（冶金工程专业论文）重钢方坯连铸结晶器电磁搅拌数值模拟及应用研究.pdf

中文摘要 摘要 电磁搅拌是对金属凝固过程进行控制的一种有效手段，有着广泛的应用和深 厚的工业基础。方坯结晶器电磁搅拌通过电磁感应实现能量无接触转换，将电磁 能转换为钢水的旋转动力，推动钢水旋转运动，改善钢水凝固组织及连铸坯内部 结晶状态，从而提高连铸坯质量。 重钢炼钢厂在l 挣、5 群方坯连铸机上虽已实现了结晶器电磁搅拌工艺技术，但 随着1 撑、5 椭机品种数量增加，产量扩大，拉速进一步提高，电磁搅拌强度如何 与连铸工艺参数配合，更好地满足铸坯质量要求，都有待进一步研究。该项目的 研究将为重钢结晶器电磁搅拌技术的合理应用提供理论及实践基础。 为研究结晶器电磁搅拌磁场的分布特征，理论计算最佳搅拌电流频率，利用 k a n e t o et m 6 0 1 高斯计对重钢断面为1 5 0 m i n x l 5 0 m m 与1 5 0 m m x 2 1 0 m m 的方坯结 晶器电磁搅拌磁场进行了测试与分析。测试结果表明，在结晶器铜套材质与壁厚、 电磁搅拌器与及其安装位置选定时，磁场的空间分布与搅拌电流、频率、结晶器 断面等因素有关系。在结晶器轴向方向，磁感应强度有中间大，两头小的规律。 两个断面的磁感应强度最大值均位于h = 5 0 0 m m 位置附近，即搅拌器中心位置。在 结晶器两端及磁感应强度较弱的区域，壁面处磁感应强度值与中心处的值几乎相 等。在磁感应强度强的轴向中心区域壁面处磁感应强度值比对应中心处的值略大， 且随磁感应强度的增大，壁面与中心的磁感应强度之间的差值也在增大。对于 1 5 0 m m x l 5 0 m m 及1 5 0 m m x 2 1 0 m m 断面，获得最大电磁力的频率为4 h z 。测试实 验结果对于研究结晶器电磁搅拌装置的磁场分布、电磁搅拌力、钢液的旋转、流 动和搅拌工艺制定都具有指导意义。 本文基于m a x w e l l 电磁场理论，采用数值模拟和实验相结合的方法，对方坯 结晶器电磁搅拌流场进行模拟研究。根据麦克斯韦尔方程得到了电磁力的解析形 式，应用纳维尔斯托克斯方程描述了金属熔体的速度场，并应用f l u e n t 软件来 进行数值模拟。通过模拟得到了电磁力场作用下流体速度场的分布。 为分析结晶器电磁搅拌对连铸坯质量的影响，在重钢现场进行了工厂试验对 不同钢种在不同电磁搅拌工艺参数下，进行了铸坯取样，对其铸坯样进行了低倍 下中心偏析、中心缩孔、中心疏松等缺陷的评级。在金相显微镜下观察了试样的 夹杂物类型、形态、数量、分布规律，并使用能谱分析确定出夹杂物成分。综合 考虑对比不同电磁搅拌强度与铸坯质量的关系，得出最佳电磁搅拌电流强度。 关键词：方坯，结晶器，电磁搅拌，工艺参数，数值模拟，铸坯质量 英文摘要 a b s t r a c t e l e e t r o m a g n t i cs t i r r i n gw h i c hi so n eo ft h ee f f e c t i v em e t h o d sf o rc o n l z o l l i n g s o l i d i f i c a t i o no fm e t a l ，h a sal a r g e - s c a l ea p p l i c a t i o na n dp r o f o u n dm d u s t r i a lb a s e t h e m e c h a n i s mt h a tm e m si n l p 刚韶s o l i d i f y i n gs t r u c t u r ea n ds t r a n d sq u a l i t yi si n t e n s i v e f l u i dr o t a t i n gm o v e m e n tb ym e a n 8o fe l e e t r o m a g n f i ci n d u c t i o nw h i c ht r a n s f o r m s e l e e t r o m a g n t i ep o w e ri n t oe l e c t r o m a g n e t i cf o r c et h a ti m p e lt h el i q u i dm e t a lt o s t i r 舢l v a b l y m e m st e c h n o l o g yh a sb e e nc a r r i e do u to nn o 1a n dn o 5b i l l e t se a s t e ri n c h o n g s t e e l b u tw i t ht h ei n c r e a s eo fs t e e lb r a n d sa n dc a s t i n gs p e e d 。