Nombre Parcourir:0 auteur:Éditeur du site publier Temps: 2021-08-19 origine:Propulsé
Résumé:Nous présentons un modèle de couplage segmenté pour la coulée de brames par rouleauagitation électromagnétique(In-roll EMS) du comportement électromagnétique, d'écoulement, de transfert de chaleur et de solidification basé sur la magnétohydrodynamique et la théorie de la solidification.Un modèle de couplage segmenté en trois dimensions (3D) comprenant des éléments électromagnétiques, d'écoulement et de transfert de chaleur a été établi à l'aide des logiciels Ansoft Maxwell et ANSYS Fluent.Les effets du manchon du rouleau, de l'anneau de blindage magnétique, de la bobine, du noyau, de l'acier fondu et du domaine de l'air sur les champs électromagnétiques, thermiques et d'écoulement ont été étudiés numériquement.La précision du modèle a été vérifiée en mesurant la densité de flux magnétique au niveau de la ligne centrale dans une paire de rouleaux et la force électromagnétique de la plaque de cuivre.Sur la base des résultats numériques des paramètres techniques optimaux, l'effet de l'EMS IN-ROLL sur la solidification de l'acier inoxydable Fe-17 % en poids Cr-0,6 % en poids Ni a été exploré.Les résultats ont indiqué qu'avec chaque paire supplémentaire de rouleaux électromagnétiques, la force électromagnétique moyenne augmentait de 2969 N/m3dans le sens de coulée, et 5600 N/m3dans la partie centrale des rouleaux.Avec l'augmentation du nombre de paires de rouleaux, la région d'agitation efficace a augmenté et la vitesse de l'acier fondu au niveau du front de solidification a d'abord augmenté, puis a diminué.Le puissant effet de lavage tourbillonnant électromagnétique a réduit le taux de solidification de la coque de la brame et favorisé la dissipation surchauffée de l'acier en fusion au centre du toron.Le rapport de cristal équiaxe central de la dalle a été amélioré à 69% avec deux paires de rouleaux IN-ROLL EMS et des paramètres électromagnétiques de 400 A/7 Hz, ce qui a été bénéfique pour obtenir une structure solidifiée uniforme et dense pour améliorer les performances de travail à chaud ultérieures et la qualité des produits.
Mots clés:agitation électromagnétique à rouleaux (IN-ROLL EMS);Fe-17 % en poids Cr-0,6 % en poids Ni acier;structure de solidification;nombre de paires de rouleaux ;effet de lavageRésumé:Nous présentons un modèle de couplage segmenté pour la coulée de brames par agitation électromagnétique à rouleaux (EMS en rouleau) du comportement électromagnétique, d'écoulement, de transfert de chaleur et de solidification basé sur la magnétohydrodynamique et la théorie de la solidification.Un modèle de couplage segmenté en trois dimensions (3D) comprenant des éléments électromagnétiques, d'écoulement et de transfert de chaleur a été établi à l'aide des logiciels Ansoft Maxwell et ANSYS Fluent.Les effets du manchon du rouleau, de l'anneau de blindage magnétique, de la bobine, du noyau, de l'acier fondu et du domaine de l'air sur les champs électromagnétiques, thermiques et d'écoulement ont été étudiés numériquement.La précision du modèle a été vérifiée en mesurant la densité de flux magnétique au niveau de la ligne centrale dans une paire de rouleaux et la force électromagnétique de la plaque de cuivre.Sur la base des résultats numériques des paramètres techniques optimaux, l'effet de l'EMS IN-ROLL sur la solidification de l'acier inoxydable Fe-17 % en poids Cr-0,6 % en poids Ni a été exploré.Les résultats ont indiqué qu'avec chaque paire supplémentaire de rouleaux électromagnétiques, la force électromagnétique moyenne augmentait de 2969 N/m3dans le sens de coulée, et 5600 N/m3dans la partie centrale des rouleaux.Avec l'augmentation du nombre de paires de rouleaux, la région d'agitation efficace a augmenté et la vitesse de l'acier fondu au niveau du front de solidification a d'abord augmenté, puis a diminué.Le puissant effet de lavage tourbillonnant électromagnétique a réduit le taux de solidification de la coque de la brame et favorisé la dissipation surchauffée de l'acier en fusion au centre du toron.Le rapport de cristal équiaxe central de la dalle a été amélioré à 69% avec deux paires de rouleaux IN-ROLL EMS et des paramètres électromagnétiques de 400 A/7 Hz, ce qui a été bénéfique pour obtenir une structure solidifiée uniforme et dense pour améliorer les performances de travail à chaud ultérieures et la qualité des produits.
