Abstrakt:Zur Untersuchung des Fließverhaltens von geschmolzenem Stahl in einer Brammenstranggießkokille für interstitialfreien (IF) Stahl wurde ein dreidimensionales numerisches Modell entwickelt, das das elektromagnetische Feld, die Flüssigkeitsströmung und die Füllstandsschwankung koppelt.Nach den Industrie- und Modellierungsergebnissen werden die Wirbel auf dem Querschnitt aufgrund der elektromagnetischen Kraft (EMF) erzeugt und ihre Anzahl hängt von den magnetischen Polpaaren elektromagnetischer Felder ab.Mit der Erhöhung der Stromfrequenz erreicht die EMF das Maximum bei der Stromfrequenz von 4,5 Hz und nimmt dann allmählich ab.Wenn die Stromstärke von 0 A auf 600 A ansteigt, wird die Rate des Schlackeneinschlusses in Bezug auf die Knüppelfehler von 7,46 % auf 1,09 % verringert, steigt jedoch auf 6,09 % an, wenn die Stromstärke 650 A erreicht.Die Studie legt nahe, dass die optimierte Stromstärke von Schimmel-elektromagnetisches Rühren(M-EMS) kann Oberflächen- oder Untergrundfehler für eine saubere Stahlproduktion effektiv verhindern.

Schlüsselwörter:Interstitial-fStahl;Elektromagnetisches Feld;Flüssigkeitsströmung;Stromstärke;Rvon Schlackeneinschlüssen.

1. Einleitung

Mit der Entwicklung einer sauberen Stahlproduktion werden die Qualitätsanforderungen an Stranggussprodukte immer strenger^[1].Bei der interstitialfreien (IF) Stahlproduktion, die aufgrund ihrer hervorragenden Tiefzieheigenschaften in der Automobilindustrie weit verbreitet ist, sind Oberflächenfehler wie Splitter und Bleistiftblasen die häufigsten Probleme, die zu Ausschuss und Herabstufung ihrer Endblechprodukte führen^[2].Es ist besonders wichtig, die Schwankung des Formflüssigkeitsspiegels während des Gießens zu kontrollieren und die Ansammlung von unterirdischen Einschlüssen im Zusammenhang mit der Hakenschalencharakteristik der Stähle am Meniskus zu vermeiden.Es wurde ein neues M-EMS eingeführt, das wirbelndes Rühren erzeugen kann, um die beliebten hakengesammelten Einschlüsse zu reinigen 1,6 m Plattenform.Die Zusammenhänge zwischen der EMF und der aktuellen Intensität bzw. Frequenz wurden detailliert analysiert.Der Einfluss von Rührstrom und Rührerposition auf die Füllstandsschwankung der Stahlschmelze wird ebenfalls untersucht.Schließlich werden die verschiedenen M-EMS-Parameter der Spulenstromstärke durch eine kombinierte Analyse mit dem Fließverhalten der Form und den Rückmeldungen aus industriellen Anlagenversuchen verglichen.

2 Modellbeschreibung

2.1 Dreidimensionales geometrisches Modell von M-EMS

Abb. 1Geometriemodell und Finite-Elemente-Netz:(a) elektromagnetische Simulation;(b) Strömungssimulation

Das Geometriemodell und das Finite-Elemente-Netz in einem Brammenstrang mit einem elektromagnetischen Wanderwellenrührer sind in Abbildung 1 dargestellt. Das Modell von M-EMS umfasst hauptsächlich geschmolzenen Stahl, Kupferkokille, rostfreie Rückwand, Eisenkern, Rührspule und nicht gezeigt).

3. Ergebnisse und Diskussion

3.1 Gültigkeit des entwickelten Modells

Um die Gültigkeit des mathematischen Modells sicherzustellen, wurden die berechneten Ergebnisse für die magnetische Flussdichte entlang der Y=0,1m-Linie in der Mittelebene des Rührers mit den Messdaten in einer Anlage verglichen, die in Abbildung 2 dargestellt ist die Daten wurden von Hunan Zhongke Electric Co., Ltd. durch ein Lake Shore 475 DSP Gaussmeter erhalten.Aus dieser Figur sind die Tendenzen der magnetischen Flussdichte zentralsymmetrisch verteilt.Die berechneten Ergebnisse stimmen gut mit den gemessenen Daten überein, was darauf hindeutet, dass das entwickelte mathematische Modell für dieses Rührsystem angemessen ist und die berechneten Ergebnisse als theoretische Anleitung zur Optimierung der Rührbetriebsparameter in der tatsächlichen Produktion verwendet werden könnten.Außerdem ist die gemessene magnetische Flussdichte etwas niedriger als die berechnete, aufgrund der Magnetfeldstreuung und des gemessenen oder berechneten Fehlers.Dieser Fehler ist jedoch klein und kann vernachlässigt werden.

