CN108500228B - 板坯连铸结晶器流场控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种板坯连铸结晶器流场控制方法，采用电磁搅拌装置和电磁制动装置来控制板坯连铸结晶器流场，在结晶器宽面两侧的上部区域配置电磁搅拌装置，在结晶器宽面两侧的下部区域配置电磁制动装置，上部的电磁搅拌装置和下部的电磁制动装置相互独立；其中上部电磁搅拌装置安装于水口出口上沿上方至弯月面之间，下部电磁制动装置为区域性制动，分别位于水口出口两侧的水口出口下方位置，并作用于水口与结晶器窄面之间的水口出流流股所流经的区域；上部电磁搅拌装置和下部电磁制动装置分别通过两套电源供电，且分别独立控制电流强度。上部电磁搅拌装置采用行波磁场形式，上部电磁搅拌装置在结晶器宽面两侧的磁场分别带动钢水作相对水平运动。

Description

板坯连铸结晶器流场控制方法

技术领域

本发明涉及一种板坯连铸结晶器控制技术，尤其涉及一种采用电磁设备对板坯连铸结晶器流场的控制方法。

背景技术

板坯连铸过程中，除了钢水本身的纯净度以外，结晶器流场也会在很大程度上影响连铸坯的质量，特别是连铸坯的表面质量。判断结晶器流场的优劣，主要考虑钢水流动过程中是否引起了卷渣、连铸初始凝固皮壳是否均匀、钢流冲击过深（钢水中夹杂物不易上浮，留在铸坯内）等。控制结晶器流场最为有效的方法是电磁搅拌或电磁制动，电磁搅拌可以带动钢水发生旋转运动，通过钢水的冲刷作用带走凝固前沿的夹杂物和气泡，提高连铸坯表面质量。而电磁制动则是通过施加一个静磁场于高速运动的钢水，通过感应产生的洛伦茨力降低其绝对速度，从而降低钢液冲击深度及钢水绝对流水。电磁制动一般适用于高拉速连铸，对于中低拉速的效果并不明显。

单独利用电磁搅拌或电磁制动等技术来控制结晶器内钢液流场，从而提高连铸坯质量的方法已经在实际生产中获得应用。近年来也出现了同时采用两种磁场共同作用下的流场控制方法，如专利CN201080019323、CN201080019325采用下部制动，上部搅拌的方法，但是上下两个装置的磁轭是相互连通的，下部电磁制动磁场开启后在上部搅拌器同样也会产生磁场。这种方法的最大弊端是，下部静磁场容易对上部电磁搅拌行波磁场带来干扰。另一方面，从电磁搅拌的原理上分析，也可以看出上部移动磁场带动钢水发生水平转动，但是下部静磁场传递到上部搅拌器部分的静磁场分量却起到了阻止钢水运动的作用，两者显然是相互矛盾的。

板坯连铸过程中，结晶器内流场是异常复杂的，而且流场的状态并不稳定，在连铸整个过程中始终发生变化。例如，连铸过程中经常容易出现偏流现象，即水口两侧的钢液流速差异较大，造成一侧的流速较快，而另一侧较慢的现象。同样，在弯月面附近也容易出现局部流速过快或出现涡流等现象。因此，针对这样复杂的流场，采用单一的简单的电磁技术并不能有效地改善结晶器流场状态，需要有更为先进的流场控制装置和方法。

发明内容

本发明的目的在于提供一种板坯连铸结晶器流场控制方法，该方法通过在结晶器流场的局部位置有针对性地施加电磁场，从而最大程度改善结晶器流场，提高连铸坯质量。

为了实现上述技术目的，本发明采用如下技术方案：

一种板坯连铸结晶器流场控制方法，采用电磁搅拌装置和电磁制动装置来控制板坯连铸结晶器流场，在结晶器宽面两侧的上部区域配置电磁搅拌装置，在结晶器宽面两侧的下部区域配置电磁制动装置，上部的电磁搅拌装置和下部的电磁制动装置相互独立；其中上部电磁搅拌装置安装于水口出口上沿上方至弯月面之间，下部电磁制动装置为区域性制动，分别位于水口出口两侧的水口出口下方位置，并直接作用于水口出流流股上，即作用于水口与结晶器窄面之间的水口出流流股所流经的区域；上部的电磁搅拌装置和下部的电磁制动装置分别通过两套电源供电，且分别独立控制电流强度。

