CN115982895B - 一种圆坯连铸结晶器交替电磁搅拌工艺参数的确定方法 - Google Patents

一种圆坯连铸结晶器交替电磁搅拌工艺参数的确定方法 Download PDF

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Abstract

本发明属于冶金连铸技术领域，具体为一种圆坯连铸结晶器交替电磁搅拌工艺参数的确定方法，根据电磁搅拌器及结晶器参数建立电磁搅拌器及结晶器模型，设定不同的搅拌电流和搅拌频率，计算不同的搅拌电流和搅拌频率下结晶器内的磁场分布，根据不同钢种的物性参数及连铸拉速，计算结晶器内的流场分布，通过结晶器内磁场分布和流场分布的耦合计算结果，确定交替电磁搅拌工艺参数，本发明所述工艺能够提高连铸圆坯的内部质量，为后续成品管材的质量稳定奠定基础。

Description

一种圆坯连铸结晶器交替电磁搅拌工艺参数的确定方法
技术领域
本发明涉及冶金连铸技术领域，具体为一种圆坯连铸结晶器交替电磁搅拌工艺参数的确定方法。
背景技术
连铸圆坯因具有适宜的断面尺寸，广泛应用于无缝钢管的生产。随着钢铁行业的不断发展，下游客户对管材的质量要求越来越高，作为原材料的连铸圆坯质量也需严格控制。
圆坯生产时由于椭圆度的要求，连铸机一般不配备轻压下设备，其内部质量的控制主要依靠电磁搅拌工艺，同时匹配适宜的拉速、钢水过热度和二冷水量。众所周知，结晶器电磁搅拌具有加快钢液过热耗散、均匀钢液温度及促进夹杂物上浮的作用。其作用效果为：高温钢液在电磁力作用下做旋转运动。钢液的旋转对钢液起到了搅拌作用，可以加快高温钢液的过热耗散，均匀钢液温度。同时，旋转的钢液切割凝固前沿枝晶，被切断的枝晶可作为中心等轴晶的形核质点，有利于中心等轴晶的生长。除上述作用外，钢液的旋转搅拌可产生离心力，从而使钢液中夹杂物或气泡聚集上浮，起到净化钢液的作用。理论上，电磁搅拌强度取大值有利于铸坯中心等轴晶的生成，提高等轴晶区占比。但搅拌强度过大，反而容易恶化铸坯内部质量，如致使铸坯凝固前沿产生白亮带，或增大结晶器内钢液面波动形成卷渣，影响钢液洁净度。
由于上述问题的存在，部分研究学者提出了使用结晶器/凝固末端交替电磁搅拌模式生产铸坯的方法，即通过“正搅-反搅”的模式对钢液进行搅拌，从而在控制结晶器内液面波动的同时增加电磁力对钢液的搅拌力度，提高钢液过热的耗散效率。但是要想通过交替电磁搅拌实现对铸坯内部质量的改善效果，需匹配适宜的搅拌参数（搅拌电流、搅拌频率和搅拌时间），若搅拌参数不合理，则会出现搅拌效率低或搅拌力过强的情况，出现白亮带或卷渣现象，反而恶化铸坯质量，不利于圆坯内部质量的控制。故如何确定圆坯连铸结晶器交替电磁搅拌工艺参数显得尤为重要。
发明内容
为解决现有技术存在的问题，本发明的主要目的是提出一种圆坯连铸结晶器交替电磁搅拌工艺参数的确定方法。
为解决上述技术问题，根据本发明的一个方面，本发明提供了如下技术方案：
一种圆坯连铸结晶器交替电磁搅拌工艺参数的确定方法，包括如下步骤：
S1.根据电磁搅拌器及结晶器参数建立电磁搅拌器及结晶器模型，设定不同的搅拌电流和搅拌频率，计算不同的搅拌电流和搅拌频率下结晶器内的磁场分布；
S2.根据不同钢种的物性参数及连铸拉速，计算结晶器内的流场分布；
S3.对结晶器内的磁场分布和流场分布进行耦合计算，通过耦合计算结果确定交替电磁搅拌工艺参数。