f u r t h c rs t u d ym u s t b e d o n et om a l 【es u r et h eb e t t e rm a t c 由培b e t w e e nm e m sp r o c e s sp a r a m e t e ra n db i l l e t q u a l i t y t h i ss t u d yw i l lp r e s e n tat h e o r ya n dp r a c t i c ef o u n d a t i o nt oh e l pm e m sb e a p p l i e dp r o p e r l ya tc h o n g s t o e l i no r d e rt oe x p l o r em a g n e t i cf l u xd i s t r i b u t i o nw i t hm - e m sa n dc o m p u t a t i o ni n t h e o r yo fs t i r r i n gf r e q u e n c y , m a g n e t i cf i e l di nt h em o l d ss c a l e d1 5 0 m i n x1 5 0 r a ma n d 1 5 0 m m x 2 1 0 m mb i l l e t sw e r em e a s u r e da n da n a l y z e d t h er e s u l t si n d i c a t e dt h a tt h e d i m e n s i o n a lm a g n e t i cf l u xd i s t r i b u t i o nw a sr e l a t e dt om - e m sc u r r e n ta n df r e q u e n c ya s w e l la st h ec r o s ss e c t i o no ft h em o l dw i t ht h es a n l em a t e r i a la n dw a l lt h i c k n e s s ，t h e s a m es t i r r e ra n di t si n s t a l l e dl o c a t i o n t h ev a i u e so f m a g n e t i cf l u xr e a c h e di t sm a x i m u m i nt h em i d d l ep l a n eo fs t i r r e ra n db e c a m es a m l l e rt o w a r d st h ee n dp l a n eo fm o l d m a g n e t i cf l u xd e n s i t yo f c e n t e ra n dw a l la tt h et o pa n db o t t o mo f m o l da l ea l m o s te q u a l t oe a c ho t h e r b u tt h ed i f f e r e n c eb e t w e e nt h e mi n c r e a s e dg r a d u a l l yf z o mc e n t e rt oe d g e a tt h em o l dh o r i z o n t a ls e c t i o n a n dt h i sk i n do fd i f f e r e n c el a r g e n e dw i 也c u r r e n t i n c r e a s e d t h eo p t i m a lf r e q u e n c yf o r1 5 0 m m x l 5 0 m ma n d1 5 0 m m x 2 1 0 m mc a s t i n g b i l l e ta l eb o t h4 h z t h er e s u l t sw c i ev e r yh e l p f u lt or e s e a r c ht h ed i s t r i b u t i o no ft h em a g n e t i cf i e l d ， e l e c t r o m a g n e t i cs t i r r i n gf o r c e , r o t a t i o no fl i q u i ds t e e l ，a n dd e s i g no fm e m sp r o c e s s p a r a m e t e r b a s e d m a x w e l le l e c t r o m a g n e t i ct h e o r y , t h ef l u i df i e l dw i t hm e m sf o rb i l l e t s w a ss t u d i e db ym e a n so f n u m e r i c a ls i m u l a t i o nc o m b i n e dw i t he x p e r i m e n t t h i sp a s s a g e g a i n e da n a l y t i ce l e c t r o m a g n e t i cf o r c eb ym a x w e l le q u a t i o n sa n dd e s c r i b e st h ev e l o