دراسة عددية وتجريبية حول هيكل التصلب لصب ألواح الحديد والكروم والنيكل عن طريق التحريك الكهرومغناطيسي الأسطواني

الملخص:نقدم نموذج اقتران مجزأ لصب الألواح بواسطة الأسطوانةالتحريك الكهرومغناطيسي(In-roll EMS) للسلوك الكهرومغناطيسي والتدفق ونقل الحرارة والتصلب بناءً على الديناميكا المائية المغناطيسية ونظرية التصلب.تم إنشاء نموذج اقتران مجزأ ثلاثي الأبعاد (3-D) يتضمن عناصر كهرومغناطيسية وتدفق ونقل الحرارة باستخدام برنامجي Ansoft Maxwell و ANSYS Fluent.تمت دراسة تأثيرات غلاف الأسطوانة ، حلقة التدريع المغناطيسية ، الملف ، اللب ، الفولاذ المصهور ، والمجال الهوائي على المجالات الكهرومغناطيسية والحرارية والتدفق.تم التحقق من دقة النموذج عن طريق قياس كثافة التدفق المغناطيسي في خط الوسط في زوج من البكرات والقوة الكهرومغناطيسية للوحة النحاس.بناءً على النتائج العددية للمعلمات التقنية المثلى ، تم استكشاف تأثير IN-ROLL EMS على تصلب Fe – 17٪ Cr – 0.6 wt٪ Ni المقاوم للصدأ.أشارت النتائج إلى أنه مع كل زوج إضافي من البكرات الكهرومغناطيسية ، زاد متوسط ​​القوة الكهرومغناطيسية بمقدار 2969 نيوتن / م.³في اتجاه الصب ، و 5600 نيوتن / م³في القسم المركزي من البكرات.مع زيادة عدد أزواج البكرات ، زادت منطقة التقليب الفعالة ، وزادت سرعة الفولاذ المصهور في مقدمة التصلب أولاً ثم انخفضت بعد ذلك.أدى تأثير الغسل الدوامي الكهرومغناطيسي القوي إلى تقليل معدل التصلب لقشرة اللوح وعزز التبديد المحموم للفولاذ المنصهر في وسط الشريط.تم تحسين النسبة البلورية المتساوية المركزية للبلاطة إلى 69٪ بزوجين من بكرات IN-ROLL EMS والمعلمات الكهرومغناطيسية من 400 A / 7 Hz ، والتي كانت مفيدة للحصول على بنية صلبة موحدة وكثيفة لتحسين أداء العمل الساخن اللاحق وجودة المنتج.

الكلمات الدالة:التحريك الكهرومغناطيسي الدوارة (IN-ROLL EMS) ؛Fe – 17 wt٪ Cr – 0.6 wt٪ Ni فولاذ ؛هيكل التصلبعدد أزواج البكرات ؛تأثير الغسيلالملخص:نقدم نموذج اقتران مجزأ لصب الألواح بواسطة التحريك الكهرومغناطيسي الأسطواني (In-roll EMS) للسلوك الكهرومغناطيسي والتدفق ونقل الحرارة والتصلب بناءً على الديناميكا المائية المغناطيسية ونظرية التصلب.تم إنشاء نموذج اقتران مجزأ ثلاثي الأبعاد (3-D) يتضمن عناصر كهرومغناطيسية وتدفق ونقل الحرارة باستخدام برنامجي Ansoft Maxwell و ANSYS Fluent.تمت دراسة تأثيرات غلاف الأسطوانة ، حلقة التدريع المغناطيسية ، الملف ، اللب ، الفولاذ المصهور ، والمجال الهوائي على المجالات الكهرومغناطيسية والحرارية والتدفق.تم التحقق من دقة النموذج عن طريق قياس كثافة التدفق المغناطيسي في خط الوسط في زوج من البكرات والقوة الكهرومغناطيسية للوحة النحاس.بناءً على النتائج العددية للمعلمات التقنية المثلى ، تم استكشاف تأثير IN-ROLL EMS على تصلب Fe – 17٪ Cr – 0.6 wt٪ Ni المقاوم للصدأ.أشارت النتائج إلى أنه مع كل زوج إضافي من البكرات الكهرومغناطيسية ، زاد متوسط ​​القوة الكهرومغناطيسية بمقدار 2969 نيوتن / م.³في اتجاه الصب ، و 5600 نيوتن / م³في القسم المركزي من البكرات.مع زيادة عدد أزواج البكرات ، زادت منطقة التقليب الفعالة ، وزادت سرعة الفولاذ المصهور في مقدمة التصلب أولاً ثم انخفضت بعد ذلك.أدى تأثير الغسل الدوامي الكهرومغناطيسي القوي إلى تقليل معدل التصلب لقشرة اللوح وعزز التبديد المحموم للفولاذ المنصهر في وسط الشريط.تم تحسين النسبة البلورية المتساوية المركزية للبلاطة إلى 69٪ بزوجين من بكرات IN-ROLL EMS والمعلمات الكهرومغناطيسية من 400 A / 7 Hz ، والتي كانت مفيدة للحصول على بنية صلبة موحدة وكثيفة لتحسين أداء العمل الساخن اللاحق وجودة المنتج.

