CN112974750B - 动态组合磁场调控特种钢二冷区流动和凝固的装置与方法 - Google Patents
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Abstract
一种动态组合磁场调控特种钢二冷区流动和凝固的装置与方法,属于电磁冶金领域。该动态组合磁场调控特种钢二冷区流动和凝固的装置中,第一电磁控流设备设置在二冷区中铸坯固相率为15%~25%位置;第二电磁控流设备设置在二冷区中铸坯固相率为55%~65%位置。该方法是根据不同特种钢成分,得到特种钢凝固过程的固相率和坯壳厚度。在不同固相率位置布置组合磁场,并根据坯壳厚度选出电源频率,通过对不同电流作用下的流场数值计算,得到搅拌强度在20~30cm/s时的电流强度。当单一调控二冷区中的电磁控流设备,依然不能维持钢液水平流速为20~30cm/s时,通过增强或减弱另一个电磁控流设备的电流强度调节流速从而形成动态响应。
Description
技术领域
本发明属于电磁冶金技术领域,具体涉及一种动态组合磁场调控特种钢二冷区流动和凝固的装置与方法。
背景技术
特种钢也叫合金钢,是在碳素钢里适量地加入一种或几种合金元素,使钢的组织结构发生变化,从而使钢种实现各种不同的特殊性能。特种钢中的溶质含量特别是Cr、Ni等远远超过普碳钢,会造成导热性能差,凝固过程中钢液温度梯度大,散热不均匀,这导致铸坯的低倍组织粗大,柱状晶发达,从而阻碍了凝固过程钢液的流动。此外,为改善特种钢性能,添加了稀土元素,导致钢液的粘性急剧上升,流动性降低。因此,特种钢连铸过程中的流动特性极易造成溶质富集,进而形成严重的中心偏析、中心疏松和中心裂纹等缺陷,使钢材质量大大下降。例如风力发电机用轴承钢,热轧盘条断面出现低倍组织孔洞缺陷,这些缺陷通过后期的热处理很难消除。因此,为了要解决上述问题,需要在特种钢的连铸过程中对钢液流动进行调控,抑制柱状晶生长,让溶质分布更加均匀,才能改善最终的凝固组织。
目前,对于控制钢液流动,连铸机上普遍采用电磁搅拌技术,其中绝大多数已公开专利CN103934423A、CN105695659A、CN108672666A等采用的都是单独或者组合应用结晶器电磁搅拌和凝固末端电磁搅拌进行控制流动,把关注重点都放在了连铸过程中结晶器和凝固末端的位置上。在实际应用中,铜制的结晶器由于其导电率非常高,外部磁场由于集肤效应会在结晶器壁面聚集,大大削弱了搅拌效果;凝固末端的钢液固相率非常高,凝固坯壳达到很大的厚度,欲针对其进行电磁搅拌则需要更高的电源功率,能耗增大,且由于很难观测到凝固终点,对于末端电磁搅拌的放置位置也不能准确确定,影响其搅拌效果。
特种钢连铸二冷区是钢材被强制快速冷却的区域,在这一范围内钢材的固相率快速增加,流动和温度梯度变化很大,枝晶迅速生长,随着坯壳厚度不断增加,溶质析出并富集到枝晶间及铸坯主流区,会最终造成中心偏析等问题。因此,对二冷区合理使用电磁搅拌可以显著减少中心偏析等问题,提高铸坯合格率。专利CN110303125A、CN108672666A公开了分别针对方坯和圆坯的二冷区施加电磁搅拌,但在二冷区都是单一的搅拌,不能针对不同成分的特种钢的流动和凝固过程进行动态的调节控制,并且搅拌设备不同位置的设置和电磁搅拌强度均对其钢液流动有影响。同时,常规电磁工艺不能根据钢种变化有效调节流动获得合理溶质分布。因此,实现有效控制连铸二冷区的流动,并减少中心偏析,开发出可以应用在不同特种钢上的电磁控流装置,对提高特种钢质量具有重要意义。
因此,本发明提出一种动态组合磁场调控特种钢二冷区流动和凝固的装置与方法。
