（钢铁冶金专业论文）软接触电磁连铸中拉坯阻力与表面质量的实验研究.pdf

上海大学硕士学位论文 摘要 现代连铸的发展方向是：连铸的高速化和铸坯生产的无缺陷化。因此振痕越 来越受到关注。所以对振痕的产生机理和消除措施的研究意义十分重大。现有的 研究表明：外加电磁场对减轻振痕有很大的帮助。由于拉坯阻力和铸坯表面质量 有着密切的关系，因此通过研究拉坯阻力来研究电磁连铸技术改善铸坯表面质量 的问题。本文利用低熔点金属s n 代替钢来进行实验。 实验过程如下：首先，在无结晶器振动和施加恒幅高频电磁场情况下对拉坯 阻力进行了研究，研究各种参数，如拉坯速度、冷却强度等对拉坯阻力及铸坯表 面质量的影响。其次，在结晶器振动下，研究了结晶器振动耦合改变磁场强度的 电磁连铸技术对拉坯阻力及铸坯表面质量的影响。最后，利用自行研制的能产生 方波、三角波和正弦波三种磁场的高频磁场发生器，进行了无结晶器振动电磁连 铸技术下的拉坯阻力的研究。 实验表明：( 1 ) 悬臂梁测力仪法测量连铸过程拉坯阻力是可行的。( 2 ) 在无 结晶器振动的情况下，随着拉速的增加，有、无保护渣和连续的高频电磁场时， 拉坯阻力都增加，铸坯表面的质量降低。加保护渣或连续的高频电磁场都能明显 的降低拉坯阻力；并且拉速越大，拉坯阻力降低的幅度越明显。同一拉坯速度的 情况下，随着磁感应强度的增加，拉坯阻力变小，相应的铸坯表面的质量改善； 但到达一定的程度时拉坯阻力开始增大，相应的铸坯表面质量变差。( 3 ) 在结晶 器振动的情况下，在采用硅油润滑和施加恒值高频电磁场下，连铸拉坯阻力减小， 振痕减轻，铸坯表面质量变好。本文提出一种与结晶器振动相耦合的调幅磁场电 磁连铸技术，实验结果表明，在结晶器振动处于正滑脱期间施加电磁场，能有效 地减小拉坯阻力，提高铸坯表面质量。( 4 ) 测定了包括方波、正弦波、三角波在 内的3 种波形高频调幅磁场，并进行了三种波形高频调幅磁场下的无结晶器振动 电磁连铸实验：当调制波频率略低于系统固有频率时，连铸过程拉坯阻力最小， 连铸坯表面质量最好。从减小拉坯阻力和改善铸坯表面质量的作用方面看，正弦 波优于三角波和方波。 关键词：电磁连铸，拉坯阻力，振痕，调幅磁场，高频电磁场，悬臂粱应变仪 结晶器 圭坚查兰堡圭兰垡堡兰 一 a b s t r a c t i no r d e rt oi m p r o v et h eq u a l i t ya n dp r o d u c t i v i t yo fc o n t i n u o u sc a s t i n g ，al o to f r e s e a r c hw o r k sh a v eb e e nc a r r i e do u to i lt h eo s c i l l a t i o nm a r kf o r m a t i o nm e c h a n i s m a n d e l i m i n a t i n gm e t h o d a m o n gt h e m ，t h e s o f t c o n t a c t e de l e c t r o m a g n e t i cc o n t i n u o u s c a s t i n g ( e m c c ) i sp r o v e dt o b ee f f e c t i v ei ne l i m i n a t i n gt h eo s c i l l a t i o nm a r k sa n d i m p r o v i n gq u a l i t yo ft h eb i l l e t r e c e n tl o sy e a r s ，s e v e r a la s p e c t so ft h i sp r o c e s s i n g h a v eb e e n i n v e s t i g a t e d ，i n c l u d i n g m a g n e t i c f i e l da n dd i s t r i b u t i o n o ft h e e l e c t r o m a g n e t i cf o r c e ，m o l ds t r u c t u r e ，m e n i s c u s b e h a v i o r o ft h e m e l t ，i n i t i a l s o l i d i f i c a t i o n ，a n dp a r a m e t e r so fc o n t i n u o u sc a s t i n g i nt h i st h e s i s ，a w a r eo ft h ec l o s e r e l a t i o n s h i pb e t w e e nt h es u r f a c eq u a l i t yo fb i l l e t a n dt h ef r i c t i o nf o r c ed u r i n gt h e c o n t i n u o u sc a s t i n g ，w eh a v ec o n d u c t e