行波磁场铸流搅拌提升不锈钢板坯等轴晶率

工程科学学报 Chinese Journal of Engineering 行波磁场铸流搅拌提升不锈钢板坯等轴晶率 肖红王璞兰芳李伟红唐海燕李爱武张家泉 Stirring strands via traveling-wave magnetic fields to increase the equiaxed crystal ratio of stainless-steel slab castings XIAO Hong.WANG Pu,LAN Fang.LI Wei-hong.TANG Hai-yan,LI Ai-wu,ZHANG Jia-quan 引用本文： 肖红，王璞，兰芳，李伟红，唐海燕，李爱武，张家泉.行波磁场铸流搅拌提升不锈钢板坯等轴晶率.工程科学学报，2021， 43(6:797-807.doi:10.13374.issn2095-9389.2021.02.09.001 XIAO Hong.WANG Pu,LAN Fang.LI Wei-hong.TANG Hai-yan,LI Ai-wu,ZHANG Jia-quan.Stirring strands via traveling-wave magnetic fields to increase the equiaxed crystal ratio of stainless-steel slab castings.Chinese Journal of Engineering,2021,43(6): 797-807.doi:10.13374.issn2095-9389.2021.02.09.001 在线阅读View online:https::/oi.org10.13374.issn2095-9389.2021.02.09.001 您可能感兴趣的其他文章 Articles you may be interested in 圆坯凝固末端电磁搅拌作用下的流动与传热行为 Melt flow and heat transfer at the crater end of round billet continuous casting using final electromagnetic stirring 工程科学学报.2019,41(6：748htps:/1doi.org10.13374.issn2095-9389.2019.06.006 凝固末端电磁搅拌和轻压下复合技术对大方坯高碳钢偏析和中心缩孔的影响 Effect of combining F-EMS and MSR on the segregation and shrinkage cavity in continuously cast high-carbon steel blooms 工程科学学报.2017,397)：996 https::/1doi.org/10.13374斩.issn2095-9389.2017.07.004 铝合金表面脉冲电磁场对半连续铸造晶粒的细化 Refining of a DC-casting aluminum alloy structure using surface electromagnetic pulsing 工程科学学报.2017,39(12：1828htps:/doi.org10.13374.issn2095-9389.2017.12.008 Nb在高铝铁素体钢中的固溶析出行为 Solid solution and precipitation behavior of Nb in Al-bearing ferritic steels 工程科学学报.2019,41(7)：882 https:/1doi.org/10.13374j.issn2095-9389.2019.07.006 202不锈钢中非金属夹杂物的形成机理 Formation mechanism of non-metallic inclusions in 202 stainless steel 工程科学学报.2019,41(12：1567htps:/oi.org/10.13374.issn2095-9389.2018.12.18.004 AOD精炼双相不锈钢2101去碳保铬研究 Decarburization and chromium retention of AOD-refined duplex stainless steel 2101 工程科学学报.2020,42S:89htps:1doi.org/10.13374.issn2095-9389.2020.04.25.s06

行波磁场铸流搅拌提升不锈钢板坯等轴晶率 肖红 王璞 兰芳 李伟红 唐海燕 李爱武 张家泉 Stirring strands via traveling-wave magnetic fields to increase the equiaxed crystal ratio of stainless-steel slab castings XIAO Hong, WANG Pu, LAN Fang, LI Wei-hong, TANG Hai-yan, LI Ai-wu, ZHANG Jia-quan 引用本文: 肖红, 王璞, 兰芳, 李伟红, 唐海燕, 李爱武, 张家泉. 行波磁场铸流搅拌提升不锈钢板坯等轴晶率[J]. 工程科学学报, 2021, 43(6): 797-807. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2021.02.09.001 XIAO Hong, WANG Pu, LAN Fang, LI Wei-hong, TANG Hai-yan, LI Ai-wu, ZHANG Jia-quan. Stirring strands via traveling-wave magnetic fields to increase the equiaxed crystal ratio of stainless-steel slab castings[J]. Chinese Journal of Engineering, 2021, 43(6): 797-807. