【正文】 及受粘性阻力的影響，到達(dá)窄面的速度隨結(jié)晶器寬度的增加也將減小，所以對(duì)窄面的沖擊動(dòng)力也將減小，同時(shí)使表面湍流的速度也降低。而且，凝固前沿鋼液的溫度梯度變小，即加快了過熱度的降低，從而使鑄坯的晶粒細(xì)化，產(chǎn)品致密。攪拌強(qiáng)度主要由鑄坯凝固前沿所需的流速來確定。另外該循環(huán)流還會(huì)抽吸液面上的熔渣，甚至燒結(jié)層的保護(hù)渣顆粒。圖 21為不同位置安裝攪拌器的示意圖。S—EMS的不足之處是攪拌器安裝在二冷區(qū)，工藝復(fù)雜且易遭損壞。 結(jié)晶器電磁攪拌的冶金機(jī)理及效果[36]連鑄過程，鋼水被銅質(zhì)結(jié)晶器和結(jié)晶器下方的噴淋水強(qiáng)制冷卻，然后凝固成針狀，從表面向中心生長(zhǎng)，一直到鋼液溫度保持在液相線溫度之上時(shí)都是如此。圖22概述了M—EMS的冶金機(jī)理和效果。在水口區(qū)域設(shè)置與水口出流垂直的穩(wěn)恒磁場(chǎng)，當(dāng)液態(tài)金屬切割磁力線運(yùn)動(dòng)時(shí)，根據(jù)歐姆定律液態(tài)金屬中將產(chǎn)生感生電流，感生電流與穩(wěn)恒磁場(chǎng)的交互作用又在液態(tài)金屬中產(chǎn)生與流速方向相反的洛侖茲力，從而使液態(tài)金屬的流動(dòng)受到抑制。3．由于熔鋼浸入深度的減小，促進(jìn)了結(jié)晶器上部的熱交換，使彎月面區(qū)域的鋼液溫度升高，從而有利于低過熱度澆鑄的施行和鑄坯中心的等軸晶比率的提高。通過對(duì)結(jié)晶器進(jìn)行合理優(yōu)化，加入地磁攪拌器，電磁制動(dòng)技術(shù)可達(dá)到提高鑄坯質(zhì)量，減少鑄坯表面和內(nèi)部橫縱裂紋，減少鑄坯內(nèi)夾雜的效果。鋼液進(jìn)入中間包后鋼液流場(chǎng)受到中間包內(nèi)部形狀、注流、中間包容量、控流裝置（擋墻、導(dǎo)流擋板、過濾器和湍流控制器）的影響，不合理的中間包流場(chǎng)會(huì)導(dǎo)致鋼液二次氧化，耐火材料侵蝕和鋼包渦流卷渣，降低了鋼液純凈度，使鋼液流場(chǎng)不穩(wěn)定，通過對(duì)中間包進(jìn)行合理優(yōu)化，改進(jìn)存在問題，可達(dá)到中間包冶金效果，為鋼液進(jìn)入結(jié)晶器做好準(zhǔn)備。這些，對(duì)于抑制卷渣、提高鑄坯表面質(zhì)量起到積極作用。另外，由于存在著較大的溫度梯度，易形成發(fā)達(dá)的柱狀晶，而不利于等軸晶的形成。很顯然，通過減少兩種不利因素，即小鋼錠結(jié)構(gòu)和內(nèi)部裂紋，就可以提高連鑄產(chǎn)品的內(nèi)在質(zhì)量。由于攪拌是在凝固末期進(jìn)行，得到的等軸晶組織少，攪拌效果不佳，所以經(jīng)常與其他攪拌器結(jié)合使用。二冷區(qū)電磁攪拌：安裝在鑄機(jī)的二冷段，包括足輥下攪拌器(I—EMS)。圖20 方坯連鑄結(jié)晶器電磁攪拌示意圖 電磁攪拌技術(shù)的類型[35]盡管電磁攪拌器的形式和結(jié)構(gòu)是多種多樣的，但是經(jīng)過幾十年的發(fā)展優(yōu)勝劣汰，目前處于實(shí)用的幾乎都是交流感應(yīng)式的。