1、连铸机板坯宽度方向施加静磁场后钢液流动状况的探讨1.前言如果连铸板坯内含有Al2O3类簇状夹杂物，轧制后的钢板会因此而产生表面缺陷。为减少铸坯的夹杂物含量，重要的是要冶炼夹杂物含量少的洁净钢，并在钢水凝固时避免夹杂物被铸坯捕获。为解决上述问题，开发了利用电磁力控制连铸机内铸坯钢液的流动，防止夹杂物被铸坯捕获的技术。如，结晶器内电磁搅拌（下称MEMS）技术和电磁制动（下称EMBR）技术。其中，MEMS技术主要是通过对钢水进行不断搅拌来减少铸坯表层部的夹杂物。如果是普通薄钢板，在距铸坯表面20mm以内表层部的夹杂物是造成产品出现表面缺陷的主要原因。MEMS通过在结晶器内对铸坯表层部的凝固界面进行冲
2、刷，能有效地减少会造成产品表面缺陷的铸坯表层部的夹杂物。而EMBR主要是通过控制钢液的流动来减少铸坯内部的夹杂物。当钢水浇入结晶器内时，钢水中的夹杂物也会随钢水流进入结晶器内。结果，夹杂物会因上浮不了而被捕获到铸坯内部。这种铸坯被轧成大约0.3mm厚的特殊钢板时，距铸坯表面20mm以上深的内部夹杂物也会危害产品质量。有文献报道，如果采用EMBR控制钢水的向下流速，就能促使夹杂物上浮分离，从而减少铸坯内部的夹杂物。另外，还有的文献报道，在高速浇铸时采用EMRB能力有防止保护渣的卷入。因此，EMRB有望还能成为提高连铸生产能力的一种手段。但是，采用旧型EMBR控制铸坯宽度两端向下流速的效果差。特别
3、是在铸坯宽度窄的情况下，不能有效减少铸坯内部的夹杂物。为解决这一问题，本研究提出了一种能有效减少整个板坯宽度上的夹杂物的新型EMBR，并对钢液流动的状况进行了基础研究。旧型的EMBR是将静磁场作用于板坯厚度方向的钢液，而新型EMBR是将静磁场作用于板坯宽度方向的钢液。对旧型和新型EMBR进行了数值计算和采用液体镓的模型实验，调查了EMBR的静磁场方向对向下流速控制效果的影响。2.研究方法2.1 数值计算方法对将磁场作用于板坯厚度方向的旧型EMBR和将磁场作用于板坯宽度方向的新型EMBR用于控制钢液流动的效果进行了研究，同时为验证其计算精度，进行了以下计算：（1）使用不同EMBR时不同钢液的流动
4、计算（实机）（2）采用液体镓验证流动解析精度的模型实验计算（实机的1/6)在实机计算时，对将厚度方向的磁场作用于整个板坯宽度的Ruler型EMBR，研究了磁极位置和结晶器宽度对向下流速控制效果的影响。另外，在模型实验时，根据没有采用EMBR、采用以往的FC型EMBR和采用新型EMBR等3种条件研究了流速分布。FC型EMBR的电磁制动方式是把厚度方向的磁场分上下2段，上段用于防止粉末卷入，下段用于控制向下流速。为计算在静磁场下熔融金属的流动，因此先对静磁场的分布进行假设，然后在近似电磁流体力学（MHD）的情况下，将熔融金属的流动涡电流进行联立计算。为评价流出流体的衰减，把沿浇铸方向至钢水面一定距
5、离的区域作为作为解析区域。把解析区域的下端作为根据浇铸速度均匀流出的临界条件，并按照与流量相同的流量使钢水均匀流入浸入式水口内。另外，把钢水与凝固壳的界面看作是按照浇铸速度下降的固体壁，把钢水面看作是滑动壁，把浸入式水口的内外壁看作是固定壁。而且，在钢水的外围设置了10mm厚的凝固壳，研究了在凝固壳中流动的电流。2.2 模型实验方法通过实验，研究了采用新型EMBR对钢水向下流速的控制效果，同时为验证数值计算的精度进行了模型实验。与计算一样，它是在没有采用EMBR、采用以往的FC型EMBR和采用新型EMBR等3种条件下进行模型实验的。3.结果3.1 以往的Ruler型EMBR的计算结果采用以往的
