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连铸过程中金属液流动的电磁控制 摘要 近十年来，随着材料电磁加工技术的发展，电磁场的应用范围和途径不断 地扩大。本文提出了一种新型的利用电磁制动制备两面具有不同性能的复层材 料的方法，为了分析此技术的可行性，选择合理的铸造工艺，用自编的s i m p l e 程序，对电磁控制下铸型内金属液的流动进行了模拟：还提出了直浇道电磁搅 拌技术，用有限元分析软件a n s y s 研究了电磁搅拌对直浇道内流场和温度场的 影响，并选用s n 一3 5 p b 进行了连铸模拟实验。 依据磁流体动力学理论，建立了电磁控制下铸型内金属液流动的数学模型， 使用交错网格技术和块修正的行迭代方法，用v c + + 6 0 编制了流场计算的 s i m p l e 程序，研究了水平电磁场对金属液流动的影响。结果表明：在铸型宽度 方向上施加的水平电磁场，不仅可以有效抑制出水口的流速，减少其射流深度， 还可以减小铸型中心处出现的回流区；当磁感应强度b o 2 t 时，控制效果明 显；为了避免施加电磁制动后在液面出现的横向流动，可设置高度2 0 m m - 3 0 m m 的挡板：均匀的速度分布还导致了铸型内均匀的温度分布；拉坯速度抉时，电 磁场对铸型水口区域流场控制效果好，所以电磁控制更适合于高速连铸的场合。 因此，在铸型宽度方向施加水平电磁场，从两个浸入式浇口同时浇注成分 不同的合金液，通过电磁力控制铸型内金属液的流动，使两种金属液体流动平 稳，不发生混流，可以生产出两面具有不同性能的复层梯度功能材料。 施加直浇道电磁搅拌可以使连铸坯的凝固组织变得细小而均匀，从实验结 果分析可得：旌加电磁搅拌后，铸坯的晶粒细化，等轴晶区扩大，柱状晶区减 小：在降低过热度的情况下，旋加电磁搅拌，可避免直浇道堵塞，保证浇注顺 利进行，而且铸坯的凝固组织更加细小。 ， 为了探讨直浇道电磁搅拌细化连铸坯凝固组织的机理，使用商用软件 a n s y s5 6 模拟了直浇道内的流场和温度场，得出以下结论：施加电磁搅拌后， 直浇道内金属液的轴向速度基本不变，而周向速度发生显著变化，即金属液体 产生了旋转运动；在相同的浇注温度下，施加电磁搅拌后，浇道内的温度分布 比未施加搅拌时变得均匀，降低了直浇道堵塞的可能性，从而可以实施低温浇 注。所以，施加直浇道电磁搅拌细化晶粒的原因可能有两个：一是电磁搅拌改 变了浇道内金属液的流动形态，螺旋运动的熔体进入铸型后，对铸型内的金属 液起到搅拌作用：二是使浇道内温度分布均匀，从而可以降低浇注温度，在较 连铸过程中金属液流动的电磁控制 小的过热度下浇注成形。 关键词：电磁制动；电磁搅拌；数值模拟：s l m p l e 算法 复层材料：连续铸造：电磁场1 连铸过程中金属液流动的电磁控制 a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to f e l e e t r o m a g n e t i cp r o c e s s i n go fm a t e r i a l s t h e a p p l i e dr a n g ea n dp a t h so fe l e c t r o m a g n e t i cf i e l dh a sb e e ne x p a n d i n gi n t h e1 a s tt e ny e a r s an e wt e c h n e l o g y ，t h a tc a nm a n u f a c t u r ec l a dm e t a l m a t e r l a l sw l t h e i e c t r o m a g n e t i cb r a k e ，w a sp u tf o r w a r d ：i no r d e rt o a n a l y z et h ef e a s i b i l i t ya n dc h o o s er e a s e n a b l et e c h n o l o g i c a lp a r a m e t e r s ， t h ee f f e c t so fe l e c t r o m a g n e t i cf i e l do nm o l t e nm e t a lf l o wi nt h em o u l d a r ed i s c u s s e db yu s eo fs e l f - p r o g r a m m i n gs o f t w a r es i m p l e a n o t h e rn e w t e c h n o l o g y ，t h en o z z l ee l e c t r o m a g n e t i cs t i r r i n g ( n - e m s ) w a sb r o u g h t f o r w a r d ：t h ee f f e c t so fe l e c t r o m a g n e t i e s t i r r i n g o nf l o wf i e l da n d t e m p e r a t u