（钢铁冶金专业论文）薄带双辊连铸水口电磁制动与复合式电磁侧封研究.pdf

上海大学硕：l 学位论文 摘要 电磁技术在连铸工艺中有着广泛的应用，利用电磁力学特性，如铸流约束、 电磁制动、电磁搅拌等，改善连铸坯品质，提高成品质量的研究已取得了很大 的进展。而另一方面，在薄带双辊连铸中，双辊熔池内金属液的布流及液面波 动，辊端金属液的封堵是薄带双辊连铸工艺的两项关键技术，其发展的滞后已 成为制约该工艺进一步发展的瓶颈。鉴于电磁技术在钢水精炼、板坯连铸等冶 金领域取得的巨大成功，本文把电磁力引入双辊薄带连铸工艺，在前人的研究 基础上，探索了薄带双辊连铸水口电磁制动和复合式电磁侧封技术的可行性。 为了控制薄带双辊连铸结晶器内金属液面的波动，本文提出水口电磁制动 设想。通过在水口区域施加稳恒磁场与直流电流，减缓水口金属液对双辊熔池 的冲击。文中对熔池液面的波动情况进行了物理模拟，观测了有无电磁制动及 不同水口浸入深度等条件下，熔池液面的波动情况，并测量了水口出流金属液 冲击力的相对变化。结果显示，随输入电流增大，水口出流冲击强度减弱，双 辊结晶器内液面波动幅度和频率降低，熔池液面趋于平稳。这表明水口电磁制 动可望有效抑制熔池液面波动，为解决薄带双辊连铸结晶器内金属液的布流和 流动控制问题，提供一种可选择的方法。 为了解决薄带双辊连铸的辊端侧封问题，本文设计了一套复合式电磁侧封 装置，测定了各侧封方式下的磁极的磁感应强度的分布。通过低熔点镓合金的 物理模拟实验，研究了单纯电磁侧封( 无挡板) ，以及电磁场耦合有机玻璃侧封 挡板、内置铁磁挡板、外置铁磁挡板四种电磁侧封方式对金属液的封堵行为， 发现电磁场耦合内置铁磁挡板的侧封方式效果最明显，金属液的封堵高度随电 流的上升成线性增加。实验中还观察和分析了侧封过程中金属液面波动现象。 关键词：金属薄带，双辊连铸，水口，电磁制动，复合式电磁侧封 上海大学硕士学位论文 a b s t r i c t e l e c t r o m a g n e t i ct e c h n o l o g yh a sb e e nw i d e l ya p p l i e di nc a s t i n gp r o c e s sa n da l s o i n v e s t i g a t i o nf o ri m p r o v i n gq u a l i t yo ff i n i s h e dp r o d u c tb yu s i n gc h a r a c t e r i s t i c so f e l e c t r o m a g n e t i cm e c h a n i c s ，s u c ha se l e c t r o m a g n e t i cc o n f i n e m e n t ，e l e c t r o m a g n e t i c b r a k e ，e l e c t r o m a g n e t i cs t i r , h a sp r o g r e s s e dg r e a t l y c o n t r o l l i n g d i s t r i b u t i o na n d f l u c t u a t i o no f m o l t e nm e t a li nt w i n r o l lp o o la n ds e a l i n gt w os i d e so ft w i nr o l l sa s t w oc r i t i c a lt e c h n o l o g i e si nt w i n - r o l ls t r i pc a s t i n gd e v e l o p e ds os l o w l yt h a tt h e yh a v e b e c o m eab o t t l e n e c kt os e v e r e l yh o l db a c kt h ep r o c e s sd e v e l o p m e n t m e r e a s e l e c t r o m a g n e t i ct e c h n o l o g ys u c c e s si nm e t a l l u r g yf i e l d ，s u c ha ss t e e lr e f i n i n g , s l a b c a s t i n g ，w ea t t e m p tt oa p p l ye l e c t r o m a g n e t i cf o r c et ot w i n - r o l ls t r i pc a s t i n ga n d i n v e s t i g a t e f e a s i b i l i t i e so fn o z z l ee l e c t r o m a g n e t i cb r a k en 、i e m b r )a n d e l e c t r o m a g n e t i cd a m ( e m d ) c o u p l e dw i t has o l i dd a mo nt h eb a s eo fp