一種降低鑄坯C元素偏析程度的方法與流程

本發明屬于連鑄和材料電磁加工成型領域，特別涉及連鑄過程凝固末端電磁控流技術，具體是一種降低鑄坯C元素偏析程度的方法。

背景技術：
連鑄過程中，鑄坯凝固末端鋼液的運動狀態是影響鑄坯內部質量的一個重要因素。由于枝晶搭橋會造成凝固末端位置補縮不充分，產生縮松縮孔缺陷。同時，由于元素在液固兩相中的溶解度不同，會造成元素偏析。電磁攪拌在控制和改善固-液界面前沿鋼液流動、擴大等軸晶區、細化晶粒、提高鑄坯表面和內部質量等方面都發揮著不可替代的作用。這體現在眾多的專利(如公開號為CN1266759A，CN1638893A和CN101185957的發明專利等)、學術期刊和會議交流文件中。旋轉電磁場降低凝固末端元素偏析等級的機制為：電磁力引起的動量對流增加了熔體的熱、質傳輸過程，使熔體溫度分布更趨均勻，溫度梯度減小，使心部熔體的固相率更趨一致，且在短時內增至特征固相分數，凝固末期熔體的凝固速率增大，使心部熔體在短時間內同時凝固，減緩了溶質元素再分配造成的成份分布不均。然而，電磁攪拌過強會促進凝固前沿溶質交換，致使偏析嚴重，目前認為白亮帶的產生主要是由于電磁攪拌過強造成的。有學者通過試驗研究發現，在白亮帶處只有C、Si含量與帶內、帶外相差較大，認為白亮帶主要是由于C、Si元素負偏析所致。為了獲得最佳的攪拌效果，降低元素偏析等級，必須選擇合適的攪拌位置，同時電磁攪拌的電流、頻 率、攪拌方式(交替旋轉或單向旋轉)等都會對鑄坯組織產生影響，需要通過實驗和模擬進行研究。連鑄過程中，隨著鋼水澆注溫度、冷卻強度、拉坯速度等條件的不同，凝固末端處的液芯尺寸也不同。此時凝固坯殼對電磁攪拌的磁場具有一定的屏蔽作用，為了使凝固末端的鋼液獲得大的電磁攪拌力，目前主要采取的是提高攪拌器的線圈電流大小。一般情況線圈最大電流值由設備的安全電流決定，可以提高的空間有限。

