（工程热物理专业论文）新型连铸电磁制动结晶器内磁场与流场的数值模拟.pdf

ad i s s e r t a t i o ni ne n g i n e e r i n gt h e r m o p h ys i c s n u m e r i c a ls i m u l a t i o no fm a g n e t i cf i e l da n d f l u i df l o wi nc o n t i n u o u sc a s t i n gm o l dw i t ha n e wp a t t e r ne l e c t r o m a g n e t i cb r a k e b yw a n g h a o s u p e r v i s o r ：p r o f e s s o rw a n ge n g a n g n o r t h e a s t e r nu n i v e r s i t y f e b r u a r y2 0 0 8 i 一l 独创性声明 本人声明，所呈交的学位论文是在导师的指导下完成的。论文中 取得的研究成果除加以标注和致谢的地方外，不包含其他人己经发表 或撰写过的研究成果，也不包括本人为获得其他学位而使用过的材料。 与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确 的说明并表示谢意。 学位论文作者签名：丕j 等 日 期：b 皤玉蚤92 - a f 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者和指导教师完全了解东北大学有关保留、使用学 位论文的规定：即学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的 复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人同意东北大学可以将学 位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索、交流。 ( 如作者和导师不同意网上交流，请在下方签名；否则视为同意。) 学位论文作者签名： 签字日期： 导师签名： 签字日期： i 东北大学硕士学位论文 摘要 新型连铸电磁制动结晶器内的磁场与流场数值模拟 摘要 电磁制动技术作为高拉速连铸生产的重要手段之一，可以控制连铸结 晶器内水口出流的流动行为，抑制钢液对结晶器窄面的冲击，防止漏钢， 同时，减小钢液的冲击深度，有利于夹杂物上浮，提高铸坯质量。该技术 已经在生产中得到应用。如何进一步优化电磁制动器的结构、电磁参数和 工艺参数，获得更好的冶金效果，是当今电磁冶金领域的重要研究课题。 本文提出一种新型结构的电磁制动器，并采用数值模拟方法研究了新 型电磁制动器作用下连铸结晶器内磁场和流场特征，主要完成以下方面工 作： 利用a n s y s 软件建立了描述新型电磁制动器磁场的三维数学模型，并 对其磁场进行了数值计算。数值模拟结果表明，磁场沿着磁路形成基本封 闭的回路，磁感应强度在结晶器内的宽度、厚度和高度方向上分布均匀， 仅在结晶器高度方向的磁极边缘略有减小；新型电磁制动器的磁场特性能 够满足连铸电磁制动对磁场的要求。 以稳恒磁场理论、电磁流体力学理论为基础，利用f l u e n t 软件建立了恒 稳磁场作用下连铸结晶器内钢液流动的三维数学模型，并对新型电磁制动 结晶器内的流场和磁场进行了耦合计算，研究了工艺参数( 拉坯速度、水 口浸入深度、磁感应强度) 对电磁流动控制效果的影响。数值模拟结果表 明：结晶器水口出流流股被电磁力制动，自由表面速度、湍动能明显降低， 有利于减小了卷渣现象；同时，钢液冲击窄面的速度明显减小，减弱了水 口出流对窄面的冲刷，有利于夹杂物的上浮分离。对于常规的板坯连铸工 艺，磁感应强度为0 3 丁时的电磁制动效果较好，钢液表面流速降低明显， 并且流速减小的范围加大；而当磁感应强度小于0 3 t 时，钢液表面流速却 有所增加。新型电磁制动器在选择适当的磁场参数时，能够较好的控制钢 液对结晶器窄面的冲击和自由液面的扰动。 关键词：连铸；结晶器；电磁制动；流场；磁场；数值模拟 i i ytlf，j 、， 东北大学硕士学位论文 a b s t r a c t n u m e r i c a ls i m u l a t i o no fm a g n e t i cf i e l da n df l u i df l o wi n c o n t i n u o u sc a s t i n gm o l dw i t han e wp a t t e r ne l e c t r o m a g n e t i c b r a k e a b s t r a c t t h ee l e c t r o m a g n e t i cb r a k ei so n eo