冶金行业板坯连铸结晶器电磁控流技术

板坯连铸结晶器电磁控流技术板坯连铸结晶器电磁控流技术随着连铸技术的发展和连铸比的提高，高质量铸坯和高生产率已成为当今板坯连铸技术追求的目标。尤其是汽车、家用电器、造船、管线、建筑等用钢量较大的用户，都要求加工性能好的高质量板材的稳定供应。为满足这一要求，近年来连铸技术的发展要求获得各种稳定浇注生产率的高质量板坯的技术，特别致力于减少表面和内部缺陷来生产高质量的最终产品。从1980年代起，以实现高生产率的技术为背景，已意识到结晶器内钢水流动控制技术，对实现连铸机的高质量板坯和高生产率具有重大影响。为此从1980年开始，各国都强化努力发展各种板坯连铸结晶器电磁控流技术。目前处于实用的结晶器电磁控流技术大致可以分成两类：一类是利用行波磁场（AC型）强化钢水流动的“搅拌效应”如MEMS和EMLA/EMLS；另一类是利用恒定磁场（DC型）制动流股使其减速的“制动效应”如EMBr、LMF、FCMold。前者着眼于控制板坯的表面和皮下质量。后者着眼控制板坯内部质量。2022-7-1321、前言用心铸造世界22022-7-133用心铸造世界2022-7-1332、板坯连铸结晶器钢水流动控制的重要性用心铸造世界 图图1 板坯结晶器内钢水流动现象板坯结晶器内钢水流动现象2.1 当今板坯连铸结晶器内钢水流动的主要问题：图图1表示板坯结晶器内钢水流动现表示板坯结晶器内钢水流动现象。由图可见象。由图可见 从从SEN侧孔吐出的流股带侧孔吐出的流股带着气泡和夹杂物高速冲击窄面，使坯壳重着气泡和夹杂物高速冲击窄面，使坯壳重熔，甚至造成漏钢、表面和皮下裂纹。熔，甚至造成漏钢、表面和皮下裂纹。沿窄面的凝固面前沿向上反转流股使窄沿窄面的凝固面前沿向上反转流股使窄面附近的弯月面拱起，引起弯月面波动加面附近的弯月面拱起，引起弯月面波动加剧，导致保护渣卷吸而被初生坯壳的凝固剧，导致保护渣卷吸而被初生坯壳的凝固钩捕获，形成表面和皮下夹杂；波动的传钩捕获，形成表面和皮下夹杂；波动的传播导致保护渣铺展不匀，易产生，表面和播导致保护渣铺展不匀，易产生，表面和皮下裂纹。皮下裂纹。向下流股侵入液相穴深处，由于注速高，向下流股侵入液相穴深处，由于注速高，流股速度超过流股下方液相穴中气泡和夹流股速度超过流股下方液相穴中气泡和夹杂物的上浮速度，这些夹杂物和气泡的上杂物的上浮速度，这些夹杂物和气泡的上浮被高速流股所阻断，使气泡和夹杂物不浮被高速流股所阻断，使气泡和夹杂物不能上浮，而在板坯内弧的能上浮，而在板坯内弧的1/4夹杂带偏聚。夹杂带偏聚。图2 表示结晶器内流动控制的基本现象及其控制概念。2022-7-1342、板坯连铸结晶器钢水流动控制的重要性用心铸造世界基本现象基本现象影响因素影响因素控制概念控制概念保护渣型夹杂物的产生保护渣型夹杂物的产生弯月面下的流速和弯月弯月面下的流速和弯月面的稳定性等。面的稳定性等。限制流速的最大值限制流速的最大值夹杂物和夹杂物和ArAr气泡的卷吸气泡的卷吸弯月面下的流速等弯月面下的流速等行波磁场的水平电磁搅拌行波磁场的水平电磁搅拌夹杂物和夹杂物和ArAr气泡的侵入气泡的侵入向下流速和偏流向下流速和偏流恒定磁场的电磁制动恒定磁场的电磁制动图2 结晶器内流动控制的基本现象和控制概念板坯结晶器内钢水流动控制的主要目的是：控制弯月面下的水平流速和增加凝固前沿的钢水流速，减少表面和皮下的夹杂物和气泡。最佳弯月面下的流速为0.12-0.2m/s，而最佳凝固前沿的流速为0.200.40m/s。借助结晶器内的流动控制，提高弯月面附近的温度并使结晶器内温度分布均匀化，使初始凝固和弯月面处凝固起始点降低，缩短凝固钩长度，使坯壳生长均匀，减少表面裂纹和稳定操作。结晶器内的流动控制，减轻了结晶器振动引起的初生坯壳端部附近流动的变化，这些流动的微小变化易使气泡和夹杂物被凝固钩捕获；在结晶器SEN内，在浇铸过程的多数场合需要吹入Ar气，防止SEN被氧化铝阻塞，因而，夹杂物、卷入的熔融保护渣和Ar气泡受弯月面下流速和SEN吐出的流速所左右，成为种种内部和表面缺陷的重要原因；由于结晶器宽度尺寸的变化而产生的流动的变动也是发生大的缺陷的主要原因。例如由于向SEN内吹Ar气，使SEN两侧的流速有大的振荡即偏流；由于SEN底部形状使从SEN中的吐出流在时间上也有大的振荡，因此不仅要求平均流速而且其随时间的变动都要适当。