电磁搅拌对大圆坯结晶器冶金行为影响的探讨

 为了探究结晶器电磁搅拌(M EMS)对大圆坯结晶器内综合冶金行为的影响。以大断面圆坯连铸结晶器冶金行为为研究对象，基于电磁热流体与凝固传输理论建立三维耦合数值模型。揭示大圆坯连铸常用五孔水口浇注条件下结晶器内电磁场、流场、传热与凝固等综合冶金行为，提出电磁搅拌对结晶器冶金性能影响的多参量评价方法。以中碳铬钼齿轮钢650 mm大圆坯连铸为例，指出结晶器电磁搅拌存在最佳搅拌电流，可获得相对较好的综合冶金效果。具体表现为弯月面保持一定的切向速度和过热度，有利于保护渣的熔化和夹杂物的上浮去除；液面波动幅度在控制范围内，可避免卷渣、改善表面质量；结晶器内钢液过热得到有效耗散，有利于等轴晶形核改善铸坯内部质量；侧孔出流钢液速度得到有效控制，可抑制注流对初凝坯壳的冲刷，提高了初生坯壳生长的均匀性。此外，电磁搅拌产生的水平旋流强度也可得到有效控制，有利于避免常见的皮下白亮带现象。     

板坯连铸浸入式水口控流的物理和数值模拟

浸入式水口结构从根本上决定了结晶器内的钢液流动形式，采用物理模拟和数值模拟方法研究了水口结构及铸坯断面尺寸对板坯结晶器流动行为的影响。通过解析速度云图、表面流速、液面波动、冲击深度及保护渣覆盖情况等特征参数，对结晶器内钢液流动行为进行多角度定量表征。结果表明，水口侧孔倾角向上对1 600 mm×220 mm断面结晶器流场液面扰动较大，其倾角向下15°时射流冲击深度较大，倾角向下8°时最为适宜。水口底部形状会影响钢液的湍动能耗散及流场对称性，对比后得出凹底水口为最佳水口形状。侧孔形状对表面流速影响较小，但对自由液面波动有显著影响，可能导致钢液裸露；当水口侧孔面积一致时，矩形侧孔水口条件下的结晶器液面裸露面积小于跑道形侧孔和方形侧孔情况。而在浇注不同断面尺寸时，仅通过改变水口结构和使用工艺难以获得合理的结晶器流场，还需要借助其他控制流动的手段来推动未来板坯多元化生产的发展。本研究可为改善板坯质量提供理论与工艺指导。     

行波磁场减速模式对板坯连铸结晶器内传输行为的影响

高拉速高质量连铸生产是当前钢铁冶金领域中绿色低碳发展的重要路径。基于汽车板生产用1000mm×230mm断面连铸板坯结晶器内的钢水传输行为研究,探究一种行波磁场减速模式(EMLS)对水口侧孔射流及其钢坯质量的影响。根据电磁热流体与凝固传输理论建立了三维耦合数值模型,利用电导率等效法测试装置测量电磁力校验了模型的准确性,并提出了电磁控流作用下的结晶器综合冶金性能评价依据。结果表明,EMLS电磁力在结晶器宽面两侧呈大小相等、方向相反分布,最佳工作频率为4 Hz,其电流强度对电磁力的影响起主导作用。指出,当前浇铸条件下EMLS的最佳减速电流为200 A。此时,电磁力方向具有指向水口两侧出钢口且略微向下的特征,可以较好地控制其侧孔射流对初凝坯壳的冲刷强度,同时也避免了电磁力作用下弯月面波动过大和钢液冲击深度加深的问题。综合表明,合理利用行波磁场减速控流有望较好地解决当前常见的结晶器液面卷渣和凝固钩对夹杂物与气泡的捕捉,从而有利于提高后续IF钢冷轧板的表面质量。     

