CN108500227A - 用于板坯连铸生产的结晶器流场电磁控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种用于板坯连铸生产的结晶器流场电磁控制方法，采用多套电磁搅拌器来控制结晶器流场，该电磁搅拌器为行波磁场发生器，在结晶器宽面（9）的上部区域、以及结晶器窄面（3）的下部区域分别配置有电磁搅拌器，上部电磁搅拌器（4）安装于水口（2）出口上沿上方至弯月面（1）之间，下部电磁搅拌器（7）安装于水口侧孔吐出流股与窄面的冲击点下方；上、下部电磁搅拌器分别通过电源供电，且分别独立控制电流强度。下部电磁搅拌器铁芯上沿与以水口出口上沿为起点、水口出口角度为角度所作直线（6）与结晶器窄面交点位于同一高度，搅拌线圈搅拌方向由下至上，与下环流沿窄边的流股（5）方向相反，用于削弱下环流流股的冲击深度。
Description
技术领域
本发明涉及一种板坯连铸生产的结晶器控制技术，尤其涉及一种用于板坯连铸生产的结晶器流场电磁控制方法。
背景技术
板坯连铸过程中，钢水通过浸入式水口进入连铸结晶器，钢水流股在冲击结晶器窄面后分别向上下两个方向流动，从而在结晶器内形成上下两个环流。上环流支配着结晶器弯月面附近的钢水流动，影响着保护渣熔融、铺展及保护渣的卷吸；下环流的冲击深度支配着夹杂物和气泡上的上浮分离。因此，必须从以下两个方面对结晶器内的钢水流动进行控制：（1）必须稳定弯月面，降低沿凝固前沿上升的反转流动，使弯月面下保持适当的水平流速。流速太快易引起弯月面波动，导致保护渣卷吸，在铸坯内部被捕获而成为内部和皮下缺陷；流速太慢，弯月面附近初期凝固发达，夹杂物和气泡被凝固面前端的凝固钩捕获而成为表面缺陷。（2）必须防止从浸入式水口侧孔吐出的向下流股侵入液相穴深处，以有利于夹杂物和气泡的上浮分离。电磁力具有非接触、无污染的优点，在控制结晶器内钢水流动方面得到了广泛的使用。目前普遍采用的有结晶器电磁搅拌技术与结晶器电磁制动技术。
电磁搅拌技术是借助在铸坯液相穴内感生的电磁力强化液相穴钢水的运动，由此强化钢水的对流、传热和传质过程，从而控制铸坯的凝固过程，起到改善铸坯质量的作用。电磁搅拌器主要包括搅拌线圈和铁芯。日本专利JP57017355A公开了一种针对板坯的行波电磁搅拌器，沿板坯结晶器宽边的两侧分别布置一个线性搅拌器，两个搅拌器的搅拌方向相反，因此能够在结晶器内形成一个完整的环流。中国专利CN96121903.3提出沿板坯结晶器宽边的两侧各布置两个搅拌器，每侧的两个搅拌器分别覆盖1/2个结晶器宽面。与传统的环形搅拌相比，具有一定的可调性，能够适应更多的工况条件。中国专利CN200910302486.3提出将结晶器内至少分为4个磁场区域，通过组合，可实现单一旋转、电磁减速、电磁加速、两区旋转和四区旋转这五种搅拌模式的感应器。后两种搅拌器在实质上与第一种搅拌器仅仅是结构上的差别，原理均一致。上述单独使用电磁搅拌的技术，可以在结晶器内形成水平方向的环流，稳定弯月面附件的钢水流速，但是无法降低从浸入式水口侧孔吐出的向下流股侵入液相穴的深度，无法改善此处非金属夹杂物以及气泡的上浮条件。