dt h e e x p e r i m e n t a li n v e s t i g a t i o no nf r i c t i o n f o r c eo f c o n t i n u o u sc a s t i n ga n ds u r f a c eq u a l i t yo ft h eb i l l e t si ns o f t c o n d u c t e de m c c i nt h i se x p e r i m e n t ，s nw a su s e da sa n a l o g u eo fs t e e lb e c a u s e m e l t i n gp o i n to fs n i st o w , a n dt h eo t h e r p h y s i c a lp r o p e r t i e so f s na r es i m i l a rt os t e e l ，s u c ha sd e n s i t y t h e e x p e r i m e n t a lp r o c e d u r e w a sa s f o l l o w i n g ：f i r s t ，u n d e r t h ec o n d i t i o no fm o l d o s c i l l a t i o n l e s sa n dh i g h f r e q u e n c ye l e c t r o m a g n e t i cf i e l d ，t h e f r i c t i o nf o r c ew a s m e a s u r e da n dt h ei n f l u e n c eo fs e v e r a lp a r a m e t e r so nf r i c t i o nf o r c ea n ds u r f a c eq u a l i t y o fb i l l e ti n c l u d i n gc a s ts p e e da n d c o o l i n gd e n s i t ye t c w e r e i n v e s t i g a t e d s e c o n d ，u n d e r t h ec o n d i t i o no fm o l do s c i l l a t i o n ，ak i n do fa m p l i t u d e - m o d u l a t e dm a g n e t i cf i e l d ( a m m f ) c o u p l e dw i t hm o l do s c i l l a t i o nw a sp u tf o r w a r da n dt h ee f f e c to fi t o n f r i c t i o nf o r c ea n ds u r f a c eq u a l i t yo fb i l l e tw a si n v e s t i g a t e d t h i r d ，ah i g hf r e q u e n c y a m p l i t u d e 。m o d u l a t e dm a g n e t i cf i e l d ( a m m f ) g e n e r a t o rt h a tc a np r o d u c er e c t a n g l e ， t r i a n g l ea n ds i n ew a v ea m m f h a sb e e ni n v e n t e da n dt h ee f f e c to fi t0 nf r i c t i o nf o r c e a n ds u r f a c eq u a l i t yo fb i l l e tw a s i n v e s t i g a t e dw h e n t h ea m p l i t u d e m o d u l a t e dm a g n e t i c f i e l dw a s a p p l i e d i nm o l do s c i l l a t i o n l e s s e l e c t r o m a g n e t i c c o n t i n u o u s c a s t i n g ( m o l e c c ) p r o c e s s t h e e x p e r i m e n t s r e s u l t sd e m o n s t r a t e t h a t ：( 1 ) t h e m e t h o do f s t r a i n g a u g e d c a n t i l e v e ri sr e l i a b l e ；( 2 ) o i lt h ec o n d i t i o no fm o l do s c i l l a t i o n l e s s ，t h ef r i c t i o nf o r c e i n c r e a