田軍偉，盧廣璽，吳立鴻, 2，關(guān)紹康

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哈茲列特連鑄機(jī)結(jié)晶器中漏磁行為及有限元分析

田軍偉1，盧廣璽1，吳立鴻1, 2，關(guān)紹康1

(1. 鄭州大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，鄭州 450001；2. 鄭州大學(xué)現(xiàn)代分析與計(jì)算中心，鄭州 450001)

哈茲列特連鑄機(jī)結(jié)晶器中帶鰭支撐輥具有強(qiáng)磁性的目的是吸附鋼帶，保持鋼帶在鑄造過程中的平整，但磁場透過鋼帶在結(jié)晶器內(nèi)部產(chǎn)生的“漏磁”將導(dǎo)致連鑄過程流場紊亂，嚴(yán)重影響后期的板帶質(zhì)量。利用矢量合成法測量磁場，并通過有限元模擬及磁流耦合分析，揭示結(jié)晶器中磁場的分布規(guī)律與鋁熔體流動的電磁制動過程，進(jìn)一步探究連鑄生產(chǎn)過程中熔體紊流可能導(dǎo)致的鑄板坯表面質(zhì)量問題，為優(yōu)化磁場、改善產(chǎn)品組織提供指導(dǎo)。

鋁熔體；漏磁；哈茲列特結(jié)晶器；有限元分析

哈茲列特連鑄連軋工藝是通過哈茲列特連續(xù)鑄造機(jī)以及后接多機(jī)架熱連軋?jiān)O(shè)備，直接生產(chǎn)鋁合金薄板帶坯的工藝，具有短流程，節(jié)能降耗，生產(chǎn)成本低等優(yōu)勢[1?3]。結(jié)晶器作為哈茲列特生產(chǎn)線的“心臟”，最大特點(diǎn)是鋼帶上下存在兩排支撐輥，鑄造時(shí)支撐輥旋轉(zhuǎn)帶動鋼帶運(yùn)動[4]。上支撐輥的前八根，下支撐輥的前5根是有磁性的，主要起到吸附鋼帶的作用，保持鋼帶在鑄造過程中的平整。

電磁力具有非接觸地對金屬流體產(chǎn)生加熱、攪拌及制動等功能[5?8]。但如果哈茲列特結(jié)晶器內(nèi)部存在“漏磁”現(xiàn)象，“漏磁”在鋁合金液相流動過程中可能會產(chǎn)生電磁制動現(xiàn)象，對熔體流動產(chǎn)生不良影響。如果漏磁場強(qiáng)度足夠大，將會嚴(yán)重影響熔體凝固過程，進(jìn)而影響連鑄坯的質(zhì)量，鑄坯質(zhì)量對后續(xù)成品的組織和性能至關(guān)重要。均勻的結(jié)晶器內(nèi)流場是獲得高質(zhì)量連鑄坯的保證，流體紊亂將引起表面流速過大，彎月面湍動加劇，造成卷渣、連鑄坯成分偏析等質(zhì)量缺陷。有學(xué)者研究了連鑄結(jié)晶器內(nèi)流場分布規(guī)律，主要目的是使結(jié)晶器內(nèi)熔體呈相對均勻的層流或者近似層流的流場分布[9?11]。本文作者主要針對結(jié)晶器中漏磁進(jìn)行測量和模擬，采用磁流耦合有限元分析研究哈茲列特結(jié)晶器內(nèi)磁場分布，探究磁場對鋁合金連鑄過程及凝固組織的影響。

1 實(shí)驗(yàn)

結(jié)晶器中磁場的實(shí)際測量采用高斯計(jì)逐點(diǎn)采集和矢量合成的方法。全面、直觀的磁場分布采用有限元軟件中的Electromagnetic模塊進(jìn)行數(shù)值模擬。鑄造過程中磁輥為圓柱形，且測量結(jié)果表明僅在磁輥與鋼帶切面的垂直面上存在磁場，模擬時(shí)建立該垂直面的二維模型作為對象[12?14]，結(jié)晶器內(nèi)磁場二維模型及網(wǎng)格劃分如圖1所示。磁場模型用到的相關(guān)材料參數(shù)如表1所列[15?16]。

