[發明專利]一種控制方圓坯框形偏析的連鑄生產方法

在審

• 申請號: 202310345612.3
• 申請日: 2023-04-03
• 公開（公告）號: CN116352041A
• 公開（公告）日: 2023-06-30
• 發明（設計）人: 羅森;楊宇威;朱苗勇;王衛領
• 申請（專利權）人: 東北大學
• 主分類號: B22D11/22
• 分類號: B22D11/22;B22D11/115;G06F30/20;G06F119/14;G06F111/10
• 代理公司: 沈陽東大知識產權代理有限公司 21109
• 代理人: 李運萍

1.一種控制方圓坯框形偏析的連鑄生產方法，其特征在于，包括以下步驟：

步驟1：在方圓坯連鑄機的二冷區扇形段設置二冷區電磁攪拌器，將鋼液從方圓坯連鑄機的中間包經過浸入式水口流入結晶器；

步驟2：鋼液依次經過結晶器、二冷區足輥段、二冷區扇形段、二冷區矯直段進行不斷冷卻凝固，直至完全凝固；

步驟3：通過計算機數值模擬預測模型，獲得CET轉變位置與電磁力強度，從而指導現場生產，獲得優質連鑄坯。

2.根據權利要求1所述的一種控制方圓坯框形偏析的連鑄生產方法，其特征在于，步驟1中所述二冷區電磁攪拌器為旋轉型電磁攪拌器或行波線性電磁攪拌器。

3.根據權利要求1所述的一種控制方圓坯框形偏析的連鑄生產方法，其特征在于，步驟1中所述二冷區電磁攪拌器空載運行時的中心磁感應強度最大值不低于0.08T。

4.根據權利要求1所述的一種控制方圓坯框形偏析的連鑄生產方法，其特征在于，步驟1中所述二冷區電磁攪拌器工作電流為0～800A，頻率為0～10Hz。

5.根據權利要求1所述的一種控制方圓坯框形偏析的連鑄生產方法，其特征在于，步驟1中所述二冷區電磁攪拌器所產生電磁力最大穿透深度不低于200mm。

6.根據權利要求1所述的一種控制方圓坯框形偏析的連鑄生產方法，其特征在于，步驟3中所述計算機數值模擬預測模型為電磁場計算模型與連鑄多相凝固物理模型，其中模型控制方程包括電磁場計算模型控制方程以及連鑄多相凝固物理模型控制方程。

7.根據權利要求6所述的一種控制方圓坯框形偏析的連鑄生產方法，其特征在于，所述電磁場計算模型控制方程如下：

式中，D為電通密度，B為磁感應強度，E為電場強度，J為電流密度矢量，H為磁場強度，t為時間，為哈密頓算子；

若介質是各向同性的，其宏觀電磁特性關系式為：

D＝εE?(5)

B＝μH?(6)

式中，ε為介電常數；μ為磁導率；

將式(6)代入(4)得：

對于導體在磁場中的運動來說，磁感應強度B由兩部分組成：第一部分是外部施加的磁場B₀；另一部分則是感應磁場b，即

B＝B₀+b???????????????????????????(8)

所述外部施加的磁場B₀計算如下：

歐姆定律表示為：

J＝σE????????????????????????????(12)

σ為電導率；

對公式(12)兩端取其旋度得：

將公式(11)代入(13)得：

有矢量關系式：

式中A為任意矢量；

依據式(9)與(10)得：

至此，B₀得到正確求解；

所述感應磁場b計算如下：

將歐姆定律應用在移動介質中，假設此介質與產生外部磁場的介質相同，則式(12)變為：

J＝σ(E+V×B)????????????????????????(17)

式中，V為鋼液流速；

對式(17)兩端取其旋度得：

由矢量關系式：

式中，X與Y為任意兩個矢量；

認為鋼液為不可壓縮牛頓流體，則有：

因此，感應磁場b為：

分別求解獲得了外部施加的磁場B₀和感應磁場b的值，從而可獲得總的磁場B；

由洛倫茲力公式：

F＝J×B???????????????????????????(22)

