【正文】 術(shù)研討會論文集[C]，廬山， 1998：129—139[38] [M].國外鋼鐵，1987，(5)：27—39.[39] [D].沈陽東北大學(xué)2006.。在不同鋼種的連鑄生產(chǎn)中，EMBR縮短了鑄坯混合段的長度，提高了金屬的收得率。針對上述問題，電磁制動具有如下優(yōu)點(diǎn)[39]：1．抑制了水口出流對鑄坯窄面凝固殼的沖擊，減少了拉漏事故的發(fā)生，縮短了下返流的沖擊深度，在水口下方形成活塞流(間歇性和不確定性)，有利于非金屬夾雜物和氣泡的上浮，從而改善鑄坯的內(nèi)部質(zhì)量。隨著鑄速的提高，從水口出流處的鋼液速度大，鋼液射流夾帶非金屬夾雜物首先沖擊結(jié)晶_器窄面的凝固殼，高溫液流容易導(dǎo)致凝固殼的重熔，甚至產(chǎn)生拉漏現(xiàn)象，并且促進(jìn)了凝固殼對夾雜物的捕獲。電磁攪拌的基本功能是通過使鋼液產(chǎn)生強(qiáng)烈的運(yùn)動而起到冰淇淋冷凍機(jī)的作用。圖21 安裝在連鑄機(jī)不同位置的電磁攪拌器凝固末端電磁攪拌：安裝在靠近連鑄坯凝固末端處。為了解決這一問題，通常采用彌散硬化的銅合金作為結(jié)晶器壁，此外采用低頻供電以增加電磁場的穿透能力，經(jīng)驗(yàn)頻率是1—10Hz。 電磁攪拌器的工作原理電磁攪拌的原理與三相異步電動機(jī)相似，當(dāng)攪拌器的三對定子繞組通入三相交流電后，產(chǎn)生一個(gè)旋轉(zhuǎn)磁場，該旋轉(zhuǎn)磁場切割鑄坯，在鋼水中產(chǎn)生感應(yīng)電流，載流的鑄坯在旋轉(zhuǎn)磁場作用下產(chǎn)生電磁力，從而形成繞鑄坯中心軸線的電磁轉(zhuǎn)矩，驅(qū)動鋼液旋轉(zhuǎn)[34]。日本學(xué)者對斷面為145mm145mm方坯進(jìn)行了水模實(shí)驗(yàn)研究后發(fā)現(xiàn)，—，對應(yīng)的攪拌強(qiáng)度最理想。圖19 結(jié)晶器電磁攪拌的作用1— 結(jié)晶器；2—彎月面；3—?dú)馀荩?—非金屬夾雜5—等軸結(jié)晶；6—凝殼；7—鋼液；8—浸入式水口合理的攪拌強(qiáng)度是M—EMS正常發(fā)揮其上述作用的關(guān)鍵。同時(shí)射流對結(jié)晶器壁面的沖刷加劇，進(jìn)而減慢了凝固殼的生長速度。指定某一個(gè)出孔，其中心線與內(nèi)弧面垂線的夾角，定義為該浸入式水口在結(jié)晶器內(nèi)的安裝角度，記作ɑ。研究發(fā)現(xiàn)水口的浸入深度對液面波動和流股的沖擊深度有重要的影響?？紤]到方坯用的多孔SEN的特點(diǎn)，在出孔面積比一定的前提下，圓形出孔水口的鋼液出流效果最佳。設(shè)置的臺階可使浸入式水口各出孔流股均勻，保證結(jié)晶器內(nèi)流動的對稱性和穩(wěn)定性。采用凹型內(nèi)底水口時(shí)，流股在凹坑內(nèi)得到緩沖，上翻的流股與向下的流股混合，然后再流出水口出孔，使流股流出后向下沖擊速度減小，即沖擊深度減小。減小側(cè)孔孔徑，會減小流場的不對稱性。利用1/3水模型，在滿足最大拉速水流量的情況下，設(shè)計(jì)出內(nèi)徑分別為18mm、19mm、22mm的三種浸入式水口，進(jìn)行水模型試驗(yàn)，研究結(jié)果表明：大的浸入式水口內(nèi)徑可以減少流股的沖擊深度，減少液面波動。板坯澆注普遍使用雙側(cè)孔SEN。結(jié)晶器的振動實(shí)際上是起強(qiáng)制脫模作用，其目的是為了防止初生坯殼與結(jié)晶器之間發(fā)生粘結(jié)而被拉裂。