r ef i e l di nt h en o z z l ea r es t u d i e d u s i n ga n a l y t i cs o f t w a r ea n s y s t h ee x p e rl m e n t so fc o n t i n u o u s c a s t i n gw e r ep e r f o r m e dw i t hs n 一3 5 p b a l l o y b a s e do nm h dt h e o r y ，m a t h e m a t i c a lm o d e lo ff l u i df l o wi nt h em o u l d i n s t a l l e d e l e c t r o m a g n e t i c f i e l dw a se s t a b l i s h e d ：s i m p l e c o d ef o r c o m p u t i n g f l u i df i e l dw a s p r o g r a m m e du s i n gv i s u mc + + 6 0 s o f t w a r e a d o p t i n gi n t e r l e a v i n gm e s ha n di t e r a t i v er o u t i n eo f1 i n e b y 1 i n ew i t h b l o c ka m e n d m e n t ：t h ee f f e c t so fl e v e lm a g n e t i cf i e l d ( l m f ) o nm e t a lf l u i d f l o ww e r er e s e a r c h e d t h er e s u l t ss h o wt h a tb y i m p o s i n gl m f d i s c h a r g e v e l o c i t yf r o mt h en o z z l ei ss u p p r e s s e d ，j e tl e n g t hi sd e c r e a s e d ，b a c k f l o wz o n ei nt h ec e n t e r o ft h em o u l di s r e d u c e d ：t h a t c o n t r o l e f f e c t i v e n e s si so b v i o u sw h e nm a g n e t i cf l u xd e n s i t yi sm o r et h a n0 2 t ： t h a t1 t1 sn e c e s s a r yt os e td a mb o a r do fa b o u t2 0 m m - 3 0 m m h i g hi nt h eu p p e r p e r to ft h em o u l di no r d e rt oa v o i dl a t e r a lf l o wo fl i q u i d l e v e ld u et o a p p l y i n ge m b r ：h o m o g e n e o u sv e l o c i t yd i s t r i b u t i o nr e s u l t si nu n i f o r m t e m p e r a t u r ed i s t r i b u t i o n ：w h e n t h e c a s t i n gs p e e d i s f a s t e r ，t h e e f f e c t i v e n e s so fe m b ri sb e t t e r ，s oe m b ri ss u i t a b l ef o r q u i c k s p e e d c o n t i n u o u sc a s t i n g t h ec a s tm e t a l st h a th a v ed i f f e r e n t p e r f o r m a n c eo nt w os i d e sc a nc a s t c o n t i n u o u s l yb yp o u r i n g t w om o l t e nm e t a l so fd i f f e r e n t c h e m i c a l t e m p o s i t l o n ，b e c a u s ee l e c t r o m a g n e t i cf o r c ec a rs u p p r e s st h em i x i n go f m o l t e nm e t a l si nt h em o l t e n p 0 0 1 s o l i d i f i c a t i o ns t r u c t u r eo fc o n t i n u o u sc a s t i n gb i l l e t si si m p r o v e d o b v i e u s