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2021.02.09.001 在线阅读 View online: https://doi.org/10.13374/j.issn2095-9389.2021.02.09.001 您可能感兴趣的其他文章 Articles you may be interested in 圆坯凝固末端电磁搅拌作用下的流动与传热行为 Melt flow and heat transfer at the crater end of round billet continuous casting using final electromagnetic stirring 工程科学学报. 2019, 41(6): 748 https://doi.org/10.13374/j.issn2095-9389.2019.06.006 凝固末端电磁搅拌和轻压下复合技术对大方坯高碳钢偏析和中心缩孔的影响 Effect of combining F-EMS and MSR on the segregation and shrinkage cavity in continuously cast high-carbon steel blooms 工程科学学报. 2017, 39(7): 996 https://doi.org/10.13374/j.issn2095-9389.2017.07.004 铝合金表面脉冲电磁场对半连续铸造晶粒的细化 Refining of a DC-casting aluminum alloy structure using surface electromagnetic pulsing 工程科学学报. 2017, 39(12): 1828 https://doi.org/10.13374/j.issn2095-9389.2017.12.008 Nb在高铝铁素体钢中的固溶析出行为 Solid solution and precipitation behavior of Nb in Al-bearing ferritic steels 工程科学学报. 2019, 41(7): 882 https://doi.org/10.13374/j.issn2095-9389.2019.07.006 202不锈钢中非金属夹杂物的形成机理 Formation mechanism of non-metallic inclusions in 202 stainless steel 工程科学学报. 2019, 41(12): 1567 https://doi.org/10.13374/j.issn2095-9389.2018.12.18.004 AOD精炼双相不锈钢2101去碳保铬研究 Decarburization and chromium retention of AOD-refined duplex stainless steel 2101 工程科学学报. 2020, 42(S): 89 https://doi.org/10.13374/j.issn2095-9389.2020.04.25.s06

工程科学学报.第43卷，第6期：797-807.2021年6月 Chinese Journal of Engineering,Vol.43,No.6:797-807,June 2021 https://doi.org/10.13374/j.issn2095-9389.2021.02.09.001;http://cje.ustb.edu.cn 行波磁场铸流搅拌提升不锈钢板坯等轴晶率 肖 红2)，王璞，兰芳，李伟红)，唐海燕)，李爱武)，张家泉)区 1)北京科技大学治金与生态工程学院，北京1000832)湖南中科电气股份有限公司磁电研究院，岳阳414000 区通信作者，E-mai:jqzhang@metall..ustb.edu.cn 摘要为揭示各种行波磁场铸流搅拌的电磁冶金效果，基于计算域分段法建立了断面1280mm×200mm板坯连铸电磁、流 动、传热和凝固的耦合模型，利用电气参数和磁感应强度的实测值和预测值的对比验证了模型的可靠性.研究表明：行波磁 场搅拌器因电磁推力的方向性特点在板坯二冷区搅拌过程中均表现有不同程度与特征的端部效应，辊后箱式搅拌器(Box typed electromagnetic stirrer,.B-EMS)的单侧安装形式导致板坯内弧侧磁感应强度远大于外弧侧，辊式搅拌器(Roller---typed electromagnetic stirrer,.R-EMS)的对辊安装形式则使磁感应强度呈现对称分布.在4O0kW和7Hz的相同电气参数下，R- EMS的电流强度比B-EMS高75A:尽管箱式电磁搅拌的有效作用区域较辊式电磁搅拌大，铸坯中心钢液过热耗散区域大， 但辊式搅拌推动钢液冲刷凝固前沿形核作用则明显大于箱式搅拌.两者均具有较好的抑制柱状晶生长、促进凝固前沿等轴 晶形核与发展的能力，将不锈钢板坯等轴晶率提高至45%的门槛值以上，其中间隔型反向辊式搅拌器下的等轴晶率比箱式 搅拌高约17%.综合表明，基于行波磁场铸流搅拌的间隔型反向辊式搅拌器有望更好地消除铁素体不锈钢板材表面皱折 缺陷. 