（钢铁冶金专业论文）多模式电磁搅拌板坯连铸结晶器内电磁场与钢液流动数值模拟.pdf

ad i s s e r t a t i o ni nf e r r o u sm e t a l l u r g y m i i iii 1 i l l , i l li i1 1 1 1 1 1i ii y 1716 2 0 0 n u m e r i c a ls i m u l a t i o no f e l e c t r o m a g n e t i c f i e l da n dm o l t e ns t e e lf l o wi ns l a b co n t i n u o u sc a s t i n gm o l d w i t hm u l t i m o d e e l e c t r o m a g n e t i cs t i r r i n g b yw a n gh o n g d a n s u p e r v i s o r ：p r o f e s s o rz h um i a o y o n g n o r t h e a s t e r nu n i v e r s i t y j u n e2 0 0 9 一秘 独创性声明 本人声明，所呈交的学位论文是在导师的指导下完成的。论文中取得 ：成果除加以标注和致谢的地方夕卜，不包含其他人己经发表或撰写过 的研究成果，也不包括本人为获得其他学位而使用过的材料。与我- - n = r 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 = 也 思。 学位论文作者签名： 王宏舟 日期： 2 舶7 - 6 矽 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者和指导教师完全了解东北大学有关保留、使用学位论 文的规定：即学校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。本人同意东北大学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、交流。 作者和导师同意网上交流的时间为作者获得学位后： 半年口一年口一年半口两年口 学位论文作者签名：王宏舟 签字日期：2 呻年占月勿日 导师签名： 签字日期： l 一 _ 冷 t 东北大学硕士学位论文摘要 多模式电磁搅拌板坯连铸结晶器内电磁场 与钢液流动数值模拟 摘要 多模式电磁搅拌( m m e m s ) 是一种可以有效控制板坯连铸结晶器内钢液流动的技 术手段，其目的是根据不同的浇铸条件，通过选择和调节施加于从浸入式水口( s e n ) 吐出的钢液流股上的水平电磁力的方向和大小，使结晶器内的钢液流动特别是弯月面附 近的流动控制在一个最佳范围内，从而使铸坯表面和皮下夹杂物含量大大减少，改善操 作工艺和提高铸坯质量。本文以板坯连铸结晶器为研究对象，对m m e m s 下结晶器内 的电磁场和钢液流场特征进行了数值模拟研究。主要的研究内容和结果如下： 首先，根据具体的连铸工艺，建立了描述板坯结晶器m m e m s 条件下的三维电磁 场数学模型，并利用有限元分析软件a n s y s l l 0 进行了数值模拟，研究了结晶器内的 电磁场分布特征，考察了励磁电流强度和频率对电磁场的影响规律。结果表明：电磁水 平稳定器( e m l s ) 和电磁水平加速器( e m l a ) 下板坯结晶器横纵截面内的电磁场分布规 律相似，磁感应强度和电磁力沿板坯宽度方向呈中心对称的抛物线分布，在拉坯方向上 有“中间大，两头小”的分布规律，在板坯厚度方向上由边缘向中心对称衰减。电流强度 由8 0 0 a 增至1 0 0 0 a 时，e m l s 条件下，磁感应强度由0 0 9 5 6 t 增至0 1 1 9 5 t ，电流强 度每增加5 0 a ，磁感应强度相应增加约0 0 0 6 t ，电磁力由1 5 2 0 n m 3 增至2 3 7 0 n m 3 ； e m l a 条件下，磁感应强度由0 0 9 7 5 t 增至0 1 2 1 9 t ，电流强度每增加5 0 a ，磁感应强 度相应增加约0 0 0 6 1 t ，电磁力由1 5 6 0 n m 3 增至2 4 4 0 n m 3 。频率由2 h z 增至1 4 h z 时， e m l s 和e m l a 条件下磁感应强度均随频率的增加而减小，且呈近似线性递减关系； 电磁力则随频率的增加先增大后减小，在9 0 h z 时达到最大值，e m l s 条件下电磁力由 频率2 h z 时的1 3 5 0 n m 3 增至9 h z 时的3 3 4 0 n m 3 ，e m l a 条件下电磁力则由1 9 8 0 n m 3 增至5 0 1 0 n m 3 。 