Résumé:Un modèle numérique tridimensionnel couplant le champ électromagnétique, l'écoulement de fluide et la fluctuation de niveau a été développé pour étudier le comportement d'écoulement de l'acier en fusion dans un moule de coulée continue de brames pour l'acier sans interstitiel (IF).Selon les résultats industriels et de modélisation, les tourbillons sont générés sur la section transversale en raison de la force électromagnétique (CEM) et son nombre dépend des paires de pôles magnétiques des champs électromagnétiques.Avec l'augmentation de la fréquence actuelle, l'EMF atteint le maximum à la fréquence actuelle de 4,5 Hz, puis diminue progressivement.Lorsque l'intensité du courant passe de 0A à 600A, le taux de piégeage du laitier lié aux défauts de la billette est diminué de 7,46 % à 1,09 %, mais il augmente à 6,09 % lorsque l'intensité du courant atteint 650A.L'étude suggère que l'intensité de courant optimisée deagitation électromagnétique(M-EMS) peut prévenir efficacement les défauts de surface ou de sous-surface pour une production d'acier propre.

Mots clés:Interstitiel-facier inoxydable;Champ électromagnétique;L'écoulement d'un fluide;Intensité actuelle ;Rmangé de piégeage de scories.

1. Introduction

Avec le développement de la production d'acier propre, les exigences de qualité pour les produits de coulée continue deviennent de plus en plus strictes^[1].Pour la production d'acier sans interstitiel (IF), qui est largement utilisé dans l'industrie automobile en raison de son excellente propriété d'emboutissage profond, les défauts de surface tels que les éclats et les cloques de crayon sont les problèmes les plus fréquents entraînant des rejets et un déclassement de leurs produits en tôle finaux.^[2].Il est particulièrement important de contrôler la fluctuation du niveau de liquide du moule pendant la coulée, et d'éviter la collection d'inclusions souterraines liées à la coquille du crochet caractéristique des aciers au niveau du ménisque.Un nouveau M-EMS a été introduit qui peut produire une agitation tourbillonnante pour nettoyer les inclusions collectées par crochet populaires, un modèle de magnétohydrodynamique couplé a été développé pour analyser les caractéristiques du champ électromagnétique tridimensionnel, le flux de fluide et les phénomènes de fluctuation de niveau dans le 0,23 m × Moule à dalle de 1,6 m.Les relations entre la CEM et l'intensité ou la fréquence du courant ont été analysées en détail.L'influence du courant d'agitation et de la position de l'agitateur sur la fluctuation du niveau de l'acier en fusion est également étudiée.Enfin, les différents paramètres M-EMS de l'intensité du courant de la bobine sont comparés grâce à une analyse combinée au comportement de l'écoulement du moule et au retour d'expérience des essais en usine.

2 Description du modèle

2.1 Modèle géométrique tridimensionnel du M-EMS

Fig. 1Modèle géométrique et maillage d'éléments finis : (a) simulation électromagnétique ;(b) simulation de flux

Le modèle géométrique et le maillage d'éléments finis dans un toron de dalle avec un agitateur électromagnétique à ondes progressives sont illustrés à la figure 1. Le modèle de M-EMS comprend principalement de l'acier fondu, un moule en cuivre, un panneau arrière en acier inoxydable, un noyau de fer, une bobine d'agitation et de l'air ( pas montré).

3. Résultats et discussion

3.1 Validité du modèle développé

Pour garantir la validité du modèle mathématique, les résultats calculés pour la densité de flux magnétique le long de la ligne Y=0,1 m au niveau du plan médian de l'agitateur ont été comparés aux données mesurées dans une usine, qui sont illustrées à la figure 2. les données ont été obtenues par Hunan Zhongke Electric Co., Ltd au moyen d'un compteur de Gauss DSP Lake Shore 475.A partir de cette figure, les tendances de la densité de flux magnétique sont à distribution symétrique centrale.Les résultats calculés sont en bon accord avec les données mesurées， qui indiquent que le modèle mathématique développé est raisonnable pour ce système d'agitation et les résultats calculés pourraient être utilisés pour fournir des conseils théoriques pour optimiser les paramètres d'opération d'agitation dans la production réelle.De plus, la densité de flux magnétique mesurée est un peu inférieure à celle calculée, en raison de la fuite de champ magnétique et de l'erreur mesurée ou calculée.Cependant, cette erreur est faible et peut être négligée.