Abb. 2Vergleich zwischen berechneten und gemessenen Werten der magnetischen Flussstärke

3.2 Magnetische Flussdichte

Abb. 3Die magnetische Flussdichte (BF, BL, BO).(a) mit rostfreier Rückwand;(b) ohne Edelstahl-Rückwand

Abbildung 3 zeigt die magnetische Flussdichte entlang der Linien für Y= -0,1m (BF), Y=0,1m (BL), Y=0m (B0) in der Mittelebene des Rührers mit und ohne Edelstahlrückwand.Es kann beobachtet werden, dass BF fast gleich BL ist.Für den Fall mit der rostfreien Rückwand in Fig. 3a ist seine magnetische Flussdichte gleichmäßiger und kleiner als die ohne rostfreie Rückwand, die eine Rolle der elektromagnetischen Abschirmung von den Spulen spielt.Die Durchschnittswerte von BF betragen 61,92 mT bzw. 122,26 mT für mit und ohne Edelstahl-Rückwand, daher ist es nicht richtig, Edelstahl-Rückwand im M-EMS-Geometriemodell zu ignorieren.

Abb. 4Verteilung der magnetischen Flussdichte auf der Rührermittelebene (Z = −0.12 m).(a) Vektor;(b) Kontur

Abbildung 4 zeigt die Vektor- und Konturdiagramme der magnetischen Flussdichte in der Mittelebene des Rührers (Z = −0.12 m).Es ist ersichtlich, dass sich der Vektor und die Kontur der magnetischen Flussdichte der Anfangsphase zentrosymmetrisch verteilen.Die magnetische Flussdichte ist am Rand der Breitfläche größer und nimmt von außen nach innen allmählich ab.Die Maxima liegen in der Nähe der Kokillenbreite (Y=0,125m bzw. Y=-0,125m).

Abb. 5Vektor- und Konturdiagramme der zeitgemittelten EMF auf der Rührermittelebene (Z=−0.12 m).(a) Vektor;(b) Kontur

Abbildung 5 zeigt den Vektor und die Kontur der zeitgemittelten EMF auf der Rührermittelebene (Z= −0.12 m).Es ist ersichtlich, dass die Verteilung der EMF aufgrund der zentrosymmetrischen Verteilung der magnetischen Flussdichte zentrosymmetrisch ist.Die Tangentialkomponenten der EMFs in der Nähe der Kanten sind größer als die im inneren Teil des Querschnitts, und die Tangentialkomponenten der EMFs an den beiden parallelen Kanten der Breitfläche sind mit entgegengesetzter Richtung wertmäßig gleich.Im Inneren des Querschnitts existieren vier transversale Wirbel der zeitlich gemittelten EMF.Das Maximum der zeitgemittelten EMF beträgt 9000 N/m3 und tritt an den Punkten X=0.57m, Y=0.125m und X=-0.57m, Y=-0.125m auf.Das Minimum der zeitgemittelten EMF liegt unter 1000 N/m3, was im Innenraum auftritt.

Abbildung 6a zeigt die Verteilung der magnetischen Flussdichte für verschiedene Ströme bei 4,5 Hz.Die magnetische Flussdichte nimmt mit steigender Stromstärke zu und steht in einem ungefähr proportionalen Verhältnis.Abbildung 6b zeigt die Verteilung der tangentialen EMK für verschiedene Stromfrequenzen bei 600 A. Im Bereich der angelegten Stromfrequenzen für M-EMS (1,0–5,5 Hz) bei 600 A nimmt die tangentiale EMK mit steigender Stromfrequenz zu und erreicht das Maximum bei der aktuellen Frequenz 4,5 Hz und nimmt dann allmählich ab.

Abb. 6Verteilung der magnetischen Flussdichte und tangentialer EMK.(a) verschiedene Ströme;(b) verschiedene Frequenzen

Feige.7 Der Vergleich von dreidimensionalen Pegelschwankungen: (a) M-EMS aus;(b) mit M-EMS, Z = -0,42 m;(c) mit M-EMS, Z=-0,27m;(d) mit M-EMS, Z=-0,12m

