软接触电磁连铸结晶器内保护渣流动行为的研究进展

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软接触电磁连铸结晶器内保护渣流动行为的研究进展刘少寒1,2，韩毅华,2，杨帆1,2，朱立光1,2（1.华北理工大学冶金与能源学院，河北唐山 063000；2.河北省高品质钢连铸技术创新中心，河北唐…

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软接触电磁连铸结晶器内保护渣流动行为的研究进展

刘少寒^1,2，韩毅华^,2，杨帆^1,2，朱立光^1,2

（1.华北理工大学冶金与能源学院，河北唐山 063000；2.河北省高品质钢连铸技术创新中心，河北唐山 063000）

摘要：详细介绍了软接触电磁连铸技术的发展概况，综述了其连铸结晶器保护渣的流动行为及电磁场的基本原理，并从结晶器内钢液弯月面及渣道动压方面论述了软接触电磁连铸结晶器内保护渣流动行为的变化规律，以期为软接触电磁连铸技术的开发提供借鉴。

关键词：软接触；保护渣；流动行为；弯月面；渣道动压

Research progress of flow behavior of mold flux in soft contact electromagnetic continuous casting mold

LIU Shaohan^1,2, HAN Yihua^1,2, YANG Fan^1,2, ZHU Liguang^1,2

(1. College of Metallurgy and Energy, North China University of Science and Technology, 063210 Tang Shan, Hebei, China; 2. Hebei High Quality Steel Continuous Casting Technology Innovation Center, 063000 Tang Shan, Hebei, China.)

Abstract: This paper introduces the development of soft contact electromagnetic continuous casting technology in detail, summarizes the flow behavior of mold flux and the basic principle of electromagnetic field, and discusses the flow behavior of mold flux in soft contact electromagnetic continuous casting mold from the meniscus of molten steel and the dynamic pressure of slag channel, in order to provide reference for the development of soft contact electromagnetic continuous casting technology.

Key words: soft contact; mold flux; flow behavior; meniscus; dynamic pressure of slag channel

1 引言

软接触电磁连铸作为一项新的铸坯连铸技术，是将感应线圈布置到具有切缝式分瓣结构的结晶器上部，并通以交变电流，其产生的交变磁场将在熔池外表面产生感应电流，并与交变磁场相互作用产生垂直于铸坯表面指向液芯的电磁侧压力，当足以克服钢液产生的静压力时，可以有效减轻钢液与结晶器内壁的接触压力，并形成具有一定形状的弯月面，实现铸坯的软接触电磁连铸^[^1]。由于在电磁力作用下，结晶器内钢液弯月面形状会发生改变，保护渣渣道变宽，振动周期内保护渣渣道动压变化趋缓，使得液渣渗流通畅，铸坯润滑条件改善，传热均匀，拉坯阻力减小，表面振痕和裂纹缺陷减轻^[^1-4]。该技术现已成为连铸技术的研究热点，使生产无缺陷钢坯成为可能，可以满足连铸连轧对铸坯质量的要求^[5]。

采用该技术后，电磁力势必会使保护渣流动行为发生改变。目前，关于软接触电磁连铸结晶器内保护渣流动行为的研究，主要集中在结晶器内钢液弯月面形状及渣道动压两个方面。因此，本文从这两个方面入手，分析了保护渣流动行为在软接触电磁连铸结晶器内的变化，并对以往作者在该方面的研究进行了分析总结，以期能对软接触结晶器内保护渣的流动行为有一个新的认识。

2 结晶器内保护渣的流动行为

在连铸过程中，保护渣在钢液面上堆积形成粉渣层，如图1中A，防止钢水温降过大造成的钢液面结壳，起到绝热保温的作用^[6]。

随后，保护渣的温度逐渐升高，达到熔化温度，当熔化完全后会形成液渣层，如图1中B，覆盖到钢液面上，具有隔绝空气，防止钢水二次氧化的作用^[7]。此外，钢水中的夹杂物会上浮到钢渣界面并被液渣吸收，若夹杂物不能被顺利吸收，这些夹杂物会聚集在钢渣界面，被新生坯壳捕获，影响铸坯的表面质量^[8]。

