第40卷 第1期 2005年1月
钢 铁
Iron and Steel
V o l.40,N o.1
January2005 电磁场对改善钢材质量的作用 赫冀成
(东北大学，辽宁沈阳110004)
摘 要：研究了电磁制动技术对结晶器内钢液流动及夹杂物迁移行为的作用，以及电磁搅拌和电磁超声波对钢材料凝固组织的影响。研究结果表明，在恒稳电磁场作用下，钢液内形成的与钢液流动相反的电磁力可有效地控制钢液流动、稳定液面波动，有利于夹杂物的去除；在电磁搅拌和电磁超声波的作用下，金属的凝固组织得到细化，等轴晶比率明显提高。计算了磁场对奥氏体 铁素体及铁素体 奥氏体平衡边界的影响，磁场对相图的奥氏体 铁素体界限产生很大影响，使其向高成分或高温度区域移动；随成分不同，磁场每增加1T，钢的A e3温度升高2～3℃。研究了电场奥氏体化对中碳合金钢40M n M oV性能
的影响，与常规工艺处理样品相比，电场奥氏体化可使其硬度值升高，且冲击性能和拉伸性能的指标都有所提高。
关键词：电磁制动；电磁搅拌；电磁超声波；电磁热处理；流体流动；凝固组织；连铸；数值计算
中图分类号:T F77713 文献标识码:A 文章编号:04492749X(2005)0120024207
I m prov i ng Steel Quality by Electromagnetic F ield
H E J i2cheng
(N o rtheastern U n iversity,Shenyang110004,Ch ina)
Abstract:T he flow of mo lten steel and movem en t of inclu si on s in the mo ld w ith electrom agnetic b rak ing,and influence of electrom agnetic stirring and electrom agnetic u ltrason ic w aves on the so lidificati on structu re of b illet, w ere investigated,the resu lts show that the flow of mo lten steel is effectively con tro lled by the oppo site electrom agnetic fo rce,and the liqu id su rface is steady,that is beneficial to the removal of inclu si on s1T he so lidificati on structu re is refined and the rati o of equ iax ial zone is apparen tly incread1T he calcu lated effect of m agnetic fields on equ ilib rium of au sten ite ferrite and ferrite au sten ite pha boundaries show s that m agnetic field m akes the bou
ndaries move to the h igher carbon con ten t o r h igher temperatu re side1T he A e3temperatu re can be raid by223℃per one tesla depending on the carbon con ten t1M o reover,the influence of au sten itizati on under electric field on the m echan ical p roperties of40M n M oV steel w as investigated,the resu lts show that the samp les heat2treated under electric field has h igher m icrohardness,i m pact ductility and ten sile strength1
Key words:electrom agnetic b rake;electrom agnetic stirring;electrom agnetic u ltrason ic w aves;heat treatm en t under electrom agnetic field;flu id flow;so lidificati on structu re;con tinuou s casting;num erical si m u lati on
近年来，超级钢的开发成为国际上广泛研究的课题。电磁场作为一种改善钢材料质量的有效手段，得到广泛重视。采用电磁流体流动控制(电磁制动)技术可以有效控制结晶器内钢液流动状态，去除夹杂物，净化钢液。采用电磁搅拌技术[1]和超导强磁场可以改善铸坯的凝固组织及溶质分布，提高等轴晶比率。在材料热处理过程中施加电磁场可以影响固相转变过程，提高材料的组织性能。本文就电磁场对提高钢材料的组织和性能的作用进行了数值模拟和实验研究。