作为本发明所述的一种圆坯连铸结晶器交替电磁搅拌工艺参数的确定方法的优选方案，其中：所述交替电磁搅拌工艺为“正搅-停搅-反搅”模式。
作为本发明所述的一种圆坯连铸结晶器交替电磁搅拌工艺参数的确定方法的优选方案，其中：所述步骤S1中，使用Maxwell软件计算不同电磁搅拌参数下结晶器内的磁场分布。
作为本发明所述的一种圆坯连铸结晶器交替电磁搅拌工艺参数的确定方法的优选方案，其中：所述步骤S2中，采用Fluent软件中的SIMPLEC算法计算结晶器内的流场分布。
作为本发明所述的一种圆坯连铸结晶器交替电磁搅拌工艺参数的确定方法的优选方案，其中：所述步骤S3中，耦合计算结果包括结晶器内钢液速度及液面波动情况。
作为本发明所述的一种圆坯连铸结晶器交替电磁搅拌工艺参数的确定方法的优选方案，其中：所述步骤S3中，将计算得到的磁场分布结果作为动量方程的源项引入到流场分布计算模型中，采用ANSYS软件中的CFX模块进行耦合计算。
作为本发明所述的一种圆坯连铸结晶器交替电磁搅拌工艺参数的确定方法的优选方案，其中：所述步骤S3中，电磁搅拌工艺参数包括搅拌电流、搅拌频率和搅拌时间。
作为本发明所述的一种圆坯连铸结晶器交替电磁搅拌工艺参数的确定方法的优选方案，其中：所述步骤S3中，根据结晶器内钢液速度及液面波动情况，确定交替电磁搅拌工艺参数，具体为：根据耦合计算结果，得到正搅结束时刻结晶器内电磁搅拌器中心水平面上钢液流动及液面波动情况；然后设置电磁搅拌强度为零，得到停搅瞬时结晶器内电磁搅拌器中心水平面上钢液流动及液面波动情况；最后通过调整电搅器相位角正负号，开启电磁搅拌器对钢液进行反向搅动，得到反搅结束时刻结晶器内电磁搅拌器中心水平面上钢液流动及液面波动情况。当正搅、反搅停止时，电磁搅拌器中心水平面上钢液流动速度相近，但方向相反，且结晶器内钢液面波动在±3mm内时，则认为此时设定的电磁搅拌参数为适宜的参数，确定相应电磁搅拌参数为交替电磁搅拌工艺参数。
为解决上述技术问题，根据本发明的另一个方面，本发明提供了如下技术方案：
一种圆坯连铸方法，包括如下步骤：
Sa.液态高温钢液通过中间包流入结晶器，通过控制塞棒开度及钢液拉速，使结晶器内钢液面稳定；
Sb.开启结晶器电磁搅拌器，将电磁搅拌工艺参数设定为上述圆坯连铸结晶器交替电磁搅拌工艺参数的确定方法确定的电磁搅拌工艺参数；
Sc.完成浇铸。
作为本发明所述的一种圆坯连铸方法的优选方案，其中：所述的电磁搅拌器为外置式。
本发明的有益效果如下：
本发明提出一种圆坯连铸结晶器交替电磁搅拌工艺参数的确定方法，根据电磁搅拌器及结晶器参数建立电磁搅拌器及结晶器模型，设定不同的搅拌电流和搅拌频率，计算不同的搅拌电流和搅拌频率下结晶器内的磁场分布；根据不同钢种的物性参数及连铸拉速，计算结晶器内的流场分布；通过结晶器内磁场分布和流场分布的耦合计算结果，确定交替电磁搅拌工艺参数。本发明所述工艺能够提高连铸圆坯的内部质量，为后续成品管材的质量稳定奠定基础。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图示出的结构获得其他的附图。
图1为本发明实施例1电磁搅拌器水平中心面上钢液的水平流场示意图；
图2为本发明实施例1结晶器内钢液面波动示意图；
图3为本发明实施例1铸坯的低倍示意图；
图4为本发明实施例2铸坯的低倍示意图；
图5为本发明对比例1铸坯的低倍示意图；
