羅建華，朱曉雷，郭慶濤，寧東，陳志威（.鞍鋼股份有限公司煉鋼總廠，遼寧鞍山40；.鞍鋼集團(tuán)鋼鐵研究院，遼寧鞍山4009）

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大方坯末端電磁攪拌試驗(yàn)研究

羅建華1，朱曉雷2，郭慶濤2，寧東1，陳志威1
（1.鞍鋼股份有限公司煉鋼總廠，遼寧鞍山114021；2.鞍鋼集團(tuán)鋼鐵研究院，遼寧鞍山114009）

摘要：對(duì)280mm×380mm大方坯連鑄凝固末端的最佳電磁攪拌頻率進(jìn)行了模擬。結(jié)果表明，在拉坯速度為0.7m/min的條件下，凝固末端的最佳攪拌頻率為4～8 Hz。在此范圍內(nèi)，隨著頻率的增加，液芯處的最大磁感應(yīng)強(qiáng)度逐漸降低，最大電磁力逐漸增加。工業(yè)生產(chǎn)結(jié)果也表明，此頻率范圍的應(yīng)用明顯減輕了C元素的偏析程度。

關(guān)鍵詞：大方坯；電磁攪拌；頻率；數(shù)值模擬

羅建華，碩士，高級(jí)工程師，2008年畢業(yè)于遼寧科技大學(xué)鋼鐵冶金專業(yè)。E-mail：zxlzxl2005@126.com

連鑄過(guò)程中，鑄坯內(nèi)固-液界面前沿的流動(dòng)是影響凝固組織的一個(gè)重要因素。電磁攪拌在控制和改善固-液界面前沿鋼液流動(dòng)、擴(kuò)大等軸晶區(qū)、細(xì)化晶粒、提高鑄坯表面和內(nèi)部質(zhì)量等方面都發(fā)揮著不可替代的作用。鑄坯的內(nèi)部缺陷主要是縮孔、疏松和成分偏析等。疏松和縮孔形成的主要原因是凝固過(guò)程中固態(tài)組織的體積隨著溫度的降低而縮減，在鑄錠最后凝固部位補(bǔ)縮通道受阻，補(bǔ)縮不充分而形成的。抑制疏松縮孔的形成，一方面可以通過(guò)改變凝固條件實(shí)現(xiàn)，另一方面，采用電磁攪拌是很好的選擇。然而，電磁攪拌過(guò)強(qiáng)會(huì)促進(jìn)凝固前沿溶質(zhì)交換，致使偏析嚴(yán)重。目前，有人認(rèn)為白亮帶主要是由于電磁攪拌過(guò)強(qiáng)造成的，還有認(rèn)為白亮帶主要是由于C、Si元素負(fù)偏析所致。但有研究認(rèn)為電磁攪拌可改善鑄坯的中心偏析，卻同時(shí)伴有帶狀偏析生成。對(duì)電磁攪拌作用下宏觀偏析的形成機(jī)理進(jìn)行分析后提出了具體的電磁攪拌參數(shù)，通過(guò)試驗(yàn)來(lái)改善鑄坯的中心偏析［1-5］。

基于以上研究，電磁攪拌對(duì)偏析的改善作用不可忽視，但是負(fù)作用要控制到最低，所以，在新設(shè)備和新鋼種上，有必要對(duì)其影響行為進(jìn)行模擬和實(shí)際的對(duì)比，找出最佳的電磁攪拌參數(shù)。

鞍鋼股份有限公司煉鋼總廠新投入了用于大方坯凝固末端的電磁攪拌設(shè)備，方坯斷面為280mm×380mm，該機(jī)主要生產(chǎn)普碳鋼、低合金鋼以及硬線鋼等品種。針對(duì)電磁攪拌對(duì)偏析的影響，有必要對(duì)電磁攪拌的工藝參數(shù)進(jìn)行分析和優(yōu)化，以適用于不同鋼種的攪拌需求。本文針對(duì)LX80A鋼，結(jié)合數(shù)值模擬結(jié)果確定最佳參數(shù)并投入使用。

1　模擬研究

在良導(dǎo)電媒質(zhì)的似穩(wěn)場(chǎng)中各物理量之間滿足電磁場(chǎng)的基本方程Maxwell方程組。假定交變電磁場(chǎng)中各物理量均為正弦波，則：

介質(zhì)中的歐姆定律為：

式中，E為電場(chǎng)強(qiáng)度，V/m；B為磁感應(yīng)強(qiáng)度，T；H為磁場(chǎng)強(qiáng)度，A/m；J為電流密度，A/m2；μ為熔體磁導(dǎo)率，H/m；σ為熔體電導(dǎo)率，S/m。

