numero Sfoglia:0 Autore:Editor del sito Pubblica Time: 2021-08-19 Origine:motorizzato
Astratto:Presentiamo un modello di accoppiamento segmentato per colata di bramme a rulloagitazione elettromagnetica(In-roll EMS) del comportamento elettromagnetico, del flusso, del trasferimento di calore e della solidificazione basato sulla magnetoidrodinamica e sulla teoria della solidificazione.Un modello di accoppiamento segmentato tridimensionale (3D) che includeva elementi elettromagnetici, di flusso e di trasferimento di calore è stato stabilito utilizzando il software Ansoft Maxwell e ANSYS Fluent.Sono stati studiati numericamente gli effetti del manicotto del rullo, dell'anello di schermatura magnetica, della bobina, del nucleo, dell'acciaio fuso e del dominio dell'aria sui campi elettromagnetici, termici e di flusso.L'accuratezza del modello è stata verificata misurando la densità del flusso magnetico sulla linea centrale in una coppia di rulli e la forza elettromagnetica della piastra di rame.Sulla base dei risultati numerici dei parametri tecnici ottimali, è stato esplorato l'effetto di IN-ROLL EMS sulla solidificazione dell'acciaio inossidabile Fe–17% in peso Cr–0,6% in peso Ni.I risultati hanno indicato che con ogni coppia aggiuntiva di rulli elettromagnetici, la forza elettromagnetica media aumentava di 2969 N/m3nella direzione di colata e 5600 N/m3nella parte centrale dei rulli.Con l'aumento del numero di coppie di rulli, la regione di agitazione effettiva aumentava e la velocità dell'acciaio fuso sul fronte di solidificazione prima aumentava ma poi diminuiva.Il forte effetto di lavaggio vorticoso elettromagnetico ha ridotto il tasso di solidificazione del guscio della lastra e ha promosso la dissipazione surriscaldata dell'acciaio fuso al centro del trefolo.Il rapporto di cristallo equiassiale al centro della lastra è stato migliorato al 69% con due coppie di rulli IN-ROLL EMS e parametri elettromagnetici di 400 A/7 Hz, vantaggioso per ottenere una struttura solidificata uniforme e densa per migliorare le successive prestazioni di lavorazione a caldo e qualità del prodotto.
Parole chiave:agitazione elettromagnetica a rullo (IN-ROLL EMS);Fe–17% in peso di acciaio Cr–0,6% in peso di Ni;struttura di solidificazione;numero di coppie per rulli;effetto lavaggioAstratto:Presentiamo un modello di accoppiamento segmentato per la colata di bramme mediante agitazione elettromagnetica a rulli (In-roll EMS) del comportamento elettromagnetico, del flusso, del trasferimento di calore e della solidificazione basato sulla magnetoidrodinamica e sulla teoria della solidificazione.Un modello di accoppiamento segmentato tridimensionale (3D) che includeva elementi elettromagnetici, di flusso e di trasferimento di calore è stato stabilito utilizzando il software Ansoft Maxwell e ANSYS Fluent.Sono stati studiati numericamente gli effetti del manicotto del rullo, dell'anello di schermatura magnetica, della bobina, del nucleo, dell'acciaio fuso e del dominio dell'aria sui campi elettromagnetici, termici e di flusso.L'accuratezza del modello è stata verificata misurando la densità del flusso magnetico sulla linea centrale in una coppia di rulli e la forza elettromagnetica della piastra di rame.Sulla base dei risultati numerici dei parametri tecnici ottimali, è stato esplorato l'effetto di IN-ROLL EMS sulla solidificazione dell'acciaio inossidabile Fe–17% in peso Cr–0,6% in peso Ni.I risultati hanno indicato che con ogni coppia aggiuntiva di rulli elettromagnetici, la forza elettromagnetica media aumentava di 2969 N/m3nella direzione di colata e 5600 N/m3nella parte centrale dei rulli.Con l'aumento del numero di coppie di rulli, la regione di agitazione effettiva aumentava e la velocità dell'acciaio fuso sul fronte di solidificazione prima aumentava ma poi diminuiva.Il forte effetto di lavaggio vorticoso elettromagnetico ha ridotto il tasso di solidificazione del guscio della lastra e ha promosso la dissipazione surriscaldata dell'acciaio fuso al centro del trefolo.Il rapporto di cristallo equiassiale al centro della lastra è stato migliorato al 69% con due coppie di rulli IN-ROLL EMS e parametri elettromagnetici di 400 A/7 Hz, vantaggioso per ottenere una struttura solidificata uniforme e densa per migliorare le successive prestazioni di lavorazione a caldo e qualità del prodotto.
