Số Duyệt:0 CỦA:trang web biên tập đăng: 2021-08-19 Nguồn:Site
Trừu tượng:Chúng tôi trình bày một mô hình khớp nối phân đoạn để đúc tấm bằng con lănkhuấy điện từ(EMS trong cuộn) của hành vi điện từ, dòng chảy, truyền nhiệt và đông đặc dựa trên lý thuyết từ động lực học và đông đặc.Mô hình ghép nối phân đoạn ba chiều (3-D) bao gồm các phần tử điện từ, dòng chảy và truyền nhiệt đã được thiết lập bằng cách sử dụng phần mềm Ansoft Maxwell và ANSYS Fluent.Ảnh hưởng của ống bọc con lăn, vòng chắn từ, cuộn dây, lõi, thép nóng chảy và miền không khí trên các trường điện từ, nhiệt và dòng chảy đã được nghiên cứu bằng số.Độ chính xác của mô hình đã được xác minh bằng cách đo mật độ từ thông tại đường tâm trong một cặp con lăn và lực điện từ của tấm đồng.Dựa trên kết quả số của các thông số kỹ thuật tối ưu, tác động của IN-ROLL EMS lên sự đông đặc của thép không gỉ Fe-17% Cr-0,6% Ni đã được khám phá.Kết quả chỉ ra rằng với mỗi cặp con lăn điện từ bổ sung, lực điện từ trung bình tăng thêm 2969 N / m3theo hướng đúc, và 5600 N / m3ở phần trung tâm của các con lăn.Với số lượng cặp trục lăn ngày càng tăng, vùng khuấy hiệu quả tăng lên, và vận tốc của thép nóng chảy ở mặt trước đông đặc tăng lên nhưng sau đó giảm xuống.Hiệu ứng rửa xoáy điện từ mạnh mẽ làm giảm tốc độ đông đặc của vỏ tấm và thúc đẩy sự tiêu tán quá nhiệt của thép nóng chảy ở trung tâm của sợi.Tỷ lệ tinh thể đồng đều ở trung tâm của tấm được cải thiện lên 69% với hai cặp con lăn IN-ROLL EMS và các thông số điện từ 400 A / 7 Hz, có lợi cho việc có được cấu trúc đồng nhất và đông đặc để cải thiện hiệu suất làm việc nóng sau này và chất lượng sản phẩm.
Từ khóa:con lăn khuấy điện từ (IN-ROLL EMS);Fe-17% trọng lượng Cr-0,6 trọng lượng thép Ni;kết cấu đông đặc;số cặp cho con lăn;hiệu ứng rửaTrừu tượng:Chúng tôi trình bày một mô hình ghép nối phân đoạn để đúc tấm bằng con lăn khuấy điện từ (EMS trong cuộn) của hành vi điện từ, dòng chảy, truyền nhiệt và đông đặc dựa trên lý thuyết từ trường và đông đặc.Mô hình ghép nối phân đoạn ba chiều (3-D) bao gồm các phần tử điện từ, dòng chảy và truyền nhiệt đã được thiết lập bằng cách sử dụng phần mềm Ansoft Maxwell và ANSYS Fluent.Ảnh hưởng của ống bọc con lăn, vòng chắn từ, cuộn dây, lõi, thép nóng chảy và miền không khí trên các trường điện từ, nhiệt và dòng chảy đã được nghiên cứu bằng số.Độ chính xác của mô hình đã được xác minh bằng cách đo mật độ từ thông tại đường tâm trong một cặp con lăn và lực điện từ của tấm đồng.Dựa trên kết quả số của các thông số kỹ thuật tối ưu, tác động của IN-ROLL EMS lên sự đông đặc của thép không gỉ Fe-17% Cr-0,6% Ni đã được khám phá.Kết quả chỉ ra rằng với mỗi cặp con lăn điện từ bổ sung, lực điện từ trung bình tăng thêm 2969 N / m3theo hướng đúc, và 5600 N / m3ở phần trung tâm của các con lăn.Với số lượng cặp trục lăn ngày càng tăng, vùng khuấy hiệu quả tăng lên, và vận tốc của thép nóng chảy ở mặt trước đông đặc tăng lên nhưng sau đó giảm xuống.Hiệu ứng rửa xoáy điện từ mạnh mẽ làm giảm tốc độ đông đặc của vỏ tấm và thúc đẩy sự tiêu tán quá nhiệt của thép nóng chảy ở trung tâm của sợi.Tỷ lệ tinh thể đồng đều ở trung tâm của tấm được cải thiện lên 69% với hai cặp con lăn IN-ROLL EMS và các thông số điện từ 400 A / 7 Hz, có lợi cho việc có được cấu trúc đồng nhất và đông đặc để cải thiện hiệu suất làm việc nóng sau này và chất lượng sản phẩm.
