结晶器电磁搅拌可以大幅改善结晶器区域的铸坯缺陷,提高产品质量。因此,对结晶器电磁搅拌器的研究可以更大程度的发挥出其在连铸生产中的作用。本文以某钢厂360mm×300mm连铸大方坯20CrNiMo低碳钢为研究对象,对常规结晶器电磁搅拌器进行结构改进,提出两种新型搅拌器。通过建立三维电磁场模型,利用数值模拟,研究了不同电磁参数(电流强度和电流频率)和搅拌器本体结构(分层旋转角度和铁芯偏斜角度)对连铸结晶器内磁场分布的影响。之后,将电磁力单向耦合到流场和温度场模型,得到了不同电磁参数和搅拌器本体结构下,结晶器内流场和温度场的分布,确定了较为合适的电磁参数和新型搅拌器本体结构。为了更清楚地阐释结晶器电磁搅拌对钢液初始凝固作用的微观机理,对上述大方坯凝固组织进行了数值模拟。研究结果表明:仅改变电磁参数时,三种结晶器电磁搅拌器产生的电磁力随着通入电流强度和电流频率的增大而增大;磁感应强度随着电流强度的增大而增大,但随着电流频率的增大而减小,符合集肤效应。三种搅拌器下弯月面的温度和流速都随着电流强度和电流频率的增加而提高,其中,斜极式搅拌器弯月面的温度最高、波动最大,分层式搅拌器温度最低、波动最小。三种搅拌器下钢液流速都随电流强度和电流频率的增加而增加,其中分层式搅拌器下的结晶器内存在多个回流区,流动最复杂。仅改变搅拌器本体结构时,随着分层旋转角度和铁芯偏斜角度的增加,结晶器内的电磁力和磁感应强度先没有明显变化,随后急剧下降。常规搅拌器和斜极式搅拌器在较低的电磁参数(1Hz/350A)下能够满足搅拌强度。随着分层旋转角度的增加,钢液热区范围先没有明显变化,随后热区范围扩大,温度升高;分层旋转0°和15°的搅拌器,结晶器内钢液流速明显大于分层旋转30°的搅拌器。随着铁芯偏斜角度的增加,钢液热区范围先减小,随后热区范围扩大,温度升高;铁芯偏斜30°的搅拌器,结晶器内流速出现明显下降。综上所述,斜极式结晶器电磁搅拌器搅拌能力最强,在电磁参数为1Hz/350A的情况下,铁芯偏斜15°搅拌器效果最好。铸坯在结晶器内的生长趋势为由铸坯外表面的激冷细晶区向内发展成为粗大的柱状晶,铸坯中心为等轴晶区。随着钢液过热度的增大,中心等轴晶区的范围不断减小,晶粒尺寸不断变大,可以对结晶器内的钢液实施在液相线温度附近的低温浇注来细化晶粒;随着体形核数量的增大,晶粒的数量增加,等轴晶更加细化,有利于提高铸坯的质量。