1.مقدمة

سبائك الفولاذ المقاوم للصدأ الموفرة للنيكل ، مثل Fe – 17 wt٪ Cr – 0.6wt٪ Ni ، لها هيكل حديدي في الغرفة ودرجات حرارة عالية تؤدي إلى تطوير بلورات عمودية بسهولة أثناء التصلب مع نسبة منخفضة جدًا من الكريستال المتساوي في الفولاذ المسبوكات.يحتوي الهيكل البلوري العمودي على تباين واضح في عملية العمل البلاستيكية اللاحقة ، والتي من المحتمل أن تنتج عيوبًا تشبه التجاعيد في منتجات الألواح بسبب ضعف قابلية السحب العميقة.يعد التحكم في هيكل المصبوب والحصول على نسبة عالية من البلورات المتوازنة أثناء عملية الصب المستمر (CC) أمرًا مهمًا لتحسين أداء وجودة العمل الساخن اللاحق للمنتج ؛لطالما كانت هذه قضية مركزية لصناعة الصلب.

يمكن لـ IN-ROLL EMS استبدال بكرة القرص العادية في ماكينة CC بأزواج مختلفة من البكرات.سيكون للترتيبات المختلفة للبكرات في المقاطع توزيعات مجال مغناطيسي متنوعة ، ومناطق EMF ، وأنماط تدفق الفولاذ المصهور.بالنظر إلى أهمية السلوك المعدني في SCZ لصب بلاطة فيما يتعلق بالتحكم في الجودة الداخلية للحبال ، فإن النموذج المقترن للكهرومغناطيسية ثلاثية الأبعاد (3-D) ، والتدفق ، ونقل الحرارة ، وسلوك التصلب في SCZ لديه تم تطويرها في هذه الدراسة.

تم قياس كثافة التدفق المغناطيسي باستخدام وضع معالجة الإشارات الرقمية من LakeShore مقياس تسلا 475 (Zhongke Electric ، هونان ، الصين).تم اختبار EMF باستخدام مقياس الدفع المصنوع داخليًا ، كما هو موضح في الشكل 3.

الشكل 3.طريقة قياس الصفيحة النحاسية: (a) مخطط الهيكل.(b) مخطط الجهاز المادي.

يتم سرد المكونات الكيميائية الرئيسية للفولاذ Fe – 17 wt٪ Cr – 0.6 wt٪ Ni في الجدول 2.

الشكل 4.قطع عينة من صب بلاطة لتحليل المعادن.

