中锰钢电磁搅拌数值模拟及工业应用范文

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摘要：根据某钢厂连铸机参数和工艺参数，通过电磁场和流场的数学模型，本文研究了不同电磁搅拌参数对电磁场分布和液相穴的影响。模拟结果表明，铸坯内部电磁感应强度和电磁力随着距铸坯中心距离的增大而减小。随着电流强度和拉速的增加，铸坯内钢液流动速度相应增大。生产实践表明，搅拌电流为1100~1200A时，铸坯中心偏析可达到B级1.0，等轴晶率可达15%。

关键词：中锰钢；电磁搅拌；中心偏析；等轴晶率

溶质元素在固相和液相中的溶解度是不同的。在铸坯凝固过程中，溶质元素不断地从溶解度较低的固相进入溶解度较高的液相，从而形成偏析。受钢液流动的影响，连铸坯会在不同位置产生不同类型的宏观偏析［1-4］，可分为正偏析和负偏析两种。特别是高碳钢和高合金钢，极易在凝固过程中产生偏析，危害钢的质量，降低经济效益。因此，改善连铸过程的偏析程度是提高铸坯质量亟待解决的问题。对于板坯连铸，电磁搅拌可以通过电磁力改变柱状晶生长方向，甚至破坏已形成的柱状晶，使柱状晶转变为等轴晶［5-6］，从而达到细化晶粒，增加等轴晶率和减轻铸坯中心偏析的目的。杨骥等［7］发现，二冷区凝固坯壳可显著减弱电磁搅拌强度，使得特厚板坯内部钢液流速降低，回流区影响范围减小，进而加剧溶质元素偏析。许志刚等［8］研究表明，等轴晶区为负偏析，而中心柱状晶为正偏析。为了准确预测铸坯溶质元素偏析情况，李宝宽［9］通过数学模拟建立了中心偏析的在线预测模型。研究［10］发现，元素偏析具有选择性，C和Mn极易在凝固过程中形成偏析。近年来，中高锰钢因其优良的综合力学性能被重点关注［11-12］。但是到目前为止，关注的焦点是如何通过成分设计和热处理及轧制工艺提高中高锰钢的力学性能，而对电磁搅拌作用下中高锰钢凝固过程中元素偏析和晶体生长行为知之甚少。为此，本研究以中锰钢为研究对象，结合某钢厂连铸机参数和连铸工艺参数，建立电磁场和流场的数学模型，模拟研究不同电磁搅拌参数对电磁场分布和液相穴内部流动情况，为工业生产中参数的制定提供依据。

1电磁场模拟

1.1电磁场模型某钢厂连铸板坯截面尺寸为230mm×1650mm。采用辊式搅拌器，安装在二冷区的35#和40#辊处，分别距离结晶器弯月面11.18m和13.03m。在建立模型有限元时，进行如下简化和假设：（1）建模仅限于铸坯的搅拌器部分，包括搅拌辊上下300mm处。（2）忽略由电磁场产生的位移电流，且对磁场不受两相区钢液流动的影响，忽略磁滞效应。（3）认为电磁搅拌器冷却水和空气都为绝缘介质体，其电导率为0。钢液相对磁导率为1。（4）空气建模体积一般为磁体体积2~3倍。（5）认为线圈筒具有均匀的导电性。（6）认为磁轭和铁芯的相对磁导率也具有各项同性的性质，且为常数。所建模型如图1所示。其中Y轴（纵轴）为拉坯方向，X-Z面为铸坯横截面，Y=0处为第一搅拌辊中心横截面。在进行模型的网格划分时，对空气部分采用四面体结构进行划分，其它部分尽可能采用六面体结构进行划分。