发明内容
针对以上特种钢连铸过程中存在的温度梯度大,柱状晶发达,钢液流动性差,最终导致溶质分布不均,从而产生的中心偏析、中心缩孔和中心裂纹等问题,以及现有设备结构复杂,且由于集肤效应导致能耗大大增加,以及不能针对不同特种钢采用相应合适的连铸参数等多种问题。本发明提出一种动态组合磁场调控特种钢二冷区流动和凝固的装置与方法,能够通过调控连铸二冷区入口和出口附近钢液的流动来打破凝固前沿柱状晶,提高内部等轴晶率,使冷热钢液充分混合,改善凝固行为和溶质分布,从而提高特种钢成材率。此外,对不同特种钢连铸过程中的流动和凝固行为进行数值计算研究,根据数值计算结果找到不同特种钢最佳的连铸工艺参数,更好的指导实际生产。
为了实现上述目的,本发明的采用的技术方案如下:
本发明的一种动态组合磁场调控特种钢二冷区流动和凝固的装置,包括电磁控流设备、电磁控流设备的激励控制器、滑轨、滑轨控制电机和计算机;
所述的电磁控流设备分为第一电磁控流设备和第二电磁控流设备,第一电磁控流设备设置在二冷区中铸坯固相率范围为15%~25%的位置上;第二电磁控流设备设置在二冷区中铸坯固相率范围为55%~65%的位置上;电磁控流设备和对应的滑轨连接,电磁控流设备和电磁控流设备的激励控制器连接,滑轨和滑轨控制电机连接,电磁控流设备的激励控制器和滑轨控制电机均与计算机连接。
进一步的,所述的电磁控流设备包括凸极环形铁芯,以及缠绕在凸极环形铁芯凸极结构上的线圈,所述的凸极环形铁芯套设在二冷区外周;所述的凸极环形铁芯为环形铁芯上设置N个凸极结构,N为4~12个且为偶数,N个凸极环形铁芯的凸极结构设置在凸极环形铁芯内壁并均匀分布,相对的凸极结构的电流相位一致,且相对的凸极结构对应的线圈产生同一方向磁场;所述的线圈连接交流电源,用于在铸坯内形成交变磁场,从而影响内部钢液的流动。
进一步的,凸极环形铁芯为多个硅钢片叠加而成,减弱涡电流产生。
所述的第一电磁控流设备,用于在铸坯初始凝固阶段打碎凝固前沿的柱状晶,从而可以在凝固初期抑制住柱状晶的发展,增加等轴晶率,保证后续铸坯凝固前沿均匀生长。
所述的第二电磁控流设备,用于维持二冷区下段的主流流动,改善凝固液芯中的富集的溶质分布,减少中心偏析的产生。
所述的第一电磁控流设备为高频率低电流的电磁控流设备,其根据特种钢的种类进行确定,优选的频率为300~450Hz,电流为100~400A,采用的高频率能够保证只对凝固前沿区域内的钢液进行流动控制,不干扰主流区的流动;采用的低电流能够保证避免在铸坯初始凝固阶段由于搅拌强度过大造成的漏钢问题。
所述的第二电磁控流设备为低频率高电流,其根据特种钢的种类进行确定,优选的频率为10~70Hz,电流为500~800A,采用低频率是为了克服集肤效应,保证磁场能够穿过一定厚度的坯壳作用到未凝固的钢液中;采用高电流是由于在该位置处的钢液过热度散失殆尽,温度降低会导致钢液黏度提高,使钢液流动性下降,所以采用高电流来实现对铸坯未凝固的主流液芯进行有效搅拌,使溶质均匀分布。
所述的电磁控流设备通过对应的连接杆和滑块连接,滑块套设在移动滑轨中,使得电磁控流设备能够在二冷区内根据铸坯固相率进行滑动。
所述的动态组合磁场调控特种钢二冷区流动和凝固的装置的作用位置处,若钢液水平流速不在20~30cm/s范围内,则通过增加或降低电流强度来使钢液水平流速回到20~30cm/s范围内。当单一调控二冷区中的第一电磁控流设备或第二电磁控流设备,依然不能维持钢液水平流速为20~30cm/s时,还可以通过增强或减弱另一个电磁控流设备的电流强度调节流速从而形成动态响应。