图6为本发明对比例2铸坯的低倍示意图；
图7为本发明对比例3铸坯的低倍示意图；
图8为本发明对比例4铸坯的低倍示意图。
本发明目的的实现、功能特点及优点将结合实施例，参照附图做进一步说明。
具体实施方式
下面将结合实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明提供一种圆坯连铸结晶器交替电磁搅拌工艺参数的确定方法，采用本发明确定方法确定的电磁搅拌工艺参数进行浇铸，能够提高连铸圆坯的内部质量，为后续成品管材的质量稳定奠定基础。
根据本发明的一个方面，本发明提供了如下技术方案：
一种圆坯连铸结晶器交替电磁搅拌工艺参数的确定方法，包括如下步骤：
S1.根据电磁搅拌器及结晶器参数建立电磁搅拌器及结晶器模型，设定不同的搅拌电流和搅拌频率，计算不同的搅拌电流和搅拌频率下结晶器内的磁场分布；
S2.根据不同钢种的物性参数及连铸拉速，计算结晶器内的流场分布；
S3.对结晶器内的磁场分布和流场分布进行耦合计算，通过耦合计算结果确定交替电磁搅拌工艺参数。
优选的，本发明还包括在连铸机停浇时，使用高斯计对结晶器内磁场强度进行测量，确定结晶器内磁场分布与搅拌电流、搅拌频率的关系，采用测量结果对模型准确性进行验证，即在相同搅拌电流、搅拌频率的前提下，根据模型计算的磁场分布结果需与实际的测量结果相近，才认为模型具有较高的准确性，能用于不同搅拌参数下磁场分布的计算以及与流场分布的耦合计算。
优选的，所述交替电磁搅拌工艺为“正搅-停搅-反搅”模式。
优选的，所述步骤S1中，使用Maxwell软件计算不同的搅拌电流和搅拌频率下结晶器内的磁场分布。
优选的，所述步骤S2中，采用Fluent软件中的SIMPLEC算法计算结晶器内的流场分布。
优选的，所述步骤S3中，耦合计算结果包括结晶器内钢液速度及液面波动情况；将计算得到的磁场分布结果作为动量方程的源项引入到流场分布计算模型中，采用ANSYS软件中的CFX模块进行耦合计算；电磁搅拌工艺参数包括搅拌电流、搅拌频率和搅拌时间。
本发明根据结晶器内钢液速度及液面波动情况，确定交替电磁搅拌工艺参数，具体为：根据耦合计算结果，得到正搅结束时刻结晶器内电磁搅拌器中心水平面上钢液流动及液面波动情况；然后设置电磁搅拌强度为零，得到停搅瞬时结晶器内电磁搅拌器中心水平面上钢液流动及液面波动情况；最后通过调整电搅器相位角正负号，开启电磁搅拌器对钢液进行反向搅动，得到反搅结束时刻结晶器内电磁搅拌器中心水平面上钢液流动及液面波动情况。当正搅、反搅停止时，电磁搅拌器中心水平面上钢液流动速度相近，但方向相反，且结晶器内钢液面波动在±3mm内时，则认为相应电磁搅拌参数为适宜的参数，确定相应电磁搅拌参数为交替电磁搅拌工艺参数。
优选的，所述搅拌电流需随铸坯横截面的增加而逐渐增加，搅拌电流的选取既要对结晶器内钢液产生扰动，又要控制其液面波动范围在±3mm。例如所述搅拌电流包括但不限于100~500A。具体的，所述搅拌电流可以为例如但不限于100A、150A、200A、250A、300A、350A、400A、450A、500A中的任意一者或任意两者之间的范围；
优选的，结晶器由于“集肤效应”的存在，搅拌频率越大其中心位置电搅强度越小，例如所述搅拌频率包括但不限于1~5Hz。具体的，所述搅拌频率可以为例如但不限于1Hz、1.5Hz、2Hz、2.5Hz、3Hz、3.5Hz、4Hz、4.5Hz、5Hz中的任意一者或任意两者之间的范围；
