哈茲列特連鑄機結晶器中漏磁行為及有限元分析

田軍偉，盧廣璽，吳立鴻, 2，關紹康

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哈茲列特連鑄機結晶器中漏磁行為及有限元分析

田軍偉1，盧廣璽1，吳立鴻1, 2，關紹康1

(1. 鄭州大學材料科學與工程學院，鄭州 450001；2. 鄭州大學現代分析與計算中心，鄭州 450001)

哈茲列特連鑄機結晶器中帶鰭支撐輥具有強磁性的目的是吸附鋼帶，保持鋼帶在鑄造過程中的平整，但磁場透過鋼帶在結晶器內部產生的“漏磁”將導致連鑄過程流場紊亂，嚴重影響后期的板帶質量。利用矢量合成法測量磁場，并通過有限元模擬及磁流耦合分析，揭示結晶器中磁場的分布規(guī)律與鋁熔體流動的電磁制動過程，進一步探究連鑄生產過程中熔體紊流可能導致的鑄板坯表面質量問題，為優(yōu)化磁場、改善產品組織提供指導。

鋁熔體；漏磁；哈茲列特結晶器；有限元分析

哈茲列特連鑄連軋工藝是通過哈茲列特連續(xù)鑄造機以及后接多機架熱連軋設備，直接生產鋁合金薄板帶坯的工藝，具有短流程，節(jié)能降耗，生產成本低等優(yōu)勢[1?3]。結晶器作為哈茲列特生產線的“心臟”，最大特點是鋼帶上下存在兩排支撐輥，鑄造時支撐輥旋轉帶動鋼帶運動[4]。上支撐輥的前八根，下支撐輥的前5根是有磁性的，主要起到吸附鋼帶的作用，保持鋼帶在鑄造過程中的平整。

電磁力具有非接觸地對金屬流體產生加熱、攪拌及制動等功能[5?8]。但如果哈茲列特結晶器內部存在“漏磁”現象，“漏磁”在鋁合金液相流動過程中可能會產生電磁制動現象，對熔體流動產生不良影響。如果漏磁場強度足夠大，將會嚴重影響熔體凝固過程，進而影響連鑄坯的質量，鑄坯質量對后續(xù)成品的組織和性能至關重要。均勻的結晶器內流場是獲得高質量連鑄坯的保證，流體紊亂將引起表面流速過大，彎月面湍動加劇，造成卷渣、連鑄坯成分偏析等質量缺陷。有學者研究了連鑄結晶器內流場分布規(guī)律，主要目的是使結晶器內熔體呈相對均勻的層流或者近似層流的流場分布[9?11]。本文作者主要針對結晶器中漏磁進行測量和模擬，采用磁流耦合有限元分析研究哈茲列特結晶器內磁場分布，探究磁場對鋁合金連鑄過程及凝固組織的影響。

1 實驗

結晶器中磁場的實際測量采用高斯計逐點采集和矢量合成的方法。全面、直觀的磁場分布采用有限元軟件中的Electromagnetic模塊進行數值模擬。鑄造過程中磁輥為圓柱形，且測量結果表明僅在磁輥與鋼帶切面的垂直面上存在磁場，模擬時建立該垂直面的二維模型作為對象[12?14]，結晶器內磁場二維模型及網格劃分如圖1所示。磁場模型用到的相關材料參數如表1所列[15?16]。

磁流耦合場模擬采用有限元軟件中的MHD模塊，根據結晶器結構，結晶器的流場采用workbench構建二維幾何模型。由于連鑄過程中熔體在距離入口1 m位置已經凝固，因此模擬時只考慮前兩對磁輥的漏磁對熔體流動的影響。其他相關假設條件為：鋁液為不可壓縮流體、流動為穩(wěn)態(tài)、入口速度均勻、出口流動充分發(fā)展、流體為牛頓體并呈層流流動，同時忽略實際連鑄過程中坯殼的生長過程，認為在整個計算區(qū)域內只有金屬液，只考慮液相區(qū)的流動。分析中涉及的鋁熔體物性參數(取1系鋁合金物性參數)如下，電導率為5×106S/m、熱導率為192.5 W/(m·K)、比熱容1086 J/(kg·K)，其他相關參數如圖2所示[17?18]，其中溫度場曲線和磁場分布曲線是由實際測量所得。澆注時澆注溫度為690 ℃、澆注速度0.12 m/s。連鑄坯表面采用金相組織、光譜成分、表面晶粒度等進行測試與分析。制備金相試樣時腐蝕液采用混合酸腐蝕。

圖1 結晶器中磁場分布模型及網格劃分

表1 模型參數

2 結果與討論

2.1 磁場矢量合成法測量結果及分析

磁感應強度是向量生產中常用的高斯計測量方法只測得了磁場的大小而沒有表征磁場的方向。并且在使用霍爾探頭的過程中輕微的位移就會使測試結果產生誤差。引入的矢量合成法[19]是逐點采集連鑄機結晶器內的磁場分布，能從一定程度上表征連鑄中的漏磁現象。測試時使用精度為10?5T的LZ?643型高斯計，先將磁感應強度分解為軸和軸兩個方向的分量B和B進行分別測試，再將測得的結果按矢量合成法合成為。