ft h em o s tp r o m i s i n gm e t h o d st oe n s u ct h ec o n t i n u o u s c a s t i n gp r o d u c tu n d e r t h ec o n d i t i o no fh i g hc a s t i n gs p e e d ，i tc a nc o n t r o lt h ef l u i df l o wb e h a v i o ri n t h em o l d ，d e p r e s sm e l tf l u i di m p a c tt ot h en a r r o ws i d eo ft h em o l da n dp r e v e n tt h eb r e a k o u t m e a n w h i l e ，i t sh e l p f u lt of l o a tt h ei n c l u s i o n sa n di m p r o v et h eq u a l i t yo fp r o d u c t sb yd e c r e a s i n g t h ei m p i n g i n gd e p t h i th a sb e e na p p l i e da sam a t u r et e c h n i q u et oc o n t r o lt h ef l o wo fm e l tm e t a l i nt h em o l di nc o n t i n u o u sc a s t i n go fs t e e l h o w e v e r ，t h eo p t i m i z a t i o no fe l e c t r o m a g n e t i cb r a k e c o n f i g u r a t i o n ，e l e c t r o m a g n e t i cp a r a m e t e ma n dp r o c e s s i n gp a r a m e t e mi sm o r ei m p o r t a n ts u b j e c t t oo b t a i no p t i m a le f f e c to fe l e c t r o m a g n e t i cf l o wc o n t r 0 1 i nt h i sp a p e r , an e wp a t t e r ne l e c t r o m a g n e t i cb r a k ei s p r o p o s e da n di t s c h a r a c t e r i s t i c so f m a g n e t i cf i e l da n df l u i df l o wb e h a v i o ro fm e l ti n t h em o l dw a si n v e s t i g a t e db yn u m e r i c a l s i m u l a t i o nm e t h o d s t h em a i nr e s e a r c hw o r ka n dr e s u l t sa r ea sf o l l o w i n g ： t h et h r e e - d i m e n s i o n a lm a t h e m a t i c a lm o d e lw a se s t a b l i s h e dt od e s c r i b em a g n e t i cf i e l di nt h e c o n t i n u o u sc a s t i n gm o l dw i t he l e c t r o m a g n e t i cb r a k e t h ed i s t r i b u t i o no fm a g n e t i cf i e l dh a sb e e n s i m u l a t e dw i t ha n s y s - s o f l t h en u m e r i c a ls i m u l a t i o nr e s u l t ss h o wt h a tt h em a g n e t i cf l u xd e n s i t y f o r m sad o s e dm a g n e t i cc i r c u i ti nm a g n e tr e g i o n t h ed i s t r i b u t i o no fm a g n e t i cf i e l di su n i f o r mi n t h ed i r e c t i o no fw i d t h ，t h i c k n e s