脉冲磁场去除钢中Al_2O_3夹杂物的研究_罗坤坤.pdf

（）年 第 卷 第 期 收稿日期：基金项目：国家自然科学基金重点项目（）；科技部十三五重点研发计划（）；河北省重点研发计划（）作者简介：罗坤坤，男，硕士研究生，-：；通信作者 李莉娟，女，博士，副教授，主要从事外场下的材料加工研究，-：。本文引用格式：罗坤坤，李涛，李莉娟，等 脉冲磁场去除钢中 夹杂物的研究 重庆理工大学学报（自然科学），（）：，（），（）：（）脉冲磁场去除钢中 夹杂物的研究罗坤坤，李涛，李莉娟，刘海宁，翟启杰（上海大学 材料科学与工程学院，先进凝固技术中心，上海 ）摘要：为了探究脉冲磁场对钢中 夹杂物的去除效果，使用中频感应炉进行了熔炼实验。利用 多物理场软件对脉冲磁场作用下钢液流场和不同尺寸夹杂物的去除行为进行了数值模拟，将数值模拟与实验结果相结合，探讨了脉冲磁场作用对钢中 夹杂物的去除机制。实验发现，施加脉冲磁场处理后，钢中 夹杂物整体含量减少，小尺寸的 夹杂物数量百分比降低，大尺寸的 夹杂物数量百分比有所增加，表明施加脉冲磁场促进了 夹杂物的去除和碰撞长大。数值模拟结果表明，施加脉冲磁场处理时，钢液中形成上下双环流，促进了夹杂物的去除，且夹杂物尺寸越大，去除效率越高；同时，夹杂物大部分被分离至壁面，与实验观察结果一致。关键词：数值模拟；脉冲磁场；夹杂物；去除效率中图分类号：文献标识码：文章编号：（）引言钢中的非金属夹杂物是影响钢材质量和性能的重要因素之一，能够使钢的塑性、韧性和疲劳强度等力学性能严重降低 。采用物理外场去除钢液中的夹杂物一直以来都是研究热点，例如高频磁场 、行波磁场 、旋转磁场 、交变电流 及脉冲电流 等，并取得了一系列研究成果。然而，目前这些技术在工业生产中能够推广应用的较少，主要原因包括施加方式较为复杂、成本较高，以及要避免钢液的剧烈流动造成卷渣而影响去除效果等。因此，寻求更为高效的去除夹杂物手段仍然是冶金领域的重要课题。脉冲 磁 致 振 荡（，）凝固均质化技术可显著细化凝固组织、改善偏析 ，随着该技术在钢铁生产领域的成功应用，其对钢中夹杂物的去除效果也日益受到关注 。朱雷敏等 研究发现 技术可以在一定程度上改善连铸坯中的 夹杂物。等 利用冒口 技术研究了模铸中铸坯内的夹杂物分布，发现在钢液流动的影响下，夹杂物向铸坯中心和冒口聚集。技术在应用过程中以脉冲磁场作用于钢液，由此产生强制对流 ，从而提高夹杂物的去除效果，且钢液波动较小，不易造成卷渣，该技术有望成为一种高效去除夹杂物的新手段。因此，摸清楚脉冲磁场作用下钢液中夹杂物的运动行为至关重要，而目前此类研究较少。以往有关电磁场去除夹杂物的研究大多使用 -合金或熔融铝进行 ，直接使用钢进行研究可以更接近实际情况。等 采用在钢液中制造 夹杂物的方法进行了高频磁场去除夹杂物的研究，结果表明，夹杂物能够在高频磁场作用下分离至坩埚壁面。夹杂物是常见的典型氧化物夹杂，对钢材的危害极大，是使用铝脱氧时的脱氧产物 ，在实验过程中可轻易获得。同时，夹杂物熔点较高，在钢液中具有不润湿性，能够自由运动、上浮和碰撞聚合 ，可作为研究钢液中夹杂物去除行为的良好研究对象。综上所述，本课题组基于 技术的应用，选择 夹杂物作为研究对象，通过实验研究了脉冲磁场对钢中 夹杂物的去除效果。