板坯连铸结晶器内电磁制动控制效果的研究

板坯连铸结晶器内电磁制动控制效果的研究发表日期：2006-9-5阅读次数：261前言连铸板坯的表面和内部缺陷与结晶器内钢液的流动条件紧密相关。从结晶器的浸入式水口流出的钢液射流夹带着非金属夹杂物和气泡冲击结晶器的窄面后分成两个很强的流股，其中一个流股向上流动，引起弯月面的不稳定性并易造成卷渣；另一个流股穿入板坯深处，使非金属夹杂物和气泡聚集在凝固壳上。在高速连铸下，这些现象更为严重并恶化了最终产品质量。因此，控制从水口流出的钢液成为高速连铸中的关键技术。为解决上述问题，开发了应用稳恒磁场制动从水口流出的钢液即电磁制动技术。电磁制动技术(ElectromagneticBrake-EMBR)就是在水口区域设置与水口出流垂直的稳恒磁场，在导电的液态金属中将产生感生电流，感生电流与稳恒磁场的交互作用又在液态金属中产生与流速方向相反的洛仑兹力，从而使液态金属的流动受到抑制。在连铸中应用电磁制动技术可减少连铸坯的内部和皮下夹杂物，消除保护渣的卷渣，减少纵向和横向裂纹，达到高拉速下生产高质量连铸坯的目的。本文用Pb-Sn-Bi低熔点合金进行了电磁制动模拟实验以证实电磁制动的效果，研究了单条形稳恒磁场对结晶器内流体流动的影响，并考察各操作参数(磁通量密度、浇铸速度、水口出口角度)对电磁流动控制效果的影响。2实验装置和实验方法实验装置如图1所示。模拟结晶器与实际结晶器几何相似，其比例为1:3。金属液从模拟中间包通过浸入式水口流入结晶器中，然后通过结晶器底部的出口流入金属液储槽，同时，通过钢包不断地往中间包内补充金属液，使金属液在结晶器内形成连续的循环流动。流动过程中金属液的流量用中间包内的塞棒和结晶器出口处的流量控制阀进行调节。通过用钢包不断往中间包补充金属液使中间包内金属液的液面稳定，从而使结晶器内金属液面保持稳定。每次实验，金属液在结晶器内的稳定流动时间保持3~5min，以得到稳定可靠的实验结果。单条形稳恒磁场施加在结晶器的宽面两侧，覆盖整个结晶器的宽度，以制动从水口流出的液流。图1电磁制动控制热模拟实验系统1,6.热电偶；2.钢包；3.塞棒；4.模拟中间包；5.浸入式水口；7.水平稳恒磁场；8.结晶器；9.调节控制阀；10.金属液储槽；11.激光液位仪；12.计算机数据采集系统实验介质采用牛顿合金，合金成分为：w(Pb)30%，w(Sn)20%，w(Bi)50%，密度9.62g/cm3，熔点为95℃，用其模拟钢液，对稳恒磁场作用下的结晶器内钢液流动规律进行了热态模拟实验研究。为了防止金属液在结晶器内凝固，金属液的浇注温度为300℃，流入金属液储槽的温度保持在160℃以上，以保证金属液在结晶器内的连续流动状态。表1为实验参数。模型结晶器与实际连铸结晶器之间的相似由下面的Froude准数和Stuait准数相等来保持。表1电磁制动控制热模拟实验参数项目参数磁场单条形稳恒磁场结晶器材质铜板比例1/3截面尺寸240mm×60mm高度800mm浸入式水口出口形式两侧出口出口角度向下15°向下45°浸入深度100mm磁场位置液面以下150mm磁通量密度最大0.75T电流最大1300A实验中用激光液位仪(LK501型)测量结晶器窄面附近的金属液面的波动，并在中间包和结晶器内金属液面处分别插入热电偶，以测量中间包与结晶器内的流体平均温降，间接地考察液流流股的冲击深度。3实验结果与分析3.1电磁场对液体表面波动抑制作用的研究图2为采用出口角度为向下15℃的水口，浇铸速度为0.12m/min时磁通量密度对金属液表面波动的作用效果。横人下标表示时间，纵人下标为用金属液面的振荡幅度表示的液面波动量。