電磁制動對結晶器流場及鑄坯表面質量的影響

于 湛 周月明 吳存有 張振強 任忠鳴

(1.南京鋼鐵股份有限公司，南京 210035;2.寶山鋼鐵股份有限公司，上海 201900; 3.上海大學 材料科學與工程學院，上海 200072)

電磁制動對結晶器流場及鑄坯表面質量的影響

于 湛1周月明2吳存有2張振強3任忠鳴3

(1.南京鋼鐵股份有限公司，南京 210035;2.寶山鋼鐵股份有限公司，上海 201900; 3.上海大學 材料科學與工程學院，上海 200072)

采用低熔點金屬模擬板坯電磁制動條件下結晶器內的流場，使用超聲多普勒測速儀測量不同磁場分布和磁感應強度條件下的流速。結果表明，在試驗條件下，采用上部磁場BU=0.18 T和下部磁場BL=0.5 T時，電磁制動能夠增強上環流流動，改善結晶器液面流動和波動。工業試驗結果表明，采用IU=0，IL=Imax，有利于減少鑄坯表面缺陷。

電磁制動 結晶器 磁場強度 表面質量

鑄坯的表面和內部缺陷與結晶器內鋼液的流動狀態密切相關[1]，有研究表明：鑄坯近80%的表面缺陷起源于結晶器[2]。因此，控制和改善結晶器內鋼液的流動對提高鑄坯的表面和內部質量至關重要。

采用電磁流體流動控制(電磁制動)技術可以有效改善和控制結晶器內鋼液的流動，目前已經發展到第三代，并在板坯連鑄中得到廣泛應用[3]。第三代電磁制動裝置由兩個覆蓋整個板坯寬度的水平磁場構成。其中一個磁場放置在彎月面處，另一個磁通量相反地施加在浸入式水口的下方，可同時減小彎月面處的鋼液流速和結晶器下部鋼液的向下流速[3]。工業試驗表明：采用流動控制結晶器可以有效地抑制彎月面處的流速，減小液流的穿透深度，減小冷軋板卷的廢品率，從而改善澆鑄產品質量[3- 5]。數值模擬[6- 7]及物理模擬[8- 10]研究表明：電磁制動能夠有效改善結晶器內鋼液的流場，但電磁參數必須與澆注參數相匹配。

本文以板坯電磁制動在使用過程中出現的質量問題為基礎，對不同磁場參數條件下結晶器內金屬液的流動進行模擬試驗，并使用超聲波多普勒測速儀測量金屬液的流速，研究磁場參數對結晶器內流場的影響。最后根據模擬試驗結果優化現場生產中的電磁參數，改善鑄坯表面質量。

1 模擬試驗

1.1 試驗原理

某煉鋼廠在使用第三代電磁制動時，經常出現鑄坯的表面質量問題，因此以該煉鋼廠板坯連鑄機為原型，進行物理模擬試驗研究。

根據相似第二原理，選用Froude準數(Fr)和Stuart準數(St)相等。計算模型與原型試驗條件下的Reynolds準數(Re)，均大于1×104～1×105，屬第二自模化區，Reynolds準數繼續提高對流體的紊亂程度和速度分布幾乎沒有影響[11]，這樣只需保證試驗模型與物理原型的Fr數和St數相等即可。

(1)

Fr準數相等：

(2)

St準數相等：

(3)

式中:下標m、p分別表示模型、原型參數；ρ為流體密度，kg/m3；V為流體速度，m/s；l為特征長度，m；g為重力加速度，m/s2；B為磁感應強度，T；σ為液態金屬的電導率，(Ω·m)-1。

鋼液的密度取7 200 kg/m3，電導率為7.14×105(Ω·m)-1[12]。試驗介質為水銀，密度為13 554 kg/m3，電導率為1.04×106(Ω·m)-1[13]。

計算得到：

1.2 試驗裝置

模擬試驗裝置如圖1所示。該系統包括中間包、浸入式水口、結晶器、磁體和電磁泵- 控制閥- 流量計- 管路循環系統。中間包被溢流擋板分成兩部分：一部分作為中間包，與浸入式水口相連接；另一部分為溢流槽，以保持中間包內液位的穩定，使浸入式水口獲得穩定的流速。試驗中，通過電磁泵- 管道- 閥門- 流量計系統實現定量、穩定的循環流，同時為減小水銀出流對結晶器內流場的影響，試驗所用的結晶器模型在高度上比原型結晶器增加600 mm，并在模型底部安裝二層多孔導流板，使液流均勻地流出。模型和試驗參數見表1。

圖1 物理模擬試驗裝置示意圖

表1 模型和生產參數

1.3 流速測量

坐標系統以水口中心線和金屬液面相交點作為x和y坐標原點。采用超聲多普勒測速儀測量結晶器中心面內的水平和豎直流速。沿結晶器窄面中線安排19個測量點，用以測量結晶器模型內水銀的水平流速，其中第一個測量點位于液面下5 mm，之后各點以間隔15 mm依次向下排布；在金屬液面的中心線上，安排18個測量點，用以測量結晶器模型內水銀的垂直流速，其中第一個測量點位于距結晶器窄面7.5 mm處，之后各點依次以5 mm間距水平排布(見圖2)。