3. النتائج والمناقشة

3.1.تحليل المجال الكهرومغناطيسي

يوضح الشكل 5 أ مقارنة بين القيم المحسوبة والمقاسة لكثافة التدفق المغناطيسي ، ويوضح الشكل 5 ب EMF على خط الوسط للسطح العريض مع زوج من البكرات.تتوافق القيم المقاسة والمحسوبة لكثافة التدفق المغناطيسي على خط الوسط للأسطوانة والمجال الكهرومغناطيسي للوحة النحاسية تقريبًا ، مما يتحقق من موثوقية النموذج إلى مستوى مقبول.يوضح الشكل 5 ب أن EMF زاد بسرعة ثم انخفض ببطء مع زيادة التردد ، وتم الحصول على أكبر EMF لزوج من أدوات التقليب الأسطوانية بتردد 9 هرتز.

الشكل 5.مقارنة القيم المقاسة والمحسوبة على خط الوسط للوجه العريض لزوج البكرات: (a) كثافة التدفق المغناطيسي، (b) القوة الكهرومغناطيسية.

يوضح الشكل 6 أ-ج توزيع كثافة التدفق المغناطيسي على سطح اللوح لشدة تيار تبلغ 400 أ وتردد 7 هرتز في حالات زوج واحد وزوجين وثلاثة أزواج ، على التوالي ، حيث تكون المنطقة الفعالة من كثافة التدفق المغناطيسي مع زيادة عدد البكرات.كان للمجال المغناطيسي للموجة المتنقلة اتجاه معين ينتج عنه تأثير نهائي ، مما أدى إلى كثافة تدفق مغناطيسي أكبر على جانب الدفع (الجانب الأيمن من الشريط في الشكل 6) مقارنةً بالجانب الأول (الجانب الأيسر من الشريط في الشكل 6 ).

الشكل 6.محيط كثافة التدفق المغناطيسي على سطح الحامل مع (a) زوج واحد، (b) زوجان و (c) ثلاثة أزواج من البكرات.

يوضح الشكل 7 أ توزيع المجالات الكهرومغناطيسية على طول خط الوسط في اتجاه الصب تحت عدد مختلف من أزواج البكرات لتيار 400 أ وتردد 7 هرتز ، ويوضح الشكل 7 ب توزيع المجالات الكهرومغناطيسية على طول الخط المركزي للبكرات في الاتجاه الواسع.بالنسبة إلى زوج واحد ، واثنين ، وثلاثة أزواج من البكرات ، كان الحد الأقصى من EMF على الخط المركزي للبلاطة على طول اتجاه الصب هو 12090 و 18573 و 21229 نيوتن / متر³، على التوالي ، وكان متوسط ​​EMF 2023 و 5066 و 7962 N / م³، على التوالى.كان الحد الأقصى لـ EMF على خط الوسط للسطح العريض لكل زوج من الأسطوانات هو 12،354 ، و 18،084 ، و 22،874 N / m³، على التوالي ، وكان متوسط ​​EMF 10247 و 15730 و 21336 نيوتن / م³، على التوالى.تم تحديد القوة القصوى على جانب الدفع من اللوح ، وزادت EMF للصلب المصهور مع زيادة عدد أزواج البكرات.

الشكل 7.توزيع القوة الكهرومغناطيسية الداخلية في حبلا بعدد مختلف من البكرات (a) على طول خط الوسط في اتجاه الصب ، (b) على طول الخط المركزي للبكرات في الاتجاه الواسع.

يوضح الشكل 8 أ توزيع EMF في اتجاه الصب تحت زوجين من البكرات بترددات مختلفة ، ويكشف الشكل 8 ب عن توزيع EMF في اتجاه الصب تحت أزواج البكرات في التيارات المختلفة.يشير توزيع EMF إلى أنه كان صغيرًا من كلا الطرفين ، وكبيرًا في المنتصف ، وموزعًا بالتساوي بين البكرات.زاد الحد الأقصى من EMF في مركز الخصلة من 4750 إلى 19000 نيوتن / متر³مع زيادة شدة التيار من 200 إلى 400 أ. بالإضافة إلى ذلك ، انخفض الحد الأقصى من EMF في مركز الخصلة من 20،838 إلى 17،995 N / m³عندما زاد التردد من 4 إلى 8 هرتز.أظهر الخيط موصلية مغناطيسية معينة عندما انحرفت خطوط الحث المغناطيسي من الهواء إلى الشريط ، وتتجمع في مكان واحد وتشكل درعًا مغناطيسيًا.أدى الاختلاف في التدفق المغناطيسي بين الجزء الداخلي وحواف الشريط إلى توزيع غير متساوٍ للتيار المستحث ، والذي كان يتركز في الغالب على سطح اللوح ، وهي ظاهرة تُعرف باسم \\"تأثير الجلد \\".يؤدي هذا التأثير إلى تقليل تغلغل المجال المغناطيسي عند الترددات الأعلى [17].إنه يوضح أن الغلاف المتصلب مع توصيل كهربائي معين له تأثير تدريع معين على المجال المغناطيسي ، وبالتالي تنخفض شدة الحث المغناطيسي المركزي قليلاً مع زيادة التردد الحالي.