1.1數(shù)學(xué)模型及邊界條件

模擬過(guò)程模型的具體尺寸見(jiàn)表1。模擬過(guò)程中材料的具體參數(shù)見(jiàn)表2。

表1　模擬過(guò)程中模型的主要尺寸參數(shù)　m

表2　模擬過(guò)程參數(shù)設(shè)定

圖1為模擬時(shí)所建的模型。模擬過(guò)程進(jìn)行如下假設(shè)：熔體密度為常數(shù)［6］；液相為不可壓縮的牛頓流體；熔體流動(dòng)對(duì)電磁場(chǎng)的影響被忽略；熔體流動(dòng)狀態(tài)為紊流［7］。

在電磁場(chǎng)模擬中設(shè)置空氣表面為磁力線平行邊界，流場(chǎng)模擬中，在流體表面設(shè)置為無(wú)滑移邊界，在初始階段流體處于靜止?fàn)顟B(tài)，選取液態(tài)鋼作熔體，磁軛材質(zhì)為硅鋼。在當(dāng)前的模擬中，選擇了單相流，為了簡(jiǎn)化計(jì)算，忽略熱對(duì)流對(duì)流動(dòng)的影響及流動(dòng)對(duì)磁場(chǎng)的影響。

圖1　模擬過(guò)程所建模型

1.2模擬結(jié)果

模擬前對(duì)空載時(shí)該電磁攪拌設(shè)備的磁感應(yīng)強(qiáng)度進(jìn)行實(shí)際的測(cè)量，頻率為8 Hz。在模擬過(guò)程中使用面電流進(jìn)行加載。經(jīng)過(guò)計(jì)算，在線圈輸入電流為0.36 A/mm2時(shí)，空載時(shí)線圈中部磁感應(yīng)強(qiáng)度為700 Gs。因而，按照相同比例，分別計(jì)算了面電流密度為0.288 A/mm2和0.216 A/mm2時(shí)的結(jié)果，與試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比，結(jié)果如表4。

表4　模擬與實(shí)際測(cè)試的磁感應(yīng)強(qiáng)度比較

通過(guò)對(duì)比發(fā)現(xiàn)，線圈輸入0.36 A/mm2電流時(shí)中心產(chǎn)生的磁感應(yīng)強(qiáng)度與設(shè)備輸入500 A電流時(shí)實(shí)測(cè)的磁感應(yīng)強(qiáng)度相當(dāng)接近。進(jìn)而采用該電流載荷模擬了有載時(shí)的情況，鑄坯內(nèi)磁感應(yīng)強(qiáng)度分布及液芯處電磁力矢量分布分別如圖2（a）和（b）所示。在8 Hz時(shí)液芯處磁感應(yīng)強(qiáng)度達(dá)到470 Gs。

假設(shè)在攪拌器高度范圍內(nèi)（0.65m）液芯受到有效的電磁攪拌，拉坯速度按照0.7m/min計(jì)算，則液芯經(jīng)過(guò)攪拌器的時(shí)間為56 s。模擬計(jì)算過(guò)程中，鑄坯鋼液橫截面上的流速?gòu)撵o止開(kāi)始，經(jīng)過(guò)56 s的電磁攪拌作用后，不同頻率時(shí)液芯內(nèi)的鋼水流速場(chǎng)矢量分布見(jiàn)圖3所示。

從圖3中可以看出，液芯鋼水的最大流速隨著頻率的增大而增加。頻率為8 Hz時(shí)鋼水的主要流速為2.15～3.76 cm/s，并且接近寬邊處的流速要大于窄邊的流速。

圖2　鑄坯內(nèi)磁感應(yīng)強(qiáng)度及液芯處電磁力矢量分布

圖3　不同頻率時(shí)液芯鋼水流速場(chǎng)矢量分布

表5統(tǒng)計(jì)了4、6和8 Hz時(shí)模擬計(jì)算的鑄坯液芯處的最大磁感應(yīng)強(qiáng)度、最大電磁力以及最大流速。從表5可以看出，隨著頻率的增加，液芯處的最大磁感應(yīng)強(qiáng)度逐漸降低，而最大電磁力逐漸增加，這同樣也使得鋼水的最大流速逐漸增加。8 Hz鋼水的最大流速比4 Hz時(shí)提高了約30％。

表5　最大的磁感應(yīng)強(qiáng)度、電磁力和流速對(duì)比

2　試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1試驗(yàn)過(guò)程

LX80A鋼的射釘試驗(yàn)結(jié)果表明，在拉速為0.70m/min，中包過(guò)熱度為30℃，比水量為0.3 L/kg的條件下，距離彎月面15m處，380mm方向液相區(qū)寬度約為91mm。試驗(yàn)中設(shè)計(jì)了4 Hz（標(biāo)記為1#試樣）、7 Hz（標(biāo)記為2#試樣）及無(wú)電磁攪拌（標(biāo)記為3#試樣）三種情況，分別對(duì)鑄坯的中心疏松縮孔、元素分布進(jìn)行了對(duì)比分析。LX80A鋼的典型成分如表6所示。