在电磁场求解的基础上，结合电磁场与流场耦合理论，建立了描述板坯结晶器多模 式电磁搅拌过程钢液流动的三维有限体积数学模型，利用c f x 软件结合自编程序进行 了数值模拟，研究了板坯结晶器多模式电磁搅拌条件下的钢液流场分布特征，分析了励 磁电流强度和频率及拉速对钢液流场的影响。模拟结果表明：e m l s 能有效减小从s e n 吐出的钢液主流股动量，降低弯月面附近的钢液流速，从而减少保护渣的卷吸，同时使 i i i 东北大学硕士学位论文摘要 钢液流股的冲击深度变浅，有利于夹杂物的上浮去除；e m l a 能使从s e n 吐出的钢液 主流股被加速，沿窄面向上回流的钢液流速增大，过热钢液向弯月面补充热量增多，保 护渣熔融充分，提高了保护渣吸收夹杂物的能力。电流强度由8 0 0 a 增至1 0 0 0 a 时，e m l s 条件下，自由液面最大流速由没加磁场时的o 5 1 5 m s 分别降至0 1 5 5 m s 和o 1 2 m s ； e m l a 条件下，最大速度由没加磁场时的0 2 7 4 m s 分别增至0 3 7 6 m s 和0 4 6 m s 。频率 由2 h z 增至6 h z 时，e m l s 条件下，自由液面最大流速由o 1 7 7 m s 降为o 1 0 1 m s ；e m l a 条件下，自由液面最大流速由o 3 7 6 m s 增至0 4 8 3 m s 。e m l s 可以有效抑制高拉速下结 晶器内钢液的剧烈运动，改善钢液流动状态；在0 7 m m i n 的极低拉速下，e m l a 对于 提高自由液面速度也是非常有效的。 利用本文提出的数学模型及模拟结果可以分析具体工况和具体操作参数下结晶器 内的钢液流场，对选择合理的电磁搅拌参数和指导连铸工艺实际生产提供了理论依据。 关键词：板坯连铸；结晶器；钢液流动控制；多模式电磁搅拌；数值模拟 i v 一 a ， - ， 厶， 、 东北大学硕士学位论文 a b s t r a c t n u m e r i c a ls i m u l a t i o no fe l e c t r o m a g n e t i cf i e l da n d m o l t e ns t e e lf l o wi ns l a bc o n t i n u o u sc a s t i n gm o l dw i t h m u l t i m o d e e l e c t r o m a g n e t i cs t i r r i n g a bs t r a c t m u l t i m o d ee l e c t r o m a g n e t i cs t i r r i n g ( m m e m s ) h a sb e e nat e c h n i c a lm e t h o df o r e f f e c t i v e l yc o n t r o l l i n gt h em o l t e ns t e e lf l o wi ns l a bc o n t i n u o u sc a s t i n gm o l d b ys e l e c t i n g a n dr e g u l a t i n gt h ed i r e c t i o na n dm a g n i t u d eo ft h eh o r i z o n t a le l e c t r o m a g n e t i cf o r c ei m p o s e d o nt h em o l t e ns t e e lf l o w i n gf r o mt h es u b m e r g e de n t r yn o z z l e ( s e n ) ，i tm a k e st h em o l t e n s t e e lf l o wi nt h em o l de s p e c i a l l yn e a rt h em e n i s c u si na no p t i m u mr a n g ew i t hd i f f e r e n t c a s t i n gc o n d i t i o n s ，t h u st h ei n c l u s i o nc o n t e n to fs l a bs u r f a c ea n ds u b s u r f a c ew i l lb eg r e a t l y d e c r e a s e d ，a n dt h ep e r f o r m a n c ea n ds l a bq u a l i t yw i l lb ei m p r o v e d as l a bc o n t i n u o u sc a s t i n g m o l dw a sc o n s i d e r e da st h er e s e a r c ho b j e c ti nt