連鑄機板坯寬度方向施加靜磁場后鋼液流動狀況的探討

1、連鑄機板坯寬度方向施加靜磁場后鋼液流動狀況的探討1.前言如果連鑄板坯內(nèi)含有Al2O3類簇狀夾雜物，軋制后的鋼板會因此而產(chǎn)生表面缺陷。為減少鑄坯的夾雜物含量，重要的是要冶煉夾雜物含量少的潔凈鋼，并在鋼水凝固時避免夾雜物被鑄坯捕獲。為解決上述問題，開發(fā)了利用電磁力控制連鑄機內(nèi)鑄坯鋼液的流動，防止夾雜物被鑄坯捕獲的技術(shù)。如，結(jié)晶器內(nèi)電磁攪拌（下稱M－EMS）技術(shù)和電磁制動（下稱EMBR）技術(shù)。其中，M－EMS技術(shù)主要是通過對鋼水進行不斷攪拌來

2、減少鑄坯表層部的夾雜物。如果是普通薄鋼板，在距鑄坯表面20mm以內(nèi)表層部的夾雜物是造成產(chǎn)品出現(xiàn)表面缺陷的主要原因。M－EMS通過在結(jié)晶器內(nèi)對鑄坯表層部的凝固界面進行沖刷，能有效地減少會造成產(chǎn)品表面缺陷的鑄坯表層部的夾雜物。而EMBR主要是通過控制鋼液的流動來減少鑄坯內(nèi)部的夾雜物。當(dāng)鋼水澆入結(jié)晶器內(nèi)時，鋼水中的夾雜物也會隨鋼水流進入結(jié)晶器內(nèi)。結(jié)果，夾雜物會因上浮不了而被捕獲到鑄坯內(nèi)部。這種鑄坯被軋成大約0.3mm厚的特殊鋼板時，距鑄坯表面

3、20mm以上深的內(nèi)部夾雜物也會危害產(chǎn)品質(zhì)量。有文獻報道，如果采用EMBR控制鋼水的向下流速，就能促使夾雜物上浮分離，從而減少鑄坯內(nèi)部的夾雜物。另外，還有的文獻報道，在高速澆鑄時采用EMRB能力有防止保護渣的卷入。因此，EMRB有望還能成為提高連鑄生產(chǎn)能力的一種手段。但是，采用舊型EMBR控制鑄坯寬度兩端向下流速的效果差。特別是在鑄坯寬度窄的情況下，不能有效減少鑄坯內(nèi)部的夾雜物。為解決這一問題，本研究提出了一種能有效減少整個板坯寬度上的夾

4、雜物的新型EMBR，并對鋼液流動的狀況進行了基礎(chǔ)研究。舊型的EMBR是將靜磁場作用于板坯厚度方向的鋼液，而新型EMBR是將靜磁場作用于板坯寬度方向的鋼液。對舊型和新型EMBR進行了數(shù)值計算和采用液體鎵的模型實驗，調(diào)查了EMBR的靜磁場方向?qū)ο蛳铝魉倏刂菩Ч挠绊憽?.研究方法2.1數(shù)值計算方法對將磁場作用于板坯厚度方向的舊型EMBR和將磁場作用于板坯寬度方向的新型EMBR用于控制鋼液流動的效果進行了研究，同時為驗證其計算精度，進行了以下

5、計算：（1）使用不同EMBR時不同鋼液的流動計算（實機）（2）采用液體鎵驗證流動解析精度的模型實驗計算（實機的16)在實機計算時，對將厚度方向的磁場作用于整個板坯寬度的Ruler型EMBR，研究了磁極位置和結(jié)晶器寬度對向下流速控制效果的影響。另外，在模型實驗時，根據(jù)沒有采用EMBR、采用以往的FC型EMBR和采用新型EMBR等3種條件研究了流速分布。FC型EMBR的電磁制動方式是把厚度方向的磁場分上下2段，上段用于防止粉末卷入，下段用于

6、控制向下流速。為計算在靜磁場下熔融金屬的流動，因此先對靜磁場的分布進行假設(shè)，然后在近似電磁流體力學(xué)（MHD）的情況下，將熔融金屬的流動渦電流進行聯(lián)立計算。為評價流出流體的衰減，把沿澆鑄方向至鋼水面一定距離的區(qū)域作為作為解析區(qū)域。把解析區(qū)域的下端作為根據(jù)澆鑄速度均勻流出的臨界條件，并按照與流量相同的流量使鋼水均勻流入浸入式水口內(nèi)。另外，把鋼水與凝固殼的界面看作是按照澆鑄速度下降的固體壁，把鋼水面看作是滑動壁，把浸入式水口的內(nèi)外壁看作是固定

