公開された： 2023-09-04 起源： パワード
Fe-17wt%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ち、鋼中の等軸結晶の比率が非常に低く、凝固中に柱状結晶を容易に成長させます。鋳物。柱状結晶構造はその後の塑性加工プロセスにおいて明らかな異方性を有しており、深絞り性が低いために板製品にしわのような欠陥が発生する可能性があります。連続鋳造（CC）プロセス中に鋳造組織を制御し、高い等軸晶率を得ることが、その後の製品の熱間加工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にとって中心的な問題でした[1、2]。クンストライヒら。 [3]は、高スループットまたは低スループットの厚スラブマシンで鋳造された製品の表面/地下品質（スライバー、パイプ、ピンホール、ブローホール、介在物含有量）および転用率（スラブ鋳造異常コード）に対処しました。彼らは、二重ロール流動パターンの強度が過剰であってはいけないものの、金型内で安定した二重ロール流動を生成または維持する低速または幅広のスラブ機械がスラブ欠陥を排除する鍵であることを発見しました。電磁撹拌（EMS）は、誘導非接触電磁力（EMF）を通じて溶鋼の流れを駆動し、熱と物質移動の挙動を制御します。二次冷却ゾーン (SCZ) での冶金学的挙動を制御してストランドの品質を向上させるための EMS の配置と使用は、研究であまり注目されていません。
スラブ鋳造中の SCZ 内での溶鋼の移動挙動はストランドの内部品質に直接影響を与え、溶鋼の流れと温度を調整することで圧延材の品質を同時に制御できることが示されています [4]。スラブの SCZ には、主に挿入型 EMS（新日鉄、東京、日本）、ボックス型 EMS（ABB、チューリッヒ、スイス）、ローラー電磁撹拌装置（R-EMS）（Danieli Rotelec、パリ、イタリア）が装備されています。 ）[5]。挿入型やボックス型のEMSと比べて、ローラー 電磁撹拌 (R-EMS) はローラー内にコイルを備え、ストランドのサポートローラーを置き換え、内部の溶鋼の流れを押すためのより高い EMF を備えています。レイら。 [6,7] は 3 つの R-EMS モード (ダブルディスク、ダブルリング、トリプルリング) の磁場と流れ場の分布を調査しました。ダブルリングモードのＥＭＳが最も効率的であり、他のモードと同じ出力でストランド内に循環流のより大きな領域を生成した。周波数が増加すると，スラブ中心の磁束密度が減少し，溶鋼の起電力と速度が増加した。これは，起電力が R-EMS の効果の直接的な指標であることを示している。シェンら。 [8] は、Max-well 方程式と k-ε モデルに基づいて、SCZ におけるスラブの流動と凝固挙動の連成モデルを確立し、溶鋼の流れの方向が EMF の方向と一致し、撹拌が行われることを観察した。凝固シェルの厚さが増加すると効果は著しく弱まった。王ら。 [9] は、進行波磁場によって生成された EMF がストランドの広い表面近くに集中し、EMF が水平の撹拌流を生成することを示唆しました。ジャンら。 [10] はスラブの三次元巨視的輸送モデルを確立し、凝固の終点がスラブの幅方向の 4 分の 1 の位置にあることを観察した。片側に押し込まれたリニアスターラーと比較して、SCZ の回転スターラーは凝固端での均一な溶質分布に有利です。王ら。 [11] は、430 フェライトステンレス鋼の等軸結晶率が低い要因を分析しました。 ＥＭＳが不十分な場合には、ＳＣＺと鋳造速度を調整することにより等軸晶率が大幅に向上し、ストランドの横割れが減少する。周ら。 [12] は、スラブ鋳造におけるマルテンサイト系ステンレス鋼の凝固組織に対する EMS の効果のメカニズムを分析し、適切な磁性を使用すると、ストランドの中心等軸結晶率が平均 50%、最大 57% に達することを観察しました。磁束密度。新日鉄による研究 [13] では、R-EMS が内部溶鋼の効果的な流れを制御して電磁鋼とステンレス鋼の柱状結晶構造を低減し、同時に等軸結晶率を増加させて中心収縮、気孔率、および偏析を改善できることが示されています。これは、スラブ製造プロセスの鋳造速度と品質の向上に役立ちます。