c i t y f i e l db yn o v i e r s t o k 髓e q u a t i o n s f l u e n ti sa p p l i e dt oo b t a i nt h ev e l o c i t yf i e l d c o n t r o l l e db ye l e c t r o m a g n e t i cf o r c e t h ei n d u s t r i a le x p e r i m e n t s0 1 1t h ee f f e c t so fm e m so nt h eq u a l i t yb i l l e t sw e r e i n 重庆大学硕士学位论文 c a r d e do u t g r a d eo ft h ed i f f e r e n ts t e e lg r a d e sb i l l e t so ne e n 拄a ls e g r e g a t i o n , e e n 仃a l s h r i n k a g e a n dc e n t r a l p o r o s i t yw e l e e v a l u a t e dw i t hd i v c r s a de m sp a r a m e t e r s i n c l u s i o n so fs a m p l e si n c l u d i n gt h et y p e , f o r m , q u a n t i t y , s i z ea n dd i s t a i b u t i o no ft h e m w o r eo b s e r v e dw i mm i c r o s c o p ea n dt h ec o m p o s i t i o no f t h e mw e l ec o n f i r m e dw i l l le d s t h eo p t i m a le m sp a r a m e t e r sw f f f eo b t a i n e db ys y n t h e t i c a l l yc o m p a r i n gt h er e l a t i o n b e t w e e ne m si n t e n s i t ya n ds t r a n d sq l l a l i t y k e y w o r d s ：b i l l e t s ，m o l d , e l e c t r o m a g n e t i cs t i r r i n g , p r o c e s sp a r a m e t e r , n u m e r i c a ls i m u l a t i o n , s t r a n dq u a l i t y i v 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取 得的研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文 中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得重麽盔堂 或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本 研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文作者签名：再孓乳签字日期：细7 年年月加日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解重庆太堂有关保留、使用学位论文的 规定，有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许 论文被查阅和借阅。本人授权重鏖太堂可以将学位论文的全部或部 分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段 保存、汇编学位论文。 保密() ，在年解密后适用本授权书。 本学位论文属于 不保密( ) 。 ( 请只在上述一个括号内打“”) 学位论文作者签名：同屯 签字日期：油7 年年月加日 导师签名：声茸 签字日期：a a o 年斗月沙日 1 绪论 1 绪论 1 1 国外连铸工艺及相关技术的发展 连续浇注液体金属的设想在1 5 0 多年以前就己提出，受当时条件的限制，塞 勒斯( g e s e l l e r s ) 等人提出的一些设想只能用于低熔点有色金属，如铅的浇注【l 】。最 早关于类似现代连铸设备的建议是1 8 8 7 年由德国人戴伦限m o a e l e n ) 提出的。在 他们的设备中包括有水冷的、上下口敞开的结晶器、液态金属流的注入，二次冷 却段、引锭杆、夹棍和铸坯切割装置等设备和工艺【2 】。但此前阶段钢坯粘模及钢液 拉漏现象极易发生，工艺极不稳定，很难实现大规模生产。为此，德国人容汉斯 提出了结晶器振动奠定了近代连铸技术基础，他于1 9 3 3 年在德国建成第一台立式 带振动结晶器连铸机，并用其浇注铜、铝获得成功。