电磁搅拌作用下，大型立式铸钢件的凝固过程和机理是什么？

摘要：电磁搅拌通过电磁感应原理产生涡流，并施加力矩和涡流阻尼力，使液态金属产生剧烈的运动和搅拌。这种搅拌作用下，凝固过程中的热量传递更加均匀，铸钢液的温度分布和成分均匀性得到改善。

大型立式铸钢件在制造过程中，常常遇到凝固不均匀和缺陷问题，导致铸件的质量和性能下降。

电磁搅拌技术通过施加电磁力，能够改善铸钢件的凝固过程，从而提高铸件的质量和性能。

电磁搅拌通过电磁感应原理产生涡流，并施加力矩和涡流阻尼力，使液态金属产生剧烈的运动和搅拌。这种搅拌作用下，凝固过程中的热量传递更加均匀，铸钢液的温度分布和成分均匀性得到改善。

随着对大型高质量转子轴或类似钢部件的需求激增，钢铁制造商面临着新的挑战。传统的铸造方法对于这些部件的制造不再适用，因为凝固时间过长会导致内部质量问题，如宏观偏析和中心线缩松。

为了克服这些问题，近年来提出了几种新的工艺概念，包括垂直连续铸造(VCC)、半连续铸造和分段铸造(SC)。这些方法结合了传统铸锭(IC)和连续铸造(CC)的优点，并消除了它们各自的局限性。

其中，垂直连续铸造(VCC)是一种方法，通过将热熔体倒入水冷模具中，并垂直取出一定长度和高度的凝固壳来形成初始形态。

然后，填充和部分固化的铸件被放置在冷却区，使液体型芯固化，通过采用浸入式水口(SEN)进行充型、水冷结晶器、二次冷却(空气或水喷淋)进行型壳成型以及电磁搅拌(EMS)进行流动和过热消散，可以有效地控制浇注过程。

在采用连铸技术后，填充的和部分固化的铸件可以另一侧进行剩余固化，此时可以采取进一步的措施，如热或电热浇头、屏蔽或隔离，甚至电磁搅拌(EMS)，以控制缩松、潜在裂纹、铸态结构和宏观偏析。

这些新的工艺概念为大型高质量转子轴或类似钢部件的制造提供了专业且通顺的解决方案，有效地克服了传统铸造方法所面临的问题。

尽管VCC、SCC和SC在技术细节上存在差异，但它们共同的特点是应用了电磁搅拌系统（EMS）。EMS根据安装位置的不同，可分为模具电磁搅拌（M-EMS）和绞线电磁搅拌（S-EMS）。VCC中也可以使用最终电磁搅拌（F-EMS），但对于SCC和SC则不适用。

结晶器电磁搅拌的作用是控制结晶器中的流动和过热消散，从而影响其余的凝固过程。S-EMS的作用是促进中心的等轴区域形成。

S-EMS在液芯中诱导一种特殊的流动模式，该流动与凝固前沿相互作用，通过碎裂作用产生等轴晶体碎片。这些晶体碎片在电磁搅拌诱导的流动下被带到铸件中心，形成等轴区域。

尽管S-EMS的主要思想很简单，但在工业实施过程中存在困难。电磁搅拌诱导的流动是多相流动，涉及到凝固糊状区前方流动与凝固相互作用的复杂过程。晶体碎片是在何种条件下产生的，碎片率以及其对流动强度的依赖性如何，需要进一步研究。

应力腐蚀包括两个阶段：拉晶阶段和凝固阶段。在实际的抽取过程中，铸模系统包括浸入式水口(SEN)、铸模和M-EMS是静止的，而凝固坯壳随着铸造速度\(v_{\text{withdraw}}\)增长。

为了模拟拉晶阶段的流动和凝固，计算域必须被视为动态增长的区域，即包括液态熔体和凝固壳。然而，这种类型的系统对于基于欧拉求解器的凝固模型来说是不可行的。因此，采用了一种独特的数值方法来模拟抽拉过程，

整个铸件区域(尺寸为ϕ1.0 m × 10 m)被认为是在静止的参考系中。我们假设在浇注温度下(1801.15 K)，整个计算域最初被钢熔体填充，没有流动。

当整个铸模系统(包括SEN、铸模和M-EMS)以速度\(v_{\text{withdraw}}\)移动时，计算域被设定为静止，即\(-v_{\text{withdraw}}\)。

同时，不同冷却区域的热边界条件(如图2所示)相应地上移。特别地，被称为伪渣感区的区域被设置为刚性材料，并具有钢熔体的初始温度。

由于整个计算域是固定的，伪渣感测区域的上移推动了位于区域上部的钢熔体，并迫使熔体通过感测区域流向区域下部。当结晶器系统和伪渣感测区域到达计算区域的顶部时，即铸件达到目标长度(10米)，退出过程终止，标志着凝固阶段的开始。

在凝固阶段，\(v_{\text{withdraw}}\)设置为零，可以应用S-EMS。

在连铸坯的底壁和侧壁上采用对流传热边界条件，而在假渣-SEN区域上方采用绝热边界条件。由于商业原因,在此省略了边界条件的具体数值。

假设熔体密度保持不变，是不可压缩的。尽管有这样的假设，热溶对流仍包含在基于Boussinesq近似的数值模型中。沿壁的熔体和等轴晶粒采用无滑移流动边界条件。

工业合金通常是多组分合金(如铁-碳-硅-锰-铬-钼)，但在这里我们将其简化为铁-0.415重量百分比碳的二元合金。

为了求解多相流问题，使用商业求解器ANSYS Fluent。在2.1节中描述的凝固模型是通过用户定义函数(UDF)进行编码并在求解器中使用的。

电磁场，即由M-EMS和S-EMS引起的Maxwell方程组，是使用ANSYS Maxwell软件求解的。这个软件与流动凝固求解器是分开的。因此，在EMS和流动凝固求解器之间采用了独特的耦合方案。

电磁场(M-EMS和S-EMS)使用ANSYS Maxwell软件进行计算，其中假设了静止熔体。采用时间平均洛伦兹力(\overline{\mathbf{F}}_{L} )作为耦合变量来将电磁场的影响传递给流动凝固求解器。这需要将电磁场模拟的平均洛伦兹力应用于流体动量方程中，并考虑其对流动和凝固模拟的影响。