s e da n ds u r f a c eq u a l i t yd e c r e a s e dw i t hi n c r e a s i n gc a s ts p e e dw h e t h e rt h e r ei s l l 圭查查堂堡主兰堡垒苎一 m o u l df l u xa n dh i 曲f r e q u e n c ye l e c t r o m a g n e t i c f i e l do rn o t m o l df l u x a n d e l e c t r o m a g n e t i cf i e l dc o u l dd e c r e a s et h ef r i c t i o nf o r c eo b v i o u s l y ；a n dt h ee x t e n to f d e c r e a s i n gf r i c t i o nf o r c ei n c r e a s e d w i t hi n c r e a s i n gc a s ts p e e d ；a l o n gw i t hi n c r e a s eo f e l e c t r o m a g n e t i cf o r c e ，t h ef r i c t i o nf o r c ed e c r e a s e da n dt h es u r f a c eq u a l i t yo ft h e s l a b w a s i m p r o v e d ，u n t i lt h ee l e c t r o m a g n e t i cf o r c er e a c h e d ac e r t a i nv a l u eo v e rw h i c ht h e f r i c t i o nf o r c eb e g a ni n c r e a s i n ga n dt h es u r f a c eq u a l i t yo ft h es l a bd e c r e a s i n g ；( 3 i n t h ec a s eo fm o l do s c i l l a t i n g ，t h ea p p l i c a t i o no fm o u l df l u xa n dt h ee l e c t r o m a g n e t i c f i e l dr e s u l t e di nd e c r e a s i n go ff r i c t i o nf o r c ea n dt h eo s c i l l a t i o nm a r ka n d i m p r o v i n g o ft h es u r f a c eq u a l i t yo ft h es l a b ( 4 ) t h ea m p l i t u d e m o d u l a t e dm a g n e t i ch e l d ( a m m f ) c o u p l e d w i t hm o l do s c i l l a t i o nc a nm o r e e f f e c t i v e l yr e d u c e f r i c t i o nf o r c ea n d i m p r o v es u r f a c eq u a l i t yo fb i l l e t w h e ni ti s p u t o nt h ep o s i t i v e s t r i pp e r i o d t h e a m p l i t u d e m o d u l a t e dm a g n e t i c f i e l dh a sb e e n a p p l i e d i nm o l do s c i l l a t i o n l e s s e l e c t r o m a g n e t i cc o n t i n u o u sc a s t i n g ( m o l e c c ) p r o c e s s ，a n dt h ee x p e r i m e n t sr e s u l t s s h o wt h a tw h e nt h em o d u l a t e dw a v ef r e q u e n c yi sal i t t l el e s st h e nt h ei n t r i n s i c f r e q u e n c yo ft h ee x p e r i m e n t a ls y s t e m ，t h ef r i c t i o nf o r c ei st h el e a s ta n dt h es u r f a c e q u a l i t yo fb i l l e t si s t h eb e s t a m o n gt h et h r e ek i n d so fa m m f , t h es i n ew a v ei st h e b