D0I:10.13374/j.issnl(00103x.2011.01.003 第33卷第1期 北京科技大学学报 Vo]33 No 1 2011年1月 JoumalofUniversity of Science and Technopgy Beijng Jan 2011 末端电磁搅拌位置确定及对SWR82B钢中心偏析的 影响 丁宁12烟 包燕平”孙奇松》王立峰) 1)首钢技术研究院。北京1000432)北京科技大学治金与生态工程学院.北京100083 ☒通信作者，Ema1hsi视04@126cm 摘要结合方坯连铸机二冷各段的实际情况。采用有限元软件A、NSYS建立了传热数学模型，并利用射钉结果修正数学模型 中各段的传热系数提高数学模型的准确性.结果表明，利用修正过的数学模型可以模拟整个铸机的传热凝固过程。根据射 钉和数值模拟结果，确定电磁搅拌位置.采用电磁搅拌后，铸坯中心碳偏析和缩孔下降 关键词碳钢：连铸：电磁搅拌：偏析；数学模型 分类号TF7777 Location detemm ination of fnal electrom agnetic stirring and its effect on central carbon segregation for SRH82 B steel DNG Nng BAO YanPing SN Qi ong)WANG Li-fing) 1)Shougang Research stitute of Technobgy Beijing 100043 Chna 2)School ofMe mlurgical and EookgialEngineering University of Sc ience and Teclokgy Beijng Beijing 100083 China Comesponding auhor Email dnsip04@126 cm ABSTRACT In combination wih he actual sitation of the secondary coolng of a billet con tinuous caser a heat transermathem ati cal modelwas established wih fnite elment sofware ANSYS Heat tansfer coefficien ts in different secondary cooling regions were modifie on he basis of pin shooting results to mprove he accuracy of he mathematicalmode]The results show that the modifed mathematical model can smulate he whole heat transfer and solidification process of the continuous caster The pcation of electron ag netic stirrng was detemne by referencng he resu lts ofnumerical siultion and pin shooting techn ques Central carbon segregaton and porosities n biletswere allevated by adoptng electromagnetic stirring KEY WORDS carbon steel con tinuous castng electim aghetic stirrng segregation m athem atical models 高碳钢82连铸过程中经常出现内部缺陷，从 搅拌进行研究来提高内部质量9.用ANSYS漱件 而使轧材的废品增加.采用连铸坯凝固末端增加电 建立数学模型，计算凝固铸坯的温度场，并在首钢方 磁搅拌的方法可以减少中心偏析及中心缩孔等缺 坯连铸机上进行射钉实验，测定了目标点处坯壳的 陷，提高铸坯内在质量.末端电磁搅拌作用的实质 实际厚度，从而修正了传热数学模型，并根据计算结 是借助在铸坯液芯中的感生电磁力强化钢水的运 果确定末端电磁搅拌位置， 动，以此影响钢水的对流、传热和传质的过程从而 控制凝固过程一.为了获得最佳的搅拌效果必须 1射钉实验 选择合适的安装位置，安装位置处铸坯要有足够的 为了获得最佳的末端电磁搅拌效果，必须选择 液芯，同时电磁搅拌器必须具有足够大的功率搅动 合适的末端电磁搅拌安装位置.末端电磁搅拌器的 凝固末端的糊状区.本研究采用小方坯连铸，在 安装位置和合适的搅拌强度对获得改善铸坯中心偏 提高拉速和冷却水的条件下，在凝固末端采取电磁 析的最佳效果至关重要.本次实验采用160m< 收稿日期：2010-03-05