所述的动态组合磁场调控特种钢二冷区流动和凝固的装置,可应用于圆坯和方坯的连铸过程。
一种动态组合磁场调控特种钢二冷区流动和凝固的方法,采用上述动态组合磁场调控特种钢二冷区流动和凝固的装置,包括以下步骤:
步骤1:确定特种钢凝固过程中的铸坯固相率和坯壳厚度
根据待连铸的特种钢成分和成分质量百分比,读取连铸机上的工艺参数,根据工艺参数确定特种钢凝固过程中的铸坯固相率和坯壳厚度;
步骤2:确定电磁控流装置的工艺参数
(1)根据特种钢凝固过程中的铸坯固相率,将第一电磁控流设备放置在二冷区的对应位置,将第二电磁控流设备放置在二冷区的对应位置;
(2)根据集肤效应公式,满足集肤层厚度>坯壳厚度,分别确定第一电磁控流设备的电源频率和第二电磁控流设备的电源频率;
(3)先通过第一电磁控流设备对流场的调控作用,根据第一电磁控流设备的电源频率得到能使电磁控流设备作用位置处的钢液水平流速在20~30cm/s范围时的第一电磁控流设备对应的电流强度;再在第一电磁控流设备作用基础上,相应计算得到第二电磁控流设备使钢液水平流速在20~30cm/s范围时对应的电流强度。
步骤3:连铸过程调控
将电磁控流设备按确定的电源频率启动,进行连铸,连铸过程中,在二冷区通过调控电磁控流设备的电流强度,使得钢液水平流速在20~30cm/s的范围内,并且二冷区的第一电磁控流设备和二冷区的第二电磁控流设备共同配合动态响应,从而调控钢液水平流速。
所述的步骤1中,连铸凝固过程的工艺参数包括拉速、结晶器冷却水流量、二冷区水流量和钢液过热度。
所述的步骤1中,特种钢凝固过程中的铸坯固相率和坯壳厚度的确定方法采用ANSYS Fluent软件数值模拟计算和/或射钉实验方法。
所述步骤2的(1)中,通过启动滑轨控制电机将电磁控流设备滑动到铸坯相应固相率的位置上。
所述步骤2的(1)中,第一电磁控流设备,设置在二冷区中铸坯固相率范围为15%~25%的位置上;第二电磁控流设备,设置在二冷区中铸坯固相率范围为55%~65%的位置上。
所述步骤2的(2)中,所述的集肤效应公式为:
δ—集肤层厚度,单位为mm
σ—特种钢液的电导率(7.14×105S m-1)
μ—特种钢液的磁导率(4π×10-7H m-1)
ω—电磁控流设备的电源频率,单位为Hz。
所述的步骤2的(3)中,将步骤2(2)中得到的电源频率导入ANSYS maxwell软件中进行计算,再将计算得到的时均电磁力导入到ANSYS Fluent软件中进行计算,得到电磁控流设备作用位置处的钢液水平流速在20~30cm/s范围时的电流强度。
具体操作:先通过ANSYS maxwell软件计算第一电磁控流设备对流场调控作用的时均电磁力,再将计算得到的时均电磁力导入到ANSYS Fluent软件中进行计算,得到能使电磁控流设备作用位置处的钢液水平流速在20~30cm/s范围时的第一电磁控流设备对应的电流强度;再在第一电磁控流设备作用基础上,相应计算得到第二电磁控流设备使钢液水平流速在20~30cm/s范围时对应的电流强度。
所述的步骤3中,在二冷区磁场作用位置,若钢液水平流速<20~30cm/s,则增加电流强度来增大搅拌强度;当钢液水平流速>20~30cm/s,则降低电流强度来降低搅拌强度。当单一调控二冷区中的第一电磁控流设备或第二电磁控流设备,依然不能维持钢液水平流速为20~30cm/s时,还可以通过增强或减弱另一个电磁控流设备的电流强度调节流速从而形成动态响应。
与现有技术相比,本发明具有如下特点:
1、针对连铸过程中对凝固影响效果最明显的二冷区进行电磁搅拌,采用组合磁场对二冷区的固相率不同的位置的钢液同时进行流动调控。二冷区中的第一电磁控流设备放置在固相率15%-25%的位置,此时凝固坯壳较薄,采用了较高频率较低电流的激励,产生的集肤层厚度也较薄,能够穿透坯壳在凝固前沿打碎柱状晶,形成细小的晶核,有利于提高等轴晶率。二冷区中的第二电磁控流设备放置在固相率55%-65%的位置,此时凝固坯壳较厚,要满足较厚的集肤层厚度才能对凝固液芯产生搅拌效果,采用了较低频率较高电流激励,既能让磁场穿透坯壳作用在液芯上,还能达到良好的搅拌效果,改善凝固行为和液芯的溶质分布,减少中心偏析产生。
2、在特种钢连铸二冷区磁场作用位置,若钢液水平流速不在20~30cm/s范围内,则通过增加或降低电流强度来使钢液水平流速回到20~30cm/s范围内。当单一调控二冷区中的第一电磁控流设备或第二电磁控流设备,依然不能维持钢液水平流速为20~30cm/s时,还可以通过增强或减弱另一个电磁控流设备的电流强度调节流速从而形成动态响应。
3、组合磁场动态调控二冷区流动和凝固装置的放置位置相对于结晶器和凝固末端来说,大大减少了电磁屏蔽的影响,因此可以达到降低能效的效果。装置结构简单,便于安装和使用。
4、为达到对特种钢二冷区的钢液产生良好的电磁控流效果,同时保证对连铸二冷区冷却水的冷却效果,对二冷区的固相率15%-25%和55%-65%位置上应用第一和第二电磁控流设备对钢液流动进行调控。通过集肤层厚度公式计算得到的电源频率,可以使集肤层厚度>凝固坯壳厚度,让磁场穿透这两个位置的铸坯坯壳作用到未凝固的钢液上,分别实现对固相率15%-25%位置上凝固前沿钢液和固相率55%-65%位置上未凝固液芯的良好搅拌效果。电流强度改变造成磁场强度改变,通过数值计算得到在磁场作用下使钢液水平流速在20~30cm/s范围时的电流强度。
附图说明
图1为本发明动态组合磁场调控特种钢二冷区流动和凝固的方法示意图。
图2为本发明动态组合磁场调控特种钢二冷区流动和凝固的装置示意图。
其中,1:中间包;2:水口;3:结晶器;4:第一电磁控流设备;5:移动滑轨;6:第二电磁控流设备;7:滑轨控制电机;8:计算机;9:电磁控流设备的激励控制器;10:铸坯;11:滑块;12:连接杆;13:线圈;14:凸极环形铁芯;
图3为数值计算得到的GCr15轴承钢连铸过程坯壳厚度和固相率随距弯月面距离的变化曲线图。
图4为数值计算得到的GCr15轴承钢连铸过程在390Hz,不同电流下的钢液水平流速变化图。
图5为GCr15轴承钢连铸过程有组合磁场调控特种钢连铸二冷区流动和凝固作用下的碳元素偏析率与无磁场作用下的对比。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明作进一步的详细说明。
下述非限制性实施例可以使本领域的普通技术人员更加全面地理解本发明,但不以任何方式限制本发明。
实施例1
选取直径为250mm的GCr15轴承钢圆坯作为研究对象,典型成分如下表所示:
表1GCr15轴承钢典型成分组成
步骤1:确定特种钢凝固过程中的铸坯固相率和坯壳厚度
读取连铸机参数拉速为1.5m/min,钢液过热度20℃,结晶器冷却水量为29.7L/min,二冷区一段比水量为4.2L/(m2·s),二冷区二段比水量为1.1L/(m2·s),二冷区三段比水量为0.5L/(m2·s)。动态组合磁场调控特种钢二冷区流动和凝固的装置包括两个相互独立的第一电磁控流设备4和第二电磁控流设备6,电磁控流设备包括凸极环形铁芯,以及缠绕在凸极环形铁芯的凸极结构上的线圈,凸极环状铁芯由导磁性良好的硅钢片叠加而成,凸极环状铁芯的凸极结构为6个,其在环形铁芯内壁上均匀分布,相对凸极结构缠绕的线圈电流相位一致,且两个线圈都产生同一方向的磁场。根据特种钢GCr15轴承钢的成分组成和读取的连铸机参数利用ANSYS Fluent软件对连铸过程进行计算,得到如图3连铸过程坯壳厚度和铸坯固相率随距弯月面距离的变化曲线。
