軟接觸電磁連鑄結晶器內保護渣流動行為的研究進展

來源：2019全國高效連鑄應用技術及鑄坯質量控制研討會論文集|瀏覽：次|評論：0條 [收藏] [評論]

軟接觸電磁連鑄結晶器內保護渣流動行為的研究進展劉少寒1,2，韓毅華,2，楊帆1,2，朱立光1,2（1.華北理工大學冶金與能源學院，河北唐山 063000；2.河北省高品質鋼連鑄技術創新中心，河北唐…

分享到：新浪微博 QQ空間騰訊微博人人網微信開心網騰訊朋友百度貼吧

軟接觸電磁連鑄結晶器內保護渣流動行為的研究進展

劉少寒^1,2，韓毅華^,2，楊帆^1,2，朱立光^1,2

（1.華北理工大學冶金與能源學院，河北唐山 063000；2.河北省高品質鋼連鑄技術創新中心，河北唐山 063000）

摘要：詳細介紹了軟接觸電磁連鑄技術的發展概況，綜述了其連鑄結晶器保護渣的流動行為及電磁場的基本原理，并從結晶器內鋼液彎月面及渣道動壓方面論述了軟接觸電磁連鑄結晶器內保護渣流動行為的變化規律，以期為軟接觸電磁連鑄技術的開發提供借鑒。

關鍵詞：軟接觸；保護渣；流動行為；彎月面；渣道動壓

Research progress of flow behavior of mold flux in soft contact electromagnetic continuous casting mold

LIU Shaohan^1,2, HAN Yihua^1,2, YANG Fan^1,2, ZHU Liguang^1,2

(1. College of Metallurgy and Energy, North China University of Science and Technology, 063210 Tang Shan, Hebei, China; 2. Hebei High Quality Steel Continuous Casting Technology Innovation Center, 063000 Tang Shan, Hebei, China.)

Abstract: This paper introduces the development of soft contact electromagnetic continuous casting technology in detail, summarizes the flow behavior of mold flux and the basic principle of electromagnetic field, and discusses the flow behavior of mold flux in soft contact electromagnetic continuous casting mold from the meniscus of molten steel and the dynamic pressure of slag channel, in order to provide reference for the development of soft contact electromagnetic continuous casting technology.

Key words: soft contact; mold flux; flow behavior; meniscus; dynamic pressure of slag channel

1 引言

軟接觸電磁連鑄作為一項新的鑄坯連鑄技術，是將感應線圈布置到具有切縫式分瓣結構的結晶器上部，并通以交變電流，其產生的交變磁場將在熔池外表面產生感應電流，并與交變磁場相互作用產生垂直于鑄坯表面指向液芯的電磁側壓力，當足以克服鋼液產生的靜壓力時，可以有效減輕鋼液與結晶器內壁的接觸壓力，并形成具有一定形狀的彎月面，實現鑄坯的軟接觸電磁連鑄^[^1]。由于在電磁力作用下，結晶器內鋼液彎月面形狀會發生改變，保護渣渣道變寬，振動周期內保護渣渣道動壓變化趨緩，使得液渣滲流通暢，鑄坯潤滑條件改善，傳熱均勻，拉坯阻力減小，表面振痕和裂紋缺陷減輕^[^1-4]。該技術現已成為連鑄技術的研究熱點，使生產無缺陷鋼坯成為可能，可以滿足連鑄連軋對鑄坯質量的要求^[5]。

采用該技術后，電磁力勢必會使保護渣流動行為發生改變。目前，關于軟接觸電磁連鑄結晶器內保護渣流動行為的研究，主要集中在結晶器內鋼液彎月面形狀及渣道動壓兩個方面。因此，本文從這兩個方面入手，分析了保護渣流動行為在軟接觸電磁連鑄結晶器內的變化，并對以往作者在該方面的研究進行了分析總結，以期能對軟接觸結晶器內保護渣的流動行為有一個新的認識。