r e d e c e s s o r s e f r o r t am o d e lf o rs i m u l a t i n gs u p p r e s s i o no f1 e v e lf l u c t u a t i o ni nm o l do ft w i n m l l s t r i pc a s t e rw i t hn e m b r , i e i m p o s e das t a t i o n a r ym a g n e t i cf i e l da n dd i r e c tc u r r e n t i nn o z z l e w a se s t a b l i s h e d m o m e n t u mo f m e t a ll i q u i di nn o z z l ea n dl e v e lf i u c t u a t i o n i nt w i n - r o l lp o o lw e r em e a s u r e du n d e rd i f f e r e n tc o n d i t i o n s ，i n c l u d i n gt h ei m m e r g i n g d e p t ho fn o z z l e ，c u r r e n ta n dm a g n e t i cf i e l d t h ee x p e r i m e n tr e s u l t ss h o w e dt h a t m o m e n t u mo fl i q u i dm e t a l a m p l i t u d ea n df r e q u e n c yo ff l u c t u a t i o na l lw e r e d e c r e a s e dw i t hc u r r e n t i n c r e a s i n g i tw a sf o u n dt h a tn e m b rt e c h n i q u ef o r f l u c t u a t i o ns u p p r e s s i o ni se f f e c t i v et ot w i n r 0 1 ls t r i pc a s t i n gm o l d a n o t h e rm o d e lf o ri n v e s t i g a t i n gt h ec o n t a i a m e n to f m o l t e nm e t a lp u d d l ei na t w i n r o l lc a s t e rw i t he m dc o u p l e dw i t has o l i dd a mw a se s t a b l i s h e d m a g n e t i cf l u x d e n s i t y d i s t r i b u t i o no fe l e c t r o m a g n e t i cf i e l d a l o n g t h ey o k ew a sm e a s u r e d e x p l e r i m e n tr e s u l ts h o w st h a te m dc o u p l e dw i t ht h ei n s i d ef e r r o m a g n e t i cd a mw a s m o r ee f f o c t i v et h a nt h a to n e sc o u p l e dw i t hn o n eo ri n s i d ev i n y lc h l o r i d ed a mo rw i t h t h eo u t s i d ef e r r o m a g n e t i cd a m t h ec o n t a i n m e n th e i 【g h to f m o l t e nm e t a li si n c r e a s e d l i n e a r l yw i t ht h ec u r r e n ti n c r e a s i n g t h ef l u c t u a t i o no nt h es u r f a c eo fm o l t e nm e t a l w a sa n a l y z e da l s o k e yw o r d s ：t h i ns t r i po fm e t a l ，c o n t i n u o u sc a s t i n gw i t ht w i nr o l l s ，n o z z l e ， e l e c t r o m a g n e t i cb r a k i n g ，e l e c t r o m a g n e t i cd a mc o u p l e dw i t hs o l i dd a m i i 原创性声明 本人声明：所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究工作。 