等同对凝固末端电磁 坯和空气域（空气域未显示），其结构如图1所示. 搅拌进行了研究，认为FEMS应当安装在中心固相 其中，搅拌器为凸极式六线圈三对绕组结构.搅拌 率为0.1的位置：同时提出了一种向上搅拌的模式， 器内径为400mm,外径为660mm,高580mm,安装 设想通过阻止枝晶间的流动来改善V型偏析.Su- 位置为距离弯月面10.5m处，搅拌方式为连续 zuki等O研究了不同EMS工艺参数对工字型钢锭 搅拌. 凝固过程中心偏析和疏松的影响，指出F-EMS的最 线圈 佳搅拌液芯厚度为30~50mm,并在实验生产中得 到验证.Oh与Chang因进行了不同碳含量下方坯 F-EMS工艺优化试验，结果表明，碳质量分数分别 为0.71%，0.82%以及1.01%的大方坯连铸，其最 佳的液芯搅拌厚度分别为70、54和30mm;碳质量 分数分别为0.74%和0.30%的小方坯连铸，其最佳 铁芯 的液芯搅拌厚度分别为65和55mm.近年来，国内 学者6-0针对各钢厂对F-EMS的安装位置进行了 工业试验研究，认为FEMS合理的安装位置位于凝 铸坏 固率（坯壳厚度与铸坯断面当量半径的比值）0.6~ 图1末端电磁搅拌模型结构图 0.8范用内. Fig.1 Model of the F-EMS 在凝固末端电磁搅拌的数值模拟研究方面，多 1.1模型假设 数学者.10采用二维传热模型计算铸坯的温度分 由于凝固末端电磁搅拌涉及到多物理现象，为 布与合理的搅拌位置.该方法省时方便，但此类模 合理简化模型，做出以下假设： 型不能求解钢液流动与电磁力的耦合作用，自然不 (1)电磁搅拌过程中，磁雷诺数较小，忽略钢液 能考虑电磁力对钢液流动的影响.苏旺等将末 流动对磁场的影响： 端搅拌电磁力与钢液流动进行耦合，通过确立钢液 (2)低频搅拌工况下电磁场可视为磁准静态 黏度与温度的关系考虑凝固时钢液黏度的变化，然 场，忽略位移电流： 而忽略了钢液在糊状区的流股动量损失，无法获得 (3)连铸过程视为稳态，采用低雷诺数k一ε模 钢液在糊状区的真实流动状态.此外，为了获得足 型模拟钢液的湍流效应； 够的磁场穿透深度，上述研究中凝固末端电磁搅拌 (4)钢液假定为不可压缩牛顿流体，密度符合 均采用较低的电流频率(4~12Hz),但对于小断面 Boussinesq近似，其他热物性参数视为平均常数； 铸坯，能否采用较大的电流频率仍没有定论 (5)由于钢的固态相变潜热远小于凝固潜热， 鉴于现有实验和模型研究存在的问题，为了更 故忽略其影响；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 KEY WOＲDS round billet continuous casting; F--EMS; electromagnetic field; melt flow in mushy zone; heat transfer 连铸坯的中心偏析及其伴随的中心疏松、缩孔 一直都是制约铸坯质量提升的瓶颈，凝固末端电磁 搅拌( F--EMS) 利用铸坯液相穴内钢液的感生电流 与交变磁场相互作用产生电磁力，驱动末端糊状区 钢液旋转流动，改善铸坯凝固过程中的对流、传热和 传质行为． F--EMS 与结晶器电磁搅拌( M--EMS) 组 合，广泛应用于中、高碳钢方圆坯连铸生产，以减轻 铸坯中心偏析、V 型偏析和中心疏松、缩孔［1］． F--EMS 的安装位置至关重要，严重影响其使用 效果． Ayata 等［2］根据钢锭凝固过程末端电磁搅拌 试验，提出有效改善钢锭中心低倍质量的合理搅拌 位置应在中心固相分率 0. 