電磁攪拌對連鑄結晶器內鋼液流動的影響

方旭東,李志強,李靜怡,4,武 立,侯 華,5,徐芳泓,趙宇宏,6

(1.太原鋼鐵(集團)有限公司 先進不銹鋼材料國家重點實驗室,山西 太原 030003;2.山西太鋼不銹鋼股份有限公司技術中心,山西 太原 030003; 3.中北大學 材料科學與工程學院,山西 太原 030051; 4.中汽研汽車檢驗中心(寧波)有限公司,浙江 寧波 315336; 5.太原科技大學 材料科學與工程學院,山西 太原 030024; 6.北京科技大學 北京市材料基因工程高精尖創新中心,北京100081)

0 引 言

作為鋼鐵工業中的一項重大技術革新,連鑄工藝技術的應用極大程度上簡化了生產工序,縮短了整體流程,提高了其自動化程度。其中,結晶器是影響連鑄鋼坯質量的關鍵部分,電磁攪拌裝置的配備進一步使得結晶器中鋼液的流動、凝固、傳質和傳熱等條件發生改變,對于鑄坯成分均勻性、夾雜物浮動以及柱狀晶和等軸晶晶粒生長過程的熱力學和動力學條件也產生了較大影響[1-4]。目前,電磁攪拌技術己成為改善連鑄坯質量、穩定操作、擴大品種范圍和提高生產效率的重要技術手段,科技工作者對電磁攪拌的作用機理已展開廣泛的研究[5-7]。

鑒于電磁攪拌結晶器內鋼液流動情況的復雜性,很難直接獲得實際結晶器內的流動行為,因此,研究者通常采用數值模擬的方法來進行研究,Liu Heping等[8]研究了低頻型內旋轉式電磁攪拌器的圓坯結晶器內的電磁場分布和電磁驅動流動特性,指出對于結晶器旋轉電磁攪拌系統,為了確定最佳攪拌強度,必須在較大的切向速度和相對靜止的彎月面之間做出折衷; 楊宇威等[9]研究了一種用于板坯流動控制的復合磁場,通過在彎月面附近施加電磁攪拌,在浸入式水口附近施加電磁制動,實現了對流場及溫度場的復合控制; 李琪藍等[10]采用大渦模擬模型研究了大方坯連鑄結晶器內的流動和卷渣行為,獲得了較為準確的多相流模擬結果。這些研究結果為進一步揭示結晶器內的流動行為提供了方法。在電磁攪拌具體作用研究方面,文獻[11-15]結合具體實驗組織,優化了方坯連鑄機電磁攪拌的最佳電流和頻率組合,顯示了電磁攪拌的顯著作用,但并未揭示具體的電磁攪拌參數在結晶器內鋼液流動過程中的直接作用。因此,本文通過建立包含電磁攪拌作用在內的連鑄穩態過程的數學模型,并利用電磁攪拌過程中磁感應強度與電磁力的可視化技術,研究奧氏體不銹鋼S30432小方坯連鑄過程中電磁攪拌對結晶器內鋼液流動的直接作用影響規律,以期為實際生產中奧氏體不銹鋼的連鑄工藝優化提供一定借鑒。

1 數學模型

1.1 電磁場控制方程

連鑄結晶器內鋼液流動的電磁攪拌是由施加在熔體中的電磁力實現的,利用求解麥克斯韋方程組而得到的磁感應強度和電場強度的分布可以得出電磁力的分布。

安培環路定律

(1)

法拉第電磁感應定律

(2)

電場的高斯定律

?D=ρe。

(3)

磁場的高斯定律

?B=0。

(4)

電磁場的3個本構關系為

D=εE,B=μH,J=σ(E+v×B),

(5)

式中:H為磁場強度;J為傳導電流密度矢量;D為電通密度矢量;t為時間;E為電場強度;B為磁感應強度;ρe為電荷體密度;ε為介電常數;μ為磁導率;σ為電導率;v為速度矢量。

通過求解以上方程組,可獲得電磁體積力

FLorentz=J×B。

(6)

1.2 連鑄穩態過程控制方程

計算流場、溫度場的控制方程如下:

質量守恒方程

(7)

能量守恒方程

(8)

式中:ρ為材料的密度;ht為材料的總熱焓;kT為材料的熱導率;T為溫度;SJoule為當有電磁場施加時的焦耳熱源項,未施加電磁力時該源項為零。

總熱焓ht由材料的顯性熱焓及潛熱組成,即

ht=hd+fL·L,

(9)

式中:hd為顯性熱焓;fL為材料的液相率;L為材料的熔化潛熱。

顯性熱焓hd的表達式為

(10)

式中:href為參考熱焓;Tref為參考溫度;cp為等壓熱容。

動量守恒方程

(11)

