，l，?峰 e l e c t r o m a g n e t i cs o f t - c o n t a c tc h a r a c t e r i s t i c so f i j c o n t i n u o u sc a s t i n gm o u l dw i t hd i f f e r e n t j i s t r u c t u r ep a t t e r n s b yz h a n gl i n t a o s u p e r v i s o r ：p r o f e s s o rh ej i c h e n g p r o f e s s o rw a n g e n g a n g n o r t h e a s t e r nu n i v e r s i t y d e c e m b e r2 0 0 8 廠 ffi，i ! ， j 獨創(chuàng)性聲明 本人聲明，所呈交的學位論文是在導師的指導下完成的。論文中取得 學位論文作者簽 日 期：9 2 _ o b 羅、乙，弓7 學位論文版權(quán)使用授權(quán)書 本學位論文作者和指導教師完全了解東北大學有關(guān)保留、使用學位論 文的規(guī)定：即學校有權(quán)保留并向國家有關(guān)部門或機構(gòu)送交論文的復印件和 磁盤，允許論文被查閱和借閱。本人同意東北大學可以將學位論文的全部 或部分內(nèi)容編入有關(guān)數(shù)據(jù)庫進行檢索、交流。 ( 如作者和導師不同意網(wǎng)上交流，請在下方簽名；否則視為同意。) 學位論文作者簽名： 簽字日期： 導師簽名： 簽字日期： 過 工 謝 寫 同 示 撰 一 表 或 我 并 表 與 明 發(fā) 。 說 經(jīng) 料 的 己 材 確 人 的 明 他 過 了 其 用 作 含 使 中 包 而 文 不 位 論 ， 學 在 外 他 已 方 其 均 地 得 獻 的 獲 貢 謝 為 何 致 人 任 和 本 的 注 括 做 標 包 所 以 不 究 加 也 研 除 ， 本 果 果 對 成 成 志 究 究 同 研 研 的 。 的 的 作 意l ， f 東北大學博士論文摘要 摘要 電磁軟接觸連鑄技術(shù)通過施加高頻磁場控制鋼液的初始凝固過程來提高鑄坯的表 面質(zhì)量。高頻磁場作用下結(jié)晶器內(nèi)的磁場和金屬液彎月面變形特性是衡量電磁軟接觸效 果的重要指標，而電磁軟接觸結(jié)晶器的結(jié)構(gòu)型式和參數(shù)設(shè)計對軟接觸效果具有決定性的 影響作用，它也是電磁軟接觸技術(shù)能否推向工業(yè)應(yīng)用的關(guān)鍵技術(shù)之一。研究和探討不同 坯型( 方、扁、圓) 和不同切縫形式和參數(shù)下的軟接觸結(jié)晶器內(nèi)的磁場、金屬液彎月面 變形和凝固傳熱特性，認識其變化規(guī)律，是設(shè)計工業(yè)用電磁軟接觸結(jié)晶器，推廣電磁軟 接觸技術(shù)的重要技術(shù)基礎(chǔ)。本論文以此為選題，重點研究方坯、矩形坯和工業(yè)用圓坯電 磁軟接觸結(jié)晶器的軟接觸特性和傳熱特性，具有重要的理論意義和實用價值。 針對工業(yè)用m 1 7 8 m m 圓坯電磁軟接觸連鑄結(jié)晶器，采用數(shù)值模擬和實驗相結(jié)合的方 法，研究了結(jié)晶器切縫參數(shù)對結(jié)晶器內(nèi)部磁場分布的影響規(guī)律，并通過低熔點合金熱模 擬實驗，揭示了切縫參數(shù)對結(jié)晶器內(nèi)彎月面變形的影響規(guī)律。研究結(jié)果表明：工業(yè)結(jié)晶 器的上法蘭盤對結(jié)晶器內(nèi)的磁場分布具有一定的影響作用。特別是隨著電源功率( 安匝 數(shù)) 增大到9 0 k w 以上時，結(jié)晶器上法蘭盤對磁場的屏蔽作用逐漸增強；隨著圓坯結(jié)晶 器切縫數(shù)目、切縫寬度和切縫長度的增加，結(jié)晶器內(nèi)的磁感應(yīng)強度和彎月面變形均增大， 其中又以切縫數(shù)目和切縫長度對軟接觸效果的影響最主要；當切縫數(shù)由2 4 增加到3 2 時， 結(jié)晶器內(nèi)最大磁感應(yīng)強度增加了3 2 ，彎月面高度增加1 1 0 ；當切縫長度由1 0 0m m 增到加1 3 0r l l l n 時，結(jié)晶器內(nèi)最大磁感應(yīng)強度增加了2 8 ，彎月面高度增加了1 5 5 。 當切縫寬度由o 3m m 增加到o 5t o n i 時，結(jié)晶器內(nèi)最大磁感應(yīng)強度增加了1 5 。這些 研究結(jié)果為1 7 8 m m 工業(yè)用圓坯電磁軟接觸連鑄結(jié)晶器的設(shè)計提供了重要參數(shù)依據(jù)。 設(shè)計并制作了內(nèi)徑尺寸為2 1 3 m m x 8 5 m m 的兩種非均勻切縫矩形坯電磁軟接觸連鑄 結(jié)晶器；通過磁場測試和熱模擬實驗揭示了兩種結(jié)晶器內(nèi)磁場分布和彎月面變形的規(guī) 律。實驗結(jié)果表明：隨電源功率的增大，結(jié)晶器內(nèi)磁感應(yīng)強度和彎月面高度均增大，且 電源功率不改變結(jié)晶器內(nèi)磁場分布特征；結(jié)晶器最大磁感應(yīng)強度所處位置隨感應(yīng)線圈同 向移動；液態(tài)金屬的自由液面應(yīng)控制在線圈中心附近，此時磁場的利用率最高，軟接觸 效果最好； 結(jié)晶器內(nèi)切縫的布置對磁場和金屬液變形具有重要的影響作用。