e s tf o r d e d u c i n g t h ef r i c t i o nf o r c ea n d i m p r o v i n g t h es u r f a c eq u a l i t yo fb i l l e t s k e yw o r d s ：e l e c t r o m a g n e t i cc c ，f r i c t i o nf o r c e ，o s c i l l a t i o n m a r k ，a m p l i t u d e m o d u l a t e d m a g n e t i cf i e l d ，h i g h f r e q u e n c ye l e c t r o m a g n e t i cf i e l d ，s t r a i n g a u g e d c a n t i l e v e r , m o u l d 1 1 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：2 堇l 塑趔日期墨墨生 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) 日期： 上海大掌硕士学位论文 第一章文献综述 1 1 连铸技术的发展 虽然连铸技术被大规模的应用只是近几十年的事情，但其概念早在1 9 世纪 中期就已提出。1 8 4 0 年美国塞勒斯获得连铸铅管专利，1 8 5 6 年转炉的发明者英 国人贝塞麦( h e n r y b e s s e m e r ) 就开始使用水冷旋转双辊式连铸机生产锡箔，1 8 7 2 年英国戴维尔提出移动结晶器连续浇注概念，1 8 8 6 1 8 8 9 年提出立式连铸机，1 9 2 1 年提出结晶器振动概念，但真正奠定现代连铸技术基础的应是德国人容汉斯 ( s i e g 疗e i dj i m g h a n s ) 。1 9 3 3 年，他建造了一台用于浇铸铜铝合金的立式带振动 结晶器的连铸机，并在十年之后开始对钢水进行浇铸试验l “。经过一百多年的努 力探索，人们终于使该技术在2 0 世纪7 0 年代开始大规模用于工业生产，并逐步 发展成为今天的现代连铸技术。 与传统的模铸相比，连铸具有以下突出优点：如提高金属收得率；节省能量 消耗：易于实现机械化和自动化，生产效率高；铸坯质量好，易于加工等。因此， 该技术迅速得到了推广和应用，成为继氧气炼钢之后钢铁工业中最重要的进步之 一。目前大多数工业发达国家的连铸比都超过9 0 i “，1 9 9 5 年底世界平均连铸 比己达8 1 8 。连铸已经成为钢水凝固加工过程中全面取代模铸的占主导地位的 技术。 1 2 连铸技术的发展趋势 连铸技术从提出到今天的现代化生产，其中伴随着许多突破性构想的出现， 如结晶器振动技术( 最早由德国人容汉斯( s i e g f f e i dj u n g h a n s ) 提出p j ) 、弧形机的 设计、热顶技术和电磁搅拌技术等。连铸技术发展到今天，大致经历了如下几个 过程：2 0 世纪4 0 年代的试验开发、5 0 年代开始步入工业化生产、6 0 年代弧形 铸机的出现、7 0 年代有能源危机推动的大发展、8 0 年代f = i 趋成熟的技术和9 0 年代的新的变革。 常规的连铸技术在2 0 世纪8 0 年代日趋成熟，铸机的生产能力和产品质量都 可得到较大的提高，但是在技术上，尤其是在产品质量和工艺控制方面，仍然存 圭生查兰堡主兰焦丝兰 一 在一些不足或尚未解决的问题。进入二十世纪九十年代以后，由于钢铁工业受到 环境保护、替代材料的竞争和成本限制等一系列挑战，迫使人们对现有的连铸技 术进行探索。连铸技术未来的发展方向主要有h j ： 1 ) 近终形连铸( n e a r - n e t , s h a p e ) ，这是连铸技术的基本发展趋势。它力求浇 铸尽可能接近最终产品尺寸的铸坯，以便减少中间加工工序、节省能源、 减少储存和缩短生产时间； 2 ) 高速浇铸，以提高铸机的生产效率； 3 ) 连铸高质量钢( 如高清洁度、表面质量与内部质量均有较大的改善) ，以 满足对产品质量不断提高的要求。 1 3 连铸坯表面质量问题 连铸坯表面质量问题主要有：周期性的振痕、表面合金成分的偏析、表面横 向或纵向的裂纹，等等。研究表明，偏析和裂纹产生的主要原因来源于振痕。 振痕是由于结晶器的周期性振动而在铸锭表面产生的间距均匀有一定深度 的横向皱折。振动式的结晶器可以有效的改善润滑、减轻坯壳与结晶器的粘结， 使钢得以顺利连铸，因而振动式结晶器已经成为标准的铸机模式，几乎所有的铸 钢结晶器都采用振动方式。鉴于振痕存在的普遍性，一般认为振痕是连铸坯的本 征缺陷，因为铸坯表面的其它缺陷，如裂纹、气孔和夹渣等都可以通过调整工艺 参数等方式来进行控制。但是随着连续铸钢技术的发展和对连铸坯质量要求的不 断提高，振痕越来越受到关注。由于振痕处几何形状和显微组织的不连续，使之 成为连铸过程裂纹产生的密集区，也是轧制过程的裂纹诱发区，所以在轧制前， 尤其对于薄板坯，轧前必须进行铣面处理，无法实行连铸连轧。此外振痕处往 往伴随着严重的宏观偏析。