Hora de publicación: 2023-09-04 Origen: Sitio
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 temperaturas ambiente y altas que hace que desarrollen cristales columnares fácilmente durante la solidificación con una proporción muy baja de cristales equiaxiales en el acero. piezas fundidas. La estructura cristalina columnar tiene una anisotropía obvia en el proceso de trabajo del plástico posterior, lo que probablemente produzca defectos similares a arrugas en los productos en placa debido a una pobre capacidad de embutición profunda. Controlar la estructura de la fundición 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 siempre ha sido un tema central para la industria del acero [1,2]. Kunstreich et al. [3] abordó la calidad de la superficie/subsuelo (astillas, tuberías, poros, sopladuras, contenido de inclusiones) y la tasa de desviación (códigos de anomalías de fundición de losas) de productos moldeados en máquinas de losas gruesas de alto o bajo rendimiento. Descubrieron que las máquinas de baja velocidad o de losa ancha que crean o mantienen un flujo estable de doble rodillo en el molde son clave para eliminar los defectos de la losa, aunque la intensidad del patrón de flujo de doble rodillo no debe ser excesiva. La agitación electromagnética (EMS) impulsa el flujo de acero fundido para controlar el comportamiento de transferencia de calor y masa a través de una fuerza electromagnética (EMF) inductiva sin contacto. La disposición y el uso de EMS para controlar el comportamiento metalúrgico en la zona de enfriamiento secundario (SCZ) para mejorar la calidad de los cordones ha recibido menos atención de la investigación.
Se ha demostrado que el comportamiento de transferencia del acero fundido en la SCZ durante la fundición de desbastes afecta directamente la calidad interna del torón y puede controlar simultáneamente la calidad de los materiales laminados ajustando el flujo de acero fundido y la temperatura [4]. La SCZ de la losa está equipada principalmente con EMS de tipo inserción (Nippon Steel, Tokio, Japón), EMS de tipo caja (ABB, Zurich, Suiza) y agitación electromagnética de rodillos (R-EMS) (Danieli Rotelec, París, Italia). ) [5]. En comparación con el EMS de tipo inserción y tipo caja, el rodillo agitación electromagnética (R-EMS) tiene la bobina dentro del rodillo y reemplaza el rodillo de soporte para el torón, y tiene un EMF más alto para impulsar el flujo interno de acero fundido. Lei et al. [6,7] investigaron el campo magnético y la distribución del campo de flujo de tres modos R-EMS (doble disco, doble anillo y triple anillo). EMS en el modo de doble anillo fue el más eficiente, produciendo un área más grande de flujo de circulación dentro de la hebra con la misma potencia que los otros modos. Al aumentar la frecuencia, la densidad del flujo magnético en el centro de la losa disminuyó y la EMF y la velocidad del acero fundido aumentaron, lo que indica que la EMF es un indicador directo del efecto de R-EMS. Shen et al. [8] establecieron un modelo acoplado para el comportamiento de flujo y solidificación de la losa en SCZ basado en las ecuaciones de Maxwell y el modelo k-epsilon, y observaron que la dirección del flujo del acero fundido era consistente con la dirección EMF y que la agitación El efecto se debilitó significativamente al aumentar el espesor de la capa solidificada. Wang y cols. [9] sugirieron que el EMF generado por el campo magnético de la onda viajera se concentraba cerca de la superficie ancha de la hebra y que el EMF produce un flujo de agitación horizontal. Jiang et al. [10] establecieron un modelo de transporte macroscópico tridimensional para la losa y observaron que el punto final de solidificación estaba en la posición de un cuarto en la dirección del ancho de la losa. En comparación con un agitador lineal apartado, un agitador giratorio en la SCZ favorece una distribución uniforme del soluto al final de la solidificación. Wang y cols. [11] analizaron los factores que contribuyen a la baja proporción de cristales equiaxiales del acero inoxidable de ferrita 430. Cuando no hay suficiente EMS, la proporción de cristales equiaxiales mejora enormemente ajustando la SCZ y la velocidad de fundición, lo que reduce el agrietamiento cruzado de la hebra. Zhou y cols. [12] analizaron el mecanismo del efecto del EMS sobre la estructura de solidificación del acero inoxidable martensítico en la fundición de desbastes y observaron que la proporción de cristales equiaxiales centrales de la hebra alcanzaba un promedio del 50% y hasta el 57% utilizando el sistema magnético apropiado. densidad de flujo. La investigación realizada por Nippon Steel [13] ha demostrado que R-EMS puede controlar el flujo efectivo de acero fundido interno para reducir la estructura cristalina columnar del acero eléctrico y del acero inoxidable, aumentando simultáneamente la proporción de cristales equiaxiales para mejorar la contracción central, la porosidad y la segregación. de la losa, lo que favorece la mejora de la velocidad de fundición y la calidad del proceso de producción de la losa.