2 結晶器內保護渣的流動行為

在連鑄過程中，保護渣在鋼液面上堆積形成粉渣層，如圖1中A，防止鋼水溫降過大造成的鋼液面結殼，起到絕熱保溫的作用^[6]。

隨后，保護渣的溫度逐漸升高，達到熔化溫度，當熔化完全后會形成液渣層，如圖1中B，覆蓋到鋼液面上，具有隔絕空氣，防止鋼水二次氧化的作用^[7]。此外，鋼水中的夾雜物會上浮到鋼渣界面并被液渣吸收，若夾雜物不能被順利吸收，這些夾雜物會聚集在鋼渣界面，被新生坯殼捕獲，影響鑄坯的表面質量^[8]。

QQ鎴

隨著液渣從鋼液面上的熔渣池流入初生坯殼與結晶器壁之間的間隙形成渣膜，靠近鑄坯一側的液渣在鑄坯表面溫度過高的作用下，仍然保持液渣狀態，具有潤滑鑄坯的作用^[8]。但在結晶器縱向，液渣溫度會隨著鑄坯表面溫度的降低而降低，流變行為會發生改變而影響其潤滑特性，這層液渣膜的流變行為決定了連鑄保護渣潤滑能力，如圖1中C所示^[8]。

如圖1中D，靠近結晶器銅壁一側的渣膜在結晶器的強冷作用下凝固成玻璃態的固態渣膜，一定厚度和結構特征的固態渣膜可以起到控制傳熱的作用^[9]。玻璃態與液態之間，由于存在溫度梯度，還會形成結晶態的固態渣膜，如圖1中E，最終形成三層典型的渣膜結構：玻璃層、結晶層和液渣層，這個過程就是連鑄保護渣的凝固結晶行為。保護渣的傳熱和潤滑特性與保護渣的凝固結晶行為密切相關^[10]。

在保護渣的流動過程中，熔融保護渣流進結晶器與凝固坯殼之間，在坯殼表面會形成一層均勻的熔融態渣膜，可以減少拉坯阻力，均勻傳熱，減少因熱應力集中所產生的裂紋^[^11]。

3 軟接觸電磁連鑄結晶器內電磁場基本理論

在軟接觸電磁連鑄過程中，電源頻率的大小起著關鍵性作用。根據Maxwell方程可知^[^5]：

QQ鎴

4 軟接觸電磁連鑄結晶器內鋼液彎月面形狀的研究

在連鑄過程中，鋼水與結晶器接觸之后會形成一個半徑很小的彎月面區域，由于鋼液表面張力的作用，彎月面具有薄膜的彈性性能，可以抵抗剪切力，并在結晶器不斷振動的情況下形成具有一定表面質量的凝固坯殼。在軟接觸電磁連鑄過程中，鋼水彎月面形狀受到鋼渣界面能、鋼水靜壓力、電磁力、結晶器振動等諸多因素的影響。由于鑄坯表面質量與坯殼初始凝固時的狀態密切相關，而結晶器內彎月面的行為又對坯殼初始凝固時的狀態有決定性的影響。因此，研究結晶器內鋼液彎月面的形狀對于提高連鑄坯質量具有重要意義。

Nakata等^[13]通過有限元差分法計算了交變磁場作用下鋼液彎月面的二維形狀，研究了彎月面和磁感應強度之間的關系，還考慮了磁通線圈對導電電荷的穿透作用。發現彎月面高度與磁感應強度的平方成正比。結晶器內彎月面高度和磁感應強度均隨磁場頻率的增加而增加。在磁場作用下，彎月面的頂部不再與結晶器壁接觸，使三相點位置下移。并且，彎月面隆起部分對初始坯殼的凝固幾乎沒有影響，改善了彎月面波動產生的鑄坯表面缺陷。同時，還發現彎月面形狀受到線圈位置的影響，并且磁場頻率為2.28 kHz時的彎月面形狀與頻率在無窮大時非常相似，這進一步說明了，適當的線圈長度更有利于支撐彎月面。在使用較短線圈的情況下，磁場密度往往集中在外側邊緣。在均勻磁場或磁場作用下，彎月面形狀會變為矩形。由于彎月面形狀受線圈位置的影響很大，所以在確定線圈位置時，必須注意電磁的兼容性。