1.introduzione
Le leghe di acciaio inossidabile a risparmio di nichel, come Fe–17% in peso Cr–0,6% in peso Ni, hanno una struttura di ferrite a temperatura ambiente e ad alte temperature che fa sì che sviluppino facilmente cristalli colonnari durante la solidificazione con un rapporto molto basso di cristallo equiassiale nell'acciaio getti.La struttura cristallina colonnare presenta un'evidente anisotropia nel successivo processo di lavorazione della plastica, che rischia di produrre difetti simili a rughe nei prodotti in lastra a causa della scarsa imbutibilità profonda.Il controllo della struttura della colata e l'ottenimento di un elevato rapporto di cristalli equiassiali durante il processo di colata continua (CC) è importante per migliorare le prestazioni e la qualità della successiva lavorazione a caldo del prodotto;questo è sempre stato un tema centrale per l'industria siderurgica.
IN-ROLL EMS può sostituire il normale pinch roller della macchina CC con diverse coppie di rulli.Le diverse disposizioni dei rulli nei segmenti avranno diverse distribuzioni del campo magnetico, aree di campi elettromagnetici e modelli di flusso di acciaio fuso.Considerando l'importanza del comportamento metallurgico nella SCZ di un getto di bramma per quanto riguarda il controllo della qualità interna del trefolo, un modello accoppiato di comportamento tridimensionale (3-D) elettromagnetico, flusso, trasferimento di calore e solidificazione nella SCZ ha stato sviluppato in questo studio.
La densità del flusso magnetico è stata misurata utilizzando un Tesla Meter 475 in modalità di elaborazione del segnale digitale LakeShore (Zhongke Electric, Hunan, Cina).L'EMF è stato testato utilizzando un misuratore di spinta prodotto internamente, come mostrato nella Figura 3.
Figura 3.Metodo di misurazione della placcatura in rame: (a) Schema di struttura;(b) diagramma del dispositivo fisico.
I principali componenti chimici dell'acciaio Fe–17% in peso Cr–0,6% in peso Ni sono elencati nella Tabella 2.
Figura 4.Taglio campione da colata di lastre per analisi metallografiche.
3. Risultati e discussioni
3.1.Analisi del campo elettromagnetico
La Figura 5a mostra un confronto dei valori calcolati e misurati della densità del flusso magnetico e la Figura 5b mostra l'EMF sulla linea centrale dell'ampia superficie con una coppia di rulli.I valori misurati e calcolati della densità del flusso magnetico sulla linea centrale del rullo e dell'EMF della piastra di rame sono approssimativamente in accordo, il che verifica l'affidabilità del modello a un livello accettabile.La figura 5b mostra che l'EMF è aumentato rapidamente e poi è diminuito lentamente all'aumentare della frequenza e che l'EMF maggiore di una coppia di agitatori a rulli è stato ottenuto a una frequenza di 9 Hz.
Figura 5.Confronto dei valori misurati e calcolati sulla mezzeria della faccia larga della coppia di rulli: (a) densità di flusso magnetico, (b) forza elettromagnetica.
La figura 6a–c presenta la distribuzione della densità di flusso magnetico sulla superficie della lastra per un'intensità di corrente di 400 A e una frequenza di 7 Hz nei casi di una coppia, due coppie e tre coppie, rispettivamente, in cui l'area efficace della densità del flusso magnetico aumenta con un numero crescente di rulli.Il campo magnetico dell'onda viaggiante aveva una certa direzionalità che produceva un effetto finale, risultando in una maggiore densità di flusso magnetico sul lato di spinta (lato destro del trefolo in Figura 6) rispetto al lato iniziale (lato sinistro del trefolo in Figura 6) ).