针对高拉速时水口吐出流股冲击较深的问题，人们开发了电磁制动技术，通过施加一个静磁场于高速运动的钢水，通过感应产生的洛伦茨力降低其绝对速度，从而降低钢液冲击深度，进而改善此处非金属夹杂物以及气泡的上浮条件。将该技术与电磁搅拌一起使用，充分利用两种技术的特点、发挥两种技术的优点的使用方法也不断涌现。中国专利CN201080019323、CN201080019325采用下部制动、上部搅拌的方法，在板坯连铸生产过程中，组合使用了这两种技术。但是，电磁制动技术是一种“被动”技术，依靠钢水切割磁感线产生的电磁力来进行制动，制动力的大小在很大程度上依赖于钢水流速的大小，只有在拉速非常高、钢水流速非常高的情况下，对钢水的冲击深度能起到一定的改善作用；对于中高拉速的板坯生产工艺而言，其作用有限。当钢水流速一定时，如果要进一步提升制动的电磁力，只能依靠提高静磁场强度来解决，这对电磁制动电源、线圈的制作等大大增加了难度。中国专利CN1266759A、CN1302703A采用下部搅拌、上部制动的方法，其目的是利于电磁搅拌技术改善凝固质量，利用电磁制动技术稳定液面波动。将电磁搅拌器置于结晶器水口下方，沿结晶器水平方向的电磁力与水口侧孔吐出的斜向下流股相互作用，是否有利于铸坯质量的改善还有待验证，但是对降低水口侧孔吐出流股的冲击深度作用相当有限，也无法有效的改善结晶器内非金属夹杂物以及气泡的上浮条件。
发明内容
本发明的目的在于提供一种用于板坯连铸生产的结晶器流场电磁控制方法，该方法通过在结晶器的局部位置合理的布置电磁搅拌器，从而控制结晶器内钢水流动，有效的减少下环流的冲击深度，改善非金属夹杂物和气泡的上浮条件，达到提高铸坯质量的目的。
为了实现上述技术方案，本发明采用如下技术方案：
一种用于板坯连铸生产的结晶器流场电磁控制方法，采用多套电磁搅拌器来控制结晶器流场，该电磁搅拌器为行波磁场发生器，在结晶器宽面的上部区域、以及结晶器窄面的下部区域分别配置有电磁搅拌器，上部电磁搅拌器安装于水口出口上沿上方至弯月面之间，下部电磁搅拌器安装于水口侧孔吐出流股与窄面的冲击点下方；上、下两个电磁搅拌器分别通过两套电源供电，且可分别独立控制电流强度。
所述上部电磁搅拌器在结晶器宽面两侧的磁场分别带动钢水作相对水平运动，上部电磁搅拌覆盖水口出口上沿至弯月面之间的区域，覆盖比例大于0.75，即上部电磁搅拌器铁芯高度与水口出口上沿至弯月面之间的距离之间的比值大于0.75。
所述下部电磁搅拌器为两组搅拌线圈，分别位于结晶器窄面一侧，下部电磁搅拌器铁芯上沿与以水口出口上沿为起点、水口出口角度为角度所作直线与结晶器窄面的交点位于同一高度，各组搅拌线圈的搅拌方向由下至上，与下环流沿窄边的流股方向相反，用于削弱下环流流股的冲击深度。
当板坯宽度发生变化时，水平方向上，所述下部电磁搅拌器与结晶器调宽铜板一起移动；竖直方向上，所述下部电磁搅拌器利用升降机构调整上下位置，使下部电磁搅拌器上沿始终与以水口出口上沿为起点，水口出口角度为角度所作直线与结晶器窄面的交点处于同一高度。
所述下部电磁搅拌器为四组搅拌线圈，每个结晶器宽面两组搅拌线圈，同一结晶器宽面的两组搅拌线圈分别靠近结晶器两个窄面，且以结晶器的垂直中心线为轴对称布置；靠近同一结晶器窄面的、分别位于结晶器两个宽面的两组搅拌线圈，呈面对面布置；下部电磁搅拌器铁芯上沿与以水口出口上沿为起点、水口出口角度为角度所作直线与结晶器窄面的交点位于同一高度，各组搅拌线圈的搅拌方向均由下至上，与下环流沿窄边的流股方向相反，用于削弱下环流流股的冲击深度。