同时利用 多物理场模拟软件，建立了相应的数学模型进行求解，讨论了在脉冲磁场作用下钢液中夹杂物的运动行为及去除。实验方法 实验过程使用中频感应熔炼炉（见图）进行次熔炼，分别为未施加与施加脉冲磁场进行处理 种情况。选取某钢厂同一批次生产的 轴承钢坯料作为熔炼原料，其连铸生产中化学成分控制范围如表 所示。在熔炼时，首先将原料打磨干净放入坩埚（氧化镁坩埚）中，使用中频电源进行加热，待原料完全熔化后，向钢液中加入定量纯铝进行脱氧，使钢液中产生 夹杂物。然后在钢液表面覆盖渣层，用于吸附上浮的夹杂物。施加脉冲磁场处理时，在覆盖渣层后将中频电源切换至脉冲磁场电源，经感应线圈产生脉冲磁场对钢液进行处理，处理时间为 ，而后关闭电源，待钢液凝固冷却后，取出钢锭并进行取样表征。未施加脉冲磁场处理时，在覆盖渣层后即关闭电源，待钢液凝固冷却后，取出钢锭并在相同位置进行取样表征。图 中频感应炉表 轴承钢化学成分 实验过程中所使用的脉冲磁场电源为 电源，使用 电源产生特殊的脉冲磁场对钢液进行处理。电源输出的电流波形示意图如图所示。图 中 为电流峰值，为脉宽，为电流频率，实验中 由实验设备的元件组合确定，电流峰值和 频 率 设 置 为 ，其中、为相关常数。图 电流波形示意图 表征方法为探究脉冲磁场对钢中 夹杂物的去除效果，在钢锭的不同位置处进行取样表征。图 为取样位置示意图，从钢锭的中心纵截面进行取样，分别在心部和边缘位置从上部、中间以及下部各取 个样品。将样品磨抛至镜面，采用扫描电子显微镜（，）观察夹杂物的形态，并结合能谱仪（，）对夹杂物的成分进行分析。在 倍视场下，每个样品连续拍摄 个视场，单个视场面积为 ，然后对 个视场中的 夹杂物数量、尺寸及面积进行统计分析，每个样品统计的总面积约为 。在上述相同位置处，对 次熔炼的钢锭分别取出尺寸为 的样品，使用氧氮氢分析仪测量全氧含量。图 取样位置示意图（）数值模拟数值模拟过程使用 多物理场模拟软件进行，使用软件中“磁场”、“湍流”及“粒子追踪”模块分别对脉冲磁场、钢液流场和夹杂物运动进行建模求解。几何模型及网格划分图 为中频感应熔炼炉的线圈，包含坩埚和炉衬，根据线圈及坩埚几何形状，选取线圈的中心纵截面采用二维轴对称法建立几何模型，如图 （）所示。模型主要分为 个域，即线圈、钢液和外层空气，模型参数如表 所示。模型竖直方向为 分量，水平方向为 分量，对称轴为 。根据不同的几何对象，对不同域进行不同密集度的网格划分，钢液域所需计算精度最高，网格进行最密集划分，如图 （）所示。网格总单元数为 ，平均单元质量为 。图 线圈与坩埚图 几何模型及网格划分表 模型参数名称参数线圈直径 线圈高度 钢液半径 钢液高度 空气域半径 线圈电导率（）空气电导率（）钢液电导率（）线圈相对磁导率钢液相对磁导率空气相对磁导率钢液动力粘度（）钢液密度（）基本假设与边界条件针对实际的熔炼情况，考虑到钢液温度变化罗坤坤，等：脉冲磁场去除钢中 夹杂物的研究与夹杂物运动的复杂性，仅作流场对夹杂物的影响的分析，不考虑温度的影响。在进行数值计算时，作出以下合理假设：）忽略钢液表面波动对流动的影响；）钢液流动为粘性不可压缩的稳态流动；）只考虑电磁场对钢液流动的影响，忽略钢液流动对电磁场分布的影响；）线圈周围为开放性磁场，建立模型外侧有限空间空气域；）夹杂物是很小的球体，其密度和直径在运动过程中保持不变，忽略其对钢液流动的影响。