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发 表或撰写过的研究成果。参与同一工作的其他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了谢意。 签名：雄日期：车坐弼 本论文使用授权说明 本人完全了解上海大学有关保留、使用学位论文的规定，即： 学校有权保留论文及送交论文复印件，允许论文被查阅和借阅；学 校可以公布论文的全部或部分内容。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 签名：召雄师签名： 斗够醐：掣 l 海大学硕：l ：学位论文 第一章文献综述 1 1 薄带双辊连铸技术及发展概况 用钢水直接获取形状、品质尽可能接近最终成品的技术，是冶金工作者长 期以来努力追求的目标。薄带连铸技术是继薄板连铸技术之后，在冶金领域中 近终形连铸技术的又一伟大进步。薄带连铸技术是指钢水直接浇入两个逆向旋 转的辊面与侧封板所形成的“v ”型熔池结晶器内，随着铸辊的转动金属 液在凝固的同时使其在压力下发生一定的塑性变形，在很短的时间内完成凝固 成形过程，其结构如图l 一1 。这中间不需经过热轧，或稍经热轧作为成品、或作 为冷轧坯料生产薄带产品。薄带双辊连铸技术以其短流程、高的材料收得率、 高的能源利用率和低的生产成本而为人瞩目，可望部分取代传统的厚板坯连铸一 开坯热轧技术，成为钢铁工业中有技术和经济优势的一项新技术飞跃【“5 1 。 圈1 - i 典型的薄带双辊连铸结构示意图 1 1 1 薄带双辊连铸技术的发展 1 8 5 6 年，英国的h b e s s e m e r ( 亨利贝西然) 首次提出利用双辊铸轧金属薄 带，并在次年申请获得专利5 , 6 1 。但是第一次商业化生产铸出的钢带象铸铁一样， 性能非常差。 上辉大学硕士学位论文 1 8 9 1 年，美国的e n o r t o n 在f l u i dm e t a lr o l l i n gc o 的i l l i n o i s 钢铁厂进行 了第一次薄带连铸的工业性试验【6 】。 二十世纪2 0 一3 0 年代，美国人c w h a z e l e t t 在b e s s e m e r 的基础上进行了 一系列的改造，设计了很多双辊铸机来试验铸轧有色金属薄板，在1 9 3 5 年，开 始试验铸轧薄钢板。他设计的铸机与b e s s e m e r 的双辊铸机基本相似，只是辊的 刚性更强，液芯压下量更大。之后，h a z e l e t t 还设计了单辊铸机、双辊异径铸机 和履带式铸机，用于试验铸硅钢和不锈钢，证实了直接铸造生产薄带的可能性， 但都还存在很多问题【6 。 5 0 年代，工程师h u n t e r 采用双辊连铸技术成功地铸出铝带【6 8 1 。到二次世 界大战和6 0 ，7 0 年代时期，薄带连铸只能在一些有色金属生产实现。这期问传 统连铸技术和薄板连铸技术获得巨大发展，而钢铁薄带连铸技术的发展却处于 停滞时期。 8 0 年代，由于能源危机的加剧和快速凝固技术的发展突破，钢铁的薄带连 铸连轧技术又一次引起人们的关注，并取得多项技术上的突破。 1 9 8 3 年，美国能源部( d o e ) 为促进薄带连铸技术的发展，投入专门资 金支持该技术的四项基础研究，同时很多大学和研究机构，如麻省理工大学， 通用公司，牛津大学等也开始参与该技术的研究6 。7 】。 1 9 8 4 年，a r m c o 和w e s t i n g h o u s e 研究开发的单辊铸造技术获得美国能源部 的奖励。同年9 月，a l l e g h e n y - - l u d l u m 宣布成功应用单辊连铸技术铸出厚o 1 英寸，宽2 0 英寸的3 0 4 不锈钢带。在这一时期，同本许多公司也正在从事单辊 和双辊铸机的开发 6 】。 1 9 8 5 年，伯利恒( b e t h l e h e m ) 钢铁公司联合内陆( i n l a n d ) ，a r m c o 和w e i r t o n 进一步发展双辊连铸技术。到1 9 8 7 年，几乎所有的钢铁生产国家都已经丌始发 展单辊或者双辊薄带连铸技术。8 0 年代是薄带连铸发展最迅速的十年，取得不 少的成果，但都还是处在实验阶段6 圳。 9 0 年代后，薄带连铸技术通过国家之间的合作，取得很多技术突破。其标 志是1 9 9 2 年5 月在美国投产了世界上第一条工业规模的薄钢带连铸生产样机一 - - c o i l c a s t 生产线( 单辊铸机) 9 。 上海大学硕：卜学位论文 至此，薄带连铸技术已经初步解决了因铸带薄而引起的生产率下降的问题， 其它工艺问题也逐步得到解决，中试基本完成，薄带连铸技术正开始进入工业 化应用阶段，其中，以双辊铸机被认为是最有前途的铸机。 1 1 2 薄带双辊连铸技术的最新进展 日本新日铁( n i p p o n ) 和三菱公司于1 9 8 9 年在新日铁的光厂建成了实验性 的双辊铸机。1 9 9 6 年投资1 1 0 亿日元开始建立工业规模的薄带铸机，并于1 9 9 7 年投产，现已浇注奥氏体不锈钢，最大宽度为1 3 3 0 m m ，但最终还要将钢带边 部去除1 0 m m 。