方坯连铸结晶器电磁搅拌参数的优化

1、方坯连铸结晶器电磁搅拌参数的优化毛斌 李晋 杨劲松(中冶连铸北京冶金技术研究院)Optimization of Mold Electromagnetic stirring parametersFor Billet Continuous CastingMao Bin Li Jin Yang jinsong(Beijing Metallurgical Technology Institute CCTEC)摘要：过去对方坯连铸MEMS的认识存在两个误区，一是认为MEMS只改善铸坯表面质量和增加等轴晶率，而 对中心偏析作用不大；二是认为搅拌强度往往指馈给搅拌器的电流强度。本文通过对搅拌速度的估算、结晶

2、器尺寸 和浇铸参数对搅拌速度的影响以及MEMS对中心偏析的影响的诠释，指出：MEMS不仅能改善铸坯表面和皮下质量及获 得大的等轴晶率，而且也能显著地改善中心偏析，关键是要调整好MEMS的参数，使之能获得足够大的搅拌强度进而 搅拌速度。关键词：方坯MEMS参数优化Abstract: In the past ,there are two misunderstandings on Mold Electromagnetic stirring For Billet Continuous Casting. The one is that MEMS only improves on surface qual

3、ity and increases the rate of equiaxed grain, but do not work on the center-segregation; the other one is that stirring intensity always refers to the electrical current fed back to the stirrer. The evaluation of stirring velocity, the mold size and casting parameters affect on the stirring velocity

4、, and MEMS affects on the center-precipitation, all of these are explained in this paper. At last, the conclusion shows that MEMS not only improves on surface, subsurface quality and increases the rate of equiaxed grain, but also decreases the center-segregation remarkably, and the key point is that

5、 the parameters should be adjusted properly in order to get the big stirring intensity.Key words: billet MEMS parameter Optimize1 .问题的提出在以往方坯连铸MEMS实践中，有两个认识误区：一个误区是，MEMS只改善铸坯表面质量和增加等轴晶率，而 对中心偏析作用不大。而近年来MEMS的实践表明，MEMS既能改善铸坯表面质量又能改善内部质量，特别是中心偏析， 关键是要有足够大的搅拌强度即搅拌速度。但是，搅拌强度的调控受到两个因素的制约：要获得最大等轴晶率只要适中的搅拌强

6、度；而要获得低的中心偏析，要求比获得最大等轴晶率高得多的搅拌 强度，见图1和2。这一要求对小断面、高拉速和高过热度的浇注200300400385/165 DualCoH电流强度/A图2中心偏析与电流强度的关系图1等轴晶区与电流强度的关系特别重要！为了获得铸坯表面和皮下的高清洁度，要求弯月面下有一定的流速，既不能太快也不能太慢，使铸坯表面和 皮下的夹杂物最少，见图3。& 慢 _ 一快在弯月面处伍德合金速度图3铸坯表面夹杂物指标与流速的关系由上可述，其核心问题是，如何在强搅拌下保持弯月面的稳定。另一个误区是，说到搅拌强度往往意指馈给搅拌器的电流强度。电流强度虽是EMS的一个测度，但它仅对一台 特定

7、的EMS是合理的；对不同EMS工况则不尽合理。由电磁搅拌作用原理可知，钢水中感生的电磁力矩推动钢水的 运动，因此，对不同的EMS工况，搅拌速度是搅拌强度的唯一测度。由此可风，对不同EMS工况，电磁搅拌参数的 优化，归结为建立EMS参数、浇注参数与搅拌速度之间的关系。根据实践经验，要获得最大等轴晶率，MEMS的搅拌速度大致在0.30.6m/s；要使中心偏析有较大改善，MEMS 的搅拌速度大致在0.31.0m/s。2 .搅拌速度的估计搅拌速度的估计有多种方法，下面两种方法虽较粗糙但比较实用。1搅拌速度的经验公式由T Takahashi等根据实验结果导出的枝晶倾角与流速的关系是9 = 22.49 U

8、 -。.177 lg(3.72 x 10 - 3 U E V)(1)其中 0 枝晶倾角，； V凝固速度，cm/s； U流动速度，cm/s；b 坯壳厚度，mm； k凝固系数，mm/min1/2t凝固时间，min。2. 2搅拌速度的解析表达式此表达式由P A Davidson等导出的其中考虑了水口吐出流和电磁搅拌诱起的流动等影响，并与一些实验结 果吻合得很好。对于圆断面，钢水旋转搅拌的角速度为r11 厂0)2十Vc1 a rQ)-N = 0)+ C20 L f1J 1J+ NL 2L(3)其中 Q 钢水旋转角速度，1/s； L搅拌器铁芯高度，m； r一液芯半径，m；=2兀f磁场旋转角速度，1/s；

9、 f电源频率，1/s； Vc浇铸速度，m/min； TOC o 1-5 h z C 凝固面摩阻系数；N =鱼磁相互作用参数，定义为电磁力与惯性力之比；a 钢水电导率， f4加s/m； f冈水密度，kg/m3； B磁感应强度，T。钢水旋转的线速度V =Q r(4)9对方断面： HYPERLINK l bookmark27 o Current Document U = 0.66 V 0(5)关于凝固面的摩阻系数，可以用通常湍流边界层表达式给出，即C = 0.052 Zt5(6)r = V9r(7)其中 r 角动量，m2/s； y 钢水的运动粘性系数，m2/s。由于铸坯的凝固过程是非平面的，柱状晶在