式中:μeff為等效粘性系數且μeff=μl+μt,μl為層流粘性系數,μt為湍流粘性系數;p為壓力;S為電磁力源項,即式(6)中的電磁體積力。

1.3 幾何模型及網格劃分

為了節省模擬時間且保證精準性,簡化模型后建立了結晶器攪拌器作用區間的三維模型,如圖1(a) 所示。該模型由高為1.2 m的鑄坯、結晶器、磁軛和線圈組成。此部分包含了浸入式水口、結晶器冷卻區以及部分二次冷卻作用區。ANSYS中計算網格的劃分如圖1(b) 所示。

(a) 三維幾何模型

1.4 物性參數及邊界條件的設置

表1 所示為奧氏體不銹鋼S30432小方坯連鑄過程數值模擬所使用的物性參數,圖2 為不同溫度下鑄坯的比熱和熱導率。結合生產實際情況,確定鑄坯的斷面尺寸為220 mm×220 mm,拉坯速度為0.9 m/min,電磁攪拌器的線圈匝數為200匝。浸入式水口內徑為Ф30 mm,外徑為Ф80 mm,插入深度為130 mm。

表1 數值模擬物性參數

(a) 比熱容隨溫度的變化

為了簡化計算,根據連鑄方坯的凝固傳熱特點以及工業生產條件,忽略鑄坯沿拉坯方向上的傳熱行為,在結晶器、二冷、空冷等各個區域采用平均換熱系數來反映每個區域的復雜換熱行為。入口處溫度設為澆注溫度,入口速度根據質量守恒原理由鑄造拉坯速度計算得到。出口處溫度被設為室溫,出口速度即為拉坯速度。熔體自由表面的邊界條件被設為絕熱的靜止壁面。磁場采用默認的自然邊界條件。

2 模擬結果與分析

在實際生產中,交變磁場作用于鋼液會產生感應電流,感應電流與磁場的相互作用產生電磁力,從而實現對鋼液的無接觸攪拌。磁感應強度的分布情況可以在一定程度上反映電磁攪拌器的作用效果,能夠作為校準模型的依據,電磁力的分布能夠直接反映攪拌器的攪拌程度,因此,磁感應強度和電磁力是研究電磁場作用的兩個重要的參數。

2.1 磁感應強度分布

當施加的電流強度為100 A、頻率為50 Hz時,鑄坯表面的磁感應強度分布如圖3(a) 所示。攪拌器產生磁場的作用范圍集中在攪拌器內部區域,磁感應強度最大值達到了0.08 T,而遠離攪拌器區域的鑄坯處的磁感應強度很弱。電磁攪拌器中心位置處鑄坯橫截面上的磁感應強度分布如圖3(b) 所示,可以看出,由于集膚作用的原因,磁感應強度從鑄坯表面向芯部衰減迅速,最大值出現在鑄坯表面靠近磁軛的位置。

(a) 鑄坯表面

2.2 電流參數對磁感應強度的影響

當電流頻率為50 Hz,電流強度分別為100,200,300,400和500 A時,磁感應強度在圖3(b) 左上至右下對角線上的分布如圖4(a) 所示。在電磁攪拌器中心截面上,磁感應強度的最小值位于鑄坯中心處,磁感應強度的最大值位于鑄坯外表面,當電流為100,200,300,400和500 A時,磁感應強度的最大值分別為0.07,0.15,0.22,0.29和0.36 T,在相同電流頻率下,磁感應強度隨著電流強度的增加而變大。

(a) 不同電流強度的影響

當電流強度為100 A,電流頻率分別為10,20,30,40和50 Hz時,電磁攪拌器中心截面對角線上的磁感應強度變化曲線如圖4(b)所示,鑄坯邊緣處磁感應強度的最大值分別為0.079,0.083,0.080,0.074和0.067 T?？梢钥闯?隨著電流頻率的增加,鑄坯表面的最大磁感應強度值先增加后減小,20 Hz時最大,這是因為鑄坯外側的結晶器銅板對磁場具有一定的磁屏蔽作用,較低頻率的磁場更容易穿透銅壁到達鑄坯內部,所以在電流強度不變的前提下,電流頻率越大,鑄坯上的磁感應強度由于屏蔽的作用反而會變小。

2.3 電磁力分布

當施加電流強度為100 A、頻率為50 Hz時,鑄坯表面的電磁力分布如圖5(a) 所示。電磁攪拌器中心位置處鑄坯橫截面上的電磁力分布如圖5(b) 所示?？梢钥闯?電磁力大小的變化趨勢與磁感應強度基本相同,電磁力的主要作用范圍集中在攪拌器內部區域,最大值達到了18 720 N/m3,遠離攪拌器區域的鑄坯處電磁力很小,在磁感應強度和感生電流的共同作用下,電磁力的最大值出現在鑄坯近表面處靠近磁軛的位置。