磁流耦合場模擬采用有限元軟件中的MHD模塊，根據(jù)結(jié)晶器結(jié)構(gòu)，結(jié)晶器的流場采用workbench構(gòu)建二維幾何模型。由于連鑄過程中熔體在距離入口1 m位置已經(jīng)凝固，因此模擬時(shí)只考慮前兩對磁輥的漏磁對熔體流動的影響。其他相關(guān)假設(shè)條件為：鋁液為不可壓縮流體、流動為穩(wěn)態(tài)、入口速度均勻、出口流動充分發(fā)展、流體為牛頓體并呈層流流動，同時(shí)忽略實(shí)際連鑄過程中坯殼的生長過程，認(rèn)為在整個計(jì)算區(qū)域內(nèi)只有金屬液，只考慮液相區(qū)的流動。分析中涉及的鋁熔體物性參數(shù)(取1系鋁合金物性參數(shù))如下，電導(dǎo)率為5×106S/m、熱導(dǎo)率為192.5 W/(m·K)、比熱容1086 J/(kg·K)，其他相關(guān)參數(shù)如圖2所示[17?18]，其中溫度場曲線和磁場分布曲線是由實(shí)際測量所得。澆注時(shí)澆注溫度為690 ℃、澆注速度0.12 m/s。連鑄坯表面采用金相組織、光譜成分、表面晶粒度等進(jìn)行測試與分析。制備金相試樣時(shí)腐蝕液采用混合酸腐蝕。

圖1 結(jié)晶器中磁場分布模型及網(wǎng)格劃分

表1 模型參數(shù)

2 結(jié)果與討論

2.1 磁場矢量合成法測量結(jié)果及分析

磁感應(yīng)強(qiáng)度是向量生產(chǎn)中常用的高斯計(jì)測量方法只測得了磁場的大小而沒有表征磁場的方向。并且在使用霍爾探頭的過程中輕微的位移就會使測試結(jié)果產(chǎn)生誤差。引入的矢量合成法[19]是逐點(diǎn)采集連鑄機(jī)結(jié)晶器內(nèi)的磁場分布，能從一定程度上表征連鑄中的漏磁現(xiàn)象。測試時(shí)使用精度為10?5T的LZ?643型高斯計(jì)，先將磁感應(yīng)強(qiáng)度分解為軸和軸兩個方向的分量B和B進(jìn)行分別測試，再將測得的結(jié)果按矢量合成法合成為。

磁場發(fā)生裝置與磁極結(jié)構(gòu)如圖3所示。其中，圖3(a)顯示了磁場發(fā)生裝置由5對水平布置的永磁輥組成，第一對離鑄嘴間距為27 cm，后面4對間距均為12 cm；圖3(b)顯示的是以第一對磁輥處結(jié)晶器的幾何中心為原點(diǎn)，從左向右為軸的正方向，從下向上為軸的正方向，從前向后為軸的正方向。沿軸方向磁輒之間的距離為磁極水平間距，用表示；沿軸方向上下鋼帶表面之間的最短距離為磁極垂直間距，用表示；鋼帶到磁輥軸肩的距離用表示。規(guī)定磁極、磁軸與鋼帶形成的封閉空間(?/2＞＞?/2?或/2+＞＞/2)稱為主磁場；結(jié)晶器內(nèi) (/2＞＞--?/2)磁場稱為漏磁場。矢量合成法測量結(jié)果表明，結(jié)晶器中確實(shí)存在磁場，僅在磁極與鋼帶切線(=0, 12, 24, 36)處存在漏磁，且近鋼帶處(=±/2)最大。在=0，12, 24, 36處，=±/2、和=0線上的橫向磁場沿軸方向整體分布如圖4所示的波浪形分布，最大磁場強(qiáng)度約為0.025 T。因?yàn)榇泡佔(zhàn)饔檬俏戒搸?，結(jié)晶器中存在的磁場是漏磁所致。

圖2 磁流耦合模型的相關(guān)參數(shù)[17?18]