2Comparaison entre les valeurs calculées et mesurées de l'intensité du flux magnétique

3.2 Densité de flux magnétique

Fig.3La densité de flux magnétique (BF, BL, BO).(a) avec panneau en acier inoxydable ;(b) sans panneau en acier inoxydable

La figure 3 montre la densité de flux magnétique le long des lignes pour Y = -0,1 m (BF), Y = 0,1 m (BL), Y = 0 m (B0) au niveau du plan médian de l'agitateur avec et sans panneau arrière en acier inoxydable.On peut observer que le BF est presque égal au BL.Pour le cas avec le panneau arrière en acier inoxydable de la figure 3a, sa densité de flux magnétique est plus uniforme et plus petite que celle sans panneau arrière en acier inoxydable, qui joue un rôle de blindage électromagnétique vis-à-vis des bobines.Les valeurs moyennes de BF sont respectivement de 61,92 mT et de 122,26 mT pour avec et sans panneau arrière en acier inoxydable, il n'est donc pas exact d'ignorer le panneau arrière en acier inoxydable dans le modèle géométrique M-EMS.

4Distribution de la densité de flux magnétique sur le plan médian de l'agitateur (Z = -0,12 m).(a) vecteur ;(b) contour

La figure 4 montre les tracés vectoriels et de contour de la densité de flux magnétique au niveau du plan médian de l'agitateur (Z = -0,12 m).On voit que le vecteur et le contour de la densité de flux magnétique de la phase initiale distribuent centrosymétrique.La densité de flux magnétique est plus grande au bord de la face large, et elle diminue progressivement de l'extérieur vers l'intérieur.Les maximums se situent au voisinage du bord large du moule (Y=0.125m ou Y=-0.125m).

5Tracés vectoriels et de contour des champs électromagnétiques moyennés dans le temps sur le plan médian de l'agitateur (Z=−0,12 m).(a) vecteur;(b) contour

La figure 5 montre le vecteur et le contour de l'EMF moyennée dans le temps sur le plan médian de l'agitateur (Z = -0,12 m).On voit que la distribution des champs électromagnétiques est centrosymétrique en raison de la distribution centrosymétrique de la densité de flux magnétique.Les composantes tangentielles des champs électromagnétiques au voisinage des bords sont supérieures à celles de la partie intérieure de la section transversale, et les composantes tangentielles des champs électromagnétiques aux deux bords parallèles de la face large sont de valeur égale avec une direction opposée.Quatre tourbillons transversaux de l'EMF moyennée dans le temps existent à l'intérieur de la section transversale.Le maximum de la CEM moyenne dans le temps est de 9000 N/m3, qui apparaît aux points X=0,57m, Y=0,125m et X=-0,57m, Y=-0,125m.Le minimum de la CEM moyenne dans le temps est inférieur à 1000 N/m3, qui apparaît à l'intérieur.

La figure 6a montre la distribution de la densité de flux magnétique pour différents courants à 4,5 Hz.La densité de flux magnétique augmente avec l'augmentation de l'intensité du courant, et ils sont en relation proportionnelle approximative.La figure 6b montre la distribution des champs électromagnétiques tangentiels pour différentes fréquences de courant à 600 A. Dans la plage de fréquences de courant appliquées pour M-EMS (1,0 à 5,5 Hz) à 600 A, le champ électromagnétique tangentiel augmente avec l'augmentation de la fréquence du courant et atteint le maximum à la fréquence actuelle de 4,5 Hz puis diminue progressivement.

Figure 6Distribution de la densité de flux magnétique et de la CEM tangentielle.(a) des courants différents;(b) différentes fréquences

Figure.7 La comparaison des fluctuations de niveau tridimensionnelles : (a) M-EMS désactivé ;(b) avec M-EMS, Z=-0,42m;(c) avec M-EMS, Z=-0,27m;(d) avec M-EMS, Z=-0,12m