带钢连铸机铸辊为不锈钢制作的空心水冷辊，在铸轧辊的两侧 用陶瓷侧挡板封闭。据新日铁的报告，目前该连铸机生产3 0 4 不锈钢己达到最 多可连浇4 个6 0 t 钢包的水平。但其连续生产的成本要高于传统工艺b 0 - 1 1 】。 澳大利亚的奥钢联公司( b h p ) 和日本石川岛播磨重工( i h l ) 合作，于1 9 9 5 年建立双辊连续铸轧工程，1 9 9 7 年1 2 月建成半工业化带钢铸机【1 1 - 1 4 。 德国克虏伯( k r u p p ) 蒂森不锈钢集团( k t s ) 所属的克虏伯蒂森n i r o s t a ( k t n ) 公司，奥钢联集团德奥钢联设备制造公司( v a i ) ，意大利a s t 公司， 及法国齐诺尔公司于1 9 9 9 年9 月签署协议，成立一个联合开发组( e u r o s t r i p ) 开发薄带连铸技术。当年1 2 月，在克雷费尔德钢厂( k r e f e l d ) 生产了3 0 4 不锈 钢带，生产过程全部在惰性气体中进行，但生产成本也比传统工艺高 1 1 - 1 5 。 美国纽柯公司( n u c o r ) 在克劳福兹维尔( c r a w f o r d s v i l l e ) 厂建有c a s t r i p 设备，该设备最初是澳大利亚b h p 公司和日本i h i 公司共同研制的，2 0 0 0 年纽 柯公司加入了此向开发，2 0 0 2 年5 月投入运行，但由于修边，还将裁剪2 5 m m ， 此生产线尚未达到试生产阶段 1 1 - 1 5 。 韩国浦项制铁公司( p o s c o ) 自1 9 8 8 年以来，一直以韩国工业技术研究院 ( r i s t ) 和英国戴维斯公司( d a v y ) 合作开发薄带双辊铸机。其工业化中试实 验己在1 9 9 5 年完成，目前正在建造一台铸辊宽1 3 0 0 m m ，可生产厚度为2 6 m m 带钢的工业试验性双辊铸机 1 1 - 15 】。 上海大学硕二b 学位论文 表1 1 部分国外研究单位开发的双辊铸机的主要技术指标 翳圜圈圈霾一匿圈 黧露法国害s s o o 蔷，s 薹器 鋈圈圆圈圆圈圈圈窿圈 登日铁翟i 孳 日本同径? l o1 3 3 0e 1 2 0 0 2 0 16 5l o 不锈钢 重工工业公司辊式1 3 0 窿圜阂蘑圈圈圜圈圜圈 英国钢铁公司 英国 ! 径? 辊式 不锈钢， 碳钢，硅 钢 匿圈圈图圈曩罂 日本金属工业异径 。1 4 0 0 公司釉p p 取辊日本0 46 5 0 。4 0 0 ( 德)式 圈圈谶震圈蕊鬯黧隰豳 c s m 公司7意大 同径蛩 2 08 0 0 。1 5 0 0 8 2 72 0 电王钢 ( i i v a )利辊式 1 0 0 不锈钢 篡露一霪霞圜圈蘑翻 国内的薄带双辊连铸技术研究基本与国外同步，但由于相关技术发展的相 对落后和投入资金的不足，日前取得的成果不多。1 9 9 8 年国家自然科学基金委 员会设立了“金属熔体凝固控制及若干先进成形过程的进出研究”重大项目， 其中“近终形双辊铸轧薄带的基础研究”课题由东北大学和重庆大学共同承担。 上海大学硕士学位论文 目前对他们已经对双辊熔池内金属液的流场、温度场进行了深入的数学物理模 拟。上海铡研所、东北大学等在侧封板的研制也做了大量的工作，尤其是在机 械侧封方面，试制了多种耐火挡板。上海钢研所与宝钢集团成功研制出国内的 第一台双辊铸机样机，并试生产了少量的带钢，在生产现场观察到带钢表面出 现大量夹渣、边裂等缺陷，尚不能稳定生产1 2 。 表1 2 当前我国开发的薄带双辊铸机的主要技术指标 豳圈圈誓圈圈圈盈 上海钢研同径双辊2 0 0 1 9 8 42 61 1 0 所式 隔圈阌圈圈圈熏凰 上海钢研同径双辊 5 0 02 4 所式 縻曩囫图重一震阂 l 海钢研同径双辊 所式 2 0 06 0 1 0 02 0 0 0 0 1 1 3 薄带双辊连铸的优势及存在的关键性技术问题 图1 2 是薄带双辊连铸技术与传统的厚板连铸热轧工艺生产流程的比较 1 l - 1 6 ，由图可见，薄带双辊连铸比传统的厚板连铸的生产线大大缩短，浇注速 度和冷却速度大幅度提高。薄带双辊连铸对于节省能源、快速生产，降低生产 成本具有重大意义。 上海大学硕： ：学位论文 吣哺坚二兰垒幢 霉苎剽驻 图1 - 2 薄带连铸于传统工艺的比较 与传统的厚板坯连铸连轧技术相比，薄带双辊连铸技术有如下一些技术优 势和特点【5 ，1 7 】： ( 1 ) 薄带双辊连铸所生产的薄带坯料的厚度通常只有2 4 m m ，因而 可以省去整套带钢热轧机组，取消了热连轧及其相关的加热过 程，大幅度节省能源( 仅为传统工艺的2 5 ) ； ( 2 ) 省去了切头、开坯等一些常规工序，并对冷轧设备要求降低； ( 3 ) 将凝固与塑性成型合二为一，大幅度的缩减了钢铁薄带生产的工 艺流程，相对于传统的由板坯经热轧、冷轧生产薄带，薄带双辊 连铸工艺生产线长度缩短了8 7 6 ，c 0 2 ，s 0 2 ，n o x 等有害气 体总的排放量减少了7 0 一9 0 ，并降低投资成本( 约为传统工 艺的7 7 ) ，且生产灵活； ( 4 ) 该技术适用于生产装潢、餐具、电器外壳等对机械性能要求相对 较低，但产品市场需求量大的不锈钢、铜、铝合金等薄板或薄带。 