Figura 6.Contorno della densità del flusso magnetico sulla superficie del supporto con (a) un paio, (b) due coppie e (c) tre coppie di rulli.
La Figura 7a mostra la distribuzione dell'EMF lungo la linea centrale nella direzione di colata sotto un diverso numero di coppie di rulli per una corrente di 400 A e una frequenza di 7 Hz e la Figura 7b mostra la distribuzione dell'EMF lungo la linea centrale dei rulli nella direzione ampia.Per una, due e tre coppie di rulli, l'EMF massimo sulla mezzeria della bramma lungo la direzione di colata era 12.090, 18.573 e 21.229 N/m3, rispettivamente, e l'EMF medio era 2023, 5066 e 7962 N/m3, rispettivamente.L'EMF massimo sulla linea centrale dell'ampia superficie per ogni coppia di rulli era 12.354, 18.084 e 22.874 N/m3, rispettivamente, e l'EMF medio era 10.247, 15.730 e 21.336 N/m3, rispettivamente.La forza massima era situata sul lato di spinta della bramma e l'EMF dell'acciaio fuso aumentava con l'aumentare del numero di coppie di rulli.
Figura 7.Distribuzione della forza elettromagnetica interna nel trefolo con diverso numero di rulli (a) lungo la mezzeria nella direzione di colata, (b) lungo la linea centrale dei rulli in direzione larga.
La figura 8a mostra la distribuzione dell'EMF nella direzione di colata sotto due coppie di rulli a frequenze diverse e la figura 8b mostra la distribuzione dell'EMF nella direzione di colata sotto le due coppie di rulli a correnti diverse.La distribuzione dell'EMF indica che era piccolo ad entrambe le estremità, grande al centro e distribuito uniformemente tra i rulli.L'EMF massimo al centro del trefolo è aumentato da 4750 a 19.000 N/m3quando l'intensità della corrente è aumentata da 200 a 400 A. Inoltre, l'EMF massimo al centro del trefolo è diminuito da 20.838 a 17.995 N/m3quando la frequenza aumenta da 4 a 8 Hz.Il filo mostrava una certa conduttività magnetica quando le linee di induzione magnetica dall'aria nel filo deviavano, raggruppandosi in una posizione e formando uno schermo magnetico.La differenza di flusso magnetico tra l'interno ei bordi del trefolo determinava una distribuzione non uniforme della corrente indotta, che si concentrava principalmente sulla superficie della lastra, fenomeno noto come \"effetto pelle\".Questo effetto porta ad una riduzione della penetrazione del campo magnetico a frequenze più alte [17].Mostra che il guscio solidificato con una certa conduttività elettrica ha un certo effetto schermante sul campo magnetico, e quindi l'intensità dell'induzione magnetica centrale diminuisce leggermente all'aumentare della frequenza della corrente.
Figura 8.Distribuzione della forza elettromagnetica nella direzione di colata sotto le due coppie di rulli a (a) frequenze diverse e sotto (b) correnti diverse.
3.2.Analisi del comportamento di flusso e solidificazione
La figura 9a mostra la distribuzione della velocità lungo la mezzeria nella direzione di colata sulla linea caratteristica dell'acciaio fuso con un diverso numero di coppie di rulli e la figura 9b mostra la distribuzione della velocità lungo la mezzeria dei rulli nella direzione larga.Un aumento del numero di rulli ha portato ad un aumento del volume locale dell'EMF sul trefolo e l'EMF era la forza trainante del flusso di acciaio fuso per lavare il fronte di solidificazione nell'SCZ.L'intervallo di velocità di lavaggio effettivo, definito come l'intervallo in cui la velocità del flusso è maggiore della velocità di colata, del fronte di solidificazione lungo la direzione di colata era di 4,0-4,35 m, 3,8-4,35 m e 3,6-4,35 m per uno, due , e tre paia di rulli, rispettivamente, e la velocità massima di lavaggio era rispettivamente di 0,7, 0,8 e 0,76 m/s.Zhang et al.[18] hanno scoperto che il flusso del getto ad alta velocità dai fori laterali può portare a una zona di turbolenza più ampia nella zona dello stampo e parte della SCZ.Sebbene l'EMF di due coppie di rulli sia inferiore a quello delle tre coppie, la regione di lavaggio delle due coppie è più bassa, lasciando una minore intensità di energia cinetica turbolenta nell'area dello stampo sfalsato.Pertanto, il trefolo ha una velocità di lavaggio massima maggiore con due coppie di rulli rispetto a tre coppie.La figura 8b mostra che la velocità di flusso massima con un numero diverso di coppie di rulli è stata distribuita su un lato del trefolo.La velocità del flusso sul lato di spinta dell'EMF era maggiore rispetto al lato iniziale, il che è grosso modo in accordo con le caratteristiche di movimento del campo magnetico dell'onda in movimento.