l yb yn e m s t h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t ss h o wt h a ta f t e ra p p l y i n g n - e m s ，c r y s t a lg r a i n sa r ef i n e r ，z o n eo fe q u i a x i a lc r y s t a l se n l a r g e s ， z o n eo fd e n d r i t ec r y s t a l sr e d u c e sc o r r e s p o n d i n g l y ：c e n t i n u o u sc a s t i n g c a bb ec o n d u c t e da tt h e1 0 w e rp o u r i n gt e m p e r a t u r ea n dt h en o z z l ec a n t i i i 连铸过程中金属液流动的电磁控制 b ej a m m e dw it hn e m s t od i s c u s st h em e c h a n i s mo fg r a i nr e f i n i n gb yn e m s f l o wf i e l da n d t e m p e r a t u r ef i e l di nt h en o z z l ea r ec o m p u t e dw i t ht h es o f t w a r ea n s y s t h er e s u l t sa r ea sf o l l o w i n g ：a x i a lv e l o c i t yd i s t r i b u t i o ni sa l m o s tt h e s a m ew i t ho rw i t h o u tn e m s a n dc i r c u m f e r e n t i a lv e l o c i t vd i s t r i b u t i o n h a sr e m a r k a b l ed i f f e r e n e e ，i no t h e rw o r d s ，a f t e ra p p l y i n gn - e m s ，t h e e l e c t r o m a g n e t i cf o r c em a k e st h em 0 1 t e nm e t a l i nt h en o z z l es w i r l i n g ： u n d e rt h es a m ec o n d i t i o n o f p o u r i n gt e m p e r a t u r e ，t e m p e r a t u r e d is t r i b u t i o no fm o l t e nm e t a li nt h en o z z l ei sm o r eu n i f o r mw i t hn e m s t h em e c h a n i s mo fi m p r o v i n gs o l i d i f i c a t i o ns t r u c t u r eo fb i l l e t si st h a t e l e c t r o m a g n e t i cf o r c ec h a n g e st h ef l o wo fm o l t e nm e t a li nt h en o z z l e a n dm o l t e nm e t a li nt h em o u l di ss t i f r e db yr o t a t i o nm o t i o no fm e t a lf l o w ： t h a tt e m p e r a t u r ed i s t r i b u t i o ni nt h en o z z l ei su n i f o r m a n dc o l dp o u r i n g i s i m p l e m e n t e df o rl o w e rp o u r i n gt e m p e r a t u r e k e yw o r d s ：eie c t r o m a g n e ticb r a k e ( e m b r ) ： e i e c t r o m a g n e t i cs t i r r in g ( e m s ) ： n u m e r i c a is i m u i a t i o n ：s i m p l ea i g o r i t h m ： c ia dm e t a im a t e r ia t ：c o n t in u o u sc a s t in g e i e c t r o m a g n e t i cf i e i d ，i v 连铸过程中金属液流动的电磁控制 1绪论 1 1 电磁技术的发展应用概况 连续铸造技术取代模铸法是冶金工业的一次深刻的技术革命，它不仅实现 了铸造生产的机械化与自动化，提高了生产效率，而且减少了能源的消耗和材 料的浪费，使连铸坯的冶金质量和产品性能得到很大的提高。