末端电磁搅拌对钢连铸坯成分偏析及缩松影响的模拟研究

【摘要】：末端电磁搅拌(Final Electromagnetic Stirring,FEMS)技术是改善高碳钢与高合金钢中心偏析与缩松的有效手段。本论文针对上海宝山钢铁股份有限公司末端电磁搅拌项目,利用新型多功能电磁搅拌器,在实验室条件下模拟钢连铸坯凝固末端电磁搅拌条件,以低熔点Pb-80wt%Sn过共晶合金(后续简写成Pb-80%Sn合金)为钢的模拟介质。通过金相,XRF荧光光谱分析等方法检验螺旋磁场对合金凝固组织、成分偏析及缩孔、缩松等缺陷的影响,并与无磁场和旋转磁场条件下合金凝固组织的形貌特征及成分分布进行了对比分析。探究了螺旋磁场的作用机理,同时探索末端搅拌最优搅拌工艺参数,为螺旋磁场搅拌器在工厂的实际上线应用提供实验数据参考。 首先,在不同励磁电流和频率下测量了搅拌器内部旋转磁场和螺旋磁场磁感应强度分布,由测量数据分析归纳出搅拌器内磁感应强度的分布规律和电磁参数与磁感应强度分布的关系。测量结果表明：磁感应强度随励磁电流的增大而增大,在一定范围内随电源频率的增大而减小；磁感应强度在轴向上沿中心到上、下端部逐渐衰减,在径向上沿搅拌器内壁到同一截面中心逐渐衰减；螺旋磁场磁感应强度沿轴向覆盖范围更大,旋转磁场整体上沿径向衰减幅度较小,但当R60mm时,螺旋磁场沿径向分布更平稳。 其次,研究了螺旋磁场对Pb-80%Sn合金凝固组织的影响,深入探究了螺旋磁场的作用方式与机理,为末端电磁搅拌模拟实验提供搅拌参数的可靠依据。实验结果表明：螺旋磁场相比于旋转磁场可以在铸锭内部更大区域内形成均匀搅拌,更易于破碎和细化枝晶组织,既促进了椭球或球状晶的生成,又更好地改善了宏观偏析,同时更有利于消除铸锭的宏观缺陷。本实验条件下,两种磁场最佳搅拌频率均为10Hz。 最后,通过模拟钢连铸末端电磁搅拌过程,在实验室条件下测量了合金凝固坯壳厚度与凝固时间的关系。向带有一定坯壳厚度(未凝固率为30%)的熔体施加不同工艺参数的旋转和螺旋磁场,对比分析螺旋磁场的搅拌效果,探索了旋转磁场和螺旋磁场的最优搅拌参数。研究结果表明：在频率一定的情况下,初生相晶粒尺寸随着励磁电流的增大而减小；当励磁电流为125A时,旋转磁场和螺旋磁场细化晶粒的效果最好,继续增大电流,晶粒产生粗化；螺旋磁场可基本消除宏观成分偏析,并在较小励磁电流(100A)下达到采用旋转磁场(125A)时的最佳搅拌效果。在励磁电流一定的情况下,旋转磁场和螺旋磁场的最佳搅拌时间分别为10min和15min,但是螺旋磁场不论是在细化晶粒、减小宏观成分偏析,还是改善铸锭缩孔、缩松等宏观缺陷方面都显示出更优的作用效果。