1.2电磁场计算结果与分析图2为电磁搅拌参数设定为800A和4Hz时，铸坯中心纵轴线上磁感应强度分布。搅拌器中心处的磁感应强度最大，随着距中心距离的增大而电磁感应强度急剧减小。图2铸坯中心纵轴线上磁感应强度分布Fig.2Distributionofmagneticinductionstrengthalonglongitudinalaxisofslabcenter主要与两个因素有关：一是搅拌辊内有磁屏蔽环存在，可阻碍磁感线传递到其它方向，进而将磁感线聚集于搅拌器附近；二是一对磁极由一对辊子相应部分形成，可造成磁感相对集中。搅拌辊中心Y=0横截面电磁力分布如图3所示。在两对电磁搅拌辊中心横截面上，铸坯边缘电磁力最大，向中心不断衰减。这种分布规律使钢液在铸坯边部的流速较大，呈现趋肤效应；离铸坯中心越近，磁场减弱，感应电流变小，电磁力也减小。图4为铸坯中心纵轴电磁力的分布图。在搅拌辊作用下，电磁力相对较为集中，其分布状况与磁感强度一致。

1.3电流强度对电磁场的影响图5给出了不同电流强度下纵向磁场分布。尽管电流有所不同，但是磁感强度的变化趋势是相似的。同时还可以看出电流对电磁感应强度是有影响的，增加电磁搅拌的电流可增加铸坯中的磁感应强度。当电流由800A增加到1.2kA，中心磁感强度（最大）可由59mT增加到73.8mT，由此可以得出搅拌辊中心的磁感应强度随电流变化的电流强度对电磁力的影响如图6所示。尽管电流强度发生变化，但电磁力的分布规律基本相似，仅电磁力大小有所变化。从图7还可看出，电磁力随着电流强度的增大而增大，近似为抛物线分布。电流强度越大，磁感应强度越大，产生的感应电流越大，电磁力也越大。电流从800A增加到1.2kA时，最大电磁力从2.117kN/m3增加到3.308kN/m3，电磁力增加幅度较大，从而可以有效地驱动两相区钢液的移动。

2流场模拟

2.1流场模型在建立铸坯内部钢液流场数学模型时，做出如下几条假设：（1）认为钢液为均相介质的不可压缩的牛顿流体，其物性参数为常数。（2）认为钢液为流动为稳态，时变电磁力用时均值表示。（3）二冷区的铸坯液相穴内的钢液温度较低，等轴晶对流动的影响，采用增加粘度的方法等效。流体流动数学模型包括质量守恒定律、动量守恒定律和低Re数k-ε模型，在文献［13］中已有详细介绍。模型边界条件：（1）模型的上、下端边界条件：由于两相区随着铸坯拉坯方向在运动，两相区与铸坯凝固前沿认为没有相对速度，所以本模型上端和下端均设定自由边界。（2）凝固侧壁壁面：在凝固前沿的壁面位置，垂直速度为零，采用无滑移边界条件。模型计算时，采用交错网格存储速度分量，若收敛残差小于10-1则求解结束。

2.2流场计算结果将电磁力模拟结果耦合到流场模型中，并对流场模型进行计算求解。模拟电磁参数条件下二冷区两相区内钢液的流动状态，分析铸坯液相穴内不同位置钢液的流速分布，为寻找合适的电磁搅拌参数提供理论指导和依据。将电流频率设定为4.0Hz，电流分别为800A、1kA、1.2kA，计算不同电流强度下搅拌辊区域附近连铸坯内液态钢液的流动。图7为铸坯中心纵截面流场云图。在铸坯内部有4个漩涡区，形成双碟形流场，最大速度集中在搅拌辊的端部。随着电流强度的增加，流场分布基本一致，但钢液流动速度相应增大，最大切向速度由0.388m/s增大到0.506m/s。在电磁力作用下，钢液从一端开始加速，在惯性作用下，在另一端速度达到最大，并在界面前沿分成两股，分别向上回流和向下回流。在这两股回流的作用下，可以消除铸坯内部钢液的过热度，冲刷凝固界面前沿，打断柱状晶，有利于等轴晶的生长。但是，凝固过程中负偏析溶质从固相中排出并富集在枝晶间的液相中，偏析元素被流动的钢液带走，可能会诱发白亮带的形成。因此，要求二冷区钢液速度控制在0.5m/s左右［13］。结合某钢厂现场的实际情况，在1.2kA和4Hz时，最大搅拌速度达到0.506m/s是可行的。

