Numerische und experimentelle Studie zum Erstarrungsgefüge beim Gießen von Fe-Cr-Ni-Stahlbrammen durch elektromagnetisches Walzenrühren

Abstrakt:Wir präsentieren ein segmentiertes Kopplungsmodell für den Brammenguss durch Walzenelektromagnetisches Rühren(In-Roll-EMS) des elektromagnetischen, Strömungs-, Wärmeübertragungs- und Erstarrungsverhaltens basierend auf Magnetohydrodynamik und Erstarrungstheorie.Mit Ansoft Maxwell und der Software ANSYS Fluent wurde ein dreidimensionales (3-D) segmentiertes Kopplungsmodell erstellt, das elektromagnetische, Strömungs- und Wärmeübertragungselemente umfasst.Die Auswirkungen des Walzenmantels, des magnetischen Abschirmrings, der Spule, des Kerns, des geschmolzenen Stahls und der Luftdomäne auf die elektromagnetischen, thermischen und Strömungsfelder wurden numerisch untersucht.Die Genauigkeit des Modells wurde durch Messung der magnetischen Flussdichte an der Mittellinie in einem Rollenpaar und der elektromagnetischen Kraft der Kupferplatte überprüft.Basierend auf den numerischen Ergebnissen der optimalen technischen Parameter wurde der Einfluss des IN-ROLL EMS auf die Erstarrung von Fe–17 Gew.-% Cr–0,6 Gew.-% Ni-Edelstahl untersucht.Die Ergebnisse zeigten, dass mit jedem zusätzlichen Paar elektromagnetischer Rollen die durchschnittliche elektromagnetische Kraft um 2969 N/m . zunahm³in Gießrichtung und 5600 N/m³im mittleren Bereich der Rollen.Mit zunehmender Anzahl von Walzenpaaren nahm der wirksame Rührbereich zu, und die Geschwindigkeit der Stahlschmelze an der Erstarrungsfront nahm zunächst zu, nahm dann aber ab.Der starke elektromagnetische Wirbelwascheffekt reduzierte die Erstarrungsgeschwindigkeit des Brammenmantels und förderte die überhitzte Ableitung der Stahlschmelze im Zentrum des Strangs.Mit zwei Paaren IN-ROLL EMS-Walzen und elektromagnetischen Parametern von 400 A/7 Hz wurde das Mittengleichachsen-Kristallverhältnis der Bramme auf 69 % verbessert und Produktqualität.

Schlüsselwörter:elektromagnetisches Walzenrührwerk (IN-ROLL EMS);Fe–17 Gew.% Cr–0,6 Gew.% Ni-Stahl;Erstarrungsstruktur;Anzahl der Rollenpaare;WascheffektAbstrakt:Wir präsentieren ein segmentiertes Kopplungsmodell für das Brammengießen durch elektromagnetisches Walzenrühren (In-Roll-EMS) des elektromagnetischen, Strömungs-, Wärmeübertragungs- und Erstarrungsverhaltens basierend auf Magnetohydrodynamik und Erstarrungstheorie.Mit Ansoft Maxwell und der Software ANSYS Fluent wurde ein dreidimensionales (3-D) segmentiertes Kopplungsmodell erstellt, das elektromagnetische, Strömungs- und Wärmeübertragungselemente umfasst.Die Auswirkungen des Walzenmantels, des magnetischen Abschirmrings, der Spule, des Kerns, des geschmolzenen Stahls und der Luftdomäne auf die elektromagnetischen, thermischen und Strömungsfelder wurden numerisch untersucht.Die Genauigkeit des Modells wurde durch Messung der magnetischen Flussdichte an der Mittellinie in einem Rollenpaar und der elektromagnetischen Kraft der Kupferplatte überprüft.Basierend auf den numerischen Ergebnissen der optimalen technischen Parameter wurde der Einfluss des IN-ROLL EMS auf die Erstarrung von Fe–17 Gew.-% Cr–0,6 Gew.-% Ni-Edelstahl untersucht.Die Ergebnisse zeigten, dass mit jedem zusätzlichen Paar elektromagnetischer Rollen die durchschnittliche elektromagnetische Kraft um 2969 N/m . zunahm³in Gießrichtung und 5600 N/m³im mittleren Bereich der Rollen.Mit zunehmender Anzahl von Walzenpaaren nahm der wirksame Rührbereich zu, und die Geschwindigkeit der Stahlschmelze an der Erstarrungsfront nahm zunächst zu, nahm dann aber ab.Der starke elektromagnetische Wirbelwascheffekt reduzierte die Erstarrungsgeschwindigkeit des Brammenmantels und förderte die überhitzte Ableitung der Stahlschmelze im Zentrum des Strangs.Mit zwei Paaren IN-ROLL EMS-Walzen und elektromagnetischen Parametern von 400 A/7 Hz wurde das Mittengleichachsen-Kristallverhältnis der Bramme auf 69 % verbessert und Produktqualität.

