冶金行业板坯连铸结晶器电磁控流技术

板坯连铸结晶器电磁控流技术2•随着连铸技术的发展和连铸比的提高，高质量铸坯和高生产率已成为当今板坯连铸技术追求的目标。尤其是汽车、家用电器、造船、管线、建筑等用钢量较大的用户，都要求加工性能好的高质量板材的稳定供应。为满足这一要求，近年来连铸技术的发展要求获得各种稳定浇注生产率的高质量板坯的技术，特别致力于减少表面和内部缺陷来生产高质量的最终产品。•从1980年代起，以实现高生产率的技术为背景，已意识到结晶器内钢水流动控制技术，对实现连铸机的高质量板坯和高生产率具有重大影响。为此从1980年开始，各国都强化努力发展各种板坯连铸结晶器电磁控流技术。•目前处于实用的结晶器电磁控流技术大致可以分成两类：一类是利用行波磁场（AC型）强化钢水流动的“搅拌效应”如MEMS和EMLA/EMLS；另一类是利用恒定磁场（DC型）制动流股使其减速的“制动效应”如EMBr、LMF、FCMold。前者着眼于控制板坯的表面和皮下质量。后者着眼控制板坯内部质量。2019/8/1721、前言用心铸造世界2019/8/173用心铸造世界2019/8/1732、板坯连铸结晶器钢水流动控制的重要性用心铸造世界图1板坯结晶器内钢水流动现象2.1当今板坯连铸结晶器内钢水流动的主要问题：图1表示板坯结晶器内钢水流动现象。由图可见①从SEN侧孔吐出的流股带着气泡和夹杂物高速冲击窄面，使坯壳重熔，甚至造成漏钢、表面和皮下裂纹。②沿窄面的凝固面前沿向上反转流股使窄面附近的弯月面拱起，引起弯月面波动加剧，导致保护渣卷吸而被初生坯壳的凝固钩捕获，形成表面和皮下夹杂；波动的传播导致保护渣铺展不匀，易产生，表面和皮下裂纹。③向下流股侵入液相穴深处，由于注速高，流股速度超过流股下方液相穴中气泡和夹杂物的上浮速度，这些夹杂物和气泡的上浮被高速流股所阻断，使气泡和夹杂物不能上浮，而在板坯内弧的1/4夹杂带偏聚。•图2表示结晶器内流动控制的基本现象及其控制概念。2019/8/1742、板坯连铸结晶器钢水流动控制的重要性用心铸造世界基本现象影响因素控制概念保护渣型夹杂物的产生弯月面下的流速和弯月面的稳定性等。限制流速的最大值夹杂物和Ar气泡的卷吸弯月面下的流速等行波磁场的水平电磁搅拌夹杂物和Ar气泡的侵入向下流速和偏流恒定磁场的电磁制动图2结晶器内流动控制的基本现象和控制概念•板坯结晶器内钢水流动控制的主要目的是：•①控制弯月面下的水平流速和增加凝固前沿的钢水流速，减少表面和皮下的夹杂物和气泡。最佳弯月面下的流速为0.12-0.2m/s，而最佳凝固前沿的流速为0.20～0.40m/s。•②借助结晶器内的流动控制，提高弯月面附近的温度并使结晶器内温度分布均匀化，使初始凝固和弯月面处凝固起始点降低，缩短凝固钩长度，使坯壳生长均匀，减少表面裂纹和稳定操作。•③结晶器内的流动控制，减轻了结晶器振动引起的初生坯壳端部附近流动的变化，这些流动的微小变化易使气泡和夹杂物被凝固钩捕获；•④在结晶器SEN内，在浇铸过程的多数场合需要吹入Ar气，防止SEN被氧化铝阻塞，因而，夹杂物、卷入的熔融保护渣和Ar气泡受弯月面下流速和SEN吐出的流速所左右，成为种种内部和表面缺陷的重要原因；•⑤由于结晶器宽度尺寸的变化而产生的流动的变动也是发生大的缺陷的主要原因。例如由于向SEN内吹Ar气，使SEN两侧的流速有大的振荡即偏流；由于SEN底部形状使从SEN中的吐出流在时间上也有大的振荡，因此不仅要求平均流速而且其随时间的变动都要适当。2019/8/1752.2结晶器内钢水流动控制的目的用心铸造世界•简单地说，从SEN吐出的流股以较高的速度冲向结晶器窄面，碰到窄面的坯壳后，产生向上反转流动和窄面附近弯月面的拱起，前者造成弯月面下钢水的较高流速，后者产生弯月面的驻波，从结晶器边缘向中心传播，这些都引起弯月面处的波动和液面位置的变化，当拉速增加时，弯月面处的流动加剧，弯月面波动也随之加大。