10、凝固面上的生长是参差不齐的，典型的粗糙度是1mm，这可以看成 与普通水力学管道中的壁面状况相比拟。因此，借用普通水力学管道中的局部摩阻系数的经验公式成为可能。沿搅 拌器有效作用长度L上的平均摩阻系数为：re、-2.5(8)(9)=1.89 1.62lg 一IL J凝固面的粗糙度系数为 = 0.056 Ad其中 A d 凝固面上枝晶生长差异的粗糙度，其典型值为1mm。最佳频率讨论此问题的实际意义在于：恰当选择电源频率，使电磁力矩达到尽可能大的值，从而能有效地减小所需功率， 这对MEMS的经济运行是很重要的！由MHD分析可知，在钢水中感生的电磁力矩随频率的变化不是单调的而是有个幅值，相应地有个最佳

11、频率ff 它与结晶器的断面、铜管的壁厚和电导率等有关，也与钢水的特性有关。图4表示在不变的电源强度下，搅拌力矩与频率、结晶器断面和铜管壁厚的关系。由图可见：结晶器尺寸越大、铜管越厚，最佳频率fof单调地减小；-Sq100-Cu8.5 Sq130qj11 Sq160Cu13 Sq200Cu16图4搅拌力矩与频率、结晶器尺寸和铜管壁厚的关系最大电磁力随结晶器尺寸、铜管厚度的增加而增大，但较平缓；最佳频率的左侧，曲线较陡，而右侧较平缓，考虑实际因素的影响，通常使用频率选在最佳频率的右侧。理论分析表明，钢水的电导率和流速对最大电磁力的量值有较大影响，而对最佳频率影响不大。结晶器尺寸和浇铸参数对搅拌速度

12、的影响4. 1结晶器尺寸和电导率对搅拌速度的影响图5表示在Bj常数下，结晶器尺寸对搅拌速度的影响。由图可见:搅拌速度随结晶器尺寸增大而下降；角速度的下降速度要比切向速度快得多。图6表示结晶器电导率对搅拌速度的影响。由图可见:低电导率下的搅拌速度比高电导率的高得多；对同一结晶器尺寸，低电导率下的搅拌速度约比高电导率的增大23%。图5搅拌速度与结晶器尺寸的关系图6结晶器电导率对搅拌速度的影响图7浇铸速度对搅拌速度的影响4. 2浇铸速度对搅拌速度的影响图7表示浇铸速度和电流强度对搅拌速度的影响，由图可见:搅拌速度随浇铸速度提高而降低，但变化趋势较平缓；搅拌速度随电流强度减小而降低，其影响较大。由此可

13、见，相对电流强度，浇铸速度对搅拌速度的影响要小得多。值得提出的是，浇铸速度和电流强度（磁感应强度）的影响可以用公 式（3）计算。图8不同钢种的搅拌3钢种对搅拌速度的影响不同钢种的物性系数如电导率、粘性等有所不同，在相同的磁感应强度下，搅拌速度也不同。图8表示不同钢 种的搅拌速度与磁感应强度的关系。由图可见：搅拌强度与磁感应强度大体成比例增加；对碳钢而言，随碳含量增加，搅拌速度略为减小；不锈钢的搅拌速度约为碳钢的60%。搅拌速度的控制结晶器内搅拌速度的控制基于两个事实：为了获得高碳钢和高合金钢良好的内部质量，结晶器内需要强的搅拌速度，这导致弯月面附近的过强搅拌， 引起铸坯表面缺陷。浇注方式不同，

14、对弯月面附近搅拌速度的要求也有所不同，对定径水口的敞开浇注，要求高的搅拌速度，而 对SEN的保护浇注要求低的搅拌速度。图9表示不同结晶器构形的搅拌器中心平面和弯月面处的搅拌速度与MEMS电流强度之间的关系。由图可见：无论是圆或方结晶器，在搅拌器中心平面处的搅拌速度比弯月面处的要大得多；圆结晶器由于无角部且长度较短，其弯月面处的搅拌速度比弯月面的更大；随电流强度的增加，搅拌器中心平面的搅拌速度与弯月面处的差别更大；对SEN保护浇注，方结晶器弯月面处的角速度在大多数情况下不超过5转/秒；而对定径水口敞开浇注则在8 9转/秒。MEMS对中心偏析的影响早期的实验研究和工业实践已经证明：中心偏析与等轴晶

15、率特别是细等轴晶有相当强的关系；搅拌速度是决定等轴晶区大小和晶粒细化的关键因素。近期的实验研究和工业实践更进一步证明：达到最大等轴晶率只需要比较适中的搅拌强度（搅拌速度），见图1；为使高碳钢中心偏析显著减小，搅拌强度必须超过获得最大等轴晶区所需的最小值。当搅拌强度（搅拌速度） 超过某个最小值之后，晶粒尺寸随搅拌强度的增加而急剧减小，见图10。由冶金机理可知，大量的细等轴晶沉降而充满粥状区，阻断了柱状晶向中心生长，从而避免因凝固搭桥产生的 中心缩孔和中心偏析；也阻碍了钢水在柱状晶间的渗透和偏析槽的形成，从而消除了V形偏析。中心偏析由下列几个参数作为表征:0.00.51.01.52.02 5搅拌速度m/s图10晶粒尺寸与搅拌速度的关系平均碳偏析率K。平均碳偏析率时标准偏差St. Dev。中心碳偏析率的展宽，即（K -K ） /K。图2、图11和图12分别表示在mMEMSn作用下，平均碳偏析率和平均碳偏析率的标准偏差及中心碳偏析率的展宽