Первоисточник материала: Feature Article from JOM
ПЕРЕНОС И ЗАХВАТ ВКЛЮЧЕНИЙ В НЕПРЕРЫВНОЙ РАЗЛИВКЕ СТАЛИ
Quan Yuan and Brian G. Thomas
University of Illinois at Urbana-Champaign,
Department of Mechanical and Industrial Engineering,
1206 West Green Street, Urbana, IL USA, 61801
Ключевые слова: включения, сталь, моделирование, турбулентный поток, перенос, захват частичек
Аннотация
Захват включений, пузырьков, шлака и других частичек в застывших стальных слитках является критически важным моментом, влияющим на качество продукции. Выявление этих частичек требует дорогостоящей экспертизы, шлифования поверхности и приводит к браковке слитка. При их необнаружении, большие частички снижают усталостную долговечность, а захваченные пузырьки и группы включений приводят к появлению "жуков" (дефектов листового проката), пузырькам и другим поверхностным дефектам в готовом продукте. Во время непрерывного литья металла частички могут попадать в кристаллизатор с потоком стали, поступая через погружной стакан. К тому же, шлак в кристаллизатор может попадать с поверхности. Вычислительная модель была разработана для имитации переноса и захвата частиц из этих двух источников. Модель вначале вычисляет переходный процесс турбулентного потока в кристаллизаторе, используя масштабное моделирование турбулентного движения (Large Eddy Simulation (LES)) с sub-grid-scale (SGS) моделью. Далее перенос и захват более 30 000 частиц моделируется при помощи функции Лагранжа, приближённой к траектории их движения. Новый критерий был разработан для улавливания и захвата частиц у дендритной поверхности раздела и включает в себя модель переноса этих частиц. Частички меньшие, чем основной дендрит в граничном слое, улавливаются, если они находятся в этой области и соприкасаются с затвердевающей оболочкой. Более крупные частички улавливаются, только если они остаются неизменными во время образования вокруг них твёрдой корочки. Новые критерии моделей учитывают баланс 10 различных сил, влияющих на частички в граничном слое, включая гидродинамические силы (подъем, градиент давления, градиент напряжения и др.), поперечную силу сопротивления (вызванную движением через дендритную область), сила тяжести и силы действия на границу раздела (Van der Waals граничная сила, влекущая сила потока и поверхностный градиент удельной энергии потока). Критерий использовался для воспроизведения экспериментальных результатов в различных системах. Он применялся для прогнозирования вовлечения частиц шлака в фронт кристаллизации асплавленной стали.
Введение
Улавливание включений, пузырьков, шлака и других частиц во время затвердевания стальных заготовок критически-важнен для качества слитков. Наличие таких включений требует дорогостоящего контроля, поверхностной обработки и даже выбраковки готового изделия. Кроме того, если дефекты не обнаружены, большие частицы понижают предел усталости, в то время как улавленные пузырьки и группы включений вызывают различные поверхностные дефекты в прокате. В течение непрерывной разливки, частицы могут войти в кристаллизатор со сталью, текущей через погружной стакан. Кроме того, шлак в кристаллизаторе может быть удалён с поверхности. Фракция этих частиц, которые в конечном итоге оседают в затвердевающей корке, предварительно количественно не определена. Схема непрерывного процесса разливки стали изображена на рис. 1 [1], на рис. 2 крупным планом изображены моделируемые области погружного стакана и жидкой лунки кристаллизатора в верхней части заготовки. Сталь поступает из сталеразливочного ковша в промежуточный ковш, далее - в кристаллизатор через погружной стакан. Эти потоки расплавленной стали из погружного стакана через кристаллизатор попадают в затвердевающую оболочку узких граней слитка. Эти потоки вносят пузыри и частицы включений в кристаллизатор. Кроме того, интенсивный поток пересекая поверхностные слои металла может увлекать за собой капельки жидкого шлака в кристаллизаторе, таким образом они попадают в жидкую сталь [2]. Если поток стали переносит частицы к поверхности стали, они безопасно удаляются в жидкий слой шлака, и пока шлак не насыщен, поверхностные силы натяжения могут быть преодолены. Когда в потоке стали содержатся вредные примеси, частицы увлекаются в затвердевающую стальную оболочку слитка, они вызывают существенное снижение качества и дорогостоящий брак. Траектории и удаление включений зависят от их размера, что осложнено столкновениями и соединениями с пузырями. Частицы, уловленные около мениска, приводят к поверхностным дефектам и могут вызывать поверхностные трещины. Эта проблема ухудшена 1) интенсивными колебаниями в поверхностном слое и 2) частичным охлаждением мениска, чтобы сформировать "крюки", которые завлекают частицы прежде их попадания в жидкий шлак.
Рисунок 1 - Схема процесса непрерывной разливки стали
Рисунок 2 - Моделируемая область тонколистового слитка, включая погружной стакан промежуточного ковша
Частицы, уловленные в затвердевающем слое слитка [3, 4], приводят к внутренним трещинам, расколам и пузырькам в готовой продукции. Эти неустойчивые дефекты являются особенно дорогостоящими, потому что часто их можно обнаружить только после окончательного затвердевания слитка. Несомненно, большой толчок к пониманию, каким образом контролировать характер потока в кристаллизаторе, дал метод минимизации захвата частичек, влияющий на качество продукции. Как первый шаг, эта работа представляет собой новую вычислительную модель для моделирования переноса, захвата и уноса частиц в непрерывно-литом слитке, в соответствие с количеством этих явлений.
