Un estudio numérico y experimental sobre la estructura de solidificación de la fundición de losas de acero Fe-Cr-Ni mediante agitación electromagnética de rodillos

Abstracto:Presentamos un modelo de acoplamiento segmentado para colada de losas por rodilloagitación electromagnética(EMS en rollo) de comportamiento electromagnético, de flujo, de transferencia de calor y de solidificación basado en la teoría de la solidificación y la magnetohidrodinámica.Se estableció un modelo de acoplamiento segmentado tridimensional (3-D) que incluía elementos electromagnéticos, de flujo y de transferencia de calor utilizando el software Ansoft Maxwell y ANSYS Fluent.Se estudiaron numéricamente los efectos de la camisa del rodillo, el anillo de blindaje magnético, la bobina, el núcleo, el acero fundido y el dominio del aire sobre los campos electromagnéticos, térmicos y de flujo.La precisión del modelo se verificó midiendo la densidad de flujo magnético en la línea central en un par de rodillos y la fuerza electromagnética de la placa de cobre.Con base en los resultados numéricos de los parámetros técnicos óptimos, se exploró el efecto del IN-ROLL EMS sobre la solidificación de acero inoxidable Fe-17% en peso Cr-0,6% en peso Ni.Los resultados indicaron que con cada par adicional de rodillos electromagnéticos, la fuerza electromagnética promedio aumentó en 2969 N / m³en la dirección de lanzamiento, y 5600 N / m³en la sección central de los rodillos.Con el aumento del número de pares de rodillos, la región de agitación efectiva aumentó y la velocidad del acero fundido en el frente de solidificación primero aumentó pero luego disminuyó.El fuerte efecto de lavado de remolino electromagnético redujo la tasa de solidificación de la cubierta de la losa y promovió la disipación sobrecalentada del acero fundido en el centro de la hebra.La relación de cristal equiaxial central de la losa se mejoró al 69% con dos pares de rodillos IN-ROLL EMS y parámetros electromagnéticos de 400 A / 7 Hz, lo que resultó beneficioso para obtener una estructura solidificada uniforme y densa para mejorar el posterior rendimiento del trabajo en caliente. y calidad del producto.

Palabras clave:rodillo de agitación electromagnética (IN-ROLL EMS);Fe – 17% en peso Cr – 0,6% en peso de acero Ni;estructura de solidificación;número de pares de rodillos;efecto de lavadoAbstracto:Presentamos un modelo de acoplamiento segmentado para la fundición de losas por agitación electromagnética de rodillos (In-roll EMS) de comportamiento electromagnético, de flujo, transferencia de calor y solidificación basado en la teoría de la solidificación y la magnetohidrodinámica.Se estableció un modelo de acoplamiento segmentado tridimensional (3-D) que incluía elementos electromagnéticos, de flujo y de transferencia de calor utilizando el software Ansoft Maxwell y ANSYS Fluent.Se estudiaron numéricamente los efectos de la camisa del rodillo, el anillo de blindaje magnético, la bobina, el núcleo, el acero fundido y el dominio del aire sobre los campos electromagnéticos, térmicos y de flujo.La precisión del modelo se verificó midiendo la densidad de flujo magnético en la línea central en un par de rodillos y la fuerza electromagnética de la placa de cobre.Con base en los resultados numéricos de los parámetros técnicos óptimos, se exploró el efecto del IN-ROLL EMS sobre la solidificación de acero inoxidable Fe-17% en peso Cr-0,6% en peso Ni.Los resultados indicaron que con cada par adicional de rodillos electromagnéticos, la fuerza electromagnética promedio aumentó en 2969 N / m³en la dirección de lanzamiento, y 5600 N / m³en la sección central de los rodillos.Con el aumento del número de pares de rodillos, la región de agitación efectiva aumentó y la velocidad del acero fundido en el frente de solidificación primero aumentó pero luego disminuyó.El fuerte efecto de lavado de remolino electromagnético redujo la tasa de solidificación de la cubierta de la losa y promovió la disipación sobrecalentada del acero fundido en el centro de la hebra.La relación de cristal equiaxial central de la losa se mejoró al 69% con dos pares de rodillos IN-ROLL EMS y parámetros electromagnéticos de 400 A / 7 Hz, lo que resultó beneficioso para obtener una estructura solidificada uniforme y densa para mejorar el posterior rendimiento del trabajo en caliente. y calidad del producto.