与此同时，美国a l c o a 公司也 发明了立式半连续铸造方法，简称d c 法。用于生产铝合金铸锭【3 1 。由于采用连续 铸造方法具有占地少、投资省、效率高、成本低等优点，所以，最初在有色金属 材料中发展较快。 由于钢具有熔点高、凝固速度慢和生产规模大等特点，在工业规模上实现连 续铸造困难很多，因此最初发展缓慢。在4 0 年代，由容汉斯在德国建成第一台浇 注钢水的试验连铸机，并且提出了振动的水冷结晶器、浸入式水口和保护浇注等 技术，这为现代连续铸钢奠定了基础。二次世界大战以后，世界各地相继建设了 一些浇注钢的实验性和半工业性实验设备。5 0 年代连续铸钢技术开始工业化，从 此连铸技术得到迅速发展。随着7 0 年代国际能源危机的出现和连铸本身固有的节 能优势以及连铸相关技术( 电磁搅拌技术等) 在连铸生产中的广泛采用，促进了连续 铸钢技术的大发展，无论是在连铸理论、连铸生产，还是在铸坯品种、质量和连 铸比方面都取得了很大的进步 4 h 5 1 。 进入8 0 年代，世界钢铁的科研和生产中心已经从欧美逐渐转移至4 日本。连铸 技术呈现出更加强劲的发展态势，生产过程的高效化、铸坯洁净化、产品近终形、 操作自动化以及与后续工艺衔接上的连续化代表了世界现代连铸技术的发展方 向。特别是9 0 年代韩国钢铁业的崛起使国际竞争更加激烈。目前，世界各大钢铁 公司都在提高产品质量、生产效率和节能环保等环节上下工夫，以满足社会发展 的需要和和提高国际竞争力。钢的电磁连铸技术能够生产出无表面缺陷的连铸坯， 可能进一步提高连铸连轧比率，大幅度降低生产成本。因此，开展钢电磁连铸技 术的研究，不仅具有良好的工业应用前景，将会给冶金工业带来重大变革和获得 巨大的经济效益，同时对丰富和发展磁流体力学理论和金属凝固理论都具有极高 的科学价值。 重庆大学硕士学位论文 1 2 我国连铸技术的现状与发展 我国在研究和开发连铸技术方面起步也比较早，由于种种原因，以前发展一直 缓慢，连铸技术落后，铸坯质量低。改革开放之前，连铸钢坯的产量很低，连铸 比不足3 5 0 。经过近2 0 年的引进和发展，连铸技术得到了很大的发展，连铸比 已经从8 0 年代的不足3 0 发展到2 0 0 0 年的约8 5 。其中，1 9 9 4 年连铸比为3 9 5 ， 1 9 9 9 年为7 7 4 ，5 年增长3 7 9 个百分点。这五年我国大陆连铸比平均增幅为7 5 8 个百分点，居世界前列。据有关部门的统计数据显示，2 0 0 4 年l 到6 月，我国共 生产连铸坯达到1 1 9 5 9 5 7 万吨，连铸比为9 5 8 7 。其中重点统计生产连铸坯 1 0 1 1 4 5 7 万吨，占总产量的8 4 5 7 。2 0 0 5 年新诞生连铸机共7 8 台2 2 1 流，年产 能6 7 3 3 万吨。目前，全国连铸比已超过9 6 ，连铸机拥有数量和连铸坯产量居世 界第一；连铸生产连续性、稳定性和主要技术经济指标达到了国际先进水平。中 国有各种类型( 不同断面、形状、装备水平) 的连铸机，其设备制造可立足于国 内。连铸机类型从几毫米铸坯的线材铸机到宽度超过3 米的宽厚板铸机，从立式、 立弯、直弧及弧形到水平连铸机。有代表性的主力机型有直弧型大板坯铸机、弧 型小方坯铸机、弧型大方坯铸机和立弯型薄板坯铸机。我国现有连铸机约6 0 实 现了高效化，其铸机拉坯速度和单流产量普遍提高5 0 8 0 。2 0 0 4 年上半年有7 个企业的连铸机日作业率在9 0 以上。 近年来，我国在高效连铸、薄板坯连铸、特殊钢连铸方面取得了长足的进步。 目前我国连铸机的设计作业率为8 0 左右，实际作业率通常为6 0 9 0 ，有些连铸 机作业率已经超过9 0 。板坯连铸机的浇注速度一般为1 1 8 m m i n ，薄板坯为4 5 5 m r a i n ，1 2 0 r a m 2 方坯为3 - 4 5 m r a i n , 1 5 0 m m 1 5 0 m m 方坯为2 3 m m i n 。至于设 计产量，大型板坯或薄板坯连铸机为1 0 0 万吨，流，j 、方坯连铸机为1 2 万t ，流左右。 某些小方坯0 2 0 m m 或1 5 0 n u n ) 连铸机的年产量已超过1 8 万t ，流。我国连铸生产 水平与世界同类指标相当。近年，我国e q i 进了许多薄板坯连铸连轧生产线( 现在有 6 条线生产) 。某些薄板坯连铸机的装备技术处于世界先进水平。 薄板坯连铸连轧技术快速发展我国薄板坯连铸连轧技术发展迅速，已建成和 在建的共1 3 条生产线，其中采用国产装备的有4 条生产线。珠钢电炉包干到户坯 连铸连轧技术应用创新研究和鞍钢1 7 0 0 中薄板坯连铸连轧( a s p ) 生产工艺技术 都取得了重大科技成果。棒线材轧机实现了装备国产化我国自主技术集成的棒线 材连轧机车产水平可以达到6 0 8 0 万吨。湘钢国产高速线材轧机轧速已达1 5 0 m s ， 接近国际先进水平。 在连铸新技术研究开发方面，进行了高效连铸技术、近终形连铸技术、电磁连 铸技术、特殊钢连铸技术、连铸坯凝固控制技术和双辊薄带连铸技术等方面的工 作。许多连铸新技术的研究开发是在跟踪国际上的发展。随着连铸技术的不断发 2 1 绪论 展。连铸钢种的不断扩大，电磁搅拌技术已越来越引起连铸界的普遍重视，并在 生产实际运用中取得了良好的冶金效果和经济效益。