Elektromagnetisk bromsning förbättrar stålkvaliteten vid stränggjutning

Transkript

1 Elektromgnetisk romsning förättrr stålkvliteten vid stränggjutning Elektromgnetisk romsning v stålflödet i kokillen i stränggjutningsmskiner förättrr kvliteten hos det gjutn stålet genom tt mängden icke-metllisk inneslutningr, som kn trnsporters ned i stålet speciellt vid hög gjuthstighet, reducers. Vid Industril Systems hr stålflödet i stränggjutningskokillen under inverkn v elektromgnetisk romsning undersökts med hjälp v omfttnde eräkningr. S tändigt stegrde krv på hög produktionstkt inom stålförädlingen hr l resultert i stränggjutningstekniken som inneär tt mn tillverkr ämnen för slutvlsning till plåt, profiler o d genom kontinuerlig gjutning i stället för som tidigre i form v diskret göt 1. Stränggjutning är dock en komplicerd process: i den gjutn stålsträngen kn skdlig inneslutningr i form v t ex slgg och gs lätt uppstå. Risken för sådn ofullkomligheter ökr med ökd gjuthstighet l på grund v tt strålen v smält stål tränger djupt ned i den gjutn strängen, vrvid gjutpulver och ndr föroreningr lätt drs med och kpsls in i stålet, och därigenom sänks stålkvliteten. För tt få ot mot dett prolem hr utvecklt och ptentert en s k elektromgnetisk roms (EMR) som med ett sttiskt mgnetfält romsr det flytnde stålet. På dett sätt erhålls en jämnre värme- och hstighetsfördelning för det utströmmnde stålet över strängens redd 2 smtidigt som risken för inneslutningr reducers. Därmed höjs kvliteten hos det gjutn stålet. Det kn här vr på sin plts med en kommentr till enämningen elektromgnetisk roms som oft nvänds för utrustningr v dett slg. Det vore riktigre tt tl om en elektromgnetisk flödesfördelre som förklrr den skenr prdox som ilnd uttrycks som tt tck vre den elektromgnetisk romsen kn gjuthstigheten öks. tt ök en hstighet genom romsning kn verk motsägelsefullt, men det hndlr om tt utför en romsning v metllflödet på viss ställen i kokillen så tt en jämn stålflödeshstighet erhålls i vrje snitt v strängen. Dett kn ske genom elektromgnetisk romsning som resulterr i en jämn flödeshstighet, vrvid gjuthstigheten kn öks utn risk för försämrd stålkvlitet. Fler olik konfigurtioner för det sttisk mgnetfältet kring stålsträngen hr provts, och stor förättringr hr uppnåtts efter hnd. Experiment med ny konfigurtioner är dock mycket dyr och nders Lehmn Göte Tlläck Åke Rullgård Industril Systems tidskrävnde och dessutom är utprovningsmiljön svår. Därför hr stst på tt utveckl eräkningsmodeller för stålflödet vid olik rrngemng v spolkonfigurtioner för lstring v det sttisk mgnetfältet [1, 2]. Resultt v eräkningr med hjälp v dess modeller redoviss nedn, och vidre redoviss jämförelser med mätningr på utförd instlltioner i syfte tt verifier eräkningsresultten. Följnde tre konfigurtioner hr studerts med hjälp v den utvecklde sttionär modellen 3 : I Grundkonfigurtion: två lokl mgnetfält plcerde utmed strängens redd II Konfigurtion Ruler (linjl): ett end mgnetfält som täcker hel strängredden III Konfigurtion F Mold (Flow ontrol Mold): två prllell mgnetfält som vrder täcker hel strängredden och där munstycken för det smält stålet mynnr melln de två mgnetfälten Slutstser v utförd eräkningr Huvudresultten v eräkningrn kn smmnftts som följer: rgongs och sttiskt mgnetfält hr en etydnde inverkn på flödet v smält stål. romsningen får gynnsmmste inverkn på flödesilden, då stålstrålen från munstycket är riktd mot den region som täcks v mgnetfältet. Inneslutningr v icke-metllisk ämnen som tränger ned i strängens mitt minskr vid mgnetfält som täcker hel strängredden i jämförelse med konfigurtion med två lokl mgnetfält. Temperturen vid dspegeln (menisken) ökr med 5 15 då elektromgnetisk romsning tillämps. För t ex red kokiller och låg gjuthstighet kn det vr nödvändigt tt minsk effekten i Ruler-konfigurtionen. Vid en för strk romsning v stålflödet kn 4 Tidning 1/1996