步骤2:确定电磁控流装置的工艺参数
根据图3,将二冷区第一电磁控流设备4布置在固相率20%的位置上,此处坯壳厚度为20mm,根据公式(1)计算得到最佳的电源频率为390Hz;将通过ANSYS maxwell软件计算该位置处频率在390Hz,不同电流下得到的时均电磁力导入ANSYS Fluent中进行计算,得到钢液水平流速变化图,如图4,当电流值是150A时,凝固前沿的水平流速在20~30cm/s范围内,从而确定最佳电流值为150A。用同样的方法,确定了二冷区第二电磁控流设备6的具体参数,将其布置在固相率60%的位置上,此处坯壳厚度为46mm,电源频率为65Hz,电流强度为700A。将这些参数确定后,通过计算机8将参数信息传递到电磁控流设备的激励控制器9设置电磁控流设备的电流和频率,同时计算机8控制滑轨控制电机,将第一电磁控流设备4和第二电磁控流设备6滑动到铸坯固相率分别为20%和60%的位置上。
步骤3:连铸过程调控
在二冷区第一电磁控流设备4和第二电磁控流设备6的作用位置上,若钢液水平流速低于目标范围20~30cm/s,则经过计算机8进行信号处理,将搅拌加强的信号传递到电磁控流设备的激励控制器9上,通过适当增加电流强度来增大搅拌强度;当钢液水平流速高于目标范围20~30cm/s,经过计算机8进行信号处理,将搅拌减弱的信号传递到电磁控流设备的激励控制器9上,通过适当降低电流强度来降低搅拌强度,最终将钢液水平流速维持在目标范围20~30cm/s内。当单一调控二冷区中的第一电磁控流设备4或第二电磁控流设备6,依然不能维持钢液水平流速为20~30cm/s时,还可以通过增强或减弱另一个电磁控流设备的电流强度调节流速从而形成动态响应。
在该动态组合磁场调控流动和凝固下作用下的GCr15轴承钢的中心偏析得到很大改善,如图4为采用了组合磁场调控流动和凝固作用下的偏析率变化,结果显示组合磁场可以明显改善GCr15轴承中心偏析,中心偏析率由1.075降低到1.055,其对比见图5。
实施例2
选取直径为250mm的GCr15轴承钢圆坯作为研究对象,其成分同实施例1。
本实施例的动态组合磁场调控特种钢二冷区流动和凝固的方法见图1,GCr15轴承钢圆坯的连铸过程为:熔炼后的钢液,从中间包1通过水口2流入结晶器3中,在结晶器中进入二冷区,在二冷区的上段设置有第一电磁控流装置4,并在二冷区的下段设置有第二电磁控流装置6,第一电磁控流装置4和第二电磁控流装置6通过移动滑轨5进行移动调整其在二冷区的位置。移动滑轨5和滑轨控制电机7连接,第一电磁控流装置4和第二电磁控流装置6和电磁控流设备的激励控制器9连接,滑轨控制电机7和电磁控流设备的激励控制器9均和计算机8连接。通过计算机8用于通过滑轨控制电机7和电磁控流设备的激励控制器9分别实现移动滑轨5的位置移动,以及实现第一电磁控流装置4和第二电磁控流装置6的电流强度调控。
动态组合磁场调控特种钢二冷区流动和凝固的装置示意图见图2,其中,电磁控流设备包括凸极环形铁芯14,以及缠绕在凸极环形铁芯14的凸极结构上的线圈13,所述的凸极环形铁芯套设在二冷区外周;所述的凸极环形铁芯为环形铁芯上设置6个凸极结构,6个凸极结构在环形铁芯内壁均匀分布,相对的凸极结构的电流相位一致,且相对的凸极结构对应的线圈产生同一方向磁场;所述的线圈13连接交流电源,用于在铸坯内形成交变磁场,从而影响内部钢液的流动。