1.Einführung

Nickel sparende Edelstahllegierungen wie Fe–17 Gew.% Cr–0,6 Gew.% Ni haben bei Raumtemperatur und hohen Temperaturen eine Ferritstruktur, die dazu führt, dass sie während der Erstarrung leicht säulenförmige Kristalle mit einem sehr geringen Anteil an gleichachsigen Kristallen im Stahl entwickeln Gussteile.Die säulenförmige Kristallstruktur weist beim anschließenden plastischen Bearbeitungsverfahren eine offensichtliche Anisotropie auf, die aufgrund der schlechten Tiefziehfähigkeit wahrscheinlich zu faltenartigen Defekten in Plattenprodukten führt.Die Kontrolle der Gussstruktur und die Erzielung eines hohen Anteils an gleichachsigen Kristallen während des Stranggussverfahrens (CC) ist wichtig, um die anschließende Warmbearbeitungsleistung und -qualität des Produkts zu verbessern;dies war schon immer ein zentrales thema für die stahlindustrie.

IN-ROLL EMS kann die normale Andruckrolle in der CC-Maschine durch andere Rollenpaare ersetzen.Unterschiedliche Anordnungen der Rollen in den Segmenten haben unterschiedliche Magnetfeldverteilungen, EMF-Bereiche und Fließmuster des geschmolzenen Stahls.In Anbetracht der Bedeutung des metallurgischen Verhaltens in der SCZ eines Brammengusses im Hinblick auf die Kontrolle der inneren Qualität des Strangs hat ein gekoppeltes Modell des dreidimensionalen (3-D) elektromagnetischen, Strömungs-, Wärmeübertragungs- und Erstarrungsverhaltens in der SCZ wurde in dieser Studie entwickelt.

Die magnetische Flussdichte wurde unter Verwendung eines LakeShore Digital Signal Processing Mode Tesla Meter 475 (Zhongke Electric, Hunan, China) gemessen.Die EMF wurde mit einem im eigenen Haus hergestellten Schubmesser getestet, wie in Abbildung 3 dargestellt.

Figur 3.Kupferplatten-Messmethode: (a) Strukturdiagramm;(b) physisches Gerätediagramm.

Die wichtigsten chemischen Bestandteile des Stahls Fe–17 Gew.% Cr–0,6 Gew.% Ni sind in Tabelle 2 aufgeführt.

Figur 4.Probenzuschnitt aus Brammenguss für die metallographische Analyse.

3. Ergebnisse und Diskussion

3.1.Analyse des elektromagnetischen Feldes

Abbildung 5a zeigt einen Vergleich der berechneten und gemessenen Werte der magnetischen Flussdichte und Abbildung 5b zeigt die EMK auf der Mittellinie der breiten Oberfläche mit einem Rollenpaar.Die gemessenen und berechneten Werte der magnetischen Flussdichte auf der Mittellinie der Walze und der EMF der Kupferplatte stimmen ungefähr überein, was die Zuverlässigkeit des Modells auf einem akzeptablen Niveau bestätigt.Abbildung 5b zeigt, dass die EMF mit zunehmender Frequenz schnell anstieg und dann langsam abnahm, und die größte EMF eines Walzenrührerpaares wurde bei einer Frequenz von 9 Hz erhalten.

Abbildung 5.Vergleich von gemessenen und berechneten Werten auf der Mittellinie der Breitseite des Rollenpaares: (a) Magnetflußdichte, (b) elektromagnetische Kraft.

Abbildung 6a–c zeigt die Verteilung der magnetischen Flussdichte auf der Oberfläche der Platte für eine Stromstärke von 400 A und eine Frequenz von 7 Hz bei einem Paar, zwei Paaren bzw. drei Paaren, in denen die wirksame Fläche der magnetischen Flussdichte nahm mit steigender Rollenzahl zu.Das Wanderwellenmagnetfeld hatte eine bestimmte Richtung, die einen Endeffekt erzeugte, was zu einer größeren magnetischen Flussdichte auf der Schubseite (rechte Seite des Strangs in Abbildung 6) als auf der Startseite (linke Seite des Strangs in Abbildung 6) führte ).

Abbildung 6.Kontur der magnetischen Flussdichte auf der Oberfläche des Stativs mit (a) ein Paar, (b) zwei Paare und (c) drei Rollenpaare.