1.Giới thiệu
Hợp kim thép không gỉ tiết kiệm niken, chẳng hạn như Fe-17 wt% Cr-0,6 wt% Ni, có cấu trúc ferit ở nhiệt độ cao và nhiệt độ cao khiến chúng dễ dàng phát triển các tinh thể dạng cột trong quá trình đông đặc với tỷ lệ tinh thể đồng đều rất thấp trong thép vật đúc.Cấu trúc tinh thể dạng cột có tính dị hướng rõ ràng trong quá trình gia công nhựa tiếp theo, điều này có khả năng tạo ra các khuyết tật giống như nếp nhăn trong các sản phẩm dạng tấm do khả năng hút sâu kém.Kiểm soát cấu trúc đúc và thu được tỷ lệ tinh thể đồng đều cao trong quá trình đúc liên tục (CC) là điều quan trọng để cải thiện chất lượng và hiệu suất làm việc nóng tiếp theo của sản phẩm;đây luôn là vấn đề trọng tâm của ngành thép.
IN-ROLL EMS có thể thay thế con lăn kẹp bình thường trong máy CC bằng các cặp con lăn khác nhau.Các bố trí khác nhau của các con lăn trong các phân đoạn sẽ có sự phân bố từ trường khác nhau, các khu vực EMF và các mẫu dòng thép nóng chảy.Xem xét tầm quan trọng của hành vi luyện kim trong SCZ của một tấm đúc liên quan đến việc kiểm soát chất lượng bên trong của sợi, một mô hình kết hợp của hành vi điện từ, dòng chảy, truyền nhiệt và đông đặc ba chiều (3-D) trong SCZ có đã được phát triển trong nghiên cứu này.
Mật độ từ thông được đo bằng Máy đo Tesla 475 của Chế độ xử lý tín hiệu kỹ thuật số LakeShore (Zhongke Electric, Hunan, China).EMF đã được thử nghiệm bằng cách sử dụng một thiết bị đo lực đẩy được sản xuất trong nhà, như thể hiện trong Hình 3.
Hình 3.Phương pháp đo tấm đồng: (a) Sơ đồ cấu trúc;(b) sơ đồ thiết bị vật lý.
Các thành phần hóa học chính của thép Fe-17% Cr-0,6 trọng lượng% Ni được liệt kê trong Bảng 2.
Hinh 4.Cắt mẫu từ quá trình đúc phiến để phân tích kim loại học.
3. Kết quả và thảo luận
3.1.Phân tích trường điện từ
Hình 5a cho thấy sự so sánh các giá trị tính toán và đo được của mật độ từ thông, và Hình 5b cho thấy EMF trên đường tâm của bề mặt rộng với một cặp con lăn.Các giá trị đo được và tính toán của mật độ từ thông trên đường tâm của con lăn và EMF của tấm đồng gần như tương đồng với nhau, điều này xác minh độ tin cậy của mô hình ở mức có thể chấp nhận được.Hình 5b cho thấy EMF tăng nhanh và sau đó giảm chậm khi tần số tăng lên, và EMF lớn nhất của một cặp máy khuấy con lăn thu được ở tần số 9 Hz.
Hình 5.So sánh các giá trị đo và tính toán trên đường tâm của mặt rộng của cặp trục lăn: (a) mật độ từ thông, (b) lực điện từ.
Hình 6a – c trình bày sự phân bố của mật độ từ thông trên bề mặt tấm đối với cường độ dòng điện 400 A và tần số 7 Hz trong các trường hợp tương ứng là một cặp, hai cặp và ba cặp, trong đó diện tích hiệu dụng mật độ từ thông tăng với số lượng con lăn ngày càng tăng.Từ trường sóng truyền đi có một hướng nhất định tạo ra hiệu ứng cuối, dẫn đến mật độ từ thông ở phía lực đẩy (phía bên phải của sợi trong Hình 6) lớn hơn ở phía bắt đầu (phía bên trái của sợi trong Hình 6 ).