2 Ny tillämpningr för elektromgnetisk romsning vid stränggjutning kn vänts för mindre ämnesformt med minskt inträngningsdjup och ökd tempertur omedelrt under menisken som gynnsmm effekter på stålkvliteten. Med EMR skulle det i frmtiden kunn vr möjligt tt gjut med väsentligt höjd gjuthstighet men med iehållen hög stålkvlitet, vilket är v speciellt intresse vid tunnslsgjutning. Kommentrer till eräkningsresultten Stränggjutningsnläggning vid SS, Luleå 1 stgntion vid kortsidorn uppträd, röret lättre iehålls och risken för och därigenom riskers motstt effekt, eventuell stgntion reducers. dvs minskd tempertur och frysning Stålstrålens inträngningsdjup minskr i vid menisken. ll konfigurtioner i jämförelse med Medelhstigheten för stålflödet omedelrt under menisken minskr oft krfning, men mgnetfältets plcering och gjutsträng utn elektromgnetisk romstigt då ett sttiskt mgnetfält pplicers i styrk hr en vgörnde etydelse för kokillen. I konfigurtionen F Mold, där optimlt stålflöde och därigenom för munstycken för stålet mynnr melln stålkvliteten. de horisontell mgnetfälten som täcker Tendens till lågfrekvent svängningr hel kokillredden, lir romsningen v med hög mplitud vid menisken dämps stålstrålrn mot kortsidorn egränsd, effektivt under inverkn v ett sttiskt och följktligen reducers medelhstigheten vid menisken mindre. Denn konrs risken för pulverneddrgningr, som mgnetfält i kokillen. Därigenom reducefigurtion hr dock fördelen tt stålflödet oft uppstår vid hög hstighet och ccelertion v flödet vid vid menisken från kortsidorn mot gjut- menisken. I Grundkonfigurtion två lokl mgnetfält plcerde utmed strängens redd Plcering v två eller fler lokl mgnetfält utmed strängredden kännetecknr det äldst utförndet v den elektromgnetisk romsen 3. Denn konstruktion utveckldes för undviknde v djup inträngning v flytnde stål i strängen och EMR Principiell stålströmningsild i en kontinuerligt gjuten sträng, till vänster utn, till höger med elektromgnetisk romsning (EMR) 2 S Strängredd Utn EMR Med EMR 1 Stort inträngningsdjup för 5 Lugn, hetre dspegel icke-metllisk inneslutningr 6 romsd zon 2 Tunt gjutpulverskikt 7 Litet inträngningsdjup för 3 Störd dspegel icke-metllisk inneslutningr 4 Turulens 1 S Tidning 1/1996 5

3 I II III Olik konfigurtioner för elektromgnetisk roms (EMR) 3 I II III Grundkonfigurtion: två lokl mgnetfält plcerde utmed strängens redd Konfigurtion Ruler (linjl): ett end mgnetfält som täcker hel strängredden Konfigurtion F Mold (Flow ontrol Mold): två prllell mgnetfält som täcker hel strängredden och där munstycken för det smält stålet mynnr melln de två mgnetfälten för minskning v hlten icke-metllisk inneslutningr. Generellt visr resultt ifrån prktisk mätningr tt inträngningsdjupet minskr med upp till 50% i denn konfigurtion och tt temperturen omedelrt under menisken ökr med Det finns dock risk för stgntion i metllflödet vid mximl romseffekt, och dessutom kn t ex vid sml ämnen en ogynnsm flödesild, en huvudsklig strömningsknl i mitten, ge upphov till ökning v mängden icke-me- I Grundkonfigurtion: eräknt strömningsfält i snitten, och med elektromgnetisk roms med lokl mgnetfält och vid olik mgnetisk flödestäthet 4 Snitt genom strängmitten = 0 T Strängdimensioner: mm Snitt 100 mm = 0,15 T Gjuthstighet: 1,6 m/min vid sidn v gjutmunstycket c = 0,32 T Doppdjup: 190 mm Snitt 20 mm Utströmningsvinkel: 45 nednför dspegeln Effektvgång genom menisken: 75 kw/m 2 rgongsmängd: 10 l/min Överhettningstempertur: 10 c 6 Tidning 1/1996