Bild 7a zeigt die Verteilung der EMK entlang der Mittellinie in Gießrichtung bei unterschiedlicher Anzahl von Walzenpaaren bei einem Strom von 400 A und einer Frequenz von 7 Hz und Bild 7b zeigt die Verteilung der EMK entlang der Mittellinie der Walzen in die weite Richtung.Für ein, zwei und drei Walzenpaare betrug die maximale EMF auf der Mittellinie der Bramme entlang der Gießrichtung 12.090, 18.573 und 21.229 N/m³, und die durchschnittliche EMF betrug 2023, 5066 und 7962 N/m³, bzw.Die maximale EMF auf der Mittellinie der breiten Oberfläche für jedes Walzenpaar betrug 12.354, 18.084 und 22.874 N/m³, und die durchschnittliche EMF betrug 10.247, 15.730 und 21.336 N/m³, bzw.Das Kraftmaximum lag auf der Schubseite der Bramme und die EMF der Stahlschmelze nahm mit zunehmender Anzahl der Walzenpaare zu.

Abbildung 7.Verteilung der inneren elektromagnetischen Kraft im Strang bei unterschiedlicher Rollenanzahl (a) entlang der Mittellinie in Gießrichtung, (b) entlang der Mittellinie der Rollen in Breitrichtung.

Abbildung 8a zeigt die Verteilung der EMK in Gießrichtung unter zwei Walzenpaaren bei unterschiedlichen Frequenzen und Abbildung 8b zeigt die Verteilung der EMK in Gießrichtung unter den beiden Walzenpaaren bei unterschiedlichen Strömen.Die Verteilung der EMF zeigt an, dass sie an beiden Enden klein, in der Mitte groß und gleichmäßig zwischen den Walzen verteilt war.Die maximale EMF in der Mitte des Strangs stieg von 4750 auf 19.000 N/m³als die Stromstärke von 200 auf 400 A anstieg. Außerdem sank die maximale EMF in der Mitte des Strangs von 20.838 auf 17.995 N/m³wenn die Frequenz von 4 auf 8 Hz erhöht wurde.Der Strang zeigte eine gewisse magnetische Leitfähigkeit, wenn die magnetischen Induktionslinien von der Luft in den Strang abwichen, sich an einer Stelle zusammenballten und eine magnetische Abschirmung bildeten.Der Unterschied im magnetischen Fluss zwischen dem Inneren und den Kanten des Strangs führte zu einer ungleichmäßigen Verteilung des induzierten Stroms, der sich hauptsächlich auf der Oberfläche der Bramme konzentrierte, ein Phänomen, das als \"Skin-Effekt\" bekannt ist.Dieser Effekt führt zu einer Verringerung der Durchdringung des Magnetfeldes bei höheren Frequenzen [17].Es zeigt sich, dass die erstarrte Hülle mit einer gewissen elektrischen Leitfähigkeit eine gewisse Abschirmwirkung auf das Magnetfeld hat und daher die zentrale magnetische Induktionsintensität mit steigender Stromfrequenz leicht abnimmt.

Abbildung 8.Verteilung der elektromagnetischen Kraft in Gießrichtung unter den beiden Walzenpaaren bei (a) verschiedene Frequenzen und unter (b) verschiedene Ströme.

3.2.Analyse des Fließ- und Erstarrungsverhaltens

Abbildung 9a zeigt die Geschwindigkeitsverteilung entlang der Mittellinie in Gießrichtung auf der Kennlinie von geschmolzenem Stahl mit einer anderen Anzahl von Walzenpaaren und 9b zeigt die Geschwindigkeitsverteilung entlang der Mittellinie der Walzen in der breiten Richtung.Eine Erhöhung der Walzenzahl führte zu einer Erhöhung des lokalen Volumens der EMF auf dem Strang, und die EMF war die treibende Kraft des Flusses von geschmolzenem Stahl zum Waschen der Erstarrungsfront in der SCZ.Der effektive Waschgeschwindigkeitsbereich – definiert als der Bereich, in dem die Fließgeschwindigkeit größer als die Gießgeschwindigkeit ist – der Erstarrungsfront entlang der Gießrichtung betrug 4,0–4,35 m, 3,8–4,35 m und 3,6–4,35 m für eins, zwei und drei Walzenpaare, und die maximale Waschgeschwindigkeit betrug 0,7, 0,8 bzw. 0,76 m/s.Zhanget al.[18] fanden heraus, dass der Hochgeschwindigkeitsstrahl aus den Seitenlöchern zu einer größeren Turbulenzzone in der Formzone und einem Teil der SCZ führen kann.Obwohl die EMF von zwei Walzenpaaren niedriger ist als die der drei Walzenpaare, liegt der Waschbereich der beiden Walzenpaare weiter unten, was eine geringere turbulente kinetische Energieintensität im versetzten Formbereich hinterlässt.So hat der Strang bei zwei Walzenpaaren eine größere maximale Waschgeschwindigkeit als bei drei Walzenpaaren.Abbildung 8b zeigt, dass die maximale Strömungsgeschwindigkeit bei unterschiedlicher Anzahl von Walzenpaaren auf einer Seite des Stranges verteilt wurde.Die Strömungsgeschwindigkeit auf der Schubseite der EMF war größer als auf der Startseite, was in etwa mit den Bewegungseigenschaften des Wanderwellenmagnetfeldes übereinstimmt.

