[发明专利]动态组合磁场调控特种钢二冷区流动和凝固的装置与方法

说明书

一种动态组合磁场调控特种钢二冷区流动和凝固的装置与方法，属于电磁冶金领域。该动态组合磁场调控特种钢二冷区流动和凝固的装置中，第一电磁控流设备设置在二冷区中铸坯固相率为15％～25％位置；第二电磁控流设备设置在二冷区中铸坯固相率为55％～65％位置。该方法是根据不同特种钢成分，得到特种钢凝固过程的固相率和坯壳厚度。在不同固相率位置布置组合磁场，并根据坯壳厚度选出电源频率，通过对不同电流作用下的流场数值计算，得到搅拌强度在20～30cm/s时的电流强度。当单一调控二冷区中的电磁控流设备，依然不能维持钢液水平流速为20～30cm/s时，通过增强或减弱另一个电磁控流设备的电流强度调节流速从而形成动态响应。

技术领域

本发明属于电磁冶金技术领域，具体涉及一种动态组合磁场调控特种钢二冷区流动和凝固的装置与方法。

背景技术

特种钢也叫合金钢，是在碳素钢里适量地加入一种或几种合金元素，使钢的组织结构发生变化，从而使钢种实现各种不同的特殊性能。特种钢中的溶质含量特别是Cr、Ni等远远超过普碳钢，会造成导热性能差，凝固过程中钢液温度梯度大，散热不均匀，这导致铸坯的低倍组织粗大，柱状晶发达，从而阻碍了凝固过程钢液的流动。此外，为改善特种钢性能，添加了稀土元素，导致钢液的粘性急剧上升，流动性降低。因此，特种钢连铸过程中的流动特性极易造成溶质富集，进而形成严重的中心偏析、中心疏松和中心裂纹等缺陷，使钢材质量大大下降。例如风力发电机用轴承钢，热轧盘条断面出现低倍组织孔洞缺陷，这些缺陷通过后期的热处理很难消除。因此，为了要解决上述问题，需要在特种钢的连铸过程中对钢液流动进行调控，抑制柱状晶生长，让溶质分布更加均匀，才能改善最终的凝固组织。

目前，对于控制钢液流动，连铸机上普遍采用电磁搅拌技术，其中绝大多数已公开专利CN103934423A、CN105695659A、CN108672666A等采用的都是单独或者组合应用结晶器电磁搅拌和凝固末端电磁搅拌进行控制流动，把关注重点都放在了连铸过程中结晶器和凝固末端的位置上。在实际应用中，铜制的结晶器由于其导电率非常高，外部磁场由于集肤效应会在结晶器壁面聚集，大大削弱了搅拌效果；凝固末端的钢液固相率非常高，凝固坯壳达到很大的厚度，欲针对其进行电磁搅拌则需要更高的电源功率，能耗增大，且由于很难观测到凝固终点，对于末端电磁搅拌的放置位置也不能准确确定，影响其搅拌效果。

特种钢连铸二冷区是钢材被强制快速冷却的区域，在这一范围内钢材的固相率快速增加，流动和温度梯度变化很大，枝晶迅速生长，随着坯壳厚度不断增加，溶质析出并富集到枝晶间及铸坯主流区，会最终造成中心偏析等问题。因此，对二冷区合理使用电磁搅拌可以显著减少中心偏析等问题，提高铸坯合格率。专利CN110303125A、CN108672666A公开了分别针对方坯和圆坯的二冷区施加电磁搅拌，但在二冷区都是单一的搅拌，不能针对不同成分的特种钢的流动和凝固过程进行动态的调节控制，并且搅拌设备不同位置的设置和电磁搅拌强度均对其钢液流动有影响。同时，常规电磁工艺不能根据钢种变化有效调节流动获得合理溶质分布。因此，实现有效控制连铸二冷区的流动，并减少中心偏析，开发出可以应用在不同特种钢上的电磁控流装置，对提高特种钢质量具有重要意义。

因此，本发明提出一种动态组合磁场调控特种钢二冷区流动和凝固的装置与方法。

发明内容

针对以上特种钢连铸过程中存在的温度梯度大，柱状晶发达，钢液流动性差，最终导致溶质分布不均，从而产生的中心偏析、中心缩孔和中心裂纹等问题，以及现有设备结构复杂，且由于集肤效应导致能耗大大增加，以及不能针对不同特种钢采用相应合适的连铸参数等多种问题。本发明提出一种动态组合磁场调控特种钢二冷区流动和凝固的装置与方法，能够通过调控连铸二冷区入口和出口附近钢液的流动来打破凝固前沿柱状晶，提高内部等轴晶率，使冷热钢液充分混合，改善凝固行为和溶质分布，从而提高特种钢成材率。此外，对不同特种钢连铸过程中的流动和凝固行为进行数值计算研究，根据数值计算结果找到不同特种钢最佳的连铸工艺参数，更好的指导实际生产。

为了实现上述目的，本发明的采用的技术方案如下：