需要指明的是，施加電磁攪拌時(shí)，結(jié)晶器角部及四周彎月面突起而中部下凹的程度與作用在彎月面區(qū)的攪拌強(qiáng)度有關(guān)。相反，攪拌強(qiáng)度太大，攪拌過于激烈，坯殼可能會(huì)過薄，或生長(zhǎng)得厚薄不均，出現(xiàn)裂紋傾向，且白白地消耗大量的電力。 結(jié)晶器電磁攪拌(即M—EMS)強(qiáng)度E對(duì)流場(chǎng)的影響[33]結(jié)晶器內(nèi)電磁攪拌形成的鋼液流動(dòng)，能折斷樹枝晶端并凈化凝固前沿。當(dāng)ɑ=0時(shí)，鋼液從出孔沖擊到結(jié)晶器壁面的行程較水口出孔正對(duì)結(jié)晶器角部時(shí)要短，碰壁后的流股動(dòng)能損失也大一些，同時(shí)，流股在結(jié)晶器中以不同的反射角度彈回，形成不同的流場(chǎng)。因此，保護(hù)渣覆蓋良好，不易發(fā)生卷渣，但穿透深度增加，鋼液向熔池上表面?zhèn)鬟f的熱量下降。也有研究顯示，正方形出孔的鋼液出流角度比出孔傾角要小。圖18 階梯式水口示意圖4．浸入式水口出孔形狀[31] 水口出孔的形狀主要有長(zhǎng)方形、正方形、圓形和跑道形等四種。圖17 水口底部形狀A(yù)平型底部結(jié)構(gòu) B凹型底部結(jié)構(gòu) C 凸型底部結(jié)構(gòu)水口內(nèi)壁結(jié)構(gòu)的改進(jìn)分兩個(gè)方面：一是指在水口內(nèi)壁面上安裝導(dǎo)流板，使流股出水口后在結(jié)晶器內(nèi)作旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，起到電磁攪拌的作用。但孔徑過小，鋼流的沖擊深度增大，對(duì)夾雜物的去除不利。在相同的水口長(zhǎng)度下，小內(nèi)徑的水口噴出射流的速度明顯高于大內(nèi)徑的水口，但是如果浸入式水口兩個(gè)側(cè)孔的總面積小于水口的橫截面積，使流股在出口處受到壓縮，這時(shí)浸入式水口橫截面積對(duì)出口流股的平均速度的影響不明顯。薄板坯澆注往往采用箱型水口。 結(jié)晶器浸入式水口浸入式水口(Submerged Entry Nozzle，簡(jiǎn)稱SEN)是鋼液從中間包流入結(jié)晶器的通道。結(jié)晶器冶金是去除夾雜物、改善鋼材質(zhì)量的最后機(jī)會(huì)。改進(jìn)后的矩形中間包由于兩個(gè)端部的截面積較小，有利于提高兩個(gè)端部鋼流的速度，減少死區(qū)面積和溫度損失。7．中間包底部到結(jié)晶器上口距離選擇不當(dāng)。圖15 中間包示意圖2．中間包容量小熔池深度淺，不適合高速鑄機(jī)。圖14 抑湍器加單壩控流裝置 中間包目前普遍存在的問題及改進(jìn)措施 中間包存在的問題目前我國(guó)使用的中間包存在較多的問題，尤其是方坯連鑄機(jī)用的中間包存在問題更為突出。防湍流墊的使用消除了穩(wěn)定澆注狀態(tài)下鋼包長(zhǎng)水口周圍的液面湍流。3．過濾器有些研究人員認(rèn)為：中間包中安裝過濾裝置，其過濾效果主要表現(xiàn)在：鋼液被過濾后全氧量降低，鋼中夾雜物數(shù)量減少，軋材質(zhì)量改善，以及操作事故減少，特別是水口堵塞現(xiàn)象明顯改善。