当前，连铸技术 正朝着高效连铸、近终形连铸以及铸压轧技术等方向发展，而且随着国际市 场和国内市场的激烈竞争，对连铸坯的冶金质量和连铸生产的控制技术都提出 了很高的要求。 随着磁流体力学( m a g n e t o h y d r o d y n a m i c s ，简称m h d ) 在冶金工业中应 用的不断深入，在连铸过程中通过施加电磁场来改善连铸坯质量的电磁连铸技 术得到了很大的发展。电磁技术主要是通过外加电磁场对金属液和坯壳作用， 产生感应电流，使载流液体受到感应力的作用后，能够获得合理的流动状态并 且改善坯壳的受力。电磁技术在连铸中的应用主要包括软接触( s o f tc o n t a c t ) ； 电磁搅拌( e 1 e c t r o m a g n e t i cs t i r r i n g ，简称e m s ) ；电磁制动 ( e l e c t r o m a g n e t i cb r a k e ，简称e m b r ) 等几项技术。 1 1 1电磁技术的发展 电磁技术是伴随着m h d 在冶金工业中的应用而发展起来的。早在1 8 3 1 年法 拉第( f a r a d a y ) 就研究了强度随时问变化的磁场里的电路中电流行为，后人总 结法拉第的发现得出这样一个推论，即：在盛有熔融金属的包或模壁外围线圈 中有电流通过时，电流将感生一个电磁力场，而作为导体的熔融金属，将在这 一电磁力的作用下流动。1 。这就是感应搅拌和感应熔炼的原理。研究电磁和流 体流动间相互关系的科学，被称为磁流体动力学，该理论的系统发展和广泛应 用则是从2 0 世纪6 0 年代开始的。1 9 6 1 年l a n g e n b e r g 发现，在交变电磁场中 凝固钢锭，晶粒可以细化，这促使p o p p m e i e r 等人把电磁搅拌技术应用到钢的 连铸生产中。1 。由于熔融金属是良好的导电体，在磁场和电流的作用下，金属 熔体内部产生电磁力，利用电磁力就可以对熔融金属进行非接触性搅拌、传输 和形状控制。同时，电磁场还具有能量的高密度性和清洁性，优越的响应性和 可控性，易于自动化以及能量利用率高等特点，因此，在冶金工业中得到了广 泛的应用。 连铸过程中金属液流动的电磁控制 前苏联最早将电磁场的加热功能和电磁约束功能应用到金属加工领域， g e t s e l e v 等人在1 9 6 9 年申请了铝的无模电磁铸造技术专利，并且由瑞士的 a 1 u s u i s s e 公司在i 9 7 8 年把这项技术商业化“1 。此外，a s e a - s k f 公司也由于运 用电磁流体力学理论开发出连铸电磁搅拌装置而受到世人的瞩目o3 。1 9 8 2 年在 英国剑桥大学，由国际理论力学和应用力学协会( i u t a m ) 首次召开了磁流体力 学在冶金工业中应用的国际会议，标志着电磁冶金技术已在国际学术界引起重 视”1 。1 9 9 0 年在日本召开了第一届材料电磁冶金国际会议，会议上首次提出材 料电磁加工( e l e c t r o m a g n e t i cp r o c e s s i n go fm a t e r i a l s ，简称e p m ) 这个术 语，标志着e p m 时代的真正到来。此后，又分别在1 9 9 7 年法国和2 0 0 0 年日本 召开了两届e p m 国际学术会议。从最近两次会议看出，材料电磁加工技术己成 为材料科学和制备领域内的重要研究方向，它己经从开始阶段的改进传统工艺， 发展成为开发新材料、新工艺的源泉。 1 1 2 电磁技术的应用 材料电磁加工使用的电磁场主要有以下几种w ： 1 传统线圈产生的普通强度的直流磁场。主要用于控制液体金属的流动，例如， 作为电磁制动抑制铸型内钢液的流动、抑制中间包内钢液的湍流等；作为电 磁“坝”用于薄带连铸的侧封等，改善冶金质量。 2 超导线圈产生的高强度的直流磁场。主要用于控制液体金属的流动，例如， 作为电磁制动抑制连铸、特别是高速连铸时铸型内钢液的流动；控制液体金 属的形核、生长等凝固过程，开发新材料。 3 频率从几赫兹到数十兆赫兹的交流磁场。交流磁场是材料加工过程中应用最 广泛的一种磁场，可以通过磁场频率的选择，将其应用于感应加热、电磁搅 拌、电磁加压、电磁传输等工艺过程，是控制液体金属传输的有力手段。 4 其他特殊磁场，例如，移动磁场、脉冲磁场、变幅磁场等。主要用于高效、 节能等新技术工艺的开发。 上述各种磁场不仅可以单独使用，还可以几种磁场同时用于某一材料加工 过程。现在制钢的每一环节，如熔化、精炼、铸造、轧制等几乎都应用了电磁 场，表l 示出了e p g 技术在钢铁业中的应用情况。 在电磁场控制熔融金属流动方面，连铸过程中电磁搅拌技术和铸型内电磁 制动技术的应用是典型的例子。电磁搅拌技术的实质是在搅拌器内通以低频交 变电流，产生交变磁场，借助电磁力驱动液态金属流动，从而改变了金属熔体 连铸过程中金属液流动的电磁控制 凝固过程的流动、传热和传质过程，以达到改善连铸坯的冶金质量。铸型内电 磁制动技术是在铸型内施加一个与拉坯方向垂直的静态磁场，由于受到一个与 流速相反的电磁力而使流速得到控制，得到合理的流动状态。