于 湛 周月明 吳存有 張振強(qiáng) 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(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，上海 200072)

電磁制動(dòng)對(duì)結(jié)晶器流場(chǎng)及鑄坯表面質(zhì)量的影響

于 湛1周月明2吳存有2張振強(qiáng)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(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，上海 200072)

采用低熔點(diǎn)金屬模擬板坯電磁制動(dòng)條件下結(jié)晶器內(nèi)的流場(chǎng)，使用超聲多普勒測(cè)速儀測(cè)量不同磁場(chǎng)分布和磁感應(yīng)強(qiáng)度條件下的流速。結(jié)果表明，在試驗(yàn)條件下，采用上部磁場(chǎng)BU=0.18 T和下部磁場(chǎng)BL=0.5 T時(shí)，電磁制動(dòng)能夠增強(qiáng)上環(huán)流流動(dòng)，改善結(jié)晶器液面流動(dòng)和波動(dòng)。工業(yè)試驗(yàn)結(jié)果表明，采用IU=0，IL=Imax，有利于減少鑄坯表面缺陷。

電磁制動(dòng) 結(jié)晶器 磁場(chǎng)強(qiáng)度 表面質(zhì)量

鑄坯的表面和內(nèi)部缺陷與結(jié)晶器內(nèi)鋼液的流動(dòng)狀態(tài)密切相關(guān)[1]，有研究表明：鑄坯近80%的表面缺陷起源于結(jié)晶器[2]。因此，控制和改善結(jié)晶器內(nèi)鋼液的流動(dòng)對(duì)提高鑄坯的表面和內(nèi)部質(zhì)量至關(guān)重要。

采用電磁流體流動(dòng)控制(電磁制動(dòng))技術(shù)可以有效改善和控制結(jié)晶器內(nèi)鋼液的流動(dòng)，目前已經(jīng)發(fā)展到第三代，并在板坯連鑄中得到廣泛應(yīng)用[3]。第三代電磁制動(dòng)裝置由兩個(gè)覆蓋整個(gè)板坯寬度的水平磁場(chǎng)構(gòu)成。其中一個(gè)磁場(chǎng)放置在彎月面處，另一個(gè)磁通量相反地施加在浸入式水口的下方，可同時(shí)減小彎月面處的鋼液流速和結(jié)晶器下部鋼液的向下流速[3]。工業(yè)試驗(yàn)表明：采用流動(dòng)控制結(jié)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(chǎn)品質(zhì)量[3- 5]。數(shù)值模擬[6- 7]及物理模擬[8- 10]研究表明：電磁制動(dòng)能夠有效改善結(jié)晶器內(nèi)鋼液的流場(chǎng)，但電磁參數(shù)必須與澆注參數(shù)相匹配。

本文以板坯電磁制動(dòng)在使用過(guò)程中出現(xiàn)的質(zhì)量問(wèn)題為基礎(chǔ)，對(duì)不同磁場(chǎng)參數(shù)條件下結(jié)晶器內(nèi)金屬液的流動(dòng)進(jìn)行模擬試驗(yàn)，并使用超聲波多普勒測(cè)速儀測(cè)量金屬液的流速，研究磁場(chǎng)參數(shù)對(duì)結(jié)晶器內(nèi)流場(chǎng)的影響。最后根據(jù)模擬試驗(yàn)結(jié)果優(yōu)化現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)中的電磁參數(shù)，改善鑄坯表面質(zhì)量。

1 模擬試驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)原理

某煉鋼廠在使用第三代電磁制動(dòng)時(shí)，經(jīng)常出現(xiàn)鑄坯的表面質(zhì)量問(wèn)題，因此以該煉鋼廠板坯連鑄機(jī)為原型，進(jìn)行物理模擬試驗(yàn)研究。

根據(jù)相似第二原理，選用Froude準(zhǔn)數(shù)(Fr)和Stuart準(zhǔn)數(shù)(St)相等。計(jì)算模型與原型試驗(yàn)條件下的Reynolds準(zhǔn)數(shù)(Re)，均大于1×104～1×105，屬第二自?；瘏^(qū)，Reynolds準(zhǔn)數(shù)繼續(xù)提高對(duì)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(yàn)?zāi)Ｐ团c物理原型的Fr數(shù)和St數(shù)相等即可。

(1)

Fr準(zhǔn)數(shù)相等：

(2)

St準(zhǔn)數(shù)相等：

(3)

式中:下標(biāo)m、p分別表示模型、原型參數(shù)；ρ為流體密度，kg/m3；V為流體速度，m/s；l為特征長(zhǎng)度，m；g為重力加速度，m/s2；B為磁感應(yīng)強(qiáng)度，T；σ為液態(tài)金屬的電導(dǎo)率，(Ω·m)-1。