2.2 磁場有限元模擬結(jié)果及分析

永磁輥產(chǎn)生磁場(相當(dāng)于電路中的電源)，磁輒和鋼帶的磁導(dǎo)率很高(相當(dāng)于電路中的導(dǎo)線)，一個理想的完整磁場回路為磁輥N極→磁輒→鋼帶→磁輒→磁輥S極。基于圖3的磁場發(fā)生裝置與磁極結(jié)構(gòu)進(jìn)行有限元模擬分析，結(jié)果如圖5所示，其中圖5(a)顯示了磁感線回路，結(jié)晶器中磁場的磁峰對應(yīng)在磁輒位置；圖5(b)顯示了相應(yīng)的磁感應(yīng)強(qiáng)度云圖。從漏磁場所處位置以及主磁場與漏磁場的整體分布可以看出，雖然鋁熔體的磁導(dǎo)率相對較低，但是磁場在經(jīng)過鰭片到鋼帶的拐角處，仍會有部分磁場滲入結(jié)晶器中。也就是說“磁輥N極→磁輒→鋼帶→磁輒→磁輥S極”是主磁回路，而滲入結(jié)晶器內(nèi)壁的磁場不在主磁力線上，是漏磁場。這是因?yàn)榇艌鰪囊环N介質(zhì)進(jìn)入另一種介質(zhì)時(shí)容易發(fā)生磁折射，磁場偏離主磁回路，產(chǎn)生漏磁現(xiàn)象。

圖3 結(jié)晶器磁輥示意圖

圖4 磁場強(qiáng)度測量結(jié)果

圖5 結(jié)晶器內(nèi)磁場模擬結(jié)果

對結(jié)晶器內(nèi)同一高度處磁場的實(shí)測結(jié)果和模擬結(jié)果進(jìn)行對比分析，如圖6所示。結(jié)果發(fā)現(xiàn)兩者的磁場分布幾乎一致，這表明在哈茲列特結(jié)晶器中確實(shí)存在這種高低起伏的波浪形磁場，且波峰位置是鋼帶與磁輒相切的點(diǎn)。模擬結(jié)果從一定程度上再現(xiàn)了矢量合成法測量結(jié)果的合理性。另由于磁輥是由永磁鐵組成，實(shí)際生產(chǎn)過程中永磁鐵的磁場強(qiáng)度會有一定衰減，因此模擬結(jié)果與測量結(jié)果的磁場強(qiáng)度峰值略有差別。但上述強(qiáng)度是否足夠?qū)︿X熔體凝固過程產(chǎn)生影響，需結(jié)合鋁熔體流動的磁流耦合有限元模擬結(jié)果進(jìn)行深入分析。

圖6 磁場強(qiáng)度實(shí)測和模擬對比圖

2.3 磁流耦合有限元模擬結(jié)果及分析

和鋼鐵連鑄機(jī)電磁制動系統(tǒng)類似，哈茲列特也是沿鑄機(jī)寬度方向加了幾道靜磁場。不同的是前者是為了熔體減速設(shè)計(jì)而添加的直流電產(chǎn)生的，后者是由于吸附鋼帶的永磁輥產(chǎn)生的漏磁，無意識產(chǎn)生的電磁制動。前者磁場是均勻分布的，后者是波浪形的。

如圖7(a)、(b)所示，在未加磁場時(shí)，結(jié)晶器內(nèi)熔體呈相對均勻的“活塞”流動，在電磁制動下熔體流速會傾向波浪形分布。根據(jù)磁流體力學(xué)原理

式(1)、(2)中：為洛倫茲力；為感應(yīng)電流；電磁為0；鋁熔體電導(dǎo)率=5000000 S/m；流速=0.12 m/s；磁場強(qiáng)度=0~0.025 T。

計(jì)算可知洛倫茲力=0~375 N，這足以影響鋁熔體的流動。由于洛倫茲力與熔體流速方向相反，且磁場強(qiáng)度呈波浪形分布，所以洛倫茲力在結(jié)晶器寬度方向上也是波浪形的，熔體在這樣的電磁制動力下流速會傾向波浪形分布。但是，電磁場本身是一個磁生電及電生磁循環(huán)的過程；電磁場與凝固傳輸是一個雙向耦合過程，流速變化對磁場也有影響[20]，所以熔體流動不會呈現(xiàn)像磁場那樣嚴(yán)格的波浪分布，而是不規(guī)則的紊亂狀態(tài)。