得出作用在每個控制體積上的電磁力為：

8.根據權利要求6所述的一種控制方圓坯框形偏析的連鑄生產方法，其特征在于，所述連鑄多相凝固模型由柱狀晶生長模型和等軸晶生長模型以及液相、等軸晶相及柱狀晶相的動量、質量、溶質和能量方程構成，連鑄多相凝固物理模型控制方程如下：

所述柱狀晶生長模型為：在柱狀晶凝固生長中，柱狀晶被假定為垂直冷卻壁面生長的圓柱體；首先，柱狀晶假定限制在一個半徑為R_f的圓柱體體積內生長，R_f由晶體排列的幾何方式和一次枝晶間距推導產生，若是整齊排列，則若是交錯排列，則且考慮到圓柱體獨立存在，R_f，c為柱狀晶參考長度的一半，λ₁為一次枝晶肩臂距離，其內部的質量和溶質需守恒：

d(f_lρ_lc_l+f_cρ_cc_c)/dt＝0????????????????????????(24)

式中，ρ_l、ρ_s、ρ_c為液相、固相相和柱狀晶相的密度，f_l、f_s、f_c為液相、固相相和柱狀晶相的體積分數，t為時間；c_l為液相溶質濃度；c_S為固相溶質濃度；c_c為柱狀晶相溶質濃度；分別為固、液界面平衡濃度，其中T為單元格內溫度，T_f為純金屬鐵的熔點，m為液相線斜率；c_c^*為柱狀晶、液界面平衡濃度；

且有：

式中，S_c為柱狀晶橫截面積，D_l為液相溶質擴散系數；R_c為柱狀晶尖端部分的半徑；R_f為柱狀晶主干部分的半徑；R_t為柱狀尖端部分的半徑；

由此得到柱狀晶生長速率為：

式中，S_c為柱狀晶橫截面積；l_l,c為單元格內柱狀晶參考長度；

所述等軸晶生長模型為：在等軸晶生長模型中，等軸晶被假定為可移動的球體顆粒，因此等軸晶球體生長直徑由獲得，等軸晶的形核過程采用三參數均質形核模型，其具體表達式為：

式中，d_e為等軸晶球體生長直徑；f_e為等軸晶體積分數；n為等軸晶晶粒密度；N_e為等軸晶形核速率；n_max為等軸晶粒最大形核密度；ΔT為過冷度；ΔT_N為平均形核過冷度；ΔT_σ為晶粒分布標準偏差；

所述液相、柱狀晶相及等軸晶相的質量守恒方程分別如下：

式中和分別為鋼液、柱狀晶想和等軸晶相的速度；M_le、M_lc、M_ec表示相間平均質量傳輸速率；ρ_e為鋼液和等軸晶相的密度；

所述液相、柱狀晶相及等軸晶相的動量守恒方程分別如下：

式中，ρ_e為鋼液和等軸晶相的密度；P為靜壓力；分別為液相和等軸晶相的應力應變張量；分別為液相與等軸晶相所受的重力加速度；表示相間平均動量傳輸速率；

所述液相、柱狀晶相及等軸晶相的溶質守恒方程分別如下：

式中，c_l、c_e、c_c分別表示液相、等軸晶相、柱狀晶相的溶質濃度；C_le、C_lc、C_ec表示相間平均溶質傳輸速率；

所述液相、柱狀晶相及等軸晶相的能量守恒方程分別如下：

式中，h_l、h_e、h_c分別表示液相、等軸晶相、柱狀晶相的焓值；k_l、k_e、k_c分別表示液相、等軸晶相、柱狀晶相的導熱系數；T_l、T_e、T_c為液相、等軸晶相、柱狀晶相溫度；Q_le、Q_lc、Q_ec表示相間平均能量傳輸速率；

通過求解連鑄多相凝固物理模型獲得柱狀晶生長速度為0m/s的時刻t值，再以獲取時間t值為基礎根據推到出公式(40)計算得出末端電磁攪拌器的中心距離彎月的距離，由此確定二冷區電磁攪拌器的安裝位置：

式中，D_l為溶質在液相中擴散系數；為固、液界面平衡濃度，其中

T_f為純金屬鐵的熔點；c_l為液相溶質濃度；R_c為柱狀晶主干半徑；V_casting為連鑄機拉速；

步驟3中最終獲得的優質連鑄坯的柱狀晶的厚度由式(42)計算獲得：