近年来，连铸工艺中为了生 产出高清洁度的铸坯，需要良好地控制钢水成分和流动。将电磁搅拌用于连铸中 的目的就在于利用电磁力搅动钢水，创造出抑制柱状晶发展，促进成分均匀，夹 杂物上浮细化、分布均匀的热力学和动力学条件，达到控制凝固组织、改善中心 偏析、提高铸坯的铸态质量。 1 3 电磁搅拌技术在连铸工艺中的应用 1 3 1 电磁搅拌的原理和发展 电磁控流装置按其使用电源、相数和激发磁场类型可分为电磁搅拌器和电磁 制动器。前者包括直流传导式( 恒定磁场型) 、交流感应式( 永磁体旋转型、旋转 磁场型、行波磁场型、螺旋磁场型) ，后者为恒定磁场型。电磁搅拌主要应用由多 相线圈绕组产生的行波磁场或旋转磁场在导电的钢水中产生电磁力，对钢水起搅 拌作用。电磁制动基于直流感应原理，因恒定磁场与运动的钢水作用产生的电磁 力方向恰好与钢水的运动方向相反，对钢水起制动作用。连铸电磁搅拌工作时， 体现了以下几个基本特点： 1 ) 借助电磁感应实现能量的无接触转换，因而不和钢水接触就将钢水的电磁 能直接转换为钢水的动能； 2 ) 无论是交变磁场还是恒定磁场都可以人为控制，进而可以人为控制钢水的 流动形态。电磁参数易于调节，且有较宽的调节范围，可以适用于不同断面和钢 种的需要： 3 ) 由于电磁气隙大，漏磁严重，感应激发的磁场只有极小部分对钢水起搅拌 作用，因此搅拌器的效率和功率因数远比电机低【6 】。 电磁搅拌是对金属凝固过程进行控制的一种有效手段，有着广泛的应用和深 厚的工业基础。由于对于传统连铸工艺来说，虽然在采用浸入式水口、保护渣、 气体保护或液氮保护等措施后铸坯质量有所改善，但只有采用电磁搅拌技术，才 能控制铸坯结构，扩大等轴晶带，从而减轻铸坯的中心疏松、中心偏析和铸坯非 金属夹杂，这是电磁搅拌技术在连铸生产中得到广泛应用的主要原因【”。 电磁搅拌器是由瑞典的a s e a 公司首先提出的。1 9 3 2 年d r e y f u s 博士发现， 低速移动着的感应磁场能在钢水产生很强的搅拌作用。从1 9 3 3 年起，人们开始将 旋转磁场( 】卟但) 应用于金属的连铸过程【8 1 ；1 9 4 8 年，d r e y f u s 博士与山德维克 ( s a n d v i k ) 钢厂紧密合作，研制成第一台用于电弧炉炼钢的电磁搅拌器，后来该 技术逐渐用于感应熔炼炉、钢包精炼炉和连铸机。到2 0 世纪6 0 年代，奥地利 k a p f a n b c r g 厂的b c o h l c r 连铸机已开始使用电磁搅拌技术浇注合金钢。2 0 世纪7 0 3 重庆大学硕士学位论文 年代，法国钢研院( m s d ) 首次将线性电磁搅拌技术在方坯连铸机上进行了工业性 试验，英国钢公司s c ) 也进行了类似的试验。实验表明，电磁搅拌使铝硅镇静钢的 皮下质量得到了改善，在试验中由于采用了低频电磁场，提高了搅拌效率，并允许使 用常规铜材料作结晶器，因而很快在生产实践中得到应用。电磁搅拌技术逐渐发展 和成熟，为铸坯质量的提高，为钢铁冶金生产的全连铸化打下了重要技术基础。 从连铸电磁搅拌技术的发展历程来看，开始实验阶段电磁搅拌主要是安装在 二冷区进行工作。7 0 年代法国的东方优质钢公司进行了具有代表性的研究工作， 证明了铸坯凝固壳不影响磁力线的穿透，这对以后世界各国二冷区的电磁搅拌技 术的发展将起很大作用。随后，法国钢铁研究院对结晶器内的电磁搅拌进行了广 泛的研究并取得了领先的地位，从而促使人们更多地研究和开发结晶器内电磁搅 拌技术 9 1 。加拿大学者l b e i t c l m a n 和j a m u l c 血y 等设计了一种m e m s a c - s m 双搅拌系统。具体方法是，在结晶器下部设置一个主搅拌线圈( m - e m s ) ，在弯月 面区域设置一个辅助线圈( a c s m ) 。搅拌过程中给辅助线圈通以与下部搅拌线圈 方向相反的电流，由于两线圈产生的电磁搅拌力方向相反，辅助线圈一可以消弱 由于主搅拌线圈在弯月面区域带来的弯月面运动，起到稳定弯月面的作用【l o h i i j 。 但是，法国o a n i e l ir o t e l e e 公司通过实际研究发现，采用上述方法的效果并不大， 相反，会对铸坯质量产二生负面影响【1 2 1 。因此，若能真正开发出一种确实有效的 方法来提高液面稳定性，无疑，将是连铸技术领域的一次飞跃。 电磁搅拌在板坯连铸机结晶器上的第一次工业应用是1 9 7 6 年用于德国的 f o r g e s & a c i c r i c sd ed i l l i n g e n 的立式板坯连铸机上，此工艺称为n e t i n e l ( 电磁去 除夹杂) ，两个宽面的线性搅拌器( 分别布置在板坯连铸机结晶器的每个宽面上) 使钢 水沿着宽面方向垂直向上运动，这与在锭模内浇注沸腾钢的凝固过程中夹杂物的 去除极为相似，那个年代普遍采用敞开( 无钢包长水口) 浇注，n e t i n e l 从2 0 世纪8 0 年代以后就不再运用了。1 9 8 1 年，n i p p o n 钢厂提出了旋转式结晶器电磁搅拌，钢水 的旋转流动是通过两个安装在宽面铜板后面、横跨整个宽面铜板的水平电磁搅拌 器的电磁感应引起的，其目的是降低钢液温度梯度，形成均匀的坯壳，并减少特殊钢 种中的皮下针孔和气泡等皮下缺陷。