高拉速連鑄結晶器電磁控流技術發展

羅 森，楊宇威，王衛領，朱苗勇

（東北大學 冶金學院，沈陽 110819）

連鑄作為現代鋼鐵制造流程中的重要工序，近幾十年獲得了長足發展.2021年，全球平均連鑄比達到96.9%，我國連鑄比高達98.6%、連鑄坯產量突破了10億t［1］.隨著國家戰略“碳達峰”與“碳中和”的快速推進實施，鋼鐵行業面臨前所未有的減碳壓力，國內各鋼鐵企業都在積極探索和發展以高拉速、無缺陷為核心內涵的高效連鑄技術，用以進一步提升連鑄生產效率、降低能耗.

20世紀80年代，為應對全球石油危機對鋼鐵產業的沖擊，以日本新日鐵、日本住友金屬、日本鋼管公司（NKK，現JFE）等為代表的鋼鐵公司率先開展常規板坯高拉速連鑄的實踐，大幅提高了連鑄生產效率，同時還降低了能耗和生產成本，企業競爭力因此得以提升［2］.其中，日本鋼管公司福山廠5號直弧形板坯連鑄機實現了普碳鋼板坯斷面（700～1 650）mm×200 mm最高連鑄拉速達3.0 m／min，當時被稱為“冠軍連鑄機”.同時期，日本的新日鐵、住友金屬與川崎制鐵在常規板坯的高拉速連鑄方面也取得了重要突破，最高連鑄拉速可達2.5 m／min.此后，韓國浦項光陽廠2號和3號連鑄機于2007年由弧形改造成直弧形，成功實現了板坯斷面1 600 mm×250 mm低碳鋁鎮靜鋼最高2.7 m／min的澆鑄速度［3］.然而，我國鋼鐵企業常規板坯連鑄機實際生產拉速普遍低于1.8 m／min，只有少數企業可達到2.0 m／min以上.首鋼京唐3號板坯連鑄機經設備改造和技術攻關，低碳鋼板坯斷面（900～1 600）mm×230 mm最高連鑄拉速可達2.5 m／min［4］，但仍低于國外先進水平.此外，20世紀80年代末期，薄板坯連鑄連軋技術的使用進一步促進了煉鋼工序和軋鋼工序的高效銜接，它具有流程短、能耗低、效率高和生產周期短的顯著優勢，受到鋼鐵工業的廣泛關注，并隨后在世界范圍內大規模推廣應用.截至到2020年，我國薄板坯連鑄連軋產線有20條，是全世界薄板坯產線最多、產能最大的國家，但拉速大多低于5 m／min，僅有日照、河鋼和唐鋼拉速可達到6 m／min［5-6］.而韓國浦項開發的緊湊型無頭連鑄連軋技術CEM?成功實現了最大拉速8 m／min，成為目前薄板連鑄最高拉速世界紀錄的保持者［7］.

經過近幾十年的發展，板坯連鑄拉速已經取得了前所未有突破，以意大利阿維迪ESP［8］、韓國浦項CEM?［7］、中國首鋼京唐與意大利達涅利合作開發的MCCR［9］等為代表的無頭軋制技術突破了連鑄最低拉速的瓶頸，成功實現了薄板坯的直接軋制.對于傳統板坯連鑄而言，大部分鋼鐵企業的常規板坯連鑄拉速仍偏低，雖然部分常規板坯拉速已經突破2.5 m／min，但要實現傳統板坯連鑄直接軋制還需要進一步提高拉速.據估算，單流常規板坯連鑄機拉速需要達到4 m／min，才能滿足理想情況下一臺鑄機匹配一條軋制產線［2］.然而，隨著拉速的提升，結晶器內鋼液流動和初始凝固行為發生明顯變化，主要體現在［5，10-11］：①結晶器渣金界面上無論是鋼液流速還是平靜度均向不利方向發展，極易產生卷渣引起的軋板線狀缺陷；②保護渣的消耗降低，結晶器潤滑效果變差，導致發生黏結漏鋼事故的風險增加；③結晶器內鋼液停留時間縮短，出口初凝坯殼偏薄，導致發生漏鋼事故的風險增加；④高溫鋼液流股對結晶器窄面的劇烈沖擊會造成初凝坯殼重熔，導致發生漏鋼事故的風險增加；⑤高溫鋼液注流的沖擊深度變大，鋼液中夾帶的氣泡或夾雜物難以上浮去除，導致鑄坯出現“針孔”等內部缺陷.因此，優化、控制結晶器內鋼液流動行為，確保高拉速連鑄的安全和鑄坯質量的穩定控制，是實現板坯高拉速連鑄的核心技術.

連鑄結晶器內鋼液流動主要受連鑄裝置和澆鑄工藝影響.浸入式水口作為連接連鑄中間包與結晶器的鋼液導流裝置，其結構形態對連鑄結晶器內鋼液流動行為的影響巨大.優化設計高拉速連鑄結晶器浸入式水口的結構一直是研究的重點［12-15］，主要包括水口的出口形狀、出口孔數、出口角度及底部形狀等.另外，拉速、吹氬量和水口浸入深度等工藝參數的優化也受到了廣泛關注［16-17］.雖然優化連鑄浸入式水口結構和連鑄工藝能夠對高拉速連鑄的安全順行起到重要作用，但其對高拉速連鑄工藝變化的適應性較差，仍然難以解決高拉速連鑄過程中結晶器內液面劇烈波動的問題.結晶器電磁控流技術是通過外加電磁場改變結晶器內鋼液流動模式，來實現高拉速連鑄結晶器內液面的穩定控制.該技術可根據連鑄工藝靈活調整電磁控流參數，并實現了在線動態控制，現已成為高拉速板坯連鑄結晶器流動控制的標配技術，被廣泛應用于板坯連鑄生產當中［18-22］.本文中結合連鑄結晶器電磁控流技術的發展，重點介紹板坯高拉速連鑄結晶器控流裝置及其對結晶器流動行為和鑄坯質量的影響規律，指出高拉速板坯連鑄結晶器內合理的鋼液流動模式及其控制關鍵，并展望未來高拉速板坯連鑄結晶器電磁控流裝置與智能化電磁控流系統技術的發展方向.

