大方坯末端電磁攪拌試驗研究

羅建華，朱曉雷，郭慶濤，寧東，陳志威（.鞍鋼股份有限公司煉鋼總廠，遼寧鞍山40；.鞍鋼集團鋼鐵研究院，遼寧鞍山4009）

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大方坯末端電磁攪拌試驗研究

羅建華1，朱曉雷2，郭慶濤2，寧東1，陳志威1
（1.鞍鋼股份有限公司煉鋼總廠，遼寧鞍山114021；2.鞍鋼集團鋼鐵研究院，遼寧鞍山114009）

摘要：對280mm×380mm大方坯連鑄凝固末端的最佳電磁攪拌頻率進行了模擬。結果表明，在拉坯速度為0.7m/min的條件下，凝固末端的最佳攪拌頻率為4～8 Hz。在此范圍內，隨著頻率的增加，液芯處的最大磁感應強度逐漸降低，最大電磁力逐漸增加。工業生產結果也表明，此頻率范圍的應用明顯減輕了C元素的偏析程度。

關鍵詞：大方坯；電磁攪拌；頻率；數值模擬

羅建華，碩士，高級工程師，2008年畢業于遼寧科技大學鋼鐵冶金專業。E-mail：zxlzxl2005@126.com

連鑄過程中，鑄坯內固-液界面前沿的流動是影響凝固組織的一個重要因素。電磁攪拌在控制和改善固-液界面前沿鋼液流動、擴大等軸晶區、細化晶粒、提高鑄坯表面和內部質量等方面都發揮著不可替代的作用。鑄坯的內部缺陷主要是縮孔、疏松和成分偏析等。疏松和縮孔形成的主要原因是凝固過程中固態組織的體積隨著溫度的降低而縮減，在鑄錠最后凝固部位補縮通道受阻，補縮不充分而形成的。抑制疏松縮孔的形成，一方面可以通過改變凝固條件實現，另一方面，采用電磁攪拌是很好的選擇。然而，電磁攪拌過強會促進凝固前沿溶質交換，致使偏析嚴重。目前，有人認為白亮帶主要是由于電磁攪拌過強造成的，還有認為白亮帶主要是由于C、Si元素負偏析所致。但有研究認為電磁攪拌可改善鑄坯的中心偏析，卻同時伴有帶狀偏析生成。對電磁攪拌作用下宏觀偏析的形成機理進行分析后提出了具體的電磁攪拌參數，通過試驗來改善鑄坯的中心偏析［1-5］。

基于以上研究，電磁攪拌對偏析的改善作用不可忽視，但是負作用要控制到最低，所以，在新設備和新鋼種上，有必要對其影響行為進行模擬和實際的對比，找出最佳的電磁攪拌參數。

鞍鋼股份有限公司煉鋼總廠新投入了用于大方坯凝固末端的電磁攪拌設備，方坯斷面為280mm×380mm，該機主要生產普碳鋼、低合金鋼以及硬線鋼等品種。針對電磁攪拌對偏析的影響，有必要對電磁攪拌的工藝參數進行分析和優化，以適用于不同鋼種的攪拌需求。本文針對LX80A鋼，結合數值模擬結果確定最佳參數并投入使用。

1　模擬研究

在良導電媒質的似穩場中各物理量之間滿足電磁場的基本方程Maxwell方程組。假定交變電磁場中各物理量均為正弦波，則：

介質中的歐姆定律為：

式中，E為電場強度，V/m；B為磁感應強度，T；H為磁場強度，A/m；J為電流密度，A/m2；μ為熔體磁導率，H/m；σ為熔體電導率，S/m。

1.1數學模型及邊界條件

模擬過程模型的具體尺寸見表1。模擬過程中材料的具體參數見表2。

表1　模擬過程中模型的主要尺寸參數　m

表2　模擬過程參數設定

圖1為模擬時所建的模型。模擬過程進行如下假設：熔體密度為常數［6］；液相為不可壓縮的牛頓流體；熔體流動對電磁場的影響被忽略；熔體流動狀態為紊流［7］。

在電磁場模擬中設置空氣表面為磁力線平行邊界，流場模擬中，在流體表面設置為無滑移邊界，在初始階段流體處于靜止狀態，選取液態鋼作熔體，磁軛材質為硅鋼。在當前的模擬中，選擇了單相流，為了簡化計算，忽略熱對流對流動的影響及流動對磁場的影響。