关键词铁素体不锈钢：行波磁场：锟式电飚搅拌：箱式电磁搅拌：等轴品率 分类号TF777.2 Stirring strands via traveling-wave magnetic fields to increase the equiaxed crystal ratio of stainless-steel slab castings XIAO Hong2.WANG Pu.LAN Fang.LI Wei-hong,TANG Hai-yan),LI Ai-w),ZHANG Jia-quan 1)School of Metallurgical and Ecological Engineering,University of Science and Technology Beijing,Beijing 100083,China 2)Magnetoelectric Research Institute,Hunan Zhongke Electric Co.,Ltd.,Yueyang 414000,China Corresponding author,E-mail:jqzhang @metall.ustb.edu.cn ABSTRACT Electromagnetic stirring of strands by a traveling-wave magnetic field is a cutting-edge continuous casting technology for eliminating the columnar crystal structure that tends to develop in stainless-and/or silicon-steel slab castings.The common ridging defect on the surface of ferritic stainless strip products has been found to be closely related to the well-developed as-cast columnar crystal structure.To explore the various electromagnetic properties of the traveling-wave magnetic fields applied to the secondary cooling zone of a slab casting strand,we used the segmented computational domain method to develop a coupled math model to analyze the electromagnetic,fluid flow,heat transfer,and solidification behaviors,which had been previously determined in an electromagnetic measurement experiment to be a valid approach.The modeling analysis results regarding the traveling-wave magnetic fields show that molten steel stirring has some effect on the end of the slab strand.We also found that the intensity of the magnetic induction when using a box-type electromagnetic stirrer(B-EMS)is much greater on the inside of the strand than on the outside,as compared with its 收稿日期：2020-02-09 基金项目：国家自然科学基金资助项目(U1860111.51874033):国家重点研发计划资助项目(016YEB0601302):湖南省科技计划资助项目 (2019RS2065)

行波磁场铸流搅拌提升不锈钢板坯等轴晶率 肖    红1,2)，王    璞1)，兰    芳2)，李伟红2)，唐海燕1)，李爱武2)，张家泉1) 苣 1) 北京科技大学冶金与生态工程学院，北京 100083    2) 湖南中科电气股份有限公司磁电研究院，岳阳 414000 苣通信作者，E-mail：jqzhang@metall.ustb.edu.cn 摘    要    为揭示各种行波磁场铸流搅拌的电磁冶金效果，基于计算域分段法建立了断面 1280 mm×200 mm 板坯连铸电磁、流 动、传热和凝固的耦合模型，利用电气参数和磁感应强度的实测值和预测值的对比验证了模型的可靠性. 研究表明：行波磁 场搅拌器因电磁推力的方向性特点在板坯二冷区搅拌过程中均表现有不同程度与特征的端部效应，辊后箱式搅拌器 (Box￾typed electromagnetic stirrer, B-EMS) 的单侧安装形式导致板坯内弧侧磁感应强度远大于外弧侧，辊式搅拌器 (Roller-typed electromagnetic stirrer, R-EMS) 的对辊安装形式则使磁感应强度呈现对称分布. 在 400 kW 和 7 Hz 的相同电气参数下，R￾EMS 的电流强度比 B-EMS 高 75 A；尽管箱式电磁搅拌的有效作用区域较辊式电磁搅拌大，铸坯中心钢液过热耗散区域大， 但辊式搅拌推动钢液冲刷凝固前沿形核作用则明显大于箱式搅拌. 两者均具有较好的抑制柱状晶生长、促进凝固前沿等轴 晶形核与发展的能力，将不锈钢板坯等轴晶率提高至 45% 的门槛值以上，其中间隔型反向辊式搅拌器下的等轴晶率比箱式 搅拌高约 17%. 综合表明，基于行波磁场铸流搅拌的间隔型反向辊式搅拌器有望更好地消除铁素体不锈钢板材表面皱折 缺陷. 