第 33卷 第 1期 2011年 1月 北 京 科 技 大 学 学 报 JournalofUniversityofScienceandTechnologyBeijing Vol.33 No.1 Jan.2011 末端电磁搅拌位置确定及对 SWRH82B钢中心偏析的 影响 丁 宁 1, 2) 包燕平 2) 孙奇松 1) 王立峰 1) 1)首钢技术研究院, 北京 100043 2)北京科技大学冶金与生态工程学院, 北京 100083 通信作者, E-mail:dnsir204@126.com 摘 要 结合方坯连铸机二冷各段的实际情况, 采用有限元软件 ANSYS建立了传热数学模型, 并利用射钉结果修正数学模型 中各段的传热系数, 提高数学模型的准确性.结果表明, 利用修正过的数学模型可以模拟整个铸机的传热凝固过程.根据射 钉和数值模拟结果, 确定电磁搅拌位置.采用电磁搅拌后, 铸坯中心碳偏析和缩孔下降. 关键词 碳钢;连铸;电磁搅拌;偏析;数学模型 分类号 TF777.7 Locationdeterminationoffinalelectromagneticstirringanditseffectoncentral carbonsegregationforSWRH82Bsteel DINGNing1, 2) , BAOYan-ping2) , SUNQi-song1) , WANGLi-feng1) 1)ShougangResearchInstituteofTechnology, Beijing100043, China 2)SchoolofMetallurgicalandEcologicalEngineering, UniversityofScienceandTechnologyBeijing, Beijing100083, China Correspondingauthor, E-mail:dnsir204@126.com ABSTRACT Incombinationwiththeactualsituationofthesecondarycoolingofabilletcontinuouscaster, aheat-transfermathematicalmodelwasestablishedwithfiniteelementsoftwareANSYS.Heat-transfercoefficientsindifferentsecondarycoolingregionswere modifiedonthebasisofpin-shootingresultstoimprovetheaccuracyofthemathematicalmodel.Theresultsshowthatthemodified mathematicalmodelcansimulatethewholeheat-transferandsolidificationprocessofthecontinuouscaster.Thelocationofelectromagneticstirringwasdeterminedbyreferencingtheresultsofnumericalsimulationandpin-shootingtechniques.Centralcarbonsegregation andporositiesinbilletswerealleviatedbyadoptingelectromagneticstirring. KEYWORDS carbonsteel;continuouscasting;electromagneticstirring;segregation;mathematicalmodels 收稿日期:2010-03-05 高碳钢 82B连铸过程中经常出现内部缺陷, 从 而使轧材的废品增加.采用连铸坯凝固末端增加电 磁搅拌的方法可以减少中心偏析及中心缩孔等缺 陷, 提高铸坯内在质量 .末端电磁搅拌作用的实质 是借助在铸坯液芯中的感生电磁力强化钢水的运 动, 以此影响钢水的对流、传热和传质的过程, 从而 控制凝固过程 [ 1--2] .为了获得最佳的搅拌效果,必须 选择合适的安装位置 ,安装位置处铸坯要有足够的 液芯 ,同时电磁搅拌器必须具有足够大的功率搅动 凝固末端的糊状区 [ 3--4] .本研究采用小方坯连铸 ,在 提高拉速和冷却水的条件下, 在凝固末端采取电磁 搅拌进行研究来提高内部质量 [ 5] .用 ANSYS软件 建立数学模型,计算凝固铸坯的温度场,并在首钢方 坯连铸机上进行射钉实验 , 测定了目标点处坯壳的 实际厚度,从而修正了传热数学模型 ,并根据计算结 果确定末端电磁搅拌位置 . 1 射钉实验 为了获得最佳的末端电磁搅拌效果, 必须选择 合适的末端电磁搅拌安装位置 .末端电磁搅拌器的 安装位置和合适的搅拌强度对获得改善铸坯中心偏 析的最佳效果至关重要.本次实验采用 160 mm× DOI :10.13374/j .issn1001 -053x.2011.01.003
