롤러 전자기교반에 의한 Fe-Cr-Ni 강판 주조물의 응고구조에 관한 수치 및 실험적 연구

추상적 인:롤러에 의한 슬래브 주조를 위한 분할 커플링 모델을 제시합니다.전자기 교반자기유체역학 및 응고 이론에 기초한 전자기, 유동, 열전달 및 응고 거동의 (인롤 EMS).Ansoft Maxwell 및 ANSYS Fluent 소프트웨어를 사용하여 전자기, 흐름 및 열 전달 요소를 포함하는 3차원(3D) 분할 결합 모델을 설정했습니다.롤러 슬리브, 자기 차폐 링, 코일, 코어, 용강 및 공기 영역이 전자기장, 열장 및 유동장에 미치는 영향을 수치적으로 연구했습니다.한 쌍의 롤러 중심선에서의 자속밀도와 동판의 전자기력을 측정하여 모델의 정확도를 검증하였다.최적의 기술 파라미터의 수치적 결과를 바탕으로 IN-ROLL EMS가 Fe-17 wt% Cr-0.6 wt% Ni 스테인리스강의 응고에 미치는 영향을 조사했습니다.결과에 따르면 전자기 롤러 쌍이 추가될 때마다 평균 전자기력이 2969N/m 증가했습니다.³주조 방향 및 5600 N/m³롤러의 중앙 부분에 있습니다.롤러의 쌍이 증가함에 따라 유효교반영역이 증가하였고 응고선단에서 용강의 속도는 처음에는 증가하다가 감소하였다.강한 전자기 소용돌이 세척 효과는 슬래브 쉘의 응고 속도를 감소시키고 스트랜드 중심에서 용강의 과열 소산을 촉진합니다.두 쌍의 IN-ROLL EMS 롤러와 400A/7Hz의 전자기 매개변수를 사용하여 슬래브의 중심 등축 결정 비율을 69%로 개선하여 균일하고 조밀한 응고 구조를 얻는 데 도움이 되어 후속 열간 가공 성능을 향상시켰습니다. 그리고 제품 품질.

키워드:롤러 전자기 교반(IN-ROLL EMS);Fe-17wt% Cr-0.6wt% Ni강;응고 구조;롤러 쌍 수;세탁 효과추상적 인:자기유체역학과 응고이론을 기반으로 전자기, 유동, 열전달 및 응고 거동의 롤러 전자기 교반(In-roll EMS)에 의한 슬래브 주조에 대한 분할 결합 모델을 제시합니다.Ansoft Maxwell 및 ANSYS Fluent 소프트웨어를 사용하여 전자기, 흐름 및 열 전달 요소를 포함하는 3차원(3D) 분할 결합 모델을 설정했습니다.롤러 슬리브, 자기 차폐 링, 코일, 코어, 용강 및 공기 영역이 전자기장, 열장 및 유동장에 미치는 영향을 수치적으로 연구했습니다.한 쌍의 롤러 중심선에서의 자속밀도와 동판의 전자기력을 측정하여 모델의 정확도를 검증하였다.최적의 기술 파라미터의 수치적 결과를 바탕으로 IN-ROLL EMS가 Fe-17 wt% Cr-0.6 wt% Ni 스테인리스강의 응고에 미치는 영향을 조사했습니다.결과에 따르면 전자기 롤러 쌍이 추가될 때마다 평균 전자기력이 2969N/m 증가했습니다.³주조 방향 및 5600 N/m³롤러의 중앙 부분에 있습니다.롤러의 쌍이 증가함에 따라 유효교반영역이 증가하였고 응고선단에서 용강의 속도는 처음에는 증가하다가 감소하였다.강한 전자기 소용돌이 세척 효과는 슬래브 쉘의 응고 속도를 감소시키고 스트랜드 중심에서 용강의 과열 소산을 촉진합니다.두 쌍의 IN-ROLL EMS 롤러와 400A/7Hz의 전자기 매개변수를 사용하여 슬래브의 중심 등축 결정 비율을 69%로 개선하여 균일하고 조밀한 응고 구조를 얻는 데 도움이 되어 후속 열간 가공 성능을 향상시켰습니다. 그리고 제품 품질.

1.소개

Fe-17wt% Cr-0.6wt% Ni와 같은 니켈 절약형 스테인리스강 합금은 상온 및 고온에서 페라이트 구조를 가지므로 강에서 등축 결정의 비율이 매우 낮아 응고 중에 주상 결정이 쉽게 발달합니다. 주물.주상 결정 구조는 후속 소성 공정에서 명백한 이방성을 가지며, 이는 Deep Drawability가 좋지 않아 판재 제품에 주름과 같은 결함을 생성할 가능성이 있습니다.연속 주조(CC) 공정 동안 주조 구조를 제어하고 등축 결정의 높은 비율을 얻는 것은 제품의 후속 열간 가공 성능과 품질을 개선하는 데 중요합니다.이것은 항상 철강 산업의 중심 문제였습니다.