1.Introducción

Las aleaciones de acero inoxidable que ahorran níquel, como Fe-17% en peso de Cr-0,6% en peso de Ni, tienen una estructura de ferrita a temperatura ambiente y alta que hace que desarrollen cristales columnares fácilmente durante la solidificación con una proporción muy baja de cristal equiaxial en el acero. fundiciones.La estructura cristalina columnar tiene una anisotropía obvia en el proceso de trabajo del plástico posterior, lo que probablemente produzca defectos de tipo arruga en los productos de placa debido a una mala capacidad de estiramiento profundo.Controlar la estructura de colada y obtener una alta proporción de cristales equiaxiales durante el proceso de colada continua (CC) es importante para mejorar el rendimiento y la calidad del trabajo en caliente posterior del producto;este ha sido siempre un tema central para la industria del acero.

IN-ROLL EMS puede reemplazar el rodillo de arrastre normal en la máquina CC con diferentes pares de rodillos.Las diferentes disposiciones de los rodillos en los segmentos tendrán distribuciones de campo magnético variadas, áreas de EMF y patrones de flujo de acero fundido.Considerando la importancia del comportamiento metalúrgico en la SCZ de una fundición de losas con respecto al control de la calidad interna del torón, se ha elaborado un modelo acoplado de comportamiento electromagnético, de flujo, transferencia de calor y solidificación tridimensional (3-D) en la SCZ. desarrollado en este estudio.

La densidad de flujo magnético se midió usando un medidor Tesla 475 del modo de procesamiento de señales digitales LakeShore (Zhongke Electric, Hunan, China).El EMF se probó utilizando un medidor de empuje fabricado internamente, como se muestra en la Figura 3.

Figura 3.Método de medición de placa de cobre: ​​(a) Diagrama de estructura;(b) diagrama de dispositivo físico.

Los principales componentes químicos del acero Fe-17% en peso Cr-0,6% en peso Ni se enumeran en la Tabla 2.

Figura 4.Corte de muestra de colada de losas para análisis metalográfico.

3. Resultados y discusión

3.1.Análisis de campo electromagnético

La Figura 5a muestra una comparación de los valores calculados y medidos de la densidad de flujo magnético, y la Figura 5b muestra el EMF en la línea central de la superficie ancha con un par de rodillos.Los valores medidos y calculados de la densidad de flujo magnético en la línea central del rodillo y el EMF de la placa de cobre están aproximadamente de acuerdo, lo que verifica la confiabilidad del modelo a un nivel aceptable.La Figura 5b muestra que la EMF aumentó rápidamente y luego disminuyó lentamente a medida que aumentaba la frecuencia, y la mayor EMF de un par de agitadores de rodillo se obtuvo a una frecuencia de 9 Hz.

Figura 5.Comparación de valores medidos y calculados en la línea central de la cara ancha del par de rodillos: (a) densidad de flujo magnético, (b) fuerza electromagnetica.

La Figura 6a-c presenta la distribución de la densidad de flujo magnético en la superficie de la losa para una intensidad de corriente de 400 A y una frecuencia de 7 Hz en los casos de un par, dos pares y tres pares, respectivamente, en los que el área efectiva de la densidad de flujo magnético aumentó con un número creciente de rodillos.El campo magnético de la onda viajera tenía una cierta direccionalidad que produjo un efecto final, lo que resultó en una mayor densidad de flujo magnético en el lado de empuje (lado derecho de la hebra en la Figura 6) que en el lado de inicio (lado izquierdo de la hebra en la Figura 6). ).