鄧安元等^[¹⁴^]建立了軟接觸電磁結晶器內交變磁場和三維彎月面形狀的耦合模型，模擬了方坯軟接觸結晶器內彎月面的三維形狀，研究了彎月面形狀的不均勻性。發現彎月面在切縫位置處變形較大，彎月面形狀的變化受電流強度的作用比電源頻率更明顯，但電源頻率不僅能增加彎月面高度，還有利于彎月面的穩定。同時，也發現彎月面變形的不均勻性隨電流強度、電源頻率增加而加劇。還發現，對于切縫為16的結晶器，調整切縫布置位置可使彎月面變形的均勻程度提高近77%。認為可通過增加切縫條數、減小切縫寬度、降低結晶器銅壁厚度以及調整結晶器切縫布置位置等措施提高彎月面變形的均勻性。并建議在實際應用中采用20 kHz以上的電源頻率為宜。

張林濤等^[15]采用Sn-32%Pb-52%Bi低熔點合金作為鋼液的模擬介質，對不同工藝參數下矩形坯軟接觸結晶器內的彎月面行為進行了研究。發現彎月面高度隨電源功率的增加為增加，同時液面波動加劇。認為在實際生產中，為了提高彎月面高度和增強彎月面穩定性，應將線圈盡量靠近結晶器口部位置安裝。在澆注過程中, 應使澆注液面盡可能控制在線圈中心偏上的位置。當電源頻率增加時, 應適當增加電流以保證軟接觸效果。王朝陽等^[¹⁶^]也得出了類似結論。徐秀杰等^[¹⁷^]同樣采用了Sn-Pb-Bi低熔點合金，模擬研究了高頻電磁場作用下切縫式結晶器內鋼液彎月面的行為。研究發現，彎月面行為受高頻磁場的作用效果較為明顯，并認為線圈應安裝于結晶器切縫區域的中心。在20-30kHz范圍內增加磁場頻率可以有效提高彎月面高度，但當磁場頻率超過30kHz后，彎月面高度的增加幅度并不明顯。

5 軟接觸電磁連鑄結晶器內保護渣渣道動壓的研究

在連鑄過程中，振痕的形成與結晶器振動時彎月面與結晶器壁之間的保護渣渣道動壓有關^[^18]。渣道動壓變化越大，振痕越明顯。影響保護渣渣道動壓變化的兩個主要因素是保護渣的渣道形狀和渣道寬度。渣道寬度本身處于10^-2-10^-1mm數量級，難以用實驗手段對其進行精確的測量。

Miyoshino等^[^19]通過Sn-10%Pb合金模擬研究了液態金屬在交流磁場中的磁流體力學行為。發現電磁力作用于結晶器早期凝固區時，結晶器周圍的感應線圈明顯減小了振痕深度。并認為這是由于渣道動壓的降低以及電磁壓力引起的渣道寬度增加導致的。

雷作勝等^[⁵^]通過構建數學模型，對軟接觸結晶器內渣道動壓的變化進行了研究。發現保護渣渣道動壓隨結晶器外磁感應強度的增大而減小，這也說明該技術的應用可以改善鑄坯表面質量。還發現，磁場強度并不能無限制地減小保護渣渣道動壓，考慮到彎月面的穩定性，磁場強度在有限的范圍內存在一個最佳值。

楊帆等^[20]通過構建數學模型，對高頻磁場下結晶器內渣道動壓的變化進行了研究。發現高頻磁場作用下，保護渣道最大正、負壓力都減小，并且減小幅度隨磁感應強度的增大而越大，減小了正負壓差，從而減輕了振痕、改善了鑄坯表面質量。同時，也得出磁感應強度只能在有限的范圍內減小正負壓差，并認為磁感應強度在35-45mT下減小較為明顯。

6 結論

（1）為了達到軟接觸狀態，在軟接觸電磁連鑄過程中須選用高頻磁場。

（2）結晶器內彎月面高度隨磁感應強度和磁場頻率的增加而增加，同時液面波動加劇。在磁場作用下，初始彎月面不再與結晶器壁接觸，使三相點位置下移。

（3）為了提高彎月面高度、增強彎月面穩定性，建議將線圈盡量靠近結晶器口部的切縫區域位置安裝�？赏ㄟ^增加切縫條數、減小切縫寬度、降低結晶器銅壁厚度以及調整結晶器切縫布置位置等措施提高彎月面變形的均勻性。

（4）在實際生產中建議采用20-30kHz的電源頻率，35-45mT的磁感應強度。當電源頻率增加時, 建議適當增加電流以保證軟接觸效果。在澆注過程中, 建議澆注液面盡可能控制在線圈中心偏上的位置。

（5）渣道動壓隨結晶器外磁感應強度的增大而減小，由于渣道動壓的降低以及渣道寬度的增加，振痕深度明顯減小，改善了鑄坯表面質量。

參考文獻

[1] 金百剛, 王強, 田勇, 等.電磁連鑄冶金技術及應用現狀[J]. 冶金設備, 2009(02):5-10.