1 結晶器鋼液流動及電磁控流原理

1.1 結晶器鋼液流動模式及其對質量的影響

高溫鋼液通過浸入式水口從中間包進入結晶器，并在結晶器內發生湍流流動、高效傳熱、溶質擴散等復雜的多相傳輸行為.其中，鋼液流動模式對渣金界面穩定性、初始凝固坯殼均勻性，以及凝固缺陷的產生等均有著極大的影響，因此結晶器內合理的鋼液流動模式對高品質連鑄坯的高效制備至關重要.通常，從浸入式水口（SEN）側孔排出的鋼液射流沖擊結晶器窄面后會分成兩股：一股向上經過彎月面到達渣金界面，之后水平流向水口附近形成上回流區；另一股向下沖擊到結晶器較深的區域形成下回流區，由此構成雙循環流動模式（double-roll，DR），如圖1（a）所示.1995年，K?hler等［23］在2 700 mm×220 mm板坯連鑄過程中發現，當吹氬流量較大和水口浸入深度較淺時，水口側口流出的鋼液先上升到渣金界面，然后沿渣金界面向結晶器彎月面處流動，并最終沿著結晶器窄面向下侵入到液相穴深處，形成單循環流動模式（single-roll，SR），如圖1（b）所示.此外，結晶器內鋼液還可能存在雙回旋流和單回旋流之間的過渡流動.它會導致結晶器內鋼液流動紊亂、渣金界面波動嚴重，對鑄坯質量影響較大，且這種流動模式極不穩定，故被稱為不穩定流動模式（unstable，U），如圖1（c）所示.結晶器內鋼液流動模式受連鑄操作工藝影響較大，如鑄坯斷面尺寸、浸入式水口結構、浸入深度、水口堵塞情況、拉速、吹氬量等.2002年，法國Rotelec公司在對多臺板坯連鑄機結晶器內的鋼液流動進行釘板測量后，綜合板坯寬度、拉速、氬氣流量、水口結構和浸入深度對結晶器流型的影響，提出了結晶器鋼液流動模式（單循環流、不穩定流與雙循環流）與板坯寬度／拉速的定量關系圖（見圖2）［24］.

圖1 結晶器內三種典型鋼液流動模式Fig.1 Three typical molten steel flow patterns in the mold

圖2 板坯寬度／拉速與結晶器鋼液流型關系圖［24］Fig.2 Effect of slab-width／casting-speed on the flow patterns in mold

結晶內鋼液流動模式與板坯／卷材質量之間存在著密切的關系，如表1所列.在單循環流動模式中，鋼液直接從水口向上流向彎月面，推動保護渣向結晶器彎月面堆積，導致浸入式水口附近保護渣減薄，甚至出現鋼液裸露的情況，進而發生二次氧化，使鋼液被污染.單循環流也極易將氬氣泡和夾雜物帶入到液相穴深處，使得小氣泡難以上浮去除，造成鑄坯的皮下缺陷.此外，它還會使結晶器內液面波動嚴重，從而出現卷渣和鑄坯的縱裂缺陷.在雙循環流動模式中，上回流源源不斷地為保護渣的熔化提供熱量，這不僅有利于結晶器潤滑，還能保障鑄坯的表面質量.而鋼液射流受鑄坯窄面阻礙作用的影響，射流能量顯著降低.這既避免了上回流使渣金界面過于活躍而引起卷渣，又避免了下回旋流的沖擊過深，對氬氣泡和夾雜物的上浮與去除極其有利，起到了保障鑄坯內部質量的作用.在不穩定流動模式中，不穩定流多存在于開澆、換包、變拉速、變渣線、水口堵塞等非穩態澆鑄過程.此時，結晶器內部鋼液流動紊亂、渣金界面波動嚴重，極易造成卷渣、坯殼的非均勻生長，使鑄坯質量惡化.由此可見，板坯結晶器最優的鋼液流型為雙循環流動，應避免單循環流動或不穩定流動，這對高品質連鑄坯的高效化生產至關重要.

表1 鋼液流型對鑄坯／板卷的影響［25］Table 1 Effect of molten steel flow pattern in mold on slab／coiled strip quality［25］

1.2 結晶器卷渣及電磁控流原理

在連鑄過程中，鋼液通過浸入式水口進入結晶器時，注流鋼液的耗散容易引起結晶器內自由液面的波動.隨著拉速的提高，結晶器內液面波動的加劇會造成卷渣概率的增加.在超低碳鋼生產中，超過60%的缺陷來自卷渣［26］，因此研究者針對連鑄結晶器內卷渣的形成機理及影響因素開展了大量研究，具體見表2［27］.這些研究結果對控制結晶器內液面波動和獲得良好的鑄坯質量具有重要的理論指導意義.

表2 結晶器卷渣現象部分研究匯總Table 2 Summary of research on mold slag entrapment phenomenon

為防止結晶器內液面波動造成卷渣，合理評價結晶器內液面波動行為至關重要.Teshima等［40］以日本鋼管公司福山制鐵所5號連鑄機的生產工藝條件為研究基礎，對高拉速板坯結晶器內的鋼液流動行為進行了大量的水模型實驗，并結合現場測試分析了連鑄工藝條件對結晶器內鋼液流動和液面波動的影響，提出了結晶器內鋼液液面波動的無量綱指數，即液面波動指數F，定義式為

式中：ρ為鋼液密度；QL為鋼液流量；Ve為鋼液主流股沖擊速度；θ為鋼液主流股沖擊角度；D為沖擊點到自由液面的距離.

液面波動指數F可有效地反映結晶器內彎月面處鋼液的波動情況，其數值范圍的合理控制對提高鑄坯質量具有重要意義.后續，Teshima等［41］再次利用水模型實驗分析了不同工藝參數條件下結晶器內鋼液的流動形態.結果表明，上循環區的流股是造成鋼液卷渣的主要因素，且在無外場工況下F的最佳范圍為1.7～3.0.目前，高拉速連鑄機通常會配備電磁控流和吹氬工藝.于海歧［42］等利用數值模擬與實驗驗證相結合的方法，研究了電磁制動和吹氬共同作用下F的變化規律.研究結果表明：F與吹氬量、拉速和線圈電流強度均近似成線性遞增關系；在保證鋼／渣界面不被吹破的前提下，當F保持在15～21時，彎月面附近的波動平穩，最大界面波高不會超過4 mm.

雖然維持合理的結晶器液面波動指數F可通過優化傳統的連鑄操作工藝來實現，但傳統的連鑄操作工藝難以適應連鑄高拉速和非穩態澆鑄過程.因此，電磁控流技術作為一種無污染、高效的控流手段，正被廣泛應用于板坯高拉速連鑄生產中.它通過在結晶器內部施加電磁場，迫使注流鋼液在運動過程產生電磁力，實現了結晶器內鋼液流動的無接觸式調控.如圖3所示，連鑄板坯電磁控流器（即電磁感應器）一般安裝在結晶器外部，由一個或多個感應線圈構成.當感應器饋給兩相、三相交流電或直流電時，就會產生交變磁場或靜磁場的磁感應強度.該磁場逐步向鋼液內滲透并在感應器中產生方向與饋給電流方向相反的感生電流.感生電流與當地磁感應強度相互作用，產生方向由表面指向中心的電磁力（即洛倫茲力）.當電磁力與鋼液流動方向相反時，鋼液流動被強制減速，鋼液的制動功能得以實現；當電磁力與鋼液流動方向相同時，鋼液流動被強制加速，鋼液的加速功能得以實現［43］.通常情況下，當拉速較低時，采用電磁加速功能可以提高鋼液流速，保證渣金界面活躍度，從而促進化渣；當拉速較高時，采用電磁制動功能可以降低鋼液流速，防止結晶器內液面劇烈波動，從而避免卷渣的產生.