Описание модели
Вычислительная модель была разработана для моделирования переноса и захвата частиц, поступающих как с жидкой сталью из погружного стакана, так и из нижних слоёв шлака в кристаллизаторе. Модель сначала вычисляет переходный процесс турбулентного движения потока в кристаллизаторе, используя Large Eddy Simulation (LES) с sub-grid-scale (SGS) моделью. Затем, перенос и захват более чем 30 000 частиц моделируются, используя метод Лагранжа для определения траектории их движения. Захват частиц, которые соприкасаются с затвердевающей оболочкой слитка, происходит оценивая влияние сил на каждую частицу, находящуюся в жидком слое на границы роста дендритов.
Использование улавливания включений в непрерывной разливке
Модель была разработана для имитации процесса разливки стали, переноса частиц и их захвата в процессе непрерывного литья тонких стальных качественных заготовок со скоростью 1,5м/мин, с интенсивным водяным охлаждением. Моделирование этой области приведено на рис.2, включая 1,11 м выпускного отверстия погружного стакана и 2,40м верхней части заготовки. Не смотря на то, что стороны кристаллизатора прямые, область моделирования имеет вид кривой, согласно профилю затвердевающей оболочки.
Выводы
Расчёт Лагранжа по переносу частиц в процессе непрерывной разливки стали был выполнен на основании изменения скорости поля во времени и представлен в LES трёхмерным графиком потока жидкого металла.
Новый критерий захвата частиц был основан на соотношении важнейших сил, действующих на частицы, вблизи фронта кристаллизации и посредством моделирования раскрывает проблемы и практически воспроизводит захват частиц в фронте кристаллизации.
Этот критерий зависит от многих факторов, включая величину и концентрацию частиц, поперечный скоростной поток, концентрацию серы, скорость образования корочки слитка, основной характер расположения дендритов. Результаты показывают, что большинство включений, попадающих в кристаллизатор, улавливаются, особенно маленькие частицы. Модель позволяет получить новые решения по использованию средств и оборудования для представления и совершенствования процесса разливки, избегая захвата частиц.
Перечень ссылок
1. Thomas, B.G. Metal. & Material Trans. 2002;33B:795-812.
2. Emling, W.H., T.A. Waugaman, S.L. Feldbauer, A.W. Cramb. Subsurface Mold Slag Entrainment in Ultra-Low Carbon Steels. Steelmaking Conf. Proc., vol. 77. Chicago, IL: ISS, Warrendale, PA, 1994. p.371-379.
3. Sussman, R.C., M. Burns, X. Huang, B.G. Thomas. Inclusion Particle Behavior in a Continuous Slab Casting Mold. 10th Process Technology Conference Proc., vol. 10. Toronto, Canada, April 5-8, 1992: Iron and Steel Society, Warrendale, PA, p.291-304.
4. Thomas, B.G., A. Denissov, H. Bai. Behavior of Argon Bubbles during Continuous Casting of Steel. Steelmaking Conf. Proc., vol. 80. Chicago, IL: ISS, 1997. p.375-384.
5. Yuan, Q., B.G. Thomas, S.P. Vanka. Metal. & Material Trans. B. 2004;35B:685-702.
6. Yuan, Q. PhD Thesis, M&I Eng. Univ. of Illinois, Urbana, IL, 2004. pp.196.
7. Yuan, Q., B. Zhao, S.P. Vanka, B.G. Thomas. Steel Research International 2005;76:33-43.
8. Yuan, Q., B.G. Thomas, S.P. Vanka. Metal. & Material Trans. B. 2004;35B:703-714.
9. J-H.Jeong, N. Goldenfeld, J.A. Dantzig. Physical Review E 2001;64:1-14.
10. Mukai, K., W. Lin. Behavior of Non-metallic Inclusions and Bubbles in Front of Solidifying Interface of Liquid Iron. Tetsu-to-Hagane 1994;80:533-538.
11. Wilde, G., J.H. Perepezko. Materials Science & Engineering A 2000;283:25-37.
12. Yuan, Q., B.G. Thomas, S.P. Vanka. Turbulent Flow and Particle Motion in Continuous Slab-Casting Molds. ISSTech 2003 Process Technology Proceedings, vol. 86. Indianapolis, IN, Apr 27-30, 2003: ISS, Warrendale, PA, 2003. p.913-927.
13. Thomas, B.G., R. O'Malley, T. Shi, Y. Meng, D. Creech, D. Stone. Validation of Fluid Flow and Solidification Simulation of a Continuous Thin Slab Caster. MCWASP, vol. IX. Aachen, Germany, August 20-25, 2000: Aachen, Germany, p.769-776.
14. Zhang, L., B.G. Thomas, Kaike Cai, Jian Cui, L. Zhu. Inclusion Investigation during Clean Steel Production at Baosteel. ISSTech 2003 Steelmaking Conf. Proc., vol. 86. Indianapolis, IN, Apr. 27-30, 2003: ISS, Warrendale, PA, 2003. p.141-156.