研究發(fā)現(xiàn)，對于單 側(cè)窄面切縫的矩形結(jié)晶器，在電源功率一定時，無切縫窄面附近仍然存在磁場；在電源 功率達5 2 k w 時，無切縫窄面中心的最大磁感應(yīng)強度是切縫窄面的6 0 左右；而對于在 東北大學博【：論文 摘要 窄面角部增加切縫的改進型矩形結(jié)晶器，其內(nèi)部磁場分布和彎月面變形都得到較大提 高，基本呈現(xiàn)均勻分布，且在數(shù)量級上也達到了實現(xiàn)軟接觸效果的要求；論證了采用較 少的非均勻切縫結(jié)構(gòu)，也能夠獲得矩形坯電磁軟接觸效果的可行性。 設(shè)計并制作了內(nèi)徑尺寸為1 0 0 m m x l o o m m 的非均勻切縫方坯電磁軟接觸連鑄結(jié)晶 器，并進行了低熔點合金的靜態(tài)和動態(tài)凝固傳熱實驗，揭示了不同電源功率下結(jié)晶器內(nèi) 部磁場分布、彎月面變形、凝固坯殼形貌、三相點位置、結(jié)晶器壁溫度與熱流、熔池溫 度和結(jié)晶器冷卻水溫度的變化規(guī)律。實驗結(jié)果表明：與均勻切縫結(jié)晶器相比，其磁場分 布和彎月面變形規(guī)律變化不大，基本相同；隨著電源功率的增大，低熔點合金自由液面 的波動加劇，熔池溫度升高，初始凝固點下移，形成的凝固坯殼逐漸變薄，直至發(fā)生重 熔，揭示了高頻磁場對結(jié)晶器內(nèi)合金液加熱，造成三相點下移的變化規(guī)律；隨電源功率 的增加，合金液和結(jié)晶器壁中產(chǎn)生的焦耳熱增大，并在切縫處和分瓣體會出現(xiàn)不均勻分 布，造成坯殼厚度分布不均，同時結(jié)晶器壁溫度和熱流也升高；連鑄結(jié)晶器的振動作用 促使彎月面區(qū)域結(jié)晶器壁溫度上升；由此，在工業(yè)應(yīng)用電磁軟接觸連鑄技術(shù)時，應(yīng)結(jié)合 實際連鑄工藝合理選擇電參數(shù)，適當?shù)卣{(diào)節(jié)結(jié)晶器的冷卻水量等工藝參數(shù)，這些研究結(jié) 果對電磁軟接觸連鑄工業(yè)實驗提供了重要的指導作用。 通過以上幾種不同型式軟接觸結(jié)晶器的軟接觸特性研究發(fā)現(xiàn)，線圈與結(jié)晶器的相對 位置、鋼液模擬物與結(jié)晶器的相對位置以及電源功率三個參數(shù)對結(jié)晶器內(nèi)部電磁特性的 影響規(guī)律并不隨結(jié)晶器結(jié)構(gòu)型式的變化產(chǎn)生大的變化，基本規(guī)律相同。 關(guān)鍵詞：連鑄，電磁軟接觸，結(jié)晶器，磁場分布，彎月面形狀，凝固，傳熱 卜 + 、 東北大學博士論文 a b s t r a c t e l e c t r o m a g n e t i cs o f t - c o n t a c tc h a r a c t e r i s t i c so f c o n t i n u o u sc a s t i n gm o u l dw i t hd i f f e r e n t s t r u c t u r ep a t t e r n s a b s t r a c t t h et e c h n o l o g yo fe l e c t r o m a g n e t i cs o f t - c o n t a n c tc o n t i n u o u sc a s t i n g ( e m c c ) c a n i m p r o v et h es u r f a c eq u a l i t yo ft h eb i l l e t st h r o u g ha p p l y i n gh i g hf r e q u e n c ym a g n t i cf i e l dt o c o n t r o lt h ep r o c e s so fi n i t i a ls t a g eo fs o l i d i f i c a t i o n t h ed i s t r i b u t i o no fm a g n e t i cf l u xd e n s i t y a n dt h ec h a r a c t e r i s t i co fm e n i s c u sa r ei m p o r t a n ta s p e c t st oe s t i m a t et h er e s u l t so fe m c c t h e s t r u c t u r e so fe m c cm o l da r ei m p o r t a n tn o to n l yt ot h ee f f e c t so ft h et e c h n o l o g yo fe m c c ， b u ta l s ot oi t si n d u s t r i a l i z a t i o n i ti st h ef o u n d a t i o nf o r t h et e c h n o l o g yo fe m c c i n d u s t r i a l i z a t i o nt ok n o wt h ed i s t r i b u t i