可见，振痕问题将是连铸朝高速无缺陷方向发展的障 碍，因而对振痕的产生机理和消除措施的研究意义十分重大。 至今，人们对振痕的产生机理做过许多研究，提出了多个模型及理论，但目前 没有统一的认识。在这些理论及模型中主要有：“撕裂一愈合”或称拉漏模型、机 械变形机理、二次弯月面机理、保护渣作用机理等。 ( 1 ) 撕裂一愈合机理 由文献可知净f ，s a t o 等人认为，铸坯向下振动过程中，形成的初始凝固坯壳粘 结在结晶器内壁上，结晶器向上振动时带动粘结的凝固坯壳向上一起运动，与拉坯 2 上海大学硕士学位论文 方向相反，导致初始凝固坯壳破裂，内部钢液则可以部分填充于裂缝处，结晶器向 下运动时，裂缝处的钢液进一步凝固，使得凝固坯壳处于愈合期，从而结晶器周期 性的振动形成周期性的振痕。这种机理既没有考虑保护渣的作用，也未考虑振动 摩擦力的影响。因此这一机理具有明显的局限性。 ( 2 ) 机械变形机理 s a m a r a s e k e r a l 6 在1 9 8 4 年提出这一机理。认为在方坯连铸过程中，采用油润滑 及自由浇铸条件下，弯月面附近区域的热流较大，导致此处结晶器受热变形，在弯 月面附近区域产生一正锥度。随着结晶器的振动，在负滑移期间，结晶器内壁将初 始凝固坯壳向里向下推动，促使初始坯壳变形。在正滑移期间，若初始凝固坯壳强 度较高，钢液静压力还不足以推动初始凝固坯壳向结晶器壁方向移动，钢液就溢过 向里向下变形的初始坯壳，形成带钩状的振痕；当凝固坯壳强度低时，在钢液静压 力的作用下，坯壳被推向结晶器壁，形成凹陷状的振痕。 ( 3 ) 二次弯月面机理 e d w a r ds ，s z e k e r e s 6 1 认为，在浊润滑及自由浇铸条件下，钢液与结晶器内壁接触 较好，弯月面区域的坯壳与结晶器内壁粘结在一起，随结晶器的振动而振动，弯月 面为凹形，而向下移动的铸坯坯壳与结晶器内壁之间处于一种滑动接触状态，在这 两者之间的钢液形成二次弯月面。因此负滑脱期间，初始坯壳与下移坯壳之间形 成二次弯月面，在正滑脱期间，二次弯月面进一步冷却凝固形成“凝固桥”，一次弯 月面与下移坯壳一起下移，在二次弯月面形成振痕。这一机理的主要优势在于：可 以解释无负滑脱条件及一次弯月面上部存在“小凝固坯壳”时振痕的产生原因。 ( 4 ) 保护渣作用机理 现代连铸过程中，为改善铸坯质量，防止钢液高温下的氧化，常使用保护渣。考虑 到保护渣的影响，t a k e u c h i 等人f 5 提出保护渣作用机理，认为在弯月面处，由于钢 液的过热度及钢液对流的影响，弯月面处o 3s 期间内形成的凝固坯壳可能表现 为刚体，也可能表现为液体的性质，即具有流变性。由于结晶器的振动，弯月面区域 的保护渣中产生压力。在负滑移期间，结晶器向下振动的速度大于拉坯速度，弯月 面会被保护渣中形成的正压力推向钢液中，在正滑脱期问，当初始凝固坯壳强度不 大，保护渣中形成的负压力和波动钢液的惯性力将坯壳推向结晶器内壁，导致初始 凝固坯壳弯曲或重叠，形成不带钩状的振痕。当初始凝固坯壳的厚度较大，强度高 上海大学颂士学位论文 的时候，初始凝固坯壳不能推向结晶器内壁，因此钢液会覆盖在弯月面上，形成一 种带钩状的振痕。这一机理虽然解释了保护渣的影响，但不能解释结晶器内渣膜 厚度较大时，钢液初始凝固点低于弯月面的事实，而且这一机理没有考虑结晶器 振动产生的动态摩擦力的影响。因此此机理仍然具有缺陷性。 b f i m a c d m b c 等f 5 锰这方面做过系统雨细致的工作，首先经过微观分析根据 振痕形成过程中是否产生“尖钩”( h 0 0 k ) 将振痕分为两类：第一类：带尖钩的 振痕，它在形成过程中有溢流现象发生；第二类：不带尖钩的振痕，它在形成过 程中没有溢流，但坯壳有较大的变形。同时，他还对影响振痕形成和振痕深度的 因素如热流、润滑、拉速、水冷、钢的含碳量、弯月面形状、结晶器的设计参数 及水1 ：3 形状等进行了分析1 7 8 i ：并认为连铸过程中铜模变形产生的凸起在负滑脱 时对坯壳向下挤压，以及铜模的倒锥度在振动的正半周对坯壳向上挤压对振痕的 形成起重要作用。 圈 掘 披 、 s ，一弋一卜、 斗 - x , 2 、：、， 譬f 3 毒 】 l 囊鎏 鋈 l l 雾萎鹱 l 图1 1 “皱折”型振痕形成示意图 l y a m a m u r a 等则认为振痕与已凝固的高温坯壳发生的相变有关，相变收缩 牵引着坯壳向内弯曲脱离铜壁，而钢水的静压力又使坯壳向外膨胀，此时坯壳的 收缩力和钢水的静压力处于动平衡，随着坯壳的下降，形成气隙区的坯壳表面开 始回热，坯壳的温度升高，强度降低，钢水的静压力使坯壳变形而形成皱纹和缺 陷。考虑到连铸过程中保护渣的作用，目前比较成熟的振痕形成模型有两种：“皱 折”型和“溢流”型，形成过程分别如图1 1 、图1 2 所示。 4 上海大学硕士学位论文 从图i 1 可见，在弯月面附近，因结晶器的冷却作用，局部熔融渣层在结晶 器上形成一个“渣圈”，当结晶器向下运动时，因负滑脱的作用，结晶器的速度 大于拉坯速度，渣圈就象一个活塞给熔融层一个向外的挤压力，由于此时初始坯 壳非常薄，在这一作用力下就产生一个向内的皱折，该皱折处就是振痕。 