結(jié)果表明，設(shè)有控流裝置時(shí)，最短停留時(shí)間增加，而且鋼液在較寬中間包內(nèi)的最短停留時(shí)間隨著下?lián)鯄Ω叩母淖兌淖?，但下?lián)鯄Ω咧幌薅ㄔ谝欢ǖ姆秶? H— H)內(nèi)才有意義，如果下?lián)鯄Ω叱隽松舷拗?，最短停留時(shí)間反而會(huì)縮短。上擋墻、下?lián)鯄?，?dǎo)流擋板，過濾器和湍流控制器，以及它們的組合使用是現(xiàn)代中間包采用的控流裝置。此外，較深的熔池表面流速較小，減輕了液面波動(dòng)，這對(duì)減輕二次氧化也是有利的。5．中間包熱周轉(zhuǎn)技術(shù)可降低熱損失、穩(wěn)定澆鑄溫度，有利于高效連鑄的順行。離心流中間包利用轉(zhuǎn)動(dòng)鋼水所產(chǎn)生的離心力促進(jìn)夾雜物分離，抑制了鋼水短路流的產(chǎn)生，促進(jìn)了大夾雜物的上浮。4．中間包喂線技術(shù)的研究。 中間包冶金技術(shù)的現(xiàn)狀現(xiàn)在主要采用的中間包冶金技術(shù)有：1．增大中間包容量。對(duì)連鑄過程中夾雜物的可能來源，圖 7 給出了較全面分析。覆蓋劑加入鋼包后，較為理想的是形成三層結(jié)構(gòu)：即原始層、燒結(jié)層、液態(tài)層。在新型鋼包覆蓋劑的研制中，針對(duì)碳化稻殼性能上存在的主要缺陷在成分設(shè)計(jì)上重點(diǎn)改進(jìn)以下幾方面：1．提高覆蓋劑的鋪展性。此種方法的優(yōu)點(diǎn)是在鋼渣流進(jìn)中間包以前就可以檢測(cè)出下渣。鋼水和鋼渣可以通過這個(gè)反射器。傳感器埋設(shè)在鋼包底水口同心位置的下座磚內(nèi)。在澆注時(shí)根據(jù)鋼包重量的變化來檢側(cè)是否己經(jīng)下渣。而中間包中鋼渣過多，不僅會(huì)降低鋼坯的表面清潔度，而且還將加速中間包耐火材料的腐蝕，同時(shí)中間包中的渣殼重量也會(huì)同步增加，從而影響了連鑄的進(jìn)行。由于工作條件惡劣，在裝入填充料時(shí)，會(huì)出現(xiàn)如圖3所示三種堆積狀態(tài)。其開澆原理為：當(dāng)鋼水與引流砂接觸后，高溫鋼水會(huì)使上部的引流砂形成很薄的燒結(jié)層，打開滑板時(shí)，燒結(jié)層下面的引流砂受重力作用順上水口、滑板及下水口流出，從而使燒結(jié)層形成空殼；鋼水靜壓力壓破形成空殼的燒結(jié)層而使鋼水從水口自動(dòng)流出。主要表現(xiàn)在機(jī)構(gòu)加工精度差，使滑動(dòng)面面壓分布不均勻；所采用的彈簧組件耐高溫能力差，使用壽命短；驅(qū)動(dòng)裝置故障。驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)：由電動(dòng)缸或油缸組成。圖1 滑動(dòng)水口示意圖為了把上述耐火材料部分固定安裝在鋼包底部，因而需要配套機(jī)構(gòu)部分來實(shí)現(xiàn)安裝，其安裝結(jié)構(gòu)示意圖如圖 2 所示[4~6]。