sa n dd e p t h t h em a g n e t i cf i e l dc h a r a c t e r i s t i co ft h en e wp a t t e r n e l e c t r o m a g n e t i cb r a k ec a ns a t i s f yt h er e q u i r e m e n to fc o n t i n u o u sc a s t i n ge l e c t r o m a g n e t i cb r a k e b a s e do nt h e t h e o r y o fs t a t i c m a g n e t i c f i e l da n dm a g n e t o h y d r o - d y n a m i c s ，t h e 3 d m a t h m a t i c a lm o d e lo ff l u i df l o wi nt h ec o n t i n u o u sc a s t i n gm o l dw i t he l e c t r o m a g n e t i cb r a k e w a se s t a b l i s h e db yt h ef l u e n t s o f t a p p l y i n gt h em a t h e m a t i c a lm o d e l s ，t h ec o u p l ec a l c u l a t i o no f f l u i df l o wa n dm a g n e t i cf i e l di nt h em o l du n d e rn e wp a t t e r ne l e c t r o m a g n e t i cb r a k ew a sc a r r i e d o u t ，a n dt h ei n f l u e n c eo fs e v e r a lv a r i a b l e s ，s u c ha sc a s t i n gs p e e d ，i m m e r s i o nd e p t ho fn o z z l ea n d m a g n e t i cf l u xd e n s i t y , o nt h ee f f e c to fe l e c t r o m a g n e t i cb r a k ew a ss t u d i e d t h en u m e r i c a l c a l c u l a t i o nr e s u l t sa r ea sf o l l o w i n g ：w h e nt h em a g n e t i cf i e l dw a si m p o s e d ，t h ef l u i df l o wf r o mt h e i i i 东北大学硕士学位论文 a b s t r a c t n o z z l ei sg r e a t l yb r a k e db ye l e c t r o m a g n e t i cf o r c e ，t h ef r e es u r f a c ev e l o c i t ya n dt u r b u l e n c ee n e r g y a r eo b v i o u s l yd e c r e a s e d s oi ti sh e l p f u lt or e d u c et h er o l lo ft h en o n m e t a li n c l u s i o n s m e a n w h i l e ， t h ev e l o c i t yi m p i n g i n go nt h en a r r o ws i d e so fm o l di so b v i o u s l yd e c r e a s e d ，w h i c hi sh e l p f u lt o t h ef l o a ta n dr e m o v a lo fi n c l u s i o n s f o rg e n e r a ls l a bc o n t i n u o u sc a s t i n g ，0 3 ti sa no p t i m a l m a g n e t i cf l u xd e n s i t yf o rb r a k i n ge f f e c to nt h ef l u i df l o w ，a n dt h ef r e es u r f a c ev e l o c i t yi sg r e a t l y r e d u c e d h o w e v e r , t h ef r e es u r f a c ev e