如图1 2 所示，“溢流”型振痕的形成则是由于连铸过程不断的浇铸，结晶器 内的液位相对来说是持续不断地上升，当拉速较慢或初始坯壳有一定强度时， “渣圈”将初始坯壳向内压时，上升的液位冲过初始坯壳顶部，形成溢流现象， 溢流型振痕就是溢出的金属将初始坯壳顶部的结晶末梢包在里面而形成的。 臻 喀 珊 图1 2 “溢流”型振痕形成示意图 1 3 1 振痕形成的影响因素 ( 1 ) 振动参数的影响 钢坯连铸过程中，无论是自由浇铸还是浸入式水口浇铸，铸坯的振痕都与结晶 器的振动参数密切相关，其振动模式主要为正弦振动。振痕形成机理及实验研究 均表明5 一振痕是在负滑脱期间产生的，负滑脱时间越长，振痕的深度就越大，因此 控制负滑脱时间的长短，可以有效地控制振痕的形态。负滑脱时间t 。用公式( 1 ) 可以表示为 式中 h 2 砉a i c c ：o s 泰 n 2 万石 ( 1 ) f - 一振动频率 上海大学硕士学位论文 s 一振幅 v 拉坯速度 t n - - - 负滑移时间 由此可见，负滑脱时间与结晶器振动的振幅、频率拉坯速度相关。其它条件 一定下，负滑脱时间与结晶器振动的振幅及频率的关系图9 1 。由图1 3 可知，当频率 一定时负滑脱时间随振幅的增大而增大；振幅较大时，负滑脱时间随着频率的增大 先是增大而后迅速降低；振幅较小时，振幅先是增大，而后趋向于定值。因此要降低 振痕的深度就必须对振动参数进行优化，采用小振幅、高频率的组合，才能有效地 控制振痕的深度。 、 亘 茁 蝥 察 蜗 l i 0 02 0 03 0 0 结晶鼹振动频率h z 图1 3 负滑脱时间与结晶器振动的振幅及频率的关系图 ( 2 ) 铸速的影响 其它因素一定，增大铸速，能显著增大弯月面处的热流。出文献可知l m l ，铸速由 o 5 m m i n 增加到o 8 m r a i n 时，弯月面处的热流由t 9 0 0 k w m 2 增至2 6 0 0 k w m2 致使弯月面处保护渣的温度较高，粘度降低，减小了渣膜的厚度，相应地降低了振 痕深度。但对包晶反应钢而言，这种影响要小一些。 ( 3 ) 保护渣成分的影响 保护渣成分的影响主要表现在其组成对保护渣粘度、熔点、融化速度、结晶 速度的影响。保护渣的粘度越高，渣膜厚度就越大，渣膜中产生的压力也就越大， 从而振痕深度就越深。试验表明j i l l , 连铸过程中铝脱氧钢坯产生的振痕深度比硅 上海大学硕士学位论文 脱氧铸坯的深度深，这是由于脱氧产物能进入保护渣，其中氧化铝含量的增加可明 显地提高保护渣的熔点，提高保护渣的粘度，因此振痕的深度增加。 ( 4 ) 结晶器内弯月面波动的影响 结晶器内弯月面的波动对铸坯振痕形态的影响主要表现为振痕的均匀形”， 钢液面波动的速度越平缓，振痕越具有均匀性，这是由于弯月面波动速度与结晶器 振动速度不同，因此在考虑负滑脱时间时，应考虑它的影响。 除上述因素外，结晶器的锥度及强度、浸入式水口的深度、钢液过热度、浇 铸速度等也影响振痕的形态，必须控制好这些因素。 1 3 2 振痕对铸坯质量的影晌 振痕对凹陷的形态本身就能引起成品表面产生严重缺陷，如冷轧不锈钢板”】 等。除此之外，振痕常导致卷渣，铸坯皮下产生大颗粒的夹杂物；振痕底部产生横向 裂纹，皮下产生正偏析。同时由于振痕的形态，铸坯表面冷却不均匀，还可能产生表 面纵向裂纹。 ( 1 ) 横向裂纹产生的机理 铸坯表面振痕形态的不均匀，使得振痕底部的气隙最大，相应地该处的热阻最 大，底部的温度较高，坯壳较薄。在保护渣润滑不充分的条件下，结晶器振动产生的 摩擦力作用在振痕底部坯壳强度较低处，或者浇铸的钢种本身成分处于o 9 0 ，1 8 之间，浇铸期间，铸坯发生包晶反应，产生包晶反应应力，这些作用力集中在振 痕底部，超过枝晶间的强度时，就可能产生细小的横向裂纹。铸坯表面振痕形态的 不均匀性表现在振距、振深的大小，因此为了降低这种非均匀性，减少横向裂纹产 生的几率，必须减小振距、减小振深。 ( 2 ) 正偏析形成的机理 振痕的皮下正偏形成机理有两种，与振痕是否带钩状相关。当带钩状的振痕 满足三个条件：振痕钩与铸坯表面的夹角不大、振痕底部及振痕钩区存在一长而 窄的溢流区、振痕较深，此时溢流末端高浓度的铜液比钢渣界面其它区域后凝固， 由于钢液选分结晶产生正偏析。另一方面，当振痕底部皮下区域无振痕钩时，正偏 析产生的机理可解释为：初始凝固坯壳附近钢液对流强、过热度高、浇铸钢种碳 含量( 包晶反应区例外) 高等因素的影响致使铸坯坯壳强度低，在结晶器内产生负 压的条件下，初始凝固坯壳被拉向结晶器壁，而初始凝固坯壳的上部此时处于半凝 l 海大学硕士学位论文 一一 固状态，因此枝晶间的高浓度液相被抽取到表面，从而在皮下产生正偏析。 1 3 3 振痕控制技术的发展 我们已经知道铸坯振痕的形成是由结晶器的振动直接产生的，因此早期人们 将措施集中在对结晶器振动方式的改善上。发展了非正弦振动技术、高频小振幅 振动技术和结晶器水平、垂直综合振动技术。 ( 1 ) 非正弦振动技术 由于负滑脱时问对振痕的深度影响较大，为减小振痕的深度，减少负滑脱时间 是一行之有效的方法。在非f 弦振动条件下，不改变频率，也能达到减小负滑脱时 间的目的，这种情况下，与正弦振动模式相比，正滑移时间更长，振痕的深度也相应 地降低。 ( 2 ) 高频小振幅振动技术 由于振痕是周期性振动产生的，因此振距为拉坯速度与振动频率的比值，而振 痕的深度则与振幅和频率比率的平方根成比例关系l ，其它条件一定，增大振动频 率、减小振幅可以降低振痕深度、减小振距。可见采用高频小振幅振动技术，能 减轻振痕对铸坯表面质量的危害性。 ( 3 ) 结晶器水平、垂直综合振动技术 考虑到振痕的形成机理，s e i j ii t o y a m a 等1 1 1 人提出，在板坯连铸结晶器上下 振动的同时，结晶器宽面在水平方向也进行振动。选择合适的振动模式，促使结晶 器宽面在负滑脱期间离开铸坯坯壳，减轻渣膜中的j 下压力，初始凝固坯壳向钢液中 的变形量相应地减少；在随后的前半正滑脱期间，宽面又回复到原始位置，接着又 离开铸坯，减少正滑脱期间的负压力，初始凝固坯壳向结晶器壁方向的变形量也减 少，从而降低了振痕的深度。 长期以来，这些措施都被认为是减轻振痕深度的有效办法。但是此办法减少 了保护渣的消耗，破坏了初生坯壳和结晶器壁的润滑，从而增加了拉漏的可能。 同时，因为保护渣圈在振痕形成的过程中起着极为重要的作用，所以在保护渣方 面的研究较多。但要消除振痕，光靠调节连铸系统是不够的，还必须考虑外部因 素。实验表明：外加电磁场对减轻振痕有很大的帮助。 圭塑查兰堡主兰些堡壅 1 4 电磁连铸技术的发展 电磁连铸( e l e c t r o m a g n e t i cc o n t i n u o u sc a s t i n g ，简称e m c c ) 是二十世纪七 十年代发展起来的一项具有广阔应用前景的技术。该技术的突出优点就是可以有 效的消除连铸坯的各种表面缺陷，同时还可使内部组织细化，使铸坯的质量和性 能大幅提高【“j 。该技术已在一些有色行业( 如铝) 坯连铸中得到应用，取得了 良好的效果。 电磁连铸技术最初是由前苏联的g e t s e l e e v 等人开发出来的l i ”。，我国的研究 者较早的注意到这一技术的动态，并在一些基础问题上展开了研究工作眦”掩l 。 该技术发展至今天，经历了以下两个阶段： 1 ) 无模电磁连铸： 其基本原理如图1 4 所示。无模电磁连铸装置主要由感应器，中间包，底部 引锭头，和冷却装置组成。当感应器中通以交流电时，即会产生交变磁场，该磁 场将在金属中感生出涡流，此涡流与磁场 相互作用，在金属中产生指向内部的电磁 力。如果电磁力足够大时，就可使液态金 属依靠电磁力和表面张力而站立，形成液 柱。这时从金属的下部冷却凝固，同时抽 拉，并连续液态金属，就形成电磁连铸 过程。 图t 4 无模电磁连铸原理图 与常规的连铸相比，无模电磁连铸的 最重要的特征就是在铸造过程中，铸锭与结晶器壁无接触。因此，液态金属在结 晶器内的凝固条件发生了很大的变化。表面结晶条件的改善可消除铸锭表面的振 痕、偏析瘤等缺陷。此外，液态金属在凝固过程中受到电磁场的作用，如电磁搅 拌、高频振动等，组织得到了细化，宏观偏析现象被有效控制。总之，无模连铸 可以使铸锭的综合性能大幅提高。无模连铸被认为是优质铝合金生产的最好的方 法。 在铝坯无模电磁铸造技术获得成功后，人们一直期望能将其应用于钢坯连铸 上。经过计算可以知道，欲使电磁力完全与钢液的静压力平衡，将钢液推离结晶 器，所需的电磁力很大 1 9 t ，即使在技术上可以实现，但耗能过大，在经济上仍 上海大学硕士学位论文 缺乏竞争力。因此，仍需利用结晶器约束钢液，而电磁力仅仅部分抵消钢液静压 力，使其与结晶器壁的接触减少，从而提高铸坯表面质量。但结晶器壁的材料为 导电良好的铜，对高频电磁场有很大屏蔽作用，使电磁力难以进入结晶器作用到 钢液上。为解决这一问题，采用了与冷坩埚电磁悬浮熔炼技术相似方法 2 ( i , 2 1 1 ，即 结晶器壁采用切缝的结构，使电磁场得以穿透结晶器壁而作用到钢液上。 与常规的连铸相比，电磁连铸的设备更趋复杂，研究的难度更大。无模连铸 由于液态金属不与结晶器壁接触，成形过程中对控制精度的要求非常高，尤其是 对液位的控制，所以这一技术仍在不断的完善之中。此外，由于约束成形的电磁 力的大小受到金属材料热物理性质的影响，对于一些低电导率，且密度大、熔点 高的材料，液态金属无法“站立”，因此无模连铸无法应用于钢铁等重要材料的 生产。 2 ) 有模软接触电磁连铸 由于钢铁在一个国家的重要性，而无模电磁连铸由于一些技术还不成熟，所 以为使电磁技术在钢铁生产这一重要冶金过程得到应用，经过大量的研究和探 索，开发出有模连铸技术。有模电磁连铸是在无模电磁连铸和冷坩埚电磁悬浮熔 炼技术的基础上发展起来的新型技术，其基本原理如图1 5 所示。 b 图1 5 有模电磁连铸原理图 有模电磁连铸与无模连铸的本质区别在于前者有结晶器。该结晶器可使滚态 金属在其中成形，以弥补电磁力和表面张力约束能力的不足，并且由于有了结晶 器，从而对设备的要求也没有那么高。因此，有模电磁连铸可望用于钢铁行业产 ! ：童查堂堡主兰望笙兰 生重大的影响。为使电磁场透过结晶器而作用在液态金属上，有模连铸的结晶器 采用了类似电磁水冷坩埚的分瓣结构，使结晶器壁对感应器的屏蔽作用尽可能的 小。