在下文将详细介 绍e m s 技术和e m b r 技术的发展和应用。 表卜1 材料电磁加工在钢铁业中的应用” t a b l el 一1 e x a m p l e so fe p mt e c h n o l o g i e s i ns t e e li n d u s t r i e s ” 表面 e m b r 处理 f c m o l d - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - l m f 制管 c f t u n d i s h 电磁制动 流动控制铸型 水平磁场流动控制 离心式流动中间包 连续镀锌线的 合金化处理： 干燥炉锌池加热 钢管电阻焊 无缝钢管热处理 1 2 电磁搅拌技术 连铸的电磁搅拌技术因其能显著改善连铸坯的质量而在国内外受到重视并 得到发展和广泛应用，合理的搅拌器安装及搅拌参数选取可以获得合理的流动 状态，从而在以下几方面改善连铸坯的质量9 3 ： 1 使金属液的流动状态有利于非金属夹杂物及气泡的上浮，降低铸坯气泡及夹 杂物的含量： 连铸过程中金属液流动的电磁控制 2 抑制弯月面处金属液的波动，防止保护渣等外界夹杂物卷入熔池内： 3 降低金属液的过热度，均匀液相穴内的温度场，防止液面温度过高或过低带 来的卷渣、结壳等现象的发生，有利于减少裂纹，提高铸坯的纯净度： 4 加强液相穴内液体的对流运动，有利于打碎枝状晶，形成等轴晶，提高铸坯 的等轴晶率，减少中心偏析、中心缩松和缩孔，改善铸坯的凝固组织： 5 减少金属液对初生凝固壳的冲刷，降低产生裂纹和拉漏的可能性，从而有利 于实现快速连铸。 1 2 1 发展趋向 电磁搅拌器是由瑞典的a s e a 公司首先提出的，1 9 3 2 年d r e y f u s 博士发现， 低速移动着的感应磁场能在钢水中产生强力的搅拌作用，并与山德维克钢厂紧 密合作，于1 9 4 8 年研制成第一台用于电弧炉炼钢的电磁搅拌器，后来该技术逐 渐应用于感应熔炼炉、钢包精炼炉和连铸机。1 。 连铸过程中的电磁搅拌技术是7 0 年代迅速发展起来的。最早是法国研究院 ( i r s i d ) 在一家工厂用线性搅拌器在方坯连铸机上进行了工业性试验，英国钢 公司( b s c ) 也进行了类似的试验“1 。接着，圆坯的旋转搅拌的研究也取得了突 破性进展，板坯连铸机的电磁搅拌技术虽然起步较晚也发展起来，研究结果都 表明经过搅拌后的铸件表面和内部质量都有所改善。 9 0 年代间歇式高频搅拌器“”和多频搅拌器“2 1 的相继问世使得搅拌器的选 取具有更大的灵活性。连铸电磁搅拌技术因其显著改善连铸坯的质量而受到关 注并得到广泛应用，今后，电磁搅拌技术的发展趋势有以下三个方面“： 1 新的电磁搅拌技术将不断地被开发、研制和应用，而且组合式电磁搅拌方法 将成为发展的主流，并得到进一步发展； 2 随着电磁搅拌技术的发展，对电磁力驱动下的金属液流动状态的研究成为重 点，应用磁流体动力学理论对金属液流动的数值模拟是开展研究的重要手 段。在这方面需要适应性更广、更为精确的数学模型，因此磁流体动力学的 研究将会具有更为重要的意义： 3 随着电磁搅拌所应用的合金种类的日益广泛以及电磁搅拌凝固理论的发展， 金属凝固基础理论的研究将进入一个崭新的阶段。 1 ，2 2 分类和特点 电磁搅拌按搅拌器安装位置可分为：铸型内电磁搅拌( m e m s ) 、二冷区电 连铸过程中金属液流动的电磁控制 磁搅拌( s - e m s ) 和凝固末端电磁搅拌( f e m s ) 等。按照电磁力使金属熔体流 动的方向可分为旋转型搅拌和线性搅拌。旋转型搅拌用于方、圆、多角形断面 铸坯和宽厚比接近于1 的矩形坯；对于板坯及宽厚比大的矩形坯则采用线性电 磁搅拌“。下面主要介绍以搅拌器安装位置划分的电磁搅拌形式特点及其具有 的冶金效果，三种基本电磁搅拌形式的特性详见表卜2 。 表1 2 三种基本形式的e m s 的特性“ t a b l el 一2c h a r a c t e r i s t i c so ft h r e eb a s i ck t n d so fe m s ”4 m - e m ss - e m sf e m s 位置铸型内，最好上部铸型下，糊状区上在糊状区内 旋转 形式旋转，最好三相 旋转，三相 ( 大断面可以是线性的) 低频，高功率，小断面工频，大断面低 设计工频，低功率，扁平的 内置或外置频，高功率，长的 表面皮下质量，内部质 冶金内部质量高碳和合金钢中心偏析 量，减少漏钢，提高铸速 费用高 低高 m - e m s 是三种搅拌形式中改善铸坯质量最显著的方法，主要冶金效果有“： 引起铸型内液相的强制对流，使枝晶破碎、游离，从而加速柱状晶向等轴晶的 转变，扩大等轴晶区；促进圆周方向温度分布的均匀性，并使过快生长的部分 减速，从而提高凝固壳厚度的均匀性；增加弯月面的洁净度；促使凝固界面附 近夹杂物的分离，加速非金属夹杂物和气泡的浮出。然而，m e m s 搅拌也有不 足之处，当搅拌强烈时可能反而导致夹杂物和气泡的卷入，增加夹杂物数量， 同时可能延缓凝固过程，破坏凝固壳的形成。 s - e m s 搅拌是最先发明的一种搅拌形式，由于二冷区比较长，故也常将其 分成s 1 - e m s 和s 2 - e m s 。