由于薄带连铸的上述技术优势，以及能源紧缺和环境污染带给钢铁企业的 社会压力，使得该技术得到业界的广泛关注。目前研究的重点集中在薄带连铸 工艺的几个关键技术领域：工艺参数控制，侧封技术和控制系统。这些工艺直 接关系到铸带的质量，以及该工艺的发展前景。从目前国内外对薄带双辊连铸 的研究、试验和试生产的情况分析，该技术在生产和应用方面尚存在几个难点 问题有待突破 6 】，如： 上海大学硕士学位论文 ( 1 ) 金属液面的波动和搅动； ( 2 ) 连铸辊端的钢水侧封问题：侧封的方式、侧封档板材料、侧封板表 面耐磨和润滑处理工艺等： ( 3 ) 薄带生产的低生产率和品质问题( 平整度、裂纹，夹渣等) ； ( 4 ) 薄带的非平衡态凝固和铸态组织( 经常为对穿的柱状晶) 。 从上述可知，薄带连铸工艺要想在工业中生产中推广，就必须确保双辊熔 池内钢水液面的稳定，优化流场分布和保证铸辊端面侧封的可靠性，为此，国 内外有实力的钢铁企业和研究机构纷纷投入大量的人力与资金进行研究。电磁 场以其独特的性质，在传统连铸应用中获得巨大成功，因此，应用电磁技术来 突破薄带连铸工艺的技术障碍已经得到广大冶金工作者的特别青睐。本文试图 用电磁技术针对双辊薄带连铸中的以下问题开展实验研究工作： ( 1 ) 水口区域金属液的电磁制动，用于抑制熔池液面的强烈波动： ( 2 ) 辊端区域的复合式电磁侧封，用于解决辊端漏钢和耐材挡板寿命问 题。 1 2 连铸中的电磁制动技术 1 2 1 电磁制动技术 电磁冶金是一门综合科学，涉及到电磁动力学和流体力学、热力学等多门学 科，其中，磁流体力学( m h d m a g n e t o h y d r o d y n a m i c s ) 是研究导电流体( 熔融 金属、半凝固金属) 在电磁场作用下运动规律的一门边缘学科，它借助电磁感应 将能量无接触地转换成导电流体的动能和热能【18 1 。电磁技术在连铸中应用主要有 电磁搅拌( e l e c t r o m a g n e t i cs t i r r i n g ，简称e m s ) ：软接触结晶器连铸( s o f t - c o n t a c t m o l di nc o n t i n u o u sc a s t i n g ) ；电磁制动( e l e c t r o m a g n e t i cb r a k i n g ，简称e m b r ) ；电 磁侧封( e l e c t r o m a g n e t i cd a m ，简称e m d ) ；以及日本钢管公司的e m l a ( 电磁液 面加速器，用于低拉速连铸) ，e m l s ( 电磁液面稳定器，用于高拉速连铸) 等 几项技术【l ”。结晶器电磁制动技术是基于一定构形的外加恒定磁场有阻滞导电流 体流动和抑制湍流作用的思路，将磁流体力学和冶金学相结合而发展得到的【2 。 上海大学硕士学位论文 在5 0 年代，就有人在结晶器上实验电磁制动技术；1 9 8 2 年，由瑞典a s e a 公司与日本川崎公司联合开发了连铸结晶器电磁制动技术( 简称e m b r ) ，并在川 崎公司的水岛钢厂进行实机应用试验，冶金效果良好2 1 】；之后电磁制动技术不断 进步，随后开发了条尺形电磁制动e m b r - m r ( 也称电磁闸) 技术，这种电磁制 动装置于1 9 9 1 年安装在法国索拉克公司敦刻尔克厂，后来荷兰艾莫尹登的霍戈文 公司也装了这种设备”1 ：新日铁开发的均一电磁制动l m f 2 3 ，“】，其原理与 e m b r - m r 十分相似，它是对结晶器内浸入式水口出口下方宽度方向施加一水平 直流磁场。9 0 年代初，川崎制钢开发了流动控制结晶器f c m o l d ，该设备的冶金 效果曾在1 9 9 4 年3 月芝加哥召开的国际炼钢会议上发布【2 5 】。 电磁制动的原理如图1 3 【2 6 】，通过在结晶器的水1 2 1 ( s e n ) 流区域设置直流 电磁场，使自水口喷出的金属液流，以相当大的速度切割磁力线，而感应出电势 e ，由此产生感应电流 j = er e = e r v x b ( 1 1 ) 其中峭金属液流速度，曰为外加的恒定磁感应强度。感应电流方向、液流方向、 外加磁场方向相互垂直，因此在液流中产生与金属液流的方向相反的电磁力 f = j x b ，进而起到液流制动( 减速) 的作用。 图1 - 3 结品器电磁制动示意图 上海大学硕士学位论文 研究结果显示，感应电流与磁场共同作用产生了与流场速度方向相反的电 磁力，从而形成电磁制动效应，电磁力是造成电磁制动的直接原因。由于制动的 结果，金属液流分裂成为弥散的小股流动，进而附加产生小范围的搅拌效应。由 此控制结晶器内钢水的流动，这在板坯连铸结晶器中，对金属液的稳定和凝固起 到有益的作用。实践表明，施加电磁制动后，板坯结晶器内流体流动的速度降低， 湍流减弱，易形成稳定的活塞流。 第一代结晶器电磁制动e m b r ：女i ：i 图1 - 4 所示，由分布在浸入式水口两侧的局部 磁场组成2 7 l ，其磁场特点为两个方l a n 反的局部磁场作用区，分别位于s e n 的左 右两侧，俗称局部区域【2 0 。 