Figura 6.Contorno de la densidad de flujo magnético en la superficie del soporte con (a) un par, (b) dos pares, y (c) tres pares de rodillos.

La Figura 7a revela la distribución de la EMF a lo largo de la línea central en la dirección de fundición bajo un número diferente de pares de rodillos para una corriente de 400 A y una frecuencia de 7 Hz, y la Figura 7b muestra la distribución de la EMF a lo largo de la línea central de los rodillos. en la dirección ancha.Para uno, dos y tres pares de rodillos, el EMF máximo en la línea central de la losa a lo largo de la dirección de fundición fue de 12,090, 18,573 y 21,229 N / m³, respectivamente, y el EMF promedio fue 2023, 5066 y 7962 N / m³, respectivamente.El EMF máximo en la línea central de la superficie ancha para cada par de rodillos fue de 12,354, 18,084 y 22,874 N / m³, respectivamente, y el EMF promedio fue 10,247, 15,730 y 21,336 N / m³, respectivamente.La fuerza máxima se ubicó en el lado de empuje de la losa, y la EMF del acero fundido aumentó al aumentar el número de pares de rodillos.

Figura 7.Distribución de la fuerza electromagnética interna en la hebra con diferente número de rodillos (a) a lo largo de la línea central en la dirección de lanzamiento, (b) a lo largo de la línea central de los rodillos en la dirección ancha.

La figura 8a muestra la distribución de la EMF en la dirección de fundición bajo dos pares de rodillos a diferentes frecuencias, y la figura 8b revela la distribución de la EMF en la dirección de fundición bajo los dos pares de rodillos a diferentes corrientes.La distribución del EMF indica que era pequeño en ambos extremos, grande en el medio y distribuido uniformemente entre los rodillos.El EMF máximo en el centro de la hebra aumentó de 4750 a 19,000 N / m³a medida que la intensidad de la corriente aumentó de 200 a 400 A. Además, el EMF máximo en el centro de la hebra disminuyó de 20,838 a 17,995 N / m³cuando la frecuencia aumentó de 4 a 8 Hz.La hebra exhibió una cierta conductividad magnética cuando las líneas de inducción magnética desde el aire hacia la hebra se desviaron, agrupándose en una ubicación y formando un escudo magnético.La diferencia en el flujo magnético entre el interior y los bordes de la hebra resultó en una distribución desigual de la corriente inducida, que se concentraba principalmente en la superficie de la losa, un fenómeno conocido como el \\"efecto piel \\".Este efecto conduce a una reducción en la penetración del campo magnético a frecuencias más altas [17].Muestra que la capa solidificada con una cierta conductividad eléctrica tiene un cierto efecto de blindaje sobre el campo magnético y, por lo tanto, la intensidad de la inducción magnética central disminuye ligeramente a medida que aumenta la frecuencia de la corriente.

Figura 8.Distribución de la fuerza electromagnética en la dirección de fundición bajo los dos pares de rodillos en (a) diferentes frecuencias y bajo (b) diferentes corrientes.