如圖7(c)所示，磁場受流場二次感應(yīng)磁場影響，其疊加后的感應(yīng)磁場分布與初始磁場分布明顯不同。如圖7(d)所示，在電磁制動情況下，理想的恒穩(wěn)進(jìn)口速度在距離入口0.3 m、0.45 m位置變的紊亂，說明磁區(qū)流股集中，流速呈“水紋”狀。而熔體流速紊亂區(qū)發(fā)生在距鑄嘴30~65 cm處，剛好在液相區(qū)末端和糊狀區(qū)，凝固過程很容易產(chǎn)生成偏析。因?yàn)殡姶胖苿又饕l(fā)生在與鋼帶相貼的表面，可以推斷這將嚴(yán)重影響產(chǎn)品的表面質(zhì)量。

2.4 漏磁對連鑄坯表面質(zhì)量的影響

試樣表面的宏觀照片和金相照片如圖8所示，連鑄坯表面存在明顯的明紋與暗紋現(xiàn)象。在不同的明紋與暗紋部位截取試樣進(jìn)行金相分析與晶粒度統(tǒng)計(jì)，結(jié)果表明表面明紋處試樣晶粒平均直徑為146.91 μm，暗紋處試樣晶粒平均直徑為206.07 μm，明紋處晶粒尺寸明顯小于暗紋處。進(jìn)一步對鑄坯表面的明暗紋處試樣進(jìn)行光譜分析，各成分的平均含量如表2所列。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，與連鑄前鋁液中的Si、Fe含量分別為0.12%、0.41%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))相比，連鑄坯試樣表面Si含量明顯超高，且明暗紋含量也有差異，明紋Fe含量略高。將鑄坯表面車去2.8 mm后的明暗紋試樣的成分和爐前化驗(yàn)成分基本相符。表面Si含量高的原因可能是由于鑄軋時(shí)鋼帶表面涂層掉落所致。從上述漏磁測量與磁流耦合的數(shù)值模擬結(jié)果可以看出，由于磁輥所產(chǎn)生的磁場穿過鋼帶，在結(jié)晶器中呈現(xiàn)波浪形的分布，且磁場主要分布在液相區(qū)和兩相區(qū)的近鋼帶層，導(dǎo)致鋁溶液凝固過程中近鋼帶層熔體流速相對中心區(qū)域較慢，流速快慢區(qū)域的不同導(dǎo)致合金成分在厚度方向的宏觀偏析。而明暗紋處成分含量差異及晶粒度的不同可能均是由于漏磁引起鋁熔體流動速度在結(jié)晶器寬度方向的變化，進(jìn)而導(dǎo)致傳熱不均引起的。由于熔體流速沿結(jié)晶器橫向呈現(xiàn)高低起伏的波浪形分布，為了使熱量傳輸系統(tǒng)更加均勻，在鋼帶與熔體之間存在一層保護(hù)氣體，流速不同的地方保護(hù)氣體沖入量也會不同，進(jìn)而導(dǎo)致熱量傳輸能力的高低起伏。因此，一定程度上有助于形成鑄板坯表面的明暗條紋及晶粒度的差異。

圖7 磁流耦合模擬結(jié)果

圖8 1235鑄坯明暗條紋及其顯微組織

表2 光譜成分分析結(jié)果

3 結(jié)論

1) 磁場分布模擬結(jié)果與采用矢量合成法測量的結(jié)果一致，結(jié)晶器中存在漏磁現(xiàn)象，磁場沿結(jié)晶器寬度方向呈波浪形分布，磁場強(qiáng)度最大高達(dá)0.025 T，波峰強(qiáng)度出現(xiàn)在鋼帶與磁輒切點(diǎn)處。

2) 漏磁會使鋁熔體的流動紊亂，漏磁場下結(jié)晶器中鋁熔體電磁制動的磁流耦合數(shù)值模擬結(jié)果與理論分析相符合，紊亂的鋁熔體易于引起表面偏析等質(zhì)量問題。

3) 鑄坯表面存在成分偏析與明暗條紋，且明暗紋處的成分含量及晶粒度均存在差異。明紋處Fe平均含量略高，晶粒尺寸明顯小于暗紋處。鑄板坯表面質(zhì)量的缺陷很有可能與電磁制動下熔體流動的不均勻性有關(guān)。

[1] 馬道章. 連鑄連軋—降低汽車用鋁材高成本的好工藝[J]. 輕合金加工技術(shù), 2006, 34(6): 6?7. MA Dao-zhang. CC process—a good process for removing bottle neck of high cost of aluminum materials for auto industry [J]. Light Alloy Fabrication Technology, 2006, 34(6): 6?7.