これらの研究は、R-EMS が CC マシンの通常のピンチローラーを異なるペアのローラーに置き換えることができることを示しています。セグメント内のローラーの配置が異なると、磁場の分布、EMF の領域、および溶鋼の流動パターンが変化します。ストランドの内部品質の制御に関してスラブ鋳造品の SCZ における冶金的挙動の重要性を考慮し、SCZ における 3 次元 (3-D) 電磁気、流動、熱伝達、および凝固挙動の結合モデルを作成する。この研究で開発されました。 Fe-17 wt% Cr-0.6 wt% Ni 鋼を使用して，R-EMS 用のローラ対の数を変えた場合の磁場分布と凝固挙動に及ぼす影響を調査した。数値モデリングを使用して、フェライトステンレス鋼鋳物の凝固組織と内部品質を改善するための理論的指針を提供することを目的としました。
2. メソッド
2.1。 数値 モデル 説明
の構造 EMS機器 主に、ローラースリーブ（銅）、磁気シールドリング、コイル、コア、溶鋼、および空気領域で構成されます（図 1、空気領域は示されていません）。磁気シールドリングはリングの一部を空気で満たした構造になっています。シミュレーション計算に使用した熱物理パラメータと CC プロセスパラメータを表 1 に示します。モデルの座標の原点は金型メニスカスの中心にあり、鋳造方向は正の Z 軸に沿っており、X 軸は正の Z 軸に沿っています。 Y 軸と Y 軸はそれぞれストランドの狭い側面と広い側面に平行です。計算領域モデルは，断面 1280 mm × 200 mm の Fe-17 wt% Cr-0.6 wt% Ni 鋼の製造のために SCZ 内で R-EMS を用いて開発された。 R-EMS の構造は直線状で、直径 240 mm、長さ 1550 mm のローラーに 5 つのコイルが巻き付けられています。 3 対のローラーはメニスカスから 4.159、3.911、および 3.660 m 離れており、連続直線撹拌モードが使用されました。
CC プロセスでの電磁撹拌中の磁気レイノルズ数 Rm < 1 により、外部磁場に対する鋼の流れの影響は無視できます。高温域では電気伝導率がほとんど異なる鋼の固相と液相の電磁力への影響は無視された。 Li et al. によって詳細に説明されているように、電磁場、流れ場、熱伝達、および凝固挙動の連成方程式の開発は比較的成熟しています。 [14]およびWangら。 [15]。リニアスターラーの原理を図 2 に示します [16]。電磁ローラーは進行波磁場撹拌装置であり、鉄心と磁気回路が切り離されており、片側への電磁推力が溶鋼の直線運動を制御します。
2.2。 境界 条件 そして 数値 解決 手順
電磁場については、メッシュ番号 518,230 の四面体メッシュが電磁モデルで使用されました。ローラ対に対して，各 R-EMS には 2 相交流が負荷された 5 つのコイルがあり，各相の位相差は 90°であった。磁力線はスターラーを囲む空気ユニットの表面と平行でした。コイル、銅管、鉄心の間に絶縁境界条件を設定した。
流動と凝固の計算では，凝固と流動の情報を計算するために，金型内に電磁力を持たないセグメント化モデルとフットロール領域を確立した。流体計算には六面体メッシュが使用されました。ノズル境界層や凝固領域などの透過密度が高い領域のグリッドを細分化し、合計約300万グリッドを実現しました。エネルギーの残差値は 10-6 より小さく、その他の値は 10-4 より小さくなりました。計算中の収束を判断するために、AN-SYS Fluent 16.0 (ANSYS, Inc.、ペンシルベニア州キャノンズバーグ、米国) が使用されました。 ANSYS Fluent の「Profile」モジュールは、計算ドメインの終了データの最初のセグメントを 2 番目のセグメントの開始条件として抽出するために使用されました。 EMF 作用の有効範囲と乱流の完全な発達を確保するために、この研究では計算領域に 3 ～ 4.8 m の SCZ が選択されました。 ANSOFT Maxwell (ANSYS, Inc.、ペンシルバニア州キャノンズバーグ、米国) シミュレーションを使用して計算領域の電磁場データを取得し、Fluent ソフトウェアを使用して定常状態での流れ、熱伝達、および凝固情報を計算しました。 SCZで。 Fluent のノード座標情報を Maxwell にロードし，座標補間アルゴリズムを使用して時間平均 EMF を抽出した。最後に、ユーザー定義関数 (UDF) を使用して EMF を運動量方程式にロードしました。モデルの境界条件は次のとおりです。