6、Ruler型EMBR后钢水向下流速的计算是假设EMBR的磁极中心与弯月面的距离（L1）为500mm、使用的结晶器宽度（W）为900mm和1500mm的情况下进行的。无论是何种板坯宽度，在低于EMBR磁极的下方，板坯宽度中间部的钢水向下流速能控制在与平均向下流速（0.03m/s)基本相同的速度。但是，板坯宽度两端的向下流速比平均向下流速快。接着，在改变磁极位置后的向下流速计算中，有采用EMBR时的向下流速VB=0来校正采用EMBR时向下流速V的值V/VB=0。该值越小，EMBR的向下流速的控制效果越好。在宽幅条件下（W=1500mm)，当磁场位置相当于弯月面正下方时（L1=0.1m)，向下流速有
7、若干增大，在其它时候，V/VB=0值为0.304，控制向下流速的效果较好。另一方面，在窄幅条件下（W=900mm)，当V/VB=0的值为0.507，与宽幅条件相比，EMBR的向下流速的控制效果差。另外，不论在何种宽度下，都存在着V/VB=0值变得最小的磁场位置，如果磁场位置低于V/VB=0最小值，磁极位置越往下，向下流速的控制效果会变得越差。3.2 模型实验的计算结果与没有采用EMBR相比，采用FC型EMBR时，磁极位置周围的流速小，但在低于磁极位置的下方，流速反而增大。另一方面，在采用新型EMBR的情况下，在磁极位置和磁极下方向的整个区域中，向下流速降低，由此表明采用新型EMBR的向下流速控
8、制效果好。3.3 模型实验的流速测定结果采用模型实验的向下流速的测定结果与计算结果比较表明，测定结果的向下流速大，两者的结果并不一致。但是，在模型中距弯月面120mm以上深的区域中，向下流速的变小顺序依次为，采用FC型EMBR、没有采用EMBR、采用新型EMBR。从这一点来看，实验结果和计算结果在定性上比较一致。采用新型EMBR时，在模型中距弯月面170mm以上深的区域中，所得的向下流速的测定结果近似于平均向下流速（0.055m/s)。即使在实验中也能确认新型EMBR的向下流速的控制效果好。另外，模型中距弯月面170mm深的厚度中间位置的向下流速在宽度方向分布的测定结果表明，在没有采用EMBR
9、的情况下，板坯宽度端部的向下流和中间部的上升流的流速在宽度方向发生了变化，而采用新型EMBR时，从宽度端部到宽度中间的向下流速基本均匀。由此可以从实验上确认，采用新型EMBR不仅可以控制板坯宽度两端的向下流速，而且还能控制整个宽度区域的向下流速。采用新型EMBR后磁通密度向下流速关系的测定结果表明，随着模型的磁通密度增加到大约0.15T，向下流速会减小，但当磁通密度大于0.15T时，向下流速则基本恒定。根据相似原则，把相当于模型实验的实机浇铸条件下所需的磁通密度换算后，为大约0.11T。4.研究4.1 旧型EMBR的向下流速控制效果根据以上结果，采用旧型EMBR的向下流速控制效果差的问题可以归
10、纳为如下：宽度两端的向下流速控制效果差。宽度窄时，向下流速的控制效果降低。存在着向下流速变得最小的磁极位置，在低于磁极位置最小值的下方向，磁极位置越往下，向下流速的控制效果越低。4.1.1 宽度两端部向下流速控制效果的降低首先，研究了在宽度两端部向下流速控制效果降低的原因。为采用EMBR控制流动，因此需要与流动平行的逆向电磁力。为获得与流动平行的电磁力，就需要的垂直于流动的磁通密度和垂直于流动和磁场两方面的电流密度。这样，为利用板坯厚度方向的静磁场控制向下流速，就需要有板坯宽度方向的电流。但是，在原来向下流速最快的板坯两端部，由于电流在板坯的端部被遮断，难以流到宽度方向，因此宽度两端部的向下流
