第40卷 第1期 2005年1月
鋼 鐵
Iron and Steel
V o l.40,N o.1
January2005 電磁場(chǎng)對(duì)改善鋼材質(zhì)量的作用 赫冀成
(東北大學(xué)，遼寧沈陽(yáng)110004)
摘 要：研究了電磁制動(dòng)技術(shù)對(duì)結(jié)晶器內(nèi)鋼液流動(dòng)及夾雜物遷移行為的作用，以及電磁攪拌和電磁超聲波對(duì)鋼材料凝固組織的影響。研究結(jié)果表明，在恒穩(wěn)電磁場(chǎng)作用下，鋼液內(nèi)形成的與鋼液流動(dòng)相反的電磁力可有效地控制鋼液流動(dòng)、穩(wěn)定液面波動(dòng)，有利于夾雜物的去除；在電磁攪拌和電磁超聲波的作用下，金屬的凝固組織得到細(xì)化，等軸晶比率明顯提高。計(jì)算了磁場(chǎng)對(duì)奧氏體 鐵素體及鐵素體 奧氏體平衡邊界的影響，磁場(chǎng)對(duì)相圖的奧氏體 鐵素體界限產(chǎn)生很大影響，使其向高成分或高溫度區(qū)域移動(dòng)；隨成分不同，磁場(chǎng)每增加1T，鋼的A e3溫度升高2～3℃。研究了電場(chǎng)奧氏體化對(duì)中碳合金鋼40M n M oV性能
的影響，與常規(guī)工藝處理樣品相比，電場(chǎng)奧氏體化可使其硬度值升高，且沖擊性能和拉伸性能的指標(biāo)都有所提高。
關(guān)鍵詞：電磁制動(dòng)；電磁攪拌；電磁超聲波；電磁熱處理；流體流動(dòng)；凝固組織；連鑄；數(shù)值計(jì)算
中圖分類號(hào):T F77713 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A 文章編號(hào):04492749X(2005)0120024207
I m prov i ng Steel Quality by Electromagnetic F ield
H E J i2cheng
(N o rtheastern U n iversity,Shenyang110004,Ch ina)
Abstract:T he flow of mo lten steel and movem en t of inclu si on s in the mo ld w ith electrom agnetic b rak ing,and influence of electrom agnetic stirring and electrom agnetic u ltrason ic w aves on the so lidificati on structu re of b illet, w ere investigated,the resu lts show that the flow of mo lten steel is effectively con tro lled by the oppo site electrom agnetic fo rce,and the liqu id su rface is steady,that is beneficial to the removal of inclu si on s1T he so lidificati on structu re is refined and the rati o of equ iax ial zone is apparen tly incread1T he calcu lated effect of m agnetic fields on equ ilib rium of au sten ite ferrite and ferrite au sten ite pha boundaries show s that m agnetic field m akes the bou