[2] SANDERS R E. Continuous casting for aluminum sheet: a product perspective[J]. Jom, 2012, 64(2): 291?301.

[3] SALVADOR M D, AMIGO V, REIG L, BLOEM C, CARSI M, CARUANA G. Mechanical and microstructural evolution of a 3xxx aluminium alloy made by hazelett process[J]. Revista De Metalurgia, 2007, 43: 424?433.

[4] 榮寶星. HAZELETT雙帶連鑄機(jī)和連軋?jiān)O(shè)備[J]. 上海金屬, 1987, 8(4): 48?55. RONG Bao-xing. HAZELETT twin-belt continuous casting and rolling equipment[J].Shanghai Metals, 1987, 8(4): 48?55.

[5] 毛 斌, 張桂芳, 李愛武. 連續(xù)鑄鋼用電磁攪拌的理論與技術(shù)[M]. 北京:冶金工業(yè)出版社, 2012: 1?3.MAO Bin, ZHANG Gui-fang, LI Ai-wu. Theory and technology of electromagnetic stirring for continuous casting[M]. Beijing: Metallurgical Industry Press, 2012: 1?3.

[6] WANG Cun-long, CHEN An-tao, ZHANG Liang. Preparation of an Mg-Gd-Zn alloy semisolid slurry by low frequency electro-magnetic stirring[J]. Materials & Design, 2015, 84: 53?63.

[7] ZHANG Y H, RAEBIGER D, ECKERT S. Solidification of pure aluminium affected by a pulsed electrical field and electromagnetic stirring[J]. Journal of Materials Science, 2016, 51: 2153?2159.

[8] SIMLANDI S, BARMAN N, CHATTOPADHYAY H. Studies on transport phenomena during continuous casting of an Al-alloy in presence of electromagnetic stirring[J]. Transactions of the Indian Institute of Metals, 2013, 66: 141?146.

[9] THOMAS B G, ZHANG L F. Mathematical modeling of fluid flow in continuous casting[J]. ISIG International, 2001, 41(10): 1181?1193.

[10] TAKATANI K, TANIZAWA Y, MIZUKAMI, HNISHIMURA K. Mathematical model for transient fluid flow in a continuous casting mold[J]. ISIG International, 2001, 41(10): 1252?1261.

[11] 湯孟歐, 徐 駿, 張志峰, 白月龍. 環(huán)縫結(jié)構(gòu)對電磁連鑄流場和溫度場的影響[J]. 中國有色金屬學(xué)報(bào), 2011, 21(5): 1123?1129. TANG Meng-ou, XU Jun, ZHANG Zhi-feng, BAI Yue-long. Effects of annulus gap on flow and temperature field in electromagnetic direct chill casting process[J]. Transactions of Nonferrous Metals Society of China, 2011, 21(5): 1123?1129.

[12] MAHMOUDI J, VYNNYCKY M, SIVESSON P, FREDRIKSSON H. An experimental and numerical study on the modeling of fluid flow, heat transfer and solidification in a copper continuous strip casting process[J]. Materials Transactions, 2003, 44(9): 1741?1751.

[13] RADY M, ARQUIS E, GOBIN D, GOYEAU B. Numerical simulation of channel segregates during alloy solidification using TVD schemes[J]. International Journal of Numerical Methods For Heat & Fluid Flow, 2011, 20(8): 841?866.

[14] EI-BEALY M O. Modeling of heat transfer and interdendritic strain for exuded surface segregation layer in the direct chill casting of aluminum alloys[J]. Metallurgical and Materials Transactions B-Process Metallurgy and Materials Processing Science, 2016, 47(1): 630?648.