钢液及线圈模型外建立空气层，磁场的边界条件定义在空气层表面，磁力线与空气层外表面平行。钢液表面设置为自由液面，壁面为无滑移面，选取钢液表面一点定义为压力零点。夹杂物随机离散分布在钢液内，钢液表面覆盖渣层，定义夹杂物到达钢液表面或壁面处即被吸附。磁场及流场控制方程磁场依据麦克斯韦方程组进行解析，如下所示：（）（）（）（）式中：为磁场强度（）；为感应电流密度（）；为位移电流（）；为时间（）；为电场强度（）；磁感应强度（）；为电荷密度（）。洛伦兹力表示为：（）流场的连续性方程为：（）式中：为钢液的密度（）；为钢液速度矢量（）。脉冲磁场作用下，钢液流动由洛伦兹力驱动，将洛伦兹力作为源项加入动量方程，表示为：（）（）（）式中：为压力（）；为钢液动力粘度（）；为湍流粘度（）；为钢液重力（）。可以用 -湍流模型来计算，如下所示：（）()（）（）()（）（）式中：为湍流动能（）；为湍流耗散率（）；和 为 和 对应的普朗特常数；，为速度梯度和浮力产生的湍流动能（）；、为常数，、。夹杂物运动夹杂物的运动过程以拉格朗日形式进行描述，将夹杂物简化为球形，在模拟中当作独立的实体，并且非连续分布，通过牛顿运动定律求解常微分方程来计算夹杂物运动轨迹。夹杂物的受力平衡微分方程为：（）（）（）()（）式中：为夹杂物质量（）；为夹杂物运动速度（）；为夹杂物密度（）；重力加速度（）；为夹杂物直径（）；为曳力相关系数；为雷诺数。第 项是夹杂物重力与浮力合力，第项是曳力，第项是虚拟质量力，第项是压力梯度力，第 项是电磁斥力。求解方法脉冲磁场的求解采用 软件中“磁场”模块进行，设置模型中线圈为均匀多匝，定义脉冲电流波形（如图 所示），向线圈中输入脉冲电流以产生脉冲磁场。在计算过程中，电流参数与熔炼实验一致。在感应电磁场的作用下，钢液内产生感应电流，感应电流与脉冲磁场作用产生洛伦兹力驱动钢液流动。钢液流场的计算采用“湍流”模块进行，选用标准 -模型计算钢液流动。由于数值模拟不考虑钢液流动对电磁场的影响，因此采用单向耦合方法进行求解，即首先计算单个周期的电磁场，然后将计算所得洛伦兹力作为体积力循环代入流场的求解过程。夹杂物运动的求解采用“粒子追踪”模块进行，设置夹杂物密度为 ，将一定数量的夹杂物随机释放到钢液内部。求解过程中，以电磁场和流场计算所得解对“粒子追踪”作单向耦合，在每个时间步长，计算当前所在位置上夹杂物所受作用力和运动状态。计算后更新夹杂物的位置，重复这个过程，直到达到了模拟指定的结束时间，得到夹杂物在钢液内的运动过程。实验结果与讨论图 为未施加与施加脉冲处理的钢锭中平均全氧含量对比。未施加脉冲磁场处理的钢锭中平均全氧含量约为 ，而施加脉冲磁场处理的钢锭中平均氧含量约为 ，降低了约 。钢中全氧含量的高低可以反映出钢的洁净度 ，所以施加脉冲磁场处理后，钢的洁净度有所增加，含氧夹杂物的整体含量减少。图 钢锭的平均全氧含量图 为未施加与施加脉冲磁场处理的钢锭中单位面积内 夹杂物的数量和面积。可以看出，未施加脉冲磁场处理的钢锭中单位面积内夹杂物数量为 个，面积为 ，施加脉冲磁场处理后，钢锭中 夹杂物整体数量减少，单位面积内夹杂物数量为 个，且面积降低至 。