磁場發(fā)生裝置與磁極結構如圖3所示。其中，圖3(a)顯示了磁場發(fā)生裝置由5對水平布置的永磁輥組成，第一對離鑄嘴間距為27 cm，后面4對間距均為12 cm；圖3(b)顯示的是以第一對磁輥處結晶器的幾何中心為原點，從左向右為軸的正方向，從下向上為軸的正方向，從前向后為軸的正方向。沿軸方向磁輒之間的距離為磁極水平間距，用表示；沿軸方向上下鋼帶表面之間的最短距離為磁極垂直間距，用表示；鋼帶到磁輥軸肩的距離用表示。規(guī)定磁極、磁軸與鋼帶形成的封閉空間(?/2＞＞?/2?或/2+＞＞/2)稱為主磁場；結晶器內 (/2＞＞--?/2)磁場稱為漏磁場。矢量合成法測量結果表明，結晶器中確實存在磁場，僅在磁極與鋼帶切線(=0, 12, 24, 36)處存在漏磁，且近鋼帶處(=±/2)最大。在=0，12, 24, 36處，=±/2、和=0線上的橫向磁場沿軸方向整體分布如圖4所示的波浪形分布，最大磁場強度約為0.025 T。因為磁輥作用是吸附鋼帶，結晶器中存在的磁場是漏磁所致。

圖2 磁流耦合模型的相關參數[17?18]

2.2 磁場有限元模擬結果及分析

永磁輥產生磁場(相當于電路中的電源)，磁輒和鋼帶的磁導率很高(相當于電路中的導線)，一個理想的完整磁場回路為磁輥N極→磁輒→鋼帶→磁輒→磁輥S極?；趫D3的磁場發(fā)生裝置與磁極結構進行有限元模擬分析，結果如圖5所示，其中圖5(a)顯示了磁感線回路，結晶器中磁場的磁峰對應在磁輒位置；圖5(b)顯示了相應的磁感應強度云圖。從漏磁場所處位置以及主磁場與漏磁場的整體分布可以看出，雖然鋁熔體的磁導率相對較低，但是磁場在經過鰭片到鋼帶的拐角處，仍會有部分磁場滲入結晶器中。也就是說“磁輥N極→磁輒→鋼帶→磁輒→磁輥S極”是主磁回路，而滲入結晶器內壁的磁場不在主磁力線上，是漏磁場。這是因為磁場從一種介質進入另一種介質時容易發(fā)生磁折射，磁場偏離主磁回路，產生漏磁現象。

圖3 結晶器磁輥示意圖

圖4 磁場強度測量結果

圖5 結晶器內磁場模擬結果

對結晶器內同一高度處磁場的實測結果和模擬結果進行對比分析，如圖6所示。結果發(fā)現兩者的磁場分布幾乎一致，這表明在哈茲列特結晶器中確實存在這種高低起伏的波浪形磁場，且波峰位置是鋼帶與磁輒相切的點。模擬結果從一定程度上再現了矢量合成法測量結果的合理性。另由于磁輥是由永磁鐵組成，實際生產過程中永磁鐵的磁場強度會有一定衰減，因此模擬結果與測量結果的磁場強度峰值略有差別。但上述強度是否足夠對鋁熔體凝固過程產生影響，需結合鋁熔體流動的磁流耦合有限元模擬結果進行深入分析。

圖6 磁場強度實測和模擬對比圖

2.3 磁流耦合有限元模擬結果及分析

和鋼鐵連鑄機電磁制動系統(tǒng)類似，哈茲列特也是沿鑄機寬度方向加了幾道靜磁場。不同的是前者是為了熔體減速設計而添加的直流電產生的，后者是由于吸附鋼帶的永磁輥產生的漏磁，無意識產生的電磁制動。前者磁場是均勻分布的，后者是波浪形的。

如圖7(a)、(b)所示，在未加磁場時，結晶器內熔體呈相對均勻的“活塞”流動，在電磁制動下熔體流速會傾向波浪形分布。根據磁流體力學原理

式(1)、(2)中：為洛倫茲力；為感應電流；電磁為0；鋁熔體電導率=5000000 S/m；流速=0.12 m/s；磁場強度=0~0.025 T。

計算可知洛倫茲力=0~375 N，這足以影響鋁熔體的流動。由于洛倫茲力與熔體流速方向相反，且磁場強度呈波浪形分布，所以洛倫茲力在結晶器寬度方向上也是波浪形的，熔體在這樣的電磁制動力下流速會傾向波浪形分布。但是，電磁場本身是一個磁生電及電生磁循環(huán)的過程；電磁場與凝固傳輸是一個雙向耦合過程，流速變化對磁場也有影響[20]，所以熔體流動不會呈現像磁場那樣嚴格的波浪分布，而是不規(guī)則的紊亂狀態(tài)。