IN-ROLL EMS는 CC 기계의 일반 핀치 롤러를 다른 쌍의 롤러로 대체할 수 있습니다.세그먼트에서 롤러의 다른 배열은 다양한 자기장 분포, EMF 영역 및 용강 흐름 패턴을 갖습니다.스트랜드의 내부 품질 제어와 관련하여 슬래브 주조의 SCZ에서 야금학적 거동의 중요성을 고려하여 SCZ에서 3차원(3-D) 전자기, 흐름, 열 전달 및 응고 거동의 결합 모델은 다음과 같습니다. 이 연구에서 개발되었습니다.

자속 밀도는 LakeShore 디지털 신호 처리 모드 Tesla Meter 475(Zhongke Electric, Hunan, China)를 사용하여 측정되었습니다.EMF는 그림 3과 같이 자체 제작된 추력계를 사용하여 테스트되었습니다.

그림 3.동판 측정 방법: (a) 구조 다이어그램;(b) 물리적 장치 다이어그램.

Fe-17 wt% Cr-0.6 wt% Ni 강의 주요 화학 성분은 표 2에 나열되어 있습니다.

그림 4.금속 조직 분석을 위한 슬래브 주조 샘플 절단.

3. 결과 및 논의

3.1.전자기장 분석

그림 5a는 자속밀도의 계산값과 측정값을 비교한 것이고, 그림 5b는 한 쌍의 롤러로 넓은 표면의 중심선에 대한 EMF를 나타낸 것이다.측정 및 계산된 롤러 중심선의 자속 밀도 값과 동판의 EMF는 대략 일치하여 모델의 신뢰성을 수용 가능한 수준으로 검증합니다.그림 5b는 EMF가 주파수가 증가함에 따라 급격히 증가하다가 서서히 감소함을 보여주고 있으며, 9Hz의 주파수에서 한 쌍의 롤러 교반기 중 가장 큰 EMF를 얻었다.

그림 5.한 쌍의 롤러의 넓은 면의 중심선에서 측정 및 계산된 값의 비교: (a) 자속 밀도, (b) 전자기력.

그림 6a-c는 각각 한 쌍, 두 쌍 및 세 쌍의 경우 유효 면적이 400A이고 주파수가 7Hz일 때 슬래브 표면의 자속 밀도 분포를 나타냅니다. 롤러의 수가 증가함에 따라 자속 밀도의 증가.진행파 자기장은 종료 효과를 생성하는 특정 방향성을 가졌으며, 결과적으로 시작 측(그림 6에서 스트랜드의 왼쪽)보다 추력 측(그림 6에서 스트랜드의 오른쪽)에서 더 큰 자속 밀도가 발생했습니다. ).

그림 6.(a) 한 쌍, (b) 두 쌍, 그리고 (c) 세 쌍의 롤러.

그림 7a는 400A의 전류와 7Hz의 주파수에 대해 여러 쌍의 롤러에서 주조 방향으로 중심선을 따라 EMF 분포를 나타내고 그림 7b는 롤러 중심선을 따라 EMF 분포를 보여줍니다. 넓은 방향으로.1 쌍, 2 쌍 및 3 쌍의 롤러에 대해 주조 방향을 따라 슬래브 중심선의 최대 EMF는 12,090, 18,573 및 21,229N/m였습니다.³, 각각 평균 ​​EMF는 2023, 5066, 7962 N/m³, 각각.각 롤러 쌍의 넓은 표면 중심선에서 최대 EMF는 12,354, 18,084 및 22,874 N/m였습니다.³, 각각 평균 ​​EMF는 10,247, 15,730, 21,336 N/m³, 각각.최대 힘은 슬래브의 스러스트 측에 위치하였고, 롤러 쌍의 수가 증가함에 따라 용강의 EMF가 증가하였다.

그림 7.서로 다른 수의 롤러가 있는 스트랜드의 내부 전자기력 분포(a) 주조 방향의 중심선을 따라, (b) 넓은 방향으로 롤러의 중심선을 따라.