[15] 李曉謙, 周偉華, 郭運(yùn)濤, 鄭益華. 輥套材料的導(dǎo)磁性對鑄軋區(qū)磁感應(yīng)強(qiáng)度的影響[J].中南大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版), 2005, 36(4): 621?625. LI Xiao-qian, ZHOU Wei-hua, GUO Yun-tao, ZHENG Yi-hua. Influence of magnetoconductivity of roller shell on magnetic induction in roll casting zone[J]. Journal of Central South University, 2005, 36(4): 621?625.

[16] 陳興潤, 張志峰, 徐 駿, 石力開. 電磁攪拌法制備半固態(tài)漿料過程電磁場、流場和溫度場的數(shù)值模擬[J]. 中國有色金屬學(xué)報(bào), 2010, 20(5): 937?945. CHEN Xing-run, ZHANG Zhi-feng, XU Jun, SHI Li-kai. Numerical simulation of electromagnetic field, flow field and temperature field in semi-solid slurry preparation by electromagnetic stirring[J]. The Chinese Journal of Nonferrous Metals. 2010, 20(5): 937?945.

[17] 張襯新, 張志峰, 徐 駿. 電磁攪拌作用下鋁合金凝固組織的數(shù)值模擬[J]. 鑄造技術(shù), 2012, 33(3): 280?284. ZHANG Chen-xin, ZHANG Zhi-feng, XU Jun. Numerical simulation on solidification structure of aluminum alloy under electromagnetic stirrin[J]. Foundry Technology, 2012, 33(3): 280?284.

[18] 陳斌斌. 哈茲列特連鑄鋁合金板帶凝固傳熱的數(shù)值模擬[D]. 鄭州: 鄭州大學(xué), 2011: 25?28. CHEN Bin-bin. Numerical simulation on solidification and heat-transfer of Hazelett continuous casting of aluminum alloy slab[D]. Zhengzhou: Zhengzhou University, 2011: 25?28.

[19] 徐廣鐫, 赫冀成. 流動控制結(jié)晶器磁場分布的實(shí)驗(yàn)測試[J]. 金屬學(xué)報(bào), 2000, 36(9): 3?4.XU Guang-juan, HAO Ji-cheng. The experimental measurement of the distribution of the magnetic fields in FC mold[J]. Acta Metallurgica Sinica, 2000, 36(9): 3?4.

[20] 賀幼良, 楊院生, 胡壯麒. 電磁場作用下的金屬凝固與成形[J]. 材料導(dǎo)報(bào), 2000, 14(7): 3?7.HE You-liang, YANG Yuan-sheng, HU Zhuang-qi. Solidification and shaping of molten metals in electromagnetic field[J]. Material Review, 2000, 14(7): 3?7.

Magnetic flux leakage behavior and finite element analysis of Hazelett continuous casting machine

TIAN Jun-wei1, LU Guang-xi1, WU Li-hong1, 2, GUAN Shao-kang1

(1. School of Materials Science and Technology, Zhengzhou University, Zhengzhou 450001, China;2. Advanced Analysis & Computation Center, Zhengzhou University, Zhengzhou 450001, China)

The high magnetic property of support roll in Hazelett Continuous casting mold was desired to absorb the steel strip and maintain the smooth of steel strip in the casting process. But a “magnetic flux leakage” produced in the mold leads to the disorder of the flow field in continuous casting process and which has a bad effect on the quality of the late plate. A vector synthesis method of measuring magnetic field was used. By the finite element simulation and magnetohydrodynamic (MHD) analysis, the distribution of magnetic field in the crystallizer and electromagnetic braking process was revealed, which further provides guidance to optimize magnetic field and improves product structure. Finally, surface quality defect of casting blanks caused by the disorder of the flow field was explored.

aluminum melt; magnetic leakage; Hazelett continuous casting mold; finite element simulation

(編輯 王 超)

Project(111100310500) supported by Henan Major Science and Technology Program, China

2016-02-26; Accepted date:2016-06-30

WU Li-hong; Tel: +86-371-67739609; E-mail: wlh@zzu.edu.cn

1004-0609(2017)-02-0385-07

TG146.21

A

河南省重大科技專項(xiàng)資助項(xiàng)目(111100310500)

2016-02-26；

2016-06-30

吳立鴻，博士，副教授；電話：0371-67739609；E-mail: wlh@zzu.edu.cn