1 铸坯凝固过程中电磁场的作用
111 多物理场的耦合数值计算
利用自行开发的电磁制动数学模型及其计算软件[2]，进行了实现复杂结构电磁装置中的封闭磁路计算以及结晶器内恒稳磁场、钢液流场、温度场和凝固的耦合数值计算。在三维流场、电磁场计算程序中引入粒子动量方程，对结晶器内夹杂物的迁移行为进行了数值模拟。
11111 板坯流动控制磁路的磁场计算
由计算的磁路分布(图1)可见，磁力线在水平面上形成基本封闭的回路，磁感应强度在铁芯处较大；磁场在铸坯所在中间区域的分布比较均匀，而在与连铸坯接触的边缘处存在漏磁；在铁芯的厚度方向上，磁感应强度表现为中间均匀，两边逐渐发散。因此，在设计磁场时，为了保证铸坯断面上磁场的均
作者简介：赫冀成(19432)，男，博士，教授; E-ma il:hejc@; 修订日期:2004204226
匀性，应使磁铁的宽度略宽于板坯的宽面。
全幅二段电磁制动中的双条形磁铁的磁场在垂直面上形成基本封闭的回路，且在上下磁铁之间的板坯区域内，垂直方向的漏磁占主导地位(图2)。11112 流动控制结晶器内钢液流动和凝固的模拟在无磁场作用时，结晶器内的钢液流动呈现上下两个回流区(图3(a )),
上回流区带动弯月面及附近钢液的流动，造成弯月面处的不稳定性
；下回流区较大，水口出流对窄面冲击严重。在有磁场作用时，水口出流的速度受到抑制，对窄面凝固壳的冲击减小，并在磁场作用区域以下形成了活塞流(图3(b )、(c ))。正是在电磁制动条件下形成的与钢液流动方向相反的电磁力产生了电磁制动效果(图4)。
(a )装置截面;(b )磁场分布
图1 流动控制装置及磁场分布图
F ig 11 M agnetic dev ice and d istr ibution of magnetic f lux
(a )装置截面;(b )磁场分布
图2 全幅二段制动磁路装置
F ig 12 M agnetic dev ice of FC
在电磁制动条件下可以显著降低弯月面处钢液速度，使弯月面更为稳定，有利于防止弯月面处的卷渣现象，且全幅二段电磁制动的效果明显优于全幅一段(图5)。
垂直中心剖面的钢液温度场分布表明(图6)，电磁制动使回流区长度缩短，入口附近高温钢液横向流动，加强了高温钢液与低温钢液的混合，扩大了入口附近高温钢液区域的范围，使弯月面附近钢液的温度提高，同时降低了高温区域钢液的温度梯度，有利于等轴晶凝固组织的形成。
由垂直中心剖面凝固壳厚度曲线如图7所示。单方向恒稳磁场的作用使钢液在两个不同的方坯中心垂直截面上表现为不同的流动和凝固特性。在与磁场相平行的截面上，高温钢液的横向流动作用较强,
凝固壳总体上变薄；与磁场相垂直的截面上，高温钢液的横向流动弱于前者，上部凝固壳稍微变薄，下部凝固壳变厚。
11113 流动控制结晶器内夹杂物迁移行为的模拟
在无磁场作用时，非金属夹杂物的运动轨迹较为复杂，运动路径较长，不利于上浮(图8)。电磁制动缩短了非金属夹杂物在结晶器内的运动路径。在合适的磁场位置条件下，可促进非金属夹杂物的上浮(图9)。全幅二段电磁制动和全幅一段电磁制动控制钢液内部非金属夹杂物的上浮，具有不同的效果(图9
、10)。对于同样可以上浮的粒子，前者可以使得粒子上浮的路径更短；板坯厚度方向上，对于初始位置远离出口中心的粒子，前者使得上浮数量更多，对于初始位置接近出口中心的粒子，上浮数量则
(a )无电磁制动;(b )全幅一段电磁制动;(c )全幅二段电磁制动
图3 流场分布
F ig 13 Flow f ield
・
52・第1期 赫冀成：电磁场对改善钢材质量的作用
图4
全幅二段电磁制动电磁力分布
F ig 14 D istr ibution of electro magnetic
force under FC cond ition
图5 弯月面中心线速度分布
F ig 15 Veloc ity
d istr ibution on m en iscus a long cen tra l li ne
少一些。
112
电磁搅拌改善铸坯内部质量
采用Q 235钢种，以模拟连铸小方坯的凝固过程为目标，进行了铸坯的静态浇铸实验[3]。通过选取适当的电磁搅拌参数和浇铸参数
，对电磁搅拌改善铸坯的内部质量、促进晶粒细化和成分均匀化问题进行了研究。
11211 静态浇铸实验
实验室浇铸了70mm ×70mm ×350mm 的铸坯。钢种为Q 235，其基本成分如表1所示。
图6 垂直中心剖面钢液温度场分布
F ig 16 Te m pera ture d istr ibution of liquid steel
图7 垂直中心剖面凝固壳厚度曲线
F ig 17 Th ickness of solid if ied shell
表1 浇铸用钢的化学成分
Table 1 Che m ica l co m position of test steel
%
w (C )
w (Si )
w (M n )
w (P )
w (S )
0111011401460102001020
・62・钢 铁 第40卷
左半部分夹杂物的原始位置y=01035m;
右半部分y=01045m
图8 无电磁制动情况下非金属夹杂物运动轨迹
F ig18 Tra jectory of i nclusion s without magnetic f ield
(a)磁铁距弯月面的距离为014m;(b)磁铁距