所述上部电磁搅拌装置采用行波磁场形式，上部电磁搅拌装置在结晶器宽面两侧的磁场分别带动钢水作相对水平运动，上部电磁搅拌覆盖水口出口上沿至弯月面之间的区域，覆盖比例大于0.75，即上部电磁搅拌装置铁芯高度与水口出口上沿至弯月面之间的距离之间的比值大于0.75。

所述上部电磁搅拌装置在位于结晶器宽面铜板前沿15mm处的平均磁感应强度>0.065T，电磁搅拌频率介于1～6Hz之间。

所述下部电磁制动装置的磁场由铁芯上绕制线圈并通直流电后产生，用于制动位于水口出口两侧的钢水流股；位于结晶器宽面同侧的两个电磁制动装置的铁芯相互连通，并构成一组电磁制动装置；同样位于结晶器宽面另一侧的两个电磁制动装置的铁芯也相互连通，并构成另一组电磁制动装置；两组电磁制动装置呈面对面布置，四个电磁制动装置形成两个垂直于板坯结晶器宽面的静磁场，该两个静磁场方向相反，并经由所述结晶器宽面两侧的铁芯形成一个磁场回路。

所述位于结晶器宽面同侧的两个电磁制动装置位于同一水平高度，且两者的铁芯间距L1>300mm；两个电磁制动装置铁芯上沿与水口出口下沿间距L2在100mm～200mm之间；两个电磁制动装置铁芯上沿与电磁搅拌装置铁芯下沿之间的间距L3>250mm。

所述下部电磁制动装置的中心磁感应强度>0.3T。

本发明板坯连铸结晶器流场控制方法针对不同的流场状态，通过在结晶器流场的局部位置有针对性地施加电磁场，分别给出较为精确的电磁控制方法，从而最大程度改善结晶器流场，提高连铸坯质量。

板坯连铸过程中，钢水通过浸入式水口进入连铸结晶器，钢水流股在冲击结晶器窄面后分别向上下两个方向流动，从而在结晶器内形成上下两个环流。这两个环流的大小，局部的流速等对板坯质量有至关重要的影响。通常而言，一个稳定的、适中的流速分布是一种理想的状态，但是实际生产过程中是很难控制的，特别是浇注过程中经常会出现偏流。为此，本发明采用电磁技术的手段，利用电磁力人为控制钢水的流动速度，从而形成理想的流场分布。本发明通过采用电磁搅拌装置和电磁制动装置，利用不同的磁场形式、电磁力大小和作用位置，根据连铸过程中的具体情况，精确控制电磁力的作用，从而获得优质的流场状态，提高铸坯质量。

附图说明

图1为本发明板坯连铸结晶器流场控制方法的电磁装置安装示意图；

图2为本发明的结晶器流场控制方法的电磁装置位置示意图；

图3为未考虑钢水流股重叠时结晶器内钢水运动方向示意图；

图4为考虑钢水流股重叠时结晶器内钢水运动方向示意图。

图中：1弯月面，2水口，3结晶器，4电磁搅拌装置，5钢液冲击流股，6电磁制动装置；31结晶器窄面，32结晶器宽面。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明。

参见图1和图2，一种板坯连铸结晶器流场控制方法，针对结晶器流场的具体状态，通过附加电磁装置控制磁场的大小、形式和位置，从而改善结晶器流场，达到提高铸坯质量的目的。

一种板坯连铸结晶器流场控制方法，采用电磁搅拌装置4和电磁制动装置6来控制板坯连铸结晶器3流场，在位于结晶器宽面32两侧的特定位置分别配置有电磁搅拌装置4和电磁制动装置6，在结晶器宽面32两侧的上部区域配置电磁搅拌装置4，在结晶器宽面32两侧的下部区域配置电磁制动装置6，上部的电磁搅拌装置4和下部的电磁制动装置6相互独立，铁芯不连通；其中上部电磁搅拌装置4安装于水口2出口上沿上方至弯月面1之间；下部电磁制动装置6为区域性制动，分别位于水口2出口两侧的水口2出口下方位置，并直接作用于水口出流流股5上，即作用于水口2与结晶器窄面31之间的水口出流流股5所流经的区域；上部的电磁搅拌装置4和下部的电磁制动装置6分别通过两套电源供电，且分别独立控制电流强度。

所述上部电磁搅拌装置4采用行波磁场形式，上部电磁搅拌装置4在结晶器宽面32两侧的磁场分别带动钢水作相对水平运动，参见图3，上部电磁搅拌覆盖水口出口上沿至弯月面之间的区域，覆盖比例大于0.75，即上部电磁搅拌装置4铁芯高度与水口出口上沿至弯月面之间的距离之间的比值大于0.75。

