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摘要：根據(jù)某鋼廠連鑄機參數(shù)和工藝參數(shù)，通過電磁場和流場的數(shù)學模型，本文研究了不同電磁攪拌參數(shù)對電磁場分布和液相穴的影響。模擬結果表明，鑄坯內(nèi)部電磁感應強度和電磁力隨著距鑄坯中心距離的增大而減小。隨著電流強度和拉速的增加，鑄坯內(nèi)鋼液流動速度相應增大。生產(chǎn)實踐表明，攪拌電流為1100~1200A時，鑄坯中心偏析可達到B級1.0，等軸晶率可達15%。

關鍵詞：中錳鋼；電磁攪拌；中心偏析；等軸晶率

溶質(zhì)元素在固相和液相中的溶解度是不同的。在鑄坯凝固過程中，溶質(zhì)元素不斷地從溶解度較低的固相進入溶解度較高的液相，從而形成偏析。受鋼液流動的影響，連鑄坯會在不同位置產(chǎn)生不同類型的宏觀偏析［1-4］，可分為正偏析和負偏析兩種。特別是高碳鋼和高合金鋼，極易在凝固過程中產(chǎn)生偏析，危害鋼的質(zhì)量，降低經(jīng)濟效益。因此，改善連鑄過程的偏析程度是提高鑄坯質(zhì)量亟待解決的問題。對于板坯連鑄，電磁攪拌可以通過電磁力改變柱狀晶生長方向，甚至破壞已形成的柱狀晶，使柱狀晶轉(zhuǎn)變?yōu)榈容S晶［5-6］，從而達到細化晶粒，增加等軸晶率和減輕鑄坯中心偏析的目的。楊驥等［7］發(fā)現(xiàn)，二冷區(qū)凝固坯殼可顯著減弱電磁攪拌強度，使得特厚板坯內(nèi)部鋼液流速降低，回流區(qū)影響范圍減小，進而加劇溶質(zhì)元素偏析。許志剛等［8］研究表明，等軸晶區(qū)為負偏析，而中心柱狀晶為正偏析。為了準確預測鑄坯溶質(zhì)元素偏析情況，李寶寬［9］通過數(shù)學模擬建立了中心偏析的在線預測模型。研究［10］發(fā)現(xiàn)，元素偏析具有選擇性，C和Mn極易在凝固過程中形成偏析。近年來，中高錳鋼因其優(yōu)良的綜合力學性能被重點關注［11-12］。但是到目前為止，關注的焦點是如何通過成分設計和熱處理及軋制工藝提高中高錳鋼的力學性能，而對電磁攪拌作用下中高錳鋼凝固過程中元素偏析和晶體生長行為知之甚少。為此，本研究以中錳鋼為研究對象，結合某鋼廠連鑄機參數(shù)和連鑄工藝參數(shù)，建立電磁場和流場的數(shù)學模型，模擬研究不同電磁攪拌參數(shù)對電磁場分布和液相穴內(nèi)部流動情況，為工業(yè)生產(chǎn)中參數(shù)的制定提供依據(jù)。

1電磁場模擬

1.1電磁場模型某鋼廠連鑄板坯截面尺寸為230mm×1650mm。采用輥式攪拌器，安裝在二冷區(qū)的35#和40#輥處，分別距離結晶器彎月面11.18m和13.03m。在建立模型有限元時，進行如下簡化和假設：（1）建模僅限于鑄坯的攪拌器部分，包括攪拌輥上下300mm處。（2）忽略由電磁場產(chǎn)生的位移電流，且對磁場不受兩相區(qū)鋼液流動的影響，忽略磁滯效應。（3）認為電磁攪拌器冷卻水和空氣都為絕緣介質(zhì)體，其電導率為0。鋼液相對磁導率為1。（4）空氣建模體積一般為磁體體積2~3倍。（5）認為線圈筒具有均勻的導電性。（6）認為磁軛和鐵芯的相對磁導率也具有各項同性的性質(zhì)，且為常數(shù)。所建模型如圖1所示。其中Y軸（縱軸）為拉坯方向，X-Z面為鑄坯橫截面，Y=0處為第一攪拌輥中心橫截面。在進行模型的網(wǎng)格劃分時，對空氣部分采用四面體結構進行劃分，其它部分盡可能采用六面體結構進行劃分。