圖3 電磁連鑄基本原理示意圖Fig.3 Schematic diagram of basic electromagnetic principle in continuously cast mold

描述連鑄電磁控流基本理論的方程由麥克斯韋方程組和移動導體歐姆定律構成，表達式如下：

式中：E為電場強度；B為磁流密度；J為電流密度；μ為鋼液磁導率；V為鋼液流速；FL為電磁力.

2 高拉速連鑄結晶器電磁控流裝置

從電磁制動技術的發展歷程來看，為了更好地適應高拉速連鑄技術的發展，電磁制動裝置的磁場布置方式也在不斷更新，從早期的區域型磁極布置（第一代區域型電磁制動裝置）逐漸向磁場覆蓋整個結晶器寬度的全幅型電磁制動（全幅一段和全幅二段電磁制動技術）發展.磁場布置方式的發展主要是為了克服電磁制動技術受磁場作用區域限制的特點，進一步優化結晶器內鋼液流動，以獲得更合理、更有效的控流效果.此外，在傳統電磁制動技術的基礎上，根據電磁制動技術的基本原理，冶金學者們又提出了許多創新型的電磁制動技術，這不僅豐富了高拉速電磁制動技術的內容，還推動了該技術的發展.

2.1 區域型電磁制動裝置.

區域型磁極結構為早期高拉速連鑄結晶器電磁制動器的磁場布置方式.該磁場結構位于浸入式水口位置附近，并且未完全覆蓋整個結晶器.這樣做的目的是控制結晶器浸入式水口兩側孔出流附近的鋼液流速，達到穩定液面波動、減小流股向下沖擊深度和彎月面處流速、提升彎月面處溫度及改善結晶器潤滑等冶金效果.區域型電磁制動裝置主要包括第一代區域型電磁制動裝置、水口區域型電磁制動器、中上部區域型電磁制動器和射流型電磁制動器，以及改進型電磁制動器（立式和分區域型電磁制動器），如表3所列.

表3 不同區域型電磁制動器分類Table 3 Classification of EMBr local fields

（1）第一代區域型電磁制動裝置.20世紀80年代，瑞典ABB公司和日本川崎制鐵公司共同研發了局部區域電磁制動技術（EMBr local fields）［44-46］，電磁制動技術自此得到初步發展.局部電磁制動器結構是由兩個“U”形磁鐵和線圈組成，被分別布置于浸入式水口（SEN）左右兩側，用以產生穩恒靜磁場.該技術能有效地控制水口出流處鋼液的流速，故自問世以來便很快在日本冶金行業中得到認可，并率先在川崎制鐵公司水島鋼廠實機裝配使用.使用結果表明：水口出流處流速明顯降低，向下流股侵入深度降低了50%，拉速提高了30%，拉漏事故明顯減少［47］.由此可知，第一代區域性電磁制動技術可有效減弱高速流股對窄面的沖擊，降低下循環區鋼液侵入深度，促進氣泡上浮，最終提高鑄坯質量.該區域型電磁制動器還具有主體結構小、運輸與安裝維修便捷等優點，但它并沒有覆蓋整個結晶器的寬面與窄面，作用區間范圍有限且僅能調控水口出口附近鋼液速度.一旦磁場過強，就會導致流股在水口下方負壓區的渦旋分流增強，反而抑制氣泡上浮.此外，該種電磁制動技術的磁場布置對水口結構設計要求較高，當電磁鐵與水口浸入深度或出流傾斜角度等不匹配時，不但無法產生良好的制動效果，還會降低鑄坯質量.

（2）水口區域型電磁制動技術.上海大學張振強［48］提及Pavlicevic等在2003年首次提出了水口區域型電磁制動裝置.他們將區域型電磁鐵布置于浸入式水口下方附近，目的是通過穩恒靜磁場來調控浸入式水口的內部流場，降低水口出流流速，保持水口兩側出流流量的基本一致，以防止高拉速連鑄結晶器內液面波動劇烈造成卷渣等鑄坯質量缺陷的出現.此類區域型電磁制動器主要用來調節水口內部鋼液流動行為，解決因側孔流量不一致而引起的鋼液流動模式突變問題.但這種磁極布置對穩定結晶器內鋼液雙循環流動模式的作用有限，且相關研究和實機裝置應用也相對較少.

（3）中上部區域型電磁制動裝置.第一代電磁制動器和水口區域型電磁制動器的磁極體積均較小，導致施加在結晶器上的穩恒磁場在結晶器的寬面與窄面上分布不均勻，所形成的電磁力強度也不能有效降低結晶器窄面附近向下的鋼液流速，夾雜物也因此被帶到結晶器更深的區域，這些對夾雜物的上浮都會產生不利影響.針對上述問題，Morishita等［49］提出了在結晶器的寬面和窄面上施加方向與板坯寬度方向平行的穩恒磁場這一構思，并通過數值模擬驗證明了其制動效果超過第一代區域型電磁制動器，該構思也彌補了第一代區域型電磁制動技術作用區域小的缺陷.之后Cho等［50］開發了中上部區域型電磁制動裝置，他們將兩對磁極布置于浸入式水口側孔出流的上方，且與側孔出流鋼液流股流動的方向平行.該磁場布置方式可更有效地促進夾雜物的上浮，在減小鋼液流速的同時，還可以抑制由吹氬引起的液面波動.

（4）射流型電磁制動裝置.2011年，王寅等［51］為解決水平制動磁極布置時結晶器內靜磁場強度衰減過快這一問題，提出了射流型電磁制動裝置的磁場布置方式.他們采用兩對磁極沿與水口側孔出流平行的方向布置，使磁場作用區域完全覆蓋浸入式水口側孔出流，這樣鋼液流股就可以最大程度地穿過靜磁場的作用范圍.該電磁制動技術可以有效減弱鋼液流股的沖擊深度和結晶器窄面所受的沖擊強度，但對結晶器內上循環區鋼液的控制效果欠佳，且相關研究和實機裝置應用也相對較少.

（5）立式區域型電磁制動裝置.2017年，李壯等［52］針對CSP薄板坯連鑄機提出了立式電磁制動器（vertical electromagnetic brake，V-EMBr）.它的設計理念是在第一代區域型電磁制動器磁場的基礎上，額外在結晶器窄面附近豎直放置一對立式電磁極，使其產生的靜磁場可同時覆蓋結晶器窄面附近彎月面和鋼液射流沖擊點兩個關鍵區域，彌補了第一代區域型電磁制動器對窄面附近鋼液控制不足的缺陷.這種磁極分布能有效抑制結晶器內液面波動引起的卷渣，減弱氣泡和夾雜物的沖擊深度，擴大靜磁場在結晶器上的制動范圍，使制動效果受水口浸入深度和傾斜角度的影響變小.