2.3拉速的影响连铸过程中，当拉速增加时，铸坯的坯壳厚度减小，液相穴中钢液温度升高，等轴晶对流动的影响减小。当拉速升高至1.1m/min和1.2m/min时，铸坯坯壳厚度减小至67.7mm和65.2mm。本文将搅拌电流设定为1kA和4.0Hz，计算不同拉速条件下铸坯液相穴中的钢液流动情况。图8为相同搅拌参数不同拉速条件下搅拌器中心纵截面上的速度分布图。随着拉坯速度的增加，纵截面内钢液流动速度增大，最大切向速度由0.447m/s增大到0.50m/s，速度增加比较明显。由此可以说明，拉坯速度对电磁搅拌效果也有较大的影响。拉速越快，二冷区的搅拌辊附近坯壳厚度越小，两相区温度升高，搅拌强度加大，过热度消除也加快。但会增加白亮带形成概率。因此在板坯连铸过程中，应尽量保持拉速的相对恒定，以稳定连铸坯的内部质量。

3工业实验

在230mm×1650mm连铸机上进行了中锰钢生产实验。中锰钢成分：w（C）=0.05%，w（Si）=0.25%，w（Mn）=5.50%，w（Cr）=0.40%，w（Ni）=0.30%，w（Mo）=0.21%，w（Al）=0.022%。当连铸机拉速为1.0m/min，搅拌电流为1.1kA和4Hz时，尽管钢中Mn质量分数高达5.5%，但是在电磁搅拌的作用下，连铸坯的内部质量明显改善，中心偏析达到B级1.0，中心疏松0.5级，中心和中间裂纹以及中心缩孔都为0级，等轴晶率达到15%。这与模型计算结果一致，证明电磁搅拌可减弱铸坯中心偏析，增加等轴晶率。

4结论

本文通过对某钢厂板坯连铸机建立的凝固传热与电磁搅拌模型，模拟分析了电磁搅拌器产生磁场的分布特征和连铸坯液相穴的流动情况，并进行了工业实验，所得结论如下：（1）最大磁感应强度出现在搅拌器中心处，距离中心越远，电磁感应强度越小。铸坯中电磁力分布与磁感应强度有着相似的分布趋势。不同电流条件下磁感应强度的分布情况基本相同。随着电流的增大，钢液中的磁感应强度逐渐增大。（2）电磁搅拌作用下，铸坯中心纵截面形成双碟形流场，最大速度集中在搅拌辊的端部。随着电流强度的增加，纵截面内钢液流动速度相应增大，最大切向速度由800A的0.388m/s增大到1200A的0.506m/s。随着拉坯速度的增加，纵截面内钢液流动速度增大。（3）工业实验中，当连铸机拉速为1.0m/min，电磁搅拌参数为1.1kA和4Hz时，连铸坯中心偏析达到B级1.0，等轴晶率达到15%，铸坯质量良好。

参考文献：

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［9］李宝宽.板坯连铸中心线偏析的预测模型［J］.东北大学学报（自然科学版），2001，22（6）：652-655.

［10］梁文，吴润，黄海娥，等.碳含量对600MPa级高强钢中心偏析和带状组织的影响［J］.钢铁钒钛，2018，39（3）：149-157.

［13］姜东滨.方坯连铸机凝固末端电磁搅拌工艺过程数值模拟研究［D］.沈阳：东北大学，2013.

作者：马超 栾花冰 李泊 尚世震 朱晓雷 魏崇一 单位：鞍钢招标有限公司