1.2電磁場計算結果與分析圖2為電磁攪拌參數(shù)設定為800A和4Hz時，鑄坯中心縱軸線上磁感應強度分布。攪拌器中心處的磁感應強度最大，隨著距中心距離的增大而電磁感應強度急劇減小。圖2鑄坯中心縱軸線上磁感應強度分布Fig.2Distributionofmagneticinductionstrengthalonglongitudinalaxisofslabcenter主要與兩個因素有關：一是攪拌輥內(nèi)有磁屏蔽環(huán)存在，可阻礙磁感線傳遞到其它方向，進而將磁感線聚集于攪拌器附近；二是一對磁極由一對輥子相應部分形成，可造成磁感相對集中。攪拌輥中心Y=0橫截面電磁力分布如圖3所示。在兩對電磁攪拌輥中心橫截面上，鑄坯邊緣電磁力最大，向中心不斷衰減。這種分布規(guī)律使鋼液在鑄坯邊部的流速較大，呈現(xiàn)趨膚效應；離鑄坯中心越近，磁場減弱，感應電流變小，電磁力也減小。圖4為鑄坯中心縱軸電磁力的分布圖。在攪拌輥作用下，電磁力相對較為集中，其分布狀況與磁感強度一致。

1.3電流強度對電磁場的影響圖5給出了不同電流強度下縱向磁場分布。盡管電流有所不同，但是磁感強度的變化趨勢是相似的。同時還可以看出電流對電磁感應強度是有影響的，增加電磁攪拌的電流可增加鑄坯中的磁感應強度。當電流由800A增加到1.2kA，中心磁感強度（最大）可由59mT增加到73.8mT，由此可以得出攪拌輥中心的磁感應強度隨電流變化的電流強度對電磁力的影響如圖6所示。盡管電流強度發(fā)生變化，但電磁力的分布規(guī)律基本相似，僅電磁力大小有所變化。從圖7還可看出，電磁力隨著電流強度的增大而增大，近似為拋物線分布。電流強度越大，磁感應強度越大，產(chǎn)生的感應電流越大，電磁力也越大。電流從800A增加到1.2kA時，最大電磁力從2.117kN/m3增加到3.308kN/m3，電磁力增加幅度較大，從而可以有效地驅(qū)動兩相區(qū)鋼液的移動。

2流場模擬

2.1流場模型在建立鑄坯內(nèi)部鋼液流場數(shù)學模型時，做出如下幾條假設：（1）認為鋼液為均相介質(zhì)的不可壓縮的牛頓流體，其物性參數(shù)為常數(shù)。（2）認為鋼液為流動為穩(wěn)態(tài)，時變電磁力用時均值表示。（3）二冷區(qū)的鑄坯液相穴內(nèi)的鋼液溫度較低，等軸晶對流動的影響，采用增加粘度的方法等效。流體流動數(shù)學模型包括質(zhì)量守恒定律、動量守恒定律和低Re數(shù)k-ε模型，在文獻［13］中已有詳細介紹。模型邊界條件：（1）模型的上、下端邊界條件：由于兩相區(qū)隨著鑄坯拉坯方向在運動，兩相區(qū)與鑄坯凝固前沿認為沒有相對速度，所以本模型上端和下端均設定自由邊界。（2）凝固側(cè)壁壁面：在凝固前沿的壁面位置，垂直速度為零，采用無滑移邊界條件。模型計算時，采用交錯網(wǎng)格存儲速度分量，若收斂殘差小于10-1則求解結束。