3 鋼包內(nèi)部流場(chǎng)研究 鋼包在連鑄過程中的重要性鋼包作為連鑄過程中盛放鋼水，進(jìn)行開澆的首要設(shè)備，其在澆注過程中的鋼液流動(dòng)狀態(tài)，特別是在澆注末期時(shí)的鋼水流動(dòng)狀態(tài)，直接影響著鋼液的成分。2. 另一種作法是增加連鑄機(jī)的流數(shù)，例如采用12流連鑄機(jī)。中小鋼廠在與大型鋼廠的競(jìng)爭(zhēng)中，優(yōu)先發(fā)展了小方坯連鑄，采用了電爐—小方坯連鑄成材軋機(jī)的工藝，取得了最佳的經(jīng)濟(jì)效果，進(jìn)一步促進(jìn)了小方坯連鑄技術(shù)的發(fā)展。方坯連鑄機(jī)類型多，差別大，其主要差別有：1. 斷面差別大，可從130mm130mm～370mm480mm；2. 方坯連鑄的拉速差別大，～，要求保護(hù)渣的性能有較大差別；3. 小斷面方坯連鑄時(shí)，結(jié)晶器液面波動(dòng)大，不易穩(wěn)定，如保護(hù)渣選擇不當(dāng)，易使鑄坯產(chǎn)生夾渣等缺陷；4. 小斷面方坯結(jié)晶器散熱快，液面溫度低，易發(fā)生結(jié)晶器壁粘渣現(xiàn)象及熔渣易于凝固，鑄坯易產(chǎn)生皺皮、結(jié)疤、重接等缺陷；5. 方坯連鑄與板坯連鑄相比，不易產(chǎn)生表面縱裂紋；6. 澆注水口類型多，有側(cè)出孔的，有下出孔的，有四孔水口的等，有的小方坯不用浸入式水口，無法用保護(hù)渣而用油潤(rùn)滑。 另一方面生產(chǎn)出的鑄坯更接近最終產(chǎn)品形狀, 省去了模鑄工藝的加熱開坯工序,減少了金屬損失, 可提高金屬收得率約9% 。近年，我國(guó)已引進(jìn)了許多薄板坯連鑄連軋生產(chǎn)線。我國(guó)連鑄機(jī)類型齊全，從幾毫米鑄坯的線材鑄機(jī)到寬度超過3m的寬厚板鑄機(jī)，從立式、立彎、直弧及弧形到水平連鑄機(jī)都有。對(duì)鋼材數(shù)量及品種、質(zhì)量要求正在不斷提高。該工藝以其低投資、低成本、低能耗、生產(chǎn)周期短、成材率高的優(yōu)點(diǎn)、近年來取得了重大發(fā)展，使鋼鐵生產(chǎn)工藝流程產(chǎn)生了重大變革。該工藝以其低投資、低成本、低能耗、生產(chǎn)周期短、成材率高的優(yōu)點(diǎn)、近年來取得了重大發(fā)展，使鋼鐵生產(chǎn)工藝流程產(chǎn)生了重大變革。因此，對(duì)連鑄鋼液的流動(dòng)模式進(jìn)行研究和分析，保證鋼液流動(dòng)狀態(tài)的合理性具有相當(dāng)重要的理論和實(shí)際意義。 連鑄技術(shù)概述連續(xù)鑄鋼技術(shù)的開發(fā)與應(yīng)用是鋼鐵冶金生產(chǎn)領(lǐng)域繼氧氣轉(zhuǎn)爐之后又一次意義重大的技術(shù)革命，它對(duì)鋼鐵工業(yè)生產(chǎn)流程的變革、產(chǎn)品質(zhì)量的提高和結(jié)構(gòu)優(yōu)化等方面起了革命性的作用。目前我國(guó)連鑄機(jī)的設(shè)計(jì)作業(yè)率為80%左右，實(shí)際作業(yè)率通常為60%~90%，有些連鑄機(jī)作業(yè)率已經(jīng)超過90%。