Hình 6.Đường bao của mật độ từ thông trên bề mặt của giá đỡ với (a) một cặp, (b) hai cặp, và (c) ba cặp con lăn.
Hình 7a cho thấy sự phân bố của EMF dọc theo đường tâm theo hướng đúc dưới một số cặp con lăn khác nhau cho dòng điện 400 A và tần số 7 Hz, và Hình 7b cho thấy sự phân bố của EMF dọc theo đường tâm của con lăn theo hướng rộng.Đối với một, hai và ba cặp con lăn, EMF tối đa trên đường tâm của tấm dọc theo hướng đúc là 12,090, 18,573 và 21,229 N / m3tương ứng và EMF trung bình là 2023, 5066 và 7962 N / m3, tương ứng.EMF tối đa trên đường tâm của bề mặt rộng cho mỗi cặp con lăn là 12,354, 18,084 và 22,874 N / m3tương ứng và EMF trung bình là 10,247, 15,730 và 21,336 N / m3, tương ứng.Lực lớn nhất nằm ở phía lực đẩy của tấm, và EMF của thép nóng chảy tăng lên khi số cặp con lăn tăng lên.
Hình 7.Phân bố nội lực điện từ trong sợi với số lượng con lăn khác nhau (a) dọc theo đường tâm theo hướng đúc, (b) dọc theo đường tâm của các con lăn theo hướng rộng.
Hình 8a cho thấy sự phân bố của EMF theo hướng đúc dưới hai cặp con lăn ở các tần số khác nhau, và Hình 8b cho thấy sự phân bố của EMF theo hướng đúc dưới hai cặp con lăn ở các dòng điện khác nhau.Sự phân bố của EMF chỉ ra rằng nó nhỏ ở cả hai đầu, lớn ở giữa và phân bố đều giữa các con lăn.EMF tối đa tại tâm của sợi tăng từ 4750 lên 19.000 N / m3khi cường độ dòng điện tăng từ 200 lên 400 A. Ngoài ra, EMF cực đại tại tâm của sợi dây giảm từ 20,838 xuống 17,995 N / m3khi tần số tăng từ 4 đến 8 Hz.Sợi dây có độ dẫn từ nhất định khi các đường cảm ứng từ từ không khí vào sợi bị lệch, tụ lại tại một vị trí và tạo thành một lá chắn từ.Sự khác biệt về từ thông giữa bên trong và các cạnh của sợi dẫn đến sự phân bố không đồng đều của dòng điện cảm ứng, chủ yếu tập trung trên bề mặt của tấm, một hiện tượng được gọi là \\"hiệu ứng da \\".Hiệu ứng này dẫn đến giảm sự xâm nhập của từ trường ở tần số cao hơn [17].Nó cho thấy rằng vỏ đông đặc có độ dẫn điện nhất định có tác dụng che chắn nhất định đối với từ trường, và do đó cường độ cảm ứng từ trung tâm giảm nhẹ khi tần số dòng điện tăng lên.
Hình 8.Sự phân bố của lực điện từ theo phương đúc dưới hai cặp con lăn tại (a) các tần số khác nhau và dưới (b) dòng điện khác nhau.
3.2.Phân tích dòng chảy và hành vi đông đặc
Hình 9a thể hiện sự phân bố vận tốc dọc theo đường tâm theo hướng đúc trên đường đặc tính của thép nóng chảy với một số cặp con lăn khác nhau, và Hình 9b cho thấy sự phân bố vận tốc dọc theo đường tâm của các con lăn theo hướng rộng.Sự gia tăng số lượng con lăn dẫn đến sự gia tăng khối lượng cục bộ của EMF trên sợi và EMF là động lực của dòng chảy thép nóng chảy để rửa mặt trước đông đặc trong SCZ.Phạm vi vận tốc rửa hiệu quả — được định nghĩa là phạm vi mà vận tốc dòng chảy lớn hơn tốc độ đúc — của mặt trước đông đặc dọc theo hướng đúc là 4,0–4,35 m, 3,8–4,35 m và 3,6–4,35 m cho một, hai và ba cặp con lăn tương ứng và vận tốc giặt tối đa lần lượt là 0,7, 0,8 và 0,76 m / s.Zhang và cộng sự.[18] phát hiện ra rằng dòng phản lực vận tốc cao từ các lỗ bên có thể dẫn đến vùng nhiễu loạn lớn hơn trong vùng khuôn và một phần của SCZ.Mặc dù EMF của hai cặp trục lăn thấp hơn của ba cặp, vùng rửa của hai cặp lăn xuống sâu hơn, để lại cường độ động năng hỗn loạn thấp hơn trong vùng khuôn bù.Do đó, sợi có tốc độ giặt tối đa lớn hơn với hai cặp trục lăn so với ba cặp.Hình 8b cho thấy vận tốc dòng chảy lớn nhất với số lượng cặp con lăn khác nhau được phân bố trên một mặt của sợi.Vận tốc dòng chảy ở phía lực đẩy của EMF lớn hơn ở phía khởi động, điều này gần như phù hợp với các đặc tính chuyển động của từ trường sóng truyền.