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随着液渣从钢液面上的熔渣池流入初生坯壳与结晶器壁之间的间隙形成渣膜，靠近铸坯一侧的液渣在铸坯表面温度过高的作用下，仍然保持液渣状态，具有润滑铸坯的作用^[8]。但在结晶器纵向，液渣温度会随着铸坯表面温度的降低而降低，流变行为会发生改变而影响其润滑特性，这层液渣膜的流变行为决定了连铸保护渣润滑能力，如图1中C所示^[8]。

如图1中D，靠近结晶器铜壁一侧的渣膜在结晶器的强冷作用下凝固成玻璃态的固态渣膜，一定厚度和结构特征的固态渣膜可以起到控制传热的作用^[9]。玻璃态与液态之间，由于存在温度梯度，还会形成结晶态的固态渣膜，如图1中E，最终形成三层典型的渣膜结构：玻璃层、结晶层和液渣层，这个过程就是连铸保护渣的凝固结晶行为。保护渣的传热和润滑特性与保护渣的凝固结晶行为密切相关^[10]。

在保护渣的流动过程中，熔融保护渣流进结晶器与凝固坯壳之间，在坯壳表面会形成一层均匀的熔融态渣膜，可以减少拉坯阻力，均匀传热，减少因热应力集中所产生的裂纹^[^11]。

3 软接触电磁连铸结晶器内电磁场基本理论

在软接触电磁连铸过程中，电源频率的大小起着关键性作用。根据Maxwell方程可知^[^5]：

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4 软接触电磁连铸结晶器内钢液弯月面形状的研究

在连铸过程中，钢水与结晶器接触之后会形成一个半径很小的弯月面区域，由于钢液表面张力的作用，弯月面具有薄膜的弹性性能，可以抵抗剪切力，并在结晶器不断振动的情况下形成具有一定表面质量的凝固坯壳。在软接触电磁连铸过程中，钢水弯月面形状受到钢渣界面能、钢水静压力、电磁力、结晶器振动等诸多因素的影响。由于铸坯表面质量与坯壳初始凝固时的状态密切相关，而结晶器内弯月面的行为又对坯壳初始凝固时的状态有决定性的影响。因此，研究结晶器内钢液弯月面的形状对于提高连铸坯质量具有重要意义。

Nakata等^[13]通过有限元差分法计算了交变磁场作用下钢液弯月面的二维形状，研究了弯月面和磁感应强度之间的关系，还考虑了磁通线圈对导电电荷的穿透作用。发现弯月面高度与磁感应强度的平方成正比。结晶器内弯月面高度和磁感应强度均随磁场频率的增加而增加。在磁场作用下，弯月面的顶部不再与结晶器壁接触，使三相点位置下移。并且，弯月面隆起部分对初始坯壳的凝固几乎没有影响，改善了弯月面波动产生的铸坯表面缺陷。同时，还发现弯月面形状受到线圈位置的影响，并且磁场频率为2.28 kHz时的弯月面形状与频率在无穷大时非常相似，这进一步说明了，适当的线圈长度更有利于支撑弯月面。在使用较短线圈的情况下，磁场密度往往集中在外侧边缘。在均匀磁场或磁场作用下，弯月面形状会变为矩形。由于弯月面形状受线圈位置的影响很大，所以在确定线圈位置时，必须注意电磁的兼容性。

邓安元等^[¹⁴^]建立了软接触电磁结晶器内交变磁场和三维弯月面形状的耦合模型，模拟了方坯软接触结晶器内弯月面的三维形状，研究了弯月面形状的不均匀性。发现弯月面在切缝位置处变形较大，弯月面形状的变化受电流强度的作用比电源频率更明显，但电源频率不仅能增加弯月面高度，还有利于弯月面的稳定。同时，也发现弯月面变形的不均匀性随电流强度、电源频率增加而加剧。还发现，对于切缝为16的结晶器，调整切缝布置位置可使弯月面变形的均匀程度提高近77%。认为可通过增加切缝条数、减小切缝宽度、降低结晶器铜壁厚度以及调整结晶器切缝布置位置等措施提高弯月面变形的均匀性。并建议在实际应用中采用20 kHz以上的电源频率为宜。

