CN113688470A - 一种提升电磁搅拌效率的连铸结晶器铜板设计方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种提升电磁搅拌效率的连铸结晶器铜板设计方法，属于铜板设计技术领域。该方法通过连铸凝固传热模型确定绝缘层厚度，通过电磁场模型确定绝缘层位置，从而在传统连铸结晶器铜板内设置绝缘层，减小结晶器电磁搅拌条件下铜板的涡流强度，减小结晶器对交变磁场的屏蔽作用，提高交变磁场的穿透能力，降低电能消耗，提升结晶器电磁搅拌效率，促进钢水过热度快速散失，增加连铸坯等轴晶率，降低铸坯中心偏析缺陷。该方法简便易行，效果显著。

Description

一种提升电磁搅拌效率的连铸结晶器铜板设计方法
技术领域
本发明涉及铜板设计技术领域，特别是指一种提升电磁搅拌效率的连铸结晶器铜板设计方法。
背景技术
在连铸生产过程中，中间包内高温钢液通过浸入式水口浸入结晶器中。在铜板冷却作用下，连铸坯表面温度快速降低，晶粒开始形核，并以柱状晶的形式从表面向芯部逐渐生长。在结晶器中下部连铸坯形成一定厚度的坯壳，并在拉矫机的作用下进入二冷区，在水雾冷却条件下铸坯表面温度逐渐降低，芯部过热不断散失，以等轴晶的方式逐渐形核长大。在柱状或等轴枝晶的生长过程中，由于溶质元素在固相与液相中溶解度的差异(碳、磷、硫等)，不断从固相中排出富集于枝晶间的液相而形成微观偏析。随着晶粒沉淀和熔体流动，溶质元素对流扩散传输，形成连铸坯宏观偏析。在铸坯芯部，由于冷却速率较低，晶间溶质浓度较高，造成了严重的溶质偏析。特别是针对高溶质含量的特殊钢，在大断面连铸坯生产过程中，连铸坯芯部的宏观偏析缺陷尤其严重。在后期轧制和热处理过程中，连铸坯宏观偏析缺陷无法完全消除，并遗传至轧材芯部，严重影响了钢材的机械性能和质量的稳定性。
为了解决连铸坯宏观偏析问题，提高轧材的机械性能，在连铸生产过程中普遍采用机械压下技术、热压下技术、低过热度浇铸技术、电磁搅拌技术。机械压下是在连铸坯凝固末端施加一定的压下量，促进溶质富集液相的充分流动，以降低铸坯宏观偏析缺陷，但在实践中对设备要求相对较高。热压下技术是在连铸坯凝固末端附近施加较大冷却强度，通过铸坯坯壳收缩补充芯部凝固收缩，降低连铸坯偏析和疏松缺陷，但在非稳态浇铸过程中凝固末端位置难以捕捉。低过热度浇铸技术是通过降低中间包钢液温度，提高连铸坯等轴晶率以改善内部质量，然而在低温浇铸过程中容易堵塞水口，造成浇铸中断事故产生。电磁搅拌技术是在连铸结晶器或凝固末端安装电磁搅拌装置，通过诱导产生的电磁力促进熔体流动和溶质传输，以降低连铸坯中心偏析缺陷。在结晶器电磁搅拌过程中，由于铜板导电率很高，磁场屏蔽作用很大，电磁搅拌器产生交变磁场无法完全穿透铜板，造成大量能量损失，电磁搅拌效率普遍较低。
本发明提出一种提升连铸电磁搅拌效率的新型结晶器铜板设计方法，通过在铜板不同位置设置绝缘层，大幅度降低铜板涡流强度，促进电磁搅拌器产生的交变磁场穿透铜板，有效增大结晶器电磁搅拌效率，降低电能消耗，改善连铸坯内部质量。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种提升电磁搅拌效率的连铸结晶器铜板设计方法，以提高结晶器电磁搅拌效率，降低连铸铸坯宏观偏析缺陷，提高轧材组织均匀性。在结晶器铜板内设置不同位置的绝缘层，通过降低铜板涡流强度，促进电磁搅拌器产生交变磁场充分穿透铜板，以降低铜板屏蔽作用。其中结晶器铜板绝缘厚度和绝缘层位置的是通过数值模拟方法确定，根据连铸坯断面、结晶器冷却长度、几何尺寸、搅拌器几何尺寸、搅拌器安装位置、铜板和钢壳的物性参数建立凝固传热模型和电磁场数学模型，根据实际生产条件确定结晶器铜板绝缘层厚度和位置。
具体的，该方法包括步骤如下：
S1：建立连铸凝固传热模型，取模型中回温幅度小于5℃对应的绝缘层厚度作为最佳绝缘层厚度；
S2：建立电磁场模型，取模型中最大磁场对应的绝缘层位置作为最佳绝缘层位置；