所述的电磁控流设备通过对应的连接杆12和滑块11连接,滑块11套设在移动滑轨5中,使得电磁控流设备能够在二冷区内根据铸坯固相率进行滑动。一种动态组合磁场调控特种钢二冷区流动和凝固的方法,采用上述动态组合磁场调控特种钢二冷区流动和凝固的装置,包括以下步骤:
步骤1:确定特种钢凝固过程中的铸坯固相率和坯壳厚度
根据待连铸的特种钢成分和成分质量百分比,确定其连铸过程的工艺参数,工艺参数包括拉速、结晶器冷却水流量、二冷区水流量和钢液过热度,根据工艺参数,确定特种钢凝固过程中的铸坯固相率和坯壳厚度;
其确定方法为:通过以下公式结合ANSYS软件有限元分析,得到特种钢连铸过程中的铸坯固相率和坯壳厚度,采用的计算公式如下:
(1)电磁场部分
1)采用麦克斯韦方程组:
J=σ(E+v×B)
2)时均电磁力:
式中,B为磁感应强度,T;E为电场强度,V/m;t为时间,s,H为磁场强度,A/m;J为感应电流密度,A/m2;v为钢水运动速度,m/s;σ为特种钢的电导率,S/m;F为电磁力,N/m3;Re为复数表达式的实数部分;B*为B的共轭复数,T。
(2)流动部分
1)质量守恒方程:
2)动量守恒方程:
3)k-ε方程:
4)凝固传热方程:
固相率=1-β
式中,ρ为特种钢的密度,kg/m3;v为特种钢钢液水平流速,m/s;p为压力,N/m3;g为重力加速度,m/s2;F为时均电磁力,N/m3;k为湍动能,m2/s2;μ为特种钢的动力粘度,Pa·s;μt为湍流粘度系数;σk为经验常数,1;Gk为平均速度梯度引起的湍动能的产生项;ε为湍流扩散率,m2/s3;σε为经验常数,1.3;C1为经验常数,1.44;f1为经验常数,1;C2为经验常数,1.92;f2经验公式为1.0-0.3exp(-Re2);cp为特种钢液比热容,J/(kg·K);μeff为有效黏度系数(μeff=μ+μt),kg·s/m2;H为总焓,J;T为特种钢钢液温度,T;keff为特种钢的有效导热率,W/(m·K);Ts为特种钢固相线温度,K;Tl为特种钢液相线温度,K;β为特种钢液相率。
计算后,确定本实施中,其固相率曲线和对应的坯壳厚度。
步骤2:确定连铸工艺参数
(1)根据特种钢凝固过程中的铸坯固相率,通过移动滑轨,移动滑块带动第一电磁控流设备放置在二冷区的铸坯固相率范围为15%~25%的位置上;通过移动滑轨,移动滑块带动第二电磁控流设备放置在二冷区的铸坯固相率范围为55%~65%的位置上;
(2)根据集肤效应公式,
δ—集肤层厚度,单位为mm
σ—特种钢液的电导率(7.14×105S m-1)
μ—特种钢液的磁导率(4π×10-7H m-1)
ω—电磁控流设备的电源频率,单位为Hz。
当集肤层厚度>坯壳厚度,分别确定第一电磁控流设备的电源频率和第二电磁控流设备的电源频率;
(3)先通过第一电磁控流设备对流场的调控作用,得到能使钢液水平流速在20~30cm/s范围时,第一电磁控流设备对应的电流强度;再在第一电磁控流设备作用基础上,相应得到第二电磁控流设备使钢液水平流速在20~30cm/s范围时对应的电流强度。
步骤3:连铸调控
在二冷区磁场作用位置,若钢液水平流速<20~30cm/s,则增加电流强度来增大搅拌强度;当钢液水平流速>20~30cm/s,则降低电流强度来降低搅拌强度。当单一调控二冷区中的第一电磁控流设备或第二电磁控流设备,依然不能维持钢液水平流速为20~30cm/s时,还可以通过增强或减弱另一个电磁控流设备的电流强度调节流速从而形成动态响应。
实施例3
一种动态组合磁场调控特种钢二冷区流动和凝固的方法,采用实施例2的一种动态组合磁场调控特种钢二冷区流动和凝固的装置,其和实施例2不同之处为:其通过射钉实验,确定铸坯固相率和坯壳厚度。