（6）分區域型電磁制動裝置.為實現結晶器內上、下循環區的制動獨立可調，達涅利公司針對高拉速下薄板坯連鑄機提出了分區域電磁制動技術（multi-mode?EMBr，MM-EMBr）［53］.該電磁制動器［54-55］的基礎結構如圖4所示.它由5對制動線圈組成，每對線圈由獨立的電控單元進行調控，通過不同組合的工作模式來實現高拉速連鑄結晶器內鋼液的阻尼、制動和控制偏流的作用.為更好地適應高拉速工況，靜磁場的數量、分布位置與傳統電磁制動有明顯的不同，共劃分為5個制動區域.其中，位于上方的磁場A與C起抑制作用，可降低流經窄面后上回流區的鋼液流速；位于下方的磁場D與E起制動作用，可減小下回流區鋼液的沖擊深度.當薄板坯拉速較快時，會導致水口下方區域不穩定，因此在水口下方增加磁場F.它可使中下方鋼液穩定，減少二次渦流，同時還可創造良好的凝固條件.

圖4 線圈配置和磁場方向示意圖［54］Fig.4 Schematic diagram of coil configuration and magnetic field direction［54］

2.2 全幅一段電磁制動裝置

與區域型電磁制動的磁場布置方式相比，全幅一段電磁制動器（ruler EMBr）的磁極布置方式發生了較大變化，具體可見表4.全幅一段磁制動通過在結晶器寬面方向上布置一對水平磁極，使所產生的穩恒靜磁場可以覆蓋整個結晶器寬面，從而增加了磁場在結晶器寬面上的覆蓋范圍.這種磁極布置的電磁制動器最早由日本新日鐵公司于20世紀90年成功開發［56］.根據現場實際的應用效果可以看出，該制動器不僅解決了局域型電磁制動器所產生的靜磁場在寬面與窄面上分布不均勻的問題，還可以擴大靜磁場面積、促進夾雜物的上浮，進一步提高了鑄坯質量.

表4 不同類型的全幅一段型電磁制動器Table 4 Different types of ruler EMBr

2018年，韓國浦項鋼鐵公司［57］為進一步提升CEM?薄板坯連鑄機的拉速及鑄坯質量，開發了“碗形”電磁制動器，該電磁制動器的磁極布置方式及形狀可根據浸入式水口的變化而改變.2019年，瑞典ABB公司［58］也對此類電磁制動器進行了研發，如圖5所示.從圖中可看出，兩側鐵芯可以靈活地排列成“碗形”或U形，并沿寬面水平放置.線圈分別由獨立的左／右側（L／R）電源控制，故兩側的磁場強度可以不相同，這樣能更好地適應水口參數的變化.該電磁制動技術對連鑄工藝的變化適應性更強，顯著提升了薄板坯連鑄機拉速和鑄坯質量.

圖5 ABB公司的“碗形”電磁制動器鐵芯［58］Fig.5 Bowl-type EMBr front cores of ABB Ltd［58］

2022年，張然等［59］對現行薄板坯連鑄機所用的全幅一段電磁制動器進行改造，放置了4對立式電磁極在CSP連鑄結晶器窄面兩側的寬面附近.與全幅一段電磁制動器相比，該磁極結構更全面地覆蓋了結晶器窄面附近的彎月面和水口沖擊點等關鍵區域，在結晶器寬面上形成了一個寬面水平磁極和窄面兩側立式磁極的立式-水平電磁制動器 （vertical-horizontal combination electromagnetic brake，VC-EMBr）.立式組合電磁制動器繼續保持了全幅一段電磁制動利用水平磁極來控制水口出流鋼液向下流動的方式，還通過立式磁極控制水口出流鋼液對結晶器內窄面區域沖擊和彎月面波動的影響.由于這種制動器僅需要在全幅一段電磁制動裝置的兩側窄面區域增加4個扁形立式磁極，不需要再額外增加線圈和供電系統，故其改造成本較低.此外，它還易于安裝和控制，不會出現豎直與水平磁極相互干擾等問題.

2.3 全幅二段電磁制動裝置

隨著高拉速板坯連鑄技術的發展，全幅一段電磁制動技術已經不能滿足此類板坯連鑄機的需求.有研究發現，全幅一段電磁制動技術的制動效果受磁極布置方式及水口出口的傾斜角度、浸入深度影響較大，且當磁場強度過大時，會導致彎月面波動加劇.為解決此類問題，日本川崎制鐵與瑞典ABB公司開發了全幅二段電磁制動技術［60］，即FC MoldⅠ，如圖6（a）所示.該電磁制動器［61］在板坯結晶器的寬面兩側垂直布置了一對與結晶器寬度相同的U形磁極，它們分別位于水口出流的上、下方.上部磁場起到控制彎月面附近鋼液流速的作用；下部磁場的制動效果則與全幅一段電磁制動器相似，目的是減弱主流股流速，降低侵入深度，促進氣泡與夾雜物上浮，提高逃逸率.

在FC MoldⅠ的應用過程中，發現上、下兩個制動線圈由中間磁軛相連接，且兩個線圈由同一個PLC電源控制器調控，故上、下線圈僅能產生同一數量級的靜電磁場.當磁場強度過大時，下部磁場對水口出流處鋼液進行制動，下返流侵入深度明顯減小.但上部磁場會造成鋼液流速過低，最終導致彎月面呆滯、保護渣不易融化等問題的出現.因此，ABB公司對全幅二段型電磁制動器（FC MoldⅠ）進行升級改造，形成了FC MoldⅡ電磁制動技術［62］.如圖6（b）所示，FC MoldⅡ電磁制動器的上、下兩個制動線圈分別由兩個獨立的電源進行調控，鋼液的自由液面流速可通過單獨調整上部制動線圈的電流強度而得到有效控制.日本川崎制鐵公司在水島鋼廠4號連鑄機上率先實機裝配了FC MoldⅡ技術［63］.生產結果表明，與FC MoldⅠ相比，FCMoldⅡ在解決鑄坯表面缺陷上效果更好，并且可根據不同鋼種的需求靈活調控靜磁場.

為適應現代連鑄機功能兼容性強、控制穩定性要求高的特點，瑞典ABB公司最近推出了一種集電磁制動和電磁攪拌功能于一體的電磁制動裝置［64-65］（FC MoldⅢ）.如圖6（c）所示，它采用全幅條型電磁制動與結晶器電磁攪拌組合的方案，但各自使用獨立鐵芯，中間由磁軛相連接.上部線圈采用三相交流電，產生行波磁場，以實現結晶器上部鋼液攪拌作用.下部線圈置于水口出流附近，通入直流電產生靜磁場，對水口射流鋼液起到制動作用，以形成多模式電磁控流技術.這樣設計目的是保留FC MoldⅡ的制動能力，用以提高鑄坯內部質量，并結合結晶器電磁攪拌功效進一步提升鑄坯表面質量.FC MoldⅢ這種攪拌與制動的組合模式既能獨立控制彎月面波動，又能有效減小從低到高拉速工況下鋼液的侵入深度.由于具有同時控制鑄坯表面和內部質量的雙重冶金功效，FC MoldⅢ很快在汽車板、家電面板等對鑄坯表面及皮下質量要求較高的鋼連鑄生產中得到了應用.