它的功能有 ：切断柱状晶，扩大等轴晶区，减轻铸 坯的中心偏析：促使特定部位聚集的大型夹杂物的上浮分离。但其不足之处是 出现v 型的负偏带( 白亮带) ，增加轴线方向上的熔体流动有助于减轻此负偏析 带。 f - e m s 搅拌的位置在靠近凝固过程结束，仅在中心部位存在固液两相区， 其主要作用是：促进枝晶骨架的位置调整和促使等轴晶的形成：防止中心偏析 和v 型偏析。由于f e m s 搅拌在凝固末端进行，凝固壳已经非常厚，需要施加 较大的磁场才能保证磁场穿透凝固层，作用到两相区。 随着连铸的发展，单独使用m e m s 或s e m s 已无法满足高质量产品的要 求，特别是特殊钢，由于化学成分宽，凝固温度也宽，导致凝固过程中易出现 连铸过程中金属液流动的电磁控制 偏析，夹杂物严重。目前大多采用铸型、二冷区和凝固末端联合搅拌。但是研 究也表明：不同的电磁搅拌工艺存在一个最优值，超过这个阈值，反而会削弱 浇注的稳定性，降低产品质量，导致夹杂和表面缺陷。 1 2 3 直浇道电磁搅拌 两种常见的冶金缺陷中缩和偏析，严重降低了连铸坯的质量。而缺陷 产生的原因是由于金属液凝固过程的收缩和固液两相区的存在而形成的，因此 减小金属液凝固过程的收缩、使其均匀快速凝固的措施对消除冶金缺陷是有效 的。过热度对中缩缺陷的形成有很大的作用，过热度越大，连铸坯形成中缩缺 陷的可能性越大，所以适当的降低过热度有利于改善连铸坯的质量。故此，国 内外开始探索采用降低浇注温度的办法来减少连铸坯的中缩缺陷。但是，采用 低温浇注会给工艺操作带来一些困难，例如，如果浇注温度过低，在浇注过程 中液体金属可能会堵塞直浇道，使连铸过程无法进行。 日本学者s y o k o y a “”“1 等提出金属液从出水口旋转流入铸型内可以减少 出水口的射流深度，在离水口不远处获得均匀向下的液流，还可以减轻液面波 动，由于铸型内流动状态的改变，有利于夹杂物和气体的上浮，从而获得内外 质量都好的连铸坯。他还设计了两种搅拌器，并安装在直浇道内使从水口流出 的金属液产生旋转运动，用水模拟实验和数值模拟相结合的手段研究了这种旋 转流对铸型内金属液流动行为的影响，证实了上述结论。 针对低温浇注和直浇道内旋转流两方面考虑，本文提出一种新型的电磁搅 拌技术，即直浇道电磁搅拌( n o z z l ee m $ ，简称n e m s ) ，利用该技术不仅可以 实施低温浇注，而且由于电磁力的作用使水口流出的金属液体产生旋转，改变 了铸型内液体的流动状态和温度分布，因而可以获得细小的凝固组织，最终提 高连铸坯的质量。第五章将从数值模拟和实验两方面详细研究n - e m s 技术细化 晶粒的机理。 1 3 电磁制动技术 1 3 1 作用和意义 在板坯连铸中，随着拉坯速度的提高，从浸入式水口喷出的液流流速增大， 使得铸型内产生强烈的湍流，同时弯月面波动也比较剧烈，容易使夹杂物卷入， 而且出水口的射流对铸型的窄面的冲击也很大，有可能使初生凝固壳发生重熔。 连铸过程中金属液流动的电磁控制 而且，出水口出流流股穿透深度增大后，夹杂物不易上浮，而形成夹杂缺陷。 针对上述问题，电磁制动具有如下优点： 1 可以有效抑制出水口的流速，减少其穿透深度，防止非金属夹杂物和气泡被 带入液体内部，从而随金属液的凝固残留下来形成缺陷： 2 可以减轻出流速度对初生凝固壳的冲刷，由于凝固壳的增厚，即使提高拉坯 速度也不会增加连铸生产中漏钢的危险； 3 增加了弯月面的温度；减少了弯月面以下金属液体的流速，降低了弯月面的 波动高度，防止保护渣等夹杂物被卷入金属液内部，有利于消除夹杂缺陷， 减少表面裂纹，改善连铸坯的表面质量。 其电磁制动各工艺参数的期望值见表卜3 。 表t - 3 电磁制动工艺参数的期望值“”i t a b l e1 3e x p e c t a t i o no ft e c h n o l o g yp a r a m e t e r so fe m b r 铸型参数 垫型至塑 无e m b r有e m b r 连铸坯的表面和内部缺陷与铸型内的流动情况密切相关，从浸入式水口出 流的液体金属对铸型的窄面具有冲刷作用，并将非金属夹杂物及气泡卷入，造 成连铸坯的内部缺陷。同时，弯月面的流动不稳定也会将保护渣卷入铸型内， 从而降低连铸坯的冶金质量。这些现象在高速连铸的情况下尤为显著，严重地 恶化了连铸坯的质量。因此，如何改善铸型内的流动状态成为提高连铸坯的内 外质量和生产率的核心环节。电磁制动技术的应用已有好多年，它已经成为连 铸生产中改善连铸坯的质量和提高连铸产量的重要途径。 1 3 2 发展和趋向 电磁制动e m b r 这一技术及名词是由s k o l l e r g 在1 9 8 2 年英国伦敦举行的 第四届国际钢铁会议上最先提出的“。它是日本川崎制铁公司( k a w a s a k is t e e l c o r p o r a t i o n ) 和瑞典a s e a 公司共同联合开发的，并在g a w a s a k i 制铁公司 连铸过程中金属液流动的电磁控制 o k a y a m a 钢铁厂的5 号板坯连铸机上进行了试验，接着又将这项技术应用于 k a w a s a k i 公司其它的连铸机上，收到了良好的冶金效果。 