2022-7-1352.2 结晶器内钢水流动控制的目的用心铸造世界简单地说，从SEN吐出的流股以较高的速度冲向结晶器窄面，碰到窄面的坯壳后，产生向上反转流动和窄面附近弯月面的拱起，前者造成弯月面下钢水的较高流速，后者产生弯月面的驻波，从结晶器边缘向中心传播，这些都引起弯月面处的波动和液面位置的变化，当拉速增加时，弯月面处的流动加剧，弯月面波动也随之加大。借助水模试验和流动的动量平衡，导出SEN吐出的流股速度、弯月面下流速和弯月面波高与F值的关系，见图3。2022-7-1362.3 结晶器内弯月面波动控制的准数用心铸造世界图图3 板坯结晶器内钢水流板坯结晶器内钢水流动判据（动判据（F值值）由图3可见，测定流般的冲击角度及其冲击深度，可以根据下式定义的弯月面波动指数 F=（1）由图4可见，当F值太大时，弯月面下流速和弯月面波动也大，容易发生卷渣，当F值太小时，悬浮在结晶器内钢水中的非金属夹杂物如保护渣和脱氧产物，很容易被凝固面前沿捕获，这就是F值位于优化区域外会增加铸坯的夹杂物缺陷的原因。2022-7-137用心铸造世界图图4 冷轧板卷表面缺陷频率和冷轧板卷表面缺陷频率和F值的关系值的关系3.1 主要模式从1980年代初起，对利用电磁力的非接触控制技术进行了广泛深入的研究开发并实用化，其中有代表性的是：1981年新日铁（NSC）的基于双边行波磁场的结晶器电磁搅拌技术，见图5。至1999年，新日铁几乎所有板坯连铸机配备了MEMS。我国宝钢、神户钢厂和台湾中钢公司等也都引进了新日铁的MEMS。2022-7-1383、结晶器内钢水流动控制技术的主要模式用心铸造世界图图5 板坯结晶器电磁搅板坯结晶器电磁搅拌技术拌技术1982年由川崎制钢（KSC）和ASEA（ABB）基于直流磁场的结晶器电磁制动技术。该技术先后开发了三种类型：局部区域磁场（EMBr）、全幅一段磁场（LMF）、全幅二段磁场（FC moldFlow control mold），见图6。2022-7-139用心铸造世界图图6 板坯结晶器电磁板坯结晶器电磁mjjhuuhjhjhj制制动构形示意图动构形示意图1991年由日本钢管（NKK）基于四个行波磁场的流动控制技术，即可以加速的电磁水平加速器（EMLA），或减速的电磁水平稳定器（EMLS）。21世纪初，由NKK和Rotelec在上述基础上开发的多模式电磁搅拌技术MMEMS(Mult Mode EMS)即EMLS、EMLA和EMRS等，见图7。2022-7-1310用心铸造世界图图7 板坯结晶器多模式电磁控流技术板坯结晶器多模式电磁控流技术三种电磁流动控制技术的主要特点见表1。表1 各种流动控制技术的重要特点第四级2022-7-13113.2 三种电磁流动控制技术的主要特点用心铸造世界MEMSMEMSEMBrEMBrMM-EMSMM-EMS搅搅拌拌器器配置方式配置方式沿板坯宽面配置两台搅沿板坯宽面配置两台搅拌器拌器沿板坯宽面配置两台制沿板坯宽面配置两台制动器动器沿板坯宽面配置四台搅沿板坯宽面配置四台搅拌器拌器安装位置安装位置介于弯月面和水口侧孔介于弯月面和水口侧孔之间之间水口侧孔吐出的流股主水口侧孔吐出的流股主流处流处结晶器半高处结晶器半高处磁场形态磁场形态行波磁场行波磁场恒定直流磁场恒定直流磁场行波磁场行波磁场电电 源源低频、三相低频、三相直流直流低频、两相低频、两相流动形态流动形态加速钢水使其水平旋转加速钢水使其水平旋转制动从侧孔吐出的流股，制动从侧孔吐出的流股，使其减速使其减速可使钢水加速或减速或可使钢水加速或减速或水平旋转水平旋转控制特征控制特征能动控制能动控制被动控制被动控制能动控制能动控制对结晶器要求对结晶器要求低电导率的薄铜板低电导率的薄铜板常规铜板常规铜板低电导率薄铜板低电导率薄铜板主要应用范围主要应用范围中厚板、低拉速中厚板、低拉速薄板坯、高拉速薄板坯、高拉速中厚板坯、高拉速中厚板坯、高拉速4.1 MEMS的流场和电磁力和流动特征4.1.1 电磁力的产生当电磁搅拌器馈给多相（两相或三相）交流电时，就在其中激发向一个方向行进的行波磁场，该磁场不仅有一定的运动速度和强度，而且还有方向的交替变化。当它渗透到钢水中就会在其中产生感应电流，该感应电流与当地磁场相互作用，就在钢水中产生电磁力：（2）电磁力是体积力，作用在钢水的每个体积元上，从而推动钢水运动。其电磁力的特征是：电磁力的方向始终与行波磁场方向相一致；也与钢水运动方向相一致；即使钢水的流速，仍然有电磁力作用在钢水中，仍然可以借助电磁搅拌控制钢水的流动，因此，MEMS具有主动控制的特征。