Hình 9.Phân phối vận tốc với số lượng con lăn khác nhau (a) dọc theo đường tâm theo hướng truyền và (b) dọc theo đường tâm của các con lăn theo hướng rộng.
Hình 10a – d cho thấy sự phân bố nhiệt độ và dòng thép nóng chảy trên bề mặt trung tâm của mặt hẹp trong tấm với 0–3 cặp con lăn.EMF làm cho thép nóng chảy di chuyển từ mặt này của bề mặt hẹp sang mặt khác, và sự liên tục của dòng chảy đến mặt trước đông đặc hẹp dẫn đến sự hình thành tuần hoàn trên và dưới của thép nóng chảy, dẫn đến lõi đồng nhất. nhiệt độ và sự trộn lẫn của tấm sàn.Với số lượng các cặp con lăn ngày càng tăng, diện tích dòng chảy của thép nóng chảy tại mặt cắt mở rộng và sự trao đổi nhiệt cưỡng bức giữa thép nóng chảy nhiệt độ cao ở trung tâm và vỏ đông đặc dẫn đến vùng nhiệt độ thấp lớn hơn ở trung tâm của sợi.Theo lý thuyết hóa rắn, nhiệt độ thấp hơn của thép nóng chảy trung tâm sẽ có lợi hơn cho việc hình thành các hạt tạo mầm.Xu và cộng sự.[19] chỉ ra rằng việc rửa thép nóng chảy chống lại mặt trước đông đặc có thể gây ra \\"tan chảy \\" của nhánh dendrite để cung cấp các hạt tạo mầm cho sự hình thành các tinh thể bằng nhau, điều này cuối cùng làm tăng tỷ lệ tinh thể tương đương trung tâm của sợi.
Hình 10.Sự phân bố nhiệt độ và dòng chảy trên bề mặt trung tâm hẹp của sợi với (a) cặp số không, (b) một cặp, (c) hai cặp, và (d) ba cặp con lăn.
Hình 11a minh họa sự thay đổi của lớp vỏ đông đặc ở phía bắt đầu dọc theo hướng đúc ở tâm của mặt hẹp đối với sợi với số lượng cặp con lăn khác nhau và Hình 11b cho thấy sự thay đổi độ dày vỏ ở phía lực đẩy dọc theo hướng đúc ở tâm của mặt hẹp đối với sợi với số lượng cặp con lăn khác nhau.Mặt trước hóa rắn được coi là vị trí mà phần pha lỏng là 0,3.Đối với không, một, hai và ba cặp con lăn, độ dày của lớp vỏ đông đặc tại đầu ra của miền tính toán lần lượt là 42,37, 40,96, 40,14 và 38,43 mm ở phía đầu của EMF và 42,37, 42,27 , Lần lượt là 37,62 và 37,60 mm về phía lực đẩy của EMF.Dòng chảy với tốc độ cao của thép nóng chảy chạy tới mặt trước đông đặc và làm gián đoạn một số tinh thể dạng cột, dẫn đến sự phát triển chậm lại của lớp vỏ đông đặc trong vùng khuấy.Tốc độ đông đặc ở phía lực đẩy điện từ thấp hơn đáng kể so với phía khởi động, gần như trùng khớp với các đặc tính của từ trường sóng truyền.
Hình 11.Sự phân bố độ dày vỏ ở mặt trung tâm hẹp của sợi trên (a) bên bắt đầu và (b) phía lực đẩy.
