Раздел 2
Теоретический анализ влияния электромагнитного перемешивания на условия
кристаллизации непрерывнолитых стальных слитков
2.1. Кристаллизации непрерывнолитого стального слитка в условиях локального
электромагнитного перемешивания.
Эффект электромагнитного перемешивания стали в кристаллизаторе связывают с
изменением существовавшей гидродинамики в жидкой фазе при воздействии на
металлический расплав электромагнитных сил. В отсутствие ЭМП струя поступающей
в кристаллизатор из промежуточного ковша нагретой стали проникает в слиток на
значительную глубину. При этом температура перегрева сохраняется на
значительном отдалении от мениска, что создает условия для формирования
столбчатой структуры.
При использовании ротационного перемешивателя в кристаллизаторе в дополнение к
вихревому (азимутальному) потоку в жидкой части слитка присутствует два
вертикальных потока: в верхнем металл в центре слитка движется вниз, а возле
стенок кристаллизатора вверх, в нижнем, наоборот, в центре – вверх, а возле
стенок вниз (рис.2.1). При этом, как показали расчеты на трехмерных
математических моделях, выполненные с помощью современных программных пакетов,
порядок скоростей азимутального и вертикальных потоков одинаков (рис.2.2).
Между верхним и нижним вертикальными потоками располагается азимутальный поток.
Нижний циркуляционный контур удерживает поступающую в кристаллизатор нагретую
сталь в верхней части объема кристаллизатора. Верхний циркуляционный контур
обеспечивает перенос горячего металла в верхнюю часть кристаллизатора, что
способствует снятию перегрева и выравниванию температур в жидкой части слитка.
Таким образом, перемешивание в кристаллизаторе создает теплофизические условия
кристаллизации непрерывнолитого слитка, аналогичные формированию макроструктуры
при литье с небольшим перегревом металла, т.е. формированию значительной зоны
равноосных кристаллов.
а) б)
Рис.2.1. Характер циркуляционных потоков в жидкой части слитка:
а – без ЭМП, б – с ЭМП, расположенным в зоне кристаллизатора.
Итак, применение электромагнитного перемешивания в кристаллизаторе способствует
подавлению отрицательных явлений, связанных с внедрением в ванну струи металла
за счет изменения характера потоков в кристаллизаторе. Образующаяся при
использовании ротационного перемешивателя система из трех вихрей (рис.2.2)
препятствует проникновению струи вглубь слитка, что обуславливает основную
положительную функцию электромагнитного перемешивателя, расположенного в
кристаллизаторе – снятие теплоты перегрева сразу после поступления металла в
кристаллизатор.
а) б)
Рис.2.2. Вертикальная (а) и азимутальная (б) компоненты скорости [м/с] в
продольном сечении жидкой части слитка при использовании ЭМП.
Улучшение условий теплоотдачи от горячей жидкой сердцевины к границе раздела
фаз и усреднение температуры в жидкой части слитка при использовании ЭМП в
кристаллизаторе, способствует равномерному намораживанию корочки по периметру
заготовки, что в свою очередь обуславливает меньшее число прорывов. Таким
образом, появляется возможность увеличивать скорость литья.
Следует отметить, что положительное влияние электромагнитного перемешивания не
только обусловлено интенсификацией тепло-массообмена, вызванной движением
жидкой части слитка, а в значительной степени связанно с непосредственным
влиянием электромагнитных полей на кристаллизующийся металл, способствующих
измельчению зерна и повышению плотности литой заготовки. [70]
В работах [71,72] приведены результаты экспериментов по силовому воздействию
пульсирующего электрического тока на кристаллизующийся в тигле металл. В данном
случае пиковое значение подводимого тока составляло до 10кА, а частота
пульсаций варьировалась в диапазоне 1ё100 Гц. В результате в отливке,
подвергшейся воздействию пульсирующего электрического тока, зона столбчатых
кристаллов полностью отсутствовала.
Данные качественные изменения в макроструктуре отливок, подвергшихся силовому
воздействию электрических полей, можно объяснить следующим образом. Прохождение
электрического тока через кристаллизующийся металл приводит к появлению в
последнем Джоулевого тепловыделения. Причем ввиду того, что электропроводность
твердой фазы выше, чем жидкой, в районе границы фазового превращения локальные
значения тока выше в твердой фазе, чем в жидкой (рис.2.3). Как следствие,
Джоулево тепловыделение на границе солидус-ликвидус больше в твердой фазе, чем
в жидкой. Это в результате приводит к уменьшению теплового градиента на границе
солидус-ликвидус до такой степени, что уже образовавшиеся кристаллы на границе
фазового превращения оплавляются. Вновь образующиеся кристаллы в данных
условиях являются равноосными.
Рис.2.3. Протекание электрического тока возле фронта кристаллизации.
Возвращаясь к вопросу интенсификации тепло- массообмена при использовании ЭМП
оценим необходимую интенсивность перемешивания, при которой обеспечивается
наибольший металлургический эффект.
Показателем интенсивности ЭМП в мировой практике принято считать достигаемое
максимальное значение окружной (линейной) скорости жидкого металла в потоке,
которую должен развивать статор электромагнитного перемешивателя 0,3ё1,0 м/с
[10,32]. При скорости меньше 0,3 м/с эффективность перемешивания уменьшается и
получение удовлетворительных металлургических результатов по макро- и
микроструктуре становится проблематичным. Во многих литературных источниках
[16,20] указывается, что при недостаточно интенсивном перемешивании глобулярная
структура сохраняется, причем дендриты искри
- Київ+380960830922