电磁场对改善钢材质量的作用
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第
40卷 第
1期
2005年
1月钢 铁
IronandSteelVol.40,No.1
January2005
电磁场对改善钢材质量的作用
赫冀成
(东北大学
,辽宁沈阳
110004)
摘 要
:研究了电磁制动技术对结晶器内钢液流动及夹杂物迁移行为的作用
,以及电磁搅拌和电磁超声波对钢材
料凝固组织的影响。研究结果表明
,在恒稳电磁场作用下
,钢液内形成的与钢液流动相反的电磁力可有效地控制钢
液流动、稳定液面波动
,有利于夹杂物的去除
;在电磁搅拌和电磁超声波的作用下
,金属的凝固组织得到细化
,等轴
晶比率明显提高。计算了磁场对奥氏体铁素体及铁素体奥氏体平衡边界的影响
,磁场对相图的奥氏体铁素体界
限产生很大影响
,使其向高成分或高温度区域移动
;随成分不同
,磁场每增加
1
T,钢的
Ae
3温度升高
2～
3℃。研究
了电场奥氏体化对中碳合金钢
40
MnMoV性能的影响
,与常规工艺处理样品相比
,电场奥氏体化可使其硬度值升
高
,且冲击性能和拉伸性能的指标都有所提高。
关键词
:电磁制动
;电磁搅拌
;电磁超声波
;电磁热处理
;流体流动
;凝固组织
;连铸
;数值计算
中图分类号
:
TF7771
3 文献标识码
:
A 文章编号
:04492
749
X(
2005)
012
00242
07
ImprovingSteelQualitybyElectromagneticField
HEJi2
cheng
(
NortheasternUniversity,
Shenyang110004,
China)
Abstract:
Theflowofmoltensteelandmovementofinclusionsinthemoldwithelectromagneticbraking,
and
influenceofelectromagneticstirringandelectromagneticultrasonicwavesonthesolidificationstructureofbillet,
wereinvestigated,
theresultsshowthattheflowofmoltensteeliseffectivelycontrolledbytheopposite
electromagneticforce,
andtheliquidsurfaceissteady,
thatisbeneficialtotheremovalofinclusions1
The
solidificationstructureisrefinedandtheratioofequiaxialzoneisapparentlyincreased1
Thecalculatedeffectof
magneticfieldsonequilibriumofaustenite
ferriteandferrite
austenitephaseboundariesshowsthatmagneticfield
makestheboundariesmovetothehighercarboncontentorhighertemperatureside1
The
Ae
3temperaturecanbe
raisedby22
3℃
peronetesladependingonthecarboncontent1
Moreover,
theinfluenceofaustenitizationunder
electricfieldonthemechanicalpropertiesof40
MnMoVsteelwasinvestigated,
theresultsshowthatthesamples
heat2
treatedunderelectricfieldhashighermicrohardness,
impactductilityandtensilestrength1
Keywords:electromagneticbrake;electromagneticstirring;electromagneticultrasonicwaves;heattreatment
underelectromagneticfield;
fluidflow;
solidificationstructure;
continuouscasting;
numericalsimulation
近年来
,超级钢的开发成为国际上广泛研究的