在n s c 连铸机上广泛应用后，该技术已应用到 除n s c 外的其他钢厂的板坯连铸机上，如：k o b es t e e lk a k o g a w a 的2 号板坯连铸机 和中钢公司k a o h s i u n g 厂的2 号板坯连铸机上( 在一个铸流上做测试) 。2 0 世纪8 0 年代开始，国外的电磁搅拌技术逐渐走向成熟【l3 1 。 我国连铸电磁搅拌技术研究始于上世纪7 0 年代，当时以自主开发为主从8 0 年代中期开始，我国在引进特殊钢连铸机和板坯连铸机的同时，先后引进了不同 位置和不同类型的电磁搅拌装置经过2 0 多年的研究、开发与消化吸收，我国在 电磁搅拌技术领域取得了长足的进步，目前已经完全能够承担搅拌器的设计、制 4 1 绪论 造与工业应用，只是线圈导线外层缠绕的防水绝缘膜仍需从国外进口国内电磁 搅拌的生产厂家现在也处于激烈竞争状态中，并与国外厂商争夺国内的搅拌器市 场总体来说，电磁搅拌在电磁连铸技术领域中发展最为成熟，应用也最为广泛， 而且，采用新的技术提高线圈的使用寿命是电磁搅拌技术发展的趋势【1 4 】 我国2 0 世纪7 0 年代末才开始研究电磁搅拌技术，主要经历了3 个阶段： a 2 0 世纪7 0 年代末至8 0 年代中期，我国开始对电磁搅拌进行摸索和探讨，虽然经 过实验及工业运行，但性能不太稳定。2 0 世纪8 0 年代中期我国引进了一批特钢连铸 机，都配有进口电磁搅拌装置，这虽然对我国连铸电磁搅拌技术的发展起了积极的 作用，但也说明我国当时还不具备高性能电磁搅拌装置的制造能力。 b 2 0 世纪8 0 年代后期，电磁搅拌得到国家的高度重视。经过十多年的努力，我国 电磁搅拌技术终于有了重大突破和发展。1 9 9 6 年5 月，舞钢首次在大型厚板坯连铸机 上成功使用国内自行设计研制的s e m s 成套装置，标志我国结束了完全依靠引进进 口电磁搅拌装置的历史。这些装置的制作水平和使用效果已达到引进装置的水平， 因此，促进e m s 进口价格大幅下跌。 c 1 9 9 7 年，宝钢同其它单位合作，成功研制了宝钢大板坯连铸s e m s ，价格不足引 进的1 3 。宝钢s e m s 的研制成功标志着我国已经具有研制高性能电磁搅拌装置的 能力，且具备了出口竞争的实力。我国目前应用的电磁搅拌器有1 0 0 多台。通过引进 了一批不同位置和类型的e m s ，使我国e m s 的在线应用有了较大的发展和进步。 1 3 2 电磁搅拌种类与冶金效果 ，连铸电磁搅拌器根据其连铸机的位置可分为中间包加热用电磁搅拌器 ( h e m s ) 、结晶器电磁搅拌( e m s ) 、二冷一段电磁搅拌( s l e m s ) 、二冷二段电磁搅拌 r s 2 e m s ) 和凝固末端电磁搅拌( f e m s ) 。 连铸过程采用电磁搅拌的主要作用是提高连铸坯的质量，例如去除夹杂物、 消除皮下气泡、减轻中心偏析、提高连铸坯的等轴晶率因此，在浇铸断面较大 的铸坯如大方坯、大板坯以及浇铸质量要求较高或易出现质量问题的钢种时，电 磁搅拌技术便成为首选目前，方坯连铸应用较多的是结晶器电磁搅拌，有时为 进一步提高质量，增加凝固末端电磁搅拌，即结晶器与凝固末端联合搅拌板坯 连铸应用较多的是二冷区电磁搅拌近年来，板坯结晶器电磁搅拌技术的应用逐 渐为各国钢铁企业所重视，特别是日本在这方面的开发与应用十分活跃1 1 4 】从电 磁搅拌的效果来看，结晶器内电磁搅拌( m e m s ) 最好。原因如下：结晶器内电磁搅 拌产生的流动冲刷凝固前沿，不仅起到了净化凝固前沿的目的，而且能折断树枝 晶，使破碎的晶体成为结晶形核的核心，从而促进等轴晶粒形成，晶粒结构更细： 搅拌作用不仅减小了铸坯液芯内的温度梯度，有利于等轴晶的形成，而且允许提 高金属液体的过热度，可以达到稳定操作的目的：搅拌作用还能增加金属液与保护 5 重庆大学硕士学位论文 渣之间的接触，有利于非金属夹杂的上浮合保护渣捕捉。 但是进一步的研究表明，结晶器内的电磁搅拌虽然具有扩大等轴晶带，减少 偏析，净化钢水，去处非金属夹杂物，增大钢水和保护渣之间的接触面积，有利 于上浮非金属夹杂物等优点。但是实现这些效果需要较大的电磁搅拌强度，而当 搅拌强度较大时会在液面形成漩涡，离心力作用使得型壁附近的金属液向上突起， 中心的金属液面凹陷，这种情况的负作用表现在：导致弯月面稳定性降低；极大地阻 碍了润滑剂沿型壁流入，降低了润滑效果；同时中心涡流还会将润滑剂卷入到金属 液内部产生夹杂缺陷。这种情况在使用浸入式水口浇注时会更加突出。可以看出， 电磁搅拌强度过大时，虽然铸坯内部质量会得到很好改善，但是由于其影响到金 属液面的稳定性，反而会产生影响铸坯表面质量的负面作用。因此，如何控制电 磁搅拌强度，不仅使其达到改善铸坯内部质量，同时又不会影响金属液面的稳定 性是一个重要的研究方向。 1 3 3 连铸电磁搅拌过程的数值模拟研究进展 数学模拟主要是指数字模拟，即把研究的对象用数学模型表示出来，然后在 数字计算机上对模型进行数值实验。数学模拟具有一系列的优点： 第一，可以大幅度地改变各种参数的取值范围，对新工艺与新设计是非常理 想的。可以使新设计的效果与优缺点在实施之前被充分预演，从而扬长避短，获 得最理想的方案。第二，数学模拟可使试验时间大为缩短，人力物力大为节省。 