在煉鋼生產(chǎn)中過濾技術(shù)受到限制的主要原因是因?yàn)殇撘簻囟雀咔蚁牧看蟆＞匦沃虚g包由于達(dá)到中間包四個(gè)角部的速度較大，避免了T型中間包只能適用于較小容量冶煉爐的不足，但也帶來了一部分注流到達(dá)包底后直接進(jìn)入近水口，即所謂的貫穿流的缺陷，同時(shí)注流引起的高速湍流也可能將夾雜和爐渣直接帶入近水口。5．中間包變形大，造成多流水口難以對中。2) 大包注流進(jìn)入中間包落點(diǎn)距中間包水口距離短，或距離各個(gè)水口距離差別太大。結(jié)果表明結(jié)構(gòu)及尺寸合理的抑湍器能延長水口響應(yīng)時(shí)間及平均停留時(shí)間、提高活塞流區(qū)體積分?jǐn)?shù)及降低死區(qū)體積分?jǐn)?shù)，可以防止?jié)茶T區(qū)中間包內(nèi)的渣卷入鋼液及鋼液的二次氧化；適當(dāng)結(jié)構(gòu)及尺寸的抑湍器與單壩組合的控流裝置在控流流體流動方面效果極好，其中尤以不帶頂緣的抑湍器與單壩組合最佳。其主要的作用：1) 減少了鋼包開澆時(shí)的噴濺。一種是內(nèi)設(shè)上、下?lián)鯄?，而另一種在第一種基礎(chǔ)之上又加了多孔導(dǎo)流擋板。下?lián)鯄梢愿淖冧撘旱牧鲃有螒B(tài)，消除鋼液短路流，促進(jìn)鋼液產(chǎn)生指向表面的流動，但下?lián)鯄Φ奈恢脤︿撘毫鲃犹卣饔绊懖淮螅蠐鯄Φ奈恢脛t沒有影響。最初使用的有擋墻、擋壩，到后來發(fā)展到多孔擋板、多孔過濾器，以及開槽的壩、沖擊杯、抑湍器等。其中H型中間包不僅可以使中間包內(nèi)鋼液流動平穩(wěn)，而且使鋼液停留時(shí)間延長，特別是在更換鋼包時(shí)可以大大減少鋼液面波動及卷渣現(xiàn)象，顯著強(qiáng)化了中間包的冶金作用。3．采用螺旋喂絲技術(shù)等各種精煉方法可以對鋼液成分和溫度進(jìn)行準(zhǔn)確調(diào)節(jié)。吹入的氣體一般為Ar，通過Ar的攪拌，加速了夾雜物的上浮，使用中間包吹A(chǔ)r技術(shù)，夾雜物的含量降低了25%。3．中間包控流裝置。為此冶金工作者們就提出了把中間包當(dāng)作連續(xù)的精煉冶金反應(yīng)器的構(gòu)想。為此，人們提出了中間包冶金的概念。3．確保覆蓋劑具有適宜的成渣性能。但也存碳化稻殼的鋪展性差，隔熱保溫作用不理想等缺點(diǎn)。而中間包內(nèi)保護(hù)渣層的存在也會給鋼渣的檢測帶來問題。如圖5所示。其缺點(diǎn)是在檢測中鋼流不能被遮擋，如用于鋼包到中間包的下渣檢測，則必須除去長水口，而這樣就會引起鋼水的二次氧化，所以目前一般不用于鋼包的下渣檢測中，主要應(yīng)用于轉(zhuǎn)爐下渣檢測中。從操作工的勞動保護(hù)角度看，長期用肉眼觀察鋼水帶渣情況會造成視力下降。連鑄過程中，由鋼包進(jìn)入中間包的鋼渣量，對連鑄操作和最終產(chǎn)品質(zhì)量都有著至關(guān)重要的影響。當(dāng)填充料的裝人量不足時(shí)，填充料不能填滿滑動水口，鋼液進(jìn)人水口冷區(qū)凝固而堵塞；當(dāng)加入足夠的填充料，則可阻止鋼液進(jìn)入水口，減輕堵塞程度，有利于提高自然開澆率。在開澆時(shí)，它能使鋼包內(nèi)的鋼水順流而下。 滑動水口機(jī)構(gòu)的常見問題鋼包滑動水口機(jī)構(gòu)是鋼包系統(tǒng)的重要組成部份，是將鋼包內(nèi)的高溫鋼水安全、穩(wěn)定、可靠地注入中間包的關(guān)鍵設(shè)備。