当板坯宽度发生变化时，水平方向上，所述下部电磁搅拌器保持搅拌线圈与结晶器调宽铜板的相对位置恒定；在竖直方向上，所述下部电磁搅拌器保持搅拌线圈的铁芯上沿与以水口出口上沿为起点，水口出口角度为角度所作直线与结晶器窄面的交点处于同一高度。
本发明用于板坯连铸生产的结晶器流场电磁控制方法针对连铸生产拉速较高时，水口出口流股冲击过深、不利于非金属夹杂物和气泡上浮的现象，根据连铸生产时结晶器内的双环流结构，在结晶器窄边的局部位置有针对性地施加电磁场，从而最大程度减小水口出口流股冲击深度，改善结晶器内非金属夹杂物和气泡的上浮条件，减少其被凝固初始坯壳捕获的几率，提高连铸坯质量。
采用本发明的结晶器流场电磁控制方法对结晶器内的钢水流动状态进行控制，利用下部的电磁搅拌器主动降低下环流的冲击深度，有利于非金属夹杂物和气泡的上浮；相比下部采用电磁制动技术被动降低下环流流速及冲击深度而言，采用电磁搅拌技术主动施加电磁力，具有参数调节范围广、操作灵活、掌握生产主动权等优点。可以根据不同的拉速工艺，调节上、下电磁搅拌器的励磁电流，从而在更大流速区间内对结晶器内的钢液流场进行主动调节，达到较优的电磁控流效果，最终可以获得优质的连铸坯。
本发明用于板坯连铸生产的结晶器流场电磁控制方法，着眼于结晶器内的流场改善，通过在结晶器的不同局部位置合理的布置多个电磁搅拌器，达到优化结晶器内流场的作用，进而提高连铸坯的质量。该方法能根据实际的连铸工艺，例如不同的钢种和拉速，主动的调节结晶器内的钢水流动状态，能在更广的速度范围内对流场进行调节，主动性强，有较广泛的使用前景。
附图说明
图1为本发明用于板坯连铸生产的结晶器流场电磁控制方法示意图；
图2为本发明的结晶器流场电磁控制方法的电磁搅拌器一种布置形式的三维示意图；
图3为本发明的结晶器流场电磁控制方法的电磁搅拌器另一种布置形式的三维示意图。
图中：1弯月面，2水口，3结晶器窄面铜板（调宽铜板），4上部电磁搅拌器，5钢液冲击流股，6以水口出口上沿为起点、水口出口角度为角度所作直线，7下部电磁搅拌器（搅拌线圈），8液压升降机构，9结晶器宽面。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明。
参见图1、图2和图3，一种用于板坯连铸生产的结晶器流场电磁控制方法，采用多套电磁搅拌器来控制结晶器流场，该电磁搅拌器为行波磁场发生器，电磁搅拌器主要包括搅拌线圈和铁芯，该电磁搅拌器包括上部电磁搅拌器4和下部电磁搅拌器7；在结晶器宽面9的上部区域配置有上部电磁搅拌器4，在结晶器窄面3的下部区域配置有下部电磁搅拌器7，上部电磁搅拌器4安装于水口2出口上沿上方至弯月面1之间，下部电磁搅拌器7安装于水口2侧孔吐出流股与窄面3的冲击点下方。上、下两个电磁搅拌器4、7分别通过两套电源供电，且可分别独立控制电流强度。通过在结晶器的局部位置合理的布置电磁搅拌器，从而控制结晶器内钢水流动，有效的减少下环流的冲击深度，改善非金属夹杂物和气泡的上浮条件，减小其被凝固初始坯壳捕获的几率，达到提高铸坯质量的目的。
所述上部电磁搅拌器4在结晶器宽面9两侧的磁场分别带动钢水作相对水平运动，该结晶器为板坯结晶器，上部电磁搅拌覆盖水口出口上沿至弯月面之间的区域，覆盖比例大于0.75，即上部电磁搅拌器4铁芯高度与水口2出口上沿至弯月面1之间的距离之间的比值大于0.75。
