板坯结晶器流场控制的发展趋势 ABB-中文

板坯结晶器流场控制的发展趋势

钟云涛2, 潘汉玉2, Nils Jacobson1, Martin Sedén 1

(1.ABB AB, 冶金工艺产品, Terminalvägen 24, 721 59 Västerås, 瑞典

2 ABB 冶金工艺, ABB (中国) 有限公司)

摘要：随着大家对结晶器电磁装置在改善连铸坯质量方面认识的提高，过去几年大家对它的关注也越来越多。通过电磁装置对结晶器内钢液进行搅拌和/或者制动作用，能大大提高板坯的表面和皮下质量。不同的浇注条件，比如钢种、拉速和铸坯断面尺寸等需要采用不同的电磁技术解决方案以得到最好的产品质量。在低通钢量时通常需要搅拌（AC ）功能，而大通钢量时则需要制动功能（DC ）。为适应这样的挑战，我们开发了一种新型的结晶器电磁装置，它的特点是功能全面并且操作灵活，可在更广的通钢量变化范围内更好地提高铸坯质量。

1. 介绍

钢铁生产中，对产品的质量，洁净度和产量都有很高的要求。为了满足以上要求，板坯结晶器流场控制至关重要。在20世纪80年代初，针对板坯连铸中结晶器内流速过高带来的非金属夹杂物增加的问题，ABB 和JFE 联合开发了第一套结晶器电磁制动（EMBR ）。第二代电磁制动，即全幅（尺）型EMBR 今天广泛应用在薄板坯连铸上。基于在EMBR 上的使用经验，ABB 和JFE 共同开发了一种应用于常规板坯连铸在中高拉速条件下的结晶器流场电磁控制技术FC Mold 。最初，第一代的FC Mold 主要应用于高拉速的常规板坯连铸机，上下线圈采用同一直流电源。为提高应用范围，适用于不同的浇注条件，第二代FC Mold（FC Mold II）采用了上下独立控制的静磁场。一个磁场位于弯月面附近，以控制弯月面的流速和扰动，另一个磁场位于结晶器下部，以减少向下流股的冲击深度。现在FC Mold 家族已经发展到了第三代，FC Mold G3, 它在上下两层直流磁场的基础上，又在上部叠加了交流行波磁场。在结晶器上部同时使用直流和交流行波磁场，可以更好地控制弯月面的钢水流动，提高流场的稳定性和铸坯的皮下清洁度。

当上部交流磁场搅拌钢水以冲刷凝固前沿的非金属夹杂物时，直流分量能抑制液面的波动和稳定钢液流动。现代连铸机都能适应更宽的浇注条件，然而不同的拉速、板坯断面尺寸、氩气流量、SEN 水口设计和浸入深度都能影响结晶器内的流场。FC MoldG3的直流和交流磁场不仅能根据连铸工艺浇注参数灵活的调整，而且在一个连浇周期内，能根据连铸工艺参数的变化对流场进行动态和平稳的控制。直流制动磁场具有制动和稳定高拉速下的流场的作用，然而交流磁场能在低拉速时增加流速。直流和交流的组合磁场可在更宽的浇注条件下，更好地控制流场，以提高铸坯的洁净度和表面质量。

2. 提高铸坯内部，表面和皮下质量

浇注时，来自钢水的夹杂物会上浮到弯月面或者随着钢流运动，从而被凝固坯壳捕获。从SEN 出来的流股向下的冲击深度应尽可能降低，以减少铸坯中带入的夹杂物。流股冲击深度会随着拉速的增加而增加，最终会导致夹杂物被凝固坯壳所捕获，从而在铸坯中产生内部质量缺陷，这在中高拉速生产时尤为明显。

正确控制弯月面处的钢水流动，能有效的改善去除夹杂物。为了获得最佳的夹杂物去除效果，弯月面的流速需控制在0.2-0.4 m/s [1]。过大的弯月面流速会造成卷渣，然而过小的流速又会导致其它非金属夹杂物被凝固前沿所吸附。有效的冲刷能防止夹杂物被凝固前沿吸附[2]，它是避免表面和皮下缺陷的有效途径。