1.introduction
Les alliages d'acier inoxydable économes en nickel, tels que Fe-17 % en poids Cr-0,6 % en poids Ni, ont une structure de ferrite à température ambiante et élevée qui les amène à développer facilement des cristaux colonnaires pendant la solidification avec un très faible rapport de cristal équiaxe dans l'acier moulages.La structure cristalline colonnaire présente une anisotropie évidente dans le processus de travail plastique ultérieur, ce qui est susceptible de produire des défauts ressemblant à des plis dans les produits en plaque en raison d'une mauvaise aptitude à l'emboutissage.Le contrôle de la structure de coulée et l'obtention d'un rapport élevé de cristaux équiaxes pendant le processus de coulée continue (CC) sont importants pour améliorer les performances et la qualité de travail à chaud ultérieures du produit ;cela a toujours été une question centrale pour l'industrie sidérurgique.
IN-ROLL EMS peut remplacer le rouleau presseur normal de la machine CC par différentes paires de rouleaux.Différents agencements des rouleaux dans les segments auront des distributions de champ magnétique, des zones de champs électromagnétiques et des modèles d'écoulement d'acier fondu variés.Considérant l'importance du comportement métallurgique dans la SCZ d'une coulée de brames en ce qui concerne le contrôle de la qualité interne du toron, un modèle couplé de comportement électromagnétique tridimensionnel (3-D), d'écoulement, de transfert de chaleur et de solidification dans la SCZ a été développé dans cette étude.
La densité de flux magnétique a été mesurée à l'aide d'un appareil LakeShore Digital Signal Processing Mode Tesla Meter 475 (Zhongke Electric, Hunan, Chine).L'EMF a été testé à l'aide d'un propulseur fabriqué en interne, comme le montre la figure 3.
Figure 3.Méthode de mesure de la plaque de cuivre : (a) Schéma structurel ;(b) schéma de l'appareil physique.
Les principaux composants chimiques de l'acier Fe-17 % en poids Cr-0,6 % en poids Ni sont répertoriés dans le tableau 2.
Figure 4.Découpe d'échantillons de coulée de brames pour analyse métallographique.
3. Résultats et discussion
3.1.Analyse du champ électromagnétique
La figure 5a montre une comparaison des valeurs calculées et mesurées de la densité de flux magnétique, et la figure 5b montre l'EMF sur la ligne médiane de la grande surface avec une paire de rouleaux.Les valeurs mesurées et calculées de la densité de flux magnétique sur la ligne médiane du rouleau et de l'EMF de la plaque de cuivre sont à peu près en accord, ce qui vérifie la fiabilité du modèle à un niveau acceptable.La figure 5b montre que la FEM augmente rapidement puis diminue lentement à mesure que la fréquence augmente, et la plus grande CEM d'une paire d'agitateurs à rouleaux a été obtenue à une fréquence de 9 Hz.
Figure 5.Comparaison des valeurs mesurées et calculées sur l'axe de la face large de la paire de rouleaux : (a) densité de flux magnétique, (b) force électromagnétique.
La figure 6a–c présente la distribution de la densité de flux magnétique à la surface de la dalle pour une intensité de courant de 400 A et une fréquence de 7 Hz dans les cas d'une paire, deux paires et trois paires, respectivement, dans lesquels la surface efficace de la densité de flux magnétique augmente avec un nombre croissant de rouleaux.Le champ magnétique de l'onde progressive avait une certaine directionnalité qui produisait un effet final, résultant en une plus grande densité de flux magnétique du côté poussée (côté droit du brin sur la figure 6) que sur le côté départ (côté gauche du brin sur la figure 6 ).
