連鑄機(jī)板坯寬度方向施加靜磁場后鋼液流動(dòng)狀況的探討

1、連鑄機(jī)板坯寬度方向施加靜磁場后鋼液流動(dòng)狀況的探討1.前言如果連鑄板坯內(nèi)含有Al2O3類簇狀?yuàn)A雜物，軋制后的鋼板會(huì)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(shí)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(jī)內(nèi)鑄坯鋼液的流動(dòng)，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(dòng)（下稱EMBR）技術(shù)。其中，M－EMS技術(shù)主要是通過對(duì)鋼水進(jìn)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(duì)鑄坯表層部的凝固界面進(jìn)行沖刷，能有效地減少會(huì)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(dòng)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(shí)，鋼水中的夾雜物也會(huì)隨鋼水流進(jìn)入結(jié)晶器內(nèi)。結(jié)果，夾雜物會(huì)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(shí)，距鑄坯表面

3、20mm以上深的內(nèi)部夾雜物也會(huì)危害產(chǎn)品質(zhì)量。有文獻(xiàn)報(bào)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(xiàn)報(bào)道，在高速澆鑄時(shí)采用EMRB能力有防止保護(hù)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(gè)板坯寬度上的夾

4、雜物的新型EMBR，并對(duì)鋼液流動(dòng)的狀況進(jìn)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(duì)舊型和新型EMBR進(jìn)行了數(shù)值計(jì)算和采用液體鎵的模型實(shí)驗(yàn)，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(jì)算方法對(duì)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(dòng)的效果進(jìn)行了研究，同時(shí)為驗(yàn)證其計(jì)算精度，進(jìn)行了以下

5、計(jì)算：（1）使用不同EMBR時(shí)不同鋼液的流動(dòng)計(jì)算（實(shí)機(jī)）（2）采用液體鎵驗(yàn)證流動(dòng)解析精度的模型實(shí)驗(yàn)計(jì)算（實(shí)機(jī)的16)在實(shí)機(jī)計(jì)算時(shí)，對(duì)將厚度方向的磁場作用于整個(gè)板坯寬度的Ruler型EMBR，研究了磁極位置和結(jié)晶器寬度對(duì)向下流速控制效果的影響。另外，在模型實(shí)驗(yàn)時(shí)，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(dòng)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(jì)算在靜磁場下熔融金屬的流動(dòng)，因此先對(duì)靜磁場的分布進(jìn)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(dòng)渦電流進(jìn)行聯(lián)立計(jì)算。為評(píng)價(jià)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(dòng)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(dòng)的電流。2.2模型實(shí)驗(yàn)方法通過實(shí)驗(yàn)，研究了采用新型EMBR對(duì)鋼水向下流速的控制效果，同時(shí)為驗(yàn)證數(shù)值計(jì)算的精度進(jìn)行了模型實(shí)驗(yàn)。與計(jì)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(dòng)平行的電磁力，就需要的垂直于流動(dòng)的磁通密度和垂直于流動(dòng)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(huì)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(shí)和把磁極設(shè)置在下方時(shí)，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(huì)直接作用于流出流體。因?yàn)樵诹鞒鲶w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(huì)直接作用于流出流體，只會(huì)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(dòng)，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(shí)，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(shí)，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(shí)，采用EMBR

10、減少板坯內(nèi)部夾雜物的效果會(huì)變小。另外，當(dāng)寬度窄，且磁極位置處于上方時(shí)，由于靜磁場會(huì)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(shí)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(shí)產(chǎn)生的電磁力，控制流動(dòng)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(diǎn)，舊型EMBR和新型EMBR上相同的。即，采用以往EMBR時(shí)，由于靜磁場作用于板坯厚度方向，因此板坯寬度兩端部會(huì)出現(xiàn)電磁力弱的區(qū)域。另一方向，采用新型EMBR時(shí)，由于靜磁場作用于板坯寬度方向，因此板坯厚度兩端會(huì)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(huì)變快。但是，在連鑄板坯時(shí)，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(dòng)時(shí)會(huì)形成大的流動(dòng)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(dòng)時(shí)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(rèn)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(dá)到均勻。5.結(jié)束語通過數(shù)值計(jì)算和液體模型實(shí)驗(yàn)，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(shí)，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(shí)，采用舊型EMBR控制向下流速的效果差；（3）采用舊型EMBR時(shí)，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(shí)，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