l o c i t yw i l li n c r e a s ew h e nt h em a g n e t i cf l u xd e n s i t yl e s s t h a no 3 t t h en e wp a t t e me l e c t r o m a g n e t i cb r a k ew i l lc o n t r o lt h ef l u c t u a t i o no ff r e es u r f a c ea n d t h ei m p i n g i n go nt h en a r r o ws i d e so fm o l dw i t ht h er e a s o n a b l em a g n e t i cf i e l dp a r a m e t e r s k e y w o r d s ：c o n t i n u o u sc a s t i n g ；m o l d ；e l e c t r o m a g n e t i cb r a k e ；f l u i df l o w ；m a g n e t i cf i e l d ； n u m e r i c a ls i m u l a t i o n i v n口 东北大学硕士学位论文 目录 目录 独创性声明1 摘要1 l a b s t r a c t i l l 目录一v 第一章绪论1 1 1 电磁冶金技术的发展应用概况1 1 1 1 电磁冶金技术的发展2 1 1 2 电磁冶金技术的应用2 1 2 电磁制动技术3 1 2 1 电磁制动技术研发背景与工作原理3 1 2 2 电磁制动技术发展历程及研究现状一4 1 2 3 电磁制动的新用途7 1 3 电磁制动技术在冶金应用上的效果9 1 4 连铸过程流场的数值模拟1 0 1 4 1 流场数值模拟的发展11 1 4 2 流场的数值模拟计算方法1 2 1 5 本论文研究的内容及意义1 3 第二章数学模型及控制方程1 5 2 1 前言1 5 2 2 控制方程1 6 2 2 1 磁场计算控制方程1 6 2 2 2 磁场与流场耦合控制方程1 9 2 3 数学模型的建立2 2 2 3 1 磁场计算区域和边界条件2 2 2 3 2 流场计算边界条件2 2 2 3 3 基本假设条件2 3 2 3 4 计算参数。2 3 v 东北大学硕士学位论文目录 第三章新型电磁制动器磁场的数值模拟2 5 3 1 引言2 5 3 2 新型电磁制动器的结构特点2 5 3 3 新型电磁制动器冶金效果2 7 3 4 新型电磁制动器磁场的数值模拟结果2 7 3 4 1 新型电磁制动器内磁场分布2 7 3 4 2 连铸结晶器内的磁场分布2 9 3 5 本章小结3 1 第四章新型电磁制动结晶器内三维流场的数值模拟3 2 4 1 引言3 2 4 2 结晶器内三维流场的数值模拟结果与分析。3 3 4 2 1 无磁场时板坯连铸结晶器内钢液的流动特性3 3 4 2 1 1 不同水口浸入深度下结晶器内的钢液流动。3 5 4 2 1 2 不同拉坯速度下结晶器内的钢液流动3 7 4 2 2 施加磁场时板坯连铸结晶器内钢液的流动特性。4 0 4 2 2 1 不同磁感应强度下结晶器内的钢液流动4 3 4 2 2 2 不同拉坯速度下结晶器内的钢液流动4 5 4 2 2 3 不同浸入深度下结晶器内的钢液流动4 7 4 3 本章小结5 0 第五章结论5 1 参考文献5 3 致谢5 6 作者简介5 7 v 1 东北大学硕士学位论文 第一章绪论 第一章绪论 板坯连铸连轧技术是二十世纪八十年代末世界钢铁工业发展的一项重大技 术，它的开发成功是“近终形”浇铸技术的重大突破。由于板坯连铸工艺具有节 约能源、流程短、设备少、投资省成材率高、生产成本低、产品质量好、品种开 发潜力大、经济效益十分明显等突出优点，因而成为国际上竟相开发的重大工艺 技术。其中，薄板坯连铸连轧技术自开发成功以来，发展势头最为迅猛，到2 0 0 4 年底世界上已有4 0 多家钢铁生产企业建成了薄板坯连铸连轧生产线，总生产能 力已超过6 0 0 0 万吨年。预计到2 0 1 0 年，全世界可能建成7 5 个薄板坯连铸连轧 工厂，总生产能力将达1 1 9 亿吨年，即全球5 0 左右的热轧卷板将由薄板坯连 铸连轧机组生产。因此薄板坯连铸连轧技术最终必将对整个钢铁工业产生重大影 响【1 1 缘 然而提高连铸机拉速是钢铁界不断追求的目标，但是伴随着连铸机拉速的提 高，结晶器液面波动加剧，容易产生表面卷渣，造成铸坯质量恶化。电磁制动作 为一项比较成熟的电磁技术，由磁场对浇铸钢水流动的控制使得钢水液池表面的 平稳以及使钢水液池中的涡流减少，即能够有效地控制结晶器内钢液流动，抑制 表面波动，又能够促进夹杂物的上浮，从而达到均匀浇铸钢坯和净化钢液的目的， 为提高铸坯质量和产量提供了有力的保证。 “ 1 1 电磁冶金技术的发展应用概况 连续铸造技术取代模铸法是冶金工业的一次深刻的技术革命，它不仅实现了 铸造生产的机械化与自动化，提高了生产效率，而且减少了能源的消耗和材料的 浪费，使连铸坯的冶金质量和产品性能得到很大的提高。当前，连铸技术正朝着 高效连铸、近终形连铸以及铸压轧技术等方向发展1 2 1 ，而且随着国际市场和国内 市场的激烈竞争，对连铸坯的冶金质量和连铸生产的控制技术都提出了很高的要 求。 随着磁流体力学( m a g n e t o h y d r o d y n a m i c s ，简称m h d ) 在冶金工业中应用的 不断深入，在连铸过程中通过施加电磁场来改善连铸坯质量的电磁连铸技术得到 了很大的发展。电磁技术主要是通过外加电磁场对金属液和坯壳的作用，产生感 应电流，使载流液体受到电磁力的作用后，能够获得合理的流动状态并且改善坯 壳的受力。电磁技术在连铸中的应用主要包括软接触( s o f tc o n t a c t ) ：电磁搅拌 东北大学硕士学位论文第一章绪论 ( e l e c t r o m a g n e t i cs t i r r i n g ，简称e m s ) ；电磁制动( e l e c t r o m a g n e t i cb r a k e ，简称 e m b r ) 等几项技术。 1 1 1 电磁冶金技术的发展 电磁技术是伴随着m h d 在冶金工业中的应用而发展起来的。早在1 8 3 1 年法拉 第( f a r a d a y ) 就研究了强度随时间变化的磁场里的电路中电流行为，后人总结法拉 第的发现得出这样一个推论，即：在盛有熔融金属的包或模壁外围线圈中有电流 通过时，电流将感生一个电磁力场，而作为导体的熔融金属，将在这一电磁力的 作用下流动p j 。这就是感应搅拌和感应熔炼的原理。研究电磁和流体流动之间相 互关系的科学，被称为磁流体动力学，该理论的系统发展和广泛应用则是从2 0 世 纪6 0 年代开始的。1 9 6 1 年l a n g e n b e r g 发现，在交变电磁场中凝固钢锭，晶粒可以 细化，这促使p o p p m e i e r 等人把电磁搅拌技术应用到钢的连铸生产中1 4 。由于熔融 金属是良好的导电体，在磁场和电流的作用下，金属熔体内部产生电磁力，利用 电磁力就可以对熔融金属进行非接触性搅拌、传输和形状控制。同时，电磁场还 具有能量的高密度性和清洁性，优越的响应性和可控性，易于自动化以及能量利 用率高等特点，因此，在冶金工业中得到了广泛的应用。 前苏联最早将电磁场的加热功能和电磁约束功能应用到金属加工领域， g e t s e l e v 等人在1 9 6 9 年申请了铝的无模电磁铸造技术专利，并且由瑞士的 a l u s u i s s e 公司1 9 7 8 年把这项技术商业化【5 j 。此外，a s e a s k f 公司也由于运用电 磁流体力学理论开发出连铸电磁搅拌装置而受到世人的瞩目 3 1 。1 9 8 2 年在英国剑 桥大学，由国际理论力学和应用力学协会( i u t a m ) 首次召开了磁流体力学在冶金 工业中应用的国际会议，标志着电磁冶金技术己在国际学术界引起重视【6 】。1 9 9 0 年在日本召开了第一届材料电磁冶金国际会议，会议上首次提出材料电磁加工 ( e l e c t r o m a g n e t i cp r o c e s s i n go fm a t e r i a l s ，简称e p m ) 这个术语，标志着e p m 时代的 真正到来。此后，每三年召开一届e p m 国际学术会议，2 0 0 6 年1 0 月在日本仙台召 开第五届e p m 国际学术会议标志材料电磁加工技术已成为材料科学和制备领域内 的重要研究方向，它己经从开始阶段的改进传统工艺，发展成为开发新材料、新 工艺的源泉。 1 1 2 电磁冶金技术的应用 材料电磁加工使用的电磁场主要有以下几种【7 】： 1 传统线圈产生的普通强度的直流磁场。主要用于控制液体金属的流动，例如， 东北大学硕士学位论文第一章绪论 作为电磁制动抑制铸型内钢液的流动、抑制中间包内钢液的湍流等；作为电 磁“坝 用于薄带连铸的侧封等，改善冶金质量。 2 超导线圈产生的高强度的直流磁场。主要用于控制液体金属的流动，例如， 作为电磁制动抑制连铸、特别是高速连铸时铸型内钢液的流动、控制液体金 属的形核、生长等凝固过程，开发新材料。 3 频率从几赫兹到数十兆赫兹的交流磁场。交流磁场是材料加工过程中应用最 广泛的一种磁场，可以通过磁场频率的选择，将其应用于感应加热、电磁搅 拌、电磁加压、电磁传输等工艺过程，是控制液体金属传输的有力手段。 4 其他特殊磁场，例如，移动磁场、脉冲磁场、变幅磁场等。主要用于高效、 节能等新技术工艺的开发。 上述各种磁场不仅可以单独使用，还可以几种磁场同时用于某一材料加工过 程。现在制钢的每一环节，如熔化、精炼、铸造、轧制等几乎都应用了电磁场。 