相比较来看，施加脉冲磁场处理后，钢锭中单位面积内夹杂物数量减少了约 ，面积仅降低了约 。大尺寸的夹杂物在单位面积内所占面积更大，说明夹杂物的尺寸增大，导致了单位面积内夹杂物的数量减少幅度大于面积降低的幅度。脉冲磁场处理时，能够使钢液产生强制对流 ，钢液的流动能够促进小尺寸的夹杂物在钢液中发生碰撞聚合，成为大尺寸夹杂物，从而更利于去除。图 为施加脉冲磁场处理的钢锭中聚集状的 夹杂物。图 钢锭中单位面积内 夹杂物数量和面积图 脉冲磁场处理的钢锭中聚集状的 夹杂物图 为未施加与施加脉冲磁场处理的钢锭中 夹杂物的尺寸分布。经脉冲磁场处理后，钢锭中 的较小尺寸夹杂物仅占 ，而未施加脉冲磁场处理的钢锭中，的夹杂物占 。此外，和 的夹杂物数量百分比分别增加至 和 ，的夹杂物数量百分比增加最为明显，从 增加至 ，大于 的大尺寸夹杂物数量百分比也从 增加至 。这进一步表明施加脉冲磁场处理后，钢中较大尺寸的 夹杂物增多，而小尺寸夹杂物大幅减少，与上述结果一致。罗坤坤，等：脉冲磁场去除钢中 夹杂物的研究图 钢锭中 夹杂物尺寸分布 模拟结果与讨论为探究脉冲磁场作用下钢液中夹杂物的去除以及尺寸对夹杂物去除的影响，根据熔炼实验建立相应数值模型进行求解。以下内容将对数值模拟结果进行讨论，并结合实验结果，对脉冲磁场作用下钢液中 夹杂物的去除机制进行探讨。洛伦兹力分布与流场分布图 和图 分别为一个脉宽作用期间钢液内部的洛伦兹力分布规律和施加脉冲磁场时钢液内部的流场分布。该结果与徐燕祎 的研究描述一致，且准确性已获得实验验证。由于线圈的激励电流为周期变化的脉冲电流，且仅脉宽作用期间内进行放电，因此仅计算一个周期内产生的洛伦兹力，并对单个脉宽作用期间进行分析。如图 所示，由于钢液内部的磁场方向主要沿竖直方向，与感应电流相互作用时，使得产生的洛伦兹力主要沿水平方向。在一个脉宽作用期间，洛伦兹力方向与大小随时间变化：在作用初期，洛伦兹力由壁面指向钢液内部，随后洛伦兹力反向，由钢液内部指向钢液边缘；在 时，在靠近壁面的钢液表面和底部位置处，分别出现向下旋转和向上旋转的洛伦兹力，并持续增大，而钢液内部洛伦兹力逐渐减小，最终洛伦兹力方向再次由壁面指向钢液内部；在作用末期，洛伦兹力方向与 时相似，但大小相对较小。在洛伦兹力的作用下，钢液产生强制对流。图 为钢液内部流场分布云图和流速矢量图。从图 （）可以看出，钢液内部不同位置的流速差异较大，上半部分流速整体上小于下半部分。从图 （）可以看出，钢液中形成方向相反的上下双环流，在洛伦兹力的作用下，钢液由中间从壁面流向心部，在心部位置，与对面钢液相互冲撞，再分别流向液面和底部，液面和底部的钢液在壁面处再向钢液中部流动。图 为钢液平均流速变化曲线，可以看出随着脉冲磁场的作用，钢液平均流速先增大后减小，大约在 时，趋于稳定波动。图 一个脉宽作用期间钢液内部的洛伦兹力分布规律图 钢液内部流场分布云图和流速矢量图 不同尺寸夹杂物的去除行为根据图 中 夹杂物的尺寸分布，选取 、种尺寸的夹杂物进行数值模拟，探究脉冲磁场作用下尺寸对夹杂物去除的影响。图 为脉冲磁场作用下钢液中 、的夹杂物在不同时刻的位置分布。在钢液上下双环流（见图 ）的作用下，夹杂物主要表现为随钢液内部的环流进行运动，随着脉冲磁场作用时间延长，环流外围的夹杂物优先被去除，而环流中心的夹杂物则在钢液中滞留时间较长，且尺寸越小，滞留数量越多。