概要：ローラーによるスラブ鋳造のセグメント化されたカップリングモデルを提示します電磁攪拌（インロールEMS）電磁流体力学と凝固理論に基づく電磁気、流れ、熱伝達、および凝固挙動の。AnsoftMaxwellおよびANSYSFluentソフトウェアを使用して、電磁気、流れ、および熱伝達要素を含む3次元（3-D）セグメント化結合モデルが確立されました。ローラースリーブ、磁気シールドリング、コイル、コア、溶鋼、および空気領域が電磁場、熱場、および流れ場に及ぼす影響を数値的に調べました。モデルの精度は、一対のローラーの中心線での磁束密度と銅板の電磁力を測定することによって検証されました。最適な技術パラメータの数値結果に基づいて、Fe–17 wt％Cr–0.6 wt％Niステンレス鋼の凝固に対するIN-ROLLEMSの影響を調査しました。結果は、電磁ローラーのペアを追加するたびに、平均電磁力が2969 N / m増加することを示しました。3鋳造方向、5600 N / m3ローラーの中央部分にあります。ローラーのペアの数が増えると、有効攪拌領域が増加し、凝固前線での溶鋼の速度が最初に増加しましたが、その後減少しました。強力な電磁旋回洗浄効果により、スラブシェルの凝固速度が低下し、ストランドの中央での溶鋼の過熱散逸が促進されました。2対のIN-ROLLEMSローラーと400A / 7 Hzの電磁パラメーターにより、スラブの中央等軸結晶率が69％に向上しました。これは、均一で緻密な固化構造を得て、その後の熱間加工性能を向上させるのに役立ちました。と製品の品質。
キーワード：ローラー電磁攪拌（IN-ROLL EMS）;Fe–17 wt％Cr–0.6 wt％Ni鋼;凝固構造;ローラーのペア数;洗浄効果概要：電磁流体力学と凝固理論に基づいて、電磁、流れ、熱伝達、および凝固挙動のローラー電磁攪拌（インロールEMS）によるスラブ鋳造のセグメント化された結合モデルを提示します。AnsoftMaxwellおよびANSYSFluentソフトウェアを使用して、電磁気、流れ、および熱伝達要素を含む3次元（3-D）セグメント化結合モデルが確立されました。ローラースリーブ、磁気シールドリング、コイル、コア、溶鋼、および空気領域が電磁場、熱場、および流れ場に及ぼす影響を数値的に調べました。モデルの精度は、一対のローラーの中心線での磁束密度と銅板の電磁力を測定することによって検証されました。最適な技術パラメータの数値結果に基づいて、Fe–17 wt％Cr–0.6 wt％Niステンレス鋼の凝固に対するIN-ROLLEMSの影響を調査しました。結果は、電磁ローラーのペアを追加するたびに、平均電磁力が2969 N / m増加することを示しました。3鋳造方向、5600 N / m3ローラーの中央部分にあります。ローラーのペアの数が増えると、有効攪拌領域が増加し、凝固前線での溶鋼の速度が最初に増加しましたが、その後減少しました。強力な電磁旋回洗浄効果により、スラブシェルの凝固速度が低下し、ストランドの中央での溶鋼の過熱散逸が促進されました。2対のIN-ROLLEMSローラーと400A / 7 Hzの電磁パラメーターにより、スラブの中央等軸結晶率が69％に向上しました。これは、均一で緻密な固化構造を得て、その後の熱間加工性能を向上させるのに役立ちました。と製品の品質。
1.1。序章
Fe–17 wt％Cr–0.6wt％Niなどのニッケル節約ステンレス鋼合金は、室温および高温でフェライト構造を持っているため、凝固中に柱状結晶を容易に発達させ、鋼中の等軸結晶の比率は非常に低くなります。鋳物。柱状結晶構造は、その後の塑性加工プロセスで明らかな異方性があり、深い延伸性が低いため、プレート製品にしわのような欠陥が生じる可能性があります。連続鋳造（CC）プロセス中に鋳造構造を制御し、等軸結晶の比率を高くすることは、製品のその後の熱間加工の性能と品質を向上させるために重要です。これは常に鉄鋼業界の中心的な問題でした。