由(a)图可看出当磁通量密度由OT增加到0.25T时表面波动有些增大，这是因为施加在水口出口下方的0.25T的磁场对向下流股产生了抑制作用，但同时也使向上的回流增加，从而导致液面波动的增加。而由(b)图可看出当磁通量密度由OT增加到0.5T时表面波动减小，这是由于0.5T的磁场对水口出口的整个流股产生了抑制作用，减小了整个出口流股的流出速度，也使上返流的速度减小，因而表面波动被抑制。同时由(c)图也可以看出磁通量密度由0T增加到0.75T时表面波动减小。由此可得，当磁通量密度为0.25T时磁场只对向下流股产生了抑制作用，而当磁通量密度增加到0.5T以上时，磁场的强度足以制动整个出口流股，并且从水口流出的整个流股的出口速度被减小，因而表面波动也被抑制，这使弯月面处的流动更稳定。实验结果也表明，随着磁通量密度的增加，液面波动逐渐减小。当磁通量密度由0.25T增加到0.5T时，最大的表面波动可减小一倍，当磁通量密度增加到0.75T时表面波动进一步减小。图3为采用出口角度为向下45。的水口，并目浇注速度为0.41m/min时磁通量密度对金属液表面波动的作用效果。由图3可看出，当磁通量密度由0T增加到0.5T时表面波动减小，而当磁通量密度由0.5T增加到0.75T表面波动反而增大。这表明电磁制动效果与浇注速度、水口角度和磁通量密度有关，如果操作参数不当，电磁制动效果会变得恶化。3.2电磁场对液体流股冲击深度抑制作用的研究实验中用热电偶分别测量了中间包和结晶器内弯月面处液体的温度，即用中间包与结晶器内的流体平均温降间接地考察流体的冲击深度。平均温降越小，弯月面处的温度越高，说明流体从水口进入结晶器液芯中的平均冲击深度越小。图4为浇铸速度0.32m/min时磁通量密度和水口条件对弯月面温度的影响。由图可看出水口出流的向下冲击深度由于磁场的制动效应而受到了抑制，随着磁通量密度增大，水口出流向下的冲击深度减小，这有利于金属内夹杂物的上浮，达到提高板坯内部质量的目的。当水口出口角度为向下15°时，随着磁通量密度的增加，中间包与结晶器内的流体平均温降降低的较少，即对出流冲击深度的抑制作用较小；而当水口出口角度为向下45。时.随着磁通量密度的增大，中间包与结晶器内的流体平均温降降低较多，这表明采用向下45。的水口施加磁场时对流股冲击深度的抑制效果比向下15°水口好。其原因是小角度(15°)水口出流在施加磁场区域穿过的路程短，而大角度(45°)水口出流在施加磁场区域穿过的路程长，为此制动效果好，即对水口出流的抑制作用更强。4结论用Pb-Sn-Bi低熔点合金模拟钢液，进行了板坯连铸电磁制动热模拟实验，考察了磁通量密度、浇铸速度、水口出口角度等对电磁制动效果的影响。对实验结果分析得到如下结论。(1)在板坯连铸结晶器内应用稳恒磁场控制钢液流动效果与磁通量密度、浸入式水口角度和浇注速度有关。(2)水口出流的向下冲击深度由于磁场的制动效应而受到了抑制，随着磁场强度的增大，向下的冲击深度减小。(3)当浇铸速度和水口角度一定时，对液体表面波动的抑制效果与磁通量密度的大小有关。采用出口角度为向下15°的水口且浇铸速度为0.12m/min时，当磁通量密度为0.25T时磁场对向下流股产生了抑制作用，但同时也使向上的回流增加，从而导致液面波动的增加；而当磁通量密度增加到0.5T以上时，磁场的强度足以制动整个出口流股，减小了出口流股的流出速度，抑制了表面波动，这导致了使弯月面处的流动更稳定。(4)采用向下45°的水口施加磁场时对流股冲击深度的抑制效果比向下15°水口效果好。在连铸中各种操作参数对电磁制动效果的影响因素很复杂。为此，为了得到操作参数对电磁制动效果影响因素的详细结果以及应用电磁制动提高连铸坯质量的优化操作参数，我们正在作进一步的研究工作。