1 2 电磁制动技术 1 2 1 电磁制动技术研发背景与工作原理 针对连铸过程中存在的问题，七十年代以来，应用电磁技术改善冶金过程条 件，特别是改善结晶器冶金过程条件，提高产品质量，已成为连铸技术发展的主 要趋势之一。 孙 在连铸过程中，钢坯的缺陷与结晶器中钢液的流动有很大关系。为了提高板 坯的质量和产量，作为制造高质量板坏的关键技术之一一一电磁制动技术越来越 得到广泛的关注。 在连铸过程中，提高铸速是提高产量的重要手段。随着铸速的提高，从水口 出流处的钢液速度大，钢液射流夹带非金属夹杂物首先冲击结晶器窄面的凝固壳， 高温液流容易导致凝固壳的重熔，甚至产生拉漏现象，并且促进了凝固壳对夹杂 物的捕获。另外，钢液从水口处出来以后，形成上、下两个回流区，其中，在上 回流区弯月面处速度较大的钢液夹带着保护渣，易造成卷渣事故，下回流区较大， 穿透深度大，导致大量非金属夹杂物随着钢液的流动输运至板坯内部而不易上浮， 形成内部缺陷，随着拉速的增大，更有恶化的趋势。另外，由于存在着较大的温 度梯度，易形成发达的柱状晶，而不利于等轴晶的形成。 电磁制动技术( e l e c t r o m a g n e t i cb r a k e ( e m b r ) ) 的基本原理如图1 1 1 8 j 所示。 在水口区域设置与水口出流垂直的稳恒磁场，当液态金属切割磁力线运动时，根 东北大学硕士学位论文第一章绪论 据欧姆定律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。电 磁制动对结晶器中流体流动的影响概括为对结晶器中钢液的两个主要循环流的抑 制，通过对循环流的抑制可获得如下的优点：减少了内部和皮下夹杂物，消除了 保护渣的卷渣，减少了纵向和横向裂纹，减小了弯月面处的动压和静压波，增加 了弯月面处的温度，消除了窄面处的重熔等【9 l 。 c o n v e n t i o n a l mb 只 图1 1 电磁制动原理图【9 】 f i g 1 1t h ep r i n c i p l eo fe l e c t r o m a g n e t i cb r a k e 1 2 2 电磁制动技术发展历程及研究现状 电磁制动( e m b r ) 这一技术及名词是由s k o l l e r g 在1 9 8 2 年英国伦敦举行的 第四届国际钢铁会议上最先提出的【1 0 j 。它是日本川崎制铁公司( k a w a s a k is t e e l c o r p o r a t i o n ) 和瑞典a s e a 公司共同联合开发的，并在k a w a s a k i $ 0 铁公司o k a y a m a 钢铁厂的5 号板坯连铸机上进行了试验，接着又将这项技术应用于k a w a s a k i 公司其 它的连铸机上，收到了良好的冶金效果。 电磁制动的发展经过了区域型电磁制动、单条型电磁制动和流动控制结晶器 4 东北大学硕士学位论文 第一章绪论 三代技术革新。 第一代电磁制动装置结构较小，如图1 2 所示，只有两对磁极头作用在靠近浸 入式水口的局部区域，主要用来抑制出水口的射流深度并减少液面保护渣的卷入 结果表明【1 1 l ：出水口的射流深度可以减少到5 0 ；弯月面以下液体金属的温度升 高5 1 0 。但是，当制动器功率很高时，会导致钢液流动缓慢，此外铸型中心零 磁场区会形成单一的主流区，不利于夹杂物的去除，尤其在薄板坯的情况下，可 能会增加保护渣的卷入和非金属夹杂物的增多。 e m brf + ) 图1 2 区域型电磁制动 f i g 1 2s c h e m a t i cv i e wo ft h el o c a l i z e dm a g n e t i cf i e l d s 九十年代初，e m b r 技术逐渐从局部磁场发展成覆盖整个板坯宽度的磁场。 新一代的电磁制动装置不受不同铸造条件的影响，又可以分为全副一段磁场、全 副二段磁场及全副三段磁场。 1 9 9 1 年，法国索拉克( s o lla c ) 公司和荷兰霍尔戈文( h o o g o v e n s ) 钢铁公司【1 2 l 成为e m b r 技术在欧洲第一批用户，他们在板坯铸型整个宽面的外侧施加一对水 平电磁场，见图1 3 所示，电磁制动效果更好。弯月面的流动情况受到板坏尺寸、 浇注速度和浸入式水口的结构等因素影响，当施加电磁制动后，通常可以减轻弯 月面的波动。但是如果磁场强度太大，可能会使靠近板坯窄面的金属液流动停滞， 在这种情况下，需要采取一定的措施，如减小磁场强度，增加拉坯速度，或者减 小浸入式水口的出流量等。 到目前，e m b r 技术己经扩展到多区甚至覆盖整个铸型宽面的电磁制动，且 称之为第三代电磁制动技术。其中，双条形电磁制动又称为f c m o l d ( f l o wc o n t r o l m o l d ) ( 如图1 4 ) 应用最为广泛，它是由日本的k a w a s a k i $ 0 铁公司发明的l ”l 。 