S3：根据S1中确定的最佳绝缘层厚度和S2中确定的最佳绝缘层位置，在传统结晶器铜板上设置绝缘层，得到提升电磁搅拌效率的连铸结晶器铜板。
其中，S1中根据铸坯尺寸、钢种成分、浇铸温度、冷却区长度、冷却强度参数，采用有限元方法建立凝固传热模型，具体模型计算的传热方程如下：
Figure BDA0003169397150000021
其中，T为铸坯温度，t为时间，λ为导热系数，ρ为钢密度，cp为热容，qv是内热源，x、y、z为三轴坐标。
通过在模型边界，设置不同厚度的绝缘层，计算铸坯表面回温幅度；将回温幅度小于5℃对应的绝缘层厚度，作为最佳绝缘层厚度。
S2中根据连铸结晶器长度、宽度、高度和电磁搅拌器内径、外径、高度、安装位置，以及钢液、铜板、钢壳的电导率与磁导率，采用有限元方法建立电磁场模型。
电磁场模型建立的具体过程如下：
S21：收集连铸结晶器参数和搅拌器参数，获取工艺和物性参数，建立结晶器电磁搅拌电磁场数学模型，计算的麦克斯韦方程组如下：
Figure BDA0003169397150000031
▽×H＝j
▽·B＝0
B＝μH
其中，E为电场强度，B为磁感应强度，H为磁场强度，j为电流密度，μ为磁导率，t为时间，▽为哈密顿算子；
S22：采用CT-3型特斯拉计，测量结晶器电磁搅拌磁场强度分布Bm；
S23：根据电磁场模型计算磁场结果Bs和实验测量结果Bm，计算磁场偏差百分比δB＝(Bm-Bs)/Bm×100％；
S24：判断偏差百分比δB是否在±5％，是，则建立的电磁场模型是相对准确的；否，当前建立模型不准确，执行步骤S25；
S25：根据模拟计算和实验检测磁场偏差百分比δB，调整搅拌器线圈布置，直至将偏差百分比δB降低至±5％以内；
S26：根据建立的数学模型，模拟绝缘层存在条件下铸坯磁场强度分布特征，研究绝缘层位置和分布对磁场强度特征的影响，并获得不同绝缘层位置的最大的磁场强度，最终确定最佳绝缘层位置。
S23中电磁场模型计算磁场结果Bs由S21中麦克斯韦方程组多次迭代计算得到。计算时，应用能够建立电磁场的软件，如ANSYS、Ansoft等，根据搅拌器尺寸建立模型，利用软件求解麦克斯韦方程组，计算迭代次数满足迭代残差为10-4。
本发明的上述技术方案的有益效果如下：
上述方案中，根据连铸结晶器参数和电磁搅拌器参数，设计结晶器铜板绝缘层位置，降低交变磁场条件下结晶器铜板涡流强度，减小铜板的屏蔽效果，提高交变磁场穿透能力，有效地提高结晶器电磁搅拌效率，节约电能消耗，降低连铸坯凝固缺陷，提高钢材质量。
附图说明
图1为本发明的提升电磁搅拌效率的连铸结晶器铜板设计方法设计的连铸结晶器铜板绝缘层示意图；
图2为本发明实施例中有、无绝缘层条件下结晶器铜板涡流分布；
图3为本发明实施例中磁场模拟值与测量值对比；
图4为本发明实施例中不同条件下沿结晶器轴线方向的磁场强度分布。
具体实施方式
为使本发明要解决的技术问题、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图及具体实施例进行详细描述。
本发明提供一种提升电磁搅拌效率的连铸结晶器铜板设计方法。
如图1所示，该方法通过在传统连铸结晶器铜板内设置绝缘层，由于绝缘层的存在，显著降低交变磁场条件下铜板涡流强度，如图2所示，从而提升交变磁场的穿透能力，增加电磁搅拌效率，降低电能消耗，改善连铸坯凝固缺陷，提高钢材质量。
该方法包括步骤如下：
S1：建立连铸凝固传热模型，取模型中回温幅度小于5℃对应的绝缘层厚度作为最佳绝缘层厚度；
S2：建立电磁场模型，取模型中最大磁场对应的绝缘层位置作为最佳绝缘层位置；
S3：根据S1中确定的最佳绝缘层厚度和S2中确定的最佳绝缘层位置，在传统结晶器铜板上设置绝缘层，得到提升电磁搅拌效率的连铸结晶器铜板。
其中，S1中根据铸坯尺寸、钢种成分、浇铸温度、冷却区长度、冷却强度参数，采用有限元方法建立凝固传热模型，具体模型计算传热方程如下：
Figure BDA0003169397150000051