圖6 不同FC Mold電磁制動裝置示意圖Fig.6 Schematic diagram of different electromagnetic breaking devices

3 板坯高拉速連鑄電磁控流技術的研究現狀

作為控制連鑄結晶器液位波動和提升鑄坯質量的有效手段，電磁控制技術現已被廣泛應用于高拉速板坯連鑄生產過程中.根據電磁制動技術的原理，冶金從業者圍繞著連鑄工藝及電磁控流效果開展了諸多研究，且主要集中在不同電磁制動技術對板坯連鑄結晶器內流動、傳熱、傳質、氣泡和夾雜物運動等方面的影響，旨在為高拉速連鑄電磁控流提供合理的工藝參數，充分發揮結晶器電磁制動的冶金功效.

3.1 區域型電磁制動技術

在過去幾十年里，針對第一代區域型電磁制動技術，眾多學者采用實驗和數值模擬等方法對結晶器內流場、氣泡、夾雜物和凝固等行為進行了廣泛研究.結果表明，由于靜磁場的作用，鋼水流動受到抑制，高速流股對板坯結晶器窄面的沖擊得到有效減弱.但區域型電磁制動技術所產生的靜磁場僅能覆蓋板坯結晶器部分寬面區域，因此明確區域型電磁制動器安裝位置及制動強度是獲得良好控流效果的技術關鍵.

1989年，Takatani等［66］以日本住友鹿島鋼廠3號連鑄機為依托，采用數值模擬方法較早地建立了板坯結晶器三維數學模型，初步分析了區域型電磁制動器作用下板坯連鑄機結晶器內的鋼水流動與傳熱行為.研究結果證實，區域型電磁制動技術能夠有效抑制水口出流處的鋼液流速與彎月面的液面波動，并且會使結晶器彎月面處的溫升與化渣效果明顯提升.后續，Takatani等［67］又進一步對比了區域型電磁制動與結晶器電磁攪拌對結晶器內鋼液流動的控制效果，發現前者對穩定高拉速工況下結晶器內的鋼液流動更為有效.Yu等［68］研究了區域型電磁制動技術下磁感應強度、磁場作用區間和連鑄拉速對板坯冶金效果的影響規律，他們認為區域型電磁制動器的磁極分布位置對結晶器內鋼水流動有顯著影響.

中上部區域型電磁制動技術的磁場主要作用在水口出流的上方區域，旨在控制上返流股速度，但其相關研究和實機裝置應用相對較少.Cho等［50］的研究結果表明，與第一代區域型電磁制動器和水口區域性電磁制動器相比，此類電磁制動器的磁極體積增大，所產生的穩恒靜磁場可均勻地覆蓋結晶器中上部的寬面區域；該電磁制動技術所形成的電磁力能夠穩定彎月面，但過強的磁場會增大下返流的沖擊深度，并使氣泡和夾雜物進入液相穴深處而難以上浮.

對于射流型電磁制動技術而言，它的磁極布置方向平行于水口出流方向.王寅等［51］通過超聲多普勒測速儀獲得了水口區域型電磁制動裝置下液態汞流速的分布規律.研究結果表明：射流型電磁制動器的磁極可以覆蓋水口出口的整個區域，且磁極布置角度與水口傾斜角一致，磁場作用區域可完全覆蓋浸入式水口側孔出流，這使得鋼液流股可以最大程度地穿過靜磁場作用范圍.從圖7與圖8可知：當應用全幅一段電磁制動器時，水平方向流速為-0.32 m／s，液面最大湍流強度為0.070 m2／s2；與全幅一段電磁制動相比，施加射流型電磁制動后的流速和湍流強度分別降至-0.19 m／s和0.054 m2／s2，分別降低了約40.6%和22.9%.這表明射流型電磁制動對液面處水平流速的制動效果更加顯著，且能大幅度減弱水平湍流強度，提高液面流動的穩定性.

圖7 不同電磁場下結晶器內速度分布［51］Fig.7 Velocity distribution at different magnetic field［51］

圖8 射流型與全幅一段液面水平流速與湍流對比［51］Fig.8 Comparisons of the flow velocities along the meniscus and turbulent intensities［51］

2012年，Li，Xu及李菲等［69-72］采用立式磁極以彌補第一代區域性電磁制動器在結晶器上作用區間小的缺點，形成了立式區域型電磁制動技術（V-EMBr），并通過數值模擬方法研究了拉速、水口浸入深度和磁場強度等工藝參數對結晶器內流場的影響.由圖9可知，磁感應強度隨直流電強度的增加而增大，且在磁極覆蓋區域內沿鑄坯的豎直方向均勻分布，4個最大磁感應值都出現在窄面區域附近.由圖10可知，自由液面處的鋼液流速隨著靜磁場強度的增加而降低，在施加立式電磁制動后，液面最大速度降至0.25 m／s，降低了約50%.這表明該制動技術既能夠有效降低水口出流鋼液對結晶器窄面的沖擊，又能控制結晶器彎月面的穩定.

圖9 不同直流電下磁感應強度［72］Fig.9 Distribution of magnetic flux density at different DC［72］

圖10 磁感應強度對自由液面速度的影響［72］Fig.10 The effect of magnetic flux density on flow velocity of free surface in mold［72］

自20世紀80年代電磁制動技術開發至今，第一代區域型、射流型，以及立式區域型電磁制動器均是關注水口和上、下循環的單一區域制動效果，而難以實現結晶器內全域鋼液流動的調控.達涅利公司率先針對薄板坯高拉速連鑄提出了分區域電磁制動技術［53］.法國Rotelec公司設計制造了MM-EMBr電磁制動器原型，并開展了低熔點Bi-Sn合金連鑄試驗.試驗結果表明，當施加MMEMBr電磁制動后，彎月面波動減少，鋼液流動穩定，控流效果顯著.

2019年，河鋼集團唐鋼公司引進了法國Rotelec公司制造的MM-EMBr型電磁制動器，并在FTSC薄板坯連鑄機上開展了1 500 mm斷面中碳鋼SS400薄板坯連鑄工業的應用研究［54］.從圖11中的試驗結果可看出：隨著拉速的提高，彎月面附近流速整體呈升高趨勢；當拉速為5.2 m／min時，流速升高得尤為明顯；在電流為300 A的條件下，表面流速約為0.33 m／s，增大制動電流，流速隨之降低；當拉速增至5.8或6.0 m／min、制動電流增至800 A左右時，彎月面附近流速可基本維持在0.3 m／s左右.由此得出，當FTSC薄板坯連鑄機最高拉速由原4.5 m／min提升至6.0 m／min時，結晶器內鋼渣界面的波動控制較為穩定，鑄坯質量良好.

