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电磁场控制连铸结晶器内流动研究

于湛  
【摘要】: 结晶器是连铸机的心脏,结晶器内的冶金过程是改善连铸坯质量的关键环节。大量的研究表明:铸坯的质量与结晶器内钢液的流动密切相关。随着铸坯拉速的提高,水口出流的流量和流速增加,结晶器内的钢液流动加速,流动的稳定性变差;表面流速过大容易发生卷渣,引起液位波动加剧,使铸坯产生表面缺陷;钢液流速过大对初生坯壳的冲刷增强,坯壳厚度均匀性降低、表面振痕增加;钢液的冲击深度同时增加、夹杂物和气泡难以上浮,影响铸坯的内部质量。因此,研究和控制结晶器内钢液的流动具有重要的意义。为了解决高速连铸中出现的这些问题,电磁技术在连铸工艺中得到发展,例如电磁制动和电磁搅拌技术。本文对电磁场控制板坯、方坯和双辊薄带连铸结晶器内流动进行研究,并结合现场生产中出现的质量问题,分析了结晶器内流动对铸坯质量的影响。并根据三种不同连铸结晶器内钢液的流动特点,分别施加不同的电磁场,以改善结晶器内的钢液流动。研究的主要内容包括: 在高速板坯连铸方面:采用水银为介质,结合目前钢铁企业普遍使用的全幅一段和FC-Mold两种电磁制动技术,模拟结晶器内钢液的流动,使用超声波多普勒测速仪测量结晶器内液体的流速和液面的波动,分析磁场对流体流动的影响,研究磁感应强度和磁铁的位置对结晶器内金属液流动的影响。结果表明:施加磁场抑制了浸入式水口射流的运动,改变了结晶器内动能和湍流度的分布,结晶器内金属液流动的稳定性增强。全幅一段电磁制动的研究发现:当Bmax大于0.29T时,液面波动减弱,液面水平流动稳定,改善弯月面处的流动条件;金属液向下的冲击强度减弱,冲击深度减小;对结晶器壁的冲刷减弱。模型中Bmax=0.29T对应原型Bp=0.16T,所以在实际生产中,磁感应强度大于0.16T时,更有利于优化和控制结晶器内的流动,提高铸坯质量。磁铁靠近浸入式水口,有利于改善上部环流区的流动、液面的波动和流动的稳定性;磁铁下移远离浸入式水口有利于减小流体的冲击强度和冲击深度,因此,实际生产中则应考虑连铸工艺、设备等因素确定磁场的位置。与全幅一段电磁制动相比,FC-Mold更能有效地改善上部环流区的流动,减小液面的波动和液面处水平流速,提高液面的流动的稳定性;但对向下运动流股的冲击强度和冲击深度控制方面,全幅一段电磁制动的效果更好。实验结果表明,磁场不仅具有制动钢液流的作用,还具有改变流动方向,分配钢液流量的作用。因此,通过优化磁场可实现结晶器内钢液流场的优化。 在小方坯连铸方面:针对小方坯连铸的直通水口,开发了电磁旋流水口技术,并通过在浸入式水口内安装旋流转子模拟旋转电磁搅拌,运用水力学模拟结合数学模拟的方法,进行连铸结晶器内流动的研究。结果表明:旋流式水口有利于改善结晶器内的流动,加强了结晶器上部液体的流动,增大液流向弯月面区域的回流,使液面形成水平环流,进而提高液面的活跃度,并增强钢液表面熔渣效果;减弱了下部流动,有效降低冲击深度,使结晶器内横截面上的流动变得均匀;在旋流水口条件下,结晶器上部湍流度增大,下部湍流度减小,这样的流动有利于改善结晶器上部温度的分布,促进结晶器下部夹杂物和气泡的上浮;转子位置靠近水口出口,出流的冲击深度降低,液面流动增强,因此,理论上电磁搅拌器的位置越靠近水口出口其效果越好,而在实际生产中则应考虑连铸工艺、装备和操作性等因素确定搅拌器的位置。低熔点合金的试验表明:旋转磁场能够使浸入式水口的金属液产生旋转流动。对转子叶片角度的研究表明:当叶片的角度减小到某一值时,再减小其角度,水口出口的切向速度不再增大,旋转流动对浸入式水口内壁的冲刷增强;对无量纲旋度的研究表明:旋度大于0.5时,增大旋度,对冲击深度影响不大。在电磁搅拌条件下,电磁搅拌的强度决定水口出口的切向速度和旋度,可见,电磁搅拌的强度存在一个最佳值,因此,在实际生产中应该考虑拉速等连铸操作因素确定电磁搅拌的强度。 在双辊薄带连铸方面:采用静磁场耦合直流电对双辊薄带浸入式水口(布流器)内金属液的流动进行控制,利用水银模拟钢液,分别研究磁铁位置和电流强度对熔池内弯月面处流动以及自由液面波动的影响。结果表明:水口电磁制动技术有利于改善熔池内液面的流动,减小自由液面的波动,从而改善初始凝固的条件,有利于提高铸坯的质量,同时也为其他技术的应用提供良好的工作条件;磁体安放在距水口出口较近的位置有利于减小自由液面的波动;采用直流电耦合静磁场较只使用静磁场更有助于改善熔池内的流动,减小液面附近的流动和自由液面的波动。


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