•借助水模试验和流动的动量平衡，导出SEN吐出的流股速度、弯月面下流速和弯月面波高与F值的关系，见图3。2019/8/1762.3结晶器内弯月面波动控制的准数用心铸造世界图3板坯结晶器内钢水流动判据（F值）•由图3可见，测定流般的冲击角度及其冲击深度，可以根据下式定义的弯月面波动指数•F=（1）•由图4可见，当F值太大时，弯月面下流速和弯月面波动也大，容易发生卷渣，当F值太小时，悬浮在结晶器内钢水中的非金属夹杂物如保护渣和脱氧产物，很容易被凝固面前沿捕获，这就是F值位于优化区域外会增加铸坯的夹杂物缺陷的原因。2019/8/177用心铸造世界DQV4)sin1(图4冷轧板卷表面缺陷频率和F值的关系•3.1主要模式•从1980年代初起，对利用电磁力的非接触控制技术进行了广泛深入的研究开发并实用化，其中有代表性的是：•①1981年新日铁（NSC）的基于双边行波磁场的结晶器电磁搅拌技术，见图5。至1999年，新日铁几乎所有板坯连铸机配备了MEMS。我国宝钢、神户钢厂和台湾中钢公司等也都引进了新日铁的MEMS。2019/8/1783、结晶器内钢水流动控制技术的主要模式用心铸造世界图5板坯结晶器电磁搅拌技术•②1982年由川崎制钢（KSC）和ASEA（ABB）基于直流磁场的结晶器电磁制动技术。该技术先后开发了三种类型：局部区域磁场（EMBr）、全幅一段磁场（LMF）、全幅二段磁场（FCmold—Flowcontrolmold），见图6。2019/8/179用心铸造世界图6板坯结晶器电磁mjjhuuhjhjhj制动构形示意图•③1991年由日本钢管（NKK）基于四个行波磁场的流动控制技术，即可以加速的电磁水平加速器（EMLA），或减速的电磁水平稳定器（EMLS）。21世纪初，由NKK和Rotelec在上述基础上开发的多模式电磁搅拌技术MM—EMS(MultModeEMS)即EMLS、EMLA和EMRS等，见图7。2019/8/1710用心铸造世界图7板坯结晶器多模式电磁控流技术•三种电磁流动控制技术的主要特点见表1。•表1各种流动控制技术的重要特点第四级2019/8/17113.2三种电磁流动控制技术的主要特点用心铸造世界MEMSEMBrMM-EMS搅拌器配置方式沿板坯宽面配置两台搅拌器沿板坯宽面配置两台制动器沿板坯宽面配置四台搅拌器安装位置介于弯月面和水口侧孔之间水口侧孔吐出的流股主流处结晶器半高处磁场形态行波磁场恒定直流磁场行波磁场电源低频、三相直流低频、两相流动形态加速钢水使其水平旋转制动从侧孔吐出的流股，使其减速可使钢水加速或减速或水平旋转控制特征能动控制被动控制能动控制对结晶器要求低电导率的薄铜板常规铜板低电导率薄铜板主要应用范围中厚板、低拉速薄板坯、高拉速中厚板坯、高拉速•4.1MEMS的流场和电磁力和流动特征•4.1.1电磁力的产生•当电磁搅拌器馈给多相（两相或三相）交流电时，就在其中激发向一个方向行进的行波磁场，该磁场不仅有一定的运动速度和强度，而且还有方向的交替变化。当它渗透到钢水中就会在其中产生感应电流，该感应电流与当地磁场相互作用，就在钢水中产生电磁力：•（2）•电磁力是体积力，作用在钢水的每个体积元上，从而推动钢水运动。•其电磁力的特征是：•①电磁力的方向始终与行波磁场方向相一致；也与钢水运动方向相一致；•②即使钢水的流速，仍然有电磁力作用在钢水中，仍然可以借助电磁搅拌控制钢水的流动，因此，MEMS具有主动控制的特征。2019/8/17124、板坯连铸结晶器电磁搅拌（MEMS）技术用心铸造世界BBVsVBJF])[(BBVsVBJF])[(•4.1.2水平旋转搅拌的电磁力旋涡和流动特征•①在两个宽面即F（固定）面和L（可动）面上配置一对行波磁场搅拌器，其行波磁场方向相反，因而流动方向也相反，使钢水形成一个大环流，故称水平旋转搅拌，见图8，在不同的板宽和拉速下，其流动的形貌是相似的，无论在高拉速或低拉速下，沿宽面的流动是均匀的。