这样，当金属液注入结晶器后，受到感应器所产生的电磁力的约束，使之与 模壁的接触减少，因此，有模电磁连铸也称为软接触电磁连铸( s o f tc o n t a c t e l e c t r o m a g n e t i cc o n t i n u o u sc a s t i n g ) 。软接触状态的存在，可以抑制表面缺陷的 出现，提高坯锭的表面质量。同时，电磁场所产生的电磁力还会对液态金属产生 搅拌，细化晶粒，保证坯锭的内部质量。将这一技术用于钢坯连铸，则可满足 连铸一连轧对铸坯质量的要求，这也正是该技术的优势之一。 1 5 软接触连铸技术 软接触电磁连铸技术最早出现在美国通用电气公司( g e ) 申请的一项电磁连 铸专利中。1 9 8 9 年，法国的c v i v e s 发表了关于组合式软接触结晶器技术的研 究结果。该研究结果表明，软接触结晶器电磁连铸技术铸造的铸坯质量明显优于 常规连铸，且所需的电磁力远小于无模电磁连铸，明确了这一技术的优势。 结晶器内电磁场的磁感应强度的强弱直接决定着磁场力的大小。因此必须对 结晶器进行切缝。藤健彦等 2 2 1 人的研究表明，频率为2 0 k h z 的高频磁场连铸试 验时效果比低频和工频时效果明显要好。为了使结晶器内磁场均匀化，董华锋等 撑叫在不改变切缝数和宽度的条件下，通过加适当的屏蔽片，可使结晶器内磁场 分布均匀化。 必须指出的是，目前的研究都无法揭示结晶器内充满金属介质时电磁场的分 布规律。通常的方法是测量空载时结晶器内的电磁场的分布进行定性的分析，然 后再通过连铸试验进行验证。但空气介质( 空载) 和金属介质( 负载) 是两种迥 然不同的物质，电磁场在其中的分布规律并不一定相似。 当实验方法无法精确的描述结晶器内电磁场分布时，人们都寄希望于数值拟 技术。国外已经有这方面的报道，如韩国的j k y o o n 等对软接触扁坯结晶器内 的电磁场进行了三维数值模拟l n l 。国内邓康等人采用准三维耦合电流算法对水 冷坩埚和软接触结晶器的电磁特性进行了分析，并与实验结果符合得较好1 7 5 , 2 ( 1 i 。 软接触结晶器电磁连铸技术中，电磁场在金属中感生电磁力和感应热，电磁 力将减小金属与结晶器壁的接触，使拉坯阻力减小，拉坯速度得以提高。感应热 将影响结晶器传热过程，进而改善金属初始凝固过程，从而大大提高铸坯表面质 上海大学硕士学位论文 量。 因此，可以通过考察电磁场对连铸过程的拉坯阻力的影响来考查软接触电磁 连铸过程。 1 5 1 电磁场对拉坯阻力的影响 ( 1 ) 传统连铸下的拉坯阻力 在传统连铸过程中，拉坯阻力对铸坯质量有重要的影响。这是因为连铸坯的 初始凝固坯壳只有一定的强度，当拉坯阻力大于坯壳所能承受的范围时，就容易 拉裂凝壳，产生粘结，严重时甚至发生拉漏。随着拉坯速度的提高，由于粘着而 造成的漏钢事故比例不断上升，已达6 0 8 0 ，毫无疑问，拉漏是连铸生产中的 灾难性事故，除了严重危害设备和人身安全之外，拉漏还造成生产时间和产量的 重大损失据估算，板坯连铸机的一次典型拉漏事故所造成的损失可达人民币1 5 0 多万元。由于连铸坯在结晶器内的初生凝固坯壳厚度较薄，拉坯过程中其与结晶 器铜板间的摩擦阻力超过临界值时还将导致铸坯内部裂纹、表面裂纹的产生，定 量地了解结晶器铜板与铸坯之间的摩擦状况及其与工艺参数间的关系，就是旨在 改进结晶器结构设计和选择合理工艺参数减小拉坯阻力，这对提高连铸坯质量和 促进高效化具有重要意义。因此，弄清结晶器内的拉坯阻力的变化规律，对于稳 定连铸操作，提高连铸生产率和铸坯质量都具有重要的意义。基于拉坯阻力的重 要影响，前入对监测拉坯阻力进行了大量工作，已经采用或建议定标测定结晶器 一铸坯摩擦的测量和分析方法有：1 在结晶器壁上贴应变片：2 在结晶器下的支 持点上放置若干压头：3 在液压振荡器中测量液压缸的进口和出口问的压力差； 4 测量和分析振荡器驱动电机电流：5 测量拉坯辊电流：6 将加速度计安装在 结晶器壁上。应用较多的功率法是利用检测驱动结晶器振动台振动的电机功率来 监测结晶器摩擦力的方法，总体思路是：振动装置空振不拉坯时，振动台自重及 传动系统的摩擦阻力构成振动负荷：拉坯时，除了上述载荷外，增加了铸坯与结 晶器因相对运动产生的摩擦力。电机功率的变化反映了振动载荷的变化，从而确 定功率与结晶器摩擦力的关系。而在近来的大部分研究中，均是使用应变片或压 头来测量结晶器一铸坯界面摩擦力。在所使用的各种方法中，都是根据浇铸过程 中所测得的测量值和在不浇铸时冷态振荡条件之差来计算摩擦力。而本实验也正 是采用电阻应变片法，通过自行设讨嚆4 作的悬臂粱应变仪，在小型连铸机上测量 上海大学硕士学位论文 了软接触结晶器电磁连铸过程中结晶器内的拉坯阻力。 ( 2 ) 电磁连铸下的拉坯阻力 在软接触结晶器电磁连铸中，现有的研究认为，施加在结晶器外的高频电磁 场使液态金属和结晶器壁的接触减轻，拓宽了保护渣道，使润滑变好从而降低拉 坯阻力，改善铸坯的表面质量，在对电磁连铸技术的研究中，学术界逐渐取得了 一定的共识，因为指向液态金属内部电磁力的作用，初生坯壳和结晶器之间的保 护渣道得以拓宽，从而减小了因结晶器振动所导致的保护渣道内动态压力的变 化，使钢液弯月面所受扰动减轻，提高了连铸过程初始凝固过程的稳定性，使铸 坯表面振痕减轻，表面裂纹的发生几率减小