板坯连铸结晶器钢水流动控制的重要性
随着连铸技术的发展，连铸比的提高，高生产率和高质量铸坯已成为当今板坯连铸技术追求的目标。从1980年代起，以实现高生产率的技术为背景，已意识到结晶器内钢水流动控制技术对实现连铸机的高生产率和高品质铸坯具有重大影响。
1、当今板坯连铸结晶器内钢水流动的主要问题：
图1表示板坯结晶器内钢水流动现象的示意图。由图可见：
图1 板坯结晶器内钢水流动现象
① 从SEN侧孔吐出的流股高速冲击窄面，使坯壳重熔，甚至造成漏钢、表面和皮下裂纹。
② 向上反转流股将窄面附近的弯月面拱起，使弯月面波动加剧，导致保护渣卷吸，被初生坯壳的凝固钩捕获，而形成表面和皮下夹杂。
③ 向下流股侵入液相穴深处，使夹杂物和气泡不易上浮，而在1/4夹杂带偏聚。
2、结晶器内钢水流动控制的目的：
板坯连铸实践表明，结晶器内钢水流动对产品质量有极大的影响：
①结晶器内钢水流动支配着夹杂物和气泡的上浮分离；
②弯月面附近的钢水流动又支配着保护渣熔融、铺展及保护渣的卷吸；
而结晶器内钢水流动又受到浇铸参数如板宽、拉速、氩气流量、SEN设计等四维组合的影响，因此板坯结晶器内钢水流动控制的主要目的是：
①控制弯月面下的水平流速和增加凝固前沿的钢水流速，减少表面和皮下的夹杂物和气泡。实践表明：弯月面下的最佳流速为0.12-0.2 m/s；凝固前沿的最佳流速为0.2-0.4 m/s。
②控制初期凝固和弯月面处凝固起始点的位置，缩短凝固钩长度、使坯壳生长均匀和减轻振痕的影响，减少表面裂纹和稳定操作。
③借助搅拌流动使结晶器内钢水温度均匀，从而使坯壳厚度均匀。
结晶器内钢水流动控制技术的主要模式
1、主要模式
板坯连铸实践表明，优化SEN的形状（内径、侧孔大小、倾角）、浸入深度、钢水液面控制和结晶器振动等常规控制技术虽有利于改进结晶器内的钢水流动，但不尽人意。为此，从1980年代初起，对利用电磁力的非接触控制技术进行了广泛深入的研究开发并实用化，其中有代表性的是：
①1981年新日铁（NSC）的基于双边行波磁场的结晶器电磁搅拌技术，见图2。
图2板坯结晶器电磁搅拌技术
1－钢水 2－冷却水套 3－铜板 4－保护渣5－铜板（窄面） 6－绕组7－铁芯8－支撑辊9－坯壳
② 1982年由川崎制钢（KSC）和ABB共同开发的基于直流磁场的结晶器电磁制动技术。该技术先后开发了三种类型：局部区域磁场（EMBr）、全幅一段磁场（EMBR－Ruler: Electromagnetic Mold Brake Ruler ）、全幅二段磁场(FC mold－Flow control mold)，见图3。
图3板坯结晶器电磁制动技术
(a) 局部区域 (b) 全幅一段 (c) 全幅二段
1 －水口2－结晶器3－绕组4－铁芯
③ 1991年由日本钢管(NKK)基于四个行波磁场的流动控制技术，即可以加速的电磁水平加速器(EMLA)，或减速的电磁水平稳定器(EMLS)。21世纪初，由NKK和Rotelec在上述基础上开发的多模式电磁搅拌技术MM－EMS(Mult Mode EMS)即：EMLS、EMLA 和EMRS等，见图4。
图4 板坯结晶器多模式电磁控流技术
2、三类电磁控制流动（控流）技术的主要特点
三类电磁控流技术的主要特点简要汇总在表1中。表1 各种流动控制技术的重要特点
| - | MEMS | EMBr | MM-EMS | 搅
拌
器 | 配置方式 | 沿板坯宽面配置两台搅拌器 | 沿板坯宽面配置两台制动器 | 沿板坯宽面配置四台搅拌器 | | 安装位置 | 介于弯月面和水口侧孔之间 | 水口侧孔吐出的流股主流处 | 结晶器半高处 | | 磁场形态 |
行波磁场 | 恒定直流磁场 | 行波磁场 | | 电源 | 低频、三相 | 直流 | 低频、两相 | | 流动形态 | 加速钢水，使其水平旋转 | 制动从侧孔吐出的流股，使其减速 | 可使钢水加速或减速或水平旋转 | | 控制特征 | 能动控制 | 被动控制 | 能动控制 | | 对结晶器要求 | 低电导率的薄铜板 | 常规铜板 | 低电导率薄铜板 | | 主要应用范围 | 中厚板坯、低拉速 | 薄板坯、高拉速 | 中厚板坯、高拉速 |
三类电磁控制流动（控流）技术的冶金机理和效果
1、MEMS的冶金机理和冶金效果
1)、MEMS的冶金机理和冶金效果见表2。表2 MEMS的冶金机理和冶金效果
 2)、MEMS对最终产品质量的影响
① 减少尾切长度
对含Ti轴承超低碳钢，以往要求尾切长度要比超低碳Al沸腾钢大的多，而采用MEMS，尾切长度可以减少，见图5。
图5 MEMS减少尾切长度
② 减少板坯精整量
采用MEMS，减少炼钢厂内机械清理和磨削等板坯精整量，见图6。
图6 MEMS减少板材精整量
③ 减少最终产品的表面缺陷
由于采用MEMS，最终产品质量中由于板坯的不良表面清洁度导致报废的板卷指数大大减少，见图7。