圖11 拉速和電磁制動電流對結晶器鋼水表面流速的影響［54］Fig.11 Effect of casting speed and electromagnetic braking current on surface velocity of molten steel in mold［54］

3.2 全幅一段電磁制動技術

為解決第一代區域型電磁制動器的磁極體積小、靜磁場覆蓋范圍小、制動效果不足的缺點，全幅一段電磁制動技術應運而生.該技術將一對水平矩形磁極沿板坯結晶器寬面的方向放置，磁場方向則垂直于結晶器的寬面并覆蓋整個結晶器的寬面與窄面，以此增強制動效果.針對全幅一段電磁制動技術，學者們采用實驗和數值模擬等方法對結晶器內流場、氣泡及夾雜物的運動行為、磁場與浸入式水口工藝匹配度等進行了深入研究.

2001年，Yamamura等［73］利用數值模擬方法，研究了全幅一段電磁制動技術對結晶器內鋼液流動的影響，并利用液態汞進行了實驗驗證.研究結果表明，該電磁制動技術可有效解決區域型電磁制動器的靜磁場覆蓋面小和在結晶器寬面上分布不均勻的問題，同時還可促進結晶器內形成“活塞流”，從而獲得更穩定的液位控制.后續，Li等［74］研究了全幅一段電磁制動技術下薄板坯連鑄結晶器內的渦流現象.研究結果表明，該電磁制動技術可以有效抑制水口出口附近產生二次渦流，但不能完全消除渦流.Yu等［75］則探索了該電磁制動技術下吹氬工藝對結晶器內夾雜物去除的影響.他們發現：當僅施加電磁制動時，直徑為5～50μm和150μm的夾雜物上浮去除率分別為3.3%和27.8%；當電磁制動與吹氬共同作用時，兩種直徑的夾雜物上浮去除率分別為12.2%和22.2%.這表明在電磁制動作用的基礎上，吹氬有利于夾雜物的去除.Charudhary和Singh等［76-77］采用LES大渦模擬方法，初步分析了磁場對結晶器內鋼液瞬態流動行為的影響.他們發現磁場的作用位置對結晶器內鋼液流場影響較大，而磁極安裝位置的不合理也會惡化結晶器內鋼液的流動行為.Garcia-Hernandez等［78］詳細分析了磁極位置對板坯連鑄結晶器內鋼液制動效果的影響.研究結果表明，當磁極布置于水口上方時，流股與靜磁場相互作用的面積較小，所產生的制動力僅為磁極位于水口出流附近所產生制動力的1／10（見圖12）.

圖12 速度與洛倫茲力分布圖［78］Fig.12 Velocity contours without EMBr［78］

此外，諸多鋼鐵企業也對全幅一段電磁制動技術進行了不斷的改進和創新.其中，最新一代的改進型全幅一段制動器當屬“碗形”電磁制動器.2018年，韓國浦項鋼鐵公司為進一步提升CEM?薄板坯連鑄機的拉速和鑄坯質量，開發了“碗形”電磁制動器.該電磁制動器的磁極布置方式及形狀可根據浸入式水口的變化而改變，并利用彎月面液面高度差ΔH和彎月面處鋼液最大流速Vmax兩個主要參數對“碗形”電磁制動器的控流效果進行評價.由圖13可知，隨著拉速的提升，ΔH和Vmax逐漸增大.與無磁場相比（B＝0），施加靜磁場后（B＝0.35 T）ΔH和Vmax分別降低了45%和40%左右.浦項鋼鐵公司根據CEM?薄板坯連鑄機生產經驗，認為彎月面處最大速度Vmax處于0.1～0.38 m／s最為適宜.在應用“碗形”電磁制動器后，韓國浦項鋼鐵公司的CEM?薄板坯連鑄機拉速提升至6.5 m／min以上.

圖13 電磁制動與拉速對液位高度差和最大速度的影響［57］Fig.13 Effects of casting speed and EMBr onΔH and V max［57］

3.3 全幅二段電磁制動技術

隨著高拉速連鑄技術的進一步發展，全幅一段電磁制動技術已經開始無法滿足高拉速板坯連鑄機的制動需求.有研究發現，全幅一段電磁制動技術的制動效果受磁極布置方式及水口出口傾斜角度和浸入深度影響較大，且當磁場強度過大，會導致彎月面波動加劇.在全幅一段電磁制動技術的基礎上，為達到抑制液面波動的目的，日本川崎制鐵公司在彎月面附近增設了一個條形磁極，全幅二段電磁制動技術及裝置至此被研發面世，即FC MoldⅠ.之后，學者們圍繞著板坯結晶器內鋼液的制動效果，對全幅二段技術的升級與其磁場的改造展開了大量研究.

1993年，日本JFE公司的Idogawa等［79-80］采用數值模擬和汞模型實驗相結合的方法，闡述了在全幅二段電磁制動技術下磁場分布對結晶器內鋼液流動的影響規律.研究結果表明：全幅二段電磁制動器的兩個靜磁場分別放置于彎月面和水口下方區域；與全幅一段電磁制動器相比，該制動裝置在降低彎月面的鋼液流速和抑制結晶器下返流的沖擊深度等方面更加有效；在該制動技術下，彎月面附近流速減弱了80%，渣金界面波動幅度降低了30%，鋼液侵入深度也減小了50%.在此理論的研究基礎上，日本川崎制鐵公司在千葉3號連鑄機開展了FC MoldⅠ冶金功效的工業試驗.試驗結果表明：全幅二段電磁制動技術可同時對彎月面和下返流流動進行調控，且控流效果顯著；在連鑄拉速提升的同時，鑄坯質量也得到有效控制.后續，李寶寬等［81］進一步研究了全幅二段制動技術（FC MoldⅠ）下吹氬對板坯結晶器內鋼液流動行為的影響.研究結果表明，當電磁制動與吹氬共同作用時，由于氣泡的浮力作用，主流股略微抬升，氣泡的穿透深度和上浮路徑均明顯縮短.近年來，Wang等［82］研究了FC MoldⅠ對連鑄板坯全流程的鋼液流動和凝固行為的影響.由圖14可知，在應用FC Mold技術后，凝固末端形貌在橫向方向上呈對稱分布，且凝固終點最大可提前約0.2 m.

圖14 在不同的靜磁場強度下凝固終點［82］Fig.14 Solidification ends under different MF conditions［82］

瑞典ABB公司對全幅二段電磁制動器（FC MoldⅠ）進行升級改造，形成了FC MoldⅡ電磁制動技術.學者們針對該電磁制動技術也開展了大量研究工作.其中，賈皓等［83］通過物理實驗開展了FC MoldⅡ上、下區磁場匹配對金屬熔液流動行為的研究.他們通過最小二乘法擬合實驗數據，獲得了上、下區磁場強度匹配與連鑄拉速之間的定量關系式（見式7），為板坯FC MoldⅡ的工藝設計提供了參考依據.