张林涛等^[15]采用Sn-32%Pb-52%Bi低熔点合金作为钢液的模拟介质，对不同工艺参数下矩形坯软接触结晶器内的弯月面行为进行了研究。发现弯月面高度随电源功率的增加为增加，同时液面波动加剧。认为在实际生产中，为了提高弯月面高度和增强弯月面稳定性，应将线圈尽量靠近结晶器口部位置安装。在浇注过程中, 应使浇注液面尽可能控制在线圈中心偏上的位置。当电源频率增加时, 应适当增加电流以保证软接触效果。王朝阳等^[¹⁶^]也得出了类似结论。徐秀杰等^[¹⁷^]同样采用了Sn-Pb-Bi低熔点合金，模拟研究了高频电磁场作用下切缝式结晶器内钢液弯月面的行为。研究发现，弯月面行为受高频磁场的作用效果较为明显，并认为线圈应安装于结晶器切缝区域的中心。在20-30kHz范围内增加磁场频率可以有效提高弯月面高度，但当磁场频率超过30kHz后，弯月面高度的增加幅度并不明显。

5 软接触电磁连铸结晶器内保护渣渣道动压的研究

在连铸过程中，振痕的形成与结晶器振动时弯月面与结晶器壁之间的保护渣渣道动压有关^[^18]。渣道动压变化越大，振痕越明显。影响保护渣渣道动压变化的两个主要因素是保护渣的渣道形状和渣道宽度。渣道宽度本身处于10^-2-10^-1mm数量级，难以用实验手段对其进行精确的测量。

Miyoshino等^[^19]通过Sn-10%Pb合金模拟研究了液态金属在交流磁场中的磁流体力学行为。发现电磁力作用于结晶器早期凝固区时，结晶器周围的感应线圈明显减小了振痕深度。并认为这是由于渣道动压的降低以及电磁压力引起的渣道宽度增加导致的。

雷作胜等^[⁵^]通过构建数学模型，对软接触结晶器内渣道动压的变化进行了研究。发现保护渣渣道动压随结晶器外磁感应强度的增大而减小，这也说明该技术的应用可以改善铸坯表面质量。还发现，磁场强度并不能无限制地减小保护渣渣道动压，考虑到弯月面的稳定性，磁场强度在有限的范围内存在一个最佳值。

杨帆等^[20]通过构建数学模型，对高频磁场下结晶器内渣道动压的变化进行了研究。发现高频磁场作用下，保护渣道最大正、负压力都减小，并且减小幅度随磁感应强度的增大而越大，减小了正负压差，从而减轻了振痕、改善了铸坯表面质量。同时，也得出磁感应强度只能在有限的范围内减小正负压差，并认为磁感应强度在35-45mT下减小较为明显。

6 结论

（1）为了达到软接触状态，在软接触电磁连铸过程中须选用高频磁场。

（2）结晶器内弯月面高度随磁感应强度和磁场频率的增加而增加，同时液面波动加剧。在磁场作用下，初始弯月面不再与结晶器壁接触，使三相点位置下移。

（3）为了提高弯月面高度、增强弯月面稳定性，建议将线圈尽量靠近结晶器口部的切缝区域位置安装。可通过增加切缝条数、减小切缝宽度、降低结晶器铜壁厚度以及调整结晶器切缝布置位置等措施提高弯月面变形的均匀性。

（4）在实际生产中建议采用20-30kHz的电源频率，35-45mT的磁感应强度。当电源频率增加时, 建议适当增加电流以保证软接触效果。在浇注过程中, 建议浇注液面尽可能控制在线圈中心偏上的位置。

（5）渣道动压随结晶器外磁感应强度的增大而减小，由于渣道动压的降低以及渣道宽度的增加，振痕深度明显减小，改善了铸坯表面质量。

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