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

計(jì)算得到：

1.2 試驗(yàn)裝置

模擬試驗(yàn)裝置如圖1所示。該系統(tǒng)包括中間包、浸入式水口、結(jié)晶器、磁體和電磁泵- 控制閥- 流量計(jì)- 管路循環(huán)系統(tǒng)。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(nèi)液位的穩(wěn)定，使浸入式水口獲得穩(wěn)定的流速。試驗(yàn)中，通過(guò)電磁泵- 管道- 閥門- 流量計(jì)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)定量、穩(wěn)定的循環(huán)流，同時(shí)為減小水銀出流對(duì)結(jié)晶器內(nèi)流場(chǎng)的影響，試驗(yàn)所用的結(jié)晶器模型在高度上比原型結(jié)晶器增加600 mm，并在模型底部安裝二層多孔導(dǎo)流板，使液流均勻地流出。模型和試驗(yàn)參數(shù)見表1。

圖1 物理模擬試驗(yàn)裝置示意圖

表1 模型和生產(chǎn)參數(shù)

1.3 流速測(cè)量

坐標(biāo)系統(tǒng)以水口中心線和金屬液面相交點(diǎn)作為x和y坐標(biāo)原點(diǎn)。采用超聲多普勒測(cè)速儀測(cè)量結(jié)晶器中心面內(nèi)的水平和豎直流速。沿結(jié)晶器窄面中線安排19個(gè)測(cè)量點(diǎn)，用以測(cè)量結(jié)晶器模型內(nèi)水銀的水平流速，其中第一個(gè)測(cè)量點(diǎn)位于液面下5 mm，之后各點(diǎn)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(gè)測(cè)量點(diǎn)，用以測(cè)量結(jié)晶器模型內(nèi)水銀的垂直流速，其中第一個(gè)測(cè)量點(diǎn)位于距結(jié)晶器窄面7.5 mm處，之后各點(diǎn)依次以5 mm間距水平排布(見圖2)。

圖2 磁鐵、測(cè)量點(diǎn)示意圖

當(dāng)結(jié)晶器內(nèi)液流穩(wěn)定后開始測(cè)速，測(cè)量時(shí)間為200 s，取時(shí)均值作為該測(cè)點(diǎn)的速度。超聲波多普勒測(cè)速儀的測(cè)量參數(shù)見表2。

表2 超聲波多普勒測(cè)速儀的測(cè)量參數(shù)

1.4 數(shù)據(jù)處理

圖3(a)為結(jié)晶器模型中某一測(cè)量點(diǎn)在60 s內(nèi)的瞬態(tài)流速測(cè)量結(jié)果。由圖可見，即使在宏觀流動(dòng)已達(dá)到穩(wěn)態(tài)的情形下，結(jié)晶器內(nèi)特定測(cè)點(diǎn)處的流速和方向仍是不穩(wěn)定的(其中流速的正負(fù)表示方向的改變)，這是湍流運(yùn)動(dòng)的特點(diǎn)。因此通過(guò)時(shí)均化處理測(cè)量值，即時(shí)均速度來(lái)分析結(jié)晶器內(nèi)金屬液的流動(dòng)。如圖3(a)所示，該點(diǎn)流速的時(shí)均值為0.018 4 m/s。將測(cè)量方向上各測(cè)量點(diǎn)的平均流速連接起來(lái)，就得到該測(cè)量方向上各點(diǎn)的流速(時(shí)均值)分布，如圖3(b)所示。

圖3 瞬時(shí)速度和時(shí)均速度

2 試驗(yàn)結(jié)果及討論

2.1 物理模擬的磁場(chǎng)測(cè)量

為了在結(jié)晶器整個(gè)寬度上得到均勻的磁感應(yīng)強(qiáng)度，使磁鐵的長(zhǎng)度大于結(jié)晶器的寬度，磁體完全覆蓋在整個(gè)結(jié)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(jì)測(cè)量結(jié)晶器厚度中心面的磁感應(yīng)強(qiáng)度，結(jié)果如圖4所示(圖中磁感應(yīng)強(qiáng)度的正負(fù)表示上下磁極排布相反)。

表3 物理模擬的試驗(yàn)參數(shù)及條件

2.2 結(jié)晶器內(nèi)流場(chǎng)