课题。电磁场作为一种改善钢材料质量的有效手段
,
得到广泛重视。采用电磁流体流动控制(电磁制动)
技术可以有效控制结晶器内钢液流动状态
,去除夹
杂物
,净化钢液。采用电磁搅拌技术[1]
和超导强磁场可以改善铸坯的凝固组织及溶质分布
,提高等轴晶
比率。在材料热处理过程中施加电磁场可以影响固
相转变过程
,提高材料的组织性能。本文就电磁场对
提高钢材料的组织和性能的作用进行了数值模拟和
实验研究。
1 铸坯凝固过程中电磁场的作用
11
1 多物理场的耦合数值计算利用自行开发的电磁制动数学模型及其计算软
件[2]
,进行了实现复杂结构电磁装置中的封闭磁路
计算以及结晶器内恒稳磁场、钢液流场、温度场和凝
固的耦合数值计算。在三维流场、电磁场计算程序中
引入粒子动量方程
,对结晶器内夹杂物的迁移行为进行了数值模拟。
11
11
1 板坯流动控制磁路的磁场计算
由计算的磁路分布(图
1)可见
,磁力线在水平
面上形成基本封闭的回路
,磁感应强度在铁芯处较
大
;磁场在铸坯所在中间区域的分布比较均匀
,而在
与连铸坯接触的边缘处存在漏磁
;在铁芯的厚度方
向上
,磁感应强度表现为中间均匀
,两边逐渐发散。
因此
,在设计磁场时
,为了保证铸坯断面上磁场的均
作者简介
:赫冀成(
19432)
,男
,博士
,教授
;
E-mail:hejc@mail.neu.edu.cn; 修订日期
:20042
042
26
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,应使磁铁的宽度略宽于板坯的宽面。
全幅二段电磁制动中的双条形磁铁的磁场在垂
直面上形成基本封闭的回路
,且在上下磁铁之间的
板坯区域内
,垂直方向的漏磁占主导地位(图
2)。
11
11
2 流动控制结晶器内钢液流动和凝固的模拟
在无磁场作用时
,结晶器内的钢液流动呈现上
下两个回流区(图
3(
a))
,上回流区带动弯月面及附
近钢液的流动
,造成弯月面处的不稳定性;下回流区
较大
,水口出流对窄面冲击严重。在有磁场作用时
,
水口出流的速度受到抑制
,对窄面凝固壳的冲击减
小
,并在磁场作用区域以下形成了活塞流(图
3(
b)、
(
c))。正是在电磁制动条件下形成的与钢液流动方
向相反的电磁力产生了电磁制动效果(图
4)。
(
a)装置截面
;(
b)磁场分布
图
1 流动控制装置及磁场分布图
Fig1
1
Magneticdeviceanddistributionofmagneticflux
(
a)装置截面
;(
b)磁场分布
图
2 全幅二段制动磁路装置
Fig1
2
MagneticdeviceofFC 在电磁制动条件下可以显著降低弯月面处钢液
速度
,使弯月面更为稳定
,有利于防止弯月面处的卷
渣现象
,且全幅二段电磁制动的效果明显优于全幅
一段(图
5)。
垂直中心剖面的钢液温度场分布表明(图
6)
,
电磁制动使回流区长度缩短
,入口附近高温钢液横
向流动
,加强了高温钢液与低温钢液的混合
,扩大了
入口附近高温钢液区域的范围
,使弯月面附近钢液
的温度提高
,同时降低了高温区域钢液的温度梯度
,
有利于等轴晶凝固组织的形成。
由垂直中心剖面凝固壳厚度曲线如图
7所示。
单方向恒稳磁场的作用使钢液在两个不同的方坯中
心垂直截面上表现为不同的流动和凝固特性。在与
磁场相平行的截面上
,高温钢液的横向流动作用较
强
,凝固壳总体上变薄
;与磁场相垂直的截面上
,高
温钢液的横向流动弱于前者
,上部凝固壳稍微变薄
,
下部凝固壳变厚。
11
11
3 流动控制结晶器内夹杂物迁移行为的模拟
在无磁场作用时
,非金属夹杂物的运动轨迹较
为复杂
,运动路径较长
,不利于上浮(图
8)。电磁制
动缩短了非金属夹杂物在结晶器内的运动路径。在
合适的磁场位置条件下
,可促进非金属夹杂物的上
浮(图
9)。全幅二段电磁制动和全幅一段电磁制动
控制钢液内部非金属夹杂物的上浮
,具有不同的效
果(图
9、
10)。对于同样可以上浮的粒子
,前者可以
使得粒子上浮的路径更短
;板坯厚度方向上
,对于初
始位置远离出口中心的粒子
,前者使得上浮数量更
多
,对于初始位置接近出口中心的粒子
,上浮数量则
(
a)无电磁制动
;(
b)全幅一段电磁制动
;(
c)全幅二段电磁制动
图
3 流场分布
Fig1
3
Flowfield・
52・第
1期 赫冀成
:电磁场对改善钢材质量的作用
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