h i sp a p e r , a n dn u m e r i c a ls i m u l a t i o nw a s c a r r i e do u tt os t u d yt h ec h a r a c t e r i s t i c so fe l e c t r o m a g n e t i cf i e l da n dm o l t e ns t e e lf l o wf i e l di n t h em o l dw i t l lm m e m s t h em a i nr e s e a r c hw o r ka n dr e s u l t sa r ea sf o l l o w s ： f i r s t l y , am a t h e m a t i c a lm o d e lt od e s c r i b et h et h r e e - d i m e n s i o n a le l e c t r o m a g n e t i cf i e l di n t h es l a bm o l dw i t hm m - e m sw a ss e tu pa c c o r d i n gt ot h es p e c i f i cc o n t i n u o u sc a s t i n gp r o c e s s t h ef i n i t ee l e m e n ta n a l y t i c a ls o f h v a r ea n s y s11 0w a se m p l o y e dt op e r f o r mt h en u m e r i c a l s i m u l a t i o n , a n dt h ec h a r a c t e r i s t i c so ft h ee l e c t r o m a g n e t i cf i e l dd i s t r i b u t i o ni nt h em o l d ，a n d t h ee f f e c t so fe x c i t i n gc u r r e n t i n t e n s i t ya n df r e q u e n c yo ne l e c t r o m a g n e t i c f i e l dw e r e i n v e s t i g a t e d t h er e s u l t si n d i c a t et h a t ，u n d e rt h ee l e c t r o m a g n e t i cl e v e ls t a b i l i z e r ( e m l s ) a n dt h ee l e c t r o m a g n e t i cl e v e la c c e l e r a t o r ( e m l a ) ，t h ee l e c t r o m a g n e t i cf i e l dd i s t r i b u t i o n l a w sa r es i m i l a ri nt h ec r o s s - s e c t i o na n dl o n g i t u d i n a l s e c t i o no fs l a bm o l d t h em a g n e t i c i n d u c t i o ni n t e n s i t ya n dt h ee l e c t r o m a g n e t i cf o r c es h o wac e n t r o - s y m m e t r i cp a r a b o l a d i s t r i b u t i o na l o n gt h es l a bw i d t hd i r e c t i o n ，r e a c hm e i rm a x i u ma tt h em i d d l ep l a n eo ft h e s t i r r e ra n db e c o m es m a l l e rt o w a r d st h et w oe n d so ft h es t i r r e ri nt h ec a s t i n gd i r e c t i o n ，a n d a t t e n u a t es y m m e t r i c a l l yf r o mt h ee d g et ot h ec e n t e ri nt h es l a bt h i c k n e s sd i r e c t i o n t h e c u r r e n ti n t e n s i t yi n c r e a s e sf r o m8 0 0 at o10 0 0 a ，a su n d e rt h ee m l sc o n d i t i o n s ，t h em a g n e t i c i n d u c t i o ni n t e n s i t yi n c r e a s e sf r o m0 0 9 5 6 tt oo 119 5 t a st h ec u r r e n ti n t e n s i t yi n c r e a s e sf o r jv 东北大学硕士学位论文 a b s t r a c t e a c ha d d i t i o n a l5 0 a ，t h em a g n e t i ci n d u c t i o ni n t e n s i t yi n c r e a s e sb ya b o u t0 0 0 6 t , a n dt h e e l e c t r o m a g n e t i cf o r c ei n c r e a s e sf r o m15 2 0 n m 3t o2 3 7 0 n m 3 ；a su n d e rt h ee m l ac o n d i t i o n s ， t h em a g n e t i ci n d u c t i o ni n t e n s i t yi n c r e a s e sf r o m0 0 9 7 5 tt o0 1219 t , a st h ec u r r e n ti n t e n s i t y f o re a c ha d d i t i o n a l5 0 a ，t h em a g n e t i ci n d u c t i o ni n t e n s i t yi n c r e a s e sb ya b o u t0 0 0 61t , a n dt h e e l e c t r o m a g n e t i cf o r c ei n c r e a s e sf r o m 15 6 0 n m 3t o2 4 4 0 n m 3 t h ec u r r e n tf r e q u e n c y i n c r e a s e sf r o m2 h zt o14 h z ，a sb o t hu n d e rt h ee m l sa n dt h ee m l ac o n d i t i o n s ，t h e m a g n e t i ci n d u c t i o ni n t e n s i t yd e c r e a s e sl i n e a r l y , a n dt h ee l e c t r o m a g n e t i cf o r c ei n c r e a s e sf i r s t a n dt h e nd e c r e a s e s 9 o h za tt h em a x i m u m t h ee l e c t r o m a g n e t i cf o r c ei n c r e a s e sf r o m 1 3 5 0 n m 3a t2 h zt o3 3 4 0 n m 3a t9 h z 吼d e rt h ee m l sc o n d i t i o n sa n df r o m1 9 8 0 n m 3t o 5 010 n m 3u n d e rt h ee m l ac o n d i t i o n s o nt h eb a s i so ft h ee l e c t r o m a g n e t i cf i e l ds o l u t i o n ，a n dc o m b i n i n gt h ec o u p l e dt h e o r yo f t h ee l e c t r o m a g n e t i cf i e l da n dt h ef l o wf i e l d ，at h r e e - d i m e n s i o n a lf i n i t ev o l u m em a t h e m a t i c a l m o d e lt od e s c r i b et h em o l t e ns t e e lf l o wi nt h es l a bm o l dd u r i n gt h em m - e m sp r o c e s s t h e n u m e r i c a ls i m u l a t i o nw a s p e r f o r m e db yu s i n gt h e c f xs o f t w a r e c o m b i n i n gw i t h s e l f - c o m p i l i n gp r o g r a m ，a n dt h ec h a