Abbildung 9.Geschwindigkeitsverteilung bei unterschiedlicher Rollenanzahl (a) entlang der Mittellinie in Gießrichtung und (b) entlang der Mittellinie der Rollen in Breitrichtung.

Abbildung 10a–d zeigt die Temperaturverteilung und die Stromlinie der Stahlschmelze auf der Mittelfläche der Schmalseite in der Bramme mit 0–3 Rollenpaaren.Die EMF bewirkte, dass sich die Stahlschmelze von einer Seite der schmalen Oberfläche zur anderen bewegte, und die Kontinuität der Strömung zur schmalen Erstarrungsfront führte zur Bildung eines oberen und unteren Kreislaufs der Stahlschmelze, was zu einem einheitlichen Kern führte Temperatur und Mischung der Platte.Mit zunehmender Anzahl von Walzenpaaren führte der Bereich des Stahlschmelzenflusses am sich erweiternden Querschnitt und der forcierte Wärmeaustausch zwischen der zentralen Hochtemperatur-Stahlschmelze und dem erstarrten Mantel zu einer größeren Niedertemperaturzone im Zentrum des Strand.Nach der Erstarrungstheorie ist eine niedrigere Temperatur der zentralen Stahlschmelze der Bildung von Keimbildungspartikeln förderlicher.Xuet al.wies darauf hin [19], dass das Waschen von geschmolzenem Stahl gegen die Erstarrungsfront das \\"Schmelzen\\" des Dendritenarms verursachen kann, um Keimbildungspartikel für die Bildung gleichachsiger Kristalle bereitzustellen, was letztendlich das zentrale gleichachsige Kristallverhältnis des Strangs erhöht.

Abbildung 10.Temperaturverteilung und Strömung auf der schmalen Mittelfläche des Stranges mit (a) Nullpaare, (b) ein Paar, (c) zwei Paare und (d) drei Rollenpaare.

Bild 11a zeigt den Verlauf des erstarrten Mantels an der Startseite entlang der Gießrichtung in der Mitte der Schmalseite für den Strang bei unterschiedlicher Anzahl von Rollenpaaren und Bild 11b zeigt die Änderung der Manteldicke an der Druckseite entlang der Gießrichtung in der Mitte der Schmalseite für den Strang mit unterschiedlicher Anzahl von Walzenpaaren.Die Erstarrungsfront wird als der Ort betrachtet, an dem der Flüssigphasenanteil 0,3 beträgt.Für null, eins, zwei und drei Walzenpaare betrug die Dicke des erstarrten Mantels am Ausgang des Berechnungsbereichs 42,37, 40,96, 40,14 bzw. 38,43 mm auf der Startseite des EMF bzw. 42,37, 42,27 , 37,62 bzw. 37,60 mm auf der Schubseite des EMF.Der Hochgeschwindigkeitsstrom von geschmolzenem Stahl strömt zur Erstarrungsfront und unterbricht einige der säulenförmigen Kristalle, was zu einem langsamen Wachstum der erstarrten Schale im Rührbereich führt.Die Erstarrungsrate auf der elektromagnetischen Schubseite war deutlich geringer als auf der Startseite, was grob mit den Eigenschaften des Wanderwellenmagnetfelds übereinstimmt.

Abbildung 11.Verteilung der Schalendicke an der schmalen Mittenfläche der Litze auf der (a) Startseite und (b) Schubseite.