2.2流場計算結果將電磁力模擬結果耦合到流場模型中，并對流場模型進行計算求解。模擬電磁參數(shù)條件下二冷區(qū)兩相區(qū)內(nèi)鋼液的流動狀態(tài)，分析鑄坯液相穴內(nèi)不同位置鋼液的流速分布，為尋找合適的電磁攪拌參數(shù)提供理論指導和依據(jù)。將電流頻率設定為4.0Hz，電流分別為800A、1kA、1.2kA，計算不同電流強度下攪拌輥區(qū)域附近連鑄坯內(nèi)液態(tài)鋼液的流動。圖7為鑄坯中心縱截面流場云圖。在鑄坯內(nèi)部有4個漩渦區(qū)，形成雙碟形流場，最大速度集中在攪拌輥的端部。隨著電流強度的增加，流場分布基本一致，但鋼液流動速度相應增大，最大切向速度由0.388m/s增大到0.506m/s。在電磁力作用下，鋼液從一端開始加速，在慣性作用下，在另一端速度達到最大，并在界面前沿分成兩股，分別向上回流和向下回流。在這兩股回流的作用下，可以消除鑄坯內(nèi)部鋼液的過熱度，沖刷凝固界面前沿，打斷柱狀晶，有利于等軸晶的生長。但是，凝固過程中負偏析溶質(zhì)從固相中排出并富集在枝晶間的液相中，偏析元素被流動的鋼液帶走，可能會誘發(fā)白亮帶的形成。因此，要求二冷區(qū)鋼液速度控制在0.5m/s左右［13］。結合某鋼廠現(xiàn)場的實際情況，在1.2kA和4Hz時，最大攪拌速度達到0.506m/s是可行的。

2.3拉速的影響連鑄過程中，當拉速增加時，鑄坯的坯殼厚度減小，液相穴中鋼液溫度升高，等軸晶對流動的影響減小。當拉速升高至1.1m/min和1.2m/min時，鑄坯坯殼厚度減小至67.7mm和65.2mm。本文將攪拌電流設定為1kA和4.0Hz，計算不同拉速條件下鑄坯液相穴中的鋼液流動情況。圖8為相同攪拌參數(shù)不同拉速條件下攪拌器中心縱截面上的速度分布圖。隨著拉坯速度的增加，縱截面內(nèi)鋼液流動速度增大，最大切向速度由0.447m/s增大到0.50m/s，速度增加比較明顯。由此可以說明，拉坯速度對電磁攪拌效果也有較大的影響。拉速越快，二冷區(qū)的攪拌輥附近坯殼厚度越小，兩相區(qū)溫度升高，攪拌強度加大，過熱度消除也加快。但會增加白亮帶形成概率。因此在板坯連鑄過程中，應盡量保持拉速的相對恒定，以穩(wěn)定連鑄坯的內(nèi)部質(zhì)量。

3工業(yè)實驗

在230mm×1650mm連鑄機上進行了中錳鋼生產(chǎn)實驗。中錳鋼成分：w（C）=0.05%，w（Si）=0.25%，w（Mn）=5.50%，w（Cr）=0.40%，w（Ni）=0.30%，w（Mo）=0.21%，w（Al）=0.022%。當連鑄機拉速為1.0m/min，攪拌電流為1.1kA和4Hz時，盡管鋼中Mn質(zhì)量分數(shù)高達5.5%，但是在電磁攪拌的作用下，連鑄坯的內(nèi)部質(zhì)量明顯改善，中心偏析達到B級1.0，中心疏松0.5級，中心和中間裂紋以及中心縮孔都為0級，等軸晶率達到15%。這與模型計算結果一致，證明電磁攪拌可減弱鑄坯中心偏析，增加等軸晶率。

4結論

本文通過對某鋼廠板坯連鑄機建立的凝固傳熱與電磁攪拌模型，模擬分析了電磁攪拌器產(chǎn)生磁場的分布特征和連鑄坯液相穴的流動情況，并進行了工業(yè)實驗，所得結論如下：（1）最大磁感應強度出現(xiàn)在攪拌器中心處，距離中心越遠，電磁感應強度越小。鑄坯中電磁力分布與磁感應強度有著相似的分布趨勢。不同電流條件下磁感應強度的分布情況基本相同。隨著電流的增大，鋼液中的磁感應強度逐漸增大。（2）電磁攪拌作用下，鑄坯中心縱截面形成雙碟形流場，最大速度集中在攪拌輥的端部。隨著電流強度的增加，縱截面內(nèi)鋼液流動速度相應增大，最大切向速度由800A的0.388m/s增大到1200A的0.506m/s。隨著拉坯速度的增加，縱截面內(nèi)鋼液流動速度增大。（3）工業(yè)實驗中，當連鑄機拉速為1.0m/min，電磁攪拌參數(shù)為1.1kA和4Hz時，連鑄坯中心偏析達到B級1.0，等軸晶率達到15%，鑄坯質(zhì)量良好。

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作者：馬超 欒花冰 李泊 尚世震 朱曉雷 魏崇一 單位：鞍鋼招標有限公司