FC Mold 能确保在各种工艺条件下，避免了由于液面波动而造成的卷渣等不利影响，从而能得到稳定的产品质量。根据拉速、铸坯断面、SEN 形状和插入深度、氩气流量不同，会在结晶器内形成单辊或者双辊的流场[3]。FC Mold能稳定流场，避免双辊流向单辊流转变。

为了提高铸坯质量，流场控制装置的主要目的是减少向下流股的冲击深度，在任何给定的浇注条件下控制和稳定弯月面以及整个结晶器内流场，特别是弯月面处。

3. FC Mold G3及其灵活控制模式

图1左侧—FC Mold G3安装在结晶器上右侧—上部和下部直流磁场（白色箭头），稳定区域（粉色长条）

和上部交流搅拌力（黄色箭头）

ABB 的FC Mold G3是FC Mold的最新技术。它保留了原有的双层直流磁场，以确保结晶器弯月面处和下部的流场稳定；同时在上部靠近弯月面处增加了一个交流磁场，以实现对弯月面附近钢流的搅拌，见图1所示。采用这种配置方式，FC Mold G3能适应更广的连铸浇注规格和拉速变化范围。

FC Mold G3由上部和下部各两个子线圈组成，上部子线圈分别布置在结晶器内外弧的宽边后面，靠近弯月面的地方。这种上线圈靠近弯月面的布置对于获得理想的流场控制效果是至关重要的。下部子线圈布置在结晶器下部。上下子线圈通过后部磁轭形成一个磁场回路。上线圈可通直流和交流电源，下线圈仅通直流电源。

FC Mold G3可提供3种操作模式，分别是直流，交流和组合模式。在直流模式下，上下线圈都通入直流电源；在交流模式下，仅在上线圈通入交流电源；而组合模式是上线圈通入交流电源，下线圈通入直流电源。

高拉速生产时，采用直流模式。在下线圈内外弧空隙之间直接会产生一个静态的磁场。通过磁场回路，在上线圈内外弧的空隙之间也会产生一个弱的静态磁场。当上线圈也通入直流电源后，第二个直流磁场会叠加到由下线圈产生的磁场上。在直流模式中，下部直流磁场用于降低流股向下的冲击深度，而上磁场则用于减少弯月面处过大的流速。总的来说，直流磁场是稳定结晶器内流场，避免双辊流向单辊流的转换。特别是上部直流磁场能减少弯月面的波动。

低拉速生产时，FC Mold G3采用交流模式，在上部产生一个旋转的交流行波磁场以增加弯月面处的流速和提高对凝固前沿坯壳的冲刷效果。此时，上线圈通入交流电源，在结晶器每个宽边产生一个行波磁场。下部线圈则不加电。

FC Mold G3的组合模式可同时产生交流和直流磁场，以优化钢液流速和获得上面提到的直流和交流磁场的各种好处。下部直流磁场位于SEN 出口下部，主要是提高铸坯的内部质量，然而上部叠加的交流和直流磁场主要是稳定弯月面流动和提高铸坯的表面和皮下质量。图2是数模的结果对比，左侧使用组合模式，右侧没有使用搅拌器。这个仿真结果显示：交流搅拌时，对铸坯表面和皮下区域的凝固前沿有明显的冲刷效果。同时流股向下的冲击深度也因下部直流磁场而得到极大抑制。 FC Mold G3三种控制方式之间的转换是自动无缝切换的，不需要更改任何电气连接。三种模式之间的电流调整是平滑递变的，避免了因为磁场的突变造成流场的剧烈波动而可能导致的铸坯质量的恶化。