r a c t e r i s t i c so ft h em o l t e ns t e e lf l o wf i e l dd i s t r i b u t i o ni n s l a bm o l dw i t hm m - e m s ，a n dt h ee f f e c t so fe x c i t i n gc u r r e n ti n t e n s i t ya n df r e q u e n c ya sw e l l a sc a s t i n gv e l o c i t yo nm o l t e ns t e e lf l o wf i e l dw e r er e s e a r c h e d s i m u l a t i o nr e s u l t si n d i c a t et h a t ， e m l sc a ne f f e c t i v e l ym i n i m i z et h ef l o wm o m e n t u mo ft h em o l t e ns t e e lm a i n s t r e a mf l o w i n g f r o mt h es e n ，t h u st h ef l o wv e l o c i t yo ft h em o l t e ns t e e ln e a rt h em e n i s c u sw i l lb er e d u c e d ， a n dt h ea m o u n to fm o l dp o w d e re n t r a p m e n t sw i l l lb ed e c r e a s e d s i m u l t a n e o u s l y , t h e i m p i n g i n gd e p t ho ft h em o l t e ns t e e ls t r e a mc a nb es h a l l o w e d ，w h i c hi s b e n e f i c i a lt ot h e f l o a t i n ga n dr e m o v a lo ft h ei n c l u s i o n s e m l ac a na c c e l e r a t et h em o l t e ns t e e lm a i n s t r e a m ， t h u st h ef l o wv e l o c i t yo ft h em o l t e ns t e e lw i l lb ei n c r e a s e dw h e nb a c k f l o w i n gu p w a r da l o n g t h en a r r o wf a c eo ft h es l a b ，t h e r e f o r em o r eh e a tw i l lb et r a n s f e r r e db yt h es u p e r h e a t e dm o l t e n s t e e lt ot h em e n i s c u s ，a n dt h em o l dp o w d e rm e l t ss u f f i c i e n t l y t h ec a p a b i l i t yo ft h em o l d p o w d e ra b s o r b i n gi n c l u s i o n sc a nb ee n h a n c e d t h ec u r r e n ti n t e n s i t yi n c r e a s e sf r o m8 0 0 a t o 10 0 0 a ，a su n d e rt h ee m l sc o n d i t i o n s ，t h em a x i m u mf r e es u r f a c ev e l o c i t yd e c r e a s e sf r o m 0 515 r n sw i t h o u tm a g n e t i cf i e l dr e s p e c t i v e l yt oo 15 5 r n sa n d0 12 m s ；a su n d e rt h ee m l a c o n d i t i o n s ，t h i sm a x i m u mv e l o c i t yi n c r e a s e s f r o m0 2 7 4 m sw i t h o u tm a g n e t i cf i e l d r e s p e c t i v e l yt oo 3 7 6 m sa n d0 4 6 m s t h ec u r r e n tf r e q u e n c yi