Figura 9.Distribuzione della velocità con diverso numero di rulli (a) lungo la linea centrale nella direzione di colata, e (b) lungo la linea centrale dei rulli in direzione larga.
La Figura 10a–d mostra la distribuzione della temperatura e la linea di flusso dell'acciaio fuso sulla superficie centrale della faccia stretta nella bramma con 0–3 coppie di rulli.L'EMF ha causato lo spostamento dell'acciaio fuso da un lato all'altro della superficie stretta e la continuità del flusso verso lo stretto fronte di solidificazione ha portato alla formazione di una circolazione superiore e inferiore dell'acciaio fuso, risultando in un nucleo uniforme temperatura e miscelazione della lastra.Con un numero crescente di coppie di rulli, l'area del flusso di acciaio fuso alla sezione trasversale si è espansa e lo scambio di calore forzato tra l'acciaio fuso centrale ad alta temperatura e il guscio solidificato ha portato a una zona a bassa temperatura più ampia al centro del filo.Secondo la teoria della solidificazione, una temperatura più bassa dell'acciaio fuso centrale è più favorevole alla formazione di particelle di nucleazione.Xu et al.ha sottolineato [19] che il lavaggio dell'acciaio fuso contro il fronte di solidificazione può causare la \\"fusione\\" del braccio dendritico per fornire particelle di nucleazione per la formazione di cristalli equiassiali, il che alla fine aumenta il rapporto tra i cristalli equiassiali centrali del filamento.
Figura 10.Distribuzione della temperatura e flusso sulla superficie centrale stretta del trefolo con (a) zero coppie, (b) un paio, (c) due coppie e (d) tre coppie di rulli.
La figura 11a illustra la variazione del guscio solidificato sul lato di partenza lungo la direzione di colata al centro della faccia stretta per il trefolo con diverso numero di coppie di rulli, e la figura 11b mostra la variazione dello spessore del guscio sul lato di spinta lungo il direzione di colata al centro della faccia stretta per il trefolo con diverso numero di coppie di rulli.Il fronte di solidificazione è considerato il luogo in cui la frazione in fase liquida è 0,3.Per zero, uno, due e tre coppie di rulli, lo spessore del guscio solidificato all'uscita del dominio di calcolo era rispettivamente 42,37, 40,96, 40,14 e 38,43 mm sul lato iniziale dell'EMF e 42,37, 42,27 , 37,62 e 37,60 mm sul lato di spinta dell'EMF, rispettivamente.Il flusso ad alta velocità di acciaio fuso si precipita sul fronte di solidificazione e interrompe alcuni dei cristalli colonnari, determinando la lenta crescita del guscio solidificato nella regione di agitazione.Il tasso di solidificazione sul lato della spinta elettromagnetica era significativamente inferiore al lato iniziale, che coincide grosso modo con le caratteristiche del campo magnetico dell'onda viaggiante.
Figura 11.Distribuzione dello spessore del guscio in corrispondenza della faccia centrale stretta del trefolo sulla (a) lato iniziale e (b) lato di spinta.