4 tllisk inneslutningr i det stelnde sklet. Därför är simuleringr ett viktigt verktyg för fstställnde v optiml plcering v EMR. Den eräknde tredimensionell strömningsilden viss i 4 och de inducerde strömmrn och Lorentz-krftern i 5. II Konfigurtion Ruler ett mgnetfält som täcker hel strängredden Denn konfigurtion känneteckns v tt ett end mgnetfältet täcker hel strängredden 3 och rukr nses som den ndr genertionen elektromgnetisk romsr. De först instlltionern togs i Inducerde elektrisk strömmr () och Lorentz-krfter () i snitten, och för en elektromgnetisk roms med lokl mgnetfält och smm gjutdt som fig 4, dock endst en flödestäthet, 0,32 T 5 II Konfigurtion Ruler: eräknd solut hstighetsfördelning i ett snitt genom strängmitten prllellt med strängens redsid. I de svrt områden är den solut hstigheten 0,4 1,0 m/s 6 Doppdjup 150 mm, Doppdjup 250 mm, För ll delfigurer gäller: utströmningsvinkel 0 utströmningsvinkel 30 Strängdimensioner: mm EMR från, rgongsflöde 0 e EMR från, rgongsflöde 0 Gjuthstighet: 1,5 m/min EMR från, rgongsflöde 10 l/min f EMR från, rgongsflöde 10 l/min Effektvgång genom menisken: 75 kw/m 2 c EMR till, rgongsflöde 0 g EMR till, rgongsflöde 0 Överhettningstempertur: 20 d EMR till, rgongsflöde 10 l/min h EMR till, rgongsflöde 10 l/min Högst flödestäthet: 0,3 T 1300 c d e f g h Tidning 1/1996 7

5 2500 c II Konfigurtion Ruler: spårning v 200 µm stor prtiklr i strängmitten med flödestäthet v 0 (), 0,15 () och 0,3 T (c) 7 Strängdimensioner: mm Doppdjup: 225 mm Effektvgång genom menisken:150 kw/m 2 Gjuthstighet: 0,9 m/min Utströmningsvinkel: 20 rgongsmängd: 5 l/min Överhettningstempertur: 15 drift år 1991 vid Sollc, Dunkerque/Frnkrike, och Hoogovens, IJmuiden/Hollnd. Inverkn v mängd rgongs och munstyckets doppdjup (SEN, Sumerged Entry Nozzle) på soluthstigheten frmgår v 6. Vid litet doppdjup och mer horisontellt utlopp hos munstycket tenderr me- tllflödet tt strömm ovnför mgnetfältområdet. Med ökt doppdjup och mer nedåtriktt munstycke tränger det smält stålet rkt in i mgnetfältet, vilket resulterr i tt strålen romss effektivt. Dock kn en för högt plcerd EMR led till en nsmling v rgongsulor när gjutröret. llmänt gäller tt menisktemperturen ökr med 5 15 i Ruler-konfigurtionen. eräkningr och prktisk mätningr visr tt ett sttiskt mgnetfält i kokillen kn utnyttjs för styrning v metllflödet vid menisken. Dett flöde estäms, vid vsknd v elektromgnetisk roms, v strängens redd, gjuthstighet, rgon- eräknd temperturfördelning i en 2500 mm red sträng vid elektromgnetisk romsning med Ruler-konfigurtion och mgnetisk fältstyrk v 0 (), 0,15 () och 0,3 T (c). I de svrt områden är överhettningstemperturen 6 8 (gjutdt som i fig 7). 8 Snitt genom strängmitten Snitt 20 mm nednför dspegeln 2500 c 8 Tidning 1/1996

6 Minskning v lndningsregionen 9 från 6 till 3 m stränglängd l vid kvlitetsomställning (kiselhlt Si) hos Preussg G, Slzgitter/Tysklnd, utn (lå) och med (röd) elektromgnetisk romsning l Si MR 1 MR 2 Stränglängd Kiselhlt lndningsregion utn EMR lndningsregion med EMR Si 1.0 % MR 2 MR 1 mängd och munstyckets utformning. Med elektromgnetisk romsning kn hstigheten vid menisken reglers. Normlt önsks en minskning v denn hstighet. Vid lltför strk romsning kn det uppstå ett reversert flöde riktt från munstycket mot kortsidorn. Svårigheten tt exkt predikter när stålflödet vänder vid menisken ökr risken för stgntion. Spårning v prtiklr med 200 µm storlek viss i 7 och eräknd temperturfördelning i en 2500 mm red kokill i 8. I fll hr flödet nästn stgnert när kortsidorn vid full romseffekt. I fll med låg överhettningstempertur finns risk för frysning vid meniskens kortsidor, och åtgärden är då tt minsk den mgnetisk flödestätheten, ök gjuthstigheten eller minsk munstyckets utloppsöppning. Genom simuleringr kn romsutförndet estämms för vrje enskilt fll så tt ogynnsmm effekter v ovnnämnt slg undviks. Elektromgnetisk romsning hr i prktiken vist sig vr effektiv för minskning v inträngningsdjupet. Som frmgår v mätningr utförd vid Preussg Sthl, Slzgitter/Tysklnd, låter sig lndningszonen, som uppstår i strängen vid omställning v reduktionsgrden, reducers från 6 till 3 m med hjälp v elektromgnetisk romsning l m 12 Elektrisk ström inducerd i snitten, och vid nvändning v elektromgnetisk roms enligt konfigurtion F Mold med flödestäthet 0,3 T. Gjutröret hr fyr öppningr som mynnr melln mgnetfälten. Trots den reltivt låg mgnetisk flödestätheten hr reduktion v inträngningsdjupet för föroreningr med 50% uppmätts i efintlig instlltioner. Snitt genom strängmitten Strängdimensioner: mm Snitt 100 mm Gjuthstighet: 1,7 m/min vid sidn v gjutmunstycket Nedsänkningsdjup: 200 mm Snitt 20 mm Utströmningsvinkel: 20 nednför dspegeln Effektvgång genom menisken: 75 kw/m 2 rgongsmängd: 16 l/min Överhettningstempertur: Tidning 1/1996 9