。18 北京科技大学学报 第33卷 160m防坯连铸机生产82B高碳钢时进行连铸坯 凝固壳厚度的测定，在拉速分别为1.8、20mm前 及其不同的二冷比水量的条件下，用射钉方法测定 坯壳厚度和液芯尺寸，进而得到凝固系数，并计算各 位置的坯壳厚度和液芯尺寸，从而确定合适的末端 : 电磁搅拌安装位置. 射钉实验得到的铸坯经酸浸蚀后低倍观察，照 片如图1所示，图中标示的部分为液芯部分.射钉 实验结果列入表1.在恒定的二冷比水量条件下，铸 图1射钉照片 机的凝固系数为恒定值.根据实验所得结果可以利 Fg1 Phop of pin shooting 用凝固平方根定律公式如下式计算出不同工况 国内外学者对末端电磁搅拌技术的研究认为搅 下的凝固系数（见表1，从而计算不同位置的液芯 拌器安装在液芯直径为30~55mm的范围内能够有 直径9， 效地发挥搅拌的作用？-.由表1可以计算在 1.8mmT的拉速、1.2Lkg的二冷比水量条件 (1) 下，液芯直径为30~55mm的位置在距离弯月面 式中：6为坯壳厚度，m四K为凝固系数，mm 6.24~9.56四离开这个区域，液芯直径过大或过 mrn:为凝固时间，m识为弯月面到测量点的 小，影响搅拌效果.搅拌器在这一区域内进行搅拌 距离，四为铸坯的拉速，mmr 符合以前的研究成果 表1射钉结果 Tab l1 Pin shooting results 过热度/ 拉速/ 比水量/ 射钉位置距弯 射钉得到坯壳 射钉得到液芯 计算出结品器的 凝固系数. ℃ (mm) (上kgI) 月面距离/m 厚度/mm 面积/(mmx mm) 坯壳厚度/mm K/(mm m) 23 1.8 066 1075 64 32X32 109 261 3 18 1.20 1075 69 22X22 109 28.2 30 1.8 1.50 1075 70 20X20 109 28.6 25 20 1.45 1075 67 26×26 93 29.0 (3边界条件. 2 数学模型 ①结晶器传热：结晶器平均热流密度q 21凝固传热模型的建立 (Wmr2符合方程四 (1铸机的基本工艺条件.方坯弧形半径为 4268-B压 (4) 8四治金长度为19.46四铸坯断面尺寸为 其中热流密度系数B采用下面公式计算： 160mX160mr四结晶器长度为0.9甲足辊段长为 024四一段长为1.4四二段长为2.8四三段长为 B=3×268-Q (5) 25四足辊区和一段为水冷，二段和三段为汽水冷 却，水量分别为90.150、120和40Lmr,结晶器 Q-gamG·△T (6) 水量为1600mr,浇铸温度为1490℃液相线 式中：p为钢的密度，km;C为钢的比热容， 温度为1463℃固相线温度为1370℃. 子kg.℃：k妫钢的导热系数Wm1.℃：T 在方坯的连铸过程中，轴向的导热可以忽略，将 铸坯的传热视为二维非稳态导热；密度定为常 为铸坯温度，℃：X为铸坯断面坐标，四q为铸坯 数.采用二维切片法简化后的传热方程为： 向外传热热流，W。;Q为结晶器平均热流密度， W。m;为铸坯在结晶器内运动时间，§Q为结 +9 (2) 晶器冷却水量m·h;Aw为冷却水密度，k怒nr3; (2初始条件. w为水的比热容，于kg1。℃-；△T为结晶器进出水 = (3) 温差℃；S为结晶器有效受热面积
北 京 科 技 大 学 学 报 第 33卷 160 mm方坯连铸机生产 82B高碳钢时进行连铸坯 凝固壳厚度的测定 ,在拉速分别为 1.8、2.0 m·min -1 及其不同的二冷比水量的条件下 , 用射钉方法测定 坯壳厚度和液芯尺寸,进而得到凝固系数,并计算各 位置的坯壳厚度和液芯尺寸, 从而确定合适的末端 电磁搅拌安装位置 . 射钉实验得到的铸坯经酸浸蚀后低倍观察, 照 片如图 1所示 ,图中标示的部分为液芯部分 .射钉 实验结果列入表 1.在恒定的二冷比水量条件下 ,铸 机的凝固系数为恒定值 .根据实验所得结果可以利 用凝固平方根定律公式 (如下式 )计算出不同工况 下的凝固系数 (见表 1), 从而计算不同位置的液芯 直径 [ 6] . δ=Kt=K l v (1) 式中 :δ为坯 壳厚度 , mm;K为凝 固系数 , mm· min -1/2;t为凝固时间, min;l为弯月面到测量点的 距离 , m;v为铸坯的拉速 , m·min -1. 图 1 射钉照片 Fig.1 Photoofpinshooting 国内外学者对末端电磁搅拌技术的研究认为搅 拌器安装在液芯直径为 30 ～ 55 mm的范围内能够有 效地发挥搅拌的作用 [ 7--9] .由表 1 可以计算, 在 1.8m·min -1的拉速、1.2 L·kg -1的二冷比水量条件 下 ,液芯直径为 30 ～ 55 mm的位置在距离弯月面 6.24 ～ 9.56 m.离开这个区域 ,液芯直径过大或过 小 ,影响搅拌效果 .搅拌器在这一区域内进行搅拌 符合以前的研究成果 . 表 1 射钉结果 Table1 Pin-shootingresults 过热度 / ℃ 拉速 / (m·min-1 ) 比水量 / (L·kg-1 ) 射钉位置距弯 月面距离 /m 射钉得到坯壳 厚度 /mm 射钉得到液芯 面积 /(mm×mm) 计算出结晶器的 坯壳厚度 /mm 凝固系数, K/(mm·min-1/2 ) 23 1.8 0.66 10.75 64 32×32 10.9 26.1 29 1.8 1.20 10.75 69 22×22 10.9 28.2 30 1.8 1.50 10.75 70 20×20 10.9 28.6 25 2.0 1.45 10.75 67 26×26 9.3 29.0 2 数学模型 2.1 凝固传热模型的建立 (1)铸机的基本工艺条件 .