2022-7-13124、板坯连铸结晶器电磁搅拌（MEMS）技术用心铸造世界4.1.2 水平旋转搅拌的电磁力旋涡和流动特征在两个宽面即F（固定）面和L（可动）面上配置一对行波磁场搅拌器，其行波磁场方向相反，因而流动方向也相反，使钢水形成一个大环流，故称水平旋转搅拌，见图8，在不同的板宽和拉速下，其流动的形貌是相似的，无论在高拉速或低拉速下，沿宽面的流动是均匀的。2022-7-1313用心铸造世界图图8 水平旋转搅拌的流动形貌水平旋转搅拌的流动形貌由于F和L面的行波磁场方向相反，两者作用的结果，在钢水内部的磁场分布在局部地方场强为零，其数目与搅拌器线圈的极数相同。由于局部地方场强为零，电磁力也为零，从而导致钢水内电磁力旋涡的出现，见图9。这是水平旋转搅拌的一个特征。尽管电磁力呈现旋涡分布，但钢水表面的流速分布几乎接近水平旋转而没有出现旋涡，这是由于流体的连续性和惯性效应掩盖了电磁力旋涡的结果。2022-7-1314用心铸造世界图图9 水平旋转搅拌的电磁力旋涡水平旋转搅拌的电磁力旋涡4.1.3 在结晶器内钢水搅拌流动的洗净效果清洗非金属夹杂物图10显示结晶器内钢水搅拌流动的洗净作用而使铸坯净化的过程：由行波磁场驱动的钢水的搅拌流动洗涤被枝晶间捕获的非金属夹杂物并防止它们被初始凝固钩捕获。被清洗出的非金属夹杂物向中心集中，彼此碰撞而聚集并向弯月面上浮。上浮到弯月面的非金属夹杂物被融熔保护渣捕获，从而从板坯中去除。结晶器中钢水温度均匀化和坯壳均匀化由于钢水流动也可使结晶器内温度分布均匀，减少初期凝固壳厚度的偏差，从而使初生坯壳的变形因局部凝固迟后而减轻，起到防止铸坯纵向裂纹的作用。2022-7-1315用心铸造世界4.2.1 MEMS的冶金机理图11表明了弯月面处电磁搅拌的冶金机理，及其对板坯质量的影响和成本优势之间的关系。4.2 MEMS的冶金机理和效果4.2.2 MEMS对铸坯质量的影响4.2.2.1 提高表面和皮下清洁度(1)MEMS对不同浇铸期铸坯表面洁净度的影响图12是有和无MEMS时不同浇铸期的铸坯表面洁净度。(2)凝固前沿平均流速对铸坯皮下洁净度的影响图13 凝固前沿钢水流速对皮下洁净度的影响 MEMS的目的之一是借助增加凝固前沿附近的流速来控制皮下洁净度，为使这种控制最佳化，需要了解必要的流速和表面洁净度之间的关系。由图13可见，凝固前沿的钢水流速增加被捕获的夹杂物数量减少，即使钢水内含有外来夹杂物或卷吸的保护渣。图图12 MEMS对不同浇铸期铸坯表对不同浇铸期铸坯表面洁净度的影响面洁净度的影响 图14表示有和无MEMS的板坯内部夹杂物数量的直方图。由图可见，采用MEMS后，氧化铝簇数量减少不多，而球形夹杂物有明显减少，这是因为钢水流动引起球形夹杂物的结团和聚合比氧化铝簇更容易些。因为球形夹杂物是夹杂物的实质部分，因此夹杂物数量总体上明显减少。图图14 MEMS对对Si沸腾中碳钢夹杂物数量的影响沸腾中碳钢夹杂物数量的影响（3）MEMS对铸坯内部洁净度的影响 图15表示两个不同拉速下，MEMS铸坯表面层中针孔缺陷的影响。由图可见，使用MEMS后针孔缺陷的数量大大减少，沿铸坯宽度方向上针孔缺陷分布均匀且稳定在一个较低水平。2022-7-1319（4）MEMS对铸坯气泡减少的效果用心铸造世界图图15 在不同拉速下，在不同拉速下，MEMS对针孔分布的影响对针孔分布的影响近几年来，连铸技术的研究表明，初期凝固在很大程度上影响铸坯质量特别是表面质量，因此，控制初期凝固和凝固起始点的位置是采用MEMS的另一目的。图16是Si沸腾钢的板宽2200mm、浇铸速度1.0m/min的有和无MEMS的坯壳剖面的形貌。图17表示准沸腾钢，板坯尺寸：250mm11202500mm，拉速：0.7m/min，在有和无MEMS的坯壳厚度随离弯月面距离的变化。2022-7-13204.2.2.2 借助MEMS控制初期凝固用心铸造世界图图16 MEMS对坯壳生长的影响对坯壳生长的影响图图17 MEMS控制初期凝固控制初期凝固钢种：准沸腾钢：板坯尺寸：钢种：准沸腾钢：板坯尺寸：250mm11202100mm：0.7m/min由于弯月面周围的钢水流动容易停滞，容易导致因铸坯宽度方向钢水温度不均而引起坯壳厚度不均匀所产生的纵裂。特别是中碳钢（C=0.1-0.15%），易发生因不均匀冷却而导致的纵裂。应用MEMS，凝固滞后减少，坯壳厚度变得均匀，就可减少铸坯纵裂的发生，如图18所示。