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。     

圆坯凝固末端电磁搅拌作用下的流动与传热行为

以特殊钢圆坯连铸为研究对象, 建立了研究凝固末端电磁搅拌作用效果的三维耦合数值模型.利用分段计算模型获得末端电磁搅拌区域钢液流动与凝固的实际状态, 并采用达西源项法处理凝固末端钢液在糊状区的流动, 研究了不同电磁搅拌工艺参数下的电磁场分布及钢液的流动与传热特征.通过测量搅拌器中心线磁感应强度和铸坯表面温度验证了模型的准确性.研究结果表明: 电流强度每增加100 A, 搅拌器中心磁感应强度增加19.05 mT, 电磁力随着电流强度的增加显著增大.在20~40 Hz范围, 随着电流频率的提高, 中心磁感应强度略微下降, 但电磁力仍有所增加.在搅拌器区域, 液相穴内的钢液在切向电磁力的作用下旋转流动, 其切向速度随着电流强度和频率的增加而变大.末端电磁搅拌可促进钢液在圆坯径向的换热, 随着电流强度和频率的提高, 铸坯中心轴线上的钢液温度降低, 同时末端搅拌位置处的中心固相分率增加.      

连铸流动与凝固耦合模拟中糊状区系数的表征及影响

分析提出了连铸流动与凝固耦合数值模拟中, 钢液在两相区流动时的糊状区系数(A_mush)与渗透率的关系; 通过建立大方坯连铸结晶器三维耦合数值模型, 揭示了不同糊状区系数对钢液流动、传热与凝固进程的影响, 以及早期相关研究结果差异的源头.结果表明: 糊状区系数越大, 钢液在糊状区内的流动阻力越强, 凝固时钢液流动速度降低越快.采用较大的糊状区系数时, 糊状区呈较窄的"带状"分布在固液相之间; 当糊状区系数较小时, 糊状区范围变大, 钢液在结晶器内温降过快, 自由液面处出现过冷现象, 凝固坯壳局部发生重熔.结合实验数据验证与模型分析, 认为糊状区系数取值1×108~5×108 kg·m-3·s-1可以较可靠地揭示连铸结晶器内的实际凝固现象.      

大方坯径向水口旋流效应及其对凝固的影响

通过改变水口侧孔钢水流动方向可以控制结晶器内钢水流动与换热。采用流体动力学与凝固模拟方法对比研究了浸入式四分径向水口不同出流方向对大方坯连铸结晶器内流动、传热和凝固行为的影响。结果表明，侧孔方向对浇注过程结晶器内钢水的流动与凝固行为有显著影响。当水口侧孔水平旋转角度为30°时，结晶器内形成较好的水平旋流，可以有效降低侧孔出流钢水对坯壳的冲刷作用，并有利于结晶器内自由液面过热度的提高。比较不同侧孔出流角度发现，利用普通径向四分水口在一定安装角度下的旋流效应不仅对于初生坯壳的均匀生长以及自由液面的冶金效果产生有利影响，还可能在不改变水口结构条件下获得类似结晶器电磁搅拌的旋流效应。     

三流大方坯连铸中间包流场优化数值模拟研究

以三流大方坯连铸中间包为研究对象,建立了基于有限体积法(FVM)的中间包钢液流场和温度场耦合数值模型,对比分析了裸包和加控流装置中间包的冶金性能。结果表明:裸包状态下其中间流存在明显的短路流,死区比例大,且三流之间流动形态一致性差,钢水出口温差超过3 K,易导致铸坯质量的差异。通过合理设计挡墙和挡坝,中间包内钢液的流动状态可得到明显改善,死区比例大大降低,各流出口温差可控制在1 K以内。其中方案D挡墙加高挡坝工况下各流死区比例相对较低,对比裸包可分别降低17.9%和9.6%,且三流间流动状态更为接近,有利于更好地发挥中间包的综合冶金效果。     