インロールEMSは、CCマシンの通常のピンチローラーを異なるローラーのペアに置き換えることができます。セグメント内のローラーの配置が異なると、磁場分布、EMFの面積、および溶鋼のフローパターンが異なります。ストランドの内部品質の制御に関するスラブ鋳造のSCZでの冶金学的挙動の重要性を考慮すると、SCZでの3次元（3-D）電磁、流れ、熱伝達、および凝固挙動の結合モデルは次のようになります。この研究で開発されました。
磁束密度は、LakeShoreデジタル信号処理モードTesla Meter 475（Zhongke Electric、湖南省、中国）を使用して測定しました。図3に示すように、EMFは、社内で製造された推力計を使用してテストされました。
図3。カッパープレート測定法:(a）構造図;（（b）物理デバイス図。
Fe–17 wt％Cr–0.6 wt％Ni鋼の主な化学成分を表2に示します。
図4。金属組織分析のためのスラブ鋳造からのサンプル切断。
3。結果と考察
3.1。電磁界の分析
図5aは磁束密度の計算値と測定値の比較を示し、図5bは一対のローラーを備えた広い表面の中心線上のEMFを示しています。ローラーの中心線上の磁束密度と銅板のEMFの測定値と計算値はほぼ一致しており、モデルの信頼性が許容レベルに達していることを確認しています。図5bは、EMFが急速に増加し、周波数が増加するにつれてゆっくりと減少することを示しています。ローラースターラーのペアの最大EMFは、9Hzの周波数で得られました。
図5。一対のローラーの広い面の中心線での測定値と計算値の比較:(a）磁束密度、（b）電磁力。
図6a–cは、有効面積がそれぞれ1ペア、2ペア、3ペアの場合の、電流強度400 A、周波数7Hzのスラブ表面の磁束密度の分布を示しています。ローラーの数が増えると磁束密度が増加します。進行波磁場には特定の方向性があり、最終効果が生じ、開始側（図6のストランドの左側）よりもスラスト側（図6のストランドの右側）の方が磁束密度が大きくなりました。 ）。
図6。スタンド表面の磁束密度の等高線（a）1ペア、（b）2つのペア、および（c）3対のローラー。
図7aは、電流400Aおよび周波数7Hzの場合の、異なる数のローラーのペアの下での鋳造方向の中心線に沿ったEMFの分布を示し、図7bは、ローラーの中心線に沿ったEMFの分布を示しています。広い方向に。1対、2対、および3対のローラーの場合、鋳造方向に沿ったスラブの中心線上の最大EMFは、12,090、18,573、および21,229 N / mでした。3、それぞれ、平均EMFは2023、5066、および7962 N / mでした。3、 それぞれ。ローラーの各ペアの広い表面の中心線上の最大EMFは、12,354、18,084、および22,874 N / mでした。3、それぞれ、平均EMFは10,247、15,730、および21,336 N / mでした。3、 それぞれ。最大力はスラブのスラスト側にあり、溶鋼の起電力はローラーのペアの数が増えるにつれて増加しました。
図7。ローラーの数が異なるストランド内の内部電磁力の分布（a）鋳造方向の中心線に沿って、（b）ローラーの中心線に沿って広い方向に。
