一种连铸大圆坯末端近液相线电磁搅拌工艺控制方法技术

本发明专利技术属于连铸生产技术领域，具体涉及一种连铸大圆坯末端近液相线电磁搅拌工艺控制方法。针对大圆坯连铸过程中凝固末端的位置难以预测，搅拌参数难以确定等技术问题，本发明专利技术提出了一种可预测、可调节的连铸大圆坯末端近液相线电磁搅拌工艺控制方法，利用体积平均法预测连铸坯凝固过程中的柱状晶和等轴晶分布，确定凝固末端(近液相线)位置，根据凝固末端位置进行电磁搅拌的调整，在已预测的凝固末端(近液相线)位置施加电磁搅拌。本发明专利技术可以准确预测出连铸大圆坯在凝固过程中凝固末端的位置，从而可以根据凝固末端电磁搅拌的工艺要求，准确控制搅拌器位置，进一步的可以有效改善凝固末端的钢水流动状态，提高大圆坯的芯部质量。质量。质量。

【技术实现步骤摘要】
一种连铸大圆坯末端近液相线电磁搅拌工艺控制方法


[0001]本专利技术属于连铸生产
，具体涉及一种连铸大圆坯末端近液相线电磁搅拌工艺控制方法。

技术介绍

[0002]大圆坯是一类重要的铸件产品，主要用于生产大规格和超大规格高压锅炉管、油井管、轴承套、齿轮、高速列车轮等高附加值环件，具有广阔的应用前景。目前主要采用模铸的方法制备，但模铸的效率低、并且收得率低。用连铸代替模铸能够实现模具钢制备的高效率和高收得率。但随着连铸坯截面扩大，单位长度铸坯热容量增大、散热面积减小，凝固方式由快速凝固向慢速凝固转变，造成芯部钢液的热对流和溶质元素的再分配过程加剧。一些由凝固慢导致的溶质元素宏观偏析及疏松缩孔问题也越发突出。
[0003]针对不同的连铸坯品种及规格，国内外的冶金工作者目前已采用改善钢液质量、低过热度浇注、末端轻压下等技术来提高连铸坯内部质量。然而，钢液质量的改善程度是有限的，要求过高将导致冶炼难度加大、冶炼成本上升；在实际生产中将过热度降低到液相线附近浇注将会造成水口堵塞，影响钢中夹杂物的上浮；末端轻压下工艺参数确定难度大，对设备和控制技术要求高。
[0004]电磁搅拌是改善连铸大圆坯质量，抑制元素成分偏析和疏松缩孔最为有效的技术手段。其中凝固末端电磁搅拌技术，可以通过电磁搅拌器施加的旋转磁场产生电磁力、形成钢液的强制对流使柱状晶折断或熔断，形成等轴晶核；并且还具有提高凝固壳厚度的均匀性、促使夹杂物上浮的功能，从而把中心偏析的发展控制在一定范围内。
[0005]凝固末端电磁搅拌工艺可以优化连铸大圆坯的凝固过程，但由于连铸大圆坯的凝固方式由快速凝固向慢速凝固转变，因此凝固末端的位置也很难预测，搅拌参数同样也要按照不同断面、不同钢种实验确定，而实验试错的方法成本高，周期长。