附图2结晶器弯月面处宽边的流场模式

组合模式（左侧）和无搅拌器（右侧） 结晶器中心断面上的流场模式 组合模式（左侧）和无搅拌器（右侧）

4. 工厂应用效果

控制结晶器液位波动

结晶器内腔尺寸265x1976 mm，拉速为0.9m/min，在一个45min 浇注周期内，通过液位检测系统得到的液位波动见图3所示[5]。浇注前期没有使用FC Mold G3，然而大概20min 后，开启FC Mold G3的自动模式。根据浇注参数，通过FC Mold G3的控制系统计算，采用组合模式，下线圈直流电

流强度为100%，上线圈交流电流强度为92%。

图3开启和关闭FC Mold G3情况下，液位波动 图4FC Mold对于超低碳钢中总含氧量的影响

根据图示，在没有开启FC Mold G3浇注时，弯月面波动是1.47mm ，在开启FC Mold G3的组合模式后，弯月面波动仅为0.97mm 。

抑制氧化性夹杂物

为了研究FC Mold 直流模式对于板坯洁净度的影响，从超低碳铸坯中取样并进行总含氧量的分析，以获得氧化性夹杂物含量[6]。取样位置是在板坯宽度方向上四分之一的位置，沿着板坯厚度方向的7个位置取样，分析结果见图4所示。使用FC Mold ，7

个位置中总含氧量平均减少

45%。这说明FC Mold可以降低板坯中的夹杂物含量，从而提高内部质量。

冷轧成品卷中缺陷

通过工厂质量控制系统，在使用和不使用FC Mold 情况下，检测了大批量的超低碳钢冷轧板卷，对其中的夹杂物缺陷进行了统计分析[6]。根据分析统计，板卷中夹渣物的数量比较见表1所示。

表1 FC Mold对于板卷夹渣物缺陷的影响

通过使用FC Mold ，冷轧板卷的夹杂物缺陷率由0.68%减少到0.14%。FC Mold 是提高成品表面质量非常重要的手段，它能减少冷轧卷79%的表面缺陷。

5. 多种模式自动控制

FC Mold 可以通过在线结晶器监测系统和数值计算模型以及结晶器内的流动模式的特征参数来选择磁场的强度和模式。结晶器指数Mo ，是一个无量纲参数，类似于搅拌容器中的佛罗德数，表征流体表面湍流状态。Mo 数值定义了结晶器内的流动强度，也部分代表了弯月面流速。Mo 越大，结晶器内流动强度越大，湍流和液位波动也越大，这种情况下，就越需要更大的制动力来稳定流场。 结晶器参数Mo 定义如下：

V c ⋅Q V c 2W 3 ( 1 ) Mo =⨯10=⨯103 32ρgD gD

此处：V c —拉速 (m/s), Q —通钢量 (kg/s),ρ—钢坯密度(kg/m3), g —重力加速度 (m/s2), D —板坯厚度 (m) ，W —板坯宽度 (m)。Mo 通常在0.05到60之间。

磁作用系数是磁场制动力和流股动量的比例系数，优化此参数可以产生更佳的制动效果，以减少产品内部缺陷[4]。磁作用系数IA 定义如下：

σB 2W ( 2 ) IA =ρU

此处：σ—电导率 (S/m)，B —磁感应强度 (T), W —板坯宽度 (m), U —SEN 出口的钢水平均流速 (m/s). IA 通常在0到100之间。

FC Mold 的控制系统能在线实时计算操作参数，通过各种操作模式下电流和频率的自动调整，产生不同的电磁力能控制各种浇注工况下的结晶器中的流场。FC Mold G3控制软件包是基于连铸控制系统的基本输入参数来计算相应运行参数。基于数值模型计算和结晶器在线监测系统得到相应Mo 和IA 数值，然后确定适合于不同浇注状态的磁场强度和工作模式。Mo 数值的大小决定采用哪种FC Mold 控制模式，低的Mo 意味着弱的流动强度，需要采用交流模式以加速流动速度。当Mo 较大时，表示流动速度很大，需要采用直流模式来抑制和稳定流场的强度。当Mo 数值适中时，通常采用组合模式。IA 数值的大小决定直流磁场的强度，交流磁场的强度选择目的是控制弯月面的流速在0.2到0.4 m/s之间。