圖1　模擬過程所建模型

1.2模擬結果

模擬前對空載時該電磁攪拌設備的磁感應強度進行實際的測量，頻率為8 Hz。在模擬過程中使用面電流進行加載。經過計算，在線圈輸入電流為0.36 A/mm2時，空載時線圈中部磁感應強度為700 Gs。因而，按照相同比例，分別計算了面電流密度為0.288 A/mm2和0.216 A/mm2時的結果，與試驗結果進行了對比，結果如表4。

表4　模擬與實際測試的磁感應強度比較

通過對比發現，線圈輸入0.36 A/mm2電流時中心產生的磁感應強度與設備輸入500 A電流時實測的磁感應強度相當接近。進而采用該電流載荷模擬了有載時的情況，鑄坯內磁感應強度分布及液芯處電磁力矢量分布分別如圖2（a）和（b）所示。在8 Hz時液芯處磁感應強度達到470 Gs。

假設在攪拌器高度范圍內（0.65m）液芯受到有效的電磁攪拌，拉坯速度按照0.7m/min計算，則液芯經過攪拌器的時間為56 s。模擬計算過程中，鑄坯鋼液橫截面上的流速從靜止開始，經過56 s的電磁攪拌作用后，不同頻率時液芯內的鋼水流速場矢量分布見圖3所示。

從圖3中可以看出，液芯鋼水的最大流速隨著頻率的增大而增加。頻率為8 Hz時鋼水的主要流速為2.15～3.76 cm/s，并且接近寬邊處的流速要大于窄邊的流速。

圖2　鑄坯內磁感應強度及液芯處電磁力矢量分布

圖3　不同頻率時液芯鋼水流速場矢量分布

表5統計了4、6和8 Hz時模擬計算的鑄坯液芯處的最大磁感應強度、最大電磁力以及最大流速。從表5可以看出，隨著頻率的增加，液芯處的最大磁感應強度逐漸降低，而最大電磁力逐漸增加，這同樣也使得鋼水的最大流速逐漸增加。8 Hz鋼水的最大流速比4 Hz時提高了約30％。

表5　最大的磁感應強度、電磁力和流速對比

2　試驗結果及分析

2.1試驗過程

LX80A鋼的射釘試驗結果表明，在拉速為0.70m/min，中包過熱度為30℃，比水量為0.3 L/kg的條件下，距離彎月面15m處，380mm方向液相區寬度約為91mm。試驗中設計了4 Hz（標記為1#試樣）、7 Hz（標記為2#試樣）及無電磁攪拌（標記為3#試樣）三種情況，分別對鑄坯的中心疏松縮孔、元素分布進行了對比分析。LX80A鋼的典型成分如表6所示。

表6　LX80A鋼的典型成分（質量分數）　％

2.2試驗結果及分析

取回3塊試驗的大方坯坯樣進行化學檢驗。大方坯280mm×380mm，長度約300mm，從寬邊中部（380mm）縱拋開，所以現有體積為280mm ×190mm×300mm。鑄坯現尺寸及取樣截面如圖4所示。圖5為取樣截面上具體取點位置及編號。

圖6為鑄坯不同位置處C元素的分布情況。圖6（a）中顯示的是鑄坯寬面中線上的C元素分布，從圖6（a）中看出C偏析不大。圖6（b）為鑄坯窄面中線上C元素的分布，3#鑄坯上C元素分布波動較大。偏析指數計算方法為該點的C含量與所有檢測點C含量平均值的比值。經計算，C偏析指數為0.99～1.15。圖6（c）為拉坯方向上的C元素分布，2#和3#鑄坯的C偏析指數較高，分別為0.97～1.11和1.04～1.12。綜合圖6（a）、（b）、（c）3個圖可以看出3個試樣所有位置處的C元素對比情況，即只有1#鑄坯內C元素的分布波動不大，2#和3#鑄坯C元素分布波動明顯。