3.2.Análisis del comportamiento de flujo y solidificación

La figura 9a muestra la distribución de velocidad a lo largo de la línea central en la dirección de fundición en la línea característica del acero fundido con un número diferente de pares de rodillos, y la figura 9b muestra la distribución de velocidad a lo largo de la línea central de los rodillos en la dirección ancha.Un aumento en el número de rodillos condujo a un aumento en el volumen local del EMF en la hebra, y el EMF fue la fuerza impulsora del flujo de acero fundido para lavar el frente de solidificación en la SCZ.El rango de velocidad de lavado efectivo, definido como el rango en el que la velocidad de flujo es mayor que la velocidad de fundición, del frente de solidificación a lo largo de la dirección de fundición fue de 4.0 a 4.35 m, 3.8 a 4.35 my de 3.6 a 4.35 m para uno, dos y tres pares de rodillos, respectivamente, y la velocidad máxima de lavado fue de 0,7, 0,8 y 0,76 m / s, respectivamente.Zhang y col.[18] encontró que el flujo de chorro de alta velocidad de los orificios laterales puede generar una zona de turbulencia más grande en la zona del molde y parte de la SCZ.Aunque la EMF de dos pares de rodillos es menor que la de los tres pares, la región de lavado de los dos pares está más abajo, dejando una menor intensidad de energía cinética turbulenta en el área del molde descentrado.Por tanto, la hebra tiene una velocidad máxima de lavado mayor con dos pares de rodillos que con tres pares.La Figura 8b muestra que la velocidad máxima de flujo bajo diferentes números de pares de rodillos se distribuyó en un lado de la hebra.La velocidad del flujo en el lado de empuje del EMF fue mayor que en el lado de inicio, lo que está aproximadamente de acuerdo con las características de movimiento del campo magnético de la onda viajera.

Figura 9.Distribución de la velocidad con diferentes números de rodillos (a) a lo largo de la línea central en la dirección de lanzamiento, y (b) a lo largo de la línea central de los rodillos en la dirección ancha.

La Figura 10a – d muestra la distribución de temperatura y la línea de corriente del acero fundido en la superficie central de la cara estrecha de la losa con 0–3 pares de rodillos.El EMF hizo que el acero fundido se moviera de un lado de la superficie estrecha al otro, y la continuidad del flujo hacia el frente de solidificación estrecho condujo a la formación de una circulación superior e inferior del acero fundido, lo que resultó en un núcleo uniforme. temperatura y mezclado de la losa.Con un número creciente de pares de rodillos, el área de flujo de acero fundido en la sección transversal se expandió y el intercambio de calor forzado entre el acero fundido a alta temperatura central y la carcasa solidificada condujo a una zona de baja temperatura más grande en el centro del hebra.Según la teoría de la solidificación, una temperatura más baja del acero fundido central es más propicia para la formación de partículas de nucleación.Xu y col.señaló [19] que el lavado del acero fundido contra el frente de solidificación puede causar la \\"fusión \\" del brazo dendrita para proporcionar partículas de nucleación para la formación de cristales equiaxiales, lo que finalmente aumenta la proporción de cristales equiaxiales centrales de la hebra.

Figura 10.Distribución de temperatura y flujo en la superficie central estrecha de la hebra con (a) cero pares, (b) un par, (c) dos pares, y (d) tres pares de rodillos.

La Figura 11a ilustra la variación del caparazón solidificado en el lado de inicio a lo largo de la dirección de fundición en el centro de la cara estrecha para la hebra con diferentes números de pares de rodillos, y la Figura 11b muestra el cambio en el grosor de la capa en el lado de empuje a lo largo del dirección de colada en el centro de la cara estrecha para la hebra con diferente número de pares de rodillos.El frente de solidificación se considera el lugar donde la fracción de fase líquida es 0.3.Para cero, uno, dos y tres pares de rodillos, el espesor de la cáscara solidificada en la salida del dominio de cálculo fue 42,37, 40,96, 40,14 y 38,43 mm en el lado inicial del EMF, respectivamente, y 42,37, 42,27 , 37,62 y 37,60 mm en el lado de empuje del EMF, respectivamente.El flujo de alta velocidad de acero fundido se precipita hacia el frente de solidificación e interrumpe algunos de los cristales columnares, lo que resulta en el lento crecimiento de la capa solidificada en la región de agitación.La tasa de solidificación en el lado de empuje electromagnético fue significativamente menor que en el lado de inicio, lo que coincide aproximadamente con las características del campo magnético de ondas viajeras.

Figura 11.Distribución del espesor de la cáscara en la cara central estrecha de la hebra en el (a) lado de inicio y (b) lado de empuje.