FC Mold G3操作参数的自动计算

由于FC Mold的操作参数设置是在线实时计算调整的，因此，当浇注条件变化时，FC Mold会及时

作出反应，调整相应的磁场以适应新的流

场状况。FC Mold 的电流调整是平滑缓慢

的，以确保当浇注条件变化时流场的渐变

和稳定，见图5所示。

典型的工艺浇注条件变化，比如板坯

宽度，SEN 的浸入深度和拉速等，FC

Mold G3能据此自动调整控制方式。在同

一个操作模式或者不同操作模式之间，缓

慢调节电流以及切换到不同模式。动态稳

定系统可以自动过滤突变的过程和参数。

在到达稳态浇注条件时，再采用一种新的工作模式或者图5FC Mold G3不同电流和结晶器指数之间的关系 新的工作参数来稳定流场。这些措施通常在一些特定的

场合，如突然的拉速或宽度的变化时采用。

在大部分生产情况下，会采用组合模式，它的优点是稳定结晶器内和弯月面处的流场，减少钢流冲击深度和冲刷凝固坯壳。

随着结晶器指数的变化，控制模式会从交流模式转变到组合模式，或者从组合模式转变到直流模式。这样的变化通常也与钢种有关，比如在生产裂纹敏感性的钢种时，需要更加关注的是结晶器上部的搅拌和上部流场的温度均匀。

6. 结论

第三代FC Mold (FC Mold G3) 已经被开发并使用，保留了常规FC Mold 的双直流磁场，在上磁场靠近弯月面的地方又叠加一个交流搅拌磁场。FC Mold G3有三种操作模式，分别是直流，交流和组合模式。三种模式分别具备制动，搅拌和搅拌与制动的组合功能。控制软件包的开发使FC Mold G3能自动和稳定的应用于更广的浇注条件变化范围。这种控制是基于结晶器指数，磁作用系数和结晶器在线监测系统。

除了以前发表的直流磁场对制动和稳定结晶器内的流场的效果外(FC Mold II), 当使用FC Mold G3的直流模式和组合模式时，新的生产结果显示了在冷轧板卷中，氧化性夹杂物含量大量减少和表面质量大幅得到提升。此外，在组合模式下，生产数据表明它可以有效减少了弯月面的波动。 References 参考

[1] L. Hibbeler, B.G. Thomas, “Mold Slag Entrainment Mechanisms in Continuous Casting Molds”, Proceedings, AISTech Conference (2013), Pittsburgh, pp. 1215-1230

[2] S. Kittaka et al., “Nippon Steel in-Mold Electro-Magnetic Stirrer for Improving Slab Casting”, Proceedings, 5th ECCC, Birmingham (2005), pp. 476-481

[3] M. K. Singh et al., “Impact of Argon Flow Rate and FC-II on Flow Near Meniscus of Thick Slab Caster”, Proceedings, Science and Technology of Ironmaking and Steelmaking, Jamshedpur (2013), CAST, Paper 11

[4] H. Yamamura, T. Toh et al., “Optimum magnetic flux density in quality control of casts with level DC magnetic field in continuous casting mold”, ISIJ International (2001), Vol.41, No. 10, pp.1229-1235

[5] M. Sedén et al., “Control of Flow Behavior by FC Mold G3 in Slab Casting Process”, Proceedings , 8th ECCC, Graz (2014), pp. 558-569

[6] B. Jin, C. Zhang, J. Wang, H. Pan, L. Li, “The Effects of FC Moldon the Fluid Flow and the Qualities of Low Carbon Steel in a Slab Caster Mold”, Proceedings , 8th ECCC, Graz (2014), pp. 585-594