n c r e a s e sf r o m2 h z t o14 h z ，t h e - v t v m o l t e ns t e e lf l o wp a t t e r n e m l ac o nb ev e 巧e f f i c i e n tt or a i s et h ef r e es u r f a c ev e l o c i t yu n d e r av e r yl o wc a s t i n gs p e e do fo 7 m m i n i tc a nb eu s e df o ra n a l y z i n gt h ef l o wf i e l do ft h em o l t e ns t e e li nt h em o l df o rt h ec e r t a i n o p e r a t i n gc o n d i t i o n sa n do p e r a t i o np a r a m e t e r sb yu s i n gt h em a t h e m a t i c a lm o d e la n dt h e s i m u l a t i o nr e s u l t sw h i c hp r o p o s e di n t h i sp a p e r i ta l s op r o v i d e st h et h e o r e t i c a lb a s i sf o r s e l e c t i n gr e a s o n a b l ee l e c t r o m a g n e t i cs t i r r i n gp a r a m e t e r s ，a n dg u i d i n gt h ea c t u a lp r o d u c t i o no f c o n t i n u o u sc a s t i n gp r o c e s s k e yw o r d s ：s l a bc o n t i n u o u sc a s t i n g ；m o l d ；m o l t e ns t e e l f l o wc o n t r o l ；m u l t i m o d e e l e c t r o m a g n e t i cs t i r r i n g ( m m e m s ) ；n u m e r i c a ls i m u l a t i o n 屯 ， 东北大学硕士学位论文 目 录 目录 独创性声明i 摘要i i i a b s t r a c t v 第一章绪论1 1 1 电磁流体力学在冶金中的应用1 1 2 板坯连铸结晶器电磁流动控制技术”3 1 2 1 板坯连铸结晶器钢液流动控制的重要性3 1 2 2 结晶器内钢液电磁流动控制技术的主要方式5 1 3 板坯连铸结晶器多模式电磁搅拌技术的研究概况1 6 1 3 1 国外研究概况”1 6 1 3 2 国内研究概况一l9 1 4 选题依据和主要研究内容2 0 1 4 1 选题依据2 0 1 4 2 主要研究内容2 1 1 5 本章小结2 2 第二章多模式电磁搅拌电磁控流过程磁场与流场数学模型描述2 3 2 1 电磁场数学模型2 3 2 1 1 电磁场分析的理论基础”2 3 2 1 2 电磁场数学模型”2 6 2 1 3 有限元模型的建立2 9 2 2 流场数学模型3 2 2 2 1 电磁场与钢液流动耦合理论”3 3 2 2 2 流场数学模型”3 6 2 2 3 有限元模型的建立”4 1 2 3 电磁场与流场的耦合求解4 3 2 4 本章小结4 4 i x 东北大学硕士学位论文 目 录 第三章多模式电磁搅拌下板坯结晶器内三维电磁场数值模拟4 5 3 1 电磁减速下电磁场分析4 5 3 1 1 电磁减速作用下结晶器内电磁场分布规律一4 5 3 1 2 励磁电流强度对电磁场的影响4 9 3 1 3 励磁电流频率对电磁场的影响5 2 3 2 电磁加速下电磁场分析5 5 3 2 1 电磁加速作用下结晶器内电磁场分布规律“5 5 3 2 2 励磁电流强度对电磁场的影响5 9 3 2 3 励磁电流频率对电磁场的影响“6 3 3 3 本章小结6 6 第四章电磁减速电磁加速下板坯结晶器内钢液流动数值模拟6 9 4 1 电磁减速下电磁场与流场耦合分析6 9 4 1 1 流场分布规律”6 9 4 1 2 励磁电流强度对钢液流动的影响7 1 4 1 3 励磁电流频率对钢液流动的影响7 2 4 1 4 拉速对钢液流动的影响7 5 4 2 电磁加速下电磁场与流场耦合分析7 8 4 2 1 流场分布规律”7 8 4 2 2 励磁电流强度对钢液流动的影响”8 0 4 2 - 3 励磁电流频率对钢液流动的影响81 4 2 4 拉速对钢液流动的影响”8 3 4 3 本章小结8 6 第五章结论8 9 参考文献”9 1 致 射”101 攻读学位期间发表的论文1 0 3 论文包含图、表、公式及文献1 0 5 - x 东北大学硕士学位论文 第一章绪论 第一章绪论 1 1 电磁流体力学在冶金中的应用 1 1 1 电磁流体力学应用的发展 电磁流体力学包括等离子体( p l a s m a ) 、铁磁流体力学( f h d ) 、电流体力学( e h d ) 和磁流体力学( m h d ) 。