两个磁场作用区内的磁场方 向相反，感应电流方向也相 反，但在液流中感生的电磁 力的方向始终与液流方向相 反，从而能有效地制动由 s e n 两个侧孔喷出的液流。 该制动特性依赖于断面、拉 速、氩气流量及浸入式水口 形状等浇注条件。 图1 4 局部区域e m b r 结构示 图1 - 5 全段面e m b r 结构示意图图1 - 6 流动控制e m b r 结构示意图 上海大学硕士学位论文 图1 5 所示是条尺形结晶器电磁制动e m b 卜m r 技术2 ”，其磁场特点是在结晶 器内建立覆盖整个结晶器宽度的水平磁场2 0 1 ，强化了制动效果。 流动控制结晶器f c m o l d 结构如图l 一6 e 2 ”，该系统在结晶器整个宽度方向上 安装两组静态磁场一组位于弯月面附近，另一组位于结晶器下部。f c m o l d 上 段磁场主要用于稳定弯月面，下段磁场主要用于制动向下侵入流动2 0 1 。 结晶器e m b r 作用的效果受诸多因素相互制约，其主要的影响因素有： ( 1 ) 产生磁场的方式； ( 2 ) 磁场与弯月面的相对位置： ( 3 ) 磁场强度。 资料显示，磁场过强或过弱，均会在结晶器弯月面和初凝壳区域对铸坯的表 面质量带来不利的影响 2 9 】。 据不完全统计，至1 9 9 6 年在世界范围内已有近3 0 套各种类型的电磁制动 装置用于板坯和薄板坯连铸2 0 1 。从8 0 年代末起，国内也相继开展了各种类型电 磁制动的实验和理论研究。9 0 年代初研制成国内第一台板坯连铸结晶器局部区 域电磁制动装置并进行实机应用，取得了改善铸坯表面质量和减少内部夹杂的 良好效果f 2 0 】。 1 2 2 结晶器流场分布及电磁制动的作用 结晶器内金属液流场的合理分布是连铸工艺的关键技术之一，特别是薄板 薄带连铸，结晶器内的空间小，熔池深度浅，铸轧速度快，使金属液在结晶器 内停留时间短，不利于金属液的内夹杂充分上浮( 去除) 和温度均匀分布。水 口金属液的强烈冲击，使结晶器内金属液产生剧烈的湍流，引起熔池表面的波 动，破坏了弯月面的稳定，从而导致板坯或带坯的各种缺陷。笔者等在进行薄 带双辊连铸电磁侧封模拟实验中曾观察到水口注流对双辊结晶器液面的影响， 尤其在辊端区域产生液流液位( 高度) 波动，使侧封电磁力场难以稳定抵消金 属静压力分布，液态金属以溢流的形式突破辊端侧封，导致实验失败【”。合理 的布流应该确保结晶器熔池内流场的稳定，抑制湍流的发展，表现为熔池液面 波动减小。有文献报道，薄带双辊连铸工艺一般要求熔池液面波动不能超过 上海大学颂士学位论文 2 4 m m j 。 为实现结晶器内金属液的合理布流，国内外冶金工作者做了大量的研究工 作。研究的重点是薄板连铸结晶器和薄带双辊连铸“v ”形熔池内流场、温度 场等与各铸造参数的关系。通过选择不同的湍流模型，利用数值计算，确定不 同注嘴形状与尺寸、辊缝距和金属液的过热度等对结晶器内金属液的传质、传 热、传动和凝固行为的影响 3 1 - 3 4 】。h a e k l 等人通过往连铸钢液中加入一个难熔 的圆形物体，采用已用水模校准的仪表来测定圆形物体上的压力来反映电磁制 动后薄板连铸结晶器弯月面流体流动的速度；采用将无磁不锈钢片插入结晶器 弯月面来比较电磁制动后弯月面液面波动的情况【 。m o r i s h i t a 等人报道了电磁 制动的影响，结晶器中钢水从弯月面的渗透深度从1 5 0 0m l n 减小到9 0 0m n l ， 同时，夹杂物也减少了5 0 左右【3 6 】。另据报道，采用电磁制动后结晶器液面波 动可控制在= k 2 m m 3 7 】。b o u c h a r d 和s e n 等人通过水模型实验，研究了薄带双辊 连铸水口形状、尺寸及类型等对双辊熔池内流场和液面波动的影响，并根据模 型制出了试验性水口【1 2 1 。日本的小冢敏之和浅井滋生等 3 8 - 4 1 1 利用金属汞液，分 别模拟和计算了外加稳恒磁场、静磁场，以及直流电加稳恒磁场对液面波动的 抑制效果，计算出在电磁作用下波动的阻尼系数。国内东北大学，重庆大学对 结晶器内流场分布研究做了很多工作，李宝宽【4 2 1 采用s i m p l e c 算法，计算了带 形制动磁场对薄板连铸结晶器内流场的影响，结果表明电磁制动能有效地改变 结晶器流场分布，减弱射流强度。文光华、祝明妹等通过物理模拟，得出双辊 熔池流场分布及液面波动与水口结构、浸入深度、拉速等工艺参数之间的关系 【4 3 。 在薄板坯连铸工艺中，结晶器电磁制动作用明显： 1 ) 控制结晶器内钢水的流动，抑制湍流，改善薄板坯连铸结晶器内的流场 和温度场的分布，减少板坯表面裂纹、条纹： 2 ) 减弱水口出流对初生坯壳的冲击，减小钢水拉漏的危险； 3 ) 有利于氧化物等夹杂物的上浮去除，减少卷渣，提高成品的质量。 这些作用改善了薄板坯连铸结晶器中钢水的流态，抑制湍流，形成活塞流， 而且通过在线参数调整，能灵活适用于多种板坯的生产。薄板连铸结晶器电磁 上海大学顶：f ：学位论文 制动技术的这些优势，使它成为生产高品质薄板成品不可或缺的关键工艺。因 此人们曾设想将电磁制动应用于薄带的双辊连铸，以解决其结晶器熔池中的液 流分布和控制问题，但由制动设备自身结构的限制，双辊连铸的“v ”形结晶 器无法安装而被放弃。 