IF钢板坯结晶器电磁搅拌数值模拟与工艺实践.pdf
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1、第 44 卷第 6 期2023 年 12 月Vol.44.No.6December 2023特殊钢SPECIAL STEELIF钢板坯结晶器电磁搅拌数值模拟与工艺实践刘启龙1,邓勇1,李华刚2,韦如军2,曹成虎1,张敏1(1 马鞍山钢铁股份有限公司第四钢轧总厂,马鞍山 243011;2 上海宝信软件股份有限公司智能装备事业部,上海 201099)摘 要:针对高拉速IF钢铸坯夹杂与气泡缺陷封闭率偏高的问题,通过数值模拟研究了水口浸入深度和拉速对结晶器流场的影响,结果表明,在结晶器电磁搅拌电流为600 A、频率3.5 Hz工况下,随着拉速增高,自由液面活跃指数呈现先增大后减小再增大的趋势,在拉速1
2、.05 m/min附近,最高达0.67,在1.6 m/min附近,最低达0.35,流场均匀性指数略有降低,最佳的自由液面活跃指数为0.50.05;当拉速低于1.0 m/min时,随着水口浸入深度的增加,自由液面活跃指数逐步增大至0.40,当拉速大于1.0 m/min时,随着水口浸入深度增加,自由液面活跃指数逐步降低,当拉速大于1.4 m/min时,随着水口浸入深度的增加,自由液面活跃指数大幅下降至0.37;IF钢结晶器电磁搅拌工艺优化后,铸坯夹杂与气泡缺陷封闭率均值下降4%,取得了显著的效果。关键词:IF钢;高拉速;结晶器电磁搅拌;数值模拟;结晶器流场;夹杂;气泡DOI:10.20057/j.
3、1003-8620.2023-00119 中图分类号:TF777Numerical Simulation and Process Practice of Mold Electromagnetic Stirring for IF Steel SlabLiu Qilong1,Deng Yong1,Li Huagang2,Wei Rujun2,Cao Chenghu1,Zhang Min1(1 No.4 Steelmaking and Rolling General Plant of Ma anshan Iron&Steel Co.,Ltd.,Ma anshan 243011,China;2 Int
4、elligent Equipment Business Division of Shanghai BAOSIGHT Soft Co.,Ltd.,Shanghai 201099,China)Abstract:In order to solve the problem of high sealing rate of inclusions and bubble defects in IF steel with high drawing speed,the effects of immersion depth and drawing speed on the flow field of mold we
5、re studied by numerical simulation.The results show that under condition of the electromagnetic stirring current intensity 600 A and frequency 3.5 Hz,with the casting speed increases,the active index of free liquid level shows a trend of first increasing,then decreasing and then increasing.At the ca
6、sting speed about 1.05 m/min,max value is up to 0.67,at the casting speed about 1.6 m/min,the minimum value is 0.35,the flow-field uniformity index is slightly reduced,the best free liquid level active index is 0.5 0.05;When the casting speed is below 1.0 m/min,with the SEN immersion depth increases