方坯弧形半径为 8 m, 冶 金 长 度 为 19.46 m, 铸 坯 断 面 尺 寸 为 160 mm×160mm;结晶器长度为 0.9 m, 足辊段长为 0.24 m,一段长为 1.4 m, 二段长为 2.8 m,三段长为 2.5 m;足辊区和一段为水冷, 二段和三段为汽水冷 却, 水量分别为 90、150、120和 40 L·min -1 , 结晶器 水量为 1 600 L·min -1 ;浇铸温度为 1 490 ℃, 液相线 温度为 1 463 ℃, 固相线温度为 1 370 ℃. 在方坯的连铸过程中,轴向的导热可以忽略 ,将 铸坯的传热视为二维非稳态导热 [ 10] ;密度定为常 数.采用二维切片法, 简化后的传热方程为 : ρCp T t = x k T x + y k T y +qv (2) (2)初始条件. T=T0 (3) (3)边界条件 . ① 结 晶 器 传 热 :结 晶 器 平 均 热 流 密 度 q (W·cm -2)符合方程 [ 11] q=268 -β tm (4) 其中热流密度系数 β采用下面公式计算 : β = 3 2 × 268 -Q tm (5) Q= QW·ρW·CW·ΔT S (6) 式中:ρ为钢的密度, kg· m -3;Cp为钢的比热容 , J·kg -1 ·℃ -1;k为钢的导热系数, W·m -1 ·℃ -1 ;T 为铸坯温度 , ℃;x、y为铸坯断面坐标 , m;qv为铸坯 向外传热热流, W·cm -2 ;Q为结晶器平均热流密度 , W·cm -2 ;tm为铸坯在结晶器内运动时间 , s;QW为结 晶器冷却水量, m 3 ·h -1;ρW为冷却水密度 , kg·m -3 ; CW为水的比热容, J·kg -1 ·℃ -1;ΔT为结晶器进出水 温差, ℃;S为结晶器有效受热面积, m 2 . · 18·
第1期 丁宁等：末端电磁搅拌位置确定及对SWRH82B钢中心偏析的影响 。19° 计算结果为生268-20.29、 系数 ②二冷区传热：=h工一I). 液相密度为7000k怒。r3,两相区密度为 对于二冷区换热系数，不同的研究者给出了不 7200k8r?固相密度为7400kgm3 同的计算公式，本文采用如下经验公式 2.2计算结果分析 h=581W451X(1-00075w) (7) 为了提高数学模型的准确性，根据射钉处的坯 式中：w为二冷水温度℃h为二冷喷嘴传热系 壳厚度来修正数学模型中的二冷传热系数，使数学 数，Wr2。℃；为铸坯表面温度，℃；w为水 模型计算的坯壳厚度与实测的结果一致.在拉速为 流密度，r2, 1.8mmT1、二冷比水量为1.2kg时，铸坯中 ③空冷区传热：铸坯出二冷区后，在空气中冷 心、表面中心和角部的温度变化曲线计算结果如 却，主要传热方式是辐射换热，空冷区辐射换热按第 图2所示.用测温仪在空冷区域对铸坯表面测温， 三类边界条件处理： 与模型计算结果对比如表2所示.从结果可以看出 生eo[(T+273)-(T+273)1 (8) 修正后的数学模型的计算结果与实测温度更接近. 式中：为铸坯表面温度，℃；T为环境温度，℃e 1500e 为辐射系数，0.&σ为斯蒂芬一玻尔兹曼常量， 1400 567X108Wm2.℃-4. 13004 -铸坯表巾心 (4)网格划分.根据对称性，选14为研究对 12002 一铸坯中心 …铸坯角部 象，用四节点的四边形进行网格划分以 到1100 (5物性参数处理.采用等效比热容的方式来 1000 900 处理凝固过程潜热的释放，即在固液两相区内，把潜 热的作用加在比热容上.表达式为： 800 Gar-C+C 1 006 10 15 20 2十T-E (9) 距弯月血i距离m 式中：C为等效比热容，k好kg'。℃；CC为固 图2铸坯凝固过程温度变化 Fg2 Variation of temperaure in he so lidification Process of cast 相和液相的比热容C=1170下kg.℃-，C= ings 1470Jkg。℃；L为凝固潜热，L=214k 表2模型计算温度与实测温度的对比 kg1,工、T为钢的固相线温度和液相线温 Tab le2 Comn parison of tem perature beween calculation and measurng 度℃ 距弯月面 距弯月面 距弯月面 距弯月面 导热系数入为温度的线性函数，即入= 1006m 1006m 1287m 1287m 位置 159+1.17×102T对于综合考虑对流和结晶器 处实测 处计算 处实测 处计算 温度℃ 电磁搅拌因素的影响，采用扩大导热系数的办法来 温度℃ 温度℃ 温度℃ 表面中心 980 975 970 97 等效代替.对于液相区m取值为5固相区m取值 铸坯角部 890 883 867 887 为↓两相区采用液相区和固相区平均值的方法. 入c=m以 (10) 截面温度场的计算结果如图3所示.结晶器出 式中，入为等效导热系数.m为导热系数的修正 口坯壳厚度为10mm左右，距离弯月面1075m处 N N (b) (c) 8669501040110m1I701250137014651480 8639501040110011701250130013701395 879501040110m1170120130013701378 图3不同截面的温度场.（两结品器出口截面：(b)9m藏面：(c9)1075m处截面 Fg 3 Temperatre feH of differnt sectins (a)outkt of the continuous castingmo (b)9m fron themeniscus 10 75 m fom themenis aIs