Figure 6.Contour de densité de flux magnétique sur la surface du support avec (a) une paire, (b) deux paires, et (c) trois paires de rouleaux.
La figure 7a révèle la distribution de l'EMF le long de l'axe dans la direction de coulée sous un nombre différent de paires de rouleaux pour un courant de 400 A et une fréquence de 7 Hz, et la figure 7b montre la distribution de l'EMF le long de l'axe des rouleaux dans le sens large.Pour une, deux et trois paires de rouleaux, la force électromagnétique maximale sur l'axe de la brame le long de la direction de coulée était de 12 090, 18 573 et 21 229 N/m3, respectivement, et l'EMF moyen était de 2023, 5066 et 7962 N/m3, respectivement.La force électromagnétique maximale sur la ligne médiane de la grande surface pour chaque paire de rouleaux était de 12 354, 18 084 et 22 874 N/m3, respectivement, et l'EMF moyen était de 10 247, 15 730 et 21 336 N/m3, respectivement.La force maximale était localisée du côté de poussée de la brame, et la force électromagnétique de l'acier en fusion augmentait avec l'augmentation du nombre de paires de rouleaux.
Figure 7.Répartition de la force électromagnétique interne dans le toron avec un nombre différent de rouleaux (a) le long de la ligne médiane dans la direction de coulée, (b) le long de l'axe des rouleaux dans le sens large.
La figure 8a montre la distribution de la FEM dans la direction de coulée sous deux paires de rouleaux à des fréquences différentes, et la figure 8b révèle la distribution de la FEM dans la direction de coulée sous les deux paires de rouleaux à des courants différents.La distribution de l'EMF indique qu'elle était petite aux deux extrémités, grande au milieu et uniformément répartie entre les rouleaux.L'EMF maximum au centre du brin est passé de 4750 à 19 000 N/m3lorsque l'intensité du courant a augmenté de 200 à 400 A. De plus, la CEM maximale au centre du brin a diminué de 20 838 à 17 995 N/m3lorsque la fréquence passe de 4 à 8 Hz.Le brin présentait une certaine conductivité magnétique lorsque les lignes d'induction magnétique de l'air dans le brin déviaient, se rassemblant en un seul endroit et formant un bouclier magnétique.La différence de flux magnétique entre l'intérieur et les bords du toron a entraîné une répartition inégale du courant induit, qui était principalement concentré sur la surface de la dalle, un phénomène connu sous le nom d'\"effet de peau\".Cet effet conduit à une réduction de la pénétration du champ magnétique à des fréquences plus élevées [17].Il montre que la coque solidifiée avec une certaine conductivité électrique a un certain effet de protection sur le champ magnétique, et donc l'intensité de l'induction magnétique centrale diminue légèrement à mesure que la fréquence du courant augmente.
Figure 8.Répartition de la force électromagnétique dans le sens de la coulée sous les deux paires de rouleaux à (a) différentes fréquences et moins (b) différents courants.
3.2.Analyse du comportement d'écoulement et de solidification
La figure 9a montre la distribution de vitesse le long de la ligne médiane dans la direction de coulée sur la ligne caractéristique de l'acier fondu avec un nombre différent de paires de rouleaux, et la figure 9b montre la distribution de vitesse le long de la ligne médiane des rouleaux dans le sens large.Une augmentation du nombre de rouleaux a conduit à une augmentation du volume local de l'EMF sur le toron, et l'EMF était la force motrice du flux d'acier en fusion pour laver le front de solidification dans la SCZ.La plage de vitesse de lavage effective - définie comme la plage sur laquelle la vitesse d'écoulement est supérieure à la vitesse de coulée - du front de solidification le long de la direction de coulée était de 4,0 à 4,35 m, 3,8 à 4,35 m et 3,6 à 4,35 m pour un, deux , et trois paires de rouleaux, respectivement, et la vitesse de lavage maximale était de 0,7, 0,8 et 0,76 m/s, respectivement.Zhang et al.[18] ont constaté que le flux de jet à grande vitesse provenant des trous latéraux peut entraîner une zone de turbulence plus importante dans la zone du moule et une partie de la SCZ.Bien que la FEM de deux paires de rouleaux soit inférieure à celle des trois paires, la région de lavage des deux paires est plus basse, laissant une intensité d'énergie cinétique turbulente plus faible dans la zone du moule offset.Ainsi, le fil a une vitesse maximale de lavage plus importante avec deux paires de rouleaux qu'avec trois paires.La figure 8b montre que la vitesse d'écoulement maximale sous différents nombres de paires de rouleaux était répartie sur un côté du toron.La vitesse d'écoulement du côté poussée de l'EMF était supérieure à celle du côté départ, ce qui est à peu près en accord avec les caractéristiques de mouvement du champ magnétique de l'onde progressive.