그림 8a는 서로 다른 주파수에서 두 쌍의 롤러 아래에서 주조 방향의 EMF 분포를 보여주고, 그림 8b는 서로 다른 전류에서 두 쌍의 롤러 아래에서 주조 방향으로 EMF의 분포를 보여줍니다.EMF의 분포는 양 끝이 작고 중간이 크며 롤러 사이에 고르게 분포되어 있음을 나타냅니다.스트랜드 중심의 최대 EMF가 4750에서 19,000N/m로 증가했습니다.³전류 강도가 200A에서 400A로 증가함에 따라³주파수가 4Hz에서 8Hz로 증가했을 때.스트랜드는 공기에서 스트랜드로의 자기 유도선이 이탈하여 한 위치에 뭉쳐 자기 차폐를 형성할 때 특정 자기 전도도를 나타냅니다.스트랜드의 내부와 가장자리 사이의 자속의 차이는 유도 전류의 불균일한 분포를 초래했으며, 이는 대부분 슬래브 표면에 집중되어 \"표피 효과\"로 알려진 현상입니다.이 효과는 더 높은 주파수에서 자기장의 침투를 감소시킵니다[17].일정한 전기 전도도를 갖는 응고된 껍질은 자기장에 일정한 차폐 효과가 있으므로 중심 자기 유도 강도는 전류 주파수가 증가함에 따라 약간 감소함을 보여줍니다.

그림 8.두 쌍의 롤러 아래 주조 방향의 전자기력 분포(a) 다른 주파수 이하(b) 다른 전류.

3.2.유동 및 응고 거동 분석

그림 9a는 여러 쌍의 롤러를 사용한 용강의 특성선에서 주조 방향 중심선을 따른 속도 분포를 보여주고, 그림 9b는 넓은 방향의 롤러 중심선을 따른 속도 분포를 보여줍니다.롤러 수의 증가는 스트랜드의 국부적 EMF 체적 증가로 이어졌고, EMF는 SCZ의 응고면을 세척하기 위한 용강의 흐름의 추진력이었다.유속이 주조 속도보다 큰 범위로 정의되는 유효 세척 속도 범위는 주조 방향을 따른 응고 전면의 1, 2에 대해 4.0–4.35 m, 3.8–4.35 m, 3.6–4.35 m였습니다. , 3쌍의 롤러를 사용하였으며, 최대 세척 속도는 각각 0.7, 0.8, 0.76 m/s였다.Zhang et al.[18]은 측면 구멍으로부터의 고속 제트 흐름이 SCZ의 일부와 금형 영역에서 더 큰 난류 영역을 유발할 수 있음을 발견했습니다.두 쌍의 롤러의 EMF는 세 쌍의 EMF보다 낮지만 두 쌍의 세척 영역은 더 아래에 있어 오프셋 금형 영역에서 더 낮은 난류 운동 에너지 강도를 남깁니다.따라서 스트랜드는 세 쌍의 롤러보다 두 쌍의 롤러에서 더 큰 최대 세척 속도를 갖습니다.그림 8b는 서로 다른 수의 롤러 쌍에서 최대 유속이 스트랜드의 한쪽 면에 분포되어 있음을 보여줍니다.EMF의 추력 측 유속은 시작 측보다 더 컸으며, 이는 진행파 자기장의 운동 특성과 대략 일치합니다.

그림 9.다른 수의 롤러로 속도 분포(a) 주조 방향의 중심선을 따라, 그리고 (b) 넓은 방향으로 롤러의 중심선을 따라.

그림 10a-d는 0-3 쌍의 롤러가 있는 슬래브의 좁은 면 중앙 표면의 온도 분포와 용강 유선을 보여줍니다.EMF는 용강을 좁은 표면의 한 쪽에서 다른 쪽으로 이동하게 하고 좁은 응고선으로의 흐름의 연속성은 용강의 상하 순환을 형성하여 균일한 코어를 생성합니다. 슬래브의 온도 및 혼합.롤러 쌍이 증가함에 따라 단면의 용강 유동 면적이 확대되고 중앙 고온 용강과 응고 쉘 사이의 강제 열교환으로 인해 중앙의 더 넓은 저온 영역이 발생했습니다. 바닷가.응고 이론에 따르면 중심 용강의 온도가 낮을수록 핵 생성 입자가 형성되기 쉽습니다.Xu et al.응고 전면에 대한 용강의 세척은 덴드라이트 암의 \"용융\"을 유발하여 등축 결정 형성을 위한 핵 생성 입자를 제공할 수 있으며, 이는 궁극적으로 가닥의 중심 등축 결정 비율을 증가시킬 수 있다고 지적했습니다.

그림 10.(a) 제로 쌍, (b) 한 쌍, (c) 두 쌍, 그리고 (d) 세 쌍의 롤러.