Estos estudios indican que R-EMS puede reemplazar el rodillo de presión normal en la máquina CC con diferentes pares de rodillos. Las diferentes disposiciones de los rodillos en los segmentos tendrán distintas distribuciones de campos magnéticos, áreas de EMF y patrones de flujo de acero fundido. Considerando la importancia del comportamiento metalúrgico en la SCZ de una pieza fundida con respecto al control de la calidad interna del torón, se ha desarrollado un modelo acoplado de comportamiento electromagnético, de flujo, de transferencia de calor y de solidificación tridimensional (3-D) en la SCZ. desarrollado en este estudio. Utilizamos acero Fe-17% en peso Cr-0,6% en peso Ni para investigar los efectos de diferentes números de pares de rodillos para R-EMS sobre la distribución del campo magnético y el comportamiento de solidificación. Nuestro objetivo fue utilizar modelos numéricos para proporcionar orientación teórica para la mejora de la estructura de solidificación y la calidad interna de las piezas fundidas de acero inoxidable de ferrita.
2. Métodos
2.1. Numérico Modelo Descripción
La estructura de Equipo EMS Consiste principalmente en una camisa de rodillo (cobre), un anillo de protección magnético, una bobina, un núcleo, acero fundido y un dominio de aire (Figura 1; no se muestra el dominio de aire). El anillo de protección magnético se compone de una sección del anillo y el resto lleno de aire. Los parámetros termofísicos y los parámetros del proceso CC utilizados en los cálculos de simulación se dan en la Tabla 1. El origen de las coordenadas en el modelo está en el centro del menisco del molde, donde la dirección de fundición está a lo largo del eje Z positivo, mientras que el eje X y los ejes Y son paralelos a los lados angosto y ancho del cordón, respectivamente. El modelo de dominio computacional se desarrolló con R-EMS en la SCZ para la producción de acero Fe-17% en peso Cr-0,6% en peso Ni con una sección transversal de 1280 mm × 200 mm. La estructura R-EMS es lineal, con cinco bobinas enrolladas alrededor del rodillo con un diámetro de 240 mm y una longitud de 1550 mm. Los tres pares de rodillos estaban a 4,159, 3,911 y 3,660 m de distancia del menisco, y se utilizó el modo de agitación lineal continua.
Debido al número de Reynolds magnético Rm <1 durante la agitación electromagnética en el proceso CC, el efecto del flujo de acero sobre el campo magnético externo fue insignificante. El efecto de las fases sólida y líquida del acero con conductividad eléctrica ligeramente diferente en la zona de alta temperatura se ignoró sobre la fuerza electromagnética. El desarrollo de ecuaciones acopladas para el campo electromagnético, el campo de flujo, la transferencia de calor y el comportamiento de solidificación están relativamente maduros, como lo describen en detalle Li et al. [14] y Wang et al. [15]. Los principios del agitador lineal se muestran en la Figura 2 [16]. El rodillo electromagnético es un agitador de campo magnético de onda viajera, lo que significa que el núcleo de hierro y el circuito magnético están desconectados y que el empuje electromagnético hacia un lado controla el movimiento lineal del acero fundido.