05 ～ 0. 2 范围内，且液芯 面积比应小于 0. 2． Mizukami 等［3］对凝固末端电磁 搅拌进行了研究，认为 F--EMS 应当安装在中心固相 率为 0. 1 的位置; 同时提出了一种向上搅拌的模式， 设想通过阻止枝晶间的流动来改善 V 型偏析． Su￾zuki 等［4］研究了不同 EMS 工艺参数对工字型钢锭 凝固过程中心偏析和疏松的影响，指出 F--EMS 的最 佳搅拌液芯厚度为 30 ～ 50 mm，并在实验生产中得 到验证． Oh 与 Chang ［5］进行了不同碳含量下方坯 F--EMS 工艺优化试验，结果表明，碳质量分数分别 为 0. 71% ，0. 82% 以及 1. 01% 的大方坯连铸，其最 佳的液芯搅拌厚度分别为 70、54 和 30 mm; 碳质量 分数分别为 0. 74% 和 0. 30% 的小方坯连铸，其最佳 的液芯搅拌厚度分别为 65 和 55 mm． 近年来，国内 学者［6--10］针对各钢厂对 F--EMS 的安装位置进行了 工业试验研究，认为 F--EMS 合理的安装位置位于凝 固率( 坯壳厚度与铸坯断面当量半径的比值) 0. 6 ～ 0. 8 范围内． 在凝固末端电磁搅拌的数值模拟研究方面，多 数学者［7，10--13］采用二维传热模型计算铸坯的温度分 布与合理的搅拌位置． 该方法省时方便，但此类模 型不能求解钢液流动与电磁力的耦合作用，自然不 能考虑电磁力对钢液流动的影响． 苏旺等［14］将末 端搅拌电磁力与钢液流动进行耦合，通过确立钢液 黏度与温度的关系考虑凝固时钢液黏度的变化，然 而忽略了钢液在糊状区的流股动量损失，无法获得 钢液在糊状区的真实流动状态． 此外，为了获得足 够的磁场穿透深度，上述研究中凝固末端电磁搅拌 均采用较低的电流频率( 4 ～ 12 Hz) ，但对于小断面 铸坯，能否采用较大的电流频率仍没有定论． 鉴于现有实验和模型研究存在的问题，为了更 客观地正确认识实际连铸工况下末端电磁搅拌作用 规律，本研究以特殊钢圆坯连铸为例，基于麦克斯韦 方程组和低雷诺数湍流模型，建立了从结晶器水口 入口至凝固末端的三维全流程电磁--流动--凝固耦 合数值模型，并利用达西源项法处理钢液在糊状区 的流动． 其中重点分析了电流强度和实际较大频率 ( 20 ～ 40 Hz) 对凝固末端电磁搅拌区域电磁场和钢 液流动与传热特征的影响，以期对实际连铸末搅工 艺设计和铸坯中心质量的控制提供科学依据． 1 模型建立 凝固末端电磁搅拌模型主要包括线圈、铁芯、铸 坯和空气域( 空气域未显示) ，其结构如图 1 所示． 其中，搅拌器为凸极式六线圈三对绕组结构． 搅拌 器内径为 400 mm，外径为 660 mm，高 580 mm，安装 位置为 距 离 弯 月 面 10. 5 m 处，搅拌方式为连续 搅拌． 图 1 末端电磁搅拌模型结构图 Fig． 1 Model of the F--EMS 1. 1 模型假设 由于凝固末端电磁搅拌涉及到多物理现象，为 合理简化模型，做出以下假设: ( 1) 电磁搅拌过程中，磁雷诺数较小，忽略钢液 流动对磁场的影响; ( 2) 低频搅拌工况下电磁场可视为磁准静态 场，忽略位移电流; ( 3) 连铸过程视为稳态，采用低雷诺数 k--ε 模 型模拟钢液的湍流效应; ( 4) 钢液假定为不可压缩牛顿流体，密度符合 Boussinesq 近似，其他热物性参数视为平均常数; ( 5) 由于钢的固态相变潜热远小于凝固潜热， 故忽略其影响; · 947 ·