表6　LX80A鋼的典型成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）?。?/p>

2.2試驗(yàn)結(jié)果及分析

取回3塊試驗(yàn)的大方坯坯樣進(jìn)行化學(xué)檢驗(yàn)。大方坯280mm×380mm，長(zhǎng)度約300mm，從寬邊中部（380mm）縱拋開(kāi)，所以現(xiàn)有體積為280mm ×190mm×300mm。鑄坯現(xiàn)尺寸及取樣截面如圖4所示。圖5為取樣截面上具體取點(diǎn)位置及編號(hào)。

圖6為鑄坯不同位置處C元素的分布情況。圖6（a）中顯示的是鑄坯寬面中線上的C元素分布，從圖6（a）中看出C偏析不大。圖6（b）為鑄坯窄面中線上C元素的分布，3#鑄坯上C元素分布波動(dòng)較大。偏析指數(shù)計(jì)算方法為該點(diǎn)的C含量與所有檢測(cè)點(diǎn)C含量平均值的比值。經(jīng)計(jì)算，C偏析指數(shù)為0.99～1.15。圖6（c）為拉坯方向上的C元素分布，2#和3#鑄坯的C偏析指數(shù)較高，分別為0.97～1.11和1.04～1.12。綜合圖6（a）、（b）、（c）3個(gè)圖可以看出3個(gè)試樣所有位置處的C元素對(duì)比情況，即只有1#鑄坯內(nèi)C元素的分布波動(dòng)不大，2#和3#鑄坯C元素分布波動(dòng)明顯。

表7為鑄坯碳元素偏析結(jié)果統(tǒng)計(jì)。表7中窄面為圖5中1到5點(diǎn)的位置的C偏析范圍，寬面顯示5到10點(diǎn)位置處C元素偏析范圍，拉坯方向?yàn)閳D4中11到16點(diǎn)的C元素偏析程度。

從試驗(yàn)結(jié)果可以看出，施加電磁攪拌的鑄坯內(nèi)C元素偏析程度要弱于無(wú)電磁攪拌的鑄坯，這主要是因?yàn)槭┘与姶艛嚢韬?，電磁推?dòng)力促進(jìn)了液芯的傳質(zhì)和傳熱，降低液芯的溫度梯度，因而有利于糊狀區(qū)的形成，促進(jìn)液芯在短時(shí)間內(nèi)同時(shí)凝固。但對(duì)于中低碳鋼，過(guò)強(qiáng)的電磁攪拌會(huì)促進(jìn)溶質(zhì)交換，使負(fù)偏析嚴(yán)重，因而需要綜合考慮，凝固末端為了減少和抑制中心偏析和疏松縮孔，可以再適當(dāng)降低頻率。

圖4　鑄坯現(xiàn)尺寸及取樣截面

圖5　取樣截面上的取樣點(diǎn)位置及編號(hào)

圖6　鑄坯不同位置處C元素的分布情況

表7　不同攪拌電流及頻率下C元素偏析指數(shù)對(duì)比

3　結(jié)論

（1）數(shù)值模擬結(jié)果表明，電磁攪拌頻率為8 Hz時(shí)，在液芯處磁感應(yīng)強(qiáng)度達(dá)到563 Gs時(shí)，液芯的最大流速約3.76 cm/s，隨著頻率的降低，液芯處磁感應(yīng)強(qiáng)度逐漸增加，但電磁力逐漸降低，液芯鋼水的最大流速也逐漸降低。

（2）根據(jù)鑄坯取樣結(jié)果的C元素分布情況得出結(jié)論，拉速為0.7m/min的LX80A鋼電磁攪拌工藝參數(shù)應(yīng)為4 Hz、520 A。

參考文獻(xiàn)

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［7］T.T.Natarajan，Nagy El -kaddah.Finite element analysis of electromagnetic and fluid flow phenomena in rotary electromagnetic stirring of steel［J］.Applied Mathematical Modelling，2004（1）：47-61.

（編輯許營(yíng)）

修回日期：2016-01-12

Experimental Study on Final Electromagnetic Stirring for Casting Blooms

Luo Jianhua1，Zhu Xiaolei2，Guo Qingtao2，Ning Dong1，Chen Zhiwei1
（1.General Steelmaking Plant of Angang Steel Co.，Ltd.，Anshan 114021，Liaoning，China；2.Iron & Steel Research Institutes of Ansteel Group Corporation，Anshan 114009，Liaoning，China）

Abstract：The simulation experiment on the optimal frequency of electromagnetic stirring for casting 280mm×380mm blooms at the end of solidification was carried out.The experimental results show that the optimal frequency of electromagnetic stirring at the end of solidification is in the range from 4 Hz to 8 Hz on condition that the casting speed is 0.7 meters per minute.In this range the maximum magnetic induction at liquid core decreased gradually while the maximum electromagnetic force increased gradually as the frequency increased.According to the industrial practice the degree of segregation due to the carbon in steel is obviously declined in casting in the above-mentioned frequency limit.

Key words：bloom；electromagnetic stirring；frequency；numerical simulation

中圖分類號(hào)：TF704

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1006-4613（2016）03-0019-04