第 1期 丁 宁等:末端电磁搅拌位置确定及对 SWRH82B钢中心偏析的影响 计算结果为 q=268— 20.29 tm. ②二冷区传热:q=h(Tb -Tw). 对于二冷区换热系数, 不同的研究者给出了不 同的计算公式 ,本文采用如下经验公式 [ 11] : hf=581w 0.451 ×(1 -0.007 5TW ) (7) 式中 :TW为二冷水温度, ℃;hf为二冷喷嘴传热系 数, kW·m -2 ·℃ -1 ;Tb为铸坯表面温度 , ℃;w为水 流密度, L·m -2. ③空冷区传热:铸坯出二冷区后 , 在空气中冷 却, 主要传热方式是辐射换热 ,空冷区辐射换热按第 三类边界条件处理 : q=εσ[ (Tb +273) 4 -(Ta +273) 4 ] (8) 式中 :Tb为铸坯表面温度, ℃;Ta为环境温度, ℃;ε 为辐射系数, 0.8;σ为斯蒂芬 --玻尔兹 曼常 量, 5.67 ×10 -8 W·m -2 ·℃ -4 . (4)网格划分.根据对称性, 选 1/4 为研究对 象, 用四节点的四边形进行网格划分 [ 12] . (5)物性参数处理 .采用等效比热容的方式来 处理凝固过程潜热的释放,即在固液两相区内,把潜 热的作用加在比热容上 .表达式为: Ceff= Cs +Cl 2 + Lf Tl-TS (9) 式中 :Ceff为等效比热容 , kJ·kg -1 ·℃ -1 ;Cs、Cl为固 相和液相的比热容, Cs =1 170 J·kg -1 ·℃ -1 , Cl= 1 470 J·kg -1 ·℃ -1 ;Lf为 凝 固 潜 热, Lf =214 kJ· kg -1 [ 13] ;Ts、 Tl为钢的 固相 线温度 和液 相线 温 度, ℃. 图 3 不同截面的温度场.(a)结晶器出口截面;(b)9m截面;(c)10.75m处截面 Fig.3 Temperaturefieldofdifferentsections:(a)outletofthecontinuouscastingmold;(b)9mfromthemeniscus;(c)10.75mfromthemeniscus 导热系数 λ为温 度的线 性函数 [ 13] , 即 λ= 15.9 +1.17 ×10 -2 T.对于综合考虑对流和结晶器 电磁搅拌因素的影响 ,采用扩大导热系数的办法来 等效代替 .对于液相区 m取值为 5, 固相区 m取值 为 1,两相区采用液相区和固相区平均值的方法 . λeff=mλ (10) 式中 , λeff为等效导热系数, m为导热系数的修正 系数. 液相密 度为 7 000 kg· m -3 , 两 相区 密度为 7 200kg·m -3 ,固相密度为 7400 kg·m -3. 2.2 计算结果分析 为了提高数学模型的准确性, 根据射钉处的坯 壳厚度来修正数学模型中的二冷传热系数 , 使数学 模型计算的坯壳厚度与实测的结果一致.在拉速为 1.8m·min -1 、二冷比水量为 1.2 L·kg -1时, 铸坯中 心 、表面中心和角部的温度变化曲线计算结果如 图 2所示.用测温仪在空冷区域对铸坯表面测温 , 与模型计算结果对比如表 2所示.从结果可以看出 修正后的数学模型的计算结果与实测温度更接近. 图 2 铸坯凝固过程温度变化 Fig.2 Variationoftemperatureinthesolidificationprocessofcastings 表 2 模型计算温度与实测温度的对比 Table2 Comparisonoftemperaturebetweencalculationandmeasuring 位置 距弯月面 10.06m 处实测 温度 /℃ 距弯月面 10.06m 处计算 温度/℃ 距弯月面 12.87m 处实测 温度 /℃ 距弯月面 12.87m 处计算 温度 /℃ 表面中心 980 975 970 977 铸坯角部 890 883 867 887 截面温度场的计算结果如图 3所示.结晶器出 口坯壳厚度为 10 mm左右, 距离弯月面 10.75 m处 · 19·