这主要是由于环流外围钢液流速较大，夹杂物在曳力及其他力的作用下，运动速度较快，对环流的跟随性较好。在跟随环流运动时，处于环流外围的夹杂物更容易被带至壁面与渣层形成吸附。此外，随着夹杂物尺寸由 增加至 ，夹杂物被钢液表面渣层吸附的数量也逐渐增多。其主要原因是：随着尺寸增大，夹杂物自身浮力增大，使其更容易挣脱曳力束缚上浮至钢液表面。图 钢液平均流速变化曲线（）（）；（）（）；（）（）。图 脉冲磁场作用下钢液中不同尺寸的夹杂物在不同时刻的位置分布由图 可知，在脉冲磁场作用下，种尺寸的夹杂物大部分都是运动至壁面被吸附，而被壁面吸附的位置主要有 个，一个是在侧壁面上部靠近钢液表面的位置，另一个是在底部和底部弧形段的位置。根据图 钢液内部的流场分布可知，在脉冲磁场作用时，在这 个位置附近的钢液流向壁面，且流速较大，向壁面进行冲刷，从而导致随钢液流动的夹杂物被拖曳至壁面被吸附。在侧壁面中间位置处，上下环流的钢液流向心部，在钢液拖曳的作用下，夹杂物被带离壁面，不易在此处被壁面吸附。如图 所示，在施加脉冲磁场处理的钢锭相应位置进行取样观察，（）（）为（）中 、位置处的扫描电镜图（衬度明亮的部分为样品基体，衬度较暗的部分为样品外，基体中呈颗粒状聚集的部分为 夹杂物）。可以观察到在钢锭靠近壁面附近存在大量 夹杂物聚集，而样品内部基体上夹杂物数量较少，与上述模拟结果一致。在未施加脉冲磁场处理的钢锭对应位置进行取样观察，如图 所示（）（）中衬度明亮的部分为样品基体，衬度较暗的部分为样品外，基体中呈颗粒状聚集的部分为 夹杂物）。可以看出，在壁面附近聚集的 夹杂物数量则较少。图 施加脉冲磁场处理的钢锭中壁面附近的 夹杂物罗坤坤，等：脉冲磁场去除钢中 夹杂物的研究图 未施加脉冲磁场处理的钢锭中壁面附近的 夹杂物此外，从图 中还可以看出，在脉冲磁场作用相同时间内，夹杂物尺寸越小，在钢液中的剩余数量越多。对被钢液表面和壁面吸附的夹杂物进行统计，可以得到钢液内部剩余夹杂物的数量变化，如图 所示。为保证计算结果的可靠性，分别向钢液内部释放了 个不同尺寸的夹杂物，并计算了 。经计算，在第 时，、的夹杂物的去 除 率 可 分 别 达 到 约 .、和 。图 脉冲磁场作用下钢液中剩余夹杂物的数量变化曲线从图 可以看出，在处理前期，钢液中剩余夹杂物数量减少较快，随着处理时间延长，去除速率逐渐降低。这主要是由于夹杂物被随机投放在钢液内部，处于环流外围和靠近壁面的夹杂物在环流的作用下，会迅速被冲刷至壁面，导致处理前期钢液中夹杂物数量减少较快。随后环流内部的夹杂物在流场作用下逐渐迁移至环流外围，而距离环流中心越近的夹杂物所需的迁移时间越长，所以随着时间延长，夹杂物去除速率逐渐降低。此外，随着尺寸的减小，夹杂物去除速率也相对减小，大尺寸夹杂物的去除效率更高。在静置钢液中，夹杂物仅靠浮力上浮，移动速度较慢，较小尺寸的夹杂物很难上浮，而在脉冲磁场的作用下，流场中的夹杂物运动速度增加，不仅提升了夹杂物的去除效率，还能够增加夹杂物的碰撞几率。脉冲磁场作用下 夹杂物去除机制探讨由实验结果可知，未施加脉冲磁场处理的钢锭中，小尺寸的 夹杂物数量较多，而施加脉冲磁场处理后，钢锭中较大尺寸的 夹杂物数量则较多，小尺寸的 夹杂物却大幅减少。