关键词    铁素体不锈钢；行波磁场；辊式电磁搅拌；箱式电磁搅拌；等轴晶率 分类号    TF777.2 Stirring strands via traveling-wave magnetic fields to increase the equiaxed crystal ratio of stainless-steel slab castings XIAO Hong1,2) ，WANG Pu1) ，LAN Fang2) ，LI Wei-hong2) ，TANG Hai-yan1) ，LI Ai-wu2) ，ZHANG Jia-quan1) 苣 1) School of Metallurgical and Ecological Engineering, University of Science and Technology Beijing, Beijing 100083, China 2) Magnetoelectric Research Institute, Hunan Zhongke Electric Co., Ltd., Yueyang 414000, China 苣 Corresponding author, E-mail: jqzhang@metall.ustb.edu.cn ABSTRACT    Electromagnetic stirring of strands by a traveling-wave magnetic field is a cutting-edge continuous casting technology for eliminating  the  columnar  crystal  structure  that  tends  to  develop  in  stainless-  and/or  silicon-steel  slab  castings.  The  common  ridging defect  on  the  surface  of  ferritic  stainless  strip  products  has  been  found  to  be  closely  related  to  the  well-developed  as-cast  columnar crystal  structure.  To  explore  the  various  electromagnetic  properties  of  the  traveling-wave  magnetic  fields  applied  to  the  secondary cooling zone of a slab casting strand, we used the segmented computational domain method to develop a coupled math model to analyze the electromagnetic, fluid flow, heat transfer, and solidification behaviors, which had been previously determined in an electromagnetic measurement experiment to be a valid approach. The modeling analysis results regarding the traveling-wave magnetic fields show that molten steel stirring has some effect on the end of the slab strand. We also found that the intensity of the magnetic induction when using a  box-type  electromagnetic  stirrer  (B-EMS)  is  much  greater  on  the  inside  of  the  strand  than  on  the  outside,  as  compared  with  its 收稿日期: 2020−02−09 基金项目: 国家自然科学基金资助项目（U1860111，51874033）；国家重点研发计划资助项目（016YEB0601302）；湖南省科技计划资助项目 （2019RS2065） 工程科学学报，第 43 卷，第 6 期：797−807，2021 年 6 月 Chinese Journal of Engineering, Vol. 43, No. 6: 797−807, June 2021 https://doi.org/10.13374/j.issn2095-9389.2021.02.09.001; http://cje.ustb.edu.cn

·798 工程科学学报，第43卷.第6期 symmetric behavior when applying a roller-type electromagnetic stirrer(R-EMS).At an electrical power of 400 kW and frequency of 7 Hz,the current intensity of the R-EMS is higher than that of the B-EMS by 75 A,achieving a more efficient stirring effect for promoting equiaxed crystal nucleation in front of the solidified shell.In casting experiments in a stainless-steel slab caster,both the B- EMS and R-EMS are found to inhibit the growth of columnar crystals through nucleation of the heads of the dendrites,which realizes an equiaxed crystal ratio of the slab casting 45%higher than its threshold value.In addition,an R-MES with two pairs of rollers using inverse thrust EMS forces can produce an equiaxed crystal ratio 17%higher than that achieved by the B-EMS,and can thus be used in the casting production of ferritic stainless steels to obtain final strip products with no ridging defects KEY WORDS ferritic stainless steel;traveling-wave magnetic field;roller-type electromagnetic stirrer;box-type electromagnetic stirrer;equiaxed crystal ratio 铁素体不锈钢是一类节镍经济型铬系不锈 随着电磁搅拌器安装位置的下移，可以在过热度 钢，具有很好的耐均匀腐蚀、耐点蚀和应力腐蚀性 波动条件下也能获得较高的等轴品率.