11、速控制效果变差，会产生夹杂物深入板坯内部的问题。4.1.2 板坯宽度和磁极位置的影响接着，研究了在宽度窄时和把磁极设置在下方时，向下流速控制效果降低的原因。根据宽度两端部向下流速控制效果的降低也能明这些结果。即，在板坯宽度大的情况下，静磁场会直接作用于流出流体。因为在流出体流体部不存在电流的忘记遮断墙，所以流速的控制效果好。但是，在宽度窄，且磁极位置低的情况下，静磁场不会直接作用于流出流体，只会作用于流出流体与宽度两端部冲撞后的向下流体。在这种情况下，由于控制向下流速所需的板坯宽度方向的电流不能充分流动，因此向下流速的控制效果小。当采用把EMBR的磁场分上下2段设置的FC型EMBR时，或把上方
12、的用于表层夹杂物净化的MEMS与下方的用于控制向下流速的EMBR组合使用时，不得不把控制向下流速用的EMBR的磁极设置在下方。在这种情况下，特别是浇铸宽度窄的板坯时，采用EMBR减少板坯内部夹杂物的效果会变小。另外，当宽度窄，且磁极位置处于上方时，由于静磁场会直接作用于流出流体，因此控制向下流速的效果比磁场位置处于下方的大。但是，由于静磁场起的作用范围窄，因此向下流速的控制效果比宽幅时的减小。4.2 静磁场的方向和磁场深入的控制效果最后，研究了新型EMBR的磁场深入的控制效果比旧型EMBR大的原因。如已述的那样，旧型EMBR是将磁场作用于板坯厚度方向，而新型EMBR是将磁场作用于板坯宽度方向。
13、关于利用导电流体钢水穿过磁力线时产生的电磁力，控制流动的原理，旧型EMBR和新型EMBR都一样。另外垂直于磁场的电流难以流到垂直于磁场方向的板坯端部，出现了电磁力难以起作用的区域。关于这一点，旧型EMBR和新型EMBR上相同的。即，采用以往EMBR时，由于静磁场作用于板坯厚度方向，因此板坯宽度两端部会出现电磁力弱的区域。另一方向，采用新型EMBR时，由于静磁场作用于板坯宽度方向，因此板坯厚度两端会出现电磁力弱的区域。结果，采用新型EMBR一方面能有效控制宽度方向两端的快速向下流速，另一方面又担心在厚度两端沿宽面区域的向下流速会变快。但是，在连铸板坯时，由于宽度比厚度大数倍左右，因此宽度方向的流
14、速分布在向下流动时会形成大的流动涡流，流速分布的衰减需要长的距离。另一方面，厚度方向的流速分布在向下流动时所形成的涡流小，流速分布能以短的距离快速衰减。因此可以认为流速分布衰减所需的距离因磁场方向的不同而不同，新型EMBR能使向下流速快速达到均匀。5.结束语通过数值计算和液体模型实验，研究了用EMBR控制向下流速的效果，其结果归纳如下：（1）采用将静磁场作用于结晶器厚度方向的旧型EMBR时，无法完全控制沿板坯宽度两端快速的向下流速；（2）当板坯宽度小时，采用旧型EMBR控制向下流速的效果差；（3）采用旧型EMBR时，存在着向下流速最小值的磁极位置，在该最小值的下方，磁极位置越往下，EMBR控制向下流速的效果越低；（4）采用旧型EMBR时，在板坯宽度两端由于电流难以流到宽度方向，因此朝上的电磁力弱，由此说明上述（1）（3）的原因；（5）采用将静磁场作用于板坯宽度方向的EMBR的向下流速控制效果比采用将静磁场作用于板坯厚度方向的旧型EMBR的大，且在板坯整个水平断面内实现均匀的向下流速；（6）新型EMBR的向下流速控制效果比旧型EMBR大的原因是由于沿厚度两端向下流速的衰减比沿宽度两端向下流速的衰减更快的缘故。 （廖建国）