許多連鑄新技術(shù)的研究開發(fā)是在緊跟國(guó)際上的發(fā)展。 連鑄生產(chǎn)正?；枰臈l件1．完好的設(shè)備狀態(tài)連鑄機(jī)是在極為惡劣的高溫環(huán)境中工作的，鑄坯質(zhì)量的好壞、生產(chǎn)率的高低都受到設(shè)備狀態(tài)的影響。小方坯連鑄具有設(shè)備簡(jiǎn)單，其建投資省，生產(chǎn)率高，生產(chǎn)成本低等優(yōu)點(diǎn)，所以小方坯連鑄發(fā)展較快。小方坯的流數(shù)一般為1—4流，每流的流間距為900—1200mm。由于大方坯連鑄機(jī)在澆注優(yōu)質(zhì)特種鋼和不銹鋼時(shí)，可在降低澆注速度、減少鑄坯非金屬夾雜和中心疏松、提高鑄坯質(zhì)量的前提下，不降低生產(chǎn)能力，并在產(chǎn)品質(zhì)量和經(jīng)濟(jì)合理性方面具有一定的優(yōu)勢(shì)，從而逐步取代模鑄成為優(yōu)質(zhì)特種鋼的主要鑄造工藝。所以，很有必要針對(duì)實(shí)際情況，進(jìn)行鋼包內(nèi)鋼液行為的研究，摸清各因素對(duì)鋼包鋼液流動(dòng)狀態(tài)的影響，從而確定這些因素對(duì)鋼液流動(dòng)行為的影響，為加強(qiáng)鋼包在生產(chǎn)周轉(zhuǎn)過程中的管理和調(diào)度，確保連鑄過程中鋼水流場(chǎng)的變化適應(yīng)澆注過程的工藝需要。開閉框架：連接固定框架,托起滑動(dòng)框架,施加面壓,安裝下水口磚。當(dāng)上、下澆鑄孔在移動(dòng)中重合時(shí)，鋼包內(nèi)鋼水可以通過上水口、上滑板、下滑板、下水口流出，進(jìn)行澆鑄作業(yè)。 3．操作方面的原因。為此，要求引流砂具備以下條件：1．不過度燒結(jié)；2．抗鋼水滲透性好；3．流動(dòng)性好。圖3 滑動(dòng)水口內(nèi)填充料的堆積狀態(tài) 鋼包下渣系統(tǒng) 下渣系統(tǒng)概述在連鑄中，鋼水從鋼包出水口出流到中間包，再?gòu)闹虚g包出水口進(jìn)入結(jié)晶器。只好采用提前拆去長(zhǎng)水口，人工肉眼觀察來判定澆鑄終點(diǎn)，在這段時(shí)間內(nèi)鋼水將嚴(yán)重二次氧化。 現(xiàn)有下渣檢測(cè)方法介紹1．紅外技術(shù)實(shí)現(xiàn)鋼渣檢測(cè)[22]該方法是一種基于非接觸式的鋼渣檢測(cè)系統(tǒng)的概念：它的中心部件是一架照相機(jī)，用于采集紅外線波長(zhǎng)范圍的輻射能。3．超聲波檢測(cè)方法[23]超聲波檢測(cè)方法的原理是利用當(dāng)有渣和無渣時(shí)超聲波發(fā)出信號(hào)和反射信號(hào)的差別來實(shí)現(xiàn)對(duì)鋼渣的檢測(cè)。但是，它只有在鑰渣流到中間包以后才能檢測(cè)出來。為了避免鋼包內(nèi)的鋼水直接裸露在空氣中，造成澆鑄過程中的鋼水溫降過快，必須在轉(zhuǎn)爐出鋼后向鋼水表面加入一定量的鋼水保溫劑進(jìn)行保溫，保溫劑保溫效果的好壞對(duì)鋼錠質(zhì)量的影響較大。2．提高覆蓋劑的發(fā)熱值。熔融態(tài)鋼水首先從鋼包注入中間包，再通過中間包水口分配到下面的結(jié)晶器，在那里熔融的鋼水冷卻成為固體，拉出切割成成品的連鑄坯。