表7為鑄坯碳元素偏析結果統計。表7中窄面為圖5中1到5點的位置的C偏析范圍，寬面顯示5到10點位置處C元素偏析范圍，拉坯方向為圖4中11到16點的C元素偏析程度。

從試驗結果可以看出，施加電磁攪拌的鑄坯內C元素偏析程度要弱于無電磁攪拌的鑄坯，這主要是因為施加電磁攪拌后，電磁推動力促進了液芯的傳質和傳熱，降低液芯的溫度梯度，因而有利于糊狀區的形成，促進液芯在短時間內同時凝固。但對于中低碳鋼，過強的電磁攪拌會促進溶質交換，使負偏析嚴重，因而需要綜合考慮，凝固末端為了減少和抑制中心偏析和疏松縮孔，可以再適當降低頻率。

圖4　鑄坯現尺寸及取樣截面

圖5　取樣截面上的取樣點位置及編號

圖6　鑄坯不同位置處C元素的分布情況

表7　不同攪拌電流及頻率下C元素偏析指數對比

3　結論

（1）數值模擬結果表明，電磁攪拌頻率為8 Hz時，在液芯處磁感應強度達到563 Gs時，液芯的最大流速約3.76 cm/s，隨著頻率的降低，液芯處磁感應強度逐漸增加，但電磁力逐漸降低，液芯鋼水的最大流速也逐漸降低。

（2）根據鑄坯取樣結果的C元素分布情況得出結論，拉速為0.7m/min的LX80A鋼電磁攪拌工藝參數應為4 Hz、520 A。

參考文獻

［1］Wang Xiaodong，Li Tingju，Jin Junze.Reserach on feeding mechanism during metal solidification under rotating electromagnetic field［J］.Journal of Materials Engineering，2001（11）：9-12.

［2］紀振雙，姚留枋，唐仲和.電磁攪拌作用下鑄坯宏觀偏析的研究［J］.鋼鐵研究學報（增刊），1992（4）：9-14.

［3］紀振雙，姚留枋，唐仲和，等.連鑄過程采用電磁攪拌時的負偏析帶的形成機理［J］.鋼鐵研究學報，1993，5（2）：9-16.

［4］趙航，李錚.連鑄鋼坯上白亮帶的形成機制［J］.鋼鐵研究學報，2000，12（1）：71-72.

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［6］Liu Yongcai，Dost Sadik，Brain Lent，et al.A three-dimensional numerical simulation model for the growth of CdTe single crystals by the travelling heater method under magnetic field［J］.Journal of Crystal Growth，2003（3）：285-297.

［7］T.T.Natarajan，Nagy El -kaddah.Finite element analysis of electromagnetic and fluid flow phenomena in rotary electromagnetic stirring of steel［J］.Applied Mathematical Modelling，2004（1）：47-61.

（編輯許營）

修回日期：2016-01-12

Experimental Study on Final Electromagnetic Stirring for Casting Blooms

Luo Jianhua1，Zhu Xiaolei2，Guo Qingtao2，Ning Dong1，Chen Zhiwei1
（1.General Steelmaking Plant of Angang Steel Co.，Ltd.，Anshan 114021，Liaoning，China；2.Iron & Steel Research Institutes of Ansteel Group Corporation，Anshan 114009，Liaoning，China）

Abstract：The simulation experiment on the optimal frequency of electromagnetic stirring for casting 280mm×380mm blooms at the end of solidification was carried out.The experimental results show that the optimal frequency of electromagnetic stirring at the end of solidification is in the range from 4 Hz to 8 Hz on condition that the casting speed is 0.7 meters per minute.In this range the maximum magnetic induction at liquid core decreased gradually while the maximum electromagnetic force increased gradually as the frequency increased.According to the industrial practice the degree of segregation due to the carbon in steel is obviously declined in casting in the above-mentioned frequency limit.

Key words：bloom；electromagnetic stirring；frequency；numerical simulation

中圖分類號：TF704

文獻標識碼：A

文章編號：1006-4613（2016）03-0019-04