從圖15中可看出，當FC MoldⅡ上、下區磁場強度匹配B1／B2≤1時，隨著連鑄拉速的升高，B1／B2值也應該隨之增大，這樣才能確保結晶器內獲得穩定的“雙循環”流.鄧小旋等［84］在首鋼京唐3號雙流板坯連鑄機上開展工業試驗，探究了在1.6 m／min拉速下FC MoldⅡ對結晶器液面波動和鉤狀坯殼的影響.研究結果表明，在使用FC MoldⅡ后，彎月面波動幅度減小，卷渣率降低，鉤狀坯殼深度由2.3 mm降至1.7 mm.

圖15 磁場與連鑄拉速的匹配［83］Fig.15 Correlation of magnetic field intensity match and casting speed［83］

近期，ABB公司又在現行FC MoldⅡ的基礎上，研發出多模式電磁制動器FC MoldⅢ［85］.該制動器的上部線圈既可以利用靜磁場來控制鋼液流速、抑制彎月面波動，也可以利用交變磁場不斷沖刷凝固前沿，降低鑄坯的皮下缺陷；而下部線圈可以抬升主流股，減小鋼液的侵入深度，減少鑄坯內部質量的缺陷.自此，為了適應現代連鑄機功能兼容性強、控制穩定性要求高的要求，FC Mold電磁制動技術朝著多模式及靜磁場與交變磁場協調工作的方向發展.韓國浦項鋼鐵的Han等［86］通過數值模擬方法，研究了FC MoldⅢ對板坯連鑄結晶器內鋼液流動行為的影響（見圖16與17）.研究結果表明：在行波磁場作用下，鋼液下循環的最大流速比無磁場時升高約25%；在靜磁場的作用下，結晶器內下循環流渦心上移，水口出流附近鋼液流速降低約50%；在FCMoldⅢ組合模式下，彎月面下方不同截面處都能形成明顯的順時針流動.Sun等［87］研究了FC MoldⅢ電磁制動技術下結晶器渣金界面波動行為.研究結果表明，在FC MoldⅢ組合模式下，彎月面處的最大波峰高度維持在5 mm左右，最大流速由0.384 m／s升至0.528 m／s（見圖18）.

圖16 在寬面的分析區域處的鋼水速度分布［86］Fig.16 Velocity profile of the molten steel at the analysis area of the broad face［86］

圖17 FC MoldⅢ下結晶器內鋼液速度分布［86］Fig.17 Velocity profile of the molten steel of mold at FC MoldⅢ［86］

圖18 不同電磁強度下液面波動和流速圖［87］Fig.18 Level profile and surface velocity in the slab mold under different electromagnetic［87］

針對實機裝配的多模式電磁制動裝置（FC MoldⅢ），ABB公司還開展了結晶器液面波動、彎月面流速及鑄坯質量分析研究［65］.研究結果表明：隨著拉速的提高，結晶器內液面波動逐漸加劇（見圖19）；在開澆20 min后，FC-MoldⅢ的動態控流系統依據結晶器內鋼液的湍流強度自動開啟組合模式，彎月面波動幅度由1.47 mm降到0.97 mm，液面波動指數F降低了27%左右.冷軋板卷缺陷統計表明，在使用FC MoldⅢ后，冷軋板卷的夾渣物缺陷率由0.68%降至0.14%（見表6）.

表6 FC MoldⅢ對板卷夾渣物缺陷的影響［65］Table 6 Effect of FC Mold on the amount of coils with inclusion defects［65］

圖19 FC MoldⅢ組合模式下結晶器內流動［65］Fig.19 Simulated flow field of mold under combine of FC MoldⅢ［65］

4 連鑄結晶器電磁自動化控流系統

為了實現結晶器內鋼液流動的自動化控制，日本NKK公司［88］開發了利用結晶器內液面波動指數F調控MM-EMS工作模式的開放式電磁控流系統.圖20為MM-EMS自動化控制系統流程圖.該控流系統先利用浸入式水口結構、結晶器寬面、拉速及吹氬流量等參數來計算液面波動指數F，再根據計算得到的F選擇適宜的MM-EMS工作模式（EMLS模式和EMLA模式）及每個線圈的電流與頻率值，最后F值每間隔5 s進行一次修正，使MM-EMS電磁場強度可得到有效調控，達到合理控流的目的.

圖20 MM-EMS自動化控制系統流程圖［88］Fig.20 Flow chart of automation control system of MM-EMS［88］

2015年，比利時ArcelorMittal公司根據卡門渦街測速原理，研發了SVC彎月面流速檢測裝置（sub-meniscus velocity control，SVC）［89-92］，該測速設備由SVC扭矩傳感器和耐火探頭構成，如圖21所示.

由圖21可知，彎月面處的鋼液會對浸入其中的耐火探頭產生曳力，進而推動探頭的轉動桿偏轉產生扭矩.安裝在探頭上方的SVC扭矩傳感器實時獲取扭矩信息，并可根據曳力與扭矩之間的關系式獲得彎月面處鋼液流速.具體關系式如下：

圖21 Arcelor Mittal用于測量彎液面速度的SVC傳感器的示意圖和現場應用照片［89］Fig.21 Schematic and photo of the SVC device used in Arcelor Mittal to measure meniscus velocity［89］

式中：Fdrag為探頭所受曳力；ρ為鋼液密度；CD為鋼液與探頭耐火材料的阻力系數；A為浸入鋼液中探頭的投影面積；V為探頭測量的鋼液平均流速；T為扭矩；L為力臂.

后續，ArcelorMittal公司將SVC彎月面流速檢測設備與Rotelec公司生產的MM-EMS多模式電磁攪拌器相關聯，初步構建了一套以彎月面流速為評價依據的檢測與控流一體化的自動控制系統，并在ArcelorMittal Gent 2號連鑄機進行了工業應用.由圖22可知：ArcelorMittal公司根據長期生產經驗在系統中設定彎月面臨界流速Vc為30 cm／s；當控制系統通過SVC測速設備獲取的V小于臨界流速Vc時，MM-EMS多模式電磁攪拌器自動開啟EMLA加速工作模式，使彎月面處于活躍狀態；當V大于Vc時，MM-EMS電磁攪拌器自動開啟EMLS減速工作模式，以達到穩定液面波動目的.

圖22 系統根據彎月面速度調控MM-EMS的工作模式及線圈電流［89］Fig.22 System controls the working mode and coil current intensity of MM-EMSbase on meniscus velocity［89］

初期的連鑄電磁自動化控流系統整體流程簡單、操作便捷，但參考值單一，且計算F值或測量V值也僅考慮彎月面附近鋼液流動情況，這導致無法評估整個結晶器內鋼液的湍流特性.隨著高效連鑄技術的發展，此類系統已經無法滿足高拉速連鑄的電磁控流需求.為了進一步明確結晶器內鋼液的流動特性與外在磁場強度之間的定量關系，并構建在線監測與控流相結合的閉環控制系統，ABB等公司針對此類控流系統提出了兩個主要的特征參數：結晶器參數Mo與磁作用系數IA.

