Системы электромагнитного перемешивания жидкой стали на сортовых, блюмовых и слябовых МНЛЗ (статья)
Повышение требований к качеству непрерывнолитых заготовок при одновременном стремлении к расширению сортамента разливаемых сталей и увеличению производительности машин непрерывного литья заготовок (МНЛЗ) должно учитываться при проектировании современных высокопроизводительных машин. Качество непрерывнолитых заготовок зависит от большого количества технологических параметров литья, конструктивных параметров оборудования и т.д. Однако есть дефекты макроструктуры непрерывнолитых заготовок, связанные с кристаллизацией, усадочными и ликвационными процессами, которые не могут быть устранены даже при рациональных конструктивных и технологических параметрах. Возможность предотвращения образования или подавления развития кристаллизационных, усадочных и ликвационных дефектов многие исследователи связывают с созданием управляемого принудительного движения жидкой фазы кристаллизующегося слитка, в частности, с помощью электромагнитных сил. Основными дефектами макроструктуры непрерывнолитых заготовок являются центральная пористость, осевая и V-образная ликвация, структурная и химическая неоднородность, загрязненность неметаллическими включениями и др.
Теплофизические условия кристаллизации непрерывного слитка таковы, что в макроструктуре непрерывнолитых заготовок практически всегда есть зона столбчатых кристаллов, ши-
рина которой зависит от химического состава стали, температуры разливки, условий вторичного охлаждения. При широкой зоне столбчатых кристаллов в макроструктуре непрерывнолитых заготовок наблюдается концентрированная центральная пористость и осевая ликвация. Это связано с затрудненной подпиткой усадочных пустот через сросшиеся в жесткий каркас дендриты, так как критическая скорость перемещения двухфазной зоны, при которой обеспечивается подпитка усадочных пустот, в 5—8 раз меньше реальной скорости перемещения двухфазной зоны. Особенно это относится к сталям, имеющим широкий температурный интервал кристаллизации и развитую двухфазную зону, достигающую при литье крупных заготовок 50—60 мм на сторону в поперечном сечении и нескольких метров вдоль оси слитка. Поэтому образование усадочных пустот в непрерывнолитых заготовках при обычных условиях литья неизбежно. Механизм возникновения V-образной ликвации в непрерывнолитых заготовках аналогичен механизму образования этого вида дефекта в слитках, отлитых в изложницы, и связан с появлением ликвационного слоя при переходе от столбчатой структуры к равноосной и гравитационным перемещением двухфазной зоны вместе с ликвационным слоем к вершине жидкой лунки. Таким образом, наличие развитой зоны столбчатых кристаллов обуславливает образование большинства видов дефектов макроструктуры.
Процесс кристаллизации непрерывного слитка в технологической линии МНЛЗ можно разбить на три характерные стадии: затвердевание в кристаллизаторе, затвердевание в зоне вторичного охлаждения и формирование макроструктуры в зоне окончательного затвердевания, т.е. в той части слитка, где остаточная жидкая фаза занимает 10—30% площади поперечного сечения слитка. В соответствии с особенностями кристаллизации непрерывного слитка в технологической линии МНЛЗ и желании получить максимальный эффект делаются попытки осуществить электромагнитное перемешивание в трех, а иногда и четырех, уровнях — в кристаллизаторе, зоне вторичного охлаждения, зоне окончания затвердевания (рис. 1).
Эффект от электромагнитного перемешивания в кристаллизаторе связывают, с одной стороны, с изменением гидродинамики в жидкой фазе при наложении принудительного, упорядоченного и управляемого движения за счет электромагнитных сил на гидродинамические потоки от струи, истекающей из промежуточного ковша в кристаллизатор. С другой стороны, перемешивание в кристаллизаторе создает теплофизические условия кристаллизации непрерывного слитка, аналогичные формированию макроструктуры при литье с небольшим перегревом металла над точкой ликвидус. Поэтому электромагнитное перемешивание в кристаллизаторе наиболее целесообразно и эффективно. Электромагнитное перемешивание в зоне вторичного охлаждения также должно способствовать улучшению качества макроструктуры непрерывнолитых заготовок. Во-первых, также как и в кристаллизаторе, интенсифицируется теплообмен в жидкой фазе. Во-вторых, часть растущих ветвей дендритов обламывается потоками расплава. Одни из них, по всей вероятности, расплавляются, снижая температуру жидкой фазы, а другие становятся дополнительными центрами кристаллизации. Все это создает условия для подавления роста столбчатой структуры.
В отличие от электромагнитного перемешивания в кристаллизаторе, где формирование корочки изначально начинается под действием потоков, создаваемых магнитным полем, перемешивание в зоне вторичного охлаждения может сопровождаться образованием зоны отрицательной ликвации, выявляемой на серных отпечатках в виде светлого контура. Большое влияние в улучшении качества центральной зоны непрерывно-литых заготовок, особенно из высокоуглеродистых сталей, должно оказывать перемешивание в конечной стадии затвердевания. Следует отметить, что применение электромагнитного перемешивания связано с достаточно большими капитальными вложениями и эксплуатационными затратами. Поэтому при определении количества устанавливаемых перемешивателей в технологической линии МНЛЗ это обстоятельство должно также учитываться. Для достижения возможно большого положительного эффекта от электромагнитного перемешивания необходимо иметь ответы на ряд вопросов, в частности, какое магнитное поле предпочтительнее бегущее или вращающееся, сколько зон перемешивания требуется и в каких местах технологической линии МНЛЗ целесообразно осуществлять перемешивание, какова должна быть скорость движения расплава, какова гидродинамика в зоне перемешивания, особенно в кристаллизаторе, где гидродинамические потоки от струи из промковша взаимодействуют с потоком от электромагнитного перемешивания, каковы рациональные энергетические параметры электромагнитных перемешивателей и т.д. Важно и конструктивное решение перемешивателей, особенно в кристаллизаторе, являющимся одним из главных узлов МНЛЗ. ВНИИМЕТМАШ более 25 лет занимается проблемами электромагнитного перемешивания при непрерывной разливке сортовых, блюмовых и слябовых заготовок, находя ответы на поставленные выше вопросы.