优选的，铸坯断面尺寸较大及钢液粘度较高时，正反搅拌时间需适当增加，正反搅拌及停搅时间选取原则为反转时间内钢液反转速度与正转时相近，例如，所述正搅/反搅时间包括但不限于7~15s，所述停搅时间包括但不限于为2~5s。具体的，所述正搅/反搅时间可以为例如但不限于7s、8s、9s、10s、11s、12s、13s、14s、15s中的任意一者或任意两者之间的范围；所述停搅时间可以为例如但不限于2s、3s、4s、5s中的任意一者或任意两者之间的范围；
根据本发明的另一个方面，本发明提供了如下技术方案：
一种圆坯连铸方法，包括如下步骤：
Sa.液态高温钢液通过中间包流入结晶器，通过控制塞棒开度及钢液拉速，使结晶器内钢液面稳定；
Sb.开启结晶器电磁搅拌器，将电磁搅拌工艺参数设定为上述圆坯连铸结晶器交替电磁搅拌工艺参数的确定方法确定的电磁搅拌工艺参数；
Sc.完成浇铸。
作为本发明所述的一种圆坯连铸方法的优选方案，其中：所述的电磁搅拌器为外置式，其尺寸例如包括但不限于，内径为500~800mm，外径为800~1000mm，长度为500~700mm。
以下结合具体实施例对本发明技术方案进行进一步说明。
实施例1
本实施例为钢种牌号为27Mn2Cr的圆坯连铸方法，包括如下步骤：
Sa.液态高温钢液通过中间包流入结晶器，通过控制塞棒开度及钢液拉速，使结晶器内钢液面稳定；中包过热度30℃，断面尺寸Φ220mm圆坯，拉速1.30m/min；结晶器水量约120m3·h-1，二冷段分四个区，各区段长度为0.34m、1.56m、2.22m、2.87m，各区水量分别为2.70m3·h-1、3.10m3·h-1、2.10m3·h-1、1.40m3·h-1；
Sb.开启结晶器电磁搅拌器，确定电磁搅拌工艺参数：本发明先计算不同电磁搅拌工艺参数下，正搅结束时电磁搅拌器水平中心面上钢液流动（如图1中(a)所示）及液面波动情况（如图2中(a)所示）；然后设置电磁搅拌强度为零，得到停搅瞬时电磁搅拌器水平中心面上钢液流动（如图1中(b)所示）及液面波动情况（如图2中(b)所示）；最后调整电磁搅拌器相位角正负号，开启电磁搅拌器对钢液进行反向搅动，得到反搅结束时电磁搅拌器水平中心面上钢液流动（如图1中(c)所示）及液面波动情况（如图2中(c)所示）；根据电磁搅拌器水平中心面上钢液流动及液面波动情况确定交替搅拌工艺参数为：搅拌电流为300A，搅拌频率为3Hz，电磁场“正搅-停搅-反搅”时间为“7s-3s-7s”。
Sc.完成浇铸。
选取拉坯方向上厚度20mm铸坯横截面样品，对取得的铸坯低倍样品表面进行磨抛，后使用盐酸水混合溶液对其进行侵蚀，铸坯的低倍示意图如图3所示，铸坯中心等轴晶面积占比为20%。
实施例2
本实施例为钢种牌号为16Mn的圆坯连铸方法，包括如下步骤：
Sa.液态高温钢液通过中间包流入结晶器，通过控制塞棒开度及钢液拉速，使结晶器内钢液面稳定；中包过热度30℃，断面尺寸Φ280mm圆坯，拉速0.85m/min；结晶器水量约140m3·h-1，二冷段分四个区，各区段长度为0.38m、1.37m、1.72m、2.18m，各区水量分别为2.35m3·h-1、3.30 m3·h-1、1.85m3·h-1、1.15m3·h-1；