2.2. Límite Condiciones y Numérico Solución Procedimiento
Para el campo electromagnético, en el modelo electromagnético se utilizó una malla tetraédrica con un número de malla de 518,230. Para los pares de rodillos, cada R-EMS tenía cinco bobinas cargadas con corriente alterna bifásica y la diferencia de fase de cada fase era de 90°. La línea magnética era paralela a la superficie de la unidad de aire que rodeaba el agitador. Las condiciones límite de aislamiento se establecieron entre la bobina, el tubo de cobre y el núcleo de hierro.
Para el cálculo de flujo y solidificación se estableció un modelo segmentado sin fuerza electromagnética en el molde y una región pie-rollo para calcular la información de solidificación y flujo; Para el cálculo del fluido se utilizó una malla hexaédrica. Las rejillas se refinaron en áreas con intensa densidad de transmisión, como la capa límite de la boquilla y la región de solidificación, lo que dio como resultado un total de aproximadamente 3 millones de rejillas. Los valores residuales de energía eran menores que 10-6 y otros eran menores que 10-4. Se utilizó ANSYS Fluent 16.0 (ANSYS, Inc., Canonsburg, PA, Estados Unidos) para juzgar la convergencia durante el cálculo. El módulo 'Profile' en ANSYS Fluent se utilizó para extraer el primer segmento de los datos de salida del dominio computacional como condición de entrada para el segundo segmento. Para garantizar el rango efectivo de acción de los CEM y el desarrollo completo del flujo de turbulencia, en este estudio se seleccionaron entre 3 y 4,8 m de SCZ para el dominio computacional. Se utilizó la simulación ANSOFT Maxwell (ANSYS, Inc., Canonsburg, PA, Estados Unidos) para obtener los datos del campo electromagnético del dominio computacional, y el software Fluent se utilizó para calcular la información de flujo, transferencia de calor y solidificación con el estado estacionario. en la SCZ. La información de coordenadas de los nodos en Fluent se cargó en Maxwell y el EMF promediado en el tiempo se extrajo utilizando el algoritmo de interpolación de coordenadas. Finalmente, el EMF se cargó en la ecuación de impulso utilizando la función definida por el usuario (UDF). Las condiciones de contorno del modelo fueron las siguientes:
1. Entrada del dominio computacional: la velocidad y la temperatura de la primera salida del dominio computacional y la información de la fracción de la fase líquida se cargaron como condiciones de límite de entrada.
2. Cálculo de la salida del dominio: gradientes cero para todas las cantidades físicas en la dirección de la normal de exportación utilizando condiciones de contorno completamente desarrolladas.
3. Pared: Las condiciones de enfriamiento se describieron utilizando el coeficiente de transferencia de calor por convección [10].
2.3. Experimental Procedimiento
La densidad de flujo magnético se midió utilizando un medidor Tesla 475 en modo de procesamiento de señales digitales LakeShore (Zhongke Electric, Hunan, China). El CEM se probó utilizando un medidor de empuje fabricado internamente, como se muestra en la Figura 3. El principio del dispositivo de prueba se basó en el método de medición de la placa de cobre que simula el cordón. Varias placas de cobre delgadas con un espesor de 2 mm se distribuyeron uniformemente y se suspendieron simétricamente y en paralelo al espesor del cordón entre las superficies de trabajo del EMS. El empuje electromagnético recibido sobre cada placa de cobre se midió por separado con un transductor de tensión, representando cada placa de cobre el empuje recibido por un torón de cierto espesor en la posición correspondiente.
Los principales componentes químicos del acero Fe-17% en peso Cr-0,6% en peso Ni se enumeran en la Tabla 2. La ubicación de muestreo de la sección transversal de la losa producida en las condiciones de trabajo correspondientes se muestra en la Figura 4. La sección transversal de la muestra bajo cada condición de trabajo se aplanó usando un torno y se pulió usando una fresadora, de modo que no hubiera marcas de procesamiento que afectaran la observación de la superficie de inspección. Como agente de erosión se utilizó una solución acuosa de ácido clorhídrico industrial en una proporción volumétrica de 1:1. Las muestras con acabado superficial se sumergieron en el grabador ácido y se erosionaron a una temperatura de baño de agua de 70 °C durante 20 minutos. Inmediatamente después de la erosión, la superficie se enjuagó con agua y se secó con un flujo de aire a alta presión, se obtuvieron imágenes y se registró la proporción de cristales equiaxiales mediante Image‐Pro Plus (Media cybernetics, Inc., Rockville, MD, Estados Unidos). Estados).
