热顶和内置搅拌磁场控制连铸高合金钢管坯凝固过程的基础研究

The seamless high alloy steel tube is widely used in electric power industry, and it become an inevitable trend to produce the seamless steel tube with the continuous casting high alloy steel hollow billet because the high alloy steel is poor thermoplasticity and is difficult to perforation, however, microstructure of continuous casting high alloy steel hollow billet is characterized bulky columnar crystals, and there is crack and inclusion surface defects which will have bad influence on the subsequent processing. So, the new technology which impose the hot top on the outer-mold and stirring electromagnetic field in the inner-mold during the hollow billet continuous casting is put forward,the stirring electromagnetic field imposed in the inner-mold can prevent the non-metallic inclusions gathering at the inner surface and promote fine grain size of hollow billet, and the hot top on the outer-mold can decrease the amplitude fluctuation of liquid surface caused by the stirring electromagnetic field to avoid slag entrainment and crack defects, so the new technology will overall improve the solidified microstructure and surface quality, especially the inner surface quality of hollow billet. The main study contents are as follows:1) the influence of the hot top and stirring electromagnetic field on the liquid steel flow and fluctuation of liquid surface. 2)the influence of the hot top and stirring electromagnetic field on the solidified shell growth of continuous casting high alloy steel hollow billet. 3)the influence of the hot top and stirring electromagnetic field on the trajectory distribution of inclusions during solidification. The purpose of the project is to find out the rule of improving the high alloy steel hollow billet quality by the hot top and stirring electromagnetic field and promote the further development of the continuous casting high alloy steel hollow billet technology.

电力等行业对高质量无缝高合金钢管的需求日益增多，由于高合金钢的热塑性差，难以穿孔，以连铸高合金钢管坯代替实心铸坯制备无缝管材成为必然，但高合金钢连铸过程中易形成粗大的柱状晶组织以及裂纹、夹杂等表面缺陷，影响后续加工。本项目提出了采用热顶技术和磁场搅拌技术的高合金钢管坯连铸新工艺，在内结晶器中施加搅拌磁场防止非金属夹杂物在管坯内表面聚集，并细化铸坯晶粒，配合热顶使用，可减小液面波动，防止卷渣和裂纹等缺陷，采用该工艺将全面改善连铸高合金钢管坯的凝固组织和表面质量，尤其是内表面质量。主要研究如下内容：1）热顶及内置搅拌磁场对钢液流动及液面波动的影响规律。2）热顶及内置搅拌磁场对连铸高合金钢管坯凝固坯壳生长的影响规律。3）热顶及内置搅拌磁场对凝固过程中非金属夹杂物运动的影响规律。本项目旨在探明热顶和内结晶器中的搅拌磁场改善连铸高合金钢管坯质量的规律，推动高合金钢管坯连铸技术的进一步发展。

采用热顶和磁场搅拌技术有利于改善连铸高合金钢管坯的凝固组织和表面质量，但热顶和搅拌磁场对结晶器内钢液流动、液面波动、凝固坯壳生长以及夹杂物的运动等方面的影响规律尚不清晰，针对这些问题我们进行实验和数值模拟研究。首先：建立了电磁场-流场耦合数学模型分析热顶和搅拌磁场对结晶器内钢液流动的影响，设计了管坯内置磁场搅拌装置，发现磁场搅拌器的结构尺寸对金属熔体内的磁场强度分布影响显著，尤其是磁轭的齿部尺寸。此外，搅拌器的施加位置也会对金属熔体内的搅拌强度产生影响，当搅拌器位置略低于需要强烈搅拌位置处时，可以获得较好的搅拌效果。熔体内的搅拌速度与搅拌器的电流强度成正比，而频率对其影响不大。为了分析热顶和搅拌磁场对结晶器内液面波动的影响，建立了结晶器熔池的VOF模型，发现在管坯内结晶器中施加旋转式搅拌磁场后，会在液面上产生一个漩涡，搅拌器中的电流强度越大，漩涡的深度就越大，通过在结晶器上施加热顶的方式可以减小漩涡深度，从而改善连铸条件。其次：分析连铸工艺参数对凝固坯壳厚度的影响，建立了连铸管坯凝固传热数学模型，获得了连铸工艺参数如拉速、过热度、热顶高度以及熔池/结晶器间的界面换热与易测量量如结晶器出口处管坯表面温度以及结晶器出口处凝固坯壳厚度间的关系模型，通过测量管坯圆周上不同区域的温度，采用反算法，即可获得连铸管坯圆周方向上的界面换热以及管坯圆周方向上的凝固坯壳厚度。最后：为了获得连铸管坯内夹杂物的运动规律，建立水模拟实验装置分析拉速以及水口浸入深度对结晶器内液体运动以及夹杂物运动的影响，发现夹杂物的运动与液体的流动密切相关，拉速越大，液流向下运动速度越大，夹杂物越易向下运动进入结晶器内部，而上浮数量减少；水口浸入深度越小，则夹杂物上浮越多，但液面波动越大，上浮到液面的夹杂物容易再次卷入；建立了搅拌磁场去除夹杂物的静态模拟实验装置，结果表明，旋转磁场有利于去除铸坯内的非金属夹杂物，但应该合理控制搅拌磁场的强度，否则铸坯内的夹杂物去除效果不明显。求解了夹杂物的守恒方程，分析了搅拌磁场对结晶器内夹杂物分布的影响规律，结果表明：施加行波搅拌磁场时，在搅拌磁场作用区域，夹杂物的尺寸增加，但夹杂物的数量减小。计算结果与实验结果比较，吻合良好。本项目通过研究获得了热顶和搅拌磁场对连铸空心管坯的凝固过程影响的一些基本规律，有利于推动高合金钢管坯连铸技术的进一步发展。