技术实现思路

[0006]针对大圆坯连铸过程中凝固末端的位置难以预测，搅拌参数难以确定等技术问题，本专利技术提出了一种可预测、可调节的连铸大圆坯末端近液相线电磁搅拌工艺控制方法，利用体积平均法预测连铸坯凝固过程中的柱状晶和等轴晶分布，确定凝固末端(近液相线)位置，根据凝固末端位置进行电磁搅拌的调整，在已预测的凝固末端(近液相线)位置施加电磁搅拌。
[0007]具体来说，本专利技术的方法包括以下步骤：
[0008]S1.创建几何模型：根据实际生产过程的连铸大圆坯尺寸，创建大圆坯的模型。
[0009]S2.划分网格：采用有限元模拟软件，对模型进行结构化网格划分，并对边缘网格进行加密。
[0010]S3.制定边界条件和物性参数：根据实际生产工况的操作参数，确定各个计算边界条件，根据钢种确定铸造合金的物性参数。
[0011]其中铸造合金的物性参数包括密度、比热容、导热系数、液相动力黏度、液相溶质扩散系数、固相溶质扩散系数、相变潜热、热膨胀系数和液相线斜率等。
[0012]可以根据实际生产工况及操作参数来设定边界条件。比如边界条件可采用对流换热，大圆坯的边界可以采用分段冷却的条件。
[0013]S4.进行模拟计算：利用三相体积平均法，对连铸过程中大圆坯内部的温度和各相分布进行模拟计算。将大圆坯内部分成液相l、等轴晶相e和柱状晶相c三个连续相并进行建模，确定各相之间的质量、动量和组分传输源项。
[0014]相应的相体积分数分别为f
l
、f
e
和f
c
。其中液相和等轴晶相为可运动相，对其运动的求解可以采用相应的N
‑
S方程；柱状晶相为粘附在冷却壁面上向液相方向生长的不可运动相。对于大圆坯的每个局部节点和大圆坯的整体，都满足三相体积分数之和为1，即f
l
+f
e
+f
c
＝1。
[0015]通过确定各相之间的质量、动量和组分传输源项，并求解控制方程，预测连铸坯凝固过程中的液相、柱状晶相和等轴晶相分布。控制方程包括连续性方程、动量方程、物种输运方程、能量方程，以及根据实际情况，用于模拟传输或扩散的其他自定义标量方程等。可以基于有限差分法的控制体积求解控制方程，每个时间步采用60次以上的迭代，连续性方程、动量方程、物种输运方程和自定义标量方程的归一化残差的收敛准则为10
‑4以下，能量方程的归一化残差的收敛准则为10
‑7以下。
[0016]S5.确定凝固末端位置：从f
l
＝1的区域边界等值线至f
l
＝0的区域边界等值线之间的区域为大圆坯的凝固末端。
[0017]其中f
l
＝1的区域边界等值线也是大圆坯合金液相线温度终点(T
l
)的等温线，f
l
＝0的区域边界等值线也是大圆坯合金固相线温度终点(T
s
)的等温线。
[0018]S6.根据凝固末端位置进行电磁搅拌的调整，在凝固末端处施加所需要的磁场。优选地，用于施加磁场的电磁搅拌器的位置为f
l
＝1的区域边界等值线的端点以上3米的区间内，并且能够在区间内上下调节。
[0019]进一步地，步骤S6可以通过以下方案实现：根据不同断面尺寸大圆坯对内部流动和传热的不同要求，借助Maxwell等低频电磁场仿真软件，采用有限元法进行连铸大圆坯电磁搅拌器效果计算，确定电磁搅拌参数(电流和频率)并预测磁场分布，并将磁场的合适区域(比如磁感应强度比较大的区域)施加至之前确定好的凝固末端位置。具体来说，可通过以下步骤实现：
[0020]S6.1创建几何模型：根据实际生产过程的连铸大圆坯凝固末端采用的电磁搅拌器的类型及尺寸，创建模型，划定计算域。
[0021]S6.2划分网格：基于Maxwell等电磁场仿真软件对计算域划分非结构网格，对几何体边缘位置网格进行加密。
[0022]S6.3设置求解类型及激励：设置为求解瞬态磁场，激活铸坯内部的涡流分析；生成绕组线圈的截面并输入匝数，设置各绕组线圈电流及相位。
[0023]S6.4对计算域内各部件分配其材料属性，制定边界条件；材料属性包括铜线、磁轭、铸坯及空气域，空气域为计算域外缘；由于磁轭对磁场的约束，采用尼曼边界条件，即无磁通穿过。
[0024]S6.5进行模拟计算：根据不同断面尺寸大圆坯对内部流动和传热的不同要求，确
定电磁搅拌参数(主要是电流和频率)，并据此预测连铸坯内部的磁感应强度分布、感应电流及电磁力分布。
[0025]S6.6根据磁感应强度分布、感应电流及电磁力分布的模拟结果，以及步骤S5确定的凝固末端位置，调整电磁搅拌器的位置，使磁场的合适区域作用于凝固末端。
[0026]本方法在凝固末端(近液相线)位置施加电磁搅拌。电磁搅拌器可以根据电磁搅拌参数(电流和频率)上下移动，调节位置在凝固末端施加电磁搅拌，使枝晶边缘钝化，形成近球体，促进球晶稳定化以及树枝晶向球状晶的转变，并提高其形核率。
[0027]较现有技术相比，本专利技术具有以下优点：
[002本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种连铸大圆坯末端近液相线电磁搅拌工艺控制方法，其特征在于，利用体积平均法预测连铸坯凝固过程中的柱状晶和等轴晶分布，确定凝固末端位置，根据凝固末端位置进行电磁搅拌的调整。2.根据权利要求1所述的连铸大圆坯末端近液相线电磁搅拌工艺控制方法，其特征在于，包括以下步骤：S1.创建几何模型：根据实际生产过程的连铸大圆坯尺寸，创建模型；S2.划分网格：采用有限元模拟软件，对模型进行结构化网格划分，并对边缘网格进行加密；S3.制定边界条件和物性参数：根据实际生产工况的操作参数，确定各个计算边界条件，根据钢种确定铸造合金的物性参数；S4.进行模拟计算：利用三相体积平均法对大圆坯内部的温度和各相分布进行模拟计算，将大圆坯内部分成液相l、等轴晶相e和柱状晶相c三个连续相并进行建模，相应的相体积分数分别为f
l
、f
e
和f
c
，其中液相和等轴晶相为可运动相，柱状晶相为粘附在冷却壁面上向液相方向生长的不可运动相；通过确定各相之间的质量、动量和组分传输源项，并求解控制方程，预测连铸坯凝固过程中的液相、柱状晶相和等轴晶相分布；S5.确定凝固末端位置：从f
l
＝1的区域边界等值线至f
l
＝0的区域边界等值线之间的区域为大圆坯的凝固末端；S6.根据凝固末端位置进行电磁搅拌的调整，在凝固末端处施加所需要的磁场。3.根据权利要求2所述的连铸大圆坯末端近液相线电磁搅拌工艺控制方法，其特征在于，所述步骤S3中，边界条件为：采用对流换热，大圆坯的边界采用分段冷却。4.根据权利要求2所述的连铸大圆坯末端近液相线电磁搅拌工艺控制方法，其特征在于，所述步骤S4中，基于有限差分法的控制体积求解控制方程，每个时间步采用60次以上迭代，连续性方程、动量方程、物种输运方程和自定义标量方程...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘中秋，姜玖华，李宝宽，姚毓超，王卓，
申请(专利权)人：东北大学，
类型：发明
国别省市：