ndaries move to the h igher carbon con ten t o r h igher temperatu re side1T he A e3temperatu re can be raid by223℃per one tesla depending on the carbon con ten t1M o reover,the influence of au sten itizati on under electric field on the m echan ical p roperties of40M n M oV steel w as investigated,the resu lts show that the samp les heat2treated under electric field has h igher m icrohardness,i m pact ductility and ten sile strength1
Key words:electrom agnetic b rake;electrom agnetic stirring;electrom agnetic u ltrason ic w aves;heat treatm en t under electrom agnetic field;flu id flow;so lidificati on structu re;con tinuou s casting;num erical si m u lati on
近年來(lái)，超級(jí)鋼的開(kāi)發(fā)成為國(guó)際上廣泛研究的課題。電磁場(chǎng)作為一種改善鋼材料質(zhì)量的有效手段，得到廣泛重視。采用電磁流體流動(dòng)控制(電磁制動(dòng))技術(shù)可以有效控制結(jié)晶器內(nèi)鋼液流動(dòng)狀態(tài)，去除夾雜物，凈化鋼液。采用電磁攪拌技術(shù)[1]和超導(dǎo)強(qiáng)磁場(chǎng)可以改善鑄坯的凝固組織及溶質(zhì)分布，提高等軸晶比率。在材料熱處理過(guò)程中施加電磁場(chǎng)可以影響固相轉(zhuǎn)變過(guò)程，提高材料的組織性能。本文就電磁場(chǎng)對(duì)提高鋼材料的組織和性能的作用進(jìn)行了數(shù)值模擬和實(shí)驗(yàn)研究。
1 鑄坯凝固過(guò)程中電磁場(chǎng)的作用
111 多物理場(chǎng)的耦合數(shù)值計(jì)算
利用自行開(kāi)發(fā)的電磁制動(dòng)數(shù)學(xué)模型及其計(jì)算軟件[2]，進(jìn)行了實(shí)現(xiàn)復(fù)雜結(jié)構(gòu)電磁裝置中的封閉磁路計(jì)算以及結(jié)晶器內(nèi)恒穩(wěn)磁場(chǎng)、鋼液流場(chǎng)、溫度場(chǎng)和凝固的耦合數(shù)值計(jì)算。在三維流場(chǎng)、電磁場(chǎng)計(jì)算程序中引入粒子動(dòng)量方程，對(duì)結(jié)晶器內(nèi)夾雜物的遷移行為進(jìn)行了數(shù)值模擬。
11111 板坯流動(dòng)控制磁路的磁場(chǎng)計(jì)算
由計(jì)算的磁路分布(圖1)可見(jiàn)，磁力線在水平面上形成基本封閉的回路，磁感應(yīng)強(qiáng)度在鐵芯處較大；磁場(chǎng)在鑄坯所在中間區(qū)域的分布比較均勻，而在與連鑄坯接觸的邊緣處存在漏磁；在鐵芯的厚度方向上，磁感應(yīng)強(qiáng)度表現(xiàn)為中間均勻，兩邊逐漸發(fā)散。因此，在設(shè)計(jì)磁場(chǎng)時(shí)，為了保證鑄坯斷面上磁場(chǎng)的均
作者簡(jiǎn)介：赫冀成(19432)，男，博士，教授; E-ma il:hejc@; 修訂日期:2004204226
勻性，應(yīng)使磁鐵的寬度略寬于板坯的寬面。
全幅二段電磁制動(dòng)中的雙條形磁鐵的磁場(chǎng)在垂直面上形成基本封閉的回路，且在上下磁鐵之間的板坯區(qū)域內(nèi)，垂直方向的漏磁占主導(dǎo)地位(圖2)。11112 流動(dòng)控制結(jié)晶器內(nèi)鋼液流動(dòng)和凝固的模擬在無(wú)磁場(chǎng)作用時(shí)，結(jié)晶器內(nèi)的鋼液流動(dòng)呈現(xiàn)上下兩個(gè)回流區(qū)(圖3(a )),