7、,the free liquid surface active index gradually increases to 0.40;When the casting speed is greater than 1.0 m/min,with the SEN immersion depth increases,The free liquid surface active index index gradually decreases;When the casting speed is greater than 1.4 m/min,with the SEN immersion depth incre
8、ases,the free liquid level active index drops sharply to 0.37;After the optimization of mold electromagnetic stirring process of IF steel,the average sealing rate of inclusions and bubble defects in the casting billet decrease by 4%,and remarkable results are obtained.Key Words:Interstitial Free Ste
9、el;High Casting Speed;Mold Electromagnetic Stirring;Numerical Simulation;Mold Flow Field;Inclusion;Bubble板坯连铸生产中,结晶器内钢液的流场直接影响初生凝固坯壳的均匀生长,进而影响初生坯壳对夹渣、夹杂、气泡的捕获程度,其程度决定了高端产品铸坯实物质量水平,运用数模与水模方法,冶金工作者对结晶器流场进行了大量的研究,研究表明结晶器流场受水口型式、浸入深度、拉速、吹入氩气、电磁力等多种因素影响1-3,近年来随着对汽车轻量化和高效生产的加速推进,对诸如汽车面板等超低碳钢提出了更高的质量要求,结晶器
10、电磁搅拌作为优化结晶器流场的重要技术之一,在均匀凝固前沿,促进夹杂物上浮去除,减轻偏析等方面具有显著的冶金效果4,在方坯与圆坯铸机上已成为必备工艺装备之一,李永超等5研究结果表明:综合使用电磁搅拌,生产S55C中碳轴承钢,钢材内部质量满足超声A级,并且经水浸超声探伤无宏观缺陷及大型夹杂物,周开明等6研究结果表明:采用全保护浇注、精确冷却工艺、三段式电磁搅拌、缓冷工艺等技术措施,S355NL大圆坯铸坯中心疏松1.5级,中作者简介:刘启龙(1976),男,博士,高级工程师;E-mail:LIUQL;收稿日期:2023-06-1483第 44 卷 特殊钢心裂纹1.5 级、缩孔0.5 级,全截面碳含量
11、极差0.07%;近年来水平旋转型结晶器电磁搅拌技术在板坯上应用比例逐步增加,张志峰7等研究结果表明:复合电磁场能够有效地抑制结晶器自由液面处金属液波动变形,并改善铸坯的表面质量,卢海彪等8研究结果表明,综合考虑卷渣指数和冻结指数可知,较优的搅拌电流为600 A,李向龙等9研究结果表明:电磁搅拌加剧了钢液在结晶器中的湍流强度,并促使更多夹杂物聚并上浮至渣金界面。并且,由于水平方向流速较大,钢液射流被限制在了电磁搅拌区域,显著降低了钢液射流深度,有利于夹杂物上浮。此外,由于电磁力的存在加剧了渣金界面波动,容易造成卷渣,张静等10研究结果表明,浸入式水口深度增大时,能改善因拉速过大或电磁搅拌强度过大
12、导致的卷渣现象,减轻水口附近的结晶器液面波动;虽然电磁技术早已应用在板坯连铸机,但水平旋转型结晶器电磁搅拌技术在板坯尤其是较高拉速工况下的应用效果参差不齐,其工艺难点是应用水平旋转型结晶器电磁搅拌时,如何在促进夹杂气泡去除与降低卷渣两方面找到一个最佳点11-12,目前板坯水平旋转型结晶器电磁搅拌多数应用在1.4 m/min拉速以下,对较高拉速工况下其应用冶金效果研究极少,为满足现场 IF 钢高拉速生产,同时进一步提高IF钢质量,降低封闭率,本文通过数值模拟研究了拉速与水口浸入深度对板坯结晶器流场的影响规律,并优化IF钢(Interstitial-Free Steel,即无间隙原子钢,也称超低碳