。20 北京科技大学学报 第33卷 计算的液芯直径为25四距离弯月面9处的液芯 件下铸坯的缩孔数据如图7所示.可见，缩孔的等 直径为38四与式(1)计算接近. 级均不高于20级，并且0.5级及以下所占的比例 结合二冷室空间条件，在距离弯月面9m处有 超过了60%：对比图5的数据，铸坯的中心缩孔程 足够的空间可以安装搅拌器，因此对此处的液芯进 度也得到显著改善. 行计算.可以看出，数学模型计算结果与射钉结果 1,4 相接近，修正后的数学模型可以描述整个铸机的凝 1.2 00 固过程，计算距离弯月面不同位置处的坯壳厚度和 8, 铸坯表面的温度，为各段的二冷水量优化提供依据. 根据以上结论，选择将搅拌器安装在距离弯月面 0.8 9m处. 0.6 0 20 40 60 80 100 铸坏编号 3铸坯末端电磁搅拌技术的应用效果 图6有末端电磁搅拌的中心碳偏析指数 结合高碳钢的连铸工艺，经过多浇次实验并取 Fig 6 Index of central carbon segregation w ith final EMS 样分析，最终确定搅拌器的工作电流为400A频率 80 为6H,?并在这一工艺参数条件下进行高碳钢的工 芝60 业化生产 铸坯在应用末端电磁搅拌技术以前，生产82B 240 系列高碳钢连铸的中心偏析质量如图4所示.铸坯 20 中心偏析指数的最大值为1.30偏析指数平均值为 05 1.01.52.02.53.0 1.14表示数据离散程度的标准偏差为0094中心 缩孔等级 偏析程度较为严重.铸坯的中心缩孔如图5所示. 图7有末端电磁搅拌下中心缩孔等级 铸坯的中心缩孔程度尚可，铸坯中心缩孔的等级均 Fg7 Grade of ce知tral shrinka您cavities with final EMS 不高于20级，05级及以下所占的比例为46%. 1.4 4结论 44 64 a44a44 (1数学模型经过修正后计算的结果与射钉结 果相对应，能够模拟铸坯连铸过程的温度场. 0.8 (2对于本铸机，在距离弯月面9位置安装电 0.6 10 1520253035 磁搅拌器进行电磁搅拌可以取到较好的效果. 铸坯综号 (3铸坯应用末端电磁搅拌技术后，82B系列 图4无末端电磁搅拌的中心碳偏析指数 高碳钢铸坯的中心偏析指数平均值由原来的1.14 Fg4 Idex of centra l cabon segregat ion with no final EMS 降低到应用末端电磁搅拌技术后的1.08并且铸坯 质量的稳定性提高. 80 60 参考文献 II]Bodn A Sietsma J van der Zang S Texure and miciostucte deve bpment durng inter ritical ol ling of kw carban steel Metall Ma ter Trans A 2002 33(6):1589 0.5 1.01.52.02.53.0 【习 Tian L.Bao Y P HuangY J Effectofsoldification structures on 缩孔等级 the centmalsegrega tion of skbs JUnivSci TechrolBeijng 200 图5无末端电磁搅拌下中心缩孔等级 31(Sppl1为146 Fg 5 Grade of oentralshrnkage cavitieswith no fimalEMS (田陆，包燕平，黄郁君.凝固组织对连铸板坯中心偏析的影 响.北京科技大学学报，200931（增刊1片146） 应用末端电磁搅拌技术后，铸坯的中心偏析得 I3 Kollbe$Contrbution p he theory and experience of e kc to magnetic stiming in continuous casting Iron Stee Eng 1980 16 到较为明显的改善，如图6所示.图6为90块铸坯 (3.46 试样的分析数据，偏析指数的平均值为1.08最大 [9 ChenG Y NiHW ZhangH et al Sold ification regularity ofslab 值为1.22数据标准偏差为0.084.在这一工艺条 cmntinuous castng inW uhan Iron and Steel Corporation JWuhan
北 京 科 技 大 学 学 报 第 33卷 计算的液芯直径为 25mm,距离弯月面 9m处的液芯 直径为 38 mm,与式(1)计算接近 . 结合二冷室空间条件, 在距离弯月面 9 m处有 足够的空间可以安装搅拌器, 因此对此处的液芯进 行计算.可以看出, 数学模型计算结果与射钉结果 相接近,修正后的数学模型可以描述整个铸机的凝 固过程,计算距离弯月面不同位置处的坯壳厚度和 铸坯表面的温度,为各段的二冷水量优化提供依据. 根据以上结论, 选择将搅拌器安装在距离弯月面 9 m处. 3 铸坯末端电磁搅拌技术的应用效果 结合高碳钢的连铸工艺, 经过多浇次实验并取 样分析,最终确定搅拌器的工作电流为 400 A, 频率 为6 Hz,并在这一工艺参数条件下进行高碳钢的工 业化生产 . 铸坯在应用末端电磁搅拌技术以前, 生产 82B 系列高碳钢连铸的中心偏析质量如图 4所示.铸坯 中心偏析指数的最大值为 1.30,偏析指数平均值为 1.14, 表示数据离散程度的标准偏差为 0.094, 中心 偏析程度较为严重 .铸坯的中心缩孔如图 5 所示. 铸坯的中心缩孔程度尚可, 铸坯中心缩孔的等级均 不高于 2.0级, 0.5级及以下所占的比例为 46%. 图 4 无末端电磁搅拌的中心碳偏析指数 Fig.4 IndexofcentralcarbonsegregationwithnofinalEMS 图 5 无末端电磁搅拌下中心缩孔等级 Fig.5 GradeofcentralshrinkagecavitieswithnofinalEMS 应用末端电磁搅拌技术后 ,铸坯的中心偏析得 到较为明显的改善 ,如图 6所示 .