3. Resultados y Discusión
3.1. Análisis de Electromagnético Campo
La Figura 5a muestra una comparación de los valores calculados y medidos de densidad de flujo magnético, y la Figura 5b muestra el EMF en la línea central de la superficie amplia con un par de rodillos. Los valores medidos y calculados de la densidad de flujo magnético en la línea central del rodillo y la FEM de la placa de cobre coinciden aproximadamente, lo que verifica la confiabilidad del modelo a un nivel aceptable. La Figura 5b muestra que la FEM aumentó rápidamente y luego disminuyó lentamente a medida que aumentó la frecuencia, y la mayor FEM de un par de agitadores de rodillos se obtuvo a una frecuencia de 9 Hz.
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 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 producía un efecto final, lo que resultaba en una mayor densidad de flujo magnético en el lado de empuje (lado derecho del hilo en la Figura 6) que en el lado inicial (lado izquierdo del hilo en la Figura 6). ).
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, la FEM máxima en la línea central de la losa a lo largo de la dirección de colada fue 12 090, 18 573 y 21 229 N/m3, respectivamente, y la FEM promedio fue 2023, 5066 y 7962. N/m3, respectivamente. La FEM máxima en la línea central de la superficie ancha para cada par de rodillos fue 12 354, 18 084 y 22 874 N/m3, respectivamente, y la FEM promedio fue 10 247, 15 730 y 21 336 N/m3, respectivamente. La fuerza máxima se localizó en el lado de empuje de la losa, y la FEM del acero fundido aumentó al aumentar el número de pares de rodillos.
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. La FEM máxima en el centro del cordón aumentó de 4750 a 19 000 N/m3 a medida que la intensidad de la corriente aumentó de 200 a 400 A. Además, la FEM máxima en el centro del cordón disminuyó de 20 838 a 17 995 N/m3 cuando el La frecuencia aumentó de 4 a 8 Hz. La hebra exhibió una cierta conductividad magnética cuando las líneas de inducción magnética del aire hacia la hebra se desviaron, agrupándose en un lugar y formando un escudo magnético. La diferencia en el flujo magnético entre el interior y los bordes del cordón resultó en una distribución desigual de la corriente inducida, que se concentraba principalmente en la superficie de la losa, un fenómeno conocido como 'efecto piel'. Este efecto conduce a una reducción de 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.
3.2. Análisis de Fluir y Solidificación Comportamiento
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 de EMF en el cordón, 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 cual la velocidad del 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 m y 3,6 a 4,35 m para un , 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 et al. [18] encontraron que el flujo de chorro de alta velocidad desde los orificios laterales puede provocar 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 intensidad de energía cinética turbulenta más baja en el área del molde desplazado. Así, la mecha tiene una velocidad máxima de lavado mayor con dos pares de rodillos que con tres pares. La Figura 8b muestra que la velocidad máxima del flujo bajo diferentes números de pares de rodillos se distribuyó en un lado del cordón. La velocidad del flujo en el lado de empuje del EMF fue mayor que en el lado de inicio, lo que coincide aproximadamente con las características de movimiento del campo magnético de onda viajera.
Las Figuras 10a a d muestran 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 a 3 pares de rodillos. El EMF provocó 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 dio como resultado un núcleo uniforme. Temperatura y mezclado de la losa. Con un número cada vez mayor 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 central de alta temperatura y la carcasa solidificada condujo a una zona de baja temperatura más grande en el centro. de la hebra. Según la teoría de la solidificación, una temperatura más baja del acero fundido central favorece más la formación de partículas de nucleación. Xu et al. señaló [19] que el lavado del acero fundido contra el frente de solidificación puede causar la 'fusión' del brazo dendrítico para proporcionar partículas de nucleación para la formación de cristales equiaxiales, lo que en última instancia aumenta la proporción de cristales equiaxiales centrales de la hebra.
