基于微观模拟的电磁搅拌作用下高碳钢连铸坯质量预测理论与方法

The quality of continuous casting high carbon steel mainly includes interal cracks and central segregation.Mold electromagnetic stirring(M-EMS) can improve billets quality effectively.The choice of accurate parameters is the guarantee to acquire good casting quality.Experimental and macro simulation method cannot have the advantages of intuitive and economic at the same time.The microscopic simulation research of casting defect formation is not mature，currently.Predict billet quality before continuous casting process is the key technology to acquire good casting quality in low cost.The 82B high carbon steel is choosed as research object,and establishes macro-micro three-dimensional coupled mathematical model with M-EMS,comprehensive considering the influence of electromagnetic stirring and dynamic supercooled to dendritic growth. Analysis the microscopic phenomena in macroscopic view. Dendritic growth process,solidification microstructure evolution rule and mechanism all be studied in continous casting high carbon steel with M-EMS. The method are:the temperature distribution of macro simulation interpolate to microcosmic model by programming.The cellular automata method is used to calculate nucleation and growth,and graphic expression microstructure evolution. Its significance lies in exploring an more effective intuitive economic method to predict billet quality, provides theoretical foundation for actual production choosing the right process and electromagnetic parameters and technical support for obtaining good casting quality.

连铸高碳钢容易产生内裂和中心缺陷，结晶器电磁搅拌技术（M-EMS）是改善其质量的有效手段。精确的选择参数是获得优良铸坯质量的保障，实验和宏观模拟方法不能同时兼备直观且经济的优点，目前铸坯缺陷形成的微观模拟研究还不成熟。在连铸工艺进行之前对铸坯质量进行预测，是在低成本条件下获得优良铸坯质量的关键技术。本课题以82B高碳钢为研究对象，建立M-EMS作用下宏微观三维耦合数学模型，综合考虑电磁搅拌和动力学过冷对枝晶生长的影响，从宏观角度分析微观现象，研究M-EMS作用下高碳钢枝晶生长的过程及凝固微观组织的演变规律和机理，预测高碳钢连铸坯的质量。方法是：宏观模拟的温度分布，编程插值到微观模型中，采用元胞自动机法对形核与生长计算，图示微观组织的演变。其意义在于探寻更加有效直观经济的预测铸坯缺陷的方法，为生产实际选择正确的工艺和电磁参数提供理论基础，为获得优良铸坯质量提供技术支持。

结晶器电磁搅拌技术的实质是钢液在电磁搅拌器产生的交变磁场激励下产生感应电流，带电钢水在磁场中受到洛仑兹力的作用而运动。从而改善钢水凝固过程中的运动情况，热量传递，达到改善铸坯的凝固组织、提高等轴晶率、减轻铸坯中心偏析、疏松、缩孔及裂纹等缺陷的效果。.本项目研究了电磁搅拌作用下结晶器内钢液流动、液面波动和温度场分布，之后将温度场的模拟数据导入微观模拟中，分析了电磁搅拌作用下钢液在初始凝固过程中，铸坯凝固组织形核与长大规律，预测凝固组织的形成。.通过合理的假设以及修正，建立了电磁搅拌作用下液面波动及温度场模拟的数学模型和结晶器内铸坯凝固组织数值模拟的数学模型。对电磁搅拌作用下结晶器内钢液的流动与传热行为进行耦合数值模拟研究，得到电磁搅拌作用下不同电磁参数和工艺参数时结晶器内钢液的流场和温度场分布。采用元胞自动机和有限元耦合模型法研究了电磁搅拌作用下高碳钢凝固组织的形成过程及不同参数时铸坯凝固组织的形貌。.研究表明，电磁搅拌作用下的钢液液面在一定的电磁搅拌强度与拉速下能保持稳定。若电磁搅拌强度或拉速超过一定值，会在水口外壁附近出现剧烈的液面波动及卷渣行为。因此搅拌强度和拉速不应过大。增大水口浸入深度，能够降低结晶器电磁搅拌作用下因过大的电磁搅拌强度或拉速过大造成的剧烈液面波动，改善液面卷渣行为。.随着电流强度的增加，钢液热区位置会得到提高。随着拉坯速度的增加，在电磁搅拌结晶器下部，相同温度出现的位置不断下降，即热区位置下移，但对结晶器上部温度变化影响不大。随着结晶器水口浸入深度的增加，钢液中心热区下移。.随着平均形核过冷度的减小，晶粒尺寸也在减小。因此，可以通过降低平均形核过冷度来提高等轴晶率。随着最大形核密度的增加，铸坯初始凝固过程中形核的数量明显增多，晶粒尺寸减小，等轴晶比率增加。随着钢液过热度的增大，晶粒的数量不断减少。在保证钢液能够顺利浇注的前提下，尽可能的降低钢液的过热度来提高铸坯的等轴晶率。在结晶器电磁搅拌作用下，连铸坯凝固组织明显得到细化。.所得结果有助于深入了解电磁搅拌改善铸坯质量的作用机理。可为结晶器电磁搅拌技术的实际应用与优化提供一定的理论参考。