国内进行电磁搅拌研制最早的单位是中国科学院力学研究所、东北大学、北京 科技大学和上海大学等，在电磁场模拟、电磁力计算、流场模拟方面做了一定的 工作，取得了一批成果。近来，人们通过物理模拟和计算机模拟等途径，研究了 连铸电磁搅拌过程，取得了一些成果。 吴洁等在自行设计的连铸模拟装置上对连铸结晶器内弯月面区域液态金属的 速度场进行了实验研究他们认为电磁场对弯月面区域液态金属的运动速度有所抑 制后来，薄开涛等在该装置条件下对双条型磁极作用下结晶器内液态金属的运动 速度进行了数值模拟。 高允彦和贾光霖等在实验室设计并制造了一对线性电磁搅拌器，模拟二冷区电 磁搅拌时金属运动的规律。利用c t - 3 型特斯拉计，测量了其中的磁场分布，用二 维测速装置测量了不同搅拌强度下液态金属的运动速度。依据行波磁场的特点， 建立了液态金属运动规律的二维数学模型。他们在假设搅拌器表面感应强度的最 大值和最小值分别为0 6 和0 4 倍的电流强度的前提下计算了电磁力。通过对3 0 a 条件下速度场的测量和计算比较，证实了该经验式的参考价值。该结果表明线性 搅拌使液态金属呈大环流运动，对铸坯的凝固过程有较好的影响。 麻永林和贺友多等曾推导了准静态磁场的有限元模型。利用有限元方法，以三 6 1 绪论 对极的电磁场为研究对象，模拟计算了不同频率下的结晶器内部磁感应强度及电 磁力的变化规律。研究结果表明磁感应强度方向随时间变化而变化，磁感应强度 在结晶器内衰减很大。周伟等也根据此方法计算了小方坯结晶器内的磁场和流场 分布。 t i s h i i 等用f l u e n t 软件分析了电磁水平稳流装置的磁场和流场分布。在电 磁搅拌计算中，为了减少计算工作量，通常需要借助些矢量位或标量位来描述 电磁场模型。t t n a t a r a j a n 等根据电流矢量法和磁标量法建立了三维有限元模型， 计算了方坯结晶器下电磁搅拌电磁力和速度场分布，为模拟三维电磁和流动现象 提供了理论框架。 电磁搅拌的对象是连铸坯中的液芯。在液芯外部加上电磁场可使其在电磁力的 驱使下运动，达到搅拌的目的。因此，所要研究的是液态下流动的导体在电磁场 中的运动状态及其对液芯质量的影响。这样研究内容应包括两部分：在一定的给 定条件下流体的所受到的洛伦兹力( 搅拌力) ；在已知流场分布及搅拌力作用下会产 生怎样的质量效果。通过对以上两方面的研究，要找到在定条件下给定电流、 频率与液芯质量的关系，从而可导出为达到最优的液芯质量所需满足的条件。对 于第一点是对电磁感应流的分析。液芯内部的物理特性( 电磁场、流场和洛伦兹力 等) 受到电磁搅拌器的形状尺寸和安装位置，搅拌器的输入电流和频率以及液芯本 身特性的影响。在钢种和电磁搅拌器及其安装位置确定的情况下，决定液芯内部 物理特性的将主要取决于输入电流和频率。因此需建立在一定情况下搅拌器的输 入电流和频率与液芯内部物理特性的关系。对于此点学术界已有一定的研究。如 拉瓦尔、比应格等人均已对此做过分析，并与水银模型实验做了比较。但所得到 的模型只能作定性说明，定量研究仍然很不成熟，对边界条件和算法尚需作迸一 步改进。对于第二点由于铸坯的质量参数( 如：等轴晶带、轴心疏松程度、中心偏析 和轴心裂纹等) 受到诸多方面的影响( 包括物理的，化学的) ，很难甚至不可能找到 流场分布及搅拌力与质量参数之间的数学表达式，因此可先取得一定量的实验数 据，再用统计的方法找出二者之间的统计规律。但建立统计模型需要采集大量的 现场数据，既获取在一定情况下( 钢种、搅拌器形状尺寸和搅拌器安装位置等) ， 电磁搅拌力( 或流场) 与产品质量参数相对应的一组数据。然后利用系统辨识和模式 识别等有关数理统计的方法找出二者之间的对应关系。前人己经做了很多工作。 如李开煌等人实验获得的搅拌强度、等轴晶率、搅拌强度、中心偏析指数之间的 关系。 1 3 4 电磁搅拌技术的发展趋势 随着人们对电磁搅拌技术研究的深入，电磁搅拌技术的应用将会越来越广泛， 其发展趋势可概括为以下几点： 7 重庆大学硕士学位论文 组合式电磁搅拌方法的进一步发展及参数的精确控制； 数值模拟仍然是发展电磁搅拌技术的强有力的工具，在这方面需要适应性较广 的、更为精确的数学模型，因此磁流体动力学的研究将会具有更为重要的地位； 随着电磁搅拌所应用的合金种类的日益广泛及电磁搅拌凝固理论的发展，也将 为金属凝固基础理论的研究开辟一个崭新的局面阍。 1 4 课题研究的背景和目标 1 4 1 重钢小方坯连铸生产过程存在的问题与选题背景 为了尽快使5 # 铸机具备生产品种钢的能力，重钢5 # 小方坯连铸机投入生产后， 于2 0 0 4 年9 月迅速在5 # 铸机上安装结晶器电磁搅拌设备，但生产过程中出现了一 些质量问题。主要有中心偏析、中心缩孔、中心疏松、皮下气泡、皮下夹杂等。 这涉及到浇注工艺参数和电磁搅拌参数等的优化因此，研究连铸结晶器内电磁搅 拌过程对铸坯质量的影响是有必要的 重钢炼钢厂在小方坯连铸机上虽己实现了结晶器电磁搅拌工艺技术，确定了 有关钢种的电磁搅拌工艺参数，但随着铸机品种数量增加，产量扩大，拉速进一 步提高，现有的电磁搅拌工艺参数能否满足碳结钢、合结钢等钢种铸坯质量要求， 在不同钢种、钢液过热度、拉速、铸坯断面条件下，电磁搅拌强度如何与铸坯质 量良好配合，更好地满足铸坯质量要求，都有待进一步研究。