7 30 cm/s 10 v s t 50 cm/s v min 6 t eräknd meniskhstighet v utn (lå) och med (röd) elektromgnetisk romsning Strängdimensioner: mm Gjuthstighet: 5,5 m/s 11 Registrerd dspegelhstighet v 350 mm 12 från gjutmunstycket utn (lå) och med (röd) elektromgnetisk romsning Strängdimensioner: mm Gjuthstighet: 1,3 m/s III Konfigurtion F Mold två mgnetfält som täcker hel strängredden F Mold-konfigurtionen 3 hr utvecklts v Kwski Steel orportion, Jpn, i smrete med. Den känneteckns v två prllell mgnetfält som vrder täcker strängens hel redd i kokillen. De elektrisk strömmr som inducers i det smält stålet smt rgongshlten vid tillämpning v denn konfigurtion viss i 10. Mätningr visr tt trots tt den mgnetisk flödestätheten är reltivt låg och de inducerde strömmrn är riktde åt olik håll, minskr inträngningsdjupet minskts med upp till 50 %. Medelhstigheten under menisken minskr inte i så hög grd, men den romsnde effekten kn, som i Ruler-konfigurtionen, styrs genom förändring v doppdjup och utströmningsvinkel för munstycket. Resultt erhålln med den trnsient modellen Ett sttiskt mgnetfält reducerr effektivt de lågfrekvent svängningrn i kokillen. Till skillnd från temperturökningen, som tr c 2 minuter innn den är fullt utveckld, gör denn dämpning sig märkr momentnt vid inkoppling v EMR. Den eräknde horisontell hstigheten omedelrt under menisken 325 mm från strängmitten med och utn EMR inkoppld viss i 11. Effektiv dämpning v oscilltionern i menisken hr rpporterts från ett flertl EMR-instlltioner. Ett exempel från Hoogoven, IJmuiden Hollnd viss i 12, där en påtglig reduktion v såväl medelhstighet som oscilltioner noterts, vilket krftigt reducerr risken för tt gjutpulver drs ned i stålsträngen. Tillämpde fysiklisk och mtemtisk principer i modellern Två modeller hr utvecklts för prediktering v elektromgnetisk romsning v stålflödet: En sttionär turulensmodell för studium v medelflödet hos stålet i strängen vid olik konfigurtioner. En tredimensionell turulensmodell hr nvänts för eräkning v stålflödet i strängen där rgongsens lyftkrft på smältn smt fördelningen v inneslutningr hr ektts under inverkn v olik elektromgnetisk fältkonfigurtioner. Det tredimensionell mgnetfältet hr eräknts med Vector Fields progrm TOS och sedn förts in i flödesprogrmmet Hrwell Flow3D. En trnsient LES-modell för studium v lågfrekvent svängningr i menisken. För tt krtlägg inverkn v elektromgnetisk romsning på svängningr i den fri stålytn, menisken, hr en s k trnsient LES-turulensmodell (Lrge Eddy Simultion) nvänts. Referenser [1] Lehmn,. F. m fl: Fluid flow control in continuous csting using vrious configurtions of sttic mgnetic fields. Interntionl Symposium on Electromgnetic Processing of Mterils, Ngoy/Jpn, [2] Tlläck, G. m fl: Simultions of EMR influence on fluid flow in sls. 17th dvnced Symposium 1994, Phoenix, Z/US. Industril Systems dokument nummer GRT40681 (1994). Förfttrns dress nders Lehmn Göte Tlläck Åke Rullgård Industril Systems Metls Division, Steelworks Products S Västerås Fx: +46 (0) Tidning 1/1996