有鉴于此， 能，应用广泛.由于其导热性好、凝固温区窄且多 基于结晶器下部二冷区电磁搅拌提高板坯等轴晶 没有固态相变，凝固过程极易产生粗大的柱状晶 率、进而改善不锈钢抗皱性能的研究开始受到国 组织川现有研究表明，各向异性柱状晶铸态组织 内外冶金工作者的重视)然而，连俦板坯断面宽 对其后续板材加工性能具有不良影响，是导致铁 厚比大、铸机设备复杂，在二冷区铸机辊列间设计 素体不锈钢冷轧或深冲加工过程常见皱折或瓦楞 与安装合适的电磁搅拌器技术难度较大，至今也 状缺陷(Wrinkling/ridging defect)的重要原因 只有少数几个电气工程公司可以独立开发，如欧 Hamada等B-研究指出，柱状晶热轧后形成的带 洲ABB、Rotelec以及我国的中科电气等.其中，行 状织构可能是这类产品发生皱折缺陷的诱因，提 波磁场搅拌器可以在铸坯凝固前沿产生较强的横 高铸坯等轴晶组织比例则可以改善产品的表面质 向电磁推力、抑制柱状晶生长，是当前发展板坯铸 量.实践表明，板坯等轴晶率(Equiaxed crystal ratio, 流电磁搅拌的主导技术.基于搅拌器线圈设计和 ECR)若能提高到45%以上则可基本消除其冷轧 安装形式的差异，当前主要有新日铁DKS的插入 材成形加工的皱折缺陷. 式辊间搅拌器、ABB辊后箱式搅拌器和Rotelec辊 然而，常规连铸生产工艺中，通过诸如降低浇 式搅拌器等，由于DKS的安装需要对铸机二冷 铸过热度、弱化冷却，乃至常规的结晶器电磁搅拌 扇形段辊列结构进行较大改造，箱式和辊式成为 等均很难有效提高铁素体不锈钢板坯等轴晶率阿 目前最受关注的连铸板坯二冷区搅拌器.Barna等 近年来，在结品器下部的连铸二冷辊列区使用铸 研究了辊后箱式搅拌器作用下铸坯内部钢液的流 流电磁搅拌，尤其是使用能产生横向电磁推力的 动情况，揭示了其具有在铸坯内外弧产生不对称 行波磁场搅拌来抑制板坯连铸柱状晶生长已成为 磁场分布的特征.本文作者提出了一种辊式搅 国内外关注的重点，并已在不锈钢、硅钢等凝固柱 拌器的两对辊结构，认为其不仅具有较低的装备 状晶倾向较大钢种连铸生产中得到不同程度的应 成本，也具有较大的有效搅拌区域和凝固前沿冲 用门.深入研究各种行波磁场电磁搅拌机理、冶金 刷速度：这将有利于促进铸坯中心钢液过热耗散、 效果，以实现铸坯等轴品率的稳定提高已成为行 有效地促进等轴晶生成.张开等对比了几种辊 业十分关注的问题 式搅拌器安装形式对磁场和流场的影响，发现相 Burden等图早期研究指出，凝固过程中一定 邻安装的电磁辊电磁力最大但搅拌区域较小 的流体流动可耗散钢液过热度、熔断枝晶，促进等 当前生产应用中，选择箱式还是辊式搅拌，以 轴晶形核.Itoh等9发现在430铁素体不锈钢连铸 及辊式搅拌如何配置还存在一定的盲目性.基于 坯生产过程中施加机械振动，可以促进枝晶游离、 行波磁场特性及其电磁流体动力学分析，合理设 提高铸坯等轴晶率；并发现在低过热度浇铸过程 计与选用板坯二冷区铸流电磁搅拌至今仍鲜有报 的机械振动能够将铸坯等轴晶率提高到很高的程 道.本研究通过建立分段电磁-流动-传热和凝固 度，但实际生产中钢水过热度过低会造成浇铸不 耦合模型，揭示基于行波磁场的不同搅拌方式对 畅乃至水口冷凝堵塞等现象而影响连铸顺行 不锈钢板坯二冷区内冶金传输行为的影响，并通 Takeuchi-和Ujiie等Ia研究了过热度和电磁搅 过实验验证模型的预测，以期为提高铸坯内部等 拌对430不锈钢铸坯等轴晶率的综合影响，发现 轴晶率、改善不锈钢产品表面质量提供理论与实

symmetric behavior when applying a roller-type electromagnetic stirrer (R-EMS). At an electrical power of 400 kW and frequency of 7  Hz,  the  current  intensity  of  the  R-EMS  is  higher  than  that  of  the  B-EMS  by  75  A,  achieving  a  more  efficient  stirring  effect  for promoting equiaxed crystal nucleation in front of the solidified shell. In casting experiments in a stainless-steel slab caster, both the B￾EMS and R-EMS are found to inhibit the growth of columnar crystals through nucleation of the heads of the dendrites, which realizes an equiaxed crystal ratio of the slab casting 45% higher than its threshold value. In addition, an R-MES with two pairs of rollers using inverse thrust EMS forces can produce an equiaxed crystal ratio 17% higher than that achieved by the B-EMS, and can thus be used in the casting production of ferritic stainless steels to obtain final strip products with no ridging defects. KEY  WORDS    ferritic  stainless  steel； traveling-wave  magnetic  field； roller-type  electromagnetic  stirrer； box-type  electromagnetic stirrer；equiaxed crystal ratio 铁素体不锈钢是一类节镍经济型铬系不锈 钢，具有很好的耐均匀腐蚀、耐点蚀和应力腐蚀性 能，应用广泛. 