上回流區(qū)帶動(dòng)彎月面及附近鋼液的流動(dòng)，造成彎月面處的不穩(wěn)定性
；下回流區(qū)較大，水口出流對(duì)窄面沖擊嚴(yán)重。在有磁場(chǎng)作用時(shí)，水口出流的速度受到抑制，對(duì)窄面凝固殼的沖擊減小，并在磁場(chǎng)作用區(qū)域以下形成了活塞流(圖3(b )、(c ))。正是在電磁制動(dòng)條件下形成的與鋼液流動(dòng)方向相反的電磁力產(chǎn)生了電磁制動(dòng)效果(圖4)。
(a )裝置截面;(b )磁場(chǎng)分布
圖1 流動(dòng)控制裝置及磁場(chǎng)分布圖
F ig 11 M agnetic dev ice and d istr ibution of magnetic f lux
(a )裝置截面;(b )磁場(chǎng)分布
圖2 全幅二段制動(dòng)磁路裝置
F ig 12 M agnetic dev ice of FC
在電磁制動(dòng)條件下可以顯著降低彎月面處鋼液速度，使彎月面更為穩(wěn)定，有利于防止彎月面處的卷渣現(xiàn)象，且全幅二段電磁制動(dòng)的效果明顯優(yōu)于全幅一段(圖5)。
垂直中心剖面的鋼液溫度場(chǎng)分布表明(圖6)，電磁制動(dòng)使回流區(qū)長(zhǎng)度縮短，入口附近高溫鋼液橫向流動(dòng)，加強(qiáng)了高溫鋼液與低溫鋼液的混合，擴(kuò)大了入口附近高溫鋼液區(qū)域的范圍，使彎月面附近鋼液的溫度提高，同時(shí)降低了高溫區(qū)域鋼液的溫度梯度，有利于等軸晶凝固組織的形成。
由垂直中心剖面凝固殼厚度曲線如圖7所示。單方向恒穩(wěn)磁場(chǎng)的作用使鋼液在兩個(gè)不同的方坯中心垂直截面上表現(xiàn)為不同的流動(dòng)和凝固特性。在與磁場(chǎng)相平行的截面上，高溫鋼液的橫向流動(dòng)作用較強(qiáng),
凝固殼總體上變薄；與磁場(chǎng)相垂直的截面上，高溫鋼液的橫向流動(dòng)弱于前者，上部凝固殼稍微變薄，下部凝固殼變厚。
11113 流動(dòng)控制結(jié)晶器內(nèi)夾雜物遷移行為的模擬
在無(wú)磁場(chǎng)作用時(shí)，非金屬夾雜物的運(yùn)動(dòng)軌跡較為復(fù)雜，運(yùn)動(dòng)路徑較長(zhǎng)，不利于上浮(圖8)。電磁制動(dòng)縮短了非金屬夾雜物在結(jié)晶器內(nèi)的運(yùn)動(dòng)路徑。在合適的磁場(chǎng)位置條件下，可促進(jìn)非金屬夾雜物的上浮(圖9)。全幅二段電磁制動(dòng)和全幅一段電磁制動(dòng)控制鋼液內(nèi)部非金屬夾雜物的上浮，具有不同的效果(圖9
、10)。對(duì)于同樣可以上浮的粒子，前者可以使得粒子上浮的路徑更短；板坯厚度方向上，對(duì)于初始位置遠(yuǎn)離出口中心的粒子，前者使得上浮數(shù)量更多，對(duì)于初始位置接近出口中心的粒子，上浮數(shù)量則
(a )無(wú)電磁制動(dòng);(b )全幅一段電磁制動(dòng);(c )全幅二段電磁制動(dòng)
圖3 流場(chǎng)分布
F ig 13 Flow f ield
?
52?第1期 赫冀成：電磁場(chǎng)對(duì)改善鋼材質(zhì)量的作用
圖4
全幅二段電磁制動(dòng)電磁力分布
F ig 14 D istr ibution of electro magnetic
force under FC cond ition
圖5 彎月面中心線速度分布
F ig 15 Veloc ity
d istr ibution on m en iscus a long cen tra l li ne
少一些。
112
電磁攪拌改善鑄坯內(nèi)部質(zhì)量
采用Q 235鋼種，以模擬連鑄小方坯的凝固過(guò)程為目標(biāo)，進(jìn)行了鑄坯的靜態(tài)澆鑄實(shí)驗(yàn)[3]。通過(guò)選取適當(dāng)?shù)碾姶艛嚢鑵?shù)和澆鑄參數(shù)