其中，T为铸坯温度，t为时间，λ为导热系数，ρ为钢密度，cp为热容，qv是内热源，x、y、z为三轴坐标。
S2中根据连铸结晶器长度、宽度、高度和电磁搅拌器内径、外径、高度、安装位置，以及钢液、铜板、钢壳的电导率与磁导率，采用有限元方法建立电磁场模型。
电磁场模型建立的具体过程如下：
S21：收集连铸结晶器参数和搅拌器参数，获取工艺和物性参数，建立结晶器电磁搅拌电磁场数学模型：
连铸结晶器几何参数有结晶器长度、宽度、高度、铜板厚度、结晶器安装位置；电磁搅拌几何参数有：搅拌器内径、外径、高度、距结晶器顶面距离；电磁搅拌参数有搅拌电流强度、频率、搅拌模式，钢液、铜板、钢壳的电导率和磁导率；
根据结晶器和电磁搅拌器的几何参数与物性参数，建立描述结晶器电磁搅拌的电磁场数学模型，其中描述搅拌器电磁场分布特征的数学方程为麦克斯韦方程组，如下：
Figure BDA0003169397150000052
▽×H＝j
▽·B＝0
B＝μH
其中，E为电场强度，B为磁感应强度，H为磁场强度，j为电流密度，μ为磁导率，t为时间，▽为哈密顿算子；
S22：采用CT-3型特斯拉计，测量结晶器电磁搅拌磁场强度分布Bm；
S23：根据电磁场模型计算磁场结果Bs和实验测量结果Bm，计算磁场偏差百分比δB＝(Bm-Bs)/Bm×100％；
S24：判断偏差百分比δB是否在±5％，是，则建立的电磁场模型是相对准确的；否，当前建立模型不准确，执行步骤S25；
S25：根据模拟计算和实验检测磁场偏差百分比δB，调整搅拌器线圈布置，直至将偏差百分比δB降低至±5％以内；
S26：根据建立的数学模型，模拟绝缘层存在条件下铸坯磁场强度分布特征，研究绝缘层位置和分布对磁场强度特征的影响，并获得不同绝缘层位置的最大的磁场强度，最终确定最佳绝缘层位置。
下面结合具体实施例予以说明。
在实际连铸生产过程中，绝缘层的对交变电磁场在铜板内穿透效果影响很大。本实施方式过程中，结晶器铜板内绝缘层厚度和位置的确定主要通过以下步骤实现；
(1)连铸结晶器铜板绝缘层厚度确定
步骤1：收集连铸坯断面尺寸、冷却区长度、冷却强度、浇铸温度、钢种导热系数、密度，本实施中连铸坯断面尺寸为280mm×320mm，冷却区长度0.7m，浇铸温度为1490℃，钢种导热系数为31W/(m·K)，密度为7200kg/m3，冷却强度为1.5MW/m2。采用有限元软件建立凝固传热模型，其中传热方程如式(1)所示。
Figure BDA0003169397150000061
式中：T为铸坯温度，t为时间，λ为导热系数，ρ为钢密度，cp为热容，qv是内热源。
步骤2：根据建立凝固传热模型，计算绝缘层对连铸坯表面温度的影响，获不同绝缘层厚度条件下铸坯表面最大回温幅度。
步骤3：将铸坯表面回温幅度小于5℃对应绝缘层厚度为最大绝缘层厚度。在本研究中，绝缘层最大厚度为1mm。
(2)连铸结晶器铜板绝缘层位置的确定
步骤1：收集连铸结晶器几何参数和搅拌器几何参数，获取工艺和物性参数，建立结晶器电磁搅拌电磁场数学模型；
步骤1-1：连铸结晶器几何参数有结晶器长度、宽度、高度、铜板厚度；电磁搅拌几何参数有：搅拌器内径、外径、高度、距结晶器顶面距离；电磁搅拌参数有电流强度、频率、搅拌模式，钢液、铜板、钢壳的电导率和相对磁导率；本实施例的连铸结晶器长度为320mm，宽度280mm，高度为800mm，铜板厚度为30mm；电磁搅拌器内径为850mm，外径1300mm，高度为550mm，距结晶器顶面350mm；电磁搅拌电流强度300A、频率3Hz，连续搅拌模式。钢液、铜板、钢壳的电导率分别为7×105S/m、2×107S/m、7.3×105S/m，相对磁导率均为1。
步骤1-2：根据结晶器和电磁搅拌器的几何参数与物性参数，建立结晶器电磁搅拌的电磁场数学模型。
步骤2：采用CT-3型特斯拉计，测量连铸结晶器电磁搅拌磁场强度的分布Bm。
步骤3：根据电磁场模型计算磁场结果Bs和实验测量结果Bm，如图3所示，模拟值和测量值非常接近。通过模拟值和计算值，获得偏差百分比δB＝(Bm-Bs)/Bm×100％，通过计算最大偏差百分比为4.5％。