13、钢)结晶器电磁搅拌工艺,经现场实验验证,取得了显著冶金效果。1IF钢板坯生产现状该厂生产 IF 钢的工艺流程为:铁水预处理(KR)300 t 顶底复吹转炉吹氩站RH 炉230 mm (9502 150)mm板坯连铸机,板坯连铸机为直弧型,主半径为9.59 m,配置MEMS电磁搅拌装置;共有 19个扇形段,其中 1与 2段为机械固定式,319段为带位置传感器油缸浮动式,可以依据位置传感器设定值进行压下与抬起,1段为垂直段,2段为弯曲段,9段为矫直段,1019段为水平段,冶金长度为42.6 m13;典型IF钢的化学成分见表1,结晶器电磁搅拌装置型式为:单面行波磁场水平旋转流场,克莱姆绕组形式,额定
14、电流700 A、额定电压380 V、频率 27 Hz、相数 3相(120相位),铁芯高度150 mm,铁芯中心线距离结晶器铜板上沿为195 mm。生产230 mm1 600 mm断面时,结晶器电磁搅拌电流为 600 A、频率为 3.5 Hz,工作拉速为 1.61.8 m/min,IF钢铸坯在冷轧工序因夹杂和气泡等缺陷导致封闭率达15%,为进一步提高IF钢质量,降低缺陷封闭率,进行了 IF 钢电磁搅拌工艺优化实验;实验钢种成分见表1,浇注断面为230 mm1 600 mm。2几何模型与评价准则2.1几何模型结合连铸机现有板坯结晶器电磁搅拌结构及连铸工艺参数,对电磁搅拌作用下不同拉速和浸入水口深度
15、下的结晶器流场进行计算。基于Maxwell方程组和N-S方程,建立电磁场流场单向耦合的数学模型,以计算电磁搅拌条件下结晶器内的电磁场和流场,由于流场模拟软件ANSYS不能计算外部磁场,因此,在计算流场前,需要利用磁场计算软件得到外部电磁力,再将外部电磁力文件通过源项导入到流场软件的流体力学模块中,最终得到电磁搅拌作用下的结晶器内流场情况14。根据结晶器电磁搅拌的结构特征,以典型断面(230 mm1 600 mm)铸坯为研究对象,建立如图1所示的有限元模型(未显示空气及水口部分),其中除空气之外均采用六面体单元,为了保证出口边界条件对计算结果无影响,将总的计算长度确定为5 m,计算参数见表2。2
16、.2评价准则采用下列两个指数对结晶器流场进行评价,自由液面活跃指数(K1):钢水自由液面流速超过临界表1典型IF钢化学成分(质量分数)Table 1The chemical composition of typical IF steel%C0.001 3Si0.002 2Mn0.12P0.014S0.005AlS0.045Ti0.056图1结晶器电磁搅拌几何模型与网格划分Fig.1Geometric model and grid generation of electromagnetic stirring in mold84第 6 期刘启龙等:IF钢板坯结晶器电磁搅拌数值模拟与工艺实践流速的区
17、域面积与自由液面总面积之比。在本研究中,临界流速为0.4 m/s。表征结晶器内钢液面的活跃度,当液面活跃指数过大时,结晶器内液面波动会剧烈,造成保护渣卷入到钢液中,并被凝固坯壳捕获从而形成卷渣缺陷,为此,液面活跃指数越大,铸坯生产过程中形成夹渣缺陷的概率就会越高;但也不能过小,否则保护渣熔融效果不好,吸收夹杂物的效果不佳,也容易导致卷渣15。均匀性指数(K2):在距离结晶器壁20 mm处各点连成一封闭曲线,曲线上各点速度绝对值对曲线积分,曲线上速度最大值对曲线积分,两积分值之比即为流场均匀性指数,其物理意义为封闭曲线上平均流速与最大流速之比。主要用于表征凝固前沿钢水冲刷的均匀性,均匀性指数越大
18、,电磁搅拌作用下的坯壳的凝固前沿就越均匀,铸坯生长也就越均匀15。3数值模拟结果与分析3.1电磁搅拌对结晶器内流场的影响有无电磁搅拌条件下的结晶器内流场如图2所示,从图2(a)可以看出,未采用电磁搅拌时,结晶器内的流场为双环流模式,并且在宽度方向上左右两边的流动大致是对称的。当钢水从水口侧孔流出后,射流直冲结晶器窄面,然后分为两部分,一部分向上回流,一部分紧贴结晶器窄边往下部流动。在结晶器厚度方向的中心面上,出口射流流速最大,而在整个厚度方向上,受中心出口射流的影响,形成很明显的上环流结构。从图2(b)可以看出,当搅拌电流为600 A、频率为3.5 Hz时,两个上环流呈现非对称结构,水口出口的
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