2022-7-1321用心铸造世界图图18 MEMS对铸坯纵裂的影响对铸坯纵裂的影响v4.2.2.3 减少铸坯表面纵裂4.2.3 MEMS对成品质量的影响4.2.3.1 MEMS对汽车外壳用超低碳钢成品质量的影响图19显示目前在减少汽车外壳板分层的效果。由于采用MEMS，减少铸坯皮下和内部的条状裂纹，从而在轧制过程中减少了分层的危险。图20表示采用MEMS后，在汽车外壳用冷轧板卷上表面缺陷出现率减少了70%。2022-7-1322用心铸造世界4.2.3.2 MEMS对生产厚板和管线的高级钢的影响生产厚板和管线的高级钢，由于采用MEMS，控制了初期凝固，使在铸坯表面纵向裂纹大大地减少，从而使其成品报废指数大大降低，见图21。5、板坯连铸电磁制动技术5.1 电磁制动的电磁力特征在板坯结晶器两个宽面上，外加一对恒定磁场，其方向从一个宽面垂直穿过钢水到达另一个宽面。从SEN吐出的流股，以相当大的速度垂直切割外加的恒定磁场，就在钢水中感生感应电流，该感应电流与当地磁场相互作用产生电磁力：（3）它们相互关系见图22。由图可见，电磁力与流股方向相反，从而制动了流股，使其减速，这就是制动效应。5.2 电磁制动装置的结构特征 电磁制装置的基本特征综合如表2。表表2 三类电磁制动装置的基本特征三类电磁制动装置的基本特征装置类型装置类型EMBrEMBrEMBR-RulerEMBR-Ruler或或LMFLMFFC-MoldFC-Mold磁场特征磁场特征局部区域局部区域（水平（水平U U形电磁铁）形电磁铁）全幅一段全幅一段（水平电磁铁）（水平电磁铁）全幅二段全幅二段（垂直（垂直U U形电磁铁形电磁铁）安装位置安装位置位于水口两侧孔吐出位于水口两侧孔吐出的流股的主流区的流股的主流区位于水口吐出口下方位于水口吐出口下方位于水口吐出口的位于水口吐出口的上、下方上、下方电源电源直流直流直流直流直流直流对板坯的适用性对板坯的适用性中厚板坯中厚板坯薄板坯薄板坯厚板坯厚板坯2022-7-1326用心铸造世界图图23 EMBr的流场形貌的流场形貌图图24 LMF的流动形貌的流动形貌图图25 FC Mold的流场特征的流场特征2022-7-1327用心铸造世界LMF受安装位置的影响较大，如果磁场位置与SEN的距离较远或SEN吐出角度稍不合适，就会影响制动效果。在LMF使用中，有个最佳磁场强度，其优化程度可以用公式（4）的磁相互作用参数N表示：N=（4）当N在37之间时，铸坯中非金属夹杂物最少，如图26所示。5.4 使用LMF时的优化条件图图26 应用应用LMF时，磁相互作用参数和夹杂物数量之间的关系时，磁相互作用参数和夹杂物数量之间的关系2022-7-13285.5电磁制动的冶金机理和冶金效果用心铸造世界5.5.1 EMBR的冶金机理EMBR的冶金机理和冶金效果综述于表3表3 EMBR的冶金机理和冶金效果冶金机理冶金机理冶金效果冶金效果经济效益经济效益制动从浸入式水口侧制动从浸入式水口侧孔吐出的流股使其减速孔吐出的流股使其减速降低流股侵入液相穴降低流股侵入液相穴深度深度控制弯月面附近流速控制弯月面附近流速，减少弯月面的脉动，减少弯月面的脉动提高弯月面的温度提高弯月面的温度减少流股对窄面的冲减少流股对窄面的冲击和重熔击和重熔实质性的减少皮下和实质性的减少皮下和内部的非金属夹杂物内部的非金属夹杂物有效地消除保护渣卷有效地消除保护渣卷吸，减少保护渣性夹杂吸，减少保护渣性夹杂物物实质性的减少横向和实质性的减少横向和纵向裂纹纵向裂纹减少漏钢危险减少漏钢危险有可能提高拉速有可能提高拉速实质性改进产品质量实质性改进产品质量减少降级和废品减少降级和废品提高生产率提高生产率2022-7-1329用心铸造世界5.5.2 EMBR的冶金效果5.5.2.1 促进坯壳均匀生长过热的钢水流股对窄面的冲击消失，消除了窄面的初生坯壳的重熔，使坯壳生长均匀，因而漏钢和角裂的危险大大减少。EMBr对窄面坯壳生长的影响见图27。2022-7-1330用心铸造世界向上反转流动的减速，弯月面下的水平流速和湍流大大降低。实践表明，无论哪种类型电磁制动都可使弯月面下的水平流速降低一半，从而也稳定了弯月面，见图28。因此，弯月面下水平流速的降低和弯月面的稳定是电磁制动的主要效果之一。图29表示EMBr对不同钢种的弯月面水平波动的影响。由图可见，EMBr稳定弯月效果，对包晶钢比IF钢更显著些。