由于其导热性好、凝固温区窄且多 没有固态相变，凝固过程极易产生粗大的柱状晶 组织[1] . 现有研究表明，各向异性柱状晶铸态组织 对其后续板材加工性能具有不良影响，是导致铁 素体不锈钢冷轧或深冲加工过程常见皱折或瓦楞 状缺陷 （ Wrinkling  /ridging  defect）的重要原因 [2] . Hamada 等[3−5] 研究指出，柱状晶热轧后形成的带 状织构可能是这类产品发生皱折缺陷的诱因，提 高铸坯等轴晶组织比例则可以改善产品的表面质 量. 实践表明，板坯等轴晶率（Equiaxed crystal ratio, ECR）若能提高到 45% 以上则可基本消除其冷轧 材成形加工的皱折缺陷. 然而，常规连铸生产工艺中，通过诸如降低浇 铸过热度、弱化冷却，乃至常规的结晶器电磁搅拌 等均很难有效提高铁素体不锈钢板坯等轴晶率[6] . 近年来，在结晶器下部的连铸二冷辊列区使用铸 流电磁搅拌，尤其是使用能产生横向电磁推力的 行波磁场搅拌来抑制板坯连铸柱状晶生长已成为 国内外关注的重点，并已在不锈钢、硅钢等凝固柱 状晶倾向较大钢种连铸生产中得到不同程度的应 用[7] . 深入研究各种行波磁场电磁搅拌机理、冶金 效果，以实现铸坯等轴晶率的稳定提高已成为行 业十分关注的问题. Burden 等[8] 早期研究指出，凝固过程中一定 的流体流动可耗散钢液过热度、熔断枝晶，促进等 轴晶形核. Itoh 等[9] 发现在 430 铁素体不锈钢连铸 坯生产过程中施加机械振动，可以促进枝晶游离、 提高铸坯等轴晶率；并发现在低过热度浇铸过程 的机械振动能够将铸坯等轴晶率提高到很高的程 度，但实际生产中钢水过热度过低会造成浇铸不 畅乃至水口冷凝堵塞等现象而影响连铸顺行. Takeuchi[10−11] 和 Ujiie 等[12] 研究了过热度和电磁搅 拌对 430 不锈钢铸坯等轴晶率的综合影响，发现 随着电磁搅拌器安装位置的下移，可以在过热度 波动条件下也能获得较高的等轴晶率. 有鉴于此， 基于结晶器下部二冷区电磁搅拌提高板坯等轴晶 率、进而改善不锈钢抗皱性能的研究开始受到国 内外冶金工作者的重视[13] . 然而，连铸板坯断面宽 厚比大、铸机设备复杂，在二冷区铸机辊列间设计 与安装合适的电磁搅拌器技术难度较大，至今也 只有少数几个电气工程公司可以独立开发，如欧 洲 ABB、Rotelec 以及我国的中科电气等. 其中，行 波磁场搅拌器可以在铸坯凝固前沿产生较强的横 向电磁推力、抑制柱状晶生长，是当前发展板坯铸 流电磁搅拌的主导技术. 基于搅拌器线圈设计和 安装形式的差异，当前主要有新日铁 DKS 的插入 式辊间搅拌器、ABB 辊后箱式搅拌器和 Rotelec 辊 式搅拌器等[14] . 由于 DKS 的安装需要对铸机二冷 扇形段辊列结构进行较大改造，箱式和辊式成为 目前最受关注的连铸板坯二冷区搅拌器. Barna 等[15] 研究了辊后箱式搅拌器作用下铸坯内部钢液的流 动情况，揭示了其具有在铸坯内外弧产生不对称 磁场分布的特征. 本文作者[16] 提出了一种辊式搅 拌器的两对辊结构，认为其不仅具有较低的装备 成本，也具有较大的有效搅拌区域和凝固前沿冲 刷速度；这将有利于促进铸坯中心钢液过热耗散、 有效地促进等轴晶生成. 张开等[17] 对比了几种辊 式搅拌器安装形式对磁场和流场的影响，发现相 邻安装的电磁辊电磁力最大但搅拌区域较小. 当前生产应用中，选择箱式还是辊式搅拌，以 及辊式搅拌如何配置还存在一定的盲目性. 基于 行波磁场特性及其电磁流体动力学分析，合理设 计与选用板坯二冷区铸流电磁搅拌至今仍鲜有报 道. 本研究通过建立分段电磁‒流动‒传热和凝固 耦合模型，揭示基于行波磁场的不同搅拌方式对 不锈钢板坯二冷区内冶金传输行为的影响，并通 过实验验证模型的预测，以期为提高铸坯内部等 轴晶率、改善不锈钢产品表面质量提供理论与实 · 798 · 工程科学学报，第 43 卷，第 6 期

肖红等：行波磁场铸流搅拌提升不锈钢板坯等轴晶率 799· 验依据 为辊式搅拌器(Roller--typed electromagnetic stirrer, 1模型建立 R-EMS).不同于常用的电磁旋转搅拌器，这类行 波磁场搅拌器可以产生沿板坯宽向的较强电磁推 基于实际生产所用弧形半径为8m、1280mm× 力，更容易均匀地打断坯壳凝固前沿的柱状晶，促 200mm断面直弧型不锈钢板坯连铸机，研究铸流 进柱状晶向等轴晶转变.其中，辊式行波搅拌器按 二冷区不同形式与电磁推力特征行波磁场搅拌器 电磁辊设计、在铸流上布置与电磁推力特征，又分 的冶金效果，搅拌器在铸流二冷区的安装形式如 为相邻辊同向推力型(R-EMS-2)、间隔辊同向推力 图1所示.按搅拌器结构形式，一种为箱式搅拌器 型(R-EMS-T)和间隔辊反向推力型(R-EMS-F),如 (Box-typed electromagnetic stirrer,.B-EMS),另一种 图2所示 (a) Mold (b) Mold Segment 1 Segment 1 -Segment 2 Segment 2 1 Segment 3 Segment 3 Segment 4 Segment 4 图1搅拌器类型及其在板坯铸流中安装形式.