Sb.开启结晶器电磁搅拌器，确定电磁搅拌工艺参数：本发明先计算不同电磁搅拌工艺参数下，正搅结束时电磁搅拌器水平中心面上钢液流动及液面波动情况；然后设置电磁搅拌强度为零，得到停搅瞬时电磁搅拌器水平中心面上钢液流动及液面波动情况；最后调整电磁搅拌器相位角正负号，开启电磁搅拌器对钢液进行反向搅动，得到反搅结束时电磁搅拌器水平中心面上钢液流动及液面波动情况；根据电磁搅拌器水平中心面上钢液流动及液面波动情况确定交替搅拌工艺参数为：搅拌电流为350A，搅拌频率为3Hz，电磁场“正搅-停搅-反搅”时间为“10s-5s-10s”。
Sc.完成浇铸。
选取拉坯方向上厚度20mm铸坯横截面样品，对取得的铸坯低倍样品表面进行磨抛，后使用盐酸水混合溶液对其进行侵蚀，铸坯的低倍示意图如图4所示，铸坯中心等轴晶面积占比为25%。
对比例1
与实施例1的不同之处在于，
Sb.开启结晶器电磁搅拌器，设定电磁搅拌参数为：搅拌电流为200A，搅拌频率为3Hz，电磁场采用连续搅拌模式。
选取拉坯方向上厚度20mm铸坯横截面样品，对取得的铸坯低倍样品表面进行磨抛，后使用盐酸水混合溶液对其进行侵蚀，铸坯的低倍示意图如图5所示，铸坯中心等轴晶面积占比为16%，铸坯芯部存在较严重疏松缺陷；且通过图3和图5可以看出，采用实施例1所述方法生产的铸坯芯部并不存在疏松缺陷。
对比例2
与实施例2的不同之处在于，
Sb.开启结晶器电磁搅拌器，设定电磁搅拌参数为：搅拌电流为300A，搅拌频率为3Hz，电磁场采用连续搅拌模式。
选取拉坯方向上厚度20mm铸坯横截面样品，对取得的铸坯低倍样品表面进行磨抛，后使用盐酸水混合溶液对其进行侵蚀，铸坯的低倍示意图如图6所示，铸坯中心等轴晶面积占比为20%，铸坯芯部存在点状偏析；且通过图4和图6可以看出，采用实施例2所述方法生产的铸坯芯部点状偏析有明显改善。
对比例3
与实施例1的不同之处在于，不采用步骤Sb确定电磁搅拌工艺参数的方法，直接设定电磁搅拌参数为：搅拌电流为200A，搅拌频率为3Hz，电磁场采用交替搅拌模式，电磁场“正搅-停搅-反搅”时间为“7s-3s-7s”。
选取拉坯方向上厚度20mm铸坯横截面样品，对取得的铸坯低倍样品表面进行磨抛，后使用盐酸水混合溶液对其进行侵蚀，铸坯的低倍示意图如图7所示，低倍中心存在明显的缩孔缺陷，中心等轴晶占比约12%，采用实施例1所述方法生产的铸坯芯部并不存在疏松缺陷，且铸坯中心等轴晶面积占比为20%。本对比例制备的铸坯的质量明显劣于实施例1，这是由于交替电磁搅拌的搅拌电流、搅拌频率以及正搅-停搅-反搅”时间不匹配造成的。
对比例4
与实施例2的不同之处在于，不采用步骤Sb确定电磁搅拌工艺参数的方法，直接设定电磁搅拌参数为：搅拌电流为260A，搅拌频率为3Hz，电磁场采用交替搅拌模式，电磁场“正搅-停搅-反搅”时间为“10s-5s-10s”。
选取拉坯方向上厚度20mm铸坯横截面样品，对取得的铸坯低倍样品表面进行磨抛，后使用盐酸水混合溶液对其进行侵蚀，铸坯的低倍示意图如图8所示，低倍中心存在明显的缩孔缺陷，中心等轴晶占比约16%，采用实施例2所述方法生产的铸坯芯部并不存在缩孔缺陷，且铸坯中心等轴晶面积占比为25%。本对比例制备的铸坯的质量明显劣于实施例2，这同样也是是由于交替电磁搅拌的搅拌电流、搅拌频率以及正搅-停搅-反搅”时间不匹配造成的。