，對(duì)電磁攪拌改善鑄坯的內(nèi)部質(zhì)量、促進(jìn)晶粒細(xì)化和成分均勻化問(wèn)題進(jìn)行了研究。
11211 靜態(tài)澆鑄實(shí)驗(yàn)
實(shí)驗(yàn)室澆鑄了70mm ×70mm ×350mm 的鑄坯。鋼種為Q 235，其基本成分如表1所示。
圖6 垂直中心剖面鋼液溫度場(chǎng)分布
F ig 16 Te m pera ture d istr ibution of liquid steel
圖7 垂直中心剖面凝固殼厚度曲線
F ig 17 Th ickness of solid if ied shell
表1 澆鑄用鋼的化學(xué)成分
Table 1 Che m ica l co m position of test steel
%
w (C )
w (Si )
w (M n )
w (P )
w (S )
0111011401460102001020
?62?鋼 鐵 第40卷
左半部分夾雜物的原始位置y=01035m;
右半部分y=01045m
圖8 無(wú)電磁制動(dòng)情況下非金屬夾雜物運(yùn)動(dòng)軌跡
F ig18 Tra jectory of i nclusion s without magnetic f ield
(a)磁鐵距彎月面的距離為014m;(b)磁鐵距
彎月面的距離為016m
圖9 全幅一段電磁制動(dòng)情況下非金屬夾雜物運(yùn)動(dòng)軌跡
F ig19 Tra jectory of i nclusion s under LM F
靜態(tài)澆鑄實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，不采用電磁攪拌時(shí)等軸晶率只有38%；而在采用合理的攪拌參數(shù)和澆鑄參數(shù)的情況下，獲得了幾乎為100%等軸晶的鑄坯，等軸晶率大幅度提高，晶粒也明顯細(xì)化，且基本消除了中心疏松和縮孔等內(nèi)部缺陷(圖11)。
電磁攪拌使得鋼液內(nèi)產(chǎn)生循環(huán)流動(dòng)，改善了從鑄坯中心至表層的傳熱，加速了鋼液中過(guò)熱的耗散，促
進(jìn)等軸晶核的形成。這些等軸晶核由于攪拌所產(chǎn)生的流動(dòng)而充滿鑄坯的液相穴，隨著進(jìn)一步冷卻以等軸晶方式生長(zhǎng)，最終形成等軸晶凝固組織
。
(a)磁鐵距彎月面的距離為014m;(b)磁鐵
距彎月面的距離為016m
圖10 全幅二段電磁制動(dòng)情況下非金屬夾雜物運(yùn)動(dòng)軌跡
F ig110 Tra jectory of i nclusion s under
FC
(a)無(wú)電磁攪拌，等軸晶率38%;(b)有電磁攪拌，等軸晶率98%
圖11 電磁攪拌對(duì)鑄坯凝固組織的影響
F ig111 Effect of electro magnetic stirr i ng on
the solid if ica tion structure of billets
鑄坯的硫印檢驗(yàn)結(jié)果表明，電磁攪拌使硫化物分布變得分散，有利于整個(gè)鑄坯截面上硫化物分布均勻，特別是在角部附近，硫化物的分布變得更加均勻(圖12)
。
(a)無(wú)電磁攪拌;(b)有電磁攪拌
圖12 鑄坯硫印圖
F ig112 Sulfur pr i n ts of billets
11212 電磁攪拌過(guò)程的數(shù)值模擬計(jì)算
應(yīng)用AN SYS516軟件，對(duì)以上線性電磁攪拌作用下鋼液內(nèi)的電磁場(chǎng)和流場(chǎng)進(jìn)行了二維數(shù)值模擬。
?
7
2
?
第1期 赫冀成：電磁場(chǎng)對(duì)改善鋼材質(zhì)量的作用