该项目的研究将填 补重钢在结晶器电磁搅拌应用研究方面的空白，为重钢结晶器电磁搅拌技术的合 理应用提供理论及实践基础。 1 4 2 研究思路和目标 以重钢小方坯连铸结晶器电磁搅拌过程为研究对象开展工作其研究思路和 目标如下： 1 ) 结合连铸电磁搅拌生产实践，在生产现场进行结晶器内磁场分布的测试， 分析磁场分布特点及其相关因素的影响。在此基础上，理论计算最佳搅拌频率。 2 ) 结晶器电磁搅拌流场数值模拟研究：建立重钢方坯连铸结晶器电磁搅拌过程 的数学模型，结合理论解析模型和工厂测量数据，利用f l u e n t 商业软件对电磁搅 拌、流体流动的相关规律进行研究。根据实际不同拉速、铸坯断面等不同工况下 研究电磁搅拌参数对结晶器内钢液流场、液面扰动的影响规律。 3 ) 利用结晶器电磁搅拌磁场测试、数学模型及铸坯表面、皮下、内部质量检 验，对现用结晶器电磁搅拌工艺参数进行评价分析研究，提出电磁搅拌工艺参数 优化方案。 4 ) 结晶器电磁搅拌工艺参数优化研究工业性实验 在数值模拟实验室研究、现场冷态结晶器磁场测试及原电磁搅拌工艺参数评 8 1 绪论 价分析研究的基础上，对满足重钢方坯质量要求的结晶器电磁搅拌工艺参数进行 生产实验优化研究，从而建立不同铸坯断面、拉速、钢种( 4 5 a 、7 0 钢) 、过热度 对应条件下的结晶器电磁搅拌优化工艺参数。 1 4 3 研究方法 在重钢方坯连铸电磁搅拌研究中采用了理论分析、现场测试、数学模拟和现 场铸坯取样质量检验等方法。从麦克斯韦方程和基本定律出发，在简化条件下得 到电磁搅拌力分布理论解析模型，用于定性分析和解释连铸电磁搅拌作用机理。 为了优化电磁搅拌工艺参数，为电磁搅拌数值模拟计算提供磁感应强度的相关数 据，并分析电磁搅拌对连铸坯质量的影响，对结晶器电磁搅拌磁场进行了现场测 试与分析。由于工程问题的复杂性和流体流动等物理场难以得到模型的解析解， 故借助计算机进行数值模拟。在连铸过程中的数值计算方法主要是有限体积法但 合理搅拌参数的实现，不仅与钢水过热度、拉速有关，还与钢种特点有关。该研 究还以中碳4 5 a 、高碳7 0 钢为代表进行铸坯质量分析研究，最终分别得到不同含 碳量钢种的优化搅拌工艺参数。 1 4 4 应达到的技术指标和参数 1 ) 得到重钢小方坯结晶器电磁搅拌磁场空间分布规律，及其相关参数的影响 规律； 2 ) 得出重钢方坯连铸不同断面、拉速等工况下，结晶器电磁搅拌强度范围及 结晶器内流场分布特征； 3 ) 得出中碳4 5 a 、高碳7 0 钢对应的结晶器电磁搅拌优化工艺参数； 4 ) 进行工业生产试验优化工艺参数，达到以下目标： 中、高碳钢钟( 4 5 、7 0 钢) ：中心碳偏析度1 0 5 ，中心疏松1 0 级，中心 疏松1 0 级； 1 5 本章小结 本章介绍了国内外连铸工艺及相关技术的发展，重点介绍了连铸电磁搅拌技 术的发展和研究现状。根据此项目背景，阐述了选题依据和研究思路与目标并介 绍了各种研究方法的关系与特点以及本研究应达到的技术指标和参数。 9 2 重钢方坯连铸结晶器内电磁搅拌磁场测试与分析 2 重钢方坯连铸结晶器内电磁搅拌磁场测试与分析 2 1 磁感应强度测试实验的目的和意义 由于电磁搅拌装置结构形状复杂，其定量规律研究还不完善。为了优化电磁 搅拌工艺参数，为电磁搅拌数值模拟计算提供磁感应强度的相关数据，并分析电 磁搅拌对连铸坯质量的影响，对结晶器电磁搅拌磁场进行了现场测试与分析。 本实验对结晶器电磁搅拌1 5 0 m m x l 5 0 m m 与1 5 0 m m x 2 1 0 m m 方坯的磁场进行 了在线测试，测试结果对于研究结晶器电磁搅拌装置的磁场分布、电磁搅拌力、钢 液的旋转、流动和搅拌工艺制定都具有指导意义 1 6 - 1 9 。 2 2 测试实验方案 本次实验针对不同断面的结晶期铜套中心轴线及铜套内壁面中心线的磁感应 强度值进行测量。测试采用的主要仪器是k a n e t e c t m 6 0 1 高斯计，如图2 1 所示。 其工作原理是利用霍尔效应将磁场转换为电动势。本次实验还自制了带刻度的探 头定位杆。结晶器与搅拌器主要参数见表2 1 。搅拌器安装位置如图2 2 所示( 单位， m m ) 。测点位置如表2 2 所示。其中测点距结晶器顶端垂直距离为h ，单位为m 。 图2 1k a n e t e ct l v l 6 0 1 高斯计 f i g 2 1k a n e t e ct m - 6 0 1g a u s sa p p a r a t u s 。 撇囊n lmm |则恻 图2 2 重钢方坯连铸机电磁搅拌装置示意图 f i g 2 2s c h e m a t i c o f e l 咄o m a g n e t i cs t i r r i n g d o v i c e f o r b i l l e t s c a s t e r a t c h o n g s t e e l 重庆大学硕士学位论文 表2 1 结晶器与搅拌器主要参数 ：! ! ! ! ! ：! ! 坠地2 坚塑壁墅! i 坐! ! 翌! ! 磐i ! ! 竺 结晶器尺寸，n m 搅拌器基本参数，1 1 1 1 1 1 电器参数 冷却水参数 表2 2 轴向测点位置分布，m t a b l e 2 2 d i s t