الشكل 8.توزيع القوة الكهرومغناطيسية في اتجاه الصب تحت زوجين من البكرات عند (a) ترددات مختلفة وتحت (b) التيارات المختلفة.

3.2تحليل سلوك التدفق والتصلب

يوضح الشكل 9 أ توزيع السرعة على طول خط الوسط في اتجاه الصب على الخط المميز للفولاذ المصهور مع عدد مختلف من أزواج البكرات ، ويوضح الشكل 9 ب توزيع السرعة على طول الخط المركزي للبكرات في الاتجاه الواسع.أدت الزيادة في عدد البكرات إلى زيادة الحجم المحلي لـ EMF على الشريط ، وكانت EMF هي القوة الدافعة لتدفق الفولاذ المصهور لغسل جبهة التصلب في SCZ.كان نطاق سرعة الغسل الفعال - المحدد على أنه النطاق الذي تكون فيه سرعة التدفق أكبر من سرعة الصب - لجبهة التصلب على طول اتجاه الصب 4.0–4.35 م ، 3.8–4.35 م ، 3.6–4.35 م لواحد ، اثنان ، وثلاثة أزواج من البكرات ، على التوالي ، وكانت سرعة الغسيل القصوى 0.7 و 0.8 و 0.76 م / ث على التوالي.تشانغ وآخرون.[18] وجد أن التدفق النفاث عالي السرعة من الثقوب الجانبية يمكن أن يؤدي إلى منطقة اضطراب أكبر في منطقة العفن وجزء من SCZ.على الرغم من أن EMF لزوجين من البكرات أقل من تلك الموجودة في الأزواج الثلاثة ، إلا أن منطقة الغسيل للزوجين تنخفض بشكل أكبر ، مما يترك كثافة طاقة حركية مضطربة أقل في منطقة قالب الإزاحة.وبالتالي ، فإن الحبل لديه سرعة غسيل قصوى أكبر مع زوجين من البكرات مقارنة بثلاثة أزواج.يوضح الشكل 8 ب أن أقصى سرعة تدفق تحت أعداد مختلفة من أزواج البكرات تم توزيعها على جانب واحد من الشريط.كانت سرعة التدفق على جانب الدفع في المجال الكهرومغناطيسي أكبر منها على جانب البداية ، وهو ما يتوافق تقريبًا مع خصائص الحركة للمجال المغناطيسي للموجة المتنقلة.

الشكل 9.توزيع السرعة بأعداد مختلفة من البكرات (a) على طول خط الوسط في اتجاه الصب ، و (b) على طول الخط المركزي للبكرات في الاتجاه الواسع.