1. 計算領域入口: 最初の計算領域出口の速度と温度、および液相分率情報が入口境界条件としてロードされました。
2. ドメインアウトレットの計算: 完全に開発された境界条件を使用して、エクスポート法線の方向のすべての物理量のゼロ勾配。
3. 壁: 冷却条件は対流熱伝達係数を使用して説明されました [10]。
2.3。 実験的 手順
磁束密度は、LakeShore デジタル信号処理モード テスラ メーター 475 (Zhongke Electric、湖南、中国) を使用して測定されました。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。テスト装置の原理は、素線を模擬した銅板の測定方法に基づいています。厚さ 2 mm の薄い銅板を多数均等に配置し、EMS の作業面間のストランドの厚さと対称かつ平行に吊り下げました。各銅板が受ける電磁推力は張力変換器を用いて個別に測定され、各銅板は対応する位置の一定の厚さの素線が受ける推力を表します。
Fe-17 wt% Cr-0.6 wt% Ni 鋼の主な化学成分を表 2 に示します。対応する作業条件で製造されたスラブ断面のサンプリング場所を図 4 に示します。各加工条件のサンプルは、検査面の観察に影響を与える加工痕が残らないように旋盤で平坦化し、フライス盤で研磨した。侵食剤としては、体積比１：１の工業用塩酸水溶液を使用した。表面仕上げしたサンプルを酸エッチング液に浸漬し、70 °C の水浴温度で 20 分間浸食しました。浸食直後、表面を水ですすぎ、高圧空気流で乾燥させ、画像を取得し、等軸結晶比を Image-Pro Plus (Media cybernetics, Inc., Rockville, MD, United States) で記録しました。州）。
3. 結果 そして 議論
3.1。 分析 の 電磁 分野
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使用した広い表面の中心線上の EMF を示します。ローラの中心線上の磁束密度と銅板の起電力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可能なレベルであることが確認されています。図 5b は、周波数が増加するにつれて EMF が急速に増加し、その後ゆっくりと減少することを示しています。一対のローラースターラーの最大の EMF は周波数 9 Hz で得られました。
図6a〜cは、1ペアの場合、電流強度400A、周波数7Hzにおけるスラブ表面の磁束密度の分布を示しています。
それぞれ 2 対と 3 対で、ローラーの数が増えるにつれて磁束密度の有効面積が増加しました。進行波磁場には一定の方向性があり、これにより終端効果が生じ、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) の磁束密度が大きくなります。 ）。
図 7a は、電流 400 A、周波数 7 Hz における、異なる数のローラー対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、鋳造方向の中心線に沿った EMF の分布を示しています。ローラーを幅方向に動かします。 1 対，2 対，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の最大 EMF はそれぞれ 12,090，18,573，21,229 N/m3 であり，平均 EMF は 2023，5066，7962 であった。それぞれ N/m3。各ローラー対の広い表面の中心線上の最大 EMF はそれぞれ 12,354、18,084、22,874 N/m3 であり、平均 EMF はそれぞれ 10,247、15,730、21,336 N/m3 でした。最大の力はスラブのスラスト側に位置し、溶鋼の起電力はローラー対の数が増加するにつれて増加しました。