非对称中间包稳态浇铸与换包操作的冶金效果

为合理评价并优化工业用三流非对称中间包的冶金效果,在对该中间包4种控流方案下稳态浇铸过程流场、温度场数值分析的基础上,通过RTD曲线定量分析了中间包不同控流方式下的钢水混合特性,并应用VOF模型追踪了换包操作时的钢液面行为。结合实际工况特点,从稳态和非稳态两方面研究了增设控流装置前后中间包的冶金性能,实现了对其实际浇铸条件下冶金效果的全面评价。结果表明,无控流装置的原型中间包结构不尽合理,存在明显的短路流,死区比例较大,钢水温度分布不均匀,且各流一致性差,易导致铸坯质量差异。导流隔墙组合湍流抑制器的控流方案可大大改善稳态浇铸时中间包流场及温度分布状况,包内死区比例较原型降低13.28%,3个出口温差仅为0.5K,各流一致性显著提高。然而,此方案在换包操作时可能出现钢液面速度较大及液面波动现象,易导致钢液暴露、二次氧化乃至发生卷渣,应注意换包时间及其液面高度和入口流量的控制。     

非对称中间包稳态浇铸与换包操作的冶金效果

??To rationally assess and optimize the metallurgical effect of an industrially used three- strand asymmetric tundish?? the mixing characteristics of molten steel with different tundish configurations were investigated by residence time distribution??RTD??curves based on the analysis of fluid flow and temperature distribution at four flow control schemes?? and the behavior of the tundish level was tracked by employing volume- of- fluid??VOF??model. The fluid dynamics behavior of the tundish was studied in term of both steady and unsteady service situations with and without fluid flow control devices?? which made it possible to assess comprehensively the metallurgical effect of the given tundish. The results show that the flow control effect of bare tundish is weak. It is observed that there are distinct short- circuit flow and large proportion of dead zone?? together with the non- uniform temperature distribution and the flow state discrepancy among the three strands?? which will accordingly lead to the quality difference of the bloom castings. The improvements on the fluid flow characteristics and the temperature distribution have been observed in tundish with the combined application of baffles and turbulence inhibitor. The proportion of dead zone is decreased by 13. 28%?? the temperature difference is only 0. 5K among three outlets?? along with an improved fluid flow consistency. Additionally?? studies also show that this arrangement may have large steel level velocity and level fluctuation during ladle change period. That is likely to bring about exposure?? reoxidation and even slag entrainment of molten steel. Attentions should be paid to the control of the ladle change interval?? inlet flowrate and the moment height of liquid level.     

组合搅拌模式对连铸特殊钢大方坯凝固行为的影响

组合搅拌模式是控制特殊钢铸态组织与均质性的重要手段。为深入揭示连铸结晶器电磁搅拌(Moldelectromagnetic stirring,M-EMS)和凝固末端电磁搅拌(Final electromagnetic stirring,F-EMS)的复合作用行为,基于麦克斯韦方程和低雷诺数湍流模型建立断面250mm×280mm的20Cr Mo A齿轮钢大方坯连铸过程电磁-流动-传热与凝固三维耦合数值模型。基于实测M-EMS中心线磁感应强度及F-EMS作用下的铸态组织白亮带宽度验证模型的可靠性。研究结果表明,M-EMS促使结晶器区域钢液产生水平旋流并冲刷凝固前沿,加强钢液和凝固坯壳的换热,可使钢液过热完全耗散及其凝固终点位置不同程度地前移,促进柱状晶向等轴晶的转变(Columnar to equiaxed transition,CET),从而可实现F-EMS作用区域为中心等轴晶区。组合搅拌作用下铸坯末搅区域液相穴宽度减小,糊状区内钢液对凝固前沿的冲刷速度降低,从而不易产生常见的负偏析白亮带缺陷。碳偏析检测结果表明,M-EMS可能造成大方坯出现一定程度的皮下负偏析和CET转变区的正偏析,但其中心偏析和铸态碳极差可获得明显改善。综合表明,合理的组合搅拌模式可有效改善特殊钢大方坯铸态组织的均质性,进而提高其轧材产品的热处理与服役性能。     

特殊钢连铸大方坯末端电磁搅拌位置研究与应用

采用有限元法,建立了大方坯凝固传热过程的数学模型。基于射钉试验验证了该模型的正确性。基于该凝固模型,分析了中心固相率与不同定义下凝固率的关系,提出了中心固相率在0～0.2范围内作为末端电磁搅拌的合理位置,适用于所有钢种;而面积凝固率在0.6～0.8范围内作为末端电磁搅拌的合理位置,只适用于高碳特殊钢。工业性生产试验进一步验证了这一观点,并取得了较好的冶金效果。