技術實現要素：
本發明公開一種降低鑄坯C元素偏析程度的方法，根據電磁場的原理，從電磁流體力學出發，優化電磁力在鑄坯中的分布。采用改變頻率的電磁攪拌方法，通過改變電磁攪拌頻率，改變電磁場在鑄坯中的滲透深度，同時改變電磁力的大小和分布，從而改善凝固末端鋼水流動狀態和凝固過程，進而降低C元素偏析程度，明顯改善鑄坯的內部質量，該方法還可以適當降低線圈輸入電流的大小，降低能耗。本發明主要通過模擬分析與試驗驗證相結合的方法來實現，具體步驟如下：1.利用有限元軟件建立電磁攪拌模擬模型，計算不同電磁攪拌電流和頻率、不同坯殼厚度時液芯處電磁攪拌力的大小和分布；利用矢量勢A和標量勢φ來解電磁場，建立了以下方程：B和E分別是磁感應強度和電場強度，根據麥克斯韋方程，可以得到磁場和電場的偏微分，根據偏微分方程，可以求得電磁力F的計算方程如下：鋼液中不同位置處的磁感應強度Bz可以用公式(4)進行計算.其中,B0為鋼液表面磁感應強度,σ為鋼液電導率,f為電流頻率.將公式(4)帶入到公式(3)中,可以得到電磁力與頻率之間的關系.2.根據步驟1獲得的電磁力的分布計算液芯的流速分布，對比不同參數條件時取得最大流速的條件，確定最佳攪拌頻率；流場連續方程如下：在慣性坐標系中，在i方向的動量守恒方程為：其中p為靜壓力，gi為重力，Fi為i方向的電磁感應力,τij為應力張量。3.通過實驗分析鑄坯C元素分布規律，修改驗證最佳電磁攪拌頻率，采用電磁攪拌器對鋼液施加電磁攪拌。本發明通過調節頻率來改變液芯位置電磁力的大小，進而改善凝固末端鋼水流動狀態和凝固過程，達到降低C元素偏析程度的目的；同時，采用最佳攪拌頻率還可以適當降低線圈輸入電流，達到節能的目的，明顯改善鑄坯的內部質量，該方法還可以適當降低線圈輸入電流的大小，降低能耗。附圖說明圖1為本發明電磁攪拌結構示意圖。圖2為液芯位置最大電磁攪拌力與頻率之間的關系。圖3為4Hz攪拌頻率時液芯位置的流速場矢量分布。圖4為7Hz攪拌頻率時液芯位置的流速場矢量分布。1：液芯；2：凝固坯殼；3：空氣；4：鐵芯；5：線圈具體實施方式下面結合附圖對本發明的具體實施方式做詳細說明：如圖1所示，液芯1處的磁感應強度與凝固坯殼2的厚度有關，在不同的連鑄條件時凝固坯殼的厚度也不同，因而滲透到鑄坯液芯1位置處的磁感應強度也不同。磁感應強度的大小決定了電磁力的大小。本發明是通過模擬分析與試驗驗證相結合的方法來實現的，具體步驟如下：1.利用有限元軟件建立電磁攪拌模擬模型，計算不同電磁攪拌電流和頻率、不同坯殼厚度時液芯處電磁攪拌力的大小和分布；利用矢量勢A和標量勢φ來解電磁場，建立了以下方程：B和E分別是磁感應強度和電場強度，根據麥克斯韋方程，可以得到磁場和電場的偏微分，根據偏微分方程，可以求得電磁力F的計算方程如下：鋼液中不同位置處的磁感應強度Bz可以用公式(4)進行計算，其中,B0為鋼液表面磁感應強度,σ為鋼液電導率,f為電流頻率，將公式(4)帶入到公式(3)中,可以得到電磁力與頻率之間的關系；2.根據步驟1獲得的電磁力的分布計算液芯的流速分布，對比不同參數條件時取得最大流速的條件，確定最佳攪拌頻率；3.流場連續方程如下：在慣性坐標系中，在i方向的動量守恒方程為：其中p為靜壓力，gi為重力，Fi為i方向的電磁感應力,τij為應力張量。4.通過實驗分析鑄坯C元素分布規律，修改驗證最佳電磁攪拌頻率，采用電磁攪拌器對鋼液施加電磁攪拌。由計算公式(3)和(4)，得出電磁攪拌力與頻率之間的關系，模擬計算得到的280×380mm大方坯液芯位置最大電磁攪拌力與頻率之間的關系如圖2所示，從圖2中可以看出，開始時隨著頻率的增加，電磁攪拌力逐漸增大，當頻率達到17Hz時電磁攪拌力達到最大值。隨著頻率的繼續升高，最大電磁攪拌力逐漸降低。因此當攪拌器線圈輸入相同的電流時，攪拌頻率選擇在17Hz可以獲得最大的電磁攪拌力。如果攪拌強度過強，那么可以降低線圈輸入電流，這樣不僅能保證攪拌效果，同時還可以節約電能，降低設備運行成本。圖3顯示了鑄坯280×380mm，液芯為90×160mm不同攪拌頻率時液芯位置的流速場矢量分布。當攪拌頻率為4Hz時，液芯處最 大流速為2.9cm/s，如圖4所示，當頻率提高到7Hz時，最大流速提高到3.6cm/s，比前者高了24％。隨著流速的提高，鑄坯的傳熱和傳質能夠被增強，有利于降低液芯處鋼水的溫度梯度，促進液芯同時凝固，因而C元素偏析可以得到緩解。由于LX80級簾線鋼對夾雜物要求、連鑄中心偏析和組織控制等的要求非常嚴格，現有技術很難解決該品種鋼在連鑄中心偏析的問題，現采用本發明方法，對LX80級簾線鋼連鑄中心偏析在不同的攪拌頻率時針對LX80鋼凝固末端電磁攪拌效果進行了試驗研究，結果如表1所示：從表1可以看出，在無電磁攪拌時，連鑄方向上的最大C偏析指數為1.19，在橫截面上最大為1.15，較施加電磁攪拌的都高很多。施加4Hz電磁攪拌磁場時，最大C偏析指數為1.09，當攪拌磁場頻率為7Hz時，拉坯方向最大C偏析指數降低到1.08，鑄坯橫截面上最大C偏析指數僅為1.05。上述結果說明，施加電磁攪拌能夠有效降低鑄坯C偏析指數，同時，頻率的優化有助于液芯流場的優化和凝固過程的改善，進而改善C元素分布。表1鑄坯的C偏析指數通過調節頻率來改變液芯位置電磁力的大小，進而改善凝固末端鋼水流動狀態和凝固過程，達到降低C元素偏析程度的目的；同時，采用最佳攪拌頻率還可以適當降低線圈輸入電流，達到節能的目的。