圖2 磁鐵、測量點示意圖

當結晶器內液流穩定后開始測速，測量時間為200 s，取時均值作為該測點的速度。超聲波多普勒測速儀的測量參數見表2。

表2 超聲波多普勒測速儀的測量參數

1.4 數據處理

圖3(a)為結晶器模型中某一測量點在60 s內的瞬態流速測量結果。由圖可見，即使在宏觀流動已達到穩態的情形下，結晶器內特定測點處的流速和方向仍是不穩定的(其中流速的正負表示方向的改變)，這是湍流運動的特點。因此通過時均化處理測量值，即時均速度來分析結晶器內金屬液的流動。如圖3(a)所示，該點流速的時均值為0.018 4 m/s。將測量方向上各測量點的平均流速連接起來，就得到該測量方向上各點的流速(時均值)分布，如圖3(b)所示。

圖3 瞬時速度和時均速度

2 試驗結果及討論

2.1 物理模擬的磁場測量

為了在結晶器整個寬度上得到均勻的磁感應強度，使磁鐵的長度大于結晶器的寬度，磁體完全覆蓋在整個結晶器寬面上。其中上部磁體中心線位于自由液面下22 mm處，下部磁體中心線位于上部磁體中心線下78 mm處，如表3所示。使用特斯拉計測量結晶器厚度中心面的磁感應強度，結果如圖4所示(圖中磁感應強度的正負表示上下磁極排布相反)。

表3 物理模擬的試驗參數及條件

2.2 結晶器內流場

圖4 結晶器內實測的磁感應強度分布

圖5為不同磁場分布條件下， 模擬試驗所得的結晶器內的流場分布。其中云圖反映速度的大小，矢量圖反映速度的大小及方向。在無磁場及有磁場條件下，從浸入式水口射出的金屬液均形成很強的流股，并以一定的角度沖向結晶器壁，當流體碰撞到器壁后分成沿著器壁向上和向下運動的兩路流股，形成典型的雙環流。其中，(1)無電磁制動時，水口出流的最大流速為0.220 m/s，該流股達到結晶器窄面的最大水平流速為0.043 m/s。(2)當BU=0 T和BL=0.5 T時， 水口出流的最大流速為0.150 m/s，該流股在運動中的向下擴散和分流受到磁場的抑制，因此其主流保持較強的水平方向運動，達到結晶器窄面的最大水平流速為0.051 m/s(比無制動磁場時明顯增高)；近窄面處的上環流速率變大，流向彎月面的液流流量增加，磁體下方大部分區域的液流流速變得相對均勻。可見，水口下方的磁場在結晶器寬度范圍里具有調節流速分布和增大上環流流量和流速的作用。(3)當BL=0.5 T，上部磁場BU由0 T依次增加到0.08 T和0.18 T時，水口出流的流態隨之變化，但水口出流的最大流速均為0.170 m/s。這是由于水口出流上、下方的擴散和分流均受到磁場的抑制，水口出流在較大范圍內保持了流速的相對穩定。達到結晶器模型窄面的最大水平流速分別為0.042 m/s和0.043 m/s。隨著結晶器上部磁場的增強，彎月面處上環流受到抑制，其速率變小，液面復歸平靜；但由于結晶器窄邊附近的上環流流速和流量降低，致使向下環流增強，沿結晶器窄邊形成向下的“液流通道”(在該“通道”范圍內，液流向下的流速明顯增大)，這使得結晶器內下磁體下方的液流流速的均勻性降低，導致達到形成“活塞流”的位置下移。由此可見，上部磁場過強時，不利于鋼水在結晶器下部快速實現“活塞流”。

圖5 結晶器內流場分布

圖6為結晶器液面的水平流速分布。由圖可見，(1)無制動磁場時，液面水平最大流速為-0.072 m/s；(2)當BU=0 T和BL=0.5 T時，水口出流會更快地進入下部磁場區，由于受到電磁制動作用，使得向下的流速降低，導致上環流區近窄面處的水銀流速增大，液面水平流速普遍增大(最大達到-0.099 m/s)；(3)當BL=0.5 T保持不變，而上部磁場BU由0 T增加到0.08 T和0.18 T時，上部磁場對液面流的抑制作用使得液面水平流速降低，其最大值分別為0.11 m/s和0.054 m/s。

圖7為結晶器內液面波動情況。由圖可見，在有磁場和無磁場條件下，結晶器近窄面處的液面波動幅度較大，這是上回流“沖擊”液面的結果。

圖6 結晶器液面水平流速

在無制動磁場時，液面的平均波高為0.74 mm；當BU=0 T和BL=0.5 T時，在靠近結晶器窄面處液面波動有所加劇，其平均波高為1.01 mm；當BL=0.5 T保持不變，上部磁場BU由0 T增加為0.08 T和0.18 T時，液面波動幅度明顯降低，其平均波高分別為0.89 mm和0.68 mm。比較可見BL=0.5T、BU=0.18T時的液面波動幅度小于無電磁制動時的結果，這說明前者結晶器內液面的活躍度低于后者的。