図 8a は、異なる周波数の 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、EMF が両端で小さく、中央で大きく、ローラー間に均一に分布していることを示しています。電流強度が 200 A から 400 A に増加すると、ストランドの中心の最大 EMF は 4750 から 19,000 N/m3 に増加しました。さらに、ストランドの中心の最大 EMF は、周波数が 4 Hz から 8 Hz に増加しました。空気からストランド内への磁気誘導線が逸れると、ストランドは一定の磁気伝導性を示し、一箇所に集まり磁気シールドを形成します。素線の内部と端との間の磁束の違いにより、誘導電流が不均一に分布し、そのほとんどが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侵入の減少につながります[17]。これは、一定の導電率をもつ凝固シェルが磁場に対して一定のシールド効果を持ち、したがって電流周波数が増加するにつれて中心磁気誘導強度がわずかに減少することを示している。
3.2。 分析 の 流れ そして 凝固 行動
図 9a にローラ対数を変えた場合の溶鋼の特性線における鋳造方向の中心線に沿った速度分布を示し，図 9b にローラの幅方向の中心線に沿った速度分布を示す。ローラーの数の増加により、ストランド上の局所的なEMFの体積が増加し、EMFはSCZ内の凝固フロントを洗浄する溶鋼の流れの原動力となった。鋳造方向に沿った凝固フロント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 つの場合、4.0 ～ 4.35 m、3.8 ～ 4.35 m、および 3.6 ～ 4.35 m でした。ローラーの数はそれぞれ、2 対、3 対であり、最大洗浄速度はそれぞれ 0.7、0.8、0.76 m/s でした。張ら。 [18] は、側孔からの高速ジェット流が金型ゾーンと SCZ の一部に大きな乱流ゾーンをもたらす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 対のローラーの EMF よりも低いですが、2 対のローラーの洗浄領域はさらに下にあるため、オフセット金型領域の乱流運動エネルギー強度は低くなります。したがって、ストランドの最大洗浄速度は、3 対のローラーよりも 2 対のローラーの方が大きくなります。図 8b は、異なる数のローラー対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、これは進行波磁場の運動特性とほぼ一致しています。
図 10a ～ d は、0 ～ 3 対のローラーを使用したスラブの狭い面の中心表面の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、狭い凝固フロントへの流れの連続性によって溶鋼の上下循環が形成され、その結果均一なコアが形成されました。スラブの温度と混合。ローラ対の数が増加すると，断面における溶鋼流の面積が拡大し，中央の高温溶鋼と凝固したシェルとの間の強制熱交換により，中央の低温領域が拡大する。ストランドの。凝固理論によれば、中心溶鋼の温度が低いほど、核生成粒子の形成が促進されます。徐ら。は、凝固フロントに対する溶鋼の洗浄によってデンドライトアームの「溶融」が引き起こされ、等軸結晶の形成のための核生成粒子が提供され、最終的にはストランドの中心等軸結晶比率が増加する可能性があると指摘した[19]。
図 11a は、異なる数のローラー対を使用した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凝固シェルの変化を示し、図 11b は、鋳造方向に沿ったスラスト側のシェルの厚さの変化を示しています。異なる数のローラー対を使用したストランドの狭い面の中心での鋳造方向。凝固フロントは、液相分率が 0.3 である位置と見なされます。 0、1、2、および 3 対のローラーの場合、計算領域の出口での凝固シェルの厚さは、EMF の開始側でそれぞれ 42.37、40.96、40.14、および 38.43 mm であり、EMF の開始側では 42.37、42.27 mm でした。 EMF の推力側ではそれぞれ、37.62、37.60 mm です。溶鋼の高速流は凝固最前線に突入し，一部の柱状結晶を遮断し，その結果，撹拌領域における凝固シェルの成長が遅くなる。電磁推力側の凝固速度は開始側に比べて著しく低く、これは進行波磁場の特性とほぼ一致している。