结晶器电磁搅拌对高强齿轮钢大圆坯凝固行为的影响

结晶器冶金对于特殊钢连铸过程凝固与后续产品质量至关重要.以高强齿轮钢42CrMo以铸代锻φ650 mm特大断面圆坯连铸生产工艺为背景,基于三维电磁-流动-传热-凝固耦合模型,研究了结晶器电磁搅拌(Mold electromagnetic stirring,M-EMS)器安装位置对大圆坯连铸结晶器冶金行为的影响.结果表明,结晶器铜管磁屏蔽效应导致搅拌器安装位置越低,搅拌效率越高;电磁搅拌可显著减轻因水口侧孔射流冲刷所造成的坯壳生长不均匀性、强化钢液过热耗散,也会不同程度地增强液面波动.搅拌器位置由330 mm下移至730 mm三个代表性工况下,钢液面最大波高差降低2.5 mm,坯壳凝固前沿最大冲刷速度增加0.069 m/s,铸流中心钢液过热耗散位置后移0.159 m,结晶器出口坯壳厚度极差降低1.1 mm.综合认为,搅拌器安装位置在弯月面下约530 mm 时,既有利于控制合适的液面波动与坯壳生长均匀性以改善铸坯表面质量,也有利于因钢液过热耗散促进等轴晶形成而提高大圆坯的中心质量.     

双通道感应加热中间包的三维磁流热耦合模型

 结合感应加热的中间包冶金是当前提升特殊钢连铸洁净度和质量稳定性的前沿技术。针对大方坯连铸用T型六流中间包,利用流动-传热耦合模型研究了控流装置对具有双感应加热通道中间包冶金行为的影响,首先获得了不开启感应加热工况下中间包的优化控流结构;进而通过对该结构进行电磁-流动-传热耦合模拟,研究了感应加热的控流和热补偿作用。结果表明,通过提高加热通道高度并配合双挡坝结构可进一步改善流体流动状况、提高各流一致性。其中,在不开启感应加热时,优化后中间包较原型死区比例由31.4%降低为17.6%,活塞区比例由19.1%提高为39.1%,平均停留时间标准差由99.6减小到40.3 s。开启感应加热后,中间包内流场有显著变化,通道出口钢液具有明显的上升流,这将有利于夹杂物的上浮去除。开启感应加热30 min后较未开启感应加热时中间包各出口平均温度由1 798.1升高为1 827.3 K,这表明感应加热可有效补偿钢水浇注过程中的热损失。这一功能有利于实现低过热度恒温浇铸,从而也有助于提高中间包控制铸坯洁净度和铸态组织一致性的综合冶金效果。     

辊式电磁搅拌线圈位置对板坯凝固行为的影响

铸流辊式电磁搅拌是当前调控板坯凝固组织与抑制中间裂纹的有效技术。为了揭示其作用机理以及使用过程伴生的铸态组织不对称与白亮带现象，通过建立连铸过程电磁-流动-传热-凝固耦合模型，并采用分段模拟法，研究了辊式电磁搅拌及其线圈不同偏置位置对1 600 mm×230 mm断面低合金高强钢板坯连铸凝固行为的影响。结果表明，电磁辊在坯壳凝固前沿所产生的行波磁场的切向力效应及其对浓化钢水流动与温度场的影响促使了柱状晶向等轴晶生长的转变，从而在铸态组织上消除了常见中间裂纹缺陷的发生条件。同时发现，在电磁辊线圈与板坯断面对中安装工况下，其行波磁场存在突出的端部效应，即起始侧的磁感应强度与电磁力明显小于推向侧，这是导致板坯断面两端铸态组织不对称的主要原因。通过将线圈向搅拌辊行波磁场起始侧偏置安装可以有效减轻这种不对称的作用行为。当前板坯断面条件下，偏置量为150 mm时，板坯两端的磁感应强度可接近一致，铸态组织实现基本对称。结合生产试验指出，搅拌辊在坯壳凝固前沿产生横向电磁推力的冲刷作用是造成其在铸态组织中发生负偏析白亮带的诱因，这种白亮带不影响当前产品的成材率，但在后续板带产品中的演变与危害性尚不清楚。