ВЫБОР ТИПА ЭЛЕКТРОМАГНИТНОГО ПЕРЕМЕШИВАТЕЛЯ
В зависимости отхарактера приложения магнитного поля возможны два типа движения жидкой фазы в слитке (рис. 2): в плоскости, перпендикулярной направлению вытягивания слитка с помощью вращающегося магнитного поля и в плоскости, па-
раллельной направлению вытягивания слитка с помощью бегущего магнитного поля. Очевидно, что выбор типа и конструкции ЭМП связан, в первую очередь, с конструктивными особенностями МНЛЗ и размерами отливаемых заготовок. В слябовых МНЛЗ как при перемешивании в кристаллизаторе, так и при перемешивании в зоне вторичного охлаждения, возможно применение перемешивателей только с бегущим магнитным полем, т.е. с развернутым статором. В сортовых МНЛЗ напротив, возможно применение перемешивателей только с вращающимся магнитным полем. В блюмовых МНЛЗ выбор того или иного типа поля зависит от места установки перемешивателя. В кристаллизаторе и зоне окончания затвердевания, где отсутствуют опорные элементы, возможно и целесообразно применять перемешиватель с вращающимся магнитным полем. В зоне вторичного охлаждения перемешиватель с вращающимся магнитным полем может быть установлен только ниже зоны активного поддерживания корочки слитка (4—5 м от мениска). Поэтому, если есть необходимость осуществить перемешивание в той части технологической линии МНЛЗ, где установлены секции с поддерживающими роликами, то целесообразно это делать статором с бегущим магнитным полем.
МАТЕМАТИЧЕСКОЕ И ФИЗИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ
Для решения задачи затвердевания непрерывного слитка под действием магнитного поля было выполнено математическое моделирование вращающегося и бегущего магнитного
поля в электромагнитном перемешивателе и турбулентного течения расплава под действием электромагнитных сил. Учитывая, что влияние жидкого металла на создаваемое электромагнитным устройством поле незначительно (магнитное поле Рейнольдса много меньше единицы), удалось значительно упростить задачу, разделив ее на два этапа. Первым этапом является расчет электромагнитных сил. Индуктивная система ЭМП представляет собой статор асинхронного двигателя, ротором которого является жидкая фаза кристаллизующегося непрерывного слитка. В этом статоре создается магнитное поле с вектором магнитной индукции, В, индуцирующее вихревые токи у. В результате взаимодействия магнитной индукции В и вихревых токов у возникает электромагнитная сила, которая, будучи приложенной к элементарным объемам расплава, приводит их в движение. Скорость движения расплава в жидкой лунке слитка характеризуется вектором скоростей V. Численная методика расчета электромагнитного поля для неподвижной среды базируется на основе решения уравнения Гельмгольца в двумерной постановке для комплексного векторного магнитного потенциала А.
Вторым этапом математического моделирования является построение математической модели движения расплава в жидкой фазе кристаллизующегося непрерывного слитка под действием электромагнитных сил. Наиболее отработанным и хорошо согласующимся с экспериментальными данными методом считается метод, основанный на совместном решении уравнений переноса импульса, кинетической энергии турбулентности и скорости диссипации. Для описания структуры турбулентного движения расплава в жидкой лунке кристаллизующегося непрерывного слитка использована концепция коэффициента турбулентной вязкости и осредненные уравнения неразрывности и Навье-Стокса, которые позволяют вычислить среднее давление р и компоненты вектора средней скорости
При таком подходе с вычислительной точки зрения турбулентное движение эквивалентно ламинарному течению с довольно сложной зависимостью для коэффициента вязкости. В результате осредненные по времени уравнения для турбулентного течения имеют тот же вид, что и уравнения для ламинарного течения, стой лишь разницей, что коэффициент молекулярного обмена (коэффициент вязкости ц) заменяется на эффективный jief. В настоящей работе турбулентную вязкость определяли из двухпа рам етр и ческой «к-е» модели турбулентности. Определяющие уравнения записывались в трехмерной нестационарной форме, позволяющей реализовать метод одновременного расчета полей давления и компонент вектора скорости (см. основные уравнения модели).
Для численного решения системы уравнений, описывающих турбулентное движение вязкой несжимаемой жидкости, применяли метод конечных элементов. Адекватность разработанной математической модели гидродинамики в жидкой фазе кристаллизующегося непрерывного слитка подтверждена физическим процессом моделирования гидродинамики на специально созданном стенде (рис. 3). Эксперименты проводили на моделях слитка 125x125 и 300x360 мм. В качестве моделирующей жидкости использовали низкотемпературный сплав Роузе. Измерение скоростей движения расплава производили с помощью специально разработанных механических датчиков, а также трубками Пито.
На рисунке 4 приведены сравнительные данные расчетов и физического моделирования гидродинамики в кристаллизаторе размером 125x125 мм при электромагнитном перемешивании статором с вращающимся магнитным полем. Решение задачи затвердевания непрерывного слитка при воздействии циркуляционных потоков от электромагнитного перемешивания позволило проанализировать влияние параметров перемешивателей, их расположения в технологической линии МНЛЗ