يوضح الشكل 10 أ-د توزيع درجة الحرارة وانسيابية الفولاذ المصهور على السطح المركزي للوجه الضيق في البلاطة مع 0-3 أزواج من البكرات.تسببت EMF في انتقال الفولاذ المصهور من جانب واحد من السطح الضيق إلى الجانب الآخر ، وأدى استمرار التدفق إلى جبهة التصلب الضيقة إلى تكوين دوران علوي وسفلي للفولاذ المنصهر ، مما أدى إلى تكوين قلب موحد درجة حرارة وخلط البلاطة.مع تزايد عدد أزواج البكرات ، اتسعت مساحة تدفق الفولاذ المصهور في المقطع العرضي ، وأدى التبادل الحراري القسري بين الفولاذ المنصهر المركزي ذو درجة الحرارة العالية والقشرة الصلبة إلى منطقة درجة حرارة منخفضة أكبر في وسط ساحل.وفقًا لنظرية التصلب ، تكون درجة الحرارة المنخفضة للفولاذ المنصهر المركزي أكثر ملاءمة لتكوين جزيئات النواة.شو وآخرون.أشار [19] إلى أن غسل الفولاذ المصهور مقابل جبهة التصلب قد يتسبب في \\"ذوبان \\" ذراع التغصنات لتوفير جزيئات نواة لتكوين بلورات متوازنة ، مما يؤدي في النهاية إلى زيادة نسبة البلورات المتوازنة المركزية للحبلة.

الشكل 10.توزيع درجة الحرارة وتدفقها على السطح المركزي الضيق للخيط مع (a) أزواج صفر ، (b) زوج واحد، (c) زوجان و (d) ثلاثة أزواج من البكرات.

يوضح الشكل 11 أ تباين الغلاف المتصلب في جانب البداية على طول اتجاه الصب في وسط الوجه الضيق للخيط بأعداد مختلفة من أزواج البكرات ، ويوضح الشكل 11 ب التغير في سمك الغلاف عند جانب الدفع على طول اتجاه الصب في وسط الوجه الضيق للخيط بأعداد مختلفة من أزواج البكرات.تعتبر جبهة التصلب الموقع الذي يكون فيه كسر الطور السائل 0.3.بالنسبة إلى أزواج صفرية وواحدة واثنين وثلاثة أزواج من البكرات ، كان سمك الغلاف المتصلب عند مخرج مجال الحساب 42.37 و 40.96 و 40.14 و 38.43 ملم على جانب البداية من EMF ، على التوالي ، و 42.37 ، 42.27 و 37.62 و 37.60 ملم على جانب الدفع من المجالات الكهرومغناطيسية ، على التوالي.يندفع التدفق عالي السرعة للفولاذ المنصهر إلى مقدمة التصلب ويقطع بعض البلورات العمودية ، مما يؤدي إلى النمو البطيء للقشرة الصلبة في منطقة التحريك.كان معدل التصلب على جانب الدفع الكهرومغناطيسي أقل بكثير من جانب البداية ، والذي يتطابق تقريبًا مع خصائص المجال المغناطيسي للموجة المتنقلة.

الشكل 11.توزيع سمك القشرة على الوجه المركزي الضيق للخيط على (a) بداية الجانب و (b) جانب الاتجاه.

