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摘要：根据结晶器流场优化的物理模拟，确定不同断面铸坯无电磁搅拌情况下最佳工艺参数和水口的结构参数。本文以250mm×300mm两种断面铸坯，以双侧孔型水口为例，建立结晶器流场的计算模型，得到相应的流场分布，以分析电磁搅拌对结晶器内部流场的影响。

关键词：结晶器；建模；电磁搅拌；流畅耦合

1.研究背景

结晶器是连铸机的心脏，结晶器工况与连铸坯的表面和内部质量息息相关，结晶器内钢水的运动状态严重影响卷渣、夹杂物上浮、坯壳的形成及其组织结构等。在结晶器尺寸一定的条件下，确定合适的水口结构及其浸入深度，获得合理的流场，是改善铸坯质量和生产安全的基础。

2.流场数学模型建立与计算

2.1 设定模型假设条件

在电磁场计算模型中，由于铸坯中产生的位移电流的影响可忽略不计，因此电磁场和流场的耦合作为单向耦合。建立数学模型时，在保证结果准确性的前提下，可做出如下几点假设：

（1） 结晶器内全部认定为高温钢液，忽略凝固坯壳的影响；

（2） 钢液属于不可压缩牛顿流体，按均相介质处理，其物性参数为常数；

（3） 认为结晶器内的钢液流动为稳态流动，用时均值代替电磁力；

（4） 不考虑结晶器的锥度、振动以及钢液表面的保护渣的影响。

2.2电磁搅拌对双侧孔水口流场与温度场的影响（I=400A）

图2-1为采用双侧孔水口时，电磁搅拌对铸坯内流场的影响。可以看到，未采用电磁搅拌时，钢液由浸入式出口流出后，冲击至铸坯窄面，而后分别流向自由液面与结晶器出口，钢液在到达结晶器出口之前，流动方向已经基本与拉坯方向一致。与之对比，采用电磁搅拌会使钢液在流出水口之后，转变为速度较高的水平旋转。同时，因在结晶器内受到的电磁力较大，在结晶器内的旋转速度较快，钢液出结晶器之后，旋转速度迅速下降。

图2-2与图2-3分别是电磁搅拌对铸坯纵截面速度分布与自由液面宽对称面上距窄面4mm处射流速度的影响。由图中可以看出，采用电磁搅拌后，结晶器内的流动速度迅速增加至0.2～0.35 m·s-1间，冲击深度也由404mm减少至210mm，并且受电流集肤效应的影响，壁面的流速要显著高于结晶器中心的流速。同时，钢液射流被电磁力打断，不再冲击至窄面，故可减少对坯壳的冲击。但钢液具备了高于冲击速度的水平旋转速度，可以继续对枝晶的生长造成影响。

图2-4、图2-5与图2-6分别为自由液面、搅拌器中心截面与结晶器出口处速度分布。图2-7为电磁搅拌对自由液面宽对称面上速度分布的影响。有图中可以看到，采用电磁搅拌使自由液面上钢液流动方向转变为旋转方向并增大了液面流速，峰值位置也转移至水口附近。并且自由液面的流速由0.097m·s-1增加至0.28m·s-1。同时，在搅拌器中心截面与结晶器出口处本已缓慢流动的钢液也因电磁力的影响而快速旋转，最大流速分别由0.097 m·s-1与0.042 m·s-1提高至0.4 m·s-1与0.45 m·s-1。

图2-8与图2-9为电磁搅拌对自由液面上湍动能分布的影响。由图中可以看出，自由液面上的湍动能由无电磁力时的0.00038m2·s-2提高至有电磁搅拌时的0.0014 m2·s-2。并且水口附近的低湍动能区也因峰值位置向水口附近转移而快速缩小，为改善渣面活跃度提供了动力。

图2-10与图2-11为电磁搅拌对铸坯中截面温度分布的影响与铸坯纵截面距窄面4mm处射流温度的影响。可以看出，电磁搅拌的采用使高温钢液射流无法直接撞击到坯壳上，射流峰值温度由1817.4K降至1810.2K。同时，由于强电磁搅拌的影响，钢液高温区集中在结晶器中部，且在结晶器出口中部温度降低，同时，结晶器出口边部的温度稍有增加，这意味着电磁搅拌使结晶器出口的温度也更加均匀。

为电磁搅拌对结晶器自由液面温度的影响。电磁搅拌的采用虽将自由液面上的峰值温度由1808.5K降低至1807K，但却提高了窄面附近的低温区温度，改善了自由液面上的温度均匀性。高温区形状也由“长蝴蝶”形转变为风车形。

3.小结

（1） 采用双侧孔水口，当浸入深度由180mm增加至220mm时，冲击点位置由236mm增加至276mm，射流速度峰值（约0.25m·s-1）与温度峰值（约1817K）也略有降低。同时，自由液面的活跃性下降，液面流速、湍动能与液面温度分别由由0.1m·s-1、0.00044m2·s-2与1809.5K降至0.09m·s-1与0.0032m2·s-2与1808.5K。

（2） 采用电磁搅拌使铸坯内钢液流动形态转变为速度较高的周向旋转，并且可以阻断高温高速射流对铸坯的直接冲击，将高温区向结晶器的中部集中，虽然这会使高温区向下移动，但是强电磁搅拌有利于促进结晶器内的钢液温度分布的均匀性且结晶器出口的钢液温度降低。

（3） 采用电磁搅拌也改变了结晶器自由液面的状态，自由液面上钢液流动方向由指向浸入式水口的径向流动转变为以浸入式水口为中心的周向运动，自由液面的湍动能与流速由0.00038m2·s-2与0.097m·s-1增加至0.0014 m2·s-2与0.28m·s-1；自由液面上高温区分布由“长蝴蝶”形转变为“风车型”，液面温度虽由1808.5K下降至1807K，且温度分布更加均匀。

参考文献：

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