図8aは、異なる周波数での2対のローラーの下での鋳造方向のEMFの分布を示し、図8bは、異なる電流での2対のローラーの下での鋳造方向のEMFの分布を示しています。EMFの分布は、両端が小さく、中央が大きく、ローラー間で均等に分布していることを示しています。ストランドの中心での最大EMFは4750から19,000N / mに増加しました3電流強度が200から400Aに増加すると、さらに、ストランドの中心での最大EMFは20,838から17,995 N / mに減少しました。3周波数が4Hzから8Hzに増加したとき。空気からストランドへの磁気誘導線がずれると、ストランドは特定の透磁率を示し、1つの場所に集まり、磁気シールドを形成しました。ストランドの内部とエッジの間の磁束の違いにより、誘導電流の不均一な分布が生じ、これは主にスラブの表面に集中しました。これは「表皮効果」として知られる現象です。この効果は、より高い周波数での磁場の浸透の減少につながります[17]。これは、特定の導電性を持つ固化したシェルが磁場に対して特定のシールド効果を持っていることを示しています。したがって、中心磁気誘導強度は、電流周波数が増加するにつれてわずかに減少します。
図8。（での2対のローラーの下での鋳造方向の電磁力の分布a）異なる周波数以下（b）異なる電流。
3.2。流動および凝固挙動の分析
図9aは、ローラーのペア数が異なる溶鋼の特性線上の鋳造方向の中心線に沿った速度分布を示し、図9bは、広い方向のローラーの中心線に沿った速度分布を示しています。ローラーの数の増加は、ストランド上のEMFの局所体積の増加につながり、EMFは、SCZの凝固前線を洗浄するための溶鋼の流れの推進力でした。鋳造方向に沿った凝固前線の有効洗浄速度範囲（流速が鋳造速度よりも大きい範囲として定義される）は、1、2で4.0〜4.35 m、3.8〜4.35 m、および3.6〜4.35mでした。 、および3対のローラーであり、最大洗浄速度はそれぞれ0.7、0.8、および0.76 m / sでした。張ら。[18]は、側面の穴からの高速ジェット流が、金型ゾーンとSCZの一部でより大きな乱流ゾーンにつながる可能性があることを発見しました。2対のローラーのEMFは3対のEMFよりも低くなりますが、2対の洗浄領域はさらに低くなり、オフセットモールド領域での乱流運動エネルギー強度が低くなります。したがって、ストランドは、3対のローラーよりも2対のローラーの方が最大洗浄速度が大きくなります。図8bは、異なる数のローラーのペアの下での最大流速がストランドの片側に分布していることを示しています。EMFの推力側の流速は開始側よりも大きく、進行波磁場の運動特性とほぼ一致しています。
図9。ローラー数の異なる速度分布（a）鋳造方向の中心線に沿って、および（b）ローラーの中心線に沿って広い方向に。
図10a–dは、0–3対のローラーを備えたスラブの狭い面の中心面における温度分布と溶鋼の流線を示しています。EMFにより、溶鋼は狭い表面の一方の側からもう一方の側に移動し、狭い凝固前線への流れの連続性により、溶鋼の上下循環が形成され、均一なコアが得られました。スラブの温度と混合。ローラーのペアの数が増えると、断面での溶鋼の流れの領域が拡大し、中央の高温溶鋼と固化したシェルの間の強制的な熱交換により、中央のより大きな低温ゾーンが生じました。ストランド。凝固理論によれば、中央の溶鋼の温度が低いほど、核形成粒子の形成が促進されます。Xu etal。凝固前線に対する溶鋼の洗浄は、デンドライトアームの「溶融」を引き起こして等軸結晶の形成のための核形成粒子を提供し、最終的にストランドの中央等軸結晶比を増加させる可能性があることを指摘した[19]。
図10。ストランドの狭い中心面での温度分布と流れ（a）ゼロペア、（b）1ペア、（c）2つのペア、および（d）3対のローラー。