第一代电磁制动装置 结构较小，见图i - i 所示， 只有两对磁极头作用在靠 近浸入式水口的局部区域， 主要用来抑制出水口的射 流深度并减少液面保护渣 的卷入。结果表明。：出水 口的射流深度可以减少到 5 0 ：弯月面以下液体金属 的温度升高5 - 1 0 。但是， 当制动器功率很高时，会导 致钢液流动缓慢，此外铸型 中心零磁场区会形成单一 的主流区，不利于夹杂物的 去除，尤其在薄板坯的情况 下，可能会增加保护渣的卷 入和非金属夹杂物的增多。 九十年代初，e m b r 技 术逐渐从局部磁场发展成 覆盖整个板坯宽度的磁场。 新一代的电磁制动装置不 受不同铸造条件的影响，又 可以分为全副一段磁场，全 副二段磁场及全副三段磁 场。 1 9 9 1 年，法国索拉克 ( s o l l a c ) 公司和荷兰霍尔 戈文( h o o g o v e n s ) 钢铁公司 “”成为e m b r 技术在欧洲第 图i 1 各种电磁制动装置 f i gl - lv a r i o u sc o n f i g u r a t i o n so f e m b rd e s i g n s 一批用户，他们在板坯铸型整个宽面的外侧施加一对水平电磁场，见图卜l 所 示，电磁制动效果更好。弯月面的流动情况受到板坯尺寸、浇注速度和浸入式 连铸过程中金属液流动的电磁控制 水口的结构等因素影响，当施加电磁制动后，通常可以减轻弯月面的波动。但 是如果磁场强度太大，可能会使靠近板坯窄面的金属液流动停滞，在这种情况 下，需要采取一定的措施，如减小磁场强度，增加拉坯速度，或者减小浸入式 水口的出流量等。 到目前，e m b r 技术已经扩展到多区甚至覆盖整个铸型宽面的电磁制动，且 称之为第三代电磁制动技术。其中，双条形电磁制动又称为f c m o l d ( f l o w c o n t r o lm o l d ) 应用最为广泛，它是由日本的k a w a s a k i 制铁公司发明的。”1 。 f c m o l d 是在铸坯宽度方向上施加上下两个水平电磁场，一个在弯月面区域， 主要使弯月面的流动稳定：而另一个在出水口附近，主要用来抑制出水口处的 流动。 国外对电磁制动技术研究较早，也已进行了广泛的生产应用。国内起步相 对较晚但近年来也开展了大量的工作。贾广霖、高允彦在东北大学建立了第 一座板坯电磁制动热模拟实验台，研究了l m f 型磁场的分布规律和冶金效果， 并成功地拉出了长达2 m 的内外质量良好的低熔点p b s n - b i 合金坯。在此基础 上，李宝宽运用m h d 理论对薄板坯的e m b r 技术进行了专门研究“。周波、干 勇等首先测量了铸型空载时内腔的磁感应强度，由测量结果分析了二维薄板坯 连铸铸型内的流场变化”。 由于电磁制动技术在工业中的应用时间还不太长，特别是在理论上对其作 用机理不很清楚，还需要进一步地分析和研究，目前研究的主要手段是利用大 容量高速计算机对连铸铸型流动过程进行数值模拟。 1 3 3 电磁制动的新用途 双金属复合材料的连续铸造方法有很多，如复合线材的铸拉工艺，c p c 法 制造复合轧辊，反向凝固及包覆层连铸工艺，双结晶器连铸工艺等o “。但这些 方法都是将母材经过特殊处理后，通过扩散与另一种金属熔合形成整体铸件， 由于要实现固一液结合，所以界面问题一直就是困绕此类工艺方法的难点。要使 材料内部与外部具有不同的性能，最理想的办法是在铸造条件下就直接使得合 金成分随铸件截面按要求分布。目前，有两种工艺可以实现在铸造条件下直接 生产双金属复层材料。 一种是设计复杂的浇注系统和铸型，其工艺原理如图卜2 所示。用双流浇 注半连续铸造工艺生产梯度材料的基本原理是o ”：在传统的连续铸造基础上增 加一个内浇包及其导流系统，内外浇包分别浇注不同成分的金属液，外浇包里 连铸过程中金属液流动的电磁控制 的金属液扶出水口直接流入铸型，受 激冷而首先凝固成具有一定厚度的 薄壳，当内浇包的金属液脱离内导管 口时则被凝固薄壳和富含籽晶和熔 断枝晶的残余外部金属液包围。通过 调整铸造工艺参数，控制内外浇包中 两种液体的凝固时间差，促进铸型内 的液体金属由外向内顺序凝固，实现 两种液体的部分混合。 由于上述工艺要求严格的控制 两种金属液的流速，所以操作起来比 较困难，下面是一种更为简单的方 法，即在连铸过程中使用电磁制动 技术，其工艺原理如图卜3 所示。 它利用在铸型宽度方向上的水平磁 场l m f ( l e v e lm a g n e t i ef i e l d ) ， 通过磁场对流动粒子产生的洛仑兹 力对金属液流动施加作用，阻止两 种金属液的混合，从而在连铸过程 中形成界面清楚的复合钢坯。水平 磁场安装在铸型的下半部分，两种 不同化学成分的液态金属同步地通 过长型和短型浸入式水口进入铸 型，使铸型内形成上下两个区域。 图卜2 连续铸造制各梯度材料原理图 f i g i 2t h e o r e t i cd i a g r a mo f c o n t i n u o u s l yc a s t i n gc l a ds l a b 图1 - 3 电磁制动制各双金属复层材料工艺原理图 f i g 一3 t e c h n i c a ld i a g r a m o f c a s t i n gc l a ds l a b w i t h e m b r 在拉坯过程中，上层区域中的金属液形成外层金属，而下层区域的金属液进入 芯部成为内层金属。