傳動機(jī)構(gòu)：連接桿、傳動臂,把油缸的垂直動力轉(zhuǎn)為水平動力,推動下滑板移動。鋼包滑動水口主要由耐火材料部分和配套機(jī)構(gòu)部分兩大部分構(gòu)成。 研究目的對連鑄鋼包、滑動水口、中間包、浸入式水口、結(jié)晶器內(nèi)鋼液的流動模式進(jìn)行研究和分析，保證鋼液流動狀態(tài)的合理性，對防止鋼水二次氧化、延長鋼水在中間包內(nèi)停留時(shí)間、促進(jìn)夾雜物上浮去除，減少鋼液夾雜物，減少鑄坯裂紋等都具有相當(dāng)重要的理論和實(shí)際意義。小方坯連鑄機(jī)配合大容量的爐子，有兩種方法：1. 把澆注時(shí)間延長例如300噸鋼水澆注斷面為150 150毫米方坯用8流連鑄機(jī)，澆注時(shí)間約為140分鐘。當(dāng)前世界能源緊缺，燃料不斷上漲。4．高水平的人員素質(zhì)現(xiàn)代化連鑄機(jī)是機(jī)械、電氣、儀表、自動化控制等技術(shù)高密集的設(shè)備 ，液態(tài)的凝固又是很復(fù)雜的相變和傳熱過程，因此一只知識面廣操作技術(shù)和管理水平高、能適應(yīng)連鑄生產(chǎn)和維修的職工隊(duì)伍是必要的做好職工的培訓(xùn)和知識更新、提高連鑄工作者的素質(zhì)是搞好連鑄生產(chǎn)的重要條件。與模鑄—初軋開坯工藝相比,連鑄工藝具有如下優(yōu)點(diǎn)：1．簡化了鑄坯生產(chǎn)的工藝流程, 省去了模鑄工藝的脫模、整模、鋼錠均熱和開坯工序, 基建投資可節(jié)省40%,占地面積可減少30%, 操作費(fèi)用可節(jié)省40%, 耐火材料的消耗可減少15% 。某些小方坯(120mm或 150mm)連鑄機(jī)的年產(chǎn)量已超過18萬t/流。近20年來，我國的連鑄技術(shù)發(fā)展迅猛，在成熟生產(chǎn)技術(shù)的應(yīng)用、新技術(shù)的開發(fā)、應(yīng)用基礎(chǔ)研究等方面都得到了快速的發(fā)展，連鑄機(jī)保有量和連鑄坯產(chǎn)量己占世界第一。在產(chǎn)能擴(kuò)大的同時(shí)，裝備的大型化、現(xiàn)代化及工藝技術(shù)的不斷進(jìn)步，使中國主要大、中型鋼鐵企業(yè)的技術(shù)水平已達(dá)到世界同類鋼廠的水平。因此，對連鑄鋼包、中間包、結(jié)晶器內(nèi)鋼液的流動模式進(jìn)行研究和分析，保證鋼液流動狀態(tài)的合理性具有相當(dāng)重要的理論和實(shí)際意義。連鑄過程中合理的流場，對防止鋼水二次氧化、延長鋼水在中間包內(nèi)停留時(shí)間、促進(jìn)夾雜物上浮去除等都具有重要的作用。1 文獻(xiàn)綜述 鋼的連鑄技術(shù)發(fā)展本世紀(jì)初，中國由鋼材凈進(jìn)口國轉(zhuǎn)為凈出口國，并使鋼產(chǎn)量達(dá)到世界總產(chǎn)量的三分之一。世界上先進(jìn)的主要產(chǎn)鋼國家的連鑄比已達(dá)到95%以上。至于設(shè)計(jì)產(chǎn)量，大型板坯或薄板坯連鑄機(jī)為100萬t/流，小方坯連鑄機(jī)為12萬t/流左右。鋼在這種由液態(tài)向固態(tài)的轉(zhuǎn)變過程中, 體系內(nèi)存在動量、熱量和質(zhì)量的傳輸, 相變、外力和應(yīng)力引起的變形, 這些過程均十分復(fù)雜, 往往耦合進(jìn)行或相互影響。3．科學(xué)的管理方法現(xiàn)代化的連鑄由多工序組成，時(shí)間性很強(qiáng)的生產(chǎn)作業(yè)線強(qiáng)化生產(chǎn)調(diào)度指揮系統(tǒng)，有效的生產(chǎn)組織網(wǎng)絡(luò)是保證連鑄穩(wěn)定性的基礎(chǔ)。