关键词：电磁制动；数学模拟

    20世纪80年代，瑞典的ASEA公司与日本的川崎钢铁公司联合开发了板坯结晶器电磁制动技术，并在川崎钢铁公司的水岛钢铁厂进行了试验，取得了较好的效果。随着对电磁制动原理的理解及电磁制动应用技术的开发，近20年来开发的各种型式的电磁制动技术，可使电磁制动器产生的水平直流磁场覆盖在整个铸流宽度上，控制结晶器内钢水的流动形态，使弯月面附近钢水的流速降低并使其流速波动变小，注流冲击深度降低50％，冲击深度的降低也有利于非金属夹杂物向液面分离，相应的夹杂物和结晶器保护渣的卷入减少的效果可在板坯表面以下夹杂物聚集区反映出来，电磁制动技术成为高速连铸的重要技术手段。随着电磁制动技术在板坯连铸的应用不断成熟，近些年来，在薄板坯结晶器采用电磁制动技术取得了一定的成果。

众所周知，CSP拉速比常规板坯高很多(4～6m／min)，使得结晶器内的钢液产生剧烈的湍流，液面波动剧烈，易产生卷渣现象，也促进凝固壳对夹杂物的捕获；结晶器断面小，钢水流动强度比传统板坯结晶器大3～4倍；CSP结晶器液面波动比传统板坯结晶器大3．5～4．0倍；液相穴夹杂物上浮能力差，结晶器保护渣吸收夹杂物能力小；结晶器卷渣比传统板坯严重；因此控制薄板坯结晶器内钢液流场是提高铸坯质量的关键。

1  研究方法

    为了对比分析EMBr对薄板坯质量的冶金效果，在相同工艺条件下，摸清CSP结晶器采用EMBr与不采用EMBr工艺对薄板坯内部质量的影响规律，在某厂CSP生产线上各进行了一个浇次的工业试验。工艺参数为：ll0 t顶底复吹转炉；中间包容量36 t(实际28～30 t)，液面高度1100 mm；薄板坯连铸机拉速3．8～4．5 m／min，板坯断面尺寸70 mm×1 280 mm；试验钢种为SS400，采用EMBr试验3炉，EMBr的电流为200 A，磁感应强度为O．2 T，未采用EMBr试验3炉。

    在每炉稳态浇注情况下，在中间包、铸坯部位分别取气体样、金相样、大样分析。对所取试样先进行加工，加工后的试样进行如下的分析：微观分析法分析钢中显微夹杂物，大样电解方法分析钢中的大型夹杂物，同时采用LECO定氧仪分析钢中T[O]含量。

2试验结果与讨论

2．1  以钢中wT[O]来评价钢的洁净度

    在其它工艺条件不变的情况下，中间包入口及薄板坯中的叫(T[O])变化如图1所示。从图1可以看出：①中间包w(T[O])变化范围为(17～50)×10-6，平均为32×10-6；②使用EMBr，稳态浇铸下，薄板坯w(T[o])变化范围为(14～28)×10-6，平均为19．16×10-6；③未使用EMBr，薄板坯叫(T[O])变化范围为(26～39)x 10-6，平均为31．89×10-6。由以上结果得出，在其它工艺相同的情况下，使用EMBr后，薄板坯w(T[O])比未使用EMBr的薄板坯w(T[O])降低了39．92％，即薄板坯中夹杂物减少了大约40％。

2．2钢中夹杂物 

    图2(a)为中间包至薄板坯过程钢中显微夹杂的变化，从图2(a)可以看出，从中间包至薄板坯，钢中的显微夹杂增加，EMBr对去除钢中显微夹杂的效果不明显。

    图2(b)为薄板坯中大型夹杂数量的变化。从图2(b)中可以看出，EMBr对去除大型夹杂的效果显著，使用EMBr后，与无EMBr相比，薄板坯中大型夹杂物降低了61．36％。这说明EMBr对提高薄板坯内部质量有明显的效果。

2．3结晶器液面波动

    使用电磁制动后，结晶器弯月面上的流速和湍动能大为降低，因此极大地削弱了弯月面的湍流脉动，有利于稳定弯月面，减少了液面波动。在铸坯拉速为4 m／min时，结晶器的液面波动情况如图3所示。没有使用EMBr时，结晶器表面钢水的液面波动为13～15 mm(±7 mm)；使用EMBr时，结晶器表面钢水的液面波动为7～9 mm(±4 mm)。

    试验结果表明，结晶器EMBr控制钢液流动，减轻结晶器的卷渣，减轻液面波动，提高了薄板坯的洁净度。为了进一步认识CSP结晶器的控流作用，利用CFx软件研究了使用EMBr、不使用EMBr等因素对结晶器内钢液流动的影响。

3  CSP结晶器钢水流动数学模拟

    应用CFX软件模拟了CsP结晶器正常生产情况下(水口倾角12⁰，浸入深度250 mm，拉速4．Om／min)，结晶器使用EMBr及不使用EMBr时，漏斗形结晶器的流体流动的情况，结果如图4所示。从图4中可以看出，与结晶器无EMBr流场相比，结晶器施加O．2 T电磁场后，从水口出来的射流强度大大减弱，射程变小，无需撞击结晶器窄面就在水口上下形成2个回流。这2个流股无论从强度和范围都大为减弱，有利于夹杂物上浮。

    结晶器弯月面流动速率比较如图5所示。由图5可见，使用电磁制动后，结晶器弯月面上的流速和湍动能大为降低，因此极大地削弱了弯月面的湍流脉动，有利于稳定弯月面，减少液面波动。结晶器使用电磁制动与不使用电磁制动相比，结晶器弯月面钢水中心线速率降低了4倍，湍动能降低了3倍左右，大大缓解了结晶器钢水流动强度，减轻了结晶器弯月面的卷渣。生产试验表明，无EMBr时，结晶器钢水的液面波动为±7 mm；有BMBr时，结晶器钢水液面波动为±4 mm。

    结晶器采用电磁制动至少能产生2个冶金效果：一是减少了弯月面的波动，结晶器卷渣较少；二是有利夹杂物上浮，提高了钢水的清洁度，从而也提高了铸坯内部的清洁度。

4  结论

    (1)在其它工艺条件相同的条件下，薄板坯结晶器无电磁制动与带电磁制动相比，内部质量还有一定差距。使用EMBr后，薄板坯训(T[O])比未使用EMBr的薄板坯叫(T[O])降低了40％，薄板坯中大型夹杂物降低了61％。

    (2)数学模拟CSP结晶器流场表明，结晶器弯月面钢水中心线速率降低了4倍，湍动能降低了3倍左右，电磁制动对降低表面流速，减少液面波动，促进夹杂物上浮效果显著，可明显提高薄板坯洁净度水平。