对于下部电磁搅拌器7的结构，有两种布置形式。一种布置形式方式是，参见图2，所述下部电磁搅拌器7为两组搅拌线圈，分别位于结晶器的窄面3一侧，下部电磁搅拌器7铁芯上沿与以水口出口上沿为起点、水口出口角度为角度所作直线6与结晶器窄面3的交点位于同一高度，各个搅拌线圈的搅拌方向均由下至上，与下环流沿窄边的流股5方向相反，用于削弱下环流流股5的冲击深度。
在生产过程中，当板坯规格即板坯宽度发生变化时，水平方向上，所述下部电磁搅拌器7与调宽铜板3一起移动；竖直方向上，所述下部电磁搅拌器7利用液压升降机构8调整上下位置，使下部电磁搅拌器7上沿始终与以水口出口上沿为起点，水口出口角度为角度所作直线6与结晶器窄面3的交点处于同一高度。
另一种下部电磁搅拌器的布置形式是，参见图3，所述下部电磁搅拌器7为四组搅拌线圈，每个结晶器宽面9两组搅拌线圈，同一宽面的两组搅拌线圈分别靠近结晶器两个窄面3，且以结晶器的垂直中心线为轴对称布置；靠近结晶器同一窄面的、分别位于结晶器两个宽面的两组搅拌线圈，呈面对面布置；下部电磁搅拌器7铁芯上沿与以水口出口上沿为起点、水口出口角度为角度所作直线6与结晶器窄面3的交点位于同一高度，各个搅拌线圈的搅拌方向均由下至上，与下环流沿窄边的流股5方向相反，用于削弱下环流流股5的冲击深度。
在生产过程中，当板坯规格即板坯宽度发生变化时，利用液压升降机构8调整搅拌线圈的位置。在水平方向上，所述下部电磁搅拌器7保持搅拌线圈与调宽铜板3的相对位置恒定；在竖直方向上，所述下部电磁搅拌器7保持搅拌线圈的铁芯上沿与以水口出口上沿为起点，水口出口角度为角度所作直线6与结晶器窄面3的交点处于同一高度。
所述上部电磁搅拌器4在位于结晶器宽面铜板9前沿15mm处的平均磁感应强度>0.065T，并可根据工况条件调节其大小；电磁搅拌频率介于1～6Hz之间，下部电磁搅拌器7位于结晶器窄面调宽铜板3前沿15mm处的平均磁感应强度>0.1T，并可根据工况条件调节其大小。
实施例
生产条件：生产拉速1.6m/s、宽度1450mm、厚度230mm的IF钢板，水口插入深度（即弯月面至水口上沿的距离）为190mm，水口外径80mm、与自身轴线呈75°倾角。针对这种工况条件，利用本发明的方法，在结晶器多个局部同时使用电磁搅拌器，合理的调节结晶器内的流场。
沿结晶器宽面上部安装结晶器电磁搅拌器铁芯高度为150mm，安装位置位于水口出口上沿与弯月面之间，搅拌有效区域覆盖比例大于0.75。沿结晶器窄边下部安装两个电磁搅拌装置，电磁制动铁芯上沿距离水口吐出孔上沿为180mm。
生产过程中，开启上部电磁搅拌器，电磁搅拌器的频率为5Hz，电磁搅拌器产生的行波磁场在结晶器宽面铜板前沿15mm处平均磁感应强度达到700Gauss左右。电磁搅拌器在结晶器内钢水中感应产生电磁力，并驱动钢水沿结晶器铜板宽面运动，在水平方向上形成一个钢水环流。这种钢水运动可以冲刷带走凝固坯壳前沿的夹杂物和气泡，促进它们上浮至弯月面，减少了凝固坯壳中夹杂物和气泡等缺陷含量。由图1和图2可以看出，总体上而言，搅拌所产生的钢水流动方向与水口出流钢水所产生的环流方向互不干涉，因此实际生产过程中可以获得很好的工艺稳定性。实际生产过程中也可以根据工况条件的变化，有针对性地控制好电磁搅拌参数从而控制钢水的运动速度，最终达到理想的搅拌效果。