La figure 7 montre les fluctuations de niveau tridimensionnelles sous différentes positions du plan médian de l'agitateur, dans lesquelles le plan de la valeur de fraction volumique de l'acier 0,5 est choisi pour exprimer l'état de fluctuation du niveau.On peut voir intuitivement que l'interface acier/laitier est presque plate lorsque le M-EMS est éteint.Le flux tourbillonnant de l'effet du M-EMS augmente la fluctuation de la surface libre, et les fluctuations les plus élevées pour le M-EMS se produisent aux quatre coins de la surface sans moisissure.Dans les régions locales, la hauteur maximale de fluctuation de niveau pour M-EMS à Z = -0,42 m, -0,27 m, -0,12 m est de 1,0 mm, 2,4 mm et 2,9 mm, respectivement.La hauteur de l'agitateur augmente, ce qui peut facilement induire la fluctuation de la surface libre.Les résultats indiquent que lorsque la hauteur de l'agitateur augmente, la fluctuation du niveau est aggravée.La plus grande valeur de fluctuation de niveau sous M-EMS à Z = -0,12 m est acceptable pour le mouvement des scories, dont la plage de fluctuation de niveau de ± 4 mm est acceptable pour l'usine^[15].Par conséquent, la position optimale de l'agitateur pour le plan médian du M-EMS est à Z = -0,12 m en dessous du ménisque.

La figure 8 indique l'effet du courant d'agitation sur la fluctuation du niveau.Avec l'augmentation du courant d'agitation, la fluctuation du niveau est intensifiée en raison du flux tourbillonnant transversal évident induit par le M-EMS, ce qui peut entraîner le piégeage des scories.Dans les régions locales.La hauteur maximale de fluctuation de niveau pour les courants 500A, 550A, 600A, 650A est respectivement de 2,1 mm, 2,8 mm, 3,6 mm et 4,2 mm.Lorsque le courant est de 650A, la fluctuation de niveau dépasse ± 4 mm, l'aggravation de la fluctuation de niveau peut entraîner le piégeage des scories.

Figure.8 La comparaison des fluctuations de niveau tridimensionnelles : (a) 500A ;(b) 550A;(c) 600A;(d) 650A

Figure.9 Distribution vectorielle au centre de l'EMS (a) 500A ;(b) 550A;(c) 600A;(d) 650A

La figure 9 révèle le schéma d'écoulement sur le plan médian du M-EMS sous divers courants.La vitesse tangentielle augmente avec l'augmentation de l'intensité du courant.Quatre tourbillons transversaux de l'acier fondu sont répartis symétriquement, qui coïncident presque avec les quatre paires de pôles magnétiques.

3.3Qualité de la dalle avec différents paramètres de processus

Tableau 2le taux de blocage pour le piégeage des scories avec différentes intensités de courant

Selon les résultats de la simulation ci-dessus, quatre intensités de courant ont été choisies pour tester une brame d'acier sans interstitiel produite par une aciérie en Chine, le taux de blocage du piégeage des scories a été compté dans le tableau 2, qui est l'une des principales sources d'inclusions dans le produit final, et nuira grandement à la production d'acier propre.Lorsque le M-EMS est mis sous tension, le taux de blocage de l'entraînement du flux diminue manifestement.A l'intensité actuelle de 600A， le taux de blocage du piégeage des scories n'est que de 1,09 %, ce qui est diminué de 85 % par rapport à la situation M-EMS désactivée.Par conséquent, les résultats industriels concordent bien avec les résultats calculés, et vérifient ainsi le succès du présent modèle.

4Conclusion

En combinant simulation numérique et essais en usine, l'effet du M-EMS sur le champ électromagnétique, le débit de fluide et la fluctuation de niveau ont été étudiés.Les principales conclusions sont les suivantes:

(1) La densité de flux magnétique et l'EMF se répartissent de manière symétrique centrale sur la large face du moule.L'EMF génère les tourbillons sur la section transversale et son nombre correspond aux paires de pôles magnétiques du champ électromagnétique.Avec l'augmentation de la fréquence actuelle, l'EMF atteint le maximum à la fréquence actuelle de 4,5 Hz, puis diminue progressivement.

(2) Avec l'augmentation de la hauteur de la position de l'agitateur, la fluctuation de niveau s'aggrave, ce qui peut conduire à l'entraînement de flux.Lorsque le plan médian de M-EMS est à Z = -0,12 m, la fluctuation de niveau est de ± 4 mm, ce qui est accepté par l'usine.

(3) Selon les résultats statistiques du taux de blocage d'entraînement pour différents paramètres de processus dans les essais d'installations industrielles, l'intensité de courant optimisée est de 600A, et à cette intensité de courant, le taux de blocage du piégeage des scories n'est que de 1,09 %, bien inférieur au cas avec M-EMS désactivé.

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