3.3.Các thí nghiệm về cấu trúc đông đặc thu được bằng IN-ROLL EMS
Hai cặp con lăn được chọn để đúc tấm thép Fe-17% Cr-0,6 trọng lượng% Ni trong các thí nghiệm kiểm soát kết cấu đông cứng bằng IN-ROLL EMS.Vùng bán rắn ở trung tâm của bản sàn khi sử dụng hai cặp con lăn lớn hơn so với khi sử dụng một cặp con lăn.Mặc dù EMF nhỏ hơn so với khi sử dụng ba cặp, vận tốc rửa của mặt trước đông đặc lớn hơn với hai cặp so với ba cặp, điều này có lợi cho việc hình thành các tinh thể đồng đều trong sợi.Ngoài ra, chi phí thiết bị đo đạc và tiêu thụ điện năng thấp hơn khi sử dụng hai cặp con lăn.Các cấu trúc đông cứng của tấm được tạo ra khi tắt và bật IN-ROLL EMS được so sánh trong quá trình thử nghiệm, như thể hiện trong Hình 12. Khi tắt IN-ROLL EMS, cấu trúc vĩ mô của tấm được phát triển hơn trong tinh thể cột, có liên quan đến các đặc tính của thép Fe-17% trọng lượng Cr-0,6 trọng lượng% Ni.Có hàm lượng Cr trong thép lớn hơn 16% dẫn đến quá trình hóa rắn mà không cóα→γquá trình chuyển pha, với cấu trúc ferit được duy trì.Pang và cộng sự.[20] nhận thấy rằng không có sự chuyển pha nào để cản trở sự phát triển của các tinh thể cột trong quá trình sinh trưởng của hạt;do đó, kích thước hạt thô và các nguyên tố hóa học dễ bị phân tách, có thể ảnh hưởng nghiêm trọng đến chất lượng sản phẩm.Khi bật IN-ROLL EMS với các thông số điện từ 400 A và 7 Hz, EMF được tạo ra bởi từ trường sóng truyền làm cho thép nóng chảy chảy dữ dội và rửa mặt trước tinh thể cột để giảm gradient nhiệt độ ở mặt trước đông đặc , ức chế sự phát triển của các tinh thể cột.Đồng thời, dòng chảy tốc độ cao của thép nóng chảy có thể phá vỡ cánh tay dendrite cột để tạo thành các hạt nhân tự do trong khu vực nhiệt độ thấp trung tâm.Cuối cùng, tỷ lệ tinh thể đồng đều trung tâm của sợi được tăng lên 69%.
Hình 12.Mặt cắt của NS cấu trúc vĩ mô as-cast của sợi (a) không có EMS IN-ROLL và (b) với hai cặp con lăn được sử dụng trong IN-ROLL EMS (ở 400 A và 7 Hz).
4.Kết luận
Ở đây, một mô hình khớp nối phân đoạn 3-D cho hành vi truyền điện từ, dòng chảy và truyền nhiệt đã được thiết lập để đúc tấm thép không gỉ.Ảnh hưởng của IN-ROLL EMS lên sự phân bố từ trường và hành vi đông đặc đã được tiết lộ, và các thông số kỹ thuật tối ưu để kiểm soát cấu trúc vĩ mô khi đúc của thép Fe-17% Cr-0,6% Ni đã được trình bày.Các kết luận chính như sau:
1. Các đặc tính của từ trường sóng truyền của IN-ROLL EMS trong SCZ sẽ tạo ra EMF tối đa nằm ở phía bắt đầu của sợi tấm.Đối với mỗi cặp con lăn điện từ bổ sung, EMF trung bình theo hướng đúc tăng 2969 N / m3và EMF trung bình ở phần trung tâm của con lăn tăng 5600 N / m3.
2. Với số lượng cặp trục khuấy ngày càng tăng, diện tích khuấy hiệu quả của thép nóng chảy bên trong sợi được mở rộng bởi EMF, và vận tốc của thép nóng chảy ở mặt trước đông đặc tăng và sau đó giảm.Hiệu ứng rửa dòng từ lực điện từ mạnh sẽ làm giảm tốc độ đông đặc của vỏ cục bộ và đẩy nhanh quá trình tiêu tán quá nhiệt của tâm thép nóng chảy, điều này có lợi cho sự hình thành tinh thể đều.
3. Việc sử dụng hai cặp con lăn điện từ ở 400 A và 7 Hz có thể tạo ra tỷ lệ tinh thể cách đều tâm là 69% trong sợi tấm có kích thước 200 mm × 1280 mm, giúp cải thiện hành vi làm việc nóng của nó.
Nó không được phép sử dụng bài viết này dưới bất kỳ hình thức nào bao gồm sao chép hoặc sửa đổi mà không có sự cho phép bằng văn bản của tác giả gốc.