図11aは、ローラーのペアの数が異なるストランドの狭い面の中心での鋳造方向に沿った開始側の固化シェルの変化を示し、図11bは、ローラーのペアの数が異なるストランドの狭い面の中心での鋳造方向。凝固前線は、液相の割合が0.3である場所と見なされます。ローラーの0、1、2、および3ペアの場合、計算領域の出口での固化シェルの厚さは、EMFの開始側でそれぞれ42.37、40.96、40.14、および38.43 mm、42.37、42.27でした。 、37.62、および37.60 mmは、EMFのスラスト側にそれぞれあります。溶鋼の高速流が凝固前線に突入し、柱状結晶の一部を遮断し、攪拌領域での凝固シェルの成長が遅くなります。電磁推力側の凝固速度は開始側よりも大幅に低く、進行波磁場の特性とほぼ一致しています。
図11。ストランドの狭い中心面でのシェルの厚さの分布（a）スタートサイドと（b）スラスト側。
3.3。インロールEMSで得られた凝固構造の実験
IN-ROLL EMSによる凝固構造制御の実験では、Fe–17 wt％Cr–0.6 wt％Ni鋼スラブ鋳造用に2対のローラーが選択されました。2対のローラーを使用した場合のスラブ中央の半固体ゾーンは、1対のローラーを使用した場合よりも大きかった。EMFは3ペアを使用した場合よりも小さかったものの、凝固フロントの洗浄速度は3ペアよりも2ペアの方が速く、ストランド内の等軸結晶の形成に有益でした。さらに、2対のローラーを使用すると、計装のコストと消費電力が低くなります。図12に示すように、実験中にIN-ROLL EMSをオフまたはオンにしたときに生成されたスラブの凝固構造を比較しました。IN-ROLLEMSをオフにすると、スラブのマクロ構造はFe–17 wt％Cr–0.6 wt％Ni鋼の特性に関連する柱状結晶。鋼中のCrの含有量が16％を超えると、凝固プロセスが発生します。α→γフェライト構造を維持したままの相転移プロセス。パンら。[20]は、結晶粒成長の過程で柱状結晶の発達を妨げる相転移がないことを発見しました。そのため、粒径が粗く、化学元素が偏析しやすく、製品の品質に深刻な影響を与える可能性があります。インロールEMSを400Aおよび7Hzの電磁パラメータでオンにすると、進行波の磁場によって生成されたEMFにより、溶融鋼が激しく流れ、柱状結晶の前面を洗浄して、凝固前面の温度勾配を低減しました。 、柱状結晶の成長を阻害します。同時に、溶鋼の高速の流れが柱状デンドライトアームを破壊して、中央の低温領域に自由核を形成する可能性があります。最後に、ストランドの中央の等軸結晶比は69％に増加しました。
図12。の断面 NS ストランドのキャスト時のマクロ構造（a）インロールEMSなしおよび（b）IN-ROLL EMSで使用される2対のローラー（400Aおよび7Hz）を使用。
4.結論
ここでは、ステンレス鋼のスラブ鋳造のために、電磁、流れ、および熱伝達挙動の3Dセグメント化結合モデルが確立されました。IN-ROLL EMSが磁場分布と凝固挙動に及ぼす影響が明らかになり、鋼Fe–17 wt％Cr–0.6 wt％Niの鋳造時のマクロ構造を制御するための最適な技術パラメータが提示されました。主な結論は次のとおりです。
1.SCZ内のIN-ROLLEMSの進行波磁界の特性により、スラブストランドの開始側に最大EMFが配置されます。電磁ローラーの追加ペアごとに、鋳造方向の平均EMFは2969 N / m増加します。3、およびローラーの中央セクションの平均EMFは5600 N / m増加します3.
2.攪拌ローラーのペア数が増えると、ストランド内の溶鋼の有効攪拌面積がEMFによって拡大され、凝固前線での溶鋼の速度が最初に増加し、次に減少します。強い電磁力による流動洗浄効果により、局所シェルの凝固速度が低下し、溶鋼中心の過熱散逸が加速され、等軸結晶の形成に役立ちます。
3. 400Aと7Hzの2対の電磁ローラーを使用すると、200mm×1280mmのスラブストランドで69％の中心等軸結晶比を生成でき、熱間加工動作の改善に役立ちます。
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