3.3. 実験 の 凝固 構造 取得しました による R‐EMS
Ｒ−ＥＭＳによる凝固組織制御実験において，Ｆｅ−１７ｗｔ％Ｃｒ−０．６ｗｔ％Ｎｉ鋼スラブ鋳造用に２対のローラを選択した。 ２対のローラーを使用した場合のスラブ中心の半固体ゾーンは、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くなりましたが、凝固フロントの洗浄速度は 2 ペアの方が 3 ペアよりも大きく、ストランド内の等軸結晶の形成に有利でした。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、R-EMS をオフにしたときとオンにしたときに生成したスラブの凝固構造を実験中に比較しました。R-EMS をオフにした場合、スラブのマクロ構造は柱状結晶でより発達しました。これは、Fe-17 wt% Cr-0.6 wt% Ni 鋼の特性に関連しています。鋼中の Cr 含有量が 16% を超えると、凝固プロセスが問題なく行われます。 α→γ フェライト構造を維持したまま相転移プロセスを実行します。パンら。 [20] は、粒子成長の過程で柱状結晶の発達を妨げる相転移が存在しないことを発見した。そのため、粒子サイズが粗く、化学元素が偏析しやすく、製品の品質に重大な影響を与える可能性がありました。 400 A および 7 Hz の電磁パラメータで R-EMS をオンにすると、進行波磁場によって発生した EMF により溶鋼が激しく流れ、柱状結晶フロントが洗浄されて凝固時の温度勾配が減少しました。フロントが柱状結晶の成長を阻害します。同時に、溶鋼の高速流により柱状デンドライトアームが破壊され、中央低温領域に自由核が形成される可能性がある。最終的に、ストランドの中心等軸結晶比率を増加させ、
69%。
4. 結論
ここでは，ステンレス鋼のスラブ鋳造について電磁，流れ，熱伝達挙動の３次元セグメント化結合モデルを確立した。磁場分布と凝固挙動に対するＲ‐ＥＭＳの効果を明らかにし，Ｆｅ−１７ｗｔ％Ｃｒ−０．６ｗｔ％Ｎｉ鋼の鋳放しマクロ組織を制御するための最適な技術パラメータを提示した。主な結論は次のとおりです。
1. SCZ 内の R-EMS の進行波磁場の特性により、スラブストランドの開始側に位置する最大 EMF が生成されます。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/m3 増加し、ローラーの中央セクションの平均 EMF は 5600 N/m3 増加します。
2. 撹拌ローラ対の数が増加すると、起電力によってストランド内の溶鋼の有効撹拌領域が拡大し、凝固フロントでの溶鋼の速度が最初に増加し、その後減少します。強力な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促進され、等軸結晶の形成に有利になります。
3. 400 A、7 Hz で 2 対の電磁ローラーを使用すると、200 mm × 1280 mm のスラブストランドの中心等軸結晶率が 69% となり、熱間加工性が向上します。
著者 貢献: 概念化、HX および BY。方法論、HX および PW。調査、BY および XC。リソース、AL および WL。執筆 - 原案の準備、HX および PW。執筆 - レビューと編集、HX、PW、JZ。視覚化、XC および PW。監督、AL、HT、JZ。プロジェクト管理、HT および JZ。 HX と PW は共同筆頭著者です。すべての著者は原稿の出版版を読み、同意しました。
資金調達: この研究は、北京市自然科学財団 (BJNSF) (助成金番号 2182038) および中国国家自然科学財団 (NSFC) (助成金番号 51874033 および No.U1860111)、中国国家重点研究開発プログラム (グランド No. .016YEB0601302）。
謝辞: 湖南省ヴァリン連源鉄鋼集団有限公司での工業試験に感謝の意を表します。
紛争 の 興味: 著者は利益相反がないことを宣言します。
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