3.3.Esperimenti di struttura di solidificazione ottenuti da IN-ROLL EMS
Due coppie di rulli sono state selezionate per la colata di bramme di acciaio Fe–17% in peso Cr–0,6% in peso Ni negli esperimenti di controllo della struttura di solidificazione mediante IN-ROLL EMS.La zona semisolida al centro della bramma quando si usavano due coppie di rulli era maggiore di quando si usava una coppia di rulli.Sebbene l'EMF fosse inferiore rispetto a quando venivano utilizzate tre coppie, la velocità di lavaggio del fronte di solidificazione era maggiore con due coppie rispetto a tre coppie, il che era vantaggioso per la formazione di cristalli equiassiali nel filamento.Inoltre, il costo della strumentazione e il consumo energetico sono inferiori quando si utilizzano due coppie di rulli.Le strutture di solidificazione della lastra prodotte allo spegnimento e all'accensione di IN-ROLL EMS sono state confrontate durante l'esperimento, come mostrato in Figura 12. Quando IN-ROLL EMS è stato spento, la macrostruttura della lastra era più sviluppata nel cristallo colonnare, che è correlato alle caratteristiche dell'acciaio Fe–17% in peso Cr–0,6% in peso Ni.Avere un contenuto di Cr nell'acciaio superiore al 16% ha portato ad un processo di solidificazione senza ilα→γprocesso di transizione di fase, con la struttura di ferrite mantenuta.Pang et al.[20] hanno scoperto che non vi era alcuna transizione di fase per ostacolare lo sviluppo di cristalli colonnari durante il processo di crescita del grano;quindi, la granulometria era grossolana e gli elementi chimici erano inclini alla segregazione, che può compromettere seriamente la qualità del prodotto.Quando l'EMS IN-ROLL è stato acceso con parametri elettromagnetici di 400 A e 7 Hz, l'EMF generato dal campo magnetico dell'onda viaggiante ha fatto sì che l'acciaio fuso scorresse violentemente e lavasse il fronte cristallino colonnare per ridurre il gradiente di temperatura sul fronte di solidificazione , inibendo la crescita dei cristalli colonnari.Allo stesso tempo, il flusso ad alta velocità dell'acciaio fuso può rompere il braccio dendrite colonnare per formare nuclei liberi nell'area centrale a bassa temperatura.Infine, il rapporto di cristallo equiassiale centrale del filamento è stato aumentato al 69%.
Figura 12.Sezione trasversale di il macrostruttura as-cast del trefolo (a) senza IN-ROLL EMS e (b) con due coppie di rulli utilizzati in IN-ROLL EMS (a 400 A e 7 Hz).
4. Conclusioni
Qui è stato stabilito un modello di accoppiamento segmentato 3D per il comportamento elettromagnetico, di flusso e di trasferimento di calore per la colata di bramme di acciaio inossidabile.Sono stati rivelati gli effetti di IN-ROLL EMS sulla distribuzione del campo magnetico e sul comportamento di solidificazione e sono stati presentati i parametri tecnici ottimali per controllare la macrostruttura as-cast dell'acciaio Fe–17% in peso Cr–0,6% in peso Ni.Le principali conclusioni sono le seguenti:
1. Le caratteristiche del campo magnetico dell'onda viaggiante dell'EMS IN-ROLL nella SCZ produrranno un EMF massimo che si trova sul lato iniziale del trefolo della lastra.Per ogni coppia aggiuntiva di rulli elettromagnetici, l'EMF medio nella direzione di colata aumenta di 2969 N/m3, e l'EMF medio nella sezione centrale dei rulli aumenta di 5600 N/m3.
2. Con un numero crescente di coppie di rulli di agitazione, l'area di agitazione effettiva dell'acciaio fuso all'interno del filo viene aumentata dall'EMF e la velocità dell'acciaio fuso sul fronte di solidificazione prima aumenta e poi diminuisce.L'effetto di lavaggio del flusso dalla forte forza elettromagnetica ridurrà il tasso di solidificazione del guscio locale e accelererà la dissipazione surriscaldata del centro di acciaio fuso, che è vantaggioso per la formazione di cristalli equiassiali.
3. L'uso di due coppie di rulli elettromagnetici a 400 A e 7 Hz può produrre un rapporto di cristallo equiassiale al centro del 69% nel trefolo della lastra di 200 mm × 1280 mm, che aiuta a migliorare il suo comportamento di lavoro a caldo.
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