그림 11a는 여러 쌍의 롤러가 있는 스트랜드의 좁은 면 중앙에서 주조 방향을 따라 시작 측에서 응고된 쉘의 변화를 보여주고 그림 11b는 스러스트 측에서 쉘 두께의 변화를 따라 여러 쌍의 롤러가 있는 스트랜드의 경우 좁은 면 중앙의 주조 방향.응고 선단은 액상 분율이 0.3인 위치로 간주됩니다.0, 1, 2, 3 쌍의 롤러의 경우 계산 영역 출구에서 응고된 쉘의 두께는 EMF 시작 측에서 각각 42.37, 40.96, 40.14 및 38.43 mm, 42.37, 42.27 , 37.62 및 37.60 mm는 EMF의 추력 측면에서 각각입니다.용강의 고속 흐름은 응고 전면으로 돌진하고 일부 주상 결정을 방해하여 교반 영역에서 응고 쉘의 느린 성장을 초래합니다.전자기 추력 측의 응고율은 시작 측보다 현저히 낮았으며, 이는 진행파 자기장의 특성과 대략 일치합니다.

그림 11.(a) 시작 측면 및 (b) 추력 측.

3.3.IN-ROLL EMS로 얻은 응고구조 실험

IN-ROLL EMS에 의한 응고 구조 제어 실험에서 Fe-17 wt% Cr-0.6 wt% Ni 강 슬래브 주조를 위해 두 쌍의 롤러가 선택되었습니다.두 쌍의 롤러를 사용할 때 슬래브 중앙의 반고체 영역은 한 쌍의 롤러를 사용할 때보다 더 컸습니다.EMF는 세 쌍을 사용할 때보다 작았지만 응고면의 세척 속도는 세 쌍보다 두 쌍에서 더 빨라서 가닥에서 등축 결정의 형성에 유리했습니다.또한 두 쌍의 롤러를 사용하면 계측 비용과 전력 소비가 낮아집니다.실험 중 IN-ROLL EMS를 껐다가 켰을 때 생성된 슬라브의 응고구조를 그림 12와 같이 비교하였다. IN-ROLL EMS를 껐을 때 슬라브의 거시구조가 Fe-17 wt% Cr-0.6 wt% Ni 강의 특성과 관련된 주상 결정.16% 이상의 강에서 Cr의 함량을 갖는 것은 없이 응고 공정을 유도하였다.α→γ페라이트 구조가 유지되는 상전이 과정.Pang et al.[20]은 결정립 성장 과정에서 주상 결정의 발달을 방해하는 상전이가 없음을 발견했습니다.따라서 입자 크기가 거칠고 화학 원소가 분리되기 쉽기 때문에 제품 품질에 심각한 영향을 미칠 수 있습니다.400A, 7Hz의 전자기파 매개변수로 IN-ROLL EMS를 켜면 진행파 자기장에 의해 생성된 EMF가 용강을 격렬하게 흐르게 하고 주상정면을 세척하여 응고면의 온도 구배를 감소시킵니다. , 주상 결정의 성장을 억제합니다.동시에 용강의 고속 흐름은 주상 수지상 암을 분해하여 중앙 저온 영역에 자유 핵을 형성할 수 있습니다.마지막으로, 가닥의 중심 등축 결정 비율은 69%로 증가되었습니다.

그림 12.단면 NS 스트랜드의 주조된 거시구조(a) IN-ROLL EMS 제외 및 (b) IN-ROLL EMS에 사용되는 두 쌍의 롤러(400A 및 7Hz에서).

4. 결론

여기에서는 스테인리스강 슬래브 주조에 대한 전자기, 유동 및 열 전달 거동에 대한 3차원 분할 커플링 모델이 설정되었습니다.자기장 분포 및 응고 거동에 대한 IN-ROLL EMS의 영향이 밝혀졌으며 강철 Fe-17 wt% Cr-0.6 wt% Ni의 주조된 거시구조를 제어하기 위한 최적의 기술 매개변수가 제시되었습니다.주요 결론은 다음과 같습니다.

1. SCZ에서 IN-ROLL EMS의 진행파 자기장의 특성은 슬래브 가닥의 시작 측에 위치하는 최대 EMF를 생성합니다.전자기 롤러 쌍이 추가될 때마다 주조 방향의 평균 EMF가 2969N/m씩 증가합니다.³, 그리고 롤러 중앙부의 평균 EMF는 5600 N/m만큼 증가합니다.³.

2. 교반 롤러의 쌍이 증가함에 따라 스트랜드 내부 용강의 유효 교반 면적은 EMF에 의해 확대되고 응고 전면에서 용강의 속도는 먼저 증가하고 다음 감소합니다.강한 전자기력의 흐름 세척 효과는 국부 쉘의 응고 속도를 감소시키고 용강 중심의 과열 소산을 가속화하여 등축 결정 형성에 유리합니다.

3. 400A 및 7Hz에서 두 쌍의 전자기 롤러를 사용하면 200mm × 1280mm의 슬래브 가닥에서 중심 등축 결정 비율이 69%로 생성되어 열간 작업 동작을 개선하는 데 도움이 됩니다.

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