近年來由于小斷面鑄坯鋼流保護(hù)澆注，電磁攪拌技術(shù)以及計(jì)算機(jī)過程控制等的發(fā)展和應(yīng)用，小方坯連鑄機(jī)也可生產(chǎn)合金鋼。與所澆注小斷面連鑄機(jī)配合的爐子容量愈大，需要的流數(shù)愈多。研究并改進(jìn)各個(gè)中間設(shè)備對提高連鑄坯質(zhì)量有重要意義?；瑒铀诠に嚹壳耙言谌澜绶秶鷥?nèi)得到普及，我國在鋼包上也基本上都安裝了滑動水口機(jī)構(gòu)[1~3]。防熱罩、防濺板：防止鋼水飛濺和熱輻射。由于滑板的移動是和水口連接在一起進(jìn)行的，并且整個(gè)機(jī)構(gòu)安裝在鋼包底部，所以稱之為鋼包滑動水口機(jī)構(gòu)[7~8]。 引流砂滑動水口引流料是充填在滑動水口上水口、上滑板流鋼孔中的不定形耐火材料。生產(chǎn)中，若填充料的狀態(tài)不好，則易使鋼包滑動水口堵塞，自然開澆率降低。由于連鑄生產(chǎn)的重要性，連鑄鋼包到中間包的下渣檢測技術(shù)成為目前研究的重點(diǎn)。因此拆除長水口后，肉眼觀察是否下渣時(shí)，往往下渣量已很大了，甚至流股變?yōu)槿鼤r(shí)，才能分辨出是否混渣，然后再關(guān)閉滑動水口，此時(shí)已有大量鋼渣進(jìn)人了中間包，為避免大量鋼渣進(jìn)人中間包情況發(fā)生，操作工不得不提前關(guān)閉水口，尤其對嚴(yán)格要求品質(zhì)的鋼種更是如此，這樣就造成鋼包中殘鋼量上升，降低了鋼水收得率，從而使經(jīng)濟(jì)效益降低。這種方法的優(yōu)點(diǎn)是系統(tǒng)可靠，能準(zhǔn)確反映出鋼渣含量。第一種是采用浸入式的超聲波探頭。而且超聲波探頭的工作溫度高達(dá)1500℃，系統(tǒng)的使用費(fèi)用比較高。它具有容量小、熱容小、熔點(diǎn)高及不易侵蝕耐材等特點(diǎn)。在發(fā)熱劑的選擇上我們考慮了兩種方案：一種方案是加入鋁粉另一種是采用焦炭粉和煤粉。圖6 連鑄工藝流程圖 中間包冶金技術(shù) 中間包的作用及冶金功能隨著對鋼質(zhì)量的要求越來越嚴(yán)格，以及在鋼包冶金方面的成功，已使人們不能再把中間包作為一個(gè)簡單的容器使用，而是力爭在中間包中進(jìn)一步去除夾雜物，并防止鋼液的再污染。通過上述冶金功能的實(shí)現(xiàn)，就進(jìn)一步凈化了進(jìn)入結(jié)晶器的鋼液清潔度。采用旋轉(zhuǎn)管閥進(jìn)行澆注，使中間包鋼液面降到更低而不損害鑄坯的質(zhì)量，提高鋼液收得率。6．中間包噴吹氣體技術(shù)。2．通過控流及過濾設(shè)備(包括壩、堰、導(dǎo)流板和過濾器)的優(yōu)化組合應(yīng)用，可以有效地控制鋼液的流動方向、流動模式和停留時(shí)間，更有利于夾雜物的上浮分離和過濾。采用各種形狀的中間包來達(dá)到多流澆注的要求，常見的中間包行裝有B型[27]、V型、T型、C型、H型等(如圖8)。隨著中間包冶金技術(shù)的不斷進(jìn)步，各種控流裝置也先后被開發(fā)出來。當(dāng)擋墻、擋壩靠近中間包鋼液入口時(shí)，加大了中間包內(nèi)的表面直接流，有利于夾雜物的上浮；當(dāng)它們靠近中間包水口時(shí)，鋼液在中間包內(nèi)的最小停留時(shí)間有所增加，但夾雜物上浮情況惡化。. Loury等人對Armco Kansas鋼鐵廠的六流T型中間包進(jìn)行了水模和數(shù)模實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)的中間包有兩種形式。