3.3.Experimentos de estructura de solidificación obtenidos por IN-ROLL EMS

Se seleccionaron dos pares de rodillos para fundición de planchas de acero Fe-17% en peso Cr-0,6% en peso Ni en los experimentos de control de la estructura de solidificación por IN-ROLL EMS.La zona semisólida en el centro de la losa cuando se usaron dos pares de rodillos era más grande que cuando se usó un par de rodillos.Aunque el EMF fue menor que cuando se usaron tres pares, la velocidad de lavado del frente de solidificación fue mayor con dos pares que con tres pares, lo que fue beneficioso para la formación de cristales equiaxiales en la hebra.Además, el costo de la instrumentación y el consumo de energía son menores cuando se utilizan dos pares de rodillos.Las estructuras de solidificación de la losa producidas cuando se apagó y se encendió el IN-ROLL EMS se compararon durante el experimento, como se muestra en la Figura 12. Cuando se apagó el IN-ROLL EMS, la macroestructura de la losa estaba más desarrollada en el cristal columnar, que está relacionado con las características del acero Fe-17% en peso Cr-0,6% en peso Ni.Tener un contenido de Cr en el acero superior al 16% condujo a un proceso de solidificación sin elα→γproceso de transición de fase, manteniendo la estructura de ferrita.Pang y col.[20] encontró que no había transición de fase para obstaculizar el desarrollo de cristales columnares durante el proceso de crecimiento del grano;por lo tanto, el tamaño de grano era grueso y los elementos químicos eran propensos a la segregación, lo que puede afectar seriamente la calidad del producto.Cuando se encendió el IN-ROLL EMS con parámetros electromagnéticos de 400 A y 7 Hz, la EMF generada por el campo magnético de onda viajera hizo que el acero fundido fluyera violentamente y lavara el frente de cristal columnar para reducir el gradiente de temperatura en el frente de solidificación. , inhibiendo el crecimiento de cristales columnares.Al mismo tiempo, el flujo de alta velocidad del acero fundido puede romper el brazo de la dendrita columnar para formar núcleos libres en el área central de baja temperatura.Finalmente, la proporción de cristales equiaxiales centrales de la hebra se incrementó al 69%.

Figura 12.Sección transversal de los macroestructura como fundida de la hebra (a) sin IN-ROLL EMS y (b) con dos pares de rodillos utilizados en IN-ROLL EMS (a 400 A y 7 Hz).

4. Conclusiones

Aquí, se estableció un modelo de acoplamiento segmentado 3-D para el comportamiento electromagnético, de flujo y de transferencia de calor para la fundición de planchas de acero inoxidable.Se revelaron los efectos de IN-ROLL EMS sobre la distribución del campo magnético y el comportamiento de solidificación, y se han presentado los parámetros técnicos óptimos para controlar la macroestructura recién fundida del acero Fe – 17% en peso Cr – 0,6% en peso Ni.Las conclusiones principales son las siguientes:

1. Las características del campo magnético de onda viajera del IN-ROLL EMS en la SCZ producirán un EMF máximo que se ubicará en el lado inicial de la hebra de la losa.Por cada par adicional de rodillos electromagnéticos, el EMF promedio en la dirección de fundición aumenta en 2969 N / m³, y la EMF promedio en la sección central de los rodillos aumenta en 5600 N / m³.

2. Con un número creciente de pares de rodillos de agitación, el EMF aumenta el área de agitación efectiva del acero fundido dentro de la hebra, y la velocidad del acero fundido en el frente de solidificación primero aumenta y luego disminuye.El efecto de lavado de flujo de la fuerte fuerza electromagnética reducirá la tasa de solidificación de la capa local y acelerará la disipación sobrecalentada del centro de acero fundido, lo que es beneficioso para la formación de cristales equiaxiales.

3. El uso de dos pares de rodillos electromagnéticos a 400 A y 7 Hz puede producir una relación de cristal equiaxial central del 69% en la hebra de la losa de 200 mm × 1280 mm, lo que ayuda a mejorar su comportamiento de trabajo en caliente.

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