電磁攪拌強(qiáng)度是獲得最佳電磁攪拌效果的重要因素。通常認(rèn)為較低的電磁攪拌強(qiáng)度僅能控制柱狀晶向等軸晶的過(guò)渡，且效果不穩(wěn)定。增大攪拌強(qiáng)度，可以有效地提高等軸晶所占的比率，并可以完全避免小鋼錠結(jié)構(gòu)的形成，但當(dāng)攪拌強(qiáng)度太大時(shí)，則會(huì)增加白亮帶形成的可能性[4]。在單側(cè)線性電磁攪拌中，攪拌器兩側(cè)大小不同的電磁力所產(chǎn)生的扭矩導(dǎo)致了鋼液的渦漩流動(dòng)，直接影響鑄坯凝固組織中的等軸晶比率。川崎制鐵所對(duì)中碳鋼和高碳鋼的研究表明，鋼液中的流動(dòng)速度分別達(dá)到0115和0120m s 時(shí)，鑄坯內(nèi)的等軸晶達(dá)到飽和[4]。同時(shí)，攪拌還產(chǎn)生了垂直于鋼液流動(dòng)方向的電磁力分量，這個(gè)分量
有利于增加鋼液的紊流、加快過(guò)熱的耗散[5]，從而促進(jìn)晶核的形成和晶粒的增殖，提高鑄坯凝固組織中的等軸晶比率。
數(shù)值計(jì)算結(jié)果表明，在本實(shí)驗(yàn)中，攪拌器的最大
攪拌強(qiáng)度為1414A ?H z 1 2
。鑄坯內(nèi)所產(chǎn)生電磁力的最大值為6386N m ；在攪拌器一側(cè)鋼液流動(dòng)的速度值較大，其方向向上；而在攪拌器對(duì)側(cè)的速度值較小且方向向下，鑄坯內(nèi)鋼液的流動(dòng)速度最大可達(dá)0122
m s ，紊流動(dòng)能最大可達(dá)01012m 2
s 。
113 電磁超聲波對(duì)金屬組織細(xì)化的作用
利用強(qiáng)磁場(chǎng)和高頻電流的局部作用所產(chǎn)生的電磁超聲，考察了這種超聲波對(duì)細(xì)化金屬合金凝固組織的效果。
實(shí)驗(yàn)裝置如圖13所示，將Sn 2Pb 合金倒入水平斷面為25mm ×40mm 的矩形玻璃容器中，然后對(duì)其施加了垂直方向的靜磁場(chǎng)B DC 。同時(shí)在容器的短邊附近插入一對(duì)銅制電極，并通入了頻率為2
kH z 的交流電流。
在這種實(shí)驗(yàn)狀態(tài)下，由于金屬液內(nèi)的交流電流和所施加的靜磁場(chǎng)的相互作用，將在液態(tài)金屬表面附近、集膚層厚度的范圍內(nèi)生成高頻電磁力F AC 。這種周期性變化的電磁力將使液態(tài)金屬?gòu)钠胶鉅顟B(tài)開(kāi)
始振動(dòng)，因此金屬的密度、壓力也隨之發(fā)生微小擾亂。這種攪亂的傳播即生成電磁超聲波。實(shí)驗(yàn)中在金屬的長(zhǎng)邊壁的中心位置安裝了熱電偶，記錄了合金凝固的溫度履歷。從高于液相溫度的250℃到合金完全凝固的170℃的溫度區(qū)間內(nèi)在有無(wú)電磁超聲波的條件下，對(duì)合金進(jìn)行了凝固。得到的試料的縱斷面經(jīng)研磨腐蝕后，對(duì)合金的宏觀及微觀凝固組織進(jìn)行了觀察。
靜磁場(chǎng)和高頻電流分別是0T ,0A 、0T ,90A 、10T ,0A 、10T ,90A 的條件下所得到的凝固過(guò)程冷卻曲線如圖14所示。可以看出，由于交流電流的
圖13 實(shí)驗(yàn)裝置
F ig 113 Exper i m en ta l appara tus
圖14 不同條件下的冷卻曲線
F ig 114 Cooli ng curves under d ifferen t cond ition s
焦耳熱沒(méi)有對(duì)冷卻曲線造成太大影響，施加了10T 強(qiáng)磁場(chǎng)的合金的冷卻速度比沒(méi)有施加強(qiáng)磁場(chǎng)的要大些。各實(shí)驗(yàn)條件下得到的宏觀及微觀凝固組織照片如圖15、16所示。0T ,0A 和10T ,0A 的條件下都得到了粗大的晶粒組織，而且其微觀組織都是由柱狀晶構(gòu)成。0T ,90A 的條件下，電極附近的晶粒比前兩種都得到了細(xì)化，這可能是由于高頻電流和其自身所產(chǎn)生的磁場(chǎng)的作用下生成的電磁力的效果而引
起的。與此相對(duì)應(yīng)，其微觀凝固組織也出現(xiàn)了少量等軸晶。10T ,90A 的條件下的合金的凝固組織得到了顯著細(xì)化。它的微觀凝固組織也全由等軸晶構(gòu)成。這是由于10T 的強(qiáng)磁場(chǎng)和交流電流的共同作用
?82?鋼 鐵 第40卷