本文提出在薄带双辊连铸的结晶器水口区域施加电磁制动的设想，通过控 制水口金属液的流动状态，优化结晶器内金属液的流场，抑制液面波动。利用 水银的模拟实验，弄清水口电磁制动对熔池液位波动的影响规律，为进一步优 化薄带双辊连铸结晶器内的流场，建立合理布流提供一种新的思路。 1 3 薄带双辊连铸的侧封技术 正如前面所况，在薄带双辊连铸工艺中，连铸辊端钢水的侧封技术是该工 艺的关键技术之一。所谓的侧封，是在薄带双辊连铸机中，为了防止钢水从辊 的两端溢漏而设计的密封装置。在薄带连铸过程中，钢水通过浸入式水口进入 由两个水冷辊和两个侧封板围成的熔池区，经过包括微轧在内的复杂凝固过程 成为薄带，侧封是否严密封住钢水以及侧封板的材料、结构等因素将直接影响 薄带质量【删。目前研究较成熟的侧封技术主要有两大类：固体机械侧封和电磁 侧封。 1 3 1 薄带双辊连铸固体侧封技术 目前国内外薄带连铸研究开发中用得最多的是固体侧封板技术4 5 1 ，固体侧 封装置主要由侧封板和顶紧装置组成，如图l 一6 所示。 f 图1 - 6 机械侧封原理图 1 浇口，2 铸辊，3 中间包，4 侧封当板，5 顶紧装置，6 调节装置 一1 2 上海大学硕士学位论文 在浇注过程中，侧封板受到如下力的作用：在水平方向上，有熔池内钢水 的静压力，、铸带的轧制展宽力b 、铸辊端面的反作用力局及侧封装置的顶 紧力，；在垂直方向上，有重力g 、辊端面摩擦力，以及侧封装置向上的托力 n 的作用。 作用力的平衡关系为： e + 最+ 五= f ( 1 - 2 ) ，+ g = f( 1 - 3 ) 由上面关系式可知，当顶紧力f = 只+ 只时，侧封板处于无摩擦状态( 此 时只= 0 ，即辊端面对侧封板无正压力，因而不存在摩擦力) ，这种理想状态在 实际操作中是很难做到的。而当只+ 只f 时，侧封板与铸辊端面之间就会因 侧封封板的退让而产生小的间隙，熔池中的钢水就可能进入此缝隙而在铸带边 部产生毛刺，随着双辊的转动，这些毛刺反过来会使侧封板磨损甚至拉伤，使 缝隙越来越大，毛刺也越来越多，结果封不住钢水，造成连铸中断。所以在实 际的操作中，顶紧力f 必须保持大于片+ 只的状态，此时铸辊端面对侧封板的 压力局随顶紧力f 的增大而上升，侧封板所受的摩擦力，也随之增大，使侧封 板易磨损、剥落。同时，顶紧力，增大时，就要求侧封板具有相当的抗压性能， 否则就有可能被压碎。另外，侧封板- - n 与高温的钢水接触，另- - n 暴露在空 气中，因而具有很大的温度梯度，钢水容易在侧封板上形成凝固物，在侧封板 的上部形成较大的凝固块随着双辊转到较窄的咬合点时，具有较大的、不规则 的变形量，容易造成边缘缺损。当凝固块逐渐长大到侧封板不足以吸附住它时， 凝固块就会从侧封板上脱落下来形成冷块。随着双辊的转动，凝固块反复生成、 脱落、挤压，结果造成铸带边缘缺损和冷块周期性出现。这一部分有缺陷的边 缘必须切除( 每边切除至少2 5 m m ) ，这就降低了此技术的成材率，增大了材料 的二次加工量。 以上分析表明，采用固体侧封技术必须配备能够精确自动控制的顶紧装置， 同时对侧封板的材料和性能也提出了较高的要求，比如：良好的耐热性、耐冲 上海大学硕：i ：学位论文 击性，热变形量小，高温下仍具有良好的强度、耐磨性和韧性，良好的绝热性 能，对凝固物的剥落性能好，等等。 针对固体侧封板问题这一关键技术，人们已做了大量的研究工作，包括对 各种顶紧装置( 如丝杆式，弹簧压紧式，气动式和液压顶紧式) 的试验，侧封 板耐火材料的选择。取得了一些成果，但还有一些困难，如侧封板的在线加热， 侧封板与铸辊之间的磨损，侧封板易破碎，生产成本高 4 6 , 4 7 】。有文献表明，双 辊薄带连铸技术中带钢成本的很大一部分来自昂贵的侧封板的消耗。以生产中 用得比较好的陶瓷侧封板为例，每对侧封板耗费数千美元，却只能浇铸近1 0 0 吨带钢，铸轧每吨带钢仅耐火材料侧封板就需消耗约2 0 6 0 美元，占除钢铁原 料外所有生产成本的2 0 多【4 ”。自1 8 4 6 年b e s s e m e r h 提出薄带双辊连铸以来， 其生产成本与传统连铸相比，并没有像人们预期的那样有明显下降，其中重要 的一个原因就是薄带连铸的消耗件太贵。显然，薄带双辊连铸固体侧封板技术 是一项成功的技术，但是要以最低的成本生产出高品质的带钢来该工艺还没有 达到其真正的潜能。 应注意到，只要采用固体侧封技术，就必然存在侧封板的消耗与磨损，各 种基于此技术基础上的研究，努力的方向不过是尽量减少因侧封板消耗和磨损 附加的成本而已。可以说，这是固体侧封板固有的缺陷，难以从根本上得到解 决。在这种情况下，2 0 世纪8 0 年代，冶金工作者提出了薄带双辊连铸电磁侧 封的设想，为从根本上解决此问题指明了一个全新的发展方向。 1 3 2 薄带双辊连铸电磁侧封技术 所谓电磁侧封技术就是在双辊的两个端面上分别施加一个特定的电磁场， 通过作用于液态金属上的电磁感应力来达到侧封液态金属的目的。如果施加的 是交变磁场，就会在欲封堵的液态金属内部感生出相应的电流，这个感生电流 在电磁场中就会形成一个始终指向液态金属内部的电磁力。只要该力满足一定 的条件( 电磁力等于静压力与其它力之和) ，就可以完全抵消液态金属的静压力 和其它作用力，达到在双辊全端面上封住液态金属的效果。