弯月面的距离为016m
图9 全幅一段电磁制动情况下非金属夹杂物运动轨迹
F ig19 Tra jectory of i nclusion s under LM F
静态浇铸实验结果表明，不采用电磁搅拌时等轴晶率只有38%；而在采用合理的搅拌参数和浇铸参数的情况下，获得了几乎为100%等轴晶的铸坯，等轴晶率大幅度提高，晶粒也明显细化，且基本消除了中心疏松和缩孔等内部缺陷(图11)。
电磁搅拌使得钢液内产生循环流动，改善了从铸坯中心至表层的传热，加速了钢液中过热的耗散，促
进等轴晶核的形成。这些等轴晶核由于搅拌所产生的流动而充满铸坯的液相穴，随着进一步冷却以等轴晶方式生长，最终形成等轴晶凝固组织
。
(a)磁铁距弯月面的距离为014m;(b)磁铁
距弯月面的距离为016m
图10 全幅二段电磁制动情况下非金属夹杂物运动轨迹
F ig110 Tra jectory of i nclusion s under
FC
(a)无电磁搅拌，等轴晶率38%;(b)有电磁搅拌，等轴晶率98%
图11 电磁搅拌对铸坯凝固组织的影响
F ig111 Effect of electro magnetic stirr i ng on
the solid if ica tion structure of billets
铸坯的硫印检验结果表明，电磁搅拌使硫化物分布变得分散，有利于整个铸坯截面上硫化物分布均匀，特别是在角部附近，硫化物的分布变得更加均匀(图12)
。
(a)无电磁搅拌;(b)有电磁搅拌
图12 铸坯硫印图
F ig112 Sulfur pr i n ts of billets
11212 电磁搅拌过程的数值模拟计算
应用AN SYS516软件，对以上线性电磁搅拌作用下钢液内的电磁场和流场进行了二维数值模拟。
・
7
2
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第1期 赫冀成：电磁场对改善钢材质量的作用
电磁搅拌强度是获得最佳电磁搅拌效果的重要因素。通常认为较低的电磁搅拌强度仅能控制柱状晶向等轴晶的过渡，且效果不稳定。增大搅拌强度，可以有效地提高等轴晶所占的比率，并可以完全避免小钢锭结构的形成，但当搅拌强度太大时，则会增加白亮带形成的可能性[4]。在单侧线性电磁搅拌中，搅拌器两侧大小不同的电磁力所产生的扭矩导致了钢液的涡漩流动，直接影响铸坯凝固组织中的等轴晶比率。川崎制铁所对中碳钢和高碳钢的研究表明，钢液中的流动速度分别达到0115和0120m s 时，铸坯内的等轴晶达到饱和[4]。同时，搅拌还产生了垂直于钢液流动方向的电磁力分量，这个分量
有利于增加钢液的紊流、加快过热的耗散[5]，从而促进晶核的形成和晶粒的增殖，提高铸坯凝固组织中的等轴晶比率。
数值计算结果表明，在本实验中，搅拌器的最大
搅拌强度为1414A ・H z 1 2
。铸坯内所产生电磁力的最大值为6386N m ；在搅拌器一侧钢液流动的速度值较大，其方向向上；而在搅拌器对侧的速度值较小且方向向下，铸坯内钢液的流动速度最大可达0122
m s ，紊流动能最大可达01012m 2
s 。
113 电磁超声波对金属组织细化的作用
利用强磁场和高频电流的局部作用所产生的电磁超声，考察了这种超声波对细化金属合金凝固组织的效果。
实验装置如图13所示，将Sn 2Pb 合金倒入水平断面为25mm ×40mm 的矩形玻璃容器中，然后对其施加了垂直方向的静磁场B DC 。同时在容器的短边附近插入一对铜制电极，并通入了频率为2
kH z 的交流电流。
在这种实验状态下，由于金属液内的交流电流和所施加的静磁场的相互作用，将在液态金属表面附近、集肤层厚度的范围内生成高频电磁力F AC 。这种周期性变化的电磁力将使液态金属从平衡状态开
始振动，因此金属的密度、压力也随之发生微小扰乱。这种搅乱的传播即生成电磁超声波。实验中在金属的长边壁的中心位置安装了热电偶，记录了合金凝固的温度履历。从高于液相温度的250℃到合金完全凝固的170℃的温度区间内在有无电磁超声波的条件下，对合金进行了凝固。得到的试料的纵断面经研磨腐蚀后，对合金的宏观及微观凝固组织进行了观察。
静磁场和高频电流分别是0T ,0A 、0T ,90A 、10T ,0A 、10T ,90A 的条件下所得到的凝固过程冷却曲线如图14所示。可以看出，由于交流电流的
图13 实验装置
F ig 113 Exper i m en ta l appara tus
图14 不同条件下的冷却曲线
F ig 114 Cooli ng curves under d ifferen t cond ition s
焦耳热没有对冷却曲线造成太大影响，施加了10T 强磁场的合金的冷却速度比没有施加强磁场的要大些。各实验条件下得到的宏观及微观凝固组织照片如图15、16所示。0T ,0A 和10T ,0A 的条件下都得到了粗大的晶粒组织，而且其微观组织都是由柱状晶构成。0T ,90A 的条件下，电极附近的晶粒比前两种都得到了细化，这可能是由于高频电流和其自身所产生的磁场的作用下生成的电磁力的效果而引
起的。与此相对应，其微观凝固组织也出现了少量等轴晶。10T ,90A 的条件下的合金的凝固组织得到了显著细化。它的微观凝固组织也全由等轴晶构成。这是由于10T 的强磁场和交流电流的共同作用
・82・钢 铁 第40卷