(a) 鑄坯表面

2.4 電流參數對電磁力的影響

當電流頻率為50 Hz,電流強度分別為100,200,300,400和500 A時,電磁力在圖3(b) 左上至右下對角線上的分布如圖6(a)所示。在電磁攪拌器中心截面上,電磁力的最小值位于鑄坯中心處,電磁力最大值的位置距離鑄坯表面約20 mm,當電流為100,200,300,400和500 A時,電磁力的最大值分別為18 720,90 500,217 200,380 100和588 250 N/m3,在相同電流頻率下,電流強度的變化對電磁力具有較大影響,電磁力隨著電流強度的增加而變大。

(a) 不同電流強度的影響

當電流強度為100 A,電流頻率分別為10,20,30,40和50 Hz時,電磁攪拌器中心截面對角線上的電磁力變化曲線如圖6(b)所示,鑄坯近表面處電磁力的最大值分別為11 160,18 000,20 520,20 160和18 720 N/m3?？梢钥闯?由于鑄坯外側的結晶器銅板對磁場具有一定的磁屏蔽作用,隨著電流頻率的增加,鑄坯近表面處的電磁力先增加后減小,30 Hz時最大。

2.5 電磁攪拌作用對鋼液流動的影響

圖7 顯示了在不施加電磁攪拌作用以及施加電磁攪拌作用(50 Hz,100 A)時,鑄坯在水口位置縱截面鋼液流動的情況?？梢钥闯?施加電磁攪拌作用后,鋼液紊流情況加劇,縱向回流效果顯著增強?？v向回流的增強,不但可以增強鋼液的傳熱能力使鋼液溫度更加均勻化,還可以促進夾雜物浮回鋼液表面,更有利于除氣除渣凈化鋼液。

(a) 無電磁作用

圖8 顯示了在不施加電磁攪拌作用以及施加電磁攪拌作用(50 Hz,100 A)下,結晶器出口處鑄坯橫截面流場的分布情況?？梢钥闯?電磁攪拌作用明顯改變了鑄坯內部的流場分布,與未施加電磁攪拌作用時相比,施加電磁攪拌作用后,鑄坯近表面區域鋼液高速流動的范圍更廣,鑄坯橫截面上的整體平均流速得到提高,而流速的增加能夠加快鋼液內部及表面的換熱,使鋼液溫度更加均勻化,消除了過熱現象,從而獲得更加均勻的晶粒。

(a) 無電磁作用

當電流頻率為50 Hz,電流強度分別為0(未施加電磁攪拌),100,200和300 A時,鑄坯1.2 m高度范圍內的縱截面流場分布如圖9(a)所示,鑄坯中心線上的縱向流速分布如圖9(b)所示。

(a) 電流強度對流場分布的影響

由圖9 可以看出,未施加電磁攪拌作用時,鋼液在水口處流速較高、沖擊深度較長,下端金屬液回流時與水口處方向向下的金屬液對流,產生抵消作用,使下端中心位置的金屬液流速減小。當電流強度為100 A時,水口向下的液流沖擊深度變淺,在下半部分的電磁攪拌器安裝位置中心處,產生了較高流速區。隨著電流強度的增加,電磁攪拌力的上升,鋼的液流在鑄坯中的沖擊深度逐漸變淺,而下半部分電磁攪拌器作用區域中心產生了較高速的金屬液流動。這是由于隨著電流強度的增加,電磁攪拌力增大,導致鋼液水平方向的速度增加,重力方向的速度減小。鋼液高速流動范圍的增加不但能夠沖刷凝固前沿,打碎粗大枝晶,還能夠加快鋼液內部及表面的換熱,使鋼液溫度更加均勻化,消除了過熱現象,從而獲得更加均勻細小的晶粒。

3 結 論

本文通過有限元數值模擬方法,構建了連鑄結晶器水口復合三維模型,主要從不同電流參數作用下的結晶器內的磁感應強度、電磁力、流場以及流速的分布和變化方面分析了電磁攪拌對連鑄結晶器內鋼液流動行為的影響規律,得出如下結論:

1) 電磁場主要作用范圍集中在攪拌器內部區域,磁感應強度和電磁力隨著電流強度的增加而增大,隨著電流頻率的增加先增大后減小,磁感應強度和電磁力的最大值分別出現在鑄坯表面和近表面靠近磁軛的位置。

2) 電磁攪拌能夠顯著增強鋼液的縱向回流效果,有利于促進夾雜物浮回鋼液表面,便于除氣除渣凈化鋼液。

3) 電磁攪拌作用的施加,能夠降低水口流入鋼液的沖擊深度,增強鋼液在水平方向的流動,擴大鋼液高流速區域,有利于鋼液內部及表面的換熱,可以提高晶粒細化的效果。