3.3.Experimente zur Erstarrungsstruktur von IN-ROLL EMS

In den Experimenten zur Kontrolle der Erstarrungsstruktur durch IN-ROLL EMS wurden zwei Walzenpaare für das Gießen von Fe–17 Gew.-% Cr–0,6 Gew.-% Ni-Stahlbrammen ausgewählt.Die halbfeste Zone in der Mitte der Bramme war bei Verwendung von zwei Walzenpaaren größer als bei Verwendung eines Walzenpaares.Obwohl die EMF kleiner war als bei Verwendung von drei Paaren, war die Waschgeschwindigkeit der Erstarrungsfront bei zwei Paaren größer als bei drei Paaren, was für die Bildung gleichachsiger Kristalle im Strang günstig war.Außerdem sind die Instrumentierungskosten und der Stromverbrauch geringer, wenn zwei Walzenpaare verwendet werden.Die beim Aus- und Einschalten des IN-ROLL EMS entstandenen Erstarrungsstrukturen der Bramme wurden während des Experiments verglichen, wie in Abbildung 12 dargestellt. Beim Ausschalten des IN-ROLL EMS war die Makrostruktur der Bramme im säulenförmiger Kristall, der mit den Eigenschaften von Fe–17 Gew.% Cr–0,6 Gew.% Ni-Stahl zusammenhängt.Ein Cr-Gehalt von mehr als 16% im Stahl führte zu einem Erstarrungsprozess ohne dieα→γPhasenübergangsprozess, wobei die Ferritstruktur erhalten bleibt.Pang et al.[20] fanden heraus, dass es keinen Phasenübergang gibt, der die Entwicklung von säulenförmigen Kristallen während des Kornwachstums behindert;daher war die Korngröße grob und die chemischen Elemente neigten zur Entmischung, was die Produktqualität ernsthaft beeinträchtigen kann.Wenn das IN-ROLL EMS mit elektromagnetischen Parametern von 400 A und 7 Hz eingeschaltet wurde, verursachte die durch das Magnetfeld der Wanderwelle erzeugte EMF, dass der geschmolzene Stahl heftig floss und die säulenförmige Kristallfront spülte, um den Temperaturgradienten an der Erstarrungsfront zu reduzieren , das Wachstum von säulenförmigen Kristallen hemmt.Gleichzeitig kann die Hochgeschwindigkeitsströmung der Stahlschmelze den säulenförmigen Dendritenarm aufbrechen, um im zentralen Niedertemperaturbereich freie Keime zu bilden.Schließlich wurde das zentrale gleichachsige Kristallverhältnis des Strangs auf 69% erhöht.

Abbildung 12.Querschnitt von das Makrostruktur des Strangs im Gusszustand (a) ohne IN-ROLL EMS und (b) mit zwei Rollenpaaren für IN-ROLL EMS (bei 400 A und 7 Hz).

4. Schlussfolgerung

Hier wurde ein 3D-segmentiertes Kopplungsmodell für elektromagnetisches, Strömungs- und Wärmeübertragungsverhalten für den Brammenguss von Edelstahl erstellt.Die Auswirkungen von IN-ROLL EMS auf die Magnetfeldverteilung und das Erstarrungsverhalten wurden aufgezeigt und die optimalen technischen Parameter zur Kontrolle der Makrostruktur im Gusszustand von Stahl Fe–17 Gew.% Cr–0,6 Gew.% Ni wurden vorgestellt.Die wichtigsten Schlussfolgerungen sind wie folgt:

1. Die Charakteristik des magnetischen Wanderfeldes des IN-ROLL EMS in der SCZ erzeugt eine maximale EMF, die sich auf der Startseite des Brammenstrangs befindet.Für jedes zusätzliche Paar elektromagnetischer Walzen erhöht sich die durchschnittliche EMK in Gießrichtung um 2969 N/m³, und die durchschnittliche EMK im mittleren Bereich der Walzen erhöht sich um 5600 N/m³.

2. Mit zunehmender Anzahl von Rührwalzenpaaren wird die effektive Rührfläche der Stahlschmelze im Strang durch die EMF vergrößert, und die Geschwindigkeit der Stahlschmelze an der Erstarrungsfront nimmt zunächst zu und dann ab.Der Strömungswascheffekt der starken elektromagnetischen Kraft verringert die Erstarrungsgeschwindigkeit der lokalen Schale und beschleunigt die überhitzte Ableitung des geschmolzenen Stahlzentrums, was für die Bildung von gleichachsigen Kristallen vorteilhaft ist.

3. Durch die Verwendung von zwei Paar elektromagnetischer Walzen bei 400 A und 7 Hz kann im Brammenstrang von 200 mm × 1280 mm ein gleichachsiges Mittenkristallverhältnis von 69 % erreicht werden, was zur Verbesserung des Warmumformverhaltens beiträgt.

Es ist nicht erlaubt, diesen Artikel ohne die schriftliche Genehmigung des ursprünglichen Autors in irgendeiner Form zu verwenden, einschließlich Reproduktion oder Modifikation.