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電磁制動(dòng)技術(shù)在冶金應(yīng)用上的效果在板坯連鑄中，隨著拉坯速度的提高，從浸入式水口噴出的鋼流流速增大，使得鑄型內(nèi)產(chǎn)生強(qiáng)烈的湍流，同時(shí)彎月面波動(dòng)也比較劇烈，容易使夾雜物卷入，而且出水口的射流對(duì)鑄型的窄面的沖擊也很大，有可能使初生凝固殼發(fā)生重熔。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。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。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(duì)夾雜物的捕獲。為了提高板坯的質(zhì)量和產(chǎn)量，作為制造高質(zhì)量板壞的關(guān)鍵技術(shù)之一——電磁制動(dòng)技術(shù)越來(lái)越得到廣泛的關(guān)注[37]。圖22概述了M—EMS的冶金機(jī)理和效果。很顯然，通過(guò)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。電磁攪拌的基本功能是通過(guò)使鋼液產(chǎn)生強(qiáng)烈的運(yùn)動(dòng)而起到冰淇淋冷凍機(jī)的作用。按照小鋼錠結(jié)構(gòu)的形成機(jī)理，會(huì)導(dǎo)致中心部分的搭橋，阻礙鋼液的補(bǔ)充，從而導(dǎo)致中心縮孔和中心偏析。 結(jié)晶器電磁攪拌的冶金機(jī)理及效果[36]連鑄過(guò)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。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。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。此外，當(dāng)電磁力處于垂直于鑄坯軸線的平面內(nèi)時(shí)，鑄坯將會(huì)出現(xiàn)V型偏析。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。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)。為了解決這一問(wèn)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(chǎng)的穿透能力，經(jīng)驗(yàn)頻率是1—10Hz。結(jié)晶器電磁攪拌主要是在鋼水凝固初期，通過(guò)電磁攪拌作用，使初凝固殼趨于均勻并促進(jìn)夾雜物的上浮，對(duì)連鑄坯的表面及皮下質(zhì)量有良好的作用。圖 21為不同位置安裝攪拌器的示意圖。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(guò)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。 電磁攪拌器的工作原理電磁攪拌的原理與三相異步電動(dòng)機(jī)相似，當(dāng)攪拌器的三對(duì)定子繞組通入三相交流電后，產(chǎn)生一個(gè)旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)，該旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)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(chǎng)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(dòng)鋼液旋轉(zhuǎn)[34]。當(dāng)攪拌強(qiáng)度過(guò)大，而SEN的插入深度或出孔的下傾角不合適時(shí)，就極易發(fā)生如圖20所示的卷渣。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。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)。日本學(xué)者對(duì)斷面為145mm145mm方坯進(jìn)行了水模實(shí)驗(yàn)研究后發(fā)現(xiàn)，—，對(duì)應(yīng)的攪拌強(qiáng)度最理想。在此流速下，柱狀晶迎著流動(dòng)方向生長(zhǎng)，造成其不垂直于坯表面而發(fā)生傾斜。攪拌強(qiáng)度主要由鑄坯凝固前沿所需的流速來(lái)確定。相反，攪拌強(qiáng)度太大，攪拌過(guò)于激烈，坯殼可能會(huì)過(guò)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。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。故電磁攪拌也起到凈化鋼液、去除非金屬夾雜物的作用，減少樹枝晶凝固時(shí)形成的氣孔。而且，凝固前沿鋼液的溫度梯度變小，即加快了過(guò)熱度的降低，從而使鑄坯的晶粒細(xì)化，產(chǎn)品致密。 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。同時(shí)射流對(duì)結(jié)晶器壁面的沖刷加劇，進(jìn)而減慢了凝固殼的生長(zhǎng)速度。數(shù)學(xué)模型和水模型的結(jié)果表明：在一定的浸入深度下，拉速不同時(shí)，結(jié)晶器內(nèi)的流場(chǎng)基本相似，流場(chǎng)的基本特征沒(méi)有變，但對(duì)液面波動(dòng)、夾雜物行為和凝固傳熱影響卻較大。 結(jié)晶器寬度對(duì)流場(chǎng)的影響結(jié)晶器寬度是影響結(jié)晶器流場(chǎng)的重要因素，隨著結(jié)晶器寬度的增加，鋼液流股到達(dá)窄面的行程增加，由于鋼流在前進(jìn)中擴(kuò)散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。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)。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。對(duì)具體的結(jié)晶器和浸入式水口來(lái)說(shuō)，浸入深度必定有一個(gè)合適的范圍，在此范圍之內(nèi)，既能保證表面鋼流活躍、彎月面較活躍，又不至于表面波動(dòng)過(guò)大，同時(shí)也要能控制流股的沖擊深度，利于夾雜物上浮以及保證坯殼的均勻生長(zhǎng)。同時(shí)會(huì)造成向下的循環(huán)流股的整個(gè)區(qū)域下移，因此從中間包進(jìn)入結(jié)晶器的鋼液中的夾雜物上浮機(jī)會(huì)減少，并會(huì)有更多的高溫鋼液被帶到結(jié)晶器下部，結(jié)晶器內(nèi)整個(gè)鋼液熱流密度分布下移。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。研究發(fā)現(xiàn)水口的浸入深度對(duì)液面波動(dòng)和流股的沖擊深度有重要的影響。無(wú)論怎樣定義，浸入深度對(duì)結(jié)晶器內(nèi)的流場(chǎng)、結(jié)晶器液面波動(dòng)、坯殼的生長(zhǎng)以及夾雜的上浮都具有顯著的影響。而采用跑道形出孔時(shí)鋼液出流角度比出孔傾角要大，這將有利于鋼液面的平靜。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?？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。在出孔面積比S過(guò)小時(shí)，跑道形出孔的頂部會(huì)出現(xiàn)倒吸現(xiàn)象，造成鋼液不穩(wěn)定流動(dòng)。因此，從前者流出的鋼液速度降低得就快，對(duì)坯殼得沖刷相對(duì)就弱。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。設(shè)置的臺(tái)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(dòng)的對(duì)稱性和穩(wěn)定性。二是在水口內(nèi)壁設(shè)置臺(tái)階，限制偏流現(xiàn)象引起的水口出孔附近的倒吸現(xiàn)象(甚至卷渣)的發(fā)生，如圖18所示。采用該“X”形浸入式水口澆注的生產(chǎn)實(shí)踐表明：鑄坯中的激冷等軸晶、柱狀晶、心部等軸晶和旋轉(zhuǎn)流線非常明顯，沒(méi)有中心縮孔，鑄坯內(nèi)部質(zhì)量得到明顯改善。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。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。研究表明，使用凸型內(nèi)底的水口由于流股從水口上部向下沖到水口底部后，被水口底部的尖部直接劈開為兩部分，從而使流股在結(jié)晶器內(nèi)向下的沖擊速度變大，流股沖擊深度加深。不同的形狀將對(duì)鋼液流出狀態(tài)產(chǎn)生不同的影響[30]。