圖4 結(jié)晶器內(nèi)實(shí)測(cè)的磁感應(yīng)強(qiáng)度分布

圖5為不同磁場(chǎng)分布條件下， 模擬試驗(yàn)所得的結(jié)晶器內(nèi)的流場(chǎng)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(wú)磁場(chǎng)及有磁場(chǎng)條件下，從浸入式水口射出的金屬液均形成很強(qiáng)的流股，并以一定的角度沖向結(jié)晶器壁，當(dāng)流體碰撞到器壁后分成沿著器壁向上和向下運(yùn)動(dòng)的兩路流股，形成典型的雙環(huán)流。其中，(1)無(wú)電磁制動(dòng)時(shí)，水口出流的最大流速為0.220 m/s，該流股達(dá)到結(jié)晶器窄面的最大水平流速為0.043 m/s。(2)當(dāng)BU=0 T和BL=0.5 T時(shí)， 水口出流的最大流速為0.150 m/s，該流股在運(yùn)動(dòng)中的向下擴(kuò)散和分流受到磁場(chǎng)的抑制，因此其主流保持較強(qiáng)的水平方向運(yùn)動(dòng)，達(dá)到結(jié)晶器窄面的最大水平流速為0.051 m/s(比無(wú)制動(dòng)磁場(chǎng)時(shí)明顯增高)；近窄面處的上環(huán)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(qū)域的液流流速變得相對(duì)均勻?？梢姡谙路降拇艌?chǎng)在結(jié)晶器寬度范圍里具有調(diào)節(jié)流速分布和增大上環(huán)流流量和流速的作用。(3)當(dāng)BL=0.5 T，上部磁場(chǎng)BU由0 T依次增加到0.08 T和0.18 T時(shí)，水口出流的流態(tài)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(kuò)散和分流均受到磁場(chǎng)的抑制，水口出流在較大范圍內(nèi)保持了流速的相對(duì)穩(wěn)定。達(dá)到結(jié)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(jié)晶器上部磁場(chǎng)的增強(qiáng)，彎月面處上環(huán)流受到抑制，其速率變小，液面復(fù)歸平靜；但由于結(jié)晶器窄邊附近的上環(huán)流流速和流量降低，致使向下環(huán)流增強(qiáng)，沿結(jié)晶器窄邊形成向下的“液流通道”(在該“通道”范圍內(nèi)，液流向下的流速明顯增大)，這使得結(jié)晶器內(nèi)下磁體下方的液流流速的均勻性降低，導(dǎo)致達(dá)到形成“活塞流”的位置下移。由此可見，上部磁場(chǎng)過(guò)強(qiáng)時(shí)，不利于鋼水在結(jié)晶器下部快速實(shí)現(xiàn)“活塞流”。

圖5 結(jié)晶器內(nèi)流場(chǎng)分布

圖6為結(jié)晶器液面的水平流速分布。由圖可見，(1)無(wú)制動(dòng)磁場(chǎng)時(shí)，液面水平最大流速為-0.072 m/s；(2)當(dāng)BU=0 T和BL=0.5 T時(shí)，水口出流會(huì)更快地進(jìn)入下部磁場(chǎng)區(qū)，由于受到電磁制動(dòng)作用，使得向下的流速降低，導(dǎo)致上環(huán)流區(qū)近窄面處的水銀流速增大，液面水平流速普遍增大(最大達(dá)到-0.099 m/s)；(3)當(dāng)BL=0.5 T保持不變，而上部磁場(chǎng)BU由0 T增加到0.08 T和0.18 T時(shí)，上部磁場(chǎng)對(duì)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(jié)晶器內(nèi)液面波動(dòng)情況。由圖可見，在有磁場(chǎng)和無(wú)磁場(chǎng)條件下，結(jié)晶器近窄面處的液面波動(dòng)幅度較大，這是上回流“沖擊”液面的結(jié)果。

圖6 結(jié)晶器液面水平流速

在無(wú)制動(dòng)磁場(chǎng)時(shí)，液面的平均波高為0.74 mm；當(dāng)BU=0 T和BL=0.5 T時(shí)，在靠近結(jié)晶器窄面處液面波動(dòng)有所加劇，其平均波高為1.01 mm；當(dāng)BL=0.5 T保持不變，上部磁場(chǎng)BU由0 T增加為0.08 T和0.18 T時(shí)，液面波動(dòng)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(shí)的液面波動(dòng)幅度小于無(wú)電磁制動(dòng)時(shí)的結(jié)果，這說(shuō)明前者結(jié)晶器內(nèi)液面的活躍度低于后者的。

3 現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)