La Figura 11a ilustra la variación de la cubierta solidificada en el lado inicial a lo largo de la dirección de colada 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 espesor de la cubierta en el lado de empuje a lo largo de la dirección de colada en el centro de la cara estrecha del cordón con diferente número de pares de rodillos. Se considera frente de solidificación el lugar donde la fracción de fase líquida es 0,3. Para cero, uno, dos y tres pares de rodillos, el espesor de la capa 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 velocidad de solidificación en el lado de empuje electromagnético fue significativamente menor que en el lado inicial, lo que coincide aproximadamente con las características del campo magnético de onda viajera.
3.3. experimentos de Solidificación Estructura Obtenido por R‐EMS
Se seleccionaron dos pares de rodillos para la fundición de losas de acero Fe-17% en peso Cr-0,6% en peso Ni en los experimentos de control de la estructura de solidificación mediante R-EMS. La zona semisólida en el centro de la losa cuando se usaron dos pares de rodillos era mayor 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 coste 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 encendió el R-EMS se compararon durante el experimento, como se muestra en la Figura 12. Cuando se apagó el R-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 de Cr–0,6% en peso de Ni. Tener un contenido de Cr en el acero superior al 16% propició un proceso de solidificación sin la α→γ proceso de transición de fase, manteniendo la estructura de ferrita. Pang et al. [20] encontraron que no había transición de fase que obstaculizara el desarrollo de cristales columnares durante el proceso de crecimiento del grano; por lo tanto, el tamaño del grano era grueso y los elementos químicos eran propensos a la segregación, lo que puede afectar seriamente la calidad del producto. Cuando el R-EMS se encendió con parámetros electromagnéticos de 400 A y 7 Hz, el EMF generado por el campo magnético de onda viajera causó que el acero fundido fluyera violentamente y lavara el frente de cristal columnar para reducir el gradiente de temperatura en la solidificación. frontal, inhibiendo el crecimiento de cristales columnares. Al mismo tiempo, el flujo a alta velocidad del acero fundido puede romper el brazo de 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 a
69%.
4. Conclusiones
Aquí, se estableció un modelo de acoplamiento segmentado tridimensional para el comportamiento electromagnético, de flujo y de transferencia de calor para la fundición de losas de acero inoxidable. Se revelaron los efectos de R-EMS sobre la distribución del campo magnético y el comportamiento de solidificación, y se presentaron los parámetros técnicos óptimos para controlar la macroestructura del acero fundido Fe-17% en peso Cr-0,6% en peso Ni. Las principales conclusiones son las siguientes:
1. Las características del campo magnético de onda viajera del R-EMS en la SCZ producirán un EMF máximo ubicado en el lado inicial del cordón de la losa. Por cada par adicional de rodillos electromagnéticos, la FEM promedio en la dirección de fundición aumenta en 2969 N/m3, y la FEM promedio en la sección central de los rodillos aumenta en 5600 N/m3.
2. Con un número cada vez mayor de pares de rodillos agitadores, la 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 del flujo debido a 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 central equiaxial del 69 % en la tira de la losa de 200 mm × 1280 mm, lo que ayuda a mejorar su comportamiento de trabajo en caliente.
Autor Contribuciones: Conceptualización, HX y BY; metodología, HX y PW; investigación, BY y XC; recursos, AL y WL; redacción: preparación del borrador original, HX y PW; redacción: revisión y edición, HX, PW y JZ; visualización, XC y PW; supervisión, AL, HT y JZ; administración de proyectos, HT y JZ; HX y PW son coautores. Todos los autores han leído y aceptado la versión publicada del manuscrito.
Fondos: Esta investigación fue financiada por la Fundación Municipal de Ciencias Naturales de Beijing (BJNSF) (Subvención No.2182038) y la Fundación Nacional de Ciencias Naturales de China (NSFC) (Subvención No.51874033 y No.U1860111), el Programa Nacional Clave de Investigación y Desarrollo de China (Gran No. .016YEB0601302).
Expresiones de gratitud: Los autores agradecen la prueba industrial en Hunan Valin Lianyuan Iron & Steel Croup Co., Ltd.
Conflictos de Interés: Los autores declaran no tener ningún conflicto de intereses.
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