[2] Ayata. K, Milyazawa. K, Vesugi. H, et al. CAMP-ISIJ, 1997(10):828.

[3] 那賢昭, 王錫鋼, 張興中, 等. 軟接觸電磁連鑄過程中結晶器及初生坯殼的傳熱[J]. 鋼鐵研究學報, 2005(05):31-34+47.

[4] 任志鳴, 董華鋒, 鄧康, 等. 軟接觸結晶器電磁連鑄中初始凝固的基礎研究[J]. 金屬學報, 1999(08):851-855.

[5] 雷作勝, 任忠鳴, 閻勇剛, 等. 軟接觸結晶器電磁連鑄保護渣道的動態壓力[J]. 金屬學報, 2004(05):546-550.

[6] Mills. K. C. Structure and properties of slags used in the continuous casting of steel: part 1 conventional mould powders[J]. ISIJ International, 2016, 56(1):1-13.

[7] Mills. K. C, FOX. A. B. The role of mould fluxes in continuous casting-so simple yet so complex[J]. ISIJ International, 2003, 43(10):1479-1486.

[8] 唐萍, 高金星, 文光華. 連鑄結晶器保護渣研究進展及趨勢[J]. 煉鋼, 2017, 33(3):1.

[9] Wang. W, Lu. B, Xiao. D. A review of mold flux development for the casting of high-Al steels [J]. Metallurgical and Materials Transactions B, 2016, 47(1):384-389.

[10] Gao. J. X, Wen. G. H, Sun. Q. H, et al. The influence of Na2O on the solidification and crystallization behavior of CaO-SiO2-Al2O3-based mold flux[J]. Metallurgical and Materials Transactions B, 2015, 46(4):1850-1859.

[11] Billany. T. J, Normanton. A. S, Mills. K .C, et al. Surface cracking in continuously cast products[J]. Ironmaking and Steelmaking, 1991, 18(6):403-410.

[12] 王杏娟, 朱立光, 劉然. 高頻電磁場在連鑄技術中的研究進展[J].鑄造技術, 2013, 34(03):320-323.

[13] Nakata. H, Etay. J. Meniscus Shape of Molten Steel under Alternating Magnetic Field[J]. ISIJ International, 1992, 32(4):521-528.

[14] 鄧安元, 于光偉, 賈光霖, 等. 軟接觸電磁結晶器內三維彎月面形狀數值模擬[J]. 鋼鐵研究學報, 2001(03):10-14.

[15] 張林濤, 鄧安元, 張興武, 等. 矩形電磁軟接觸連鑄結晶器內彎月面行為[J]. 中國有色金屬學報, 2006, 16(8):1405-1410.

[16] 王朝陽, 王恩剛, 張興武, 等. 圓坯中頻電磁軟接觸連鑄結晶器內彎月面研究[J]. 鑄造, 2009, 58(05):440-443.

[17] 許秀杰, 鄧安元, 王恩剛, 等. 中間切縫圓坯連鑄結晶器內彎月面行為的試驗研究[J]. 連鑄, 2010(03):6-10.

[18] Takeuchi. E, Brimacombe. J. K, Effect of oscillation-mark formation on the surface quality of continuously cast steel slabs[J]. Metallurgical and Materials Transactions B, 1985, 16(3):605-625.

[19] Miyoshino. I, Takeuchi. E, Yano. H, et al. Influence of Electromagnetic Pressure on the Early Solidification in a Continuous Casting Mold[J]. ISIJ International, 1989, 29(12):1040-1047.

[20] 楊帆, 韓毅華, 朱立光, 等. 高頻磁場下連鑄保護渣潤滑行為數學模型[J]. 鋼鐵研究學報, 2019, 31(04):368-379.