实施例4
选取产品规格为240mm×240mm的42CrMo方坯作为研究对象,典型成分如下表所示:
表2 42CrMo方坯典型成分组成
步骤1:确定特种钢凝固过程中的铸坯固相率和坯壳厚度
读取连铸机参数拉速为0.9m/min,钢液过热度25℃,结晶器冷却水量为21L/min,二冷区一段比水量为3.8L/(m2·s),二冷区二段比水量为0.9L/(m2·s),二冷区三段比水量为0.5L/(m2·s)。动态组合磁场调控特种钢二冷区流动和凝固的装置包括两个相互独立的第一电磁控流设备4和第二电磁控流设备6,电磁控流设备包括凸极环形铁芯,以及缠绕在凸极环形铁芯的凸极结构上的线圈,凸极环状铁芯由导磁性良好的硅钢片叠加而成,凸极环状铁芯的凸极结构为12个,其在环形铁芯内壁上均匀分布,相对凸极结构缠绕的线圈电流相位一致,且两个线圈都产生同一方向的磁场。根据特种钢42CrMo的成分组成和读取的连铸机参数利用ANSYS Fluent软件对连铸过程进行计算,得到连铸过程铸坯固相率和坯壳厚度。
步骤2:确定电磁控流装置的工艺参数
根据图3,将二冷区第一电磁控流设备4布置在固相率25%的位置上,此处坯壳厚度为16mm,根据公式(1)计算得到最佳的电源频率为400Hz;将通过ANSYS maxwell软件计算该位置处频率在436Hz,不同电流下得到的时均电磁力导入ANSYS Fluent中进行计算钢液水平流速,当电流值是175A时,凝固前沿的水平流速在20~30cm/s范围内,从而确定最佳电流值为175A。用同样的方法,确定了二冷区第二电磁控流设备6的具体参数,将其布置在固相率65%的位置上,此处坯壳厚度为49mm,电源频率为62.9Hz,电流强度为750A。将这些参数确定后,通过计算机8将参数信息传递到电磁控流设备的激励控制器9设置电磁控流设备的电流和频率,同时计算机8控制滑轨控制电机,将第一电磁控流设备4和第二电磁控流设备6滑动到铸坯固相率分别为25%和65%的位置上。
步骤3:连铸过程调控
在二冷区第一电磁控流设备4和第二电磁控流设备6的作用位置上,若钢液水平流速低于目标范围20~30cm/s,则经过计算机8进行信号处理,将搅拌加强的信号传递到电磁控流设备的激励控制器9上,通过适当增加电流强度来增大搅拌强度;当钢液水平流速高于目标范围20~30cm/s,经过计算机8进行信号处理,将搅拌减弱的信号传递到电磁控流设备的激励控制器9上,通过适当降低电流强度来降低搅拌强度,最终将钢液水平流速维持在目标范围20~30cm/s内。当单一调控二冷区中的第一电磁控流设备4或第二电磁控流设备6,依然不能维持钢液水平流速为20~30cm/s时,还可以通过增强或减弱另一个电磁控流设备的电流强度调节流速从而形成动态响应。
在该动态组合磁场调控流动和凝固下作用下的特种钢42CrMo的中心偏析得到很大改善,中心偏析率由1.032降低到1.015。
Claims (8)
1.一种动态组合磁场调控特种钢二冷区流动和凝固的方法,其特征在于,采用的动态组合磁场调控特种钢二冷区流动和凝固的装置,包括电磁控流设备、电磁控流设备的激励控制器、滑轨、滑轨控制电机和计算机;
所述的电磁控流设备分为第一电磁控流设备和第二电磁控流设备,第一电磁控流设备设置在二冷区中铸坯固相率范围为15%~25%的位置上;第二电磁控流设备设置在二冷区中铸坯固相率范围为55%~65%的位置上;电磁控流设备和对应的滑轨连接,电磁控流设备和电磁控流设备的激励控制器连接,滑轨和滑轨控制电机连接,电磁控流设备的激励控制器和滑轨控制电机均与计算机连接;