针对本例中的生产条件，生产过程中，同时还需开启下部电磁搅拌器，下部电磁搅拌器产生的行波磁场在结晶器窄面调宽铜板前沿15mm处平均磁感应强度达到1000Gauss左右以上。下部电磁搅拌器的主要作用是减缓下环流钢水流股的流速，在本发明中起到主动减小钢水向下冲击深度的作用。下环流冲击深度的减小与下环流流速的降低大大改善了钢水中非金属夹杂物和气泡的上浮条件，从而有利于非金属夹杂物和气泡的上浮，减少了它们被凝固坯壳捕获的几率，进而提高了最终连铸坯的质量。相比于下部采用电磁制动的连铸工艺而言，下部采用电磁搅拌器可以在更大流速区间内对结晶器内的钢液流场进行主动调节，取得更好的冶金效果。
以上仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围，因此，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (6)
1.一种用于板坯连铸生产的结晶器流场电磁控制方法，其特征是：
采用多套电磁搅拌器来控制结晶器流场，该电磁搅拌器为行波磁场发生器，在结晶器宽面的上部区域、以及结晶器窄面的下部区域分别配置有电磁搅拌器，上部电磁搅拌器安装于水口出口上沿上方至弯月面之间，下部电磁搅拌器安装于水口侧孔吐出流股与窄面的冲击点下方；上、下两个电磁搅拌器分别通过两套电源供电，且可分别独立控制电流强度。
2.根据权利要求1所述的用于板坯连铸生产的结晶器流场电磁控制方法，其特征是：所述上部电磁搅拌器在结晶器宽面两侧的磁场分别带动钢水作相对水平运动，上部电磁搅拌覆盖水口出口上沿至弯月面之间的区域，覆盖比例大于0.75，即上部电磁搅拌器铁芯高度与水口出口上沿至弯月面之间的距离之间的比值大于0.75。
3.根据权利要求1或2所述的用于板坯连铸生产的结晶器流场电磁控制方法，其特征是：所述下部电磁搅拌器为两组搅拌线圈，分别位于结晶器窄面一侧，下部电磁搅拌器铁芯上沿与以水口出口上沿为起点、水口出口角度为角度所作直线与结晶器窄面的交点位于同一高度，各组搅拌线圈的搅拌方向由下至上，与下环流沿窄边的流股方向相反，用于削弱下环流流股的冲击深度。
4.根据权利要求3所述的用于板坯连铸生产的结晶器流场电磁控制方法，其特征是：当板坯宽度发生变化时，水平方向上，所述下部电磁搅拌器与结晶器调宽铜板一起移动；竖直方向上，所述下部电磁搅拌器利用升降机构调整上下位置，使下部电磁搅拌器上沿始终与以水口出口上沿为起点，水口出口角度为角度所作直线与结晶器窄面的交点处于同一高度。
5.根据权利要求1或2所述的用于板坯连铸生产的结晶器流场电磁控制方法，其特征是：所述下部电磁搅拌器为四组搅拌线圈，每个结晶器宽面两组搅拌线圈，同一结晶器宽面的两组搅拌线圈分别靠近结晶器两个窄面，且以结晶器的垂直中心线为轴对称布置；靠近同一结晶器窄面的、分别位于结晶器两个宽面的两组搅拌线圈，呈面对面布置；下部电磁搅拌器铁芯上沿与以水口出口上沿为起点、水口出口角度为角度所作直线与结晶器窄面的交点位于同一高度，各组搅拌线圈的搅拌方向均由下至上，与下环流沿窄边的流股方向相反，用于削弱下环流流股的冲击深度。
6.根据权利要求5所述的用于板坯连铸生产的结晶器流场电磁控制方法，其特征是：当板坯宽度发生变化时，水平方向上，所述下部电磁搅拌器保持搅拌线圈与结晶器调宽铜板的相对位置恒定；在竖直方向上，所述下部电磁搅拌器保持搅拌线圈的铁芯上沿与以水口出口上沿为起点，水口出口角度为角度所作直线与结晶器窄面的交点处于同一高度。
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