Numerical Simulations of Mould Electromagnetic Stirring for Round Bloom Strands

Abstract

For continuous casting of steel the flow inside the liquid core is important for the quality of the end product. Optimal velocities at the solidification front are desired to enhance a transition from columnar to equiaxed solidification. Other benefits are the reduction of inclusions and segregations. In-mould electromagnetic stirring (M-EMS) is a way to achieve these velocities. It is a widely used tool to modify the flow in round bloom strands and is used for most products at Voestalpine Stahl Donawitz. Because measurements at the plant are complicated and physical models are difficult or expensive to build, numerical simulations are nearly the only applicable way to gain insight in the flow in the liquid core of the strand. In this work the full coupling between flow field and magnetic field is considered. While the flow is calculated using a finite volume CFD-solver, the magnetic field is simulated with a finite element solver. The temperature distribution in the mould has a large impact on the shielding effect and hence modifies the magnetic flux density and Lorentz-force density inside the mould. The results will be compared with other (simpler) methods that are commonly used in the literature. Numerische Simulation des Kokillenrührens beim Rundstranggießen. Beim Stranggießen von Stahl hat die Strömung im flüssigen Kern einen großen Einfluss auf die Qualität des Endproduktes. Erwünscht sind Geschwindigkeiten an der Erstarrungsfront, die den Übergang von gerichteter zu globularer Erstarrung fördern. Weitere positive Auswirkungen sind die Reduktion von Einschlüssen und Seigerungen. Ein möglicher Weg um diese tangentialen Bewegungen zu realisieren ist das elektromagnetische Rühren in der Kokille. Es ist ein weit verbreitetes Werkzeug um die Strömung beim Rundstranggießen zu beeinflussen und wird für die Mehrzahl der Produkte bei Voestalpine Stahl Donawitz verwendet. Da Messungen im Stahlwerk kompliziert sind und der Aufbau physikalischer Modelle sehr schwer und/oder teuer ist, sind numerische Simulationen die nahezu einzige Möglichkeit, einen tieferen Einblick in die Stahlströmung zu erhalten. In dieser Arbeit wird die volle Kopplung zwischen Strömungsfeld und Magnetfeld berücksichtigt. Die Stahlströmung wird mit Hilfe eines auf Finiten Volumen basierenden Strömungssimulationsprogramms berechnet, wogegen das Magnetfeld mit der Methode der Finiten Elemente simuliert wird. Die Temperaturverteilung in der Kokille hat einen großen Einfluss auf die magnetische Abschirmwirkung der Kokille und ändert dadurch die magnetische Flussdichte und des Weiteren die Lorentz-Kräfte im Strang. Die Ergebnisse der gekoppelten Simulationen werden mit anderen (simpleren) Methoden, die oft in der Literatur Anwendung finden, verglichen.

Numerical Analysis of Coupled Turbulent Flow and Macroscopic Solidification in a Round Bloom Continuous Casting Mold with Electromagnetic Stirring

“…They also carried out a 3‐D coupled numerical simulation of electromagnetic field, fluid flow, and inclusion trajectory . Barna and Javurek et al performed a numerical comparison of full coupling and simplified coupling between fluid flow and electromagnetic field in round bloom continuous casting with M‐EMS. They also set up a model to compute the flow field and inclusion distribution inside the whole strand by using the analytical expression for the electromagnetic force deduced by Spitzer.…”

Angular Re‐Positioning of a Five Ported SEN versus EMS Braking to Stabilize Flows at the Upper Slag‐Liquid Steel Interface

“…Two different cases were selected to validate the current electromagnetic model used in this study. In electromagnetic simulations, the mold cavity was assumed to be occupied with air in case of compatibility with the measured conditions reported in the studies . The predicted electromagnetic flux densities were modeled using the same operational parameters to those reported in the literature …”

Numerical Simulation of Electromagnetic Field in Round Bloom Continuous Casting with Final Electromagnetic Stirring

“…Since F-EMS uses a sinusoidal current to generate a harmonic electromagnetic field, the magnetic flux density, electromagnetic force density and Joule heat power density change with time. However, at low current frequencies, both the shielding parameter and the interaction parameter are small, and it is feasible to use the time-averaged electromagnetic force density and Joule heat power density [15]. Hence, the time-averaged values of the two variables are calculated from Equations (7) and (8) in the post-processing to investigate the distribution characteristics [8]:…”