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天钢圆坯电磁搅拌数值模拟与参数优化

王德清

(天津钢铁集团有限公司炼钢厂，天津300301)

摘 要：为了解天钢圆坯结晶器电磁搅拌过程中钢液流动的状况，利用有限元、有限体积法进行数值求解^[1]，并且对电磁场的计算结果进行实际测量。通过对电磁搅拌参数的优化促进铸坯等轴晶生长^[2]，使坯壳生长均匀，提高钢液的夹杂物上浮，减少了漏钢事故，提高了铸坯质量。

关 键 词：圆坯；电磁搅拌；数值模拟

连铸电磁搅拌技术(Electromagnetic stirring，简称EMS)是指在连铸过程中，通过在连铸机的不同位置处安装不同类型的电磁搅拌装置，利用所产生的电磁力强化铸坯内金属液的流动，从而改善凝固过程的流动、传热及传质条件，以改善铸坯质量的一项电磁冶金技术^[3]。本文利用有限元、有限体积法进行数值求解^[4]，并且对电磁场的计算结果进行实际测量，通过优化电磁搅拌参数，达到了提高铸坯内部质量的目的。

1  天钢圆坯结晶器电磁搅拌实体模型的建立

天钢圆坯结晶器电磁搅拌实体模型见图1。

选用三维实体单元solidll7单元^[5]，对搅拌器，铸坯采用映射网格划分，这样能在边界上更好地保持恒定的网格特性，凝固壳及金属熔体是电的良导体，其网格质量的好坏对计算结果的精度有着极大的影响，所以对其进行较细网格的划分^[6]。此外，考虑到集肤效应的影响，需要对铸坯表面进行更细的网格划分^[7]。对空气进行自由网格划分，实现网格的均匀过渡^[8]。计算区域的有限元模型的网格如图2所示。图中标明了搅拌器的安装位置，以及计算过程中所用到的坐标体系，坐标原点位于结晶器顶表面圆心。

2  计算结果及分析

图3为铸坯中的磁感应强度分布云图。从中可以看出，电磁搅拌磁场在铸坯轴向方向上的分布并不均匀，磁感应强度先逐渐增大，在结晶器下口z=0．8m处达最大，出结晶器后逐渐减小，并且出结晶器的磁感应强度要高于结晶器内某些部分的磁感应强度，这主要是由于少了结晶器铜板的屏蔽作用。这一规律在图4中表现的更为明显。

电磁搅拌参数就是指电流强度和电流频率。图5给出了频率4．0Hz，钢液中的磁感应强度的大小随着电流强度的增大而呈线性增大，当电流强度从260A增大到320A时，电磁搅拌中心的磁感应强度从43．0mT增大到56．9mT。

图6给出了电流300A时，铸坯中心轴线上磁感应强度分布随着频率变化的曲线，从中可以看出，随着频率由5．0变化到8．0Hz，磁感应强度略有减小，但变化不大。

3  模拟结果与测试结果的比较

图7为搅拌器中心轴线上，磁感应强度计算结果与实测数据的对比。经过对比，可以很清楚地看出，数值模拟的结果和现场测试结果吻合的很好，验证了数值模拟的准确性。

4  电磁搅拌参数的优化与实践

针对Φ150mm的37Mn5和82B进行现场优化试验，结合目前工艺参数，得出了典型钢种的最佳励磁电流和频率的工艺参数，具体见表1。

图8、图9给出了铸坯内部质量评级和等轴晶率。针对Φ150mm的82B和37Mn5两个钢种，确定了圆坯连铸结晶器电磁搅拌的最佳励磁电流强度和频率，即：37Mn5为300A、6Hz，82B为260A、8Hz。采用优化参数后的电磁搅拌参数：37Mn5圆坯的中心疏松≤1级，等轴晶率达到48．7％，无裂纹、缩孔和皮下气泡等缺陷；82B圆坯的中心疏松≤1级，等轴晶率几乎接近100％，平均C偏析指数达到1．02，无裂纹、缩孔和皮下气泡等缺陷。

5  结论

根据电磁场理论和有限元方法，建立了电磁场的数学模型，利用有限元软件ANSYS对结晶器电磁搅拌铸坯内的电磁场进行了数值模拟，得出如下结论：

1)连铸结晶器电磁搅拌中的磁场是旋转磁场，旋转磁场的周期与励磁电流的周期相同。磁感应强度在结晶器下口中心达最大，向两边逐渐减小。

2)搅拌器区域范围内金属熔体都受到了沿周向方向上的力，作用方向与磁场的旋转方向一致。同一水平截面内，铸坯边缘上的电磁力最大，向中心不断减弱。切向电磁力的轴向大小分布特征与磁感应强度沿结晶器中心轴线的分布规律大致相同。

3)结合现场实际，对结晶器电磁搅拌的磁感应强度进行实测，验证了模型的准确性。

4)针对82B和37Mn5两个钢种，确定了圆坯连铸结晶器电磁搅拌的最佳励磁电流强度和频率，中心疏松≤1级，等轴晶率达到48．7％，无裂纹、缩孔和皮下气泡等缺陷。

参 考 文 献：

[1]   干勇．连续铸钢前沿技术的工程[J]．中国工程科学，2002，4(9)：12—13．

[2]   《中国冶金报》编．连续铸钢500问[M]．北京：冶金工业出版社，1994：2—5．

[3]   蔡开科，程士富．连续铸钢原理与工艺[M]．北京：冶金工业出版社，2002：1—3．

[4]   朱苗勇，刘家奇，肖泽强．板坯连铸结晶器内钢液流动过程的模拟仿真[J]．钢铁，1996，31(8)：23—27．

[5]   薄开涛，成国光，吴洁，等．双条型磁极作用下结晶器内液态金属流动的数学模拟[J]．北京科技大学学报，1997，21(4)：334—337．

[6]   高允安，贾光霖，史玉升，等．线性电磁搅拌时金属运动规律的数学模型[J]．东北工学院学报，1991，12(3)：292—297．

[7]   麻永林，贺友多，徐光尧，等．连铸电磁搅拌器磁场的有限元分析[J]．包头钢铁学院学报，1997，16(3)：193—196．

[8]   周伟，韩海鹰，贾斌，等．小方坯连铸结晶器电磁搅拌磁场和流场的模拟仿真[J]．包头钢铁学院学报，1999，18(2)：139—142．