通过控制磁场强度、拉坯速度以及两种金属液浇注速度， 保证得到稳定的外层金属的厚度和均匀的组织性能。 在9 0 年代中期，日本学者t a k e u c h i 等“”用三维磁流体力学模型证实了电 磁场对上下层液体金属流动的制约作用，即电磁场作用将铸型分为上下两个熔 池，解决了两种金属液的混合问题，并成功地生产出了内外层界面清晰的不锈 钢和碳钢复层材料。利用电磁制动技术生产双金属复层材料是一种新型的非常 先进的制造复合材料的方法。但是，它对设备制造、工艺水平、操作技能及自 动化控制均有较高的要求，特别是控制浇注速度，使两种金属界面结合良好且 连铸过程中金属液流动的电磁控制 界面稳定是比较严格的。 电磁制动制备双金属复层材料是一种新的电磁加工技术和复合材料的制备 方法，由于实现了直接液一液结合，从而根本上解决了界面结合的问题。为了分 析此技术的可行性，选择合理的铸造工艺，在第四章采用数值模拟的手段研究 了磁场对铸型内金属液流动的影响，得出在铸型宽度方向上的恒定磁场可以控 制铸型内的液体分布，使两种金属液体流动平稳，不发生混流，从而能够生产 出界面清晰的梯度功能复层材料。 1 4 连铸过程流场的数值模拟 铸造过程计算机模拟仿真是学科发展的前沿领域，是改造传统铸造产业的 必由之路，也是当今世界各国专家关注的热点。铸件凝固过程的数值模拟可以 帮助工程技术人员优化工艺设计，缩短产品试制周期，降低生产成本，确保铸 件质量，所以成为铸造领域最热门的研究课题之一。目前，凝固过程的温度场 数值模拟及缩孔缩松的预测已经成功地应用于生产实践中，在流场模拟、应力 分析、微观组织模拟等方面的基础研究及实用化进程方面也取得了很大进展。 由于连铸过程中金属液流动的复杂性和建立模型的难度，流场数值模拟的 发展比较晚。但是温度场计算、组织模拟和应力分析都需要在已知液体速度分 布的前提下考虑才符合实际，而且许多铸造缺陷，如冷隔、浇不足、冲砂、卷 气、裂纹、缩孔( 松) 等，也都与金属液流动情况密切相关。所以流场模拟是铸 造过程计算机仿真的“瓶颈”，随着湍流理论的完善和发展，描述流场的湍流模 型的改进，流动情况的确定，铸造过程的模拟将会进入崭新的发展阶段。 1 4 ，1 流场数值模拟的发展 8 0 年代初，台湾学者黄文星在美国匹兹堡大学与s t o e h rr a 教授一起首 先将流体力学计算的研究成果用于解决铸造充型问题，开辟了充型过程研究的 新领域。1 9 8 3 年，黄文星和s t o e h rr a 教授用m a c 法计算了平板铸件的充型 过程。”。1 9 8 4 年，d e s a ip v 研究了强制对流条件下内浇道液体的温度分布， 用涡流函数法计算了热对流对温度场的影响，首次将充型过程的流动现象与传 热现象结合起来”。1 9 8 7 年，黄文星和s t o e h rr ，a 教授又用m a c 、s m a c 法对 薄板铸件进行了模拟计算，并将结果与水力模拟、高速摄影、x 射线荧光摄影 结果进行了比较，计算结果与试验结果较相近”。他们认为m a c 、s m a c 法是充 型过程数值模拟的有效方法。此后，他们又成功地用s o l v o f 法进行了铸造充 连铸过程中金属液流动的电磁控制 型过程流场数值模拟”。2 “。 随后各国学者都在该领域开始了深入而广泛的研究，如日本的安斋浩一、 法国的b e r g m a nc m 、美国的r i c h a r dt s 、英国的w i l l i a mt s 以及我国 的王君卿、裴清祥、李培耀、许云祥、卢宏远等人都对这方面做了大量的工作。 1 9 8 7 年之前是充型过程计算机模拟的初始发展阶段，模拟基本上限于二维 板类铸件，并假设充型过程液态金属处于层流流动。这些模拟技术尚不能指导 大多数实际铸件的工艺设计。1 9 8 8 年以后，充型过程的计算机模拟进入了蓬勃 发展阶段，模拟技术不断完善。主要表现在以下几个方面： 1 三维模拟1 9 8 9 年，h l l i n 和黄文星一起开发了三维数值模拟的计算模 型，把m a c 、s m a c 法结合在一起研究三维流动问题。三维模拟现已普遍用 于各种模型中。 2 紊流模型在计算中考虑湍流问题，即当流动为湍流时，将有效粘性系数 代入方程。实际上，湍流的枯性系数比层流至少大数百倍，它对流动方式的 影响极大。如果不采用湍流模型，模拟结果与实际的偏差很大。 3 多场耦合模拟1 9 8 8 年，h ll i n 和黄文星在流体计算中引入了能量守恒 方程，迸行了温度场、流场藕合模拟。计算结果提供了充型方式、速度分布、 金属液和铸型内温度分布等信息，计算结果与试验结果基本一致”“。 r a s t o e h r 和c w a n g 将充型过程与凝固过程作为一个整体进行模拟计算， 模拟结果不仅可以预见流场、速度场分布，还可预见浇不足、冷隔、缩孔等 缺陷出现的可能性和位置。“1 。 4 多途径、多用途随着流体动力学的发展和湍流理论的完善，湍流模型不断 改进。充型模拟从传统铸造应用到连续铸造，对连铸铸型内钢液流动进行数 值模拟。 1 4 2 流场的数值模拟计算方法 对流场进行数值模拟时