(a)箱式搅拌器：(b)辊式搅拌器 Fig.1 Schematic of the strand stirrer type and installation:(a)B-EMS (b)R-EMS (a) (b) (c) (d) 图2搅拌器布置与电磁推力特征.(a)箱式：(b)相邻辊同向推力型：(c)间隔辊同向推力型：(d)间隔辊反向推力型 Fig.2 Schematic of the stirrer location and electromagnetic force:(a)B-EMS;(b)R-EMS-2;(c)R-EMS-T;(d)R-EMS-F 为了分析上述不同搅拌形式及其搅拌工艺参1.1模型基本假设 数对板坯连铸与凝固过程流动、传热、凝固与电 (1)为了稳定发挥二冷铸流搅拌的效果，分析 磁作用规律的影响，结合铸流特征采用计算域分 板坯连铸过程的恒拉速稳态浇铸阶段，全铸流液 段法建立1280mm×200mm断面1Cr17铁素体不 芯钢液流动采用低雷诺数k-ε湍流模型描述8-1， 锈钢连铸板坯电磁、流动、传热和凝固的耦合模 (2)钢液热物性按常数处理，同时忽略凝固收 型，并重点研究不同类型行波磁场铸流搅拌的作 缩和固态相变潜热的影响； 用效果.其中，行波磁场电磁搅拌模型主要包括线 (3)板坯连铸二冷区搅拌过程中，钢液流动产 圈、铁芯、铸坯和相关间隙空气域 生的磁雷诺数m《1,故可简化为磁场作用在流

验依据. 1    模型建立 基于实际生产所用弧形半径为 8 m、1280 mm× 200 mm 断面直弧型不锈钢板坯连铸机，研究铸流 二冷区不同形式与电磁推力特征行波磁场搅拌器 的冶金效果，搅拌器在铸流二冷区的安装形式如 图 1 所示. 按搅拌器结构形式，一种为箱式搅拌器 (Box-typed  electromagnetic  stirrer,  B-EMS)，另一种 为辊式搅拌 器 (Roller-typed  electromagnetic  stirrer, R-EMS). 不同于常用的电磁旋转搅拌器，这类行 波磁场搅拌器可以产生沿板坯宽向的较强电磁推 力，更容易均匀地打断坯壳凝固前沿的柱状晶，促 进柱状晶向等轴晶转变. 其中，辊式行波搅拌器按 电磁辊设计、在铸流上布置与电磁推力特征，又分 为相邻辊同向推力型 (R-EMS-2)、间隔辊同向推力 型 (R-EMS-T) 和间隔辊反向推力型 (R-EMS-F)，如 图 2 所示. Mold (a)4130 mm 4000 mm 3870 mm Segment 1 Segment 2 Segment 3 Segment 4 5200 mm 4130 mm 3870 mm 3800 mm Mold Segment 1 Segment 2 Segment 3 Segment 4 (b) 图 1    搅拌器类型及其在板坯铸流中安装形式. （a）箱式搅拌器；（b）辊式搅拌器 Fig.1    Schematic of the strand stirrer type and installation: (a) B-EMS (b) R-EMS (a) (b) (c) (d) Z X Y 图 2    搅拌器布置与电磁推力特征. （a）箱式；（b）相邻辊同向推力型；（c）间隔辊同向推力型；（d）间隔辊反向推力型 Fig.2    Schematic of the stirrer location and electromagnetic force: (a) B-EMS; (b) R-EMS-2; (c) R-EMS-T; (d) R-EMS-F 为了分析上述不同搅拌形式及其搅拌工艺参 数对板坯连铸与凝固过程流动、传热、凝固与电 磁作用规律的影响，结合铸流特征采用计算域分 段法建立 1280 mm×200 mm 断面 1Cr17 铁素体不 锈钢连铸板坯电磁、流动、传热和凝固的耦合模 型，并重点研究不同类型行波磁场铸流搅拌的作 用效果. 其中，行波磁场电磁搅拌模型主要包括线 圈、铁芯、铸坯和相关间隙空气域. 1.1    模型基本假设 （1）为了稳定发挥二冷铸流搅拌的效果，分析 板坯连铸过程的恒拉速稳态浇铸阶段，全铸流液 芯钢液流动采用低雷诺数 k-ε 湍流模型描述[18−19] ； （2）钢液热物性按常数处理，同时忽略凝固收 缩和固态相变潜热的影响； Rm ≪ 1 （3）板坯连铸二冷区搅拌过程中，钢液流动产 生的磁雷诺数 ，故可简化为磁场作用在流 肖    红等： 行波磁场铸流搅拌提升不锈钢板坯等轴晶率 · 799 ·

800 工程科学学报，第43卷，第6期 动上的单相耦合； (uiH) (4)搅拌器铁芯、钢液电导率和磁导率等物性 keff axi (13) 参数设为常数，同时假设钢液密度符合Boussinesq H=hretT CpdT+fL (14) 近似，采用时均电磁力代替其瞬态值 此外，为了便于全铸流分段计算模拟过程数 式中：P为压强，Pa;er为有效黏度系数，kgms; 据的传递和后处理，将二冷区弧形段等效为同尺 g为重力加速度，ms3;f和Cu为低雷诺数湍流双方 度垂直形状 程模型常数；山为层流黏度，kgms;4为湍流黏 1.2控制方程 度，kgms;FB为热浮力；B为热膨胀系数，K; 1.2.1电磁场 T为当地温度，K;T为液相线温度，K;Sp为描述凝 固两相糊状区渗流率的达西源项；Amush为糊状区 x正- (1) Ot 常数，设为5×10；C为0.0001；u为钢液流速，ms; 为拉速，ms;万为液相分率：T为固相线温度， V×B=0 (2) K:H为系统总格；kr为有效导热系数，k=k+p, 7=x3 (3) c为比定压热容，JkgK；L为凝固潜热，Jkg; hef为参考温度Trer下的参考热晗；Pn为湍流普朗 了=（正 (4) 特数，设为0.85 式中：V为哈密顿算子；E为电场强度，Vm;B为 1.3边界条件 磁感应强度，T:为时间，s:了为电流密度，Am2; 1.3.1电磁场 μ为磁导率，Hm;σ为电导率，Sm (1)B-EMS共有6个线圈，分别加载三相交流 时均电磁力： 电，各相电流相位差为120°； F压=Re7x (2)R-EMS每根辊中间有3个大线圈，两端含 (5) 有2个小线圈，分别加载两相交流电，各相电流相 