图图29 在在LMF作用下弯月面水平波动图案作用下弯月面水平波动图案5.5.5.2 降低弯月面下的水平流速和稳定弯月面2022-7-13315.5.2.3 减小流股的向下速度和侵入深度用心铸造世界 图30表示在EMBr下沿窄面向下流动的速度分布，由图可见，在EMBr作用下向下流动速度大大降低，使流股侵入深度由4m减小到2mm见图31；FC Mold使侵入深度由6m减小到3.5m；LMF使浸入深度由68m减小到46m。图图30 在在EMBr作用下沿窄面的向下流速分布作用下沿窄面的向下流速分布图图31 EMBr对流股侵入深度的影响对流股侵入深度的影响板坯尺寸：板坯尺寸：220mm8501550mm：拉速拉速1.02.02022-7-1332用心铸造世界5.5.2.4 对弯月面下钢水温度的影响(1)图32表示EMBr对板宽方向的弯月面下钢水温度的影响。据报导，EMBr使弯月面下钢水温度提高810，LMF约提高515；FCMold约提高510。(2)图33表示FCMold的不同磁感应强度对钢水表面温度的影响，钢水温度是在1/4板宽、弯月面下约30mm处测量的。由图可见，钢水表面温度随磁感应强度几乎成线性增加，约上升5。图图32 LMF 对板宽方向弯月面下钢对板宽方向弯月面下钢水温度的影响水温度的影响板坯宽度：板坯宽度：1540mm：拉速：拉速：1m/min，SEN:-200；孔口：孔口：38cm2 LMF:全幅一段全幅一段图图33 FCMold对钢水表面温对钢水表面温度的影响度的影响板坯板坯 宽度：宽度：1250mm；浇铸量：；浇铸量：4.5t/min2022-7-1333用心铸造世界5.5.2.5 对水平流速的影响图34表示不同拉速下EMBr对弯月面下的水平流速的影响。图35表示FCMold对弯月面下水平流速和稳定弯月面的影响。图图34 EMBr对弯月面下水平对弯月面下水平流速的影响流速的影响图图35 FCMold 对弯月面下水平流对弯月面下水平流速的影响速的影响板坯尺寸：板坯尺寸：260mm8001900mm，浇铸量：，浇铸量：3.55.0t/min2022-7-1334用心铸造世界值到指出的是，弯月面下的流速要保持某一水平，流速太慢导致向弯月面传热减少，因而增加了初期凝固的凝固钩长度，产生表面缺陷，见图36和图37。流速太快导致结晶器保护渣的卷吸。由此可见，在弯月面下保持适当流速，使铸坯表面和内部质量保持最好。如图所示，弯月面下的最佳流速为1020cm/s。图图36 弯月面流速与铸坯质量的关系弯月面流速与铸坯质量的关系图图37 非金属夹杂物指数与弯月面下流速非金属夹杂物指数与弯月面下流速的关系的关系板宽：板宽：9701570mm；拉速：；拉速：1.02.2m/min;浇注量：浇注量：2.23.8t/min；SEN：7.535o2022-7-1335用心铸造世界5.5.2.6 减少板坯表面缺陷 由于EMBr的作用，降低了从SEN吐出的流股的速度，促进了Ar气泡的上浮，从而减少了板坯表面的气泡，见图38。2022-7-1336用心铸造世界5.5.2.7 减少铸坯内部夹杂物 图39表示有、无EMBr时铸坯内部的夹杂物分布。由图可见，EMBr能较大幅度的减少内部夹杂物而且使其分布均匀，显示EMBr提高铸坯内部清洁度的良好效果，这也是电磁制动的重要效果之一。2022-7-1337用心铸造世界5.6 提高成品的质量5.6.1 对成品表面质量的影响图40表示在有和无FC Mold时汽车用超低碳钢卷板的表面缺陷指数与拉速的关系。由图可见，当拉速1.7m/min时，两者表面缺陷指数只相差一半左右；而当拉速1.7m/min时，无FC Mold的表面缺陷发生率急剧上升，与使用FC Mold相比，表面缺陷指数上升5倍以上。这个结果表明，由于FC Mold的上段磁场的作用，降低了弯月面下的流速和湍流，减小弯月面的波动，使保护渣卷吸明显减少。2022-7-1338用心铸造世界5.6.2 对成品内部质量的影响 图41表示FC Mold对制罐用马口铁薄板内部缺陷的影响。由图可见，当使用FC Mold时，其内部缺陷明显减少。这个结果表明，由于FC Mold的作用，使钢水向下侵入深度变浅，非金属夹杂物易于上浮，铸坯内部夹杂物大大减少，提高了铸坯的清洁度，从而使成品质量明显提高。据报导，对于宽板坯和高通钢量，在EMBR的最佳运行条件下，冷轧产品的不合格率减少33%；对板宽大于1400mm，不合格率则更低。