东北大学硕士学位论文第一章绪论 f c m o l d 是在铸坯宽度方向上施加上下两个水平电磁场，一个在弯月面区域，主 要使弯月面的流动稳定；而另一个在出水口附近，主要用来抑制出水口处的流动。 e m b rr u l e r 图1 3 水平磁场电磁制动 f i g 1 3s c h e m a t i cv i e wo ft h el e v e lm a g n e t i cf i e l d s 图1 4 流动控制结晶器 、 f i g 1 4s c h e m a t i cv i e wo ft h ef cm o l d 国外对电磁制动技术研究较早，也已进行了广泛的生产应用。国内起步相对 较晚，但近年来也开展了大量的工作。贾广霖、高允彦在东北大学建立了第一座 板坯电磁制动热模拟实验台，研究了l m f 型磁场的分布规律和冶金效果，并成功 地拉出了长达2 m 的内外质量良好的低熔点p b s n b i 合金坯。在此基础上，李宝宽 用m h d 理论对薄板坯的e m b r 技术进行了专门研究i l4 1 。周波、干勇等首先测量了 铸型空载时内腔的磁感应强度，由测量结果分析了二维薄板坯连铸铸型内的流场 东北大学硕士学位论文 第一章绪论 变化【1 5 1 。 由于电磁制动技术在工业中的应用时间还不太长，特别是在理论上对其作用 机理不很清楚，还需要进一步地分析和研究，目前研究的主要手段是利用大容量 高速计算机对连铸铸型流动过程进行数值模拟。 据目前研究的理论分析和实验都证明了流动控制结晶器可以充分地控制结晶 器内钢液流动的形态。达到减轻钢液对坯壳的冲击、减少下降流穿入深度以及抑 制液面波动的效果。目前，结晶器电磁制动技术有两种形式，一种是瑞典a b b 公 司开发的e m b r ，另一种是日本川崎开发的f c m o l d 。前者在水口出口处对钢水施 加反向力，但这种形式控制夹杂物上浮和弯月面波动有相互矛盾之处，而且若电 磁制动过强，会使弯月面钢水流动过缓，而出现结壳现象，导致保护渣熔化不良 及铸坯表面震痕过深。后者将电磁场分为上、下两部分布置，分别置于水口出口的 上面和下面。下部电磁场控制钢水的下冲，促使夹杂物上浮，上部电磁场控制钢 水的上冲，控制结晶器弯月面的波动。实现既促进夹杂物上浮又控制弯月面波动。 在这种形式中如果上部电磁场过强，夹杂物会被坯壳内表面扑捉，导致坯壳下夹 杂物增加，但由于上、下电磁场可单独调整，很容易避免上述问题。一般讲，对一 定拉速，上部磁场有一个合理取值，下部磁场越大越好。从工艺效果讲f c m o l d 更 佳。 1 2 3 电磁制动的新用途 双金属复合材料的连续铸造方法有很多，如复合线材的铸拉工艺，c p c 法制 造复合轧辊，反向凝固及包覆层连铸工艺，双结晶器连铸工艺等i l6 1 。但这些方法 都是将母材经过特殊处理后，通过扩散与另一种金属熔合形成整体铸件，由于要 实现固液结合，所以界面问题一直就是困绕此类工艺方法的难点。要使材料内部 与外部具有不同的性能，最理想的办法是在铸造条件下就直接使得合金成分随铸 件截面按要求分布。目前，有两种工艺可以实现在铸造条件下直接生产双金属复 层材料。 一种是设计复杂的浇注系统和铸型，其工艺原理如图1 5 所示。用双流浇注半 连续铸造工艺生产梯度材料的基本原理是【16 l ；在传统的连续铸造基础上增加一个 内浇包及其导流系统，内、外浇包分别浇注不同成分的金属液，外浇包里的金属 液从出水口直接流入铸型，受激冷而首先凝固成具有一定厚度的薄壳，当内浇包 的金属液脱离内导管口时则被凝固薄壳和富含籽晶和熔断枝晶的残余外部金属液 包围。通过调整铸造工艺参数，控制内外浇包中两种液体的凝固时间差，促进铸 东北大学硕士学位论文第一章绪论 型内的液体金属由外向内顺序凝固，实现两种液体的部分混合。 热电偶 内层金属 外层金属 内蟹管 控流蜩门 石墨铸型 图1 5 连续铸造制备梯度材料原理图 f i g 1 5t h e o r e t i cd i a g r a mo fc o n t i n u o u s l yc a s t i n gc l a ds l a b 由于上述工艺要求严格的控制两种金属液的流速，所以操作起来比较困难， 下面是一种更为简单的方法，即在连铸过程中使用电磁制动技术，其工艺原理如 图1 6 所示。它利用在铸型宽度方向上的水平磁场l m f ( l e v e lm a g n e t i cf i e l d ) ，通 过磁场对流动粒子产生的洛仑兹力对金属液流动施加作用，阻止两种金属液的混 合，从而在连铸过程中形成界面清楚的复合钢坯。水平磁场安装在铸型的下半部 分，两种不同化学成分的液态金属同步地通过长型和短型浸入式水口进入铸型， 使铸型内形成上下两个区域。在拉坯过程中，上层区域中的金属液形成外层金属， 而下层区域的金属液进入芯部成为内层金属。通过控制磁场强度、拉坯速度以及 两种金属液浇注速度，保证得到稳定的外层金属的厚度和均匀的组织性能。 