图 6为 90块铸坯 试样的分析数据, 偏析指数的平均值为 1.08, 最大 值为 1.22, 数据标准偏差为 0.084.在这一工艺条 件下铸坯的缩孔数据如图 7所示 .可见 ,缩孔的等 级均不高于 2.0级, 并且 0.5级及以下所占的比例 超过了 60%;对比图 5的数据, 铸坯的中心缩孔程 度也得到显著改善. 图 6 有末端电磁搅拌的中心碳偏析指数 Fig.6 IndexofcentralcarbonsegregationwithfinalEMS 图 7 有末端电磁搅拌下中心缩孔等级 Fig.7 GradeofcentralshrinkagecavitieswithfinalEMS 4 结论 (1)数学模型经过修正后计算的结果与射钉结 果相对应,能够模拟铸坯连铸过程的温度场. (2)对于本铸机, 在距离弯月面 9m位置安装电 磁搅拌器进行电磁搅拌可以取到较好的效果. (3)铸坯应用末端电磁搅拌技术后 , 82B系列 高碳钢铸坯的中心偏析指数平均值由原来的 1.14 降低到应用末端电磁搅拌技术后的 1.08, 并且铸坯 质量的稳定性提高. 参 考 文 献 [ 1] BodinA, SietsmaJ, vanderZwaagS.Textureandmicrostructure developmentduringintercriticalrollingoflow-carbonsteel.Metall MaterTransA, 2002, 33(6):1589 [ 2] TianL, BaoYP, HuangYJ.Effectofsolidificationstructureson thecentralsegregationofslabs.JUnivSciTechnolBeijing, 2009, 31(Suppl1):146 (田陆, 包燕平, 黄郁君.凝固组织对连铸板坯中心偏析的影 响.北京科技大学学报, 2009, 31(增刊 1):146) [ 3] KollbergS.Contributiontothetheoryandexperienceofelectromagneticstirringincontinuouscasting.IronSteelEng, 1980, 16 (3):46 [ 4] ChenGY, NiHW, ZhangH, etal.Solidificationregularityofslab continuouscastinginWuhanIronandSteelCorporation.JWuhan · 20·
第1期 丁宁等：末端电磁搅拌位置确定及对SWRH82B钢中心偏析的影响 。21° Univ SciTechnol 2008 31(6)605 versity Press 2003 67 (陈光友，倪红卫，张华等.武钢板坯连铸凝固规律的研究. 陶文铨.数值传热学.西安：西安交通大学出版社，200367) 武汉科技大学学报，200831(6,605) 10]ChenW Q Nan X D Zhang K Q Sudy an centerlne segrega 【习Zhang SL Chen W Q Fen J The esearch ofF-MS n the con tio and posity of catinuous cast billets n hgh carban seel tnuous casting ofbillet Ioon Steel 2004 39(Suppb:134 product知HenanMetaⅡ200311(1：8 (张森林，陈伟庆冯军.小方坯连铸F一MS的研究.钢铁 (陈伟庆，南晓东，张克强.高碳钢连铸小方坯缩孔及中心偏 200439(增刊：134) 析的研究.河南治金，200311(1：8) [6 Chen Y WuG B Su YH Measurement of the solidifed sell 11]Lou JJ BaoYP Li JH et a]Numericalsmulticn of themal thickness in the secondary cooling one of continuous casting of Processing in continuousyy cast beam blnk J Uni SciTechnol bbon Ioon Swel Vanadim Timnim 200 30(1):60 Beijing200527(24173 (陈永，吴国荣，孙彦辉.大方坯连铸二冷去凝固坯壳厚度测 (偻娟娟，包燕平，刘建华，等.连铸异型坯凝固过程的数值 试.钢铁钒钛.200930(1)：60) 模拟.北京科技大学学报，200527(2)：173) I7 Dubke M Fkw fels in ekctromagnetic stiring of rectanguar 1]CaiKK Cast and Soli ification Beijng Mem lurgical ndusty strandswith linear nductors theory and expermentsw ith col mod Pes1987.145 els MellTmansB 1988 19(3):581 礤开科.