3.1 現(xiàn)場(chǎng)磁場(chǎng)測(cè)量

為了解生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)結(jié)晶器內(nèi)的磁場(chǎng)分布，測(cè)量了現(xiàn)場(chǎng)連鑄機(jī)結(jié)晶器中心面的磁場(chǎng)強(qiáng)度，測(cè)量區(qū)域分別為結(jié)晶器中心和窄邊區(qū)域。測(cè)點(diǎn)沿結(jié)晶器和窄壁中心線排布，間隔50 mm，每組共設(shè)21個(gè)測(cè)點(diǎn)。采用CT3- A型特斯拉計(jì)，所測(cè)磁場(chǎng)分布方式包括：?jiǎn)为?dú)打開結(jié)晶器下部磁場(chǎng)電源并輸出到最大電流，同時(shí)打開結(jié)晶器上、下部磁場(chǎng)電源并均輸出最大電流。

測(cè)量結(jié)果顯示，單獨(dú)對(duì)電磁制動(dòng)裝置的下部線圈輸入最大電流時(shí)，結(jié)晶器中心軸線上、下部磁場(chǎng)中心所對(duì)應(yīng)位置的最大磁感應(yīng)強(qiáng)度為0.29 T，結(jié)晶器窄面中心線上的最大磁感應(yīng)強(qiáng)度為0.27 T，略低于結(jié)晶器中心區(qū)域的磁場(chǎng)強(qiáng)度；而此時(shí)，盡管電磁制動(dòng)裝置的上部線圈并未供電，但磁鐵相連導(dǎo)致該處仍有結(jié)晶器下部磁場(chǎng)強(qiáng)度1/2的場(chǎng)強(qiáng)(見圖8(a))。當(dāng)對(duì)結(jié)晶器電磁制動(dòng)裝置的上、下線圈全部供電且均輸入最大電流時(shí)，結(jié)晶器內(nèi)上、下部磁場(chǎng)對(duì)應(yīng)區(qū)域的最大磁感應(yīng)強(qiáng)度分別為0.29 T和0.25 T；同時(shí)結(jié)晶器中部與邊部的磁場(chǎng)強(qiáng)度基本相同(見圖8(b))。

圖7 結(jié)晶器內(nèi)液面波動(dòng)情況

圖8 連鑄機(jī)結(jié)晶器內(nèi)實(shí)測(cè)磁感應(yīng)強(qiáng)度

3.2 鑄坯表面質(zhì)量

根據(jù)模擬試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了不同電流參數(shù)的現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)試驗(yàn)。圖9為上部磁場(chǎng)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(shù)的統(tǒng)計(jì)，鑄坯試樣為同一爐。通過(guò)檢測(cè)，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(chǎng)線圈不通電時(shí)，鑄坯表面缺陷數(shù)量為230個(gè)；上部磁場(chǎng)線圈通以0.15Imax時(shí)，鑄坯表面缺陷數(shù)量增加到340個(gè)；上部磁場(chǎng)線圈通以0.3Imax時(shí)，鑄坯表面缺陷數(shù)量減少到300個(gè)?？梢姰?dāng)上部磁場(chǎng)線圈不通電時(shí)，鑄坯表面缺陷數(shù)量最少。鑄坯表面加工5 mm后，不同電流條件下的缺陷數(shù)量相差不大。當(dāng)生產(chǎn)拉速為1.3 m/min時(shí)，上部線圈不通入電流，對(duì)結(jié)晶器內(nèi)流場(chǎng)及液面波動(dòng)的改善效果最佳，有利于保護(hù)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(shù)

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(jié)論

從某煉鋼廠生產(chǎn)中的鑄坯表面質(zhì)量問(wèn)題出發(fā)，采用低熔點(diǎn)金屬開展模擬試驗(yàn)研究，探索不同電磁參數(shù)對(duì)結(jié)晶器內(nèi)鋼液流動(dòng)的影響規(guī)律。并根據(jù)模擬試驗(yàn)結(jié)果，優(yōu)化現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)中的電磁參數(shù)，得到以下結(jié)論：

(1)無(wú)電磁制動(dòng)時(shí)，在試驗(yàn)條件下，結(jié)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(dòng)和傳熱，以及保護(hù)渣的熔化，影響鑄坯表面質(zhì)量。

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

(3)由于鐵芯的連通性，即使只對(duì)鐵芯的下部線圈輸入電流，在結(jié)晶器內(nèi)仍會(huì)形成上下區(qū)磁場(chǎng)，其上下磁場(chǎng)強(qiáng)度比為1∶2。

(4)在現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)條件下，采用IU=0和IL=Imax電磁參數(shù)，能夠減少鑄坯表面缺陷數(shù)量，改善鑄坯表面質(zhì)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