式中：F为时均电磁力，Nm;为钢液中感应电 位差为90°； 流密度，Am2;Re表示对复数计算结果取实数部分 (3)磁力线与包围在搅拌器外的空气单元表 1.22流动与凝固 面平行； apui） (4)线圈与铁芯之间设为绝缘边界条件 =0 (6) axj 1.3.2流动与凝固 式中：p为密度，kgm;u为流股在x方向速度分 (I)计算域入口：利用Fluent中的Profile模块 量，ms 载入第一段计算域出口的速度、湍流、温度和液 相分率等数据信息作为入口边界条件0 ()=(P)+ucui+lucou (2)计算域出口：采用充分发展边界条件，沿 0x对j + 出口法线方向的所有物理量梯度为零； p8+FB+FE+Sp (3)壁面：根据二冷水量由经验公式计算获得 (7) 板坯表面对流换热系数 lef=凸+山 (8) 1.4模拟过程 k2 H-pf.Cw 自结晶器钢水弯月面向下沿铸流建立分段三 (9) 维网格化计算模型.其中，结品器及足辊区因没有 FB P8B(T-T1) (10) 电磁力作用，仅计算其凝固和钢液流动信息.流体 计算采用六面体网格，并在凝固和传输强度激烈 5pAmmsk(u-up) (11) 区域进行网格加密，第一层设置为0.5mm,增长率 Γ(f3+) 保持1.05.采用笛卡尔坐标系，X、Y分别对应铸坯 1 T≥T 的窄面和宽面，Z为拉坯方向.本研究主要关注铸 =1-天 T-Ts Ts<T<T (12) 流二冷区不同类型电磁搅拌作用下的电磁流体动 TI-Ts 力学效果及其差异，搅拌器之上计算域结果分析 T≤T 在此不再描述，结晶器区域的模型描述详见相关

动上的单相耦合； （4）搅拌器铁芯、钢液电导率和磁导率等物性 参数设为常数，同时假设钢液密度符合 Boussinesq 近似，采用时均电磁力代替其瞬态值. 此外，为了便于全铸流分段计算模拟过程数 据的传递和后处理，将二冷区弧形段等效为同尺 度垂直形状. 1.2    控制方程 1.2.1    电磁场 ∇ ×−→E = − ∂ −→B ∂t （1） ∇ ×−→B = 0 （2） −→J = ∇ × −→B µ （3） −→J = σ( −→E) （4） ∇ −→E −→B t −→J µ σ 式中： 为哈密顿算子； 为电场强度，V·m−1 ； 为 磁感应强度，T； 为时间，s； 为电流密度，A·m−2 ； 为磁导率，H·m−1 ； 为电导率，S·m−1 . 时均电磁力： FE= 1 2 Re(−→j × −→B) （5） FE −→j Re 式中： 为时均电磁力，N·m−3 ； 为钢液中感应电 流密度，A·m−2 ； 表示对复数计算结果取实数部分. 1.2.2    流动与凝固 ∂(ρuj) ∂x j = 0 （6） 式中： ρ 为密度，kg·m uj xj −3 ； 为流股在 方向速度分 量，m·s−1 . ρ ∂(uiuj) ∂xj = − ∂(P) ∂x j + ∂ ∂xj ( µeff ∂ui ∂xj ) + ∂ ∂xi ( µeff ∂uj ∂xi ) + ρg+ FB + FE +S P （7） µeff = µl +µt （8） µt=ρ fµCµ k 2 ε （9） FB = ρgβ(T −Tl) （10） S P= (1− fl) 2 (fl 3 +ζ) Amush(u−up) （11） fl = 1− fs =    1 T ⩾ Tl T −Ts Tl −Ts Ts < T < Tl 0 T ⩽ Ts （12） ρ ∂(uiH) ∂xj = ∂ ∂xi ( keff ∂T ∂xi ) （13） H = href + w T Tref cpdT + flL （14） P µeff g fµ Cµ µl µt FB β T Tl S P Amush u up fl Ts keff keff=kl + cpµt Prt cp L href Tref Prt 式中： 为压强，Pa； 为有效黏度系数，kg·m−1·s−1 ； 为重力加速度，m·s−2 ； 和 为低雷诺数湍流双方 程模型常数； 为层流黏度，kg·m−1·s−1 ； 为湍流黏 度 ， kg·m−1·s−1 ； 为热浮力； 为热膨胀系数，K −1 ； 为当地温度，K； 为液相线温度，K； 为描述凝 固两相糊状区渗流率的达西源项； 为糊状区 常数，设为 5×108 ；ζ 为 0.0001； 为钢液流速，m·s−1 ； 为拉速，m·s−1 ； 为液相分率； 为固相线温度， K；H 为系统总焓； 为有效导热系数， ； 为比定压热容， J·kg−1·K−1 ； 为凝固潜热， J·kg−1 ； 为参考温度 下的参考热晗； 为湍流普朗 特数，设为 0.85. 1.3    边界条件 1.3.1    电磁场 （1）B-EMS 共有 6 个线圈，分别加载三相交流 电，各相电流相位差为 120°； （2）R-EMS 每根辊中间有 3 个大线圈，两端含 有 2 个小线圈，分别加载两相交流电，各相电流相 位差为 90°； （3）磁力线与包围在搅拌器外的空气单元表 面平行； （4）线圈与铁芯之间设为绝缘边界条件. 1.3.2    流动与凝固 （1）计算域入口：利用 Fluent 中的 Profile 模块 载入第一段计算域出口的速度、湍流、温度和液 相分率等数据信息作为入口边界条件[20] . （2）计算域出口：采用充分发展边界条件，沿 出口法线方向的所有物理量梯度为零； （3）壁面：根据二冷水量由经验公式计算获得 板坯表面对流换热系数[21] . 1.4    模拟过程 自结晶器钢水弯月面向下沿铸流建立分段三 维网格化计算模型. 其中，结晶器及足辊区因没有 电磁力作用，仅计算其凝固和钢液流动信息. 流体 计算采用六面体网格，并在凝固和传输强度激烈 区域进行网格加密，第一层设置为 0.5 mm，增长率 保持 1.05. 采用笛卡尔坐标系，X、Y 分别对应铸坯 的窄面和宽面，Z 为拉坯方向. 本研究主要关注铸 流二冷区不同类型电磁搅拌作用下的电磁流体动 力学效果及其差异，搅拌器之上计算域结果分析 在此不再描述，结晶器区域的模型描述详见相关 · 800 · 工程科学学报，第 43 卷，第 6 期