图7 MEMS对超低碳钢最终产品中表面缺陷的影响
④ 减少板材和管线内部缺陷
连铸实践表明，板坯内部缺陷主要是由于在内弧侧1/4坯厚区域内夹杂物偏聚造成的。图8表示MEMS对用于板和管线等产品内部缺陷的影响，由图可见，由于采用MEMS，使得板坯中夹杂物总量减少，并且在内弧侧1/4坯厚区偏聚减轻，从而使板和管线等报废率减少。
图8 MEMS对用于板和管线等产品的内部缺陷的影响
据新日铁在线使用表明：
板坯表面热火焰清理量减少40%；
最终产品不合格率减少50%。
2、EMBR的冶金机理和冶金效果
1)、EMBR的冶金机理和冶金效果见表3。表3 EMBR的冶金机理和冶金效果
 2)、EMBR对最终产品质量的影响
① 对产品表面质量的影响
图9表示EMBR作用下，汽车用超低碳钢板卷表面缺陷与拉速的关系。由图可见，当拉速＞1.7 m/min时，此时浇注量也增加，无EMBR和有EMBR相比，表面缺陷指数上升5倍。这个结果表明，由于EMBR的作用，降低了弯月面下的流速和湍流度，减小弯月面的波动，使保护渣卷吸明显减少。
图9 EMBR 对冷轧板卷表面质量的影响
② EMBR 对产品内部质量的影响
图10表示有和无EMBR时用磁粉探伤（MT）检测的制罐用马口铁薄板内部缺陷的结果。由图可见，当使用EMBR时，其内部缺陷比无EMBR时明显减少。这个结果表明，由于EMBR的作用，使钢水向下侵入深度变浅，使非金属夹杂物易于上浮，铸坯内部夹杂物大大减少，提高钢的清洁度，从而使最终产品的内部质量大大提高。
图10 EMBR 对冷轧薄板内部质量的影响
据报导，对于宽板坯和高通钢量，在EMBR的最佳运行条件下，冷轧产品的不合格率减少33％；对板宽﹥1400mm，不合格率则更低。
3、板坯连铸多模式结晶器电磁控流技术
多模式结晶器电磁搅拌技术是在同一台连铸机上使用同一套电磁搅拌器组成不同的运行模式，即电磁水平稳定器EMLS、电磁水平加速器EMLA、电磁旋转搅拌器EMRS。
1)、MM-EMS的冶金机理与冶金效果
表4综述了MM-EMS的冶金机理和冶金效果：表4 MM-EMS的冶金机理和效果
 2)、多模式结晶器电磁搅拌技术改进产品质量的效果
① EMLA对超低碳钢冷轧钢板表面质量的影响
图11表示在EMLA作用下超低碳钢表面缺陷频率指数与浇铸量的关系。由图可见，在无EMLA的低速浇铸时，表面缺陷发生的频率很高。由于使用了EMLA后，从SEN侧孔吐出的钢水流股被加速，沿窄面向上反转流股使弯月面附近的钢水流动增大，过热钢水向弯月面补充热量增多，使保护渣熔融充分，同时也提高了保护渣吸收夹杂物的能力，从而使低速浇铸时超低碳冷轧薄板的表面缺陷明显降低。
图11 在EMLA作用下冷轧钢板表面缺陷与浇铸量的关系
钢种：超低碳钢、拉速：2.0m/min 、SEN：－45°
图12表示EMLS对超低碳钢薄板表面缺陷的影响。由图可见，适当的使用EMLS，抑制了保护渣基夹杂物，使造成饮料罐薄板的条状裂纹缺陷明显减少。这是由于使用EMLS使过强的弯月面波动受到抑制，消除了坯壳的增碳和稳定了熔融保护渣的润滑作用，从而使粘结性漏钢降为零。
图12 EMLS/EMLA对冷轧板卷表面缺陷上的影响
图13表示有和无EMLA/EMLS对冷轧板卷表面缺陷频率的影响。由图可见，在有EMLA/EMLS的人工控制工况下，冷轧板卷的表面缺陷降到无EMLA/EMLS时的约1/3。自动控制工况又进一步降到人工控制的一半。
图13 EMLS在超低碳钢薄板表面缺陷上的影响
② 对冷轧薄板内部质量的影响
图14表示EMLS 对冷轧薄板内部缺陷的影响。由图可见，由于使用EMLS使冷轧薄板内部缺陷指数降低到无EMLS时的约1/3。这是由于EMLS 使从浸入式水口侧孔吐出的流股减速，降低了弯月面附近的钢水流速，减少了保护渣的卷吸，同时使侵入液相穴深度变浅，有利于夹杂物的上浮分离，从而使冷轧薄板内部缺陷明显减少。
图14 EMLS在冷轧薄板内部缺陷的影响
图15表示在非正常浇铸期条件下EMLA/EMLS对冷轧薄板内部缺陷的影响。由图可见，由于在浇铸开始、终了或大包、中间罐交换期的浇铸速度变化等非正常浇铸期，随着浇铸速度的变化，选择和调整外加磁场的方向和强度，使弯月面波高维持在合适的范围内，从而大幅度地降低保护渣性夹杂物的缺陷，而计算机控制方式下的缺陷又比人工控制的进一步降低，特别是宽板坯连铸时尤为显著。
图15 在非正常浇铸期条件下EMLA/EMLS对冷轧薄板内部缺陷的影响
据报导，在EMLA/EMLS模式下，在人工控制运行中，保护渣型夹杂物可减少到1/3；在自动控制运行中再进一步减少1/2，而粘结性漏钢事故减少到每年为零。(end)
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