3．相關(guān)技術(shù)的發(fā)展，如下渣監(jiān)測(cè)系統(tǒng)、液面控制系統(tǒng)、加熱設(shè)備、合金微調(diào)、夾雜物形態(tài)控制等等。2．避免中間包水口堵塞和改進(jìn)水口技術(shù)。5．中間包加熱技術(shù)的研究。高效連鑄技術(shù)對(duì)于鋼液的澆注溫度、潔凈度及流動(dòng)穩(wěn)定性等方面的要求嚴(yán)格，因此有必要通過數(shù)學(xué)模擬和物理模擬來對(duì)中間包內(nèi)鋼液的流動(dòng)特性和溫度分布進(jìn)行深入研究，并廣泛應(yīng)用中間包冶金技術(shù)，優(yōu)化中間包的結(jié)構(gòu)參數(shù)以獲得良好的流動(dòng)模式和鑄流特性。認(rèn)為墻壁傾角大，不利于溫度均勻，但利于夾雜物上浮。如圖9所示。擋墻安裝在中間包的上部，鋼液從它的下部流出，對(duì)于所有寬度的中間包，各種尺寸的擋渣墻單獨(dú)使用都會(huì)制造短路流。鋼液根據(jù)需要的方向流過孔洞，其通過導(dǎo)流擋板后的流速和方向由孔的大小和方向決定。在中間包內(nèi)注入口的正下方設(shè)置緩沖器可抑制湍流，可緩解注流的沖擊。5) 減少永久襯的損傷。如果這些中間包不進(jìn)行改造，即使轉(zhuǎn)爐提供高質(zhì)量的鋼水也不能澆出好的鑄坯。3) 澆注時(shí)中間包內(nèi)鋼渣攪動(dòng)嚴(yán)重，難以使夾雜物上浮，并易進(jìn)入結(jié)晶器內(nèi)，尤其是在換包時(shí)更為嚴(yán)重?，F(xiàn)代中間包應(yīng)適應(yīng)高拉速下恒速澆注和中間包通鋼量強(qiáng)度大，中間包內(nèi)攪動(dòng)劇烈的條件下，并起到凈化鋼液和排除夾雜物的作用。正是利用這種結(jié)構(gòu)形式，通過調(diào)整擋渣墻和低壩的參數(shù)，整體地來控制中間包內(nèi)鋼液的流場(chǎng)，只有有了較為合適的流場(chǎng)，夾雜物才能達(dá)到最大的去除。結(jié)晶器的尺寸不僅決定了鑄坯的斷面形狀及坯殼的厚度，而且有統(tǒng)計(jì)表明近80%的表面缺陷起源于結(jié)晶器[28]。因此，優(yōu)化設(shè)計(jì)SEN，改善結(jié)晶器內(nèi)的流場(chǎng)和溫度場(chǎng)，已成為當(dāng)前冶金領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)之一。對(duì)于典型的雙側(cè)孔浸入式水口，其主要結(jié)構(gòu)參數(shù)有：浸入式水口的內(nèi)徑、出口面積、側(cè)孔傾角以及水口的底部結(jié)構(gòu)等[29]。側(cè)孔的有效利用率隨水口側(cè)孔的總面積同水口截面積之比的增大而減小，在浸入式水口的截面積相同的情況下，隨側(cè)孔面積的增加，側(cè)孔流股的平均速度減小。浸入式水口的底部形狀大致可分為平底型、凹型、凸型三種，如圖17所示。與電磁攪拌相比，沒有能源消耗，而投資小，改善鑄坯質(zhì)量的效果明顯。有人研究了跑道形出孔和圓形出孔的情況。 浸入式水口浸入深度對(duì)流