當(dāng)從鋼包出來的高能量鋼液流沖擊到防湍流墊后，鋼流折返向上。 通用平板型 回流型 圓筒型圖13 各種形狀的防湍流裝置鄭淑國，朱苗勇以薄板坯連鑄中間包為研究對象，通過測定鋼液停留時(shí)間分布(RTD)曲線，研究了不同組合控流裝置對中間包流體流動特性的影響。1) 由于內(nèi)腔形狀不合理，使鋼液在中間包內(nèi)流動不合理和停留時(shí)間短，起不到凈化鋼水的作用。4．中間包水口控制裝置太單薄，不牢靠，難以準(zhǔn)確控制鋼液流量，使結(jié)晶器液面難以穩(wěn)定，常發(fā)生失控事故。因而現(xiàn)在T形中間包在連鑄較少采用。3) 鋼液去除夾雜的更直接方式——鋼液過濾技術(shù)八十年代以來，在高溫合金及某些鑄鐵中采用中間包安裝過濾器來過濾鋼液的技術(shù)得到較大進(jìn)展。根據(jù)拉坯方向斷面內(nèi)壁的線型，結(jié)晶器可分為直行結(jié)晶器和弧行結(jié)晶器；根據(jù)鑄坯的斷面形狀，結(jié)晶器可分為方坯、板坯、矩形坯、圓坯以及異行斷面結(jié)晶器；根據(jù)結(jié)構(gòu)形式，結(jié)晶器還可分為整體式、套管式和組合式三種。單孔直筒型水口一般僅用于斷面小的方坯。浸入式水口的內(nèi)徑是影響水口充滿率和射流角的主要因素。浸入式水口側(cè)孔的大小對結(jié)晶器內(nèi)流股的對稱性，孔徑過大，水口兩側(cè)鋼液流出量易失去平衡。同時(shí)水口出孔上部易產(chǎn)生倒吸，水口外壁面處的鋼液面波動較大。水口內(nèi)的偏流一般是因滑板控流或塞棒不對中所引起的。而采用圓形出孔時(shí)就不會發(fā)生此現(xiàn)象。本論將插入深度定義為液面到水口底端面的距離，記作h。 浸入式水口安裝角度ɑ對于多孔SEN，存在一個(gè)安裝角度的問題。隨著拉坯速度增加，結(jié)晶器內(nèi)流速隨之增大，鋼液面變得更加不穩(wěn)定，易卷渣，而鑄流穿透深度也增加，夾雜物上浮困難。結(jié)晶器電磁攪拌的作用可用圖19表示。柱狀晶即可折斷。圖20 結(jié)晶器保護(hù)渣被卷入鋼液示意圖1—結(jié)晶器；2—保護(hù)渣；3—結(jié)殼；4—注流；5—凝固殼 結(jié)晶器內(nèi)鋼液連鑄電磁攪拌技術(shù)作為電磁鑄造過程的一個(gè)重要分支，連鑄電磁攪拌技術(shù) (Electromagnetic Stirring簡稱EMS)是指在連鑄過程中，通過在連鑄機(jī)的不同位置處安裝不同類型的電磁攪拌裝置，利用所產(chǎn)生的電磁力強(qiáng)化鑄坯內(nèi)金屬液的流動，從而改善凝固過程的流動、傳熱及傳質(zhì)條件，以改善鑄坯質(zhì)量的一項(xiàng)電磁冶金技術(shù)。由于結(jié)晶器壁有良好的導(dǎo)電性，當(dāng)交變磁場穿過結(jié)晶器時(shí)，在結(jié)晶器壁內(nèi)產(chǎn)生很大的渦電流，磁場衰減劇烈，加上磁場橫穿結(jié)晶器壁的阻尼損失，使得電能利用率很低。S—EMS的經(jīng)驗(yàn)頻率是20—50Hz。凝固過程中，當(dāng)凝固殼受到拉伸形變時(shí)，由于柱狀組織對柱間裂紋的高敏感性，使得在整個(gè)澆鑄斷面上這種析出物進(jìn)一步增加。在連鑄過程中，提高鑄速是提高產(chǎn)量的重要手段。而且，出水口出流流股穿透深度增大后，夾雜物不易上浮，而形成夾雜缺陷。5．EMBR還具有良好的抑制