电磁流体力学是研究电磁和流体流动之间相互关系的科学，涉 及经典电动力学、磁动力学和流体力学【l 】。它与电学、地球物理学、等离子研究及发电 技术有关，已得到了引人注目的发展。由于熔融金属是良好的导电体，在磁场和电场的 作用下会产生电磁力。在冶金过程中利用此电磁力就可以对其进行非接触性搅拌、传输 或形状控制。m h d 已广泛应用于冶炼、精炼、铸造、连铸、钢液的检测等冶金领域。 进入2 0 世纪9 0 年代，美、日、法、德等发达国家积极投入人力和资金，大力开展 了电磁冶金的研究，俄罗斯、乌克兰等国家则在原有的研究基础上加强其研究。我国在 2 0 世纪6 0 年代曾对电磁铸造过程进行了研究，8 0 年代初又开展了钢的电磁搅拌方面的 研究，完成了一些电磁场、流场、温度场和凝固组织方面的实验和理论研究，但和发达 国家相比，还有不少差距。 1 1 2 电磁流体力学的功能体系 电磁流体力学的应用可按图1 1 进行分类【l - 9 。由图可见，磁流体力学、冶金工艺学 和等离子工程学是材料和冶金加工或制备的基础。电场与磁场对导电流体具有形状控 制、抑制或驱使液体流动、悬浮、雾化、探测、精炼及改善其凝固组织等功能，可以有 效组成各种不同的工艺和技术。在冶金中应用的磁场有静磁场、低频磁场和高频磁场。 静磁场主要应用于流体流动驱动或抑制、液体的雾化及其流速测量、液体静压力的改变 和射流形状控制；低频磁场主要用来进行非接触搅拌或输运；高频磁场主要用于液体的 成型。 电磁流体力学通过电磁力改变金属熔体的表面形状、流动或传质过程，改善表面质 量和组织结构，从而达到制备优质产品的目的。随着计算冶金学的发展，在冶金过程中 应用电磁技术将会对冶金工艺的发展产生更为积极的作用。 1 1 3 冶金过程中的电磁技术 电磁冶炼技术 第一章绪论 技术。电磁力悬浮熔炼技术由日本富士电气、中部电气公司和钢铁 术采用分瓣式水冷铜坩锅，外缠通有高频电源的线圈。这样，炉料 被涡电流加热，且被电磁力托起，因此不受坩锅材料的污染，该技术适用于具有挥发性、 放射性、高化学性、高纯度及高熔点金属或陶瓷的熔炼。 图1 1 电磁冶金工艺技术【9 】 f i g 1 1t e c h n o l o g yo fe l e c t r o m a g n e t i cm e t a l l u r g y t 9 】 炉外精炼中的电磁技术 钢包电磁搅拌。钢包电磁搅拌可使包内钢液湍流流动达到均匀，避免产生死区 和喷溅。搅拌器线圈通有低频电流，产生移动磁场，形成金属液流动的驱动力。对于小 钢包，也可配置环形行波磁场或旋转磁场搅拌器，或采用类似感应炉的单相搅拌器。 中间包电磁加热和去夹杂。采用感应加热中间包钢液不仅可以满足夹杂物上浮 的温度条件，而且提供了一定的搅拌功，促使夹杂物去除。夹杂去除也可采用电磁离心 技术，此时中间包由电磁离心装置和常规中间包两部分组成，钢液先流入电磁离心装置 产生高速旋转，使较轻的夹杂物位于中心部位上浮，而钢液从侧底部进入分流区域，流 东北大学硕士学位论文第一章绪论 出中间包。 电磁检测技术 金属流速的测量。由于在磁场中运动的金属流体能产生电场，因而在稳恒磁场 下测得流体在两点间的电压就可以推算得到此两点间的运动速度。 金属液位的测量。炉渣的导电率与金属液导电率相比，可以忽略不计，因此， 容器内炉渣多少对测定金属的实际液位影响很小。该技术己被用来探测高炉炉缸铁水液 位、钢包和中间包液位检测、转炉出钢口和钢包水口下渣检测。 连铸或铸造中的电磁技术 电磁铸造技术。电磁铸造始于2 0 世纪6 0 年代，借助电磁力克服金属液的静压 力实现无接触铸造，目前，铝合金无模电磁铸造技术已实现，钢的电磁铸造正处于研究 开发阶段，人们设想利用电磁铸造技术来完全消除由于结晶器引起的表面缺陷。 软接触电磁技术。软接触技术是近年来提出的，在结晶器外侧施加交流磁场， 使金属液作用于结晶器壁的压力减小。日本等国已在结晶器结构、磁场强度、频率对弯 月面形态的影响以及电磁场的施加方式( 连续或间歇) 对改善铸坯表面质量的作用等方 面进行了基础研究，并已开始组织工业试验。上海大学在软接触电磁连铸方面的试验也 取得了突破性进展，已铸出基本上无振痕的低熔点重金属铸坯，接近国际前沿水平。 电磁侧封技术。利用直流磁场或高频磁场实现薄带连铸中的无接触侧封是人们 很感兴趣且很有前途的方法。国内外已有一些电磁侧封技术的专利报道，目前仍在进行 实验研究。 电磁控流技术。连铸电磁搅拌技术先是在二冷区应用，之后应用到结晶器内， 接着又出现了电磁制动技术。