Graphique 9.Répartition de la vitesse avec différents nombres de rouleaux (a) le long de la ligne médiane dans la direction de coulée, et (b) le long de l'axe des rouleaux dans le sens large.
La figure 10a–d montre la distribution de la température et la ligne de courant d'acier en fusion sur la surface centrale de la face étroite de la dalle avec 0 à 3 paires de rouleaux.L'EMF a provoqué le déplacement de l'acier en fusion d'un côté de la surface étroite à l'autre, et la continuité de l'écoulement vers le front de solidification étroit a conduit à la formation d'une circulation supérieure et inférieure de l'acier en fusion, résultant en un noyau uniforme température et mélange de la dalle.Avec un nombre croissant de paires de rouleaux, la zone d'écoulement de l'acier en fusion à la section transversale s'est élargie et l'échange de chaleur forcé entre l'acier en fusion central à haute température et la coque solidifiée a conduit à une plus grande zone à basse température au centre de la brin.Selon la théorie de la solidification, une température plus basse de l'acier fondu central est plus propice à la formation de particules de nucléation.Xu et al.a souligné [19] que le lavage de l'acier en fusion contre le front de solidification peut provoquer la \"fusion\" du bras dendrite pour fournir des particules de nucléation pour la formation de cristaux équiaxes, ce qui augmente finalement le rapport cristallin équiaxe central du brin.
Figure 10.Répartition de la température et écoulement sur la surface centrale étroite du toron avec (a) zéro paires, (b) une paire, (c) deux paires, et (d) trois paires de rouleaux.
La figure 11a illustre la variation de la coque solidifiée du côté de départ le long de la direction de coulée au centre de la face étroite pour le toron avec différents nombres de paires de rouleaux, et la figure 11b montre la variation de l'épaisseur de la coque du côté poussée le long de la direction de coulée au centre de la face étroite pour le toron avec différents nombres de paires de rouleaux.Le front de solidification est considéré comme l'endroit où la fraction en phase liquide est de 0,3.Pour zéro, un, deux et trois paires de rouleaux, l'épaisseur de la coque solidifiée à la sortie du domaine de calcul était respectivement de 42,37, 40,96, 40,14 et 38,43 mm du côté de départ de l'EMF, et 42,37, 42,27 , 37,62 et 37,60 mm du côté poussée de l'EMF, respectivement.Le flux à grande vitesse d'acier en fusion se précipite vers le front de solidification et interrompt certains des cristaux colonnaires, entraînant la croissance lente de la coque solidifiée dans la région d'agitation.Le taux de solidification du côté de la poussée électromagnétique était significativement inférieur à celui du côté de départ, ce qui coïncide à peu près avec les caractéristiques du champ magnétique de l'onde progressive.
Figure 11.Répartition de l'épaisseur de la coque au niveau de la face centrale étroite du toron sur le (a) côté départ et (b) côté poussée.