所述下部电磁制动装置6的磁场由铁芯上绕制线圈并通直流电后产生，用于制动位于水口2出口两侧的钢水流股5。位于结晶器宽面32同侧的两个电磁制动装置6的铁芯相互连通，并构成一组电磁制动装置；同样位于结晶器宽面32另一侧的两个电磁制动装置6的铁芯也相互连通，并构成另一组电磁制动装置；两组电磁制动装置呈面对面布置。四个电磁制动装置6形成两个垂直于板坯结晶器宽面32的静磁场，该两个静磁场方向相反，并经由所述结晶器宽面32两侧的铁芯形成一个磁场回路。如图4所示，上环流沿结晶器铜板窄面31流动至弯月面1，这一部分的钢水流动与电磁搅拌形成的钢水环流相互叠加，即由水口出流钢水引起的上环流在弯月面处由窄面流向水口方向，这一钢水流股加入到电磁搅拌形成的同方向钢水流股之中，从而造成电磁搅拌环流在整个流动路径上流速的不均匀。所述电磁制动装置6直接作用于水口出流钢液流股5之上，因而可以减小上环流的钢水流速，改善上述流速不均匀现象。

所述位于结晶器宽面32同侧的两个电磁制动装置6位于同一水平高度，且两者的铁芯间距L1>300mm；两个电磁制动装置铁芯上沿与水口出口下沿间距L2在100mm-200mm之间；两个电磁制动装置铁芯上沿与电磁搅拌装置铁芯下沿之间的间距L3>250mm，参见图2。

上部电磁搅拌装置4在位于结晶器宽面32铜板前沿15mm处的平均磁感应强度>0.065T，并可根据工况条件调节其大小，电磁搅拌频率介于1～6Hz之间；下部电磁制动装置的中心磁感应强度>0.3T，并可根据工况条件调节其大小。

针对不同的结晶器流场状态，上部电磁搅拌装置4也可以在局部位置添加静磁场分量，下部电磁制动装置6可以根据水口偏流的具体情况独立控制各自磁场大小、形式和位置，从而改善结晶器流场，达到提高铸坯质量的目的。

实施例

生产条件：生产拉速1.6m/s、宽度1450mm、厚度230mm的IF钢板，水口插入深度（即弯月面至水口上沿的距离）为190mm。针对这种工况条件，利用本发明的方法，同时使用电磁搅拌装置和电磁制动装置，即在结晶器上部使用电磁搅拌装置，下部使用电磁制动装置。

在结晶器宽面的一侧面，上部安装的电磁搅拌装置4的铁芯高度为150mm，安装位置位于水口出口上沿与弯月面之间，搅拌有效区域覆盖比例大于0.75。下部安装两个电磁制动装置6为一组，同侧电磁制动铁芯间距350mm，电磁制动铁芯上沿距离上部电磁搅拌铁芯下沿为260mm，电磁制动铁芯上沿距离水口出口下沿为140mm。同样，在结晶器宽面的另一侧面，上部对应安装电磁搅拌装置4，下部对应安装另一组（两个）电磁制动装置6。

生产过程中，开启上部电磁搅拌装置4，电磁搅拌频率为5Hz，电磁搅拌装置产生的行波磁场在结晶器铜板前沿15mm处平均磁感应强度达到700Gauss左右。电磁搅拌装置在结晶器内钢水中感应产生电磁力，并驱动钢水沿结晶器铜板宽面运动，位于水口出口上方的钢水由连铸结晶器的某一侧窄面沿着结晶器宽面向另一侧窄面流动，两个宽面铜板附近的钢水作相向运动，从而在水平方向上形成一个钢水环流，如图3所示。这种钢水运动可以冲刷带走凝固坯壳前沿的夹杂物和气泡，促进它们上浮至弯月面，减少了凝固坯壳中夹杂物和气泡等缺陷含量。由图3可以看出，总体上而言，搅拌所产生的钢水流动方向与水口出流钢水所产生的环流方向互不干涉，因此实际生产过程中可以获得很好的工艺稳定性。在实际生产过程中也可以根据工况条件的变化，有针对性地控制好电磁搅拌参数从而控制钢水的运动速度，最终达到理想的搅拌效果。