浇注与凝固.北京：治金工业出版社.1987145) 【8 ZhouD G Fu J Effec tof con tinuous casting process parme ters on B]JiaN Research an Cleanliness and Optmizing of the Seconday cabon segrega tion of bearing steel Iron Steel 1999 34(6):22 Coolng Systm for 5 Bearing Stee D issenation.Beijing (周德光。傅杰.工艺参数对连铸轴承钢坯碳偏析的影响.钢 Universit of Science and Technobgy Beijng 2008 70 铁199934(6)：22) (贾楠。GC15轴承钢洁净度与二冷配水优化研究【学位论 9 TaoW Q NumericalHetTmnsfer Xi an Xi an JiaorongUni 文].北京：北京科技大学200870)
第 1期 丁 宁等:末端电磁搅拌位置确定及对 SWRH82B钢中心偏析的影响 UnivSciTechnol, 2008, 31(6):605 (陈光友, 倪红卫, 张华, 等.武钢板坯连铸凝固规律的研究. 武汉科技大学学报, 2008, 31(6):605) [ 5] ZhangSL, ChenWQ, FenJ.TheresearchofF-EMSinthecontinuouscastingofbillet.IronSteel, 2004, 39(Suppl):134 (张森林, 陈伟庆, 冯军.小方坯连铸 F--EMS的研究.钢铁, 2004, 39(增刊):134) [ 6] ChenY, WuGR, SunYH.Measurementofthesolidifiedshell thicknessinthesecondarycoolingzoneofcontinuouscastingof bloom.IronSteelVanadiumTitanium, 2009, 30(1):60 (陈永, 吴国荣, 孙彦辉.大方坯连铸二冷去凝固坯壳厚度测 试.钢铁钒钛, 2009, 30(1):60) [ 7] DubkeM.Flowfieldsinelectromagneticstirringofrectangular strandswithlinearinductorstheoryandexperimentswithcoldmodels.MetallTransB, 1988, 19(3):581 [ 8] ZhouDG, FuJ.Effectofcontinuouscastingprocessparameterson carbonsegregationofbearingsteel.IronSteel, 1999, 34(6):22 (周德光, 傅杰.工艺参数对连铸轴承钢坯碳偏析的影响.钢 铁, 1999, 34(6):22) [ 9] TaoW Q.NumericalHeatTransfer.Xi' an:Xi' anJiaotongUniversityPress, 2003:67 (陶文铨.数值传热学.西安:西安交通大学出版社, 2003:67) [ 10] ChenW Q, NanXD, ZhangKQ.Studyoncenterlinesegregationandporosityofcontinuouscastbilletsinhigh-carbonsteel production.HenanMetall, 2003, 11(1):8 (陈伟庆, 南晓东, 张克强.高碳钢连铸小方坯缩孔及中心偏 析的研究.河南冶金, 2003, 11(1):8) [ 11] LouJJ, BaoYP, LiuJH, etal.Numericalsimulationofthermal processingincontinuouslycastbeamblank.JUnivSciTechnol Beijing, 2005, 27(2):173 (娄娟娟, 包燕平, 刘建华, 等.连铸异型坯凝固过程的数值 模拟.北京科技大学学报, 2005, 27(2):173 ) [ 12] CaiKK.CastandSolidification.Beijing:MetallurgicalIndustry Press, 1987:145 (蔡开科.浇注与凝固.北京:冶金工业出版社, 1987:145) [ 13] JiaN.ResearchonCleanlinessandOptimizingoftheSecondary CoolingSystemforGCr15 BearingSteel[ Dissertation] .Beijing: UniversityofScienceandTechnologyBeijing, 2008:70 (贾楠.GCr15轴承钢洁净度与二冷配水优化研究 [ 学位论 文] .北京:北京科技大学, 2008:70) · 21·