2019/8/1713用心铸造世界图8水平旋转搅拌的流动形貌•②由于F和L面的行波磁场方向相反，两者作用的结果，在钢水内部的磁场分布在局部地方场强为零，其数目与搅拌器线圈的极数相同。由于局部地方场强为零，电磁力也为零，从而导致钢水内电磁力旋涡的出现，见图9。这是水平旋转搅拌的一个特征。•③尽管电磁力呈现旋涡分布，但钢水表面的流速分布几乎接近水平旋转而没有出现旋涡，这是由于流体的连续性和惯性效应掩盖了电磁力旋涡的结果。2019/8/1714用心铸造世界图9水平旋转搅拌的电磁力旋涡•4.1.3在结晶器内钢水搅拌流动的洗净效果•①清洗非金属夹杂物•图10显示结晶器内钢水搅拌流动的洗净作用而使铸坯净化的过程：•●由行波磁场驱动的钢水的搅拌流动洗涤被枝晶间捕获的非金属夹杂物并防止它们被初始凝固钩捕获。•●被清洗出的非金属夹杂物向中心集中，彼此碰撞而聚集并向弯月面上浮。•●上浮到弯月面的非金属夹杂物被融熔保护渣捕获，从而从板坯中去除。•②结晶器中钢水温度均匀化和坯壳均匀化•由于钢水流动也可使结晶器内温度分布均匀，减少初期凝固壳厚度的偏差，从而使初生坯壳的变形因局部凝固迟后而减轻，起到防止铸坯纵向裂纹的作用。2019/8/1715用心铸造世界4.2.1MEMS的冶金机理图11表明了弯月面处电磁搅拌的冶金机理，及其对板坯质量的影响和成本优势之间的关系。4.2MEMS的冶金机理和效果•4.2.2MEMS对铸坯质量的影响4.2.2.1提高表面和皮下清洁度(1)MEMS对不同浇铸期铸坯表面洁净度的影响图12是有和无MEMS时不同浇铸期的铸坯表面洁净度。(2)凝固前沿平均流速对铸坯皮下洁净度的影响图13凝固前沿钢水流速对皮下洁净度的影响MEMS的目的之一是借助增加凝固前沿附近的流速来控制皮下洁净度，为使这种控制最佳化，需要了解必要的流速和表面洁净度之间的关系。由图13可见，凝固前沿的钢水流速增加被捕获的夹杂物数量减少，即使钢水内含有外来夹杂物或卷吸的保护渣。图12MEMS对不同浇铸期铸坯表面洁净度的影响图14表示有和无MEMS的板坯内部夹杂物数量的直方图。由图可见，采用MEMS后，氧化铝簇数量减少不多，而球形夹杂物有明显减少，这是因为钢水流动引起球形夹杂物的结团和聚合比氧化铝簇更容易些。因为球形夹杂物是夹杂物的实质部分，因此夹杂物数量总体上明显减少。图14MEMS对Si沸腾中碳钢夹杂物数量的影响（3）MEMS对铸坯内部洁净度的影响•图15表示两个不同拉速下，MEMS铸坯表面层中针孔缺陷的影响。由图可见，使用MEMS后针孔缺陷的数量大大减少，沿铸坯宽度方向上针孔缺陷分布均匀且稳定在一个较低水平。2019/8/1719（4）MEMS对铸坯气泡减少的效果用心铸造世界图15在不同拉速下，MEMS对针孔分布的影响•近几年来，连铸技术的研究表明，初期凝固在很大程度上影响铸坯质量特别是表面质量，因此，控制初期凝固和凝固起始点的位置是采用MEMS的另一目的。图16是Si沸腾钢的板宽2200mm、浇铸速度1.0m/min的有和无MEMS的坯壳剖面的形貌。•图17表示准沸腾钢，板坯尺寸：250mm×1120～2500mm，拉速：0.7m/min，在有和无MEMS的坯壳厚度随离弯月面距离的变化。2019/8/17204.2.2.2借助MEMS控制初期凝固用心铸造世界图16MEMS对坯壳生长的影响图17MEMS控制初期凝固钢种：准沸腾钢：板坯尺寸：250mm×1120～2100mm：0.7m/min•由于弯月面周围的钢水流动容易停滞，容易导致因铸坯宽度方向钢水温度不均而引起坯壳厚度不均匀所产生的纵裂。特别是中碳钢（C=0.1-0.15%），易发生因不均匀冷却而导致的纵裂。应用MEMS，凝固滞后减少，坯壳厚度变得均匀，就可减少铸坯纵裂的发生，如图18所示。2019/8/1721用心铸造世界图18MEMS对铸坯纵裂的影响4.2.2.3减少铸坯表面纵裂•4.2.3MEMS对成品质量的影响•4.2.3.1MEMS对汽车外壳用超低碳钢成品质量的影响•图19显示目前在减少汽车外壳板分层的