2022-7-1339用心铸造世界6、板坯连铸结晶器多模式电磁搅拌技术（MM-EMS：Mult Mode-EMS）结晶器多模式电磁搅拌技术是在同一台连铸机上使用同一套电磁搅拌器组成不结晶器多模式电磁搅拌技术是在同一台连铸机上使用同一套电磁搅拌器组成不同的运行模式，即同的运行模式，即EMLA、EMLS、EMRS，统称，统称MM-EMS。6.1 开发背景开发背景 众所周知，当今连铸机已不是生产单一钢种和单一断面的设备，已成为包括众所周知，当今连铸机已不是生产单一钢种和单一断面的设备，已成为包括各类钢种、不同断面和拉速的复合产品的混合体。各类钢种、不同断面和拉速的复合产品的混合体。连铸实践表明，在连铸过程中的基本要求是提供高洁净的钢水，从而避免来连铸实践表明，在连铸过程中的基本要求是提供高洁净的钢水，从而避免来自夹杂物造成的板坯表面和内部缺陷。自夹杂物造成的板坯表面和内部缺陷。连铸实践还表明，控制弯月面附近钢水流动或是弯月面的波高是改进铸坯连铸实践还表明，控制弯月面附近钢水流动或是弯月面的波高是改进铸坯表面和内部质量的重要因素。表面和内部质量的重要因素。392022-7-1340用心铸造世界图图42表示冷轧钢卷表面缺陷与窄面附近弯月面波高（表示冷轧钢卷表面缺陷与窄面附近弯月面波高（X）的关系。由图可见）的关系。由图可见X过大或过小，表面缺陷指数都变大。过大或过小，表面缺陷指数都变大。由上所述，要使铸坯进而产品质量缺陷尽可能少，必须根据浇铸参数的变化由上所述，要使铸坯进而产品质量缺陷尽可能少，必须根据浇铸参数的变化将结晶器内的钢水流动，特别是弯月面附近的流动控制在一个恰当范围内，实将结晶器内的钢水流动，特别是弯月面附近的流动控制在一个恰当范围内，实践表明，弯月面附近的流速控制在践表明，弯月面附近的流速控制在0.12-0.2m/s，或窄面附近弯月面波高控制在，或窄面附近弯月面波高控制在5-9mm内，铸坯和产品质量最好。为此开发了结晶器多模式电磁搅拌技术。内，铸坯和产品质量最好。为此开发了结晶器多模式电磁搅拌技术。图图42 板坯表面缺陷与弯月面波高的关系板坯表面缺陷与弯月面波高的关系2022-7-1341用心铸造世界6.2 工作原理和技术特点6.2.1 工作原理其装置的构成是：在板坯两个宽面上分别布置两对行波磁场搅拌器，其宽度与结晶器宽度相同，见图7。图图7 板坯结晶器多模式电磁控流技术板坯结晶器多模式电磁控流技术412022-7-1342用心铸造世界6.2.2 技术特征结晶器多模式电磁搅拌技术的特征是，根据不同的浇铸条件，通过选择和调节加于从SEN吐出的流股上的水平电磁力的方向和大小，控制结晶器内特别是弯月面附近的流动。在高浇铸速度时，目的是制动流股，降低弯月面附近的流动速度，以避免弯月面的不稳定或波动；在低浇铸速度时，目的是加速流股，提高弯月面附近的流动速度，使过热钢水将热量传给弯月面；同时也提高对凝固前沿的清洗作用。在浇铸开始和终了及大包交换期等不正常浇铸期的浇铸速度变化时，适时调节钢水的流动。由此可见，在不同浇铸条件下，可以借助结晶器多模式电磁搅拌装置，使结晶器内的流动特别是弯月面附近的流动控制在一个最佳范围内，从而使铸坯表面和皮下夹杂物含量大大减少。2022-7-1343用心铸造世界6.2.3 与EMBR和常规的MEMS的主要区别：由上述结晶器电磁控流技术的工作原理和技术特征可以看出，与EMBR和常规的MEMS的主要区别是：基于恒定磁场的结晶器电磁制动技术（EMBR）只能对从SEN吐出的流股产生制动作用，制动力的大小大体上与流股的速度成正比，对速度为零的钢水不起作用；更不能使钢水加速。基于行波磁场的常规的结晶器电磁搅拌技术（MEMS），在结晶器的两个宽面上激发方向相反的行波磁场，产生方向相反的电磁力，从而使钢水产生水平旋转搅拌，一般说来，它只起了使钢水加速的作用，而不能制动钢水。对于结晶器多模式电磁搅拌技术（MM-EMS），不仅可以产生制动力，使从SEN两侧孔吐出的流股同时减速；也可以产生加速力，使从SEN两侧孔吐出的流股同时加速。这样可以按照不同的断面、浇铸速度等浇铸条件和钢种来选择最合适的搅拌和制动方式，这就使系统操作极其灵活。432022-7-1344用心铸造世界6.3 MM-EMS的冶金机理与冶金效果6.3.1 MM-EMS的冶金机理和冶金效果6.3.1.1 表4综述了MM-EMS的冶金机理和效果表4 MM-EMS的冶金机理和效果模式模式主要应用范围主要应用范围冶金机理冶金机理冶金效果冶金效果EMLSEMLS高拉速、高通钢量高拉速、高通钢量降低过大的窄面波高。降低过大的窄面波高。