针对本实施例的生产条件，生产过程中，同时还需开启下部电磁制动装置6，电磁制动产生的中心磁感应强度达到3200Gauss以上。电磁制动装置的主要作用是减缓钢水流股5的流速，在本发明中一方面起到减小钢水向下冲击深度的作用。由于钢水中不可避免存在一些夹杂物和气泡，因此减小钢水冲击深度后，同样也就减小了夹杂物和气泡的冲击深度，从而有利于夹杂物和气泡的上浮，减少了它们被凝固坯壳捕获的几率，从而提高了最终连铸坯的质量。另一方面，由于电磁制动装置直接作用于水口出流钢液流股5之上，因而也可以减小上环流的钢水流速。上环流沿结晶器铜板窄面31流动至弯月面1，这一部分的钢水流动与电磁搅拌形成的钢水环流相互叠加，即由水口出流钢水引起的上环流在弯月面处由窄面流向水口方向，这一钢水流股加入到电磁搅拌形成的同方向钢水流股之中，从而造成电磁搅拌环流在整个流动路径上流速的不均匀，如图4所示。流速分布的不均匀不仅容易在弯月面处形成局部的涡流，从而引起保护渣的卷入产生卷渣等缺陷，同时这种流速的不均匀也容易在结晶器的低流速角部区域形成滞留区，产生夹杂物和气泡的聚集，不利于铸坯质量的稳定控制。通过下部电磁制动装置的作用后，可以减小上环流流速，从而可以减小或改善这种流速分布的不均匀，相比与单独采用上部电磁搅拌装置可以取得更好的冶金效果。

通过上述两种电磁场的综合作用，可以获得优质的连铸坯。

电磁搅拌/电磁制动装置作为连铸过程中提高组织性能的一个重要专备，具有非接触、无污染的优点，因而得到了广泛的应用。在结晶器内使用电磁搅拌/电磁制动的一个重要作用就是提高铸坯的表面质量，同时还可以适当提高等轴晶率。表面质量除了与浇注温度、拉坯速度、冷却强度、氩气流量等有关以外，电磁搅拌/电磁制动的使用至关重要。这是由于电磁技术可以改变钢液流速和流场范围，提高凝固坯壳均匀性，减小了夹杂物和气泡在凝固前沿被捕获的机会。因此要提高成材率，特别是对于高质量的铸坯而言，电磁技术必不可少。

以上仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围，因此，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种板坯连铸结晶器流场控制方法，其特征是：

采用电磁搅拌装置和电磁制动装置来控制板坯连铸结晶器流场，在结晶器宽面两侧的上部区域配置电磁搅拌装置，在结晶器宽面两侧的下部区域配置电磁制动装置，上部的电磁搅拌装置和下部的电磁制动装置相互独立；其中上部电磁搅拌装置安装于水口出口上沿上方至弯月面之间，下部电磁制动装置为区域性制动，分别位于水口出口两侧的水口出口下方位置，并直接作用于水口出流流股上，即作用于水口与结晶器窄面之间的水口出流流股所流经的区域；上部的电磁搅拌装置和下部的电磁制动装置分别通过两套电源供电，且分别独立控制电流强度；

所述上部电磁搅拌装置采用行波磁场形式，上部电磁搅拌装置在结晶器宽面两侧的磁场分别带动钢水作相对水平运动，上部电磁搅拌覆盖水口出口上沿至弯月面之间的区域，覆盖比例大于0.75，即上部电磁搅拌装置铁芯高度与水口出口上沿至弯月面之间的距离之间的比值大于0.75；

所述下部电磁制动装置的磁场由铁芯上绕制线圈并通直流电后产生，用于制动位于水口出口两侧的钢水流股；位于结晶器宽面同侧的两个电磁制动装置的铁芯相互连通，并构成一组电磁制动装置；同样位于结晶器宽面另一侧的两个电磁制动装置的铁芯也相互连通，并构成另一组电磁制动装置；两组电磁制动装置呈面对面布置，四个电磁制动装置形成两个垂直于板坯结晶器宽面的静磁场，该两个静磁场方向相反，并经由所述结晶器宽面两侧的铁芯形成一个磁场回路。

2.根据权利要求1所述的板坯连铸结晶器流场控制方法，其特征是：所述上部电磁搅拌装置在位于结晶器宽面铜板前沿15mm处的平均磁感应强度>0.065T，电磁搅拌频率介于1～6Hz之间。

3.根据权利要求1所述的板坯连铸结晶器流场控制方法，其特征是：所述位于结晶器宽面同侧的两个电磁制动装置位于同一水平高度，且两者的铁芯间距L1>300mm；两个电磁制动装置铁芯上沿与水口出口下沿间距L2在100mm～200mm之间；两个电磁制动装置铁芯上沿与电磁搅拌装置铁芯下沿之间的间距L3>250mm。

4.根据权利要求1所述的板坯连铸结晶器流场控制方法，其特征是：所述下部电磁制动装置的中心磁感应强度>0.3T。

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