连铸坯凝固电磁搅拌技术模型分析

电磁搅拌技术是提高金属冶炼工艺效率和产品质量的重要辅助手段。该工艺从应用到钢的连铸生产开始，迄今已日益成熟，不仅应用于中间包加热，凝固末端，结晶器，二冷区，还应用于合金熔炼炉，并且从单一的形式发展为组

电磁搅拌技术是提高金属冶炼工艺效率和产品质量的重要辅助手段。该工艺从应用到钢的连铸生产开始，迄今已日益成熟，不仅应用于中间包加热，凝固末端，结晶器，二冷区，还应用于合金熔炼炉，并且从单一的形式发展为组合形式。由于电磁搅拌技术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，减轻中心偏析及中心疏松等内部缺陷方面都有c显著的作用效果，与机械搅拌法相比，具有不直接接触金属熔体、对金属熔体无污染、明显降低金属熔体氧化等优点。在凝固前沿，电磁力驱动的垂直于柱状晶的流动可以均匀凝固前沿的温度，促进凝固前沿的夹杂物和气泡的运动。最重要的是打坏或折弯柱状枝晶，并将富积于凝固前沿的溶质分布于溶体中。这些被打碎的枝晶碎片进入溶体后成为新的结晶核，这样将导致等轴晶数量的增加。从而可以提高连铸坯的质量。要充分发挥电磁搅拌技术的效能，必须预先掌握连铸坯冶金长度及电磁搅拌器操作参数。为此，需要建立连铸凝固与偏析的模型和电磁搅拌器产生磁场的计算模型。连铸坯凝固与偏析的混相模型与纯物质相变不同，钢（属于合金）凝固是在一定的温度范围内进行的，除传热外，还有宏观偏析和微观偏析(即溶质再分布)现象发生。纯物质相变具有明确的固-液相边界，而合金相变本质上是溶质元素析出过程；相变场包括固相区、液相区及糊状枝晶两相区。因此，合金相变过程比纯物质相变过程复杂得多。Bennon和Incropera提出混相模型统一描述固、液相区及模糊区。这一模型被广泛用于多元物质凝固分析。aboutalebi等采用该模型及低Re数湍流模型对于小方坯初凝固区的流动、传热和传质进行了计算分析。本研究采用混相模型模拟板坯连铸过程，着重分析凝固壳厚度分布和中心线偏析现象，为确定电磁搅拌位置提供参考依据。在对问题进行数学描述之前，需做如下假定：(1)所研究问题为稳态问题。流动为不可压缩的牛顿流体流动；(2)研究介质为二元的Fe-C合金；(3)凝固过程中保持局部的热动态平衡；(4)忽略由于溶质的分布变化产生的铸坯形变；(5)假定为柱状枝晶凝固，并忽略孔隙生成。根据混相理论，认为区域内任意微元体内都是液相和固相共存区。钢的凝固过程中，当固液平衡分率()小于1时，会出现诸如C,S,P及Mn等溶质元素的宏观偏析。在凝固壳生长过程中，处于凝固前沿的钢液中富含溶质元素，并随对流流动和扩散在熔液中重新分配。最终，随着凝固的进行，进行稀释的液相越来越少，从而沿浇注中心形成偏析。凝固前沿溶质富集，在两侧凝固壳搭桥时，溶质于钢坯中心线处形成强烈的富集区，于是，钢坯的中心线偏析形成。结论（1）通过对电流、频率等参数的模拟，得知随着电流强度的增大，电磁力增大。同时在相同电流值的情况下，电流频率越大，电磁场强度越大，电磁力越大，搅拌的效果越好。（2）搅拌器的结构参数对电磁力也有一定的影响。磁轭齿宽尺寸增大，获得的电磁力随之增大，能够获得更好的搅拌效果，增加搅拌器的长度有利于扩大搅拌器的搅拌范围,提高搅拌质量。（3）为得到足够大的磁感应强度和电磁力,提高搅拌器的效率，尽量缩短线圈与熔融金属间的距离是十分必要的。