Abbildung 7 zeigt die dreidimensionalen Füllstandsschwankungen unter verschiedenen Positionen der Rührermittelebene, wobei die Ebene des Stahlvolumenanteils 0,5 gewählt wurde, um den Zustand der Füllstandsschwankung auszudrücken.Es ist intuitiv zu erkennen, dass die Grenzfläche Stahl/Schlacke fast flach ist, wenn das M-EMS ausgeschaltet ist.Die wirbelnde Strömung durch die Wirkung von M-EMS erhöht die Fluktuation der freien Oberfläche, und die höchsten Fluktuationen für M-EMS treten an vier Ecken der formfreien Oberfläche auf.In den lokalen Regionen beträgt die maximale Höhe der Pegelfluktuation für M-EMS bei Z = -0,42 m, -0,27 m, -0,12 m 1,0 mm, 2,4 mm bzw. 2,9 mm.Die Höhe des Rührers nimmt zu, was leicht die Schwankung der freien Oberfläche induzieren kann.Die Ergebnisse zeigen, dass mit zunehmender Höhe des Rührers die Füllstandsschwankung verstärkt wird.Der größte Wert der Füllstandsschwankung unter M-EMS bei Z = -0,12 m ist für die Bewegung von Schlacke akzeptabel, wobei der Bereich der Füllstandsschwankung innerhalb von ±4 mm für die Anlage akzeptabel ist^[fünfzehn].Daher liegt die optimale Rührerposition für die Mittelebene von M-EMS bei Z = -0,12 m unterhalb des Meniskus.

Abbildung 8 zeigt die Wirkung des Rührstroms auf die Füllstandsschwankung.Mit der Erhöhung des Rührstroms wird die Füllstandsschwankung aufgrund der durch das M-EMS induzierten offensichtlichen transversalen Wirbelströmung verstärkt, die zu Schlackeneinschlüssen führen kann.In den lokalen Regionen.Die maximale Höhe der Pegelschwankung für Strom 500A, 550A, 600A, 650A beträgt 2,1 mm, 2,8 mm, 3,6 mm bzw. 4,2 mm.Wenn der Strom 650 A beträgt, überschreitet die Füllstandsschwankung ±4 mm, die Verstärkung der Füllstandsschwankung kann zum Einschluss von Schlacke führen.

Feige.8 Der Vergleich von dreidimensionalen Pegelschwankungen: (a) 500A;(b) 550A;(c) 600A;(d) 650A

Feige.9 Vektorverteilung im Zentrum von EMS (a) 500A;(b) 550A;(c) 600A;(d) 650A

Abbildung 9 zeigt das Flussmuster auf der Mittelebene von M-EMS unter verschiedenen Strömen.Die Tangentialgeschwindigkeit steigt mit zunehmender Stromstärke.Vier Querwirbel der Stahlschmelze sind symmetrisch verteilt, die fast mit den vier magnetischen Polpaaren zusammenfallen.

3.3Brammenqualität bei unterschiedlichen Prozessparametern

Tabelle 2Die Blockierrate für Schlackeneinschlüsse bei unterschiedlichen Stromstärken

Gemäß den obigen Simulationsergebnissen wurden vier Stromstärken ausgewählt, um eine interstitialfreie Stahlbramme zu testen, die von einem Stahlwerk in China hergestellt wurde. Die Blockierungsrate des Schlackeneinschlusses wurde in Tabelle 2 gezählt, die eine der Hauptquellen für Einschlüsse ist im Endprodukt und wird die saubere Stahlproduktion stark beeinträchtigen.Wenn das M-EMS eingeschaltet wird, nimmt die Blockierungsrate des Flussmitreißens offensichtlich ab.Bei der Stromstärke von 600 A beträgt die Blockierungsrate des Schlackeneinschlusses nur 1,09 %, was im Vergleich zur Situation M-EMS ausgeschaltet um 85 % verringert ist.Daher stimmen die industriellen Ergebnisse gut mit den berechneten Ergebnissen überein und belegen somit den Erfolg des vorliegenden Modells.

4Schlussfolgerungen

In Kombination mit numerischer Simulation und Anlagenversuchen wurde die Wirkung von M-EMS auf das elektromagnetische Feld, den Flüssigkeitsfluss und die Füllstandsfluktuation untersucht.Die wichtigsten Schlussfolgerungen sind wie folgt:

(1) Die magnetische Flussdichte und die EMF verteilen sich zentralsymmetrisch auf der Breitseite der Form.Die EMF erzeugt die Wirbel auf dem Querschnitt und ihre Anzahl entspricht den magnetischen Polpaaren des elektromagnetischen Feldes.Mit der Erhöhung der Stromfrequenz erreicht die EMF das Maximum bei der Stromfrequenz von 4,5 Hz und nimmt dann allmählich ab.

(2) Mit zunehmender Höhe der Rührerstellung verstärkt sich die Füllstandsschwankung, die zum Mitreißen des Flussmittels führen kann.Wenn die Mittelebene von M-EMS bei Z = -0,12 m liegt, beträgt die Pegelschwankung ±4 mm, was von der Anlage akzeptiert wird.

(3) Nach den statistischen Ergebnissen der Mitnahmeblockierrate für verschiedene Prozessparameter in Industrieanlagenversuchen beträgt die optimierte Stromstärke 600 A, und bei dieser Stromstärke beträgt die Blockierrate des Schlackeneinschlusses nur 1,09 %, weit niedriger als die Fall mit M-EMS aus.

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