3.3.Expériences de Solidification Structure Obtenue par IN-ROLL EMS
Deux paires de rouleaux ont été sélectionnées pour la coulée de brames d'acier Fe–17 % en poids Cr–0,6 % en poids Ni dans les expériences de contrôle de la structure de solidification par IN-ROLL EMS.La zone semi-solide au centre de la brame lorsque deux paires de rouleaux étaient utilisées était plus grande que lorsqu'une paire de rouleaux était utilisée.Bien que la FEM soit plus petite que lorsque trois paires étaient utilisées, la vitesse de lavage du front de solidification était plus grande avec deux paires qu'avec trois paires, ce qui était bénéfique pour la formation de cristaux équiaxes dans le brin.De plus, le coût de l'instrumentation et la consommation électrique sont moindres lorsque deux paires de rouleaux sont utilisées.Les structures de solidification de la dalle produites lorsque l'IN-ROLL EMS était éteint et allumé ont été comparées au cours de l'expérience, comme le montre la figure 12. Lorsque l'IN-ROLL EMS était éteint, la macrostructure de la dalle était plus développée dans le cristal colonnaire, qui est lié aux caractéristiques de l'acier Fe-17 % en poids Cr-0,6 % en poids Ni.Avoir une teneur en Cr dans l'acier supérieure à 16% a conduit à un processus de solidification sans leα→γprocessus de transition de phase, avec la structure de ferrite maintenue.Pang et al.[20] ont trouvé qu'il n'y avait pas de transition de phase pour entraver le développement de cristaux colonnaires pendant le processus de croissance des grains ;ainsi, la taille des grains était grossière et les éléments chimiques étaient sujets à la ségrégation, ce qui peut sérieusement affecter la qualité du produit.Lorsque l'EMS IN-ROLL a été allumé avec des paramètres électromagnétiques de 400 A et 7 Hz, la CEM générée par le champ magnétique à ondes progressives a provoqué un écoulement violent de l'acier en fusion et le lavage du front cristallin colonnaire pour réduire le gradient de température au front de solidification. , inhibant la croissance des cristaux colonnaires.Dans le même temps, le flux à grande vitesse de l'acier en fusion peut briser le bras de dendrite colonnaire pour former des noyaux libres dans la zone centrale à basse température.Enfin, le rapport cristallin équiaxe central du brin a été augmenté à 69 %.
Figure 12.Coupe transversale de les macrostructure brute de coulée du toron (a) sans IN-ROLL EMS et (b) avec deux paires de rouleaux utilisés en IN-ROLL EMS (à 400 A et 7 Hz).
4. Conclusions
Ici, un modèle de couplage segmenté en 3D pour le comportement électromagnétique, d'écoulement et de transfert de chaleur a été établi pour la coulée de brames en acier inoxydable.Les effets de IN-ROLL EMS sur la distribution du champ magnétique et le comportement de solidification ont été révélés, et les paramètres techniques optimaux pour contrôler la macrostructure brute de coulée de l'acier Fe–17 % en poids Cr–0,6 % en poids Ni ont été présentés.Les principales conclusions sont les suivantes:
1. Les caractéristiques du champ magnétique à ondes progressives de l'EMS IN-ROLL dans la SCZ produiront une CEM maximale située du côté de départ du brin de brame.Pour chaque paire supplémentaire de rouleaux électromagnétiques, la force électromagnétique moyenne dans le sens de la coulée augmente de 2969 N/m3, et l'EMF moyen dans la section centrale des rouleaux augmente de 5600 N/m3.
2. Avec un nombre croissant de paires de rouleaux d'agitation, la zone d'agitation efficace de l'acier fondu à l'intérieur du toron est agrandie par l'EMF, et la vitesse de l'acier fondu sur le front de solidification augmente d'abord puis diminue.L'effet de lavage d'écoulement de la force électromagnétique forte réduira le taux de solidification de la coque locale et accélérera la dissipation surchauffée du centre d'acier fondu, ce qui est bénéfique pour la formation de cristal équiaxe.
3. L'utilisation de deux paires de rouleaux électromagnétiques à 400 A et 7 Hz peut produire un rapport cristallin équiaxe au centre de 69 % dans le brin de brame de 200 mm × 1280 mm, ce qui contribue à améliorer son comportement de travail à chaud.
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