在9 0 年代中期，日本学者t a k e u c h i 等【r 7 】用三维磁流体力学模型证实了电磁场 对上下层液体金属流动的制约作用，即电磁场作用将铸型分为上下两个熔池，解 决了两种金属液的混合问题，并成功地生产出了内外层界面清晰的不锈钢和碳钢 复层材料。利用电磁制动技术生产双金属复层材料是一种新型的非常先进的制造 复合材料的方法。但是，它对设备制造、工艺水平、操作技能及自动化控制均有 较高的要求，特别是控制浇注速度，使两种金属界面结合良好且界面稳定是比较 严格的。 电磁制动制备双金属复层材料是一种新的电磁加工技术和复合材料的制备方 东北大学硕士学位论文 ? 第一章绪论 法，由于实现了直接液液结合，从而根本上解决了界面结合的问题。 合金液1 合金液2 图1 6 电磁制动制备双金属复层材料工艺原理图 f i g 1 6t e c h n i c a ld i a g r a mo fc a s t i n gc l a ds l a bw i t he m b r 1 3 电磁制动技术在冶金应用上的效果 在板坯连铸中，随着拉坯速度的提高，从浸入式水口喷出的钢流流速增天， 使得铸型内产生强烈的湍流，同时弯月面波动也比较剧烈，容易使夹杂物卷入， 而且出水口的射流对铸型的窄面的冲击也很大，有可能使初生凝固壳发生重熔。 而且，出水口出流流股穿透深度增大后，夹杂物不易上浮，而形成夹杂缺陷。 针对上述问题，电磁制动具有如下优点： 1 抑制了水口出流对铸坯窄面凝固壳的冲击，减少了拉漏事故的发生，缩 短了下返流的冲击深度，在水口下方形成活塞流( 间歇性和不确定性) ，有利于非 金属夹杂物和气泡的上浮，从而改善铸坯的内部质量。 2 钢液上返流对液面的冲击减弱，液面波动幅度下降。这些，对于抑制卷 渣、提高铸坯表面质量起到积极作用：对水口偏流的影响也具有抑制作用。 3 由于熔钢浸入深度的减小，促进了结晶器上部的热交换，使弯月面区域 的钢液温度升高，从而有利于低过热度浇铸的施行和铸坯中心的等轴晶比率的提 高。 东北大学硕士学位论文 第一章绪论 4 提高弯月面下钢水温度，使保护渣熔融充分，增加保护渣的流动性；减少了 弯月面以下金属液体的流速，降低了弯月面的波动高度，防止保护渣等夹杂物被 卷入金属液内部，有利于消除夹杂缺陷，减少表面裂纹，改善连铸坯的表面质量。 5 e m b r 还具有良好的抑制混合功能。在不同钢种的连铸生产中，e m b r 缩 短了铸坯混合段的长度，提高了金属的收得率。 其电磁制动各工艺参数的期望值见表1 - 1 。 表1 1 电磁制动工艺参数的期望值1 1 8 l t a b l e1 - 1e x p e c t a t i o no ft e c h n o l o g yp a r a m e t e r so fe m b r 1 8 1 连铸坯的表面和内部缺陷与铸型内的流动情况密切相关，从浸入式水口出流 的液体金属对铸型的窄面具有冲刷作用，并将非金属夹杂物及气泡卷入，造成连 铸坯的内部缺陷。同时，弯月面的流动不稳定也会将保护渣卷入铸型内，从而降 低连铸坯的冶金质量。这些现象在高速连铸的情况下尤为显著，严重地恶化了连 铸坯的质量。因此，如何改善铸型内的流动状态成为提高连铸坯的内外质量和生 产率的核心环节。电磁制动技术的应用己有好多年，己经成为连铸生产中改善连 铸坯的质量和提高连铸产量的重要途径。 1 4 连铸过程流场的数值模拟 流动现象广泛地存在于冶金工业的生产过程中，在流动中还常常耦合传热、 传质、化学反应、燃烧、辐射等诸多过程，形成了更为复杂的自然现象。为了促 进产品质量的改进和产量提高，人们投入了大量人力、物力和财力去研究工业炉 中的流动及与其相关的各种现象。 连铸过程计算机模拟仿真是学科发展的前沿领域，是改造传统铸造产业的必 由之路，也是当今世界各国专家关注的热点。铸坯凝固过程的数值模拟可以帮助 工程技术人员优化工艺设计，缩短产品试制周期，降低生产成本，确保铸件质量， 所以成为铸造领域最热门的研究课题之一。目前，凝固过程的温度场数值模拟及 1 0 东北大学硕士学位论文第一章绪论 l 二 。毫 缩孔缩松的预测已经成功地应用于生产实践中，在流场模拟、应力分析、微观组 织模拟等方面的基础研究及实用化进程方面也取得了很大进展。 由于连铸过程中金属液流动的复杂性和建立模型的难度，流场数值模拟的发 展比较晚。但是温度场计算、组织模拟和应力分析都需要在已知液体速度分布的 前提下考虑才符合实际，而且许多铸造缺陷，如冷隔、浇不足、冲砂、卷气、裂 纹、缩孔( 松) 等，也都与金属液流动情况密切相关。所以流场模拟是铸造过程计 算机仿真的“瓶颈一，随着湍流理论的完善和发展，描述流场的湍流模型的改进， 流动情况的确定，铸造过程的模拟将会进入崭新的发展阶段。 1 4 1 流场数值模拟的发展 八十年代初，台湾学者黄文星在美国匹兹堡大学与s t o e h rr a 教授一起首先 将流体