如圖7(c)所示，磁場受流場二次感應磁場影響，其疊加后的感應磁場分布與初始磁場分布明顯不同。如圖7(d)所示，在電磁制動情況下，理想的恒穩(wěn)進口速度在距離入口0.3 m、0.45 m位置變的紊亂，說明磁區(qū)流股集中，流速呈“水紋”狀。而熔體流速紊亂區(qū)發(fā)生在距鑄嘴30~65 cm處，剛好在液相區(qū)末端和糊狀區(qū)，凝固過程很容易產生成偏析。因為電磁制動主要發(fā)生在與鋼帶相貼的表面，可以推斷這將嚴重影響產品的表面質量。

2.4 漏磁對連鑄坯表面質量的影響

試樣表面的宏觀照片和金相照片如圖8所示，連鑄坯表面存在明顯的明紋與暗紋現象。在不同的明紋與暗紋部位截取試樣進行金相分析與晶粒度統(tǒng)計，結果表明表面明紋處試樣晶粒平均直徑為146.91 μm，暗紋處試樣晶粒平均直徑為206.07 μm，明紋處晶粒尺寸明顯小于暗紋處。進一步對鑄坯表面的明暗紋處試樣進行光譜分析，各成分的平均含量如表2所列。結果發(fā)現，與連鑄前鋁液中的Si、Fe含量分別為0.12%、0.41%(質量分數)相比，連鑄坯試樣表面Si含量明顯超高，且明暗紋含量也有差異，明紋Fe含量略高。將鑄坯表面車去2.8 mm后的明暗紋試樣的成分和爐前化驗成分基本相符。表面Si含量高的原因可能是由于鑄軋時鋼帶表面涂層掉落所致。從上述漏磁測量與磁流耦合的數值模擬結果可以看出，由于磁輥所產生的磁場穿過鋼帶，在結晶器中呈現波浪形的分布，且磁場主要分布在液相區(qū)和兩相區(qū)的近鋼帶層，導致鋁溶液凝固過程中近鋼帶層熔體流速相對中心區(qū)域較慢，流速快慢區(qū)域的不同導致合金成分在厚度方向的宏觀偏析。而明暗紋處成分含量差異及晶粒度的不同可能均是由于漏磁引起鋁熔體流動速度在結晶器寬度方向的變化，進而導致傳熱不均引起的。由于熔體流速沿結晶器橫向呈現高低起伏的波浪形分布，為了使熱量傳輸系統(tǒng)更加均勻，在鋼帶與熔體之間存在一層保護氣體，流速不同的地方保護氣體沖入量也會不同，進而導致熱量傳輸能力的高低起伏。因此，一定程度上有助于形成鑄板坯表面的明暗條紋及晶粒度的差異。

圖7 磁流耦合模擬結果

圖8 1235鑄坯明暗條紋及其顯微組織

表2 光譜成分分析結果

3 結論

1) 磁場分布模擬結果與采用矢量合成法測量的結果一致，結晶器中存在漏磁現象，磁場沿結晶器寬度方向呈波浪形分布，磁場強度最大高達0.025 T，波峰強度出現在鋼帶與磁輒切點處。

2) 漏磁會使鋁熔體的流動紊亂，漏磁場下結晶器中鋁熔體電磁制動的磁流耦合數值模擬結果與理論分析相符合，紊亂的鋁熔體易于引起表面偏析等質量問題。

3) 鑄坯表面存在成分偏析與明暗條紋，且明暗紋處的成分含量及晶粒度均存在差異。明紋處Fe平均含量略高，晶粒尺寸明顯小于暗紋處。鑄板坯表面質量的缺陷很有可能與電磁制動下熔體流動的不均勻性有關。

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Magnetic flux leakage behavior and finite element analysis of Hazelett continuous casting machine

TIAN Jun-wei1, LU Guang-xi1, WU Li-hong1, 2, GUAN Shao-kang1

(1. School of Materials Science and Technology, Zhengzhou University, Zhengzhou 450001, China;2. Advanced Analysis & Computation Center, Zhengzhou University, Zhengzhou 450001, China)

The high magnetic property of support roll in Hazelett Continuous casting mold was desired to absorb the steel strip and maintain the smooth of steel strip in the casting process. But a “magnetic flux leakage” produced in the mold leads to the disorder of the flow field in continuous casting process and which has a bad effect on the quality of the late plate. A vector synthesis method of measuring magnetic field was used. By the finite element simulation and magnetohydrodynamic (MHD) analysis, the distribution of magnetic field in the crystallizer and electromagnetic braking process was revealed, which further provides guidance to optimize magnetic field and improves product structure. Finally, surface quality defect of casting blanks caused by the disorder of the flow field was explored.

aluminum melt; magnetic leakage; Hazelett continuous casting mold; finite element simulation

(編輯 王 超)

Project(111100310500) supported by Henan Major Science and Technology Program, China

2016-02-26; Accepted date:2016-06-30

WU Li-hong; Tel: +86-371-67739609; E-mail: wlh@zzu.edu.cn

1004-0609(2017)-02-0385-07

TG146.21

A

河南省重大科技專項資助項目(111100310500)

2016-02-26；

2016-06-30

吳立鴻，博士，副教授；電話：0371-67739609；E-mail: wlh@zzu.edu.cn