如果施加的是稳恒 磁场，并在与电磁场垂直的方向通入直流电，使液态金属产生指向其内部的电 上海大学硕士学位论文 磁力，也能达到侧封的效果。在电磁侧封技术中，由于电磁力的超距作用，无 需与液态金属接触就可以对液态金属施加以约束控制力，从而实现对液态金属 的侧封，这样就避免了机械侧封板的消耗和磨损漏钢，其次避免了磨损的耐火 材料粉末对钢水的污染及其对铸带边缘的不良影响，减少后续加工的切边量， 降低成本，提高产品的质量，因此具有固体侧封板无法比拟的优越性m 8 , 4 9 。 电磁侧封可以分为三种：高频交流感应电磁侧封，稳恒磁场+ 直流电流电 磁侧封和复合式电磁侧封。 1 ) 高频交流感应电磁侧封 图1 7 高频交流感应电磁侧封原理图4 9 - 5 3 ，该装置以一对特定形状的磁极 代替了固体侧封板，通过合理的放置磁极的位置，使两个磁极间产生如图中虚 线所示的交变磁场( 频率一般为几十到几千赫兹) ，当铸辊间浇注钢液之后就会 铸辊端面图铸辊端面俯视图 4 图1 7电磁侧封原理 1 铸辊，2 磁极，3 磁力，4 熔池。5 铸带 在其中感生出与磁场方向垂直的电流。由于积肤效应，电磁场在液态金属中只 能透过一定的深度( 即积肤深度) 。并且，随透入深度的增加，磁场强度随透入 深度的增加迅速衰减。因而，在双辊边缘处的磁感应强度最强，液态金属所受 的电磁力而大于内部液态金属所收的电磁力局，两者抵消后得到一个指向液 态金属内部的净电磁力，当这个电磁力与液态金属受的静压力与展宽力的和相 平衡时，便能够成功的实现对液态金属的侧封。 交变电磁场的发生装置有三种不同的形式【4 8 ：变压器式( t r a n s f o r m e r 上海大学硕：l 学位论文 p r i n c i p l ee m d ) 、附加电流增强式( a u g m e n t a t i o np r i n c i p l ee m d ) 、临近感应 式( p r o x i m i t yp r i n c i p l ee m d ) ，它们的设计原理分别如图1 - 8 中( a ) 、( b ) 、( c ) 所示。 匹 恒匡习爷 二3 犷 已 ( a ) 变压器式 ( b ) 附加电流增强式( c ) 临近感应式 图1 - 8 几种类型的交变电磁场发生原理装置图 变压器式交流电磁场电磁发生装置结构( 图1 8a ) 是在一个具有高磁化率 的铁芯上缠绕上线圈，就好像一个变压器。当线圈中通入交变电流时，铁芯中 就产生一个交变电磁场，该磁场传到铁心的两极，形成一个水平方向的电磁场， 辊缝中的液态金属横切该交变电磁场，从而产生电磁侧封力。变压器式电磁场 发生装置结构简单，易于理解，但存在一个很大的问题，即铁：占在交变电磁场 的作用下必然会感应发热，这一热量会使辊端加热，造成带钢边部有重熔现象， 不但影响交变电磁场的效率还影响带钢的质量，缠绕在线圈中的铁芯内又不方 便布置冷却设施，因而它的功率提高有限，侧封高度也受到了限制，如果采用 高磁导率的硅钢片叠加而成的铁芯，发热状况会有所改善。 附加电流增强式和f 临近感应式就是针对这一问题所提出的一些改进措施。 在邻近感应式电磁场发生装置中，直接用一个线圈产生磁场，布置在外面的铁 芯起引导磁力线的作用，以让更多的磁力线作用于液态金属上，提高了侧封的 效率。这种结构中的铁芯便于冷却。但它也存在缺点，即漏磁率高，如果不用 铁芯引导磁力线，线圈直接靠近熔态钢液，因而线圈的工作环境会极其恶劣。 在附加电流增强式磁场发生装置中仍采用变压器式的结构产生交变电磁场，但 在金属液中另外通一个交变电流，这样就使感生电流和附加电流值之和在电磁 场中受电磁力的作用，在变压器供电功率相同的情况下，附加电流增强式所产 上海大学硕：i 二学位论文 生的电磁力要大的多，因而能大大提高侧封的高度。 2 ) 稳恒磁场+ 直流电流电磁侧封 稳恒磁场+ 直流电电磁侧封装置的原理如图1 - 9 所示，它的电磁侧封力是由 恒电磁场与直流电之间相互作用而产生的 5 4 - 5 7 】。该装置在双辊的两端加上一对 导电环，并用绝缘材料使之与铸辊的主体保持绝缘。当铸辊间充满金属液时， 由于直流电源和电极的存在，就会在其中产生如图所示的电流 同时另一套 设备产生如图所示的磁场口，此时就会产生指向液态会属内部的电磁力，从 而达到侧封的目的。 1 水冷铸辊2 绝缘材料 3 导电环4 宜流电极 5 钢水熔池6 侧面耐材挡板 7 直流电源 图1 9 直流电+ 静磁场电磁侧封装置 稳恒电磁场+ 直流电电磁侧封装置避免了侧封板与铸辊的直接接触，从而减 少了铸辊的磨损与消耗，降低了成本。但在实际生产中，由于侧封端面很大， 要想用稳恒磁场实现全端面侧封非常困难，这对稳恒磁场设计及金属液内电流 的输入都是个巨大的挑战。 3 ) 复合式电磁侧封 相对前几种侧封方式，稳恒磁场 耦合固体挡板的复合式电磁侧封技 术发展的历程较短，见著的文献报道 不多，研究主要在日本。日本名古屋 大学的a s a i 教授领导的小组自9 0 年 代初开始在复合式电磁侧封方面做 了大量的研究工作59 1 ，图1 1 0 是 图】1 0 复合式电磁似0 封装置 卜海大学硕士学位论文 他们设计的电磁场耦合固体挡板侧封装置。 他们利用该装置实现了对镓金属液的侧封，并从理论上推导了金属液中电 流的分布状态。从图可知，他