3 現場試驗

3.1 現場磁場測量

為了解生產現場結晶器內的磁場分布，測量了現場連鑄機結晶器中心面的磁場強度，測量區域分別為結晶器中心和窄邊區域。測點沿結晶器和窄壁中心線排布，間隔50 mm，每組共設21個測點。采用CT3- A型特斯拉計，所測磁場分布方式包括：單獨打開結晶器下部磁場電源并輸出到最大電流，同時打開結晶器上、下部磁場電源并均輸出最大電流。

測量結果顯示，單獨對電磁制動裝置的下部線圈輸入最大電流時，結晶器中心軸線上、下部磁場中心所對應位置的最大磁感應強度為0.29 T，結晶器窄面中心線上的最大磁感應強度為0.27 T，略低于結晶器中心區域的磁場強度；而此時，盡管電磁制動裝置的上部線圈并未供電，但磁鐵相連導致該處仍有結晶器下部磁場強度1/2的場強(見圖8(a))。當對結晶器電磁制動裝置的上、下線圈全部供電且均輸入最大電流時，結晶器內上、下部磁場對應區域的最大磁感應強度分別為0.29 T和0.25 T；同時結晶器中部與邊部的磁場強度基本相同(見圖8(b))。

圖7 結晶器內液面波動情況

圖8 連鑄機結晶器內實測磁感應強度

3.2 鑄坯表面質量

根據模擬試驗結果進行了不同電流參數的現場生產試驗。圖9為上部磁場線圈通入不同電流條件下鑄坯缺陷(缺陷尺寸大于0.2 mm)總數的統計，鑄坯試樣為同一爐。通過檢測，鑄坯表面缺陷以表面夾渣、夾雜物和氣孔為主，如圖10所示。鑄坯表面加工2 mm后，上部磁場線圈不通電時，鑄坯表面缺陷數量為230個；上部磁場線圈通以0.15Imax時，鑄坯表面缺陷數量增加到340個；上部磁場線圈通以0.3Imax時，鑄坯表面缺陷數量減少到300個。可見當上部磁場線圈不通電時，鑄坯表面缺陷數量最少。鑄坯表面加工5 mm后，不同電流條件下的缺陷數量相差不大。當生產拉速為1.3 m/min時，上部線圈不通入電流，對結晶器內流場及液面波動的改善效果最佳，有利于保護渣的熔化，以及表面夾渣、夾雜物和氣孔等缺陷的去除。

圖9 鑄坯表面缺陷總數

表4 鑄坯表面缺陷形貌及成分

Table 4 Morphology and component of defects in slab surface

4 結論

從某煉鋼廠生產中的鑄坯表面質量問題出發，采用低熔點金屬開展模擬試驗研究，探索不同電磁參數對結晶器內鋼液流動的影響規律。并根據模擬試驗結果，優化現場生產中的電磁參數，得到以下結論：

(1)無電磁制動時，在試驗條件下，結晶器液面流速較小，液面活躍度較低，不利于鋼渣界面的流動和傳熱，以及保護渣的熔化，影響鑄坯表面質量。

(2)在模擬試驗條件下，采用上部磁場BU=0.18 T和下部磁場BL=0.5 T時，能夠有效改善結晶器液面流動，減小液面波動。

(3)由于鐵芯的連通性，即使只對鐵芯的下部線圈輸入電流，在結晶器內仍會形成上下區磁場，其上下磁場強度比為1∶2。

(4)在現場生產條件下，采用IU=0和IL=Imax電磁參數，能夠減少鑄坯表面缺陷數量，改善鑄坯表面質量。

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收修改稿日期：2016- 08- 01

Effect of Electromagnetic Brake on Flow Field in a Continuous Casting Mold andSurface Quality of Slab

Yu Zhan1Zhou Yueming2Wu Cunyou2Zhang Zhenqiang3Ren Zhongming3

(1.Nanjing Iron & Steel Co., Ltd., Nanjing 210035,China;2. Baoshan Iron & Steel Co., Ltd., Shanghai 201900,China; 3. School of Materials Science and Engineering, Shanghai University,Shanghai 200072, China)

The flow pattern of liquid metal was investigated in continuous casting mold of slab with the electromagnetic brake using a low temperature metal model as analogue to molten steel. The velocity measurement was conducted by the Ultrasonic Doppler Velocimeter (UDV) under various magnetic distribution and flux density. The results showed that the flow and fluctuation at the surface were improved with the upper part of magnetic fieldBU=0.18 T and the lower part of magnetic fieldBL=0.5 T under the experimental conditions. The industrial test results showed that it was beneficial for reducing surface defects of slab withIU=0 andIL=Imax.

electromagnetic brake，mold，magnetic flux density，surface quality

于湛，男，博士，從事連鑄和電磁冶金方面研究，Email: yuzhan760930@126.com