降低过高的弯月面流速降低过高的弯月面流速降低过大的弯月面波高降低过大的弯月面波高 防止在窄面附近的保护渣减薄防止在窄面附近的保护渣减薄防止保护渣膜的剪切防止保护渣膜的剪切减少保护渣性缺陷减少保护渣性缺陷（条状和铅笔状裂纹）（条状和铅笔状裂纹）提高窄面润滑提高窄面润滑减少漏钢事故和报警减少漏钢事故和报警EMLAEMLA低拉速、低通钢量低拉速、低通钢量（特别是开浇、大（特别是开浇、大包和中包交换期、包和中包交换期、终浇）终浇）改进向弯月面的传热改进向弯月面的传热改进保护渣的熔融改进保护渣的熔融提高弯月面的流速提高弯月面的流速减少氧化铝基缺陷减少氧化铝基缺陷减少弯月面的冷冻减少弯月面的冷冻减少渣斑减少渣斑减少宽面中部纵裂减少宽面中部纵裂减少气泡、夹杂物在内弧侧减少气泡、夹杂物在内弧侧1/41/4坯厚处的偏聚坯厚处的偏聚EMRSEMRS常规拉速的一些特常规拉速的一些特殊钢种：超低碳、殊钢种：超低碳、中碳、铝镇静钢等中碳、铝镇静钢等高氧含量的钢种如高氧含量的钢种如准沸腾钢、彩涂钢、准沸腾钢、彩涂钢、镀锡板钢和饮料罐镀锡板钢和饮料罐钢等等钢等等从表面和皮下机械去除气孔和从表面和皮下机械去除气孔和针孔针孔沿结晶器周边的温度均匀化沿结晶器周边的温度均匀化沿结晶器周边的钢水流速均匀沿结晶器周边的钢水流速均匀化化坯壳生长均匀化坯壳生长均匀化提高向结晶器表面的传热提高向结晶器表面的传热减少氧化铝基夹杂物减少氧化铝基夹杂物减少镇静钢中氩基针孔减少镇静钢中氩基针孔减少准沸腾钢中减少准沸腾钢中COCO基气孔基气孔减少包晶钢中纵向裂纹减少包晶钢中纵向裂纹2022-7-1345用心铸造世界6.3.1.2 各种钢水流动的冶金问题和MM-EMS的对策表5综述了各种钢水流动产生的冶金问题和MM-EMS的对策。表5 各种钢水流动产生的冶金问题和MM-EMS的对策相关冶金问题相关冶金问题诱发的钢缺陷的例子诱发的钢缺陷的例子对策对策过大的窄面波高过大的窄面波高过强的弯月面流速过强的弯月面流速过强的结晶器液面波动过强的结晶器液面波动在窄面附近的保护渣减薄在窄面附近的保护渣减薄结晶器保护渣剪切结晶器保护渣剪切结晶器保护渣基缺陷（条状和管状结晶器保护渣基缺陷（条状和管状裂纹）裂纹）润滑损失润滑损失漏钢事故漏钢事故漏钢报警漏钢报警EMLSEMLS减少向弯月面的传热减少向弯月面的传热减少保护渣熔融率减少保护渣熔融率减慢弯月面的流速减慢弯月面的流速氧化铝基缺陷氧化铝基缺陷冷的冷的/冻结的弯月面渣斑冻结的弯月面渣斑粘结报警粘结报警EMLAEMLA钢水反转流动钢水反转流动急剧急剧/局部弯月面流速增加局部弯月面流速增加熔融渣卷吸熔融渣卷吸熔融渣旋涡熔融渣旋涡板坯浇铸异常板坯浇铸异常板坯降级板坯降级各种未明了的缺陷各种未明了的缺陷在在SENSEN附近的保护渣减薄附近的保护渣减薄钢水无反向全动量向窄面流动钢水无反向全动量向窄面流动向板坯边缘无反向驱动向板坯边缘无反向驱动ArAr气泡和夹气泡和夹杂物杂物宽面中部的纵向裂纹宽面中部的纵向裂纹氧化铝基夹杂物氧化铝基夹杂物ArAr气泡和夹杂物沿板坯边缘气泡和夹杂物沿板坯边缘30cm30cm带带聚集聚集452022-7-1346用心铸造世界不对称不对称/不平衡流动不平衡流动结晶器液面波动结晶器液面波动不均匀熔融保护渣层不均匀熔融保护渣层气泡和夹杂物在一侧聚集气泡和夹杂物在一侧聚集EMRSEMRS沿结晶器周边不均匀钢水流速和沿结晶器周边不均匀钢水流速和温度梯度温度梯度不均匀凝固壳厚度向结晶器表面不均匀凝固壳厚度向结晶器表面的弱的热对流的弱的热对流皮下氧化铝和钙氧化铝夹杂物皮下氧化铝和钙氧化铝夹杂物在镇静钢中在镇静钢中ArAr基气孔基气孔在准沸腾钢中在准沸腾钢中COCO基针孔基针孔表5 各种钢水流动产生的冶金问题和MM-EMS的对策（续（续)2022-7-1347用心铸造世界6.3.2 MM-EMS的冶金功能6.3.2.1 EMLS/EMLA在钢水表面流速的影响 图43表示EMLS/EMLA对钢水流速的影响。由图可见，在高拉速条件下，钢水表面流速随EMLS的电流强度的增加而减小，而在低拉速条件下，钢水表面流速随EMLA的电流强度增加而增加。这些结果表明，正确地控制EMLS/EMLA就有可能对不同浇铸工艺建立同一的钢水表面速度。472022-7-1348用心铸造世界6.3.2.2 MM-EMS对弯月面波动的影响 图44表示在MM-EMS模式下的弯月面形貌即在结晶器中钢水流动形貌和钢水流速。由图可见，由于在MM-EMS模式下，弯月面脉动约减小50%，使得弯月面形貌变得更平稳。