7、壁。而且，在鋼水的外圍設(shè)置了10mm厚的凝固殼，研究了在凝固殼中流動的電流。2.2模型實驗方法通過實驗，研究了采用新型EMBR對鋼水向下流速的控制效果，同時為驗證數(shù)值計算的精度進行了模型實驗。與計算一樣，它是在沒有采用EMBR、采用以往的FC型EMBR和采用新型EMBR等為獲得與流動平行的電磁力，就需要的垂直于流動的磁通密度和垂直于流動和磁場兩方面的電流密度。這樣，為利用板坯厚度方向的靜磁場控制向下流速，就需要有板坯寬度方向的電流。但是

8、，在原來向下流速最快的板坯兩端部，由于電流在板坯的端部被遮斷，難以流到寬度方向，因此寬度兩端部的向下流速控制效果變差，會產(chǎn)生夾雜物深入板坯內(nèi)部的問題。4.1.2板坯寬度和磁極位置的影響接著，研究了在寬度窄時和把磁極設(shè)置在下方時，向下流速控制效果降低的原因。根據(jù)寬度兩端部向下流速控制效果的降低也能明這些結(jié)果。即，在板坯寬度大的情況下，靜磁場會直接作用于流出流體。因為在流出體流體部不存在電流的忘記遮斷墻，所以流速的控制效果好。但是，在寬度窄

9、，且磁極位置低的情況下，靜磁場不會直接作用于流出流體，只會作用于流出流體與寬度兩端部沖撞后的向下流體。在這種情況下，由于控制向下流速所需的板坯寬度方向的電流不能充分流動，因此向下流速的控制效果小。當(dāng)采用把EMBR的磁場分上下2段設(shè)置的FC型EMBR時，或把上方的用于表層夾雜物凈化的M－EMS與下方的用于控制向下流速的EMBR組合使用時，不得不把控制向下流速用的EMBR的磁極設(shè)置在下方。在這種情況下，特別是澆鑄寬度窄的板坯時，采用EMBR

10、減少板坯內(nèi)部夾雜物的效果會變小。另外，當(dāng)寬度窄，且磁極位置處于上方時，由于靜磁場會直接作用于流出流體，因此控制向下流速的效果比磁場位置處于下方的大。但是，由于靜磁場起的作用范圍窄，因此向下流速的控制效果比寬幅時的減小。4.2靜磁場的方向和磁場深入的控制效果最后，研究了新型EMBR的磁場深入的控制效果比舊型EMBR大的原因。如已述的那樣，舊型EMBR是將磁場作用于板坯厚度方向，而新型EMBR是將磁場作用于板坯寬度方向。關(guān)于利用導(dǎo)電流體—鋼

11、水穿過磁力線時產(chǎn)生的電磁力，控制流動的原理，舊型EMBR和新型EMBR都一樣。另外垂直于磁場的電流難以流到垂直于磁場方向的板坯端部，出現(xiàn)了電磁力難以起作用的區(qū)域。關(guān)于這一點，舊型EMBR和新型EMBR上相同的。即，采用以往EMBR時，由于靜磁場作用于板坯厚度方向，因此板坯寬度兩端部會出現(xiàn)電磁力弱的區(qū)域。另一方向，采用新型EMBR時，由于靜磁場作用于板坯寬度方向，因此板坯厚度兩端會出現(xiàn)電磁力弱的區(qū)域。結(jié)果，采用新型EMBR一方面能有效控制

12、寬度方向兩端的快速向下流速，另一方面又擔(dān)心在厚度兩端沿寬面區(qū)域的向下流速會變快。但是，在連鑄板坯時，由于寬度比厚度大數(shù)倍左右，因此寬度方向的流速分布在向下流動時會形成大的流動渦流，流速分布的衰減需要長的距離。另一方面，厚度方向的流速分布在向下流動時所形成的渦流小，流速分布能以短的距離快速衰減。因此可以認為流速分布衰減所需的距離因磁場方向的不同而不同，新型EMBR能使向下流速快速達到均勻。5.結(jié)束語通過數(shù)值計算和液體模型實驗，研究了用EM

13、BR控制向下流速的效果，其結(jié)果歸納如下：（1）采用將靜磁場作用于結(jié)晶器厚度方向的舊型EMBR時，無法完全控制沿板坯寬度兩端快速的向下流速；（2）當(dāng)板坯寬度小時，采用舊型EMBR控制向下流速的效果差；（3）采用舊型EMBR時，存在著向下流速最小值的磁極位置，在該最小值的下方，磁極位置越往下，EMBR控制向下流速的效果越低；（4）采用舊型EMBR時，在板坯寬度兩端由于電流難以流到寬度方向，因此朝上的電磁力弱，由此說明上述（1）～（3）的原因