3.3تم الحصول على تجارب بنية التصلب بواسطة IN-ROLL EMS

تم اختيار زوجين من البكرات لصب بلاطة الحديد النيكل Fe-17٪ Cr – 0.6 wt٪ في تجارب التحكم في هيكل التصلب بواسطة IN-ROLL EMS.كانت المنطقة شبه الصلبة في وسط البلاطة عند استخدام زوجين من البكرات أكبر مما كانت عليه عند استخدام زوج واحد من البكرات.على الرغم من أن المجالات الكهرومغناطيسية كانت أصغر مما كانت عليه عند استخدام ثلاثة أزواج ، فإن سرعة الغسيل لجبهة التصلب كانت أكبر بزوجين من ثلاثة أزواج ، وهو ما كان مفيدًا لتكوين بلورات متساوية في الشريط.بالإضافة إلى ذلك ، تكون تكلفة الأجهزة واستهلاك الطاقة أقل عند استخدام زوجين من البكرات.تمت مقارنة هياكل التصلب للبلاطة التي تم إنتاجها عند إيقاف تشغيل IN-ROLL EMS وتشغيله أثناء التجربة ، كما هو موضح في الشكل 12. عندما تم إيقاف تشغيل IN-ROLL EMS ، تم تطوير البنية الكلية للبلاطة بشكل أكبر في الكريستال العمودي ، والذي يرتبط بخصائص الحديد –17 بالوزن٪ Cr – 0.6٪ بالوزن من الفولاذ النيكل.أدى وجود محتوى من الكروم في الفولاذ أكبر من 16٪ إلى عملية تصلب بدونα→γعملية انتقال المرحلة ، مع الحفاظ على هيكل الفريت.بانغ وآخرون.[20] وجد أنه لا يوجد انتقال طوري لعرقلة تطور البلورات العمودية أثناء عملية نمو الحبوب.وبالتالي ، كان حجم الحبيبات خشنًا ، وكانت العناصر الكيميائية عرضة للفصل ، مما قد يؤثر بشكل خطير على جودة المنتج.عندما تم تشغيل IN-ROLL EMS بمعلمات كهرومغناطيسية تبلغ 400 أمبير و 7 هرتز ، تسبب المجال المغناطيسي المتولد عن المجال المغناطيسي لموجة السفر في تدفق الفولاذ المصهور بعنف وغسل الجزء الأمامي البلوري العمودي لتقليل تدرج درجة الحرارة في مقدمة التصلب ، مما يثبط نمو البلورات العمودية.في الوقت نفسه ، يمكن للتدفق عالي السرعة للفولاذ المنصهر أن يكسر ذراع التغصنات العمودي لتشكيل نوى حرة في المنطقة المركزية ذات درجة الحرارة المنخفضة.أخيرًا ، تمت زيادة النسبة البلورية المتوازنة المركزية للخيط إلى 69٪.

الشكل 12.المقطع العرضي لـ ال الهيكل الكلي المصبوب من حبلا (a) بدون IN-ROLL EMS و (b) مع زوجين من البكرات المستخدمة في IN-ROLL EMS (عند 400 أمبير و 7 هرتز).

4 - نتائج

هنا ، تم إنشاء نموذج اقتران مجزأ ثلاثي الأبعاد للسلوك الكهرومغناطيسي والتدفق ونقل الحرارة لصب بلاطة من الفولاذ المقاوم للصدأ.تم الكشف عن تأثيرات IN-ROLL EMS على توزيع المجال المغناطيسي وسلوك التصلب ، وتم تقديم المعلمات التقنية المثلى للتحكم في البنية الكلية المصبوبة للصلب Fe – 17٪ بالوزن Cr – 0.6٪ wt٪ Ni.الاستنتاجات الرئيسية هي على النحو التالي:

1. إن خصائص المجال المغناطيسي للموجة المتنقلة لـ IN-ROLL EMS في SCZ ستنتج أقصى EMF يقع على جانب البداية من حبلا البلاطة.لكل زوج إضافي من البكرات الكهرومغناطيسية ، يزيد متوسط ​​EMF في اتجاه الصب بمقدار 2969 نيوتن / متر³، ويزيد متوسط ​​EMF في القسم الأوسط من البكرات بمقدار 5600 نيوتن / متر³.

2. مع العدد المتزايد من أزواج بكرات التحريك ، يتم تكبير منطقة التحريك الفعالة للفولاذ المنصهر داخل الخيط بواسطة EMF ، وتزداد سرعة الفولاذ المصهور في مقدمة التصلب أولاً ثم تنخفض.سيقلل تأثير الغسل بالتدفق من القوة الكهرومغناطيسية القوية من معدل التصلب للقشرة المحلية ويسرع التبديد المحموم لمركز الفولاذ المصهور ، وهو أمر مفيد لتكوين بلورة متساوية.

3. إن استخدام زوجين من البكرات الكهرومغناطيسية عند 400 A و 7 Hz يمكن أن ينتج نسبة بلورية متساوية المحور تبلغ 69٪ في شريط الألواح 200 مم × 1280 مم ، مما يساعد على تحسين سلوك العمل الساخن.

لا يجوز استخدام هذه المقالة بأي شكل بما في ذلك النسخ أو التعديل بدون إذن كتابي من المؤلف الأصلي.