2022-7-1349用心铸造世界6.3.2.3 EMLA对弯月面温度的影响 图45表示在EMLA模式下所测得的弯月面温度随时间的变化。在EMLA模式下，由于从SEN吐出的流股被加速，导致沿窄面上升的反转流动增大，过热钢水不断向弯月面传热，从而使弯月面附近的温度升高。2022-7-1350用心铸造世界6.4 MM-EMS在板坯质量上的影响6.4.1 EMLA/EMLS对板坯表面质量的影响 图46表示EMLA/EMLS对板坯表面质量的影响。由图可见，在低速连铸时，使用EMLA模式，而在高速连铸时使用MELS模式，使板坯表面渣斑密度明显减少。2022-7-1351用心铸造世界6.4.2 EMLS对板坯内部质量的影响 图47表示在EMLS模式下，板坯内部夹杂物分布的影响。由图可见，采用EMLS后，大型夹杂物明显减少，对25的大型夹杂物数量减少40%；EMLS的电流强度有个最佳值，超过最佳值（此处为400A），夹杂物指数再次增加。2022-7-1352用心铸造世界6.4.3 EMRS对厚板坯表面气孔的影响 图48表示EMRS模式对厚板坯表面气孔减少的影响。由图可见，采用EMRS，无论宽面或窄面，气孔数量都明显减少。这一结果也表明，安装在结晶器中部的EMRS，如果搅拌强度足够强，完全能得到与新日铁的常规板坯MEMS的相同的冶金效果。522022-7-1353用心铸造世界6.5 MM-EMS在成品质量上的影响6.5.1 MM-EMS 对成品表面质量的影响6.5.1.1 EMLA模式在超低碳钢表面缺陷上的影响图49表示在EMLA作用下超低碳钢表面缺陷频率指数与浇铸量的关系。由图可见，在无EMLA的低速浇铸时，表面缺陷发生的频率很高。由于使用了EMLA后，从SEN侧孔吐出的钢水流股被加速，沿窄面向上反转流股使弯月面附近的钢水流动增大，过热钢水向弯月面补充热量增多，使保护渣熔融充分，同时也提高了保护渣吸收夹杂物的能力，从而使低速浇铸时超低碳冷轧薄板的表面缺陷明显降低。2022-7-1354用心铸造世界6.5.1.2 EMLS对超低碳钢薄板表面缺陷的影响 图50表示EMLS对超低碳钢薄板表面缺陷的影响。由图可见，适当的使用EMLS，抑制了保护渣基夹杂物，使造成饮料罐薄板的条状裂纹缺陷明显减少。这是由于使用EMLS使过强的弯月面波动受到抑制，消除了坯壳的碳化和稳定了熔融保护渣的润滑作用从而使粘结性漏钢降为零。542022-7-1355用心铸造世界6.5.1.3 EMLA/EMLS对冷轧板坯表面缺陷的影响 图51表示有和无EMLA/EMLS对冷轧板卷表面缺陷频率的影响。由图可见，在有EMLA/EMLS的人工控制工况下，冷轧板卷的表面缺陷降到无EMLA/EMLS时的约1/3。自动控制工况又进一步降到人工控制的一半。2022-7-1356用心铸造世界6.5.2 MM-EMS对成品内部质量的影响6.5.2.1 EMLS对冷轧薄板内部缺陷的影响 图52表示EMLS对冷轧薄板内部缺陷的影响。由图可见，由于使用EMLS使冷轧薄板内部缺陷指数降低到无EMLS时的约1/3。这是由于EMLS使从浸入式水口侧孔吐出的流股减速，降低了弯月面附近的钢水流速，减少了保护渣的卷吸，同时使浸入液相穴深度变浅，有利于夹杂物的上浮分离，从而使冷轧薄板内部缺陷明显减少。562022-7-1357用心铸造世界6.5.2.2 在非正常浇铸期下EMLA/EMLS对冷轧薄板内部缺陷的影响 图53表示在非正常浇铸期条件下EMLA/EMLS对冷轧薄板内部缺陷的影响。由图可见，由于在浇铸开始、终了或大包、中间罐交换期的浇铸速度变化等非正常浇铸期，随着浇铸速度的变化，选择和调整外加磁场的方向和强度，使弯月面波高维持在合适的范围内，从而大幅度地降低保护渣性夹杂物的缺陷，而计算机控制方式下的缺陷又比人工控制的进一步降低，特别是宽板坯连铸时尤为显著。图图53 在非正常浇铸期在非正常浇铸期EMLA/EMLS对冷轧薄板内部缺陷的影对冷轧薄板内部缺陷的影响响2022-7-1358用心铸造世界谢谢大家谢谢大家!58谢谢观看/欢迎下载BY FAITH I MEAN A VISION OF GOOD ONE CHERISHES AND THE ENTHUSIASM THAT PUSHES ONE TO SEEK ITS FULFILLMENT REGARDLESS OF OBSTACLES.BY FAITH I BY FAITH