本发明根据电磁搅拌器及结晶器参数建立电磁搅拌器及结晶器模型，设定不同的搅拌电流和搅拌频率，计算不同的搅拌电流和搅拌频率下结晶器内的磁场分布，根据不同钢种的物性参数及连铸拉速，计算结晶器内的流场分布，通过结晶器内磁场分布和流场分布的耦合计算结果，确定交替电磁搅拌工艺参数，采用本发明确定方法确定的电磁搅拌工艺参数进行浇铸，能够提高连铸圆坯的内部质量，为后续成品管材的质量稳定奠定基础。
以上所述仅为本发明的优选实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是在本发明的发明构思下，利用本发明说明书内容所作的等效结构变换，或直接/间接运用在其他相关的技术领域均包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (8)

1.一种圆坯连铸结晶器交替电磁搅拌工艺参数的确定方法，其特征在于，包括如下步骤：
S1.根据电磁搅拌器及结晶器参数建立电磁搅拌器及结晶器模型，设定不同的搅拌电流和搅拌频率，计算不同的搅拌电流和搅拌频率下结晶器内的磁场分布；
S2.根据不同钢种的物性参数及连铸拉速，计算结晶器内的流场分布；
S3.对结晶器内的磁场分布和流场分布进行耦合计算，通过耦合计算结果确定交替电磁搅拌工艺参数；耦合计算结果包括结晶器内钢液速度及液面波动情况；根据结晶器内钢液速度及液面波动情况，确定交替电磁搅拌工艺参数，具体为：根据耦合计算结果，得到正搅结束时刻结晶器内电磁搅拌器中心水平面上钢液流动及液面波动情况；然后设置电磁搅拌强度为零，得到停搅瞬时结晶器内电磁搅拌器中心水平面上钢液流动及液面波动情况；最后通过调整电搅器相位角正负号，开启电磁搅拌器对钢液进行反向搅动，得到反搅结束时刻结晶器内电磁搅拌器中心水平面上钢液流动及液面波动情况；当正搅、反搅停止时，电磁搅拌器中心水平面上钢液流动速度相近，但方向相反，且结晶器内钢液面波动在±3mm内时，则确定相应电磁搅拌参数为交替电磁搅拌工艺参数。
2.根据权利要求1所述的圆坯连铸结晶器交替电磁搅拌工艺参数的确定方法，其特征在于，所述交替电磁搅拌工艺为“正搅-停搅-反搅”模式。
3.根据权利要求1所述的圆坯连铸结晶器交替电磁搅拌工艺参数的确定方法，其特征在于，所述步骤S1中，使用Maxwell软件计算不同电磁搅拌参数下结晶器内的磁场分布。
4.根据权利要求1所述的圆坯连铸结晶器交替电磁搅拌工艺参数的确定方法，其特征在于，所述步骤S2中，采用Fluent软件中的SIMPLEC算法计算结晶器内的流场分布。
5.根据权利要求1所述的圆坯连铸结晶器交替电磁搅拌工艺参数的确定方法，其特征在于，所述步骤S3中，将计算得到的磁场分布结果作为动量方程的源项引入到流场分布计算模型中，采用ANSYS软件中的CFX模块进行耦合计算。
6.根据权利要求1所述的圆坯连铸结晶器交替电磁搅拌工艺参数的确定方法，其特征在于，所述步骤S3中，电磁搅拌工艺参数包括搅拌电流、搅拌频率和搅拌时间。
7.一种圆坯连铸方法，其特征在于，包括如下步骤：
Sa.液态高温钢液通过中间包流入结晶器，通过控制塞棒开度及钢液拉速，使结晶器内钢液面稳定；
Sb.开启结晶器电磁搅拌器，将电磁搅拌工艺参数设定为权利要求1-6任一项所述的圆坯连铸结晶器交替电磁搅拌工艺参数的确定方法确定的交替电磁搅拌工艺参数；
Sc.完成浇铸。
8.根据权利要求7所述的圆坯连铸方法，其特征在于，所述的电磁搅拌器为外置式。
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