1 9 9 1 年日本钢管公司( n k k ) 开发了两类新的结晶器电磁 控流技术：电磁水平稳定器( e m l s ) 和电磁水平加速器( e m l a ) 。根据浇铸速度的变化 分别使用e m l s 或e m l a ，达到改善铸坯表面和内部质量的目的。2 1 世纪初，由n k k 和r o t e l e c 在e m l s e m l a 基础上开发了多模式结晶器电磁控流技术 m m e m s ( m u l t i m o d ee m s ) 即：e m l s 、e m l a 和e m r s 。 1 2 板坯连铸结晶器电磁流动控制技术 1 2 1 板坯连铸结晶器钢液流动控制的重要性 随着连铸技术的发展，连铸比的提高，高生产率和高质量铸坯己成为当今板坯连铸 技术追求的目标。从2 0 世纪8 0 年代起，以实现高生产率的技术为背景，已意识到结晶 一。 3 一 东北大学硕士学位论文 第一章绪论 器内钢液流动控制技术对实现连铸机的高生产率和高品质铸坯具有重大影响【1 0 】。 1 2 1 1 板坯连铸结晶器内钢液流动的主要问题 板坯连铸结晶器内钢液流动现象，弯月面现象示于图1 2 、1 3 【1 1 ，1 2 1 ，从图示可见： ( 1 ) 从浸入式水口侧孔吐出的流股高速冲击窄面，使坯壳重熔，甚至造成漏钢、表 面和皮下裂纹。 ( 2 ) 向上反转流股将窄面附近的弯月面拱起，使弯月面波动加剧，导致保护渣被卷 入和被初生坯壳的凝固钩捕获，而形成表面和皮下夹杂。 ( 3 ) 向下流股侵入液相穴深处，使夹杂物和气泡不易上浮，而在坯厚1 4 处形成夹 杂带偏聚。 s u b m e r g e de n v yn o 趁i e 图1 2 板坯连铸结晶器内钢液流动现象【1 1 】 f i g 1 2s c h e m a t i co f f l o wp h e n o m e n a i nm o l dr e g i o no f s l a bc o n t i n u o u sc a s t i n gp r o c e s s 【l l 】 1 i 图1 3 弯月面现象示意图l l l j f i g 1 3s c h e m a t i cr e p r e s e n t a t i o no f m e n i s c u sp h e n o m e n a 1 l 】 1 2 1 2 结晶器内钢液流动控制的目的 板坯连铸实践表明，结晶器内钢液流动对铸坯质量有极大的影响： ( 1 ) 结晶器内钢液流动支配着夹杂物和气泡的上浮分离； ( 2 ) 弯月面附近的钢液流动又支配着保护渣熔融、铺展及可能发生保护渣卷吸。 而结晶器内钢液流动又受到浇铸参数如板宽、拉速、氩气流量、浸入式水口( s e n ) 设计等因素组合的影响，因此板坯连铸结晶器内钢液流动控制的主要目的是： ( 1 ) 控制弯月面下的水平流速和增加凝固前沿的钢液流速，减少表面和皮下的夹杂 物和气泡。实践表明：弯月面下的最佳流速为0 1 2 m s - o 2 m s ；凝固前沿的最佳流速 为0 2 m s - o 4 r n s 。 ( 2 ) 控制初始凝固和弯月面处凝固起始点的位置，缩短凝固钩长度、使坯壳生长均 匀和减轻振痕的影响，减少表面裂纹和稳定操纵。 ( 3 ) 借助搅拌流动使结晶器内钢液温度均匀，从而使坯壳厚度均匀。 1 2 2 结晶器内钢液电磁流动控制技术的主要方式 板坯连铸实践表明，优化s e n 的形状( 内径、侧孔大小、倾角) 、插入深度、钢液 液面控制和结晶器振动等常规控制技术虽有利于改进结晶器内的钢液流动，但效果不够 显著【l o 】。为此，从2 0 世纪8 0 年代初起，对利用电磁力的非接触控制技术进行了广泛深 入的研究开发并实用化，其中有代表性的是： ( 1 ) 1 9 8 1 年新日铁( n s c ) 的基于双边行波磁场的结晶器电磁搅拌技术 东北大学硕士学位论文 第一章绪论 ( m e m s ) 1 i 】，见图1 4 。至1 9 9 9 年，新同铁几乎在所有板坯连铸机上配备了m e m s 。 我国宝钢也于2 0 0 4 年引进了该型m e m s ，开创了我国板坯连铸m e m s 的先例。 c o 御e rl 姗e ( n a r r o wl a c e i 图1 4 板坯结晶器电磁搅拌装置 f i g 1 4s c h e m a t i cd i a g r a mo fs l a bm e m ss y s t e m ( 2 ) 1 9 8 2 年由川崎钢铁公司( k s c ) 和a s e a ( 现a b b ) 共同开发的基于直流磁场的 结晶器电磁制动技术1 3 1 。该技术先后开发了三种类型：局部区域磁场( e m b r ) 、全幅 一段磁场( e m b r - r u l e r ：e l e c t r o m a g n e t i cm