結晶器參數Mo主要評估結晶器內的流動強度，表征彎月面處鋼液流速的強弱.當連鑄拉速提高時，澆鑄速度的提升會導致Mo增大，結晶器內流動強度增強，湍流和液位波動也隨之增大.在這種情況下，就需要更大的電磁力來穩定鋼液流動模式.結晶器參數Mo的計算公式如下：

式中：Vc為拉速；Q為通鋼量；ρ為鋼液密度；g為重力加速度，D為板坯的厚度；W為板坯寬度；Mo通常推薦在0.05～60.

磁作用系數IA是用來表征磁場電磁力和鋼液動量之間關系的無量綱參數，優化此參數可以有效地調整電磁力大小來控制結晶器內鋼液的湍流強度，進而降低連鑄坯內部缺陷.磁作用系數IA的計算公式如下：

式中：U為水口出口的鋼液平均流速；IA通常推薦在0～100.

高拉速連鑄會導致Mo增大，此時需要調控攪拌器的頻率參數值或采用帶有直流模式的制動器來穩定流場和抑制液面波動.而調控IA值可以有效地降低水口出口處鋼液流速，并保持彎月面附近鋼液的流速維持在0.2～0.4 m／s.為保證高拉速連鑄結晶器液面控制的穩定性，結晶器控流系統應根據連鑄工藝條件實時調整電磁控流參數.圖23為ABB公司連鑄電磁自動化控流流程圖［65］.由圖可知，自動化系統通過識別連鑄操作參數（如板坯斷面尺寸、拉速、水口參數、鋼種銅板厚度和吹氬量等），實時計算結晶器內鋼液的流速與湍流強度，預測每個電磁線圈所需要的電流強度與頻率，進而向電磁控流裝置下達相應的電磁控流指令.

圖23 ABB自動化控制系統流程圖［65］Fig.23 Workflow diagram of automation control system of ABB［65］

圖24為ABB公司最新推出的集連鑄結晶器內鋼液流動實時監測和自動控制為一體的FC Mold電磁控流自動控制系統.該系統采用OptiMold監測傳感器實時獲取連鑄結晶器銅板溫度分布，進而預測彎月面流速、液面波動和偏流等鋼液流動特性，并以此信息為基礎快速調整電磁操作參數，實現連鑄結晶器內鋼液流動模式、流速和液面波動的穩定控制，從而保持結晶器內鋼液初始凝固的均勻性，確保鑄坯質量.

圖24 FC Mold和OptiMold自動化控流系統流程圖［93］Fig.24 Workflow diagram of automation control system under FC Mold and OptiMold［93］

目前，歐洲塔塔鋼鐵公司在連鑄機上裝配了瑞典ABB公司生產的OptiMold傳感器和FC Mold電磁制動器，構成了在線監測-控流的閉環自動化控流系統［93-94］.圖25示出了不同磁場強度下OptiMold監測結晶器內的溫度分布.由于拉速較低，FC Mold僅開啟了位于水口附近的靜磁場來降低鋼液侵入深度和抬升主流股，此工況比無磁場時的彎月面溫度略高一些［見圖25（a）］.隨著拉速的提高，對結晶器內鋼液流動控制的穩定性要求隨之增加.當FC Mold上部磁場工作時，結晶器內溫度有所下降，位于結晶器上的OptiMold傳感器一旦監測到溫度降低，會反饋給FC Mold制動器，使其增強下方磁場強度，從而提高結晶器內彎月面溫度［見圖25（b）］.

圖25 不同磁場強度下OptiMold監測結晶器內溫度分布［93］Fig.25 Average vertical temperature distribution along OptiMold Monitor fibers for varying magnetic fields［93］

5 結論與展望

在“雙碳”戰略的指引下，我國急需通過調整產業布局、尋找可替代新能源和重塑生產工藝等來實現工業的綠色化發展。在鋼鐵行業中，尤其是在連鑄煉鋼領域，調整產品結構和創新工藝可達到提高生產效率和降低能耗的目的.因此，為進一步推動高效連鑄技術的發展與應用，國內外各大鋼鐵企業不斷探索、研發高拉速連鑄技術及裝備.然而，隨著拉速的提升，結晶器內液面波動明顯加劇、初始凝固條件惡化，導致卷渣、縱裂等鑄坯質量缺陷極易產生，甚至還會發生漏鋼事故，嚴重威脅著高效連鑄的穩定化運行.電磁制動技術作為高拉速連鑄結晶器內鋼液流動和液面波動穩定控制的重要手段，具有無污染和靈活控制的優點，現已被廣泛應用于高速板坯連鑄過程中，它為高質量連鑄坯的高效化生產提供了重要的技術保障.為適應高拉速連鑄機功能兼容性強和控制穩定性要求高的特點，結晶器電磁控流技術在電磁制動裝置和自動控流系統兩方面不斷完善.

（1）在電磁制動裝置方面：為了克服電磁制動技術受磁場作用區域限制的缺點，優化結晶器內鋼液流動行為，達到更合理、更有效的控流效果，已從早期區域型磁極布置（第一代區域型電磁制動裝置）逐漸向磁場覆蓋整個結晶器寬度的全幅型電磁制動（全幅一段和全幅二段電磁制動技術）發展；此外，在傳統電磁制動技術的基礎上，根據電磁制動技術的基本原理，冶金學者又提出了許多創新型的電磁制動裝置，推動了高拉速電磁制動技術的發展.

（2）自動控流系統方面：日本NKK公司較早地開發了基于結晶器液面波動指數F的連鑄電磁自動化控流系統，該系統能夠根據連鑄操作工藝的變化而實時調整MM-EMS運行模式和磁感應強度.但該系統監控參數單一，僅以F值為標準考慮彎月面附近鋼液流動情況，無法評估整個結晶器內鋼液的湍流特性；后續，比利時ArcelorMittal公司將SVC彎月面流速檢測設備與法國Rotelec公司生產的MM-EMS多模式電磁攪拌器相關聯，構建了一套以彎月面流速為評價依據的檢測與控流一體化的自動控制系統，實現了基于連鑄坯彎月面鋼液流速檢測的電磁控流技術；近期，瑞典ABB公司采用光纖溫度傳感系統（Optimold監測）實時監測結晶器銅板的溫度分布，進而間接預測結晶器內的鋼液流動速度、偏流和液面波動等鋼液流動特性，并與FC Mold電磁制動器的自動化控流相結合，開發了連鑄結晶器內鋼液流動實時監測和自動控制于一體的閉環控制系統，進一步釋放了動態電磁制動控流的潛能.

未來，高拉速連鑄電磁制動技術應向著多區域、多模式及靜磁場與交變磁場協調工作的方向發展，并將狀態感知、高性能計算、人工智能與過程控制相結合，研發高精度、低時延的連鑄在線監測與控流于一體的智能化電磁控流系統，以確保連鑄結晶器內鋼液流動模式、渣金界面穩定性和初凝坯殼均勻生長等精準控制，實現高拉速連鑄穩定和高質化生產.