夹杂物在钢液中会通过布朗碰撞、斯托克斯碰撞和湍流碰撞等方式聚合长大。相关研究 表明，加入 脱氧后，夹杂物在成长至大于 后，其聚合长大行为主要受湍流碰撞影响，使得聚集状的 夹杂物其特征尺寸通常只有数个微米（见图 ）。因此，钢中大尺寸的 夹杂物主要是由小尺寸的 夹杂物碰撞聚合产生的。显然，在施加脉冲磁场处理时，促进了钢液中 夹杂物的碰撞聚合，从而出现上述实验结果。根据数值模拟结果可知，脉冲磁场作用下，夹杂物尺寸越大，去除效率越高，在相同时间内，大尺寸夹杂物应该会更容易被率先去除。然而在实验中却发现，处理后的钢锭中较大尺寸的 夹杂物数量更多。显然，这部分较大尺寸的 夹杂物应该是由去除效率较低的小尺寸 夹杂物之间的碰撞聚合再次产生的。这也导致在实验中施加脉冲磁场处理后，钢锭中 夹杂物整体含量减少，较大尺寸的 夹杂物数量增加，而小尺寸的 夹杂物大幅减少。综上所述，在脉冲磁场作用下，增大了钢液中 夹杂物的去除效率，使得钢中夹杂物的整体含量降低。夹杂物在去除过程中，较大尺寸的去除效率较高，会率先被去除，而在钢液中滞留的小尺寸夹杂物通过碰撞聚合，长大为新的大尺寸夹杂物。同时，在脉冲磁场作用时，夹杂物均以被钢液流场分离至壁面去除为主，只有较少部分的夹杂物能上浮至钢液表面被渣层吸附，且夹杂物尺寸越大越容易上浮。结论）通过实验发现，施加脉冲磁场处理后，钢锭的平均全氧含量降低了约 ，夹杂物单位面积内数量和面积均有所降低。同时，小尺寸的 夹杂物数量百分比减少，较大尺寸的 夹杂物数量百分比增加，表明施加脉冲磁场处理可以有效去除钢中的 夹杂物，同时促进小尺寸夹杂物的聚合长大。）数值模拟结果表明，在施加脉冲磁场时，钢液中形成稳定的上下双环流，钢液中的夹杂物主要随环流运动，以被钢液流场分离至壁面去除为主，且尺寸越大的夹杂物，去除效率越高。）施加脉冲磁场处理时，钢液中率先形成的大尺寸夹杂物被去除，钢液中的双环流促进了滞留的小尺寸夹杂物聚集长大，从而使得钢锭中 夹杂物的整体含量降低，尺寸却有所增加。因此，适当延长脉冲磁场的处理时间，可以有效提高夹杂物的去除效果。参考文献：，-，：，-：，：郭帅，朱航宇，韩赟，等 夹杂物对钢塑性和韧性的影响研究进展 钢铁研究学报，（）：，-，（）：钟云波 电磁力场作用下液态金属中非金属颗粒迁移规律及其应用研究 上海：上海大学，于少君 旋转磁场作用下铝熔体中夹杂物运动行为研究 大连：大连理工大学，张邦文，任忠鸣，钟云波，等 金属液单电流电磁净化的理论分析 包头钢铁学院学报，（）：张新房，闫龙格 脉冲电流调控金属熔体中的非金属夹杂物 金属学报，（）：张云虎，仲红刚，翟启杰 脉冲电磁场凝固组织细化和均质化技术研究与应用进展 钢铁研究学报，（）：，-（），（）：朱雷敏，李莉娟，罗坤坤，等 对 轴承钢连铸坯中 夹杂物的影响 中国冶金，（）：，（）：赵静，秦红星，刘国超，等 脉冲参数对钢液内电磁场和流场分布的影响 上海金属，（）：，-，（）：，-，（）：张立峰 钢中非金属夹杂物 北京：冶金工业出版社，：沈昶，郑福舟，陈洁，等 钢中 夹杂物生成、聚集原位观察 钢铁钒钛，（）：，徐燕祎 在圆坯连铸二冷区中的电磁效应 上海：上海大学，罗坤坤，等：脉冲磁场去除钢中 夹杂物的研究 ，（，）：，-，-，-，：；（责任编辑周媛媛）