所述的动态组合磁场调控特种钢二冷区流动和凝固的方法,包括以下步骤:
步骤1:确定特种钢凝固过程中的铸坯固相率和坯壳厚度
根据待连铸的特种钢成分和成分质量百分比,读取连铸机上的工艺参数,根据工艺参数确定特种钢凝固过程中的铸坯固相率和坯壳厚度;
步骤2:确定电磁控流装置的工艺参数
(1)根据特种钢凝固过程中的铸坯固相率,将第一电磁控流设备放置在二冷区的对应位置,将第二电磁控流设备放置在二冷区的对应位置;
(2)根据集肤效应公式,满足集肤层厚度>坯壳厚度,分别确定第一电磁控流设备的电源频率和第二电磁控流设备的电源频率;
(3)先通过第一电磁控流设备对流场的调控作用,根据第一电磁控流设备的电源频率得到能使电磁控流设备作用位置处的钢液水平流速在20~30cm/s范围时的第一电磁控流设备对应的电流强度;再在第一电磁控流设备作用基础上,相应计算得到第二电磁控流设备使钢液水平流速在20~30cm/s范围时对应的电流强度;
步骤3:连铸过程调控
将电磁控流设备按确定的电源频率启动,进行连铸,连铸过程中,在二冷区通过调控电磁控流设备的电流强度,使得钢液水平流速在20~30cm/s的范围内,并且二冷区的第一电磁控流设备和二冷区的第二电磁控流设备共同配合动态响应,从而调控钢液水平流速。
2.根据权利要求1所述的动态组合磁场调控特种钢二冷区流动和凝固的方法,其特征在于,所述的电磁控流设备包括凸极环形铁芯,以及缠绕在凸极环形铁芯凸极结构上的线圈,所述的凸极环形铁芯套设在二冷区外周;所述的凸极环形铁芯为环形铁芯上设置N个凸极结构,N为4~12个且为偶数,N个凸极环形铁芯的凸极结构设置在凸极环形铁芯内壁并均匀分布,相对的凸极结构的电流相位一致,且相对的凸极结构对应的线圈产生同一方向磁场;所述的线圈连接交流电源,用于在铸坯内形成交变磁场,从而影响内部钢液的流动。
3.根据权利要求2所述的动态组合磁场调控特种钢二冷区流动和凝固的方法,其特征在于,凸极环形铁芯为多个硅钢片叠加而成,减弱涡电流产生。
4.根据权利要求1所述的动态组合磁场调控特种钢二冷区流动和凝固的方法,其特征在于,所述的第一电磁控流设备为高频率低电流的电磁控流设备,其根据特种钢的种类进行确定,高频率为300~450Hz,低电流为100~400A。
5.根据权利要求1所述的动态组合磁场调控特种钢二冷区流动和凝固的方法,其特征在于,所述的第二电磁控流设备为低频率高电流,其根据特种钢的种类进行确定,低频率为10~70Hz,高电流为500~800A。
6.根据权利要求1所述的动态组合磁场调控特种钢二冷区流动和凝固的方法,其特征在于,所述的电磁控流设备通过对应的连接杆和滑块连接,滑块套设在移动滑轨中,使得电磁控流设备能够在二冷区内根据铸坯固相率进行滑动。
7.根据权利要求1所述的动态组合磁场调控特种钢二冷区流动和凝固的方法,其特征在于,所述的步骤1中,连铸凝固过程的工艺参数包括拉速、结晶器冷却水流量、二冷区水流量和钢液过热度。
8.根据权利要求1所述的动态组合磁场调控特种钢二冷区流动和凝固的方法,其特征在于,所述的步骤3中,在二冷区磁场作用位置,若钢液水平流速<20cm/s,则增加电流强度来增大搅拌强度;当钢液水平流速>30cm/s,则降低电流强度来降低搅拌强度;当单一调控二冷区中的第一电磁控流设备或第二电磁控流设备,依然不能维持钢液水平流速为20~30cm/s时,通过增强或减弱另一个电磁控流设备的电流强度调节流速从而形成动态响应。
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