步骤4：判断偏差百分比δB是否在±5％，是，则建立的电磁场模型是相对准确的；否，当前建立模型不准确，执行步骤5；
步骤5：根据模拟计算和实验检测磁场偏差百分比δB，调整搅拌器线圈匝数和布置，直至将偏差百分比δB降低至±5％以内。
步骤6：根据建立的数学模型，模拟绝缘层存在条件下铸坯磁场强度分布特征，研究绝缘层位置对磁场强度的影响规律，并获得最大的磁场强度，最终确定最佳绝缘层位置。
图4为采用本发明后连铸结晶器磁场分布特征，优化绝缘层位置后沿结晶器轴线方向磁场强度达到无结晶器铜板的97％，而采用传统结晶器铜板时磁场强度仅为无结晶器铜板的61％。因此优化铜板绝缘层位置后，结晶器铜板屏蔽作用大幅度降低，电磁搅拌效率明显增大。
以上所述是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明所述原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (5)

1.一种提升电磁搅拌效率的连铸结晶器铜板设计方法，其特征在于：包括步骤如下：
S1：建立连铸凝固传热模型，取模型中回温幅度小于5℃对应的绝缘层厚度作为最佳绝缘层厚度；
S2：建立电磁场模型，取模型中最大磁场对应的绝缘层位置作为最佳绝缘层位置；
S3：根据S1中确定的最佳绝缘层厚度和S2中确定的最佳绝缘层位置，在传统结晶器铜板上设置绝缘层，得到提升电磁搅拌效率的连铸结晶器铜板。
2.根据权利要求1所述的提升电磁搅拌效率的连铸结晶器铜板设计方法，其特征在于：所述S1中根据铸坯尺寸、钢种成分、浇铸温度、冷却区长度、冷却强度参数，采用有限元方法建立凝固传热模型，模型计算的传热方程如下：
Figure FDA0003169397140000011
其中，T为铸坯温度，t为时间，λ为导热系数，ρ为钢密度，cp为热容，qv是内热源，x、y、z为三轴坐标。
3.根据权利要求1所述的提升电磁搅拌效率的连铸结晶器铜板设计方法，其特征在于：所述S2中根据连铸结晶器长度、宽度、高度和电磁搅拌器内径、外径、高度、安装位置，以及钢液、铜板、钢壳的电导率与磁导率，采用有限元方法建立电磁场模型。
4.根据权利要求3所述的提升电磁搅拌效率的连铸结晶器铜板设计方法，其特征在于：所述电磁场模型建立的具体过程如下：
S21：收集连铸结晶器参数和搅拌器参数，获取工艺和物性参数，建立结晶器电磁搅拌电磁场数学模型，计算的麦克斯韦方程组如下：
Figure FDA0003169397140000012
Figure FDA0003169397140000013
Figure FDA0003169397140000014
B＝μH
其中，E为电场强度，B为磁感应强度，H为磁场强度，j为电流密度，μ为磁导率，t为时间，
Figure FDA0003169397140000021
为哈密顿算子；
S22：采用CT-3型特斯拉计，测量结晶器电磁搅拌磁场强度分布Bm；
S23：根据电磁场模型计算磁场结果Bs和实验测量结果Bm，计算磁场偏差百分比δB＝(Bm-Bs)/Bm×100％；
S24：判断偏差百分比δB是否在±5％，是，则建立的电磁场模型是相对准确的；否，当前建立模型不准确，执行步骤S25；
S25：根据模拟计算和实验检测磁场偏差百分比δB，调整搅拌器线圈布置，直至将偏差百分比δB降低至±5％以内；
S26：根据建立的数学模型，模拟绝缘层存在条件下铸坯磁场强度分布特征，研究绝缘层位置和分布对磁场强度特征的影响，并获得不同绝缘层位置的最大的磁场强度，最终确定最佳绝缘层位置。
5.根据权利要求4所述的提升电磁搅拌效率的连铸结晶器铜板设计方法，其特征在于：所述S23中电磁场模型计算磁场结果Bs由S21中麦克斯韦方程组多次迭代计算得到。
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