o no fm a g n e t i cf l u xd e n s i t y , t h ec h a r a c t e r i s t i co f m e n i s c u s ，a n dt h ec h a r a c t e r i s t i co fh e a tt r a n s f e ri ne m c c m o l du n d e rt h ec o n d i t i o nd i f f e r e n t s t r u c t u r ep a t t e r n s ( b i l l e t ，r o u n db i l l e ta n dr e c t a n g u l a rb i l l e t ) t h ee l e c t r o m a g n e t i cs o f t c o n t a c t a n dh e a tt r a n s f e rc h a r a c t e r i s t i c sc o n t i n u o u sc a s t i n gm o u l dw i t hd i f f e r e n ts t r u c t u r ep a t t e r n s h a v eb e e nd i s c u s s e di nt h i st h e s i s r e g a r d i n gt o 西1 7 8 m mi n d u s t r i a lr o u n db i l l e te m c cm o l d ，t h ed i s t r i b u t i o no fm a g n e t i c f i e l di nt h em o l du n d e rd i f f e r e n ts l i tp a r a m e t e r sh a v eb e e nd i s c u s s e dt h r o u g h3d i m e n s i o n f i n i t ee l e m e n tm e t h o d ( 3 df e m ) n u m e r i c a ls i m u l a t i o nm e t h o da n de x p e r i m e n t a lm e t h o d t h e e f f e c to fs l i tp a r a m e t e r so nt h ed i s t o r t i o no fm e n i s c u sh a sb e e ni n v e s t i g a t e dt h r o u g ht h e e x p e r i m e n t a lm e t h o db yu s i n gl o wm e l t i n gp o i n ta l l o y t h er e s u l t ss h o wt h a tt h eu p p e rf l a n g e o fi n d u s t r i a le m c cm o l dh a ss o m ee f f e c to nt h ed i s t r i b u t i o no fm a g n e t i cf l u xd e n s i t y w h e n t h ei n p u tp o w e ri so v e r9 0 k w ，t h es h i e l de f f e c tw i l lc o m eo u t t h em a g n e t i cf l u xd e n s i t ya n d t h eh e i g h to fm e n i s c u sw i l lb e c o m el a r g e rw i t ht h es l i tn u m b e r ；s l i tw i d t ha n ds i i tl e n g t h i n c r e a s i n g w h e nt h e s l i tn u m b e rw a sc h a n g e df r o m2 4t o3 2 ，t h em a x i m u mv a l u eo f m a g n e t i cf l u xd e n s i t yi n c r e a s e d3 2 ，t h eh e i g h to fm e n i s c u si n c r e a s e d110 w h e nt h es l i t l e n g t hw a sc h a n g e df r o m10 0 m mt o13 0 m m ，t h em a x i m u mv a l u eo fm a g n e t i cf l u xd e n s i t y i n c r e a s e d2 8 ，t h eh e i g h to fm e n i s c u si n c r e a s e d15 5 w h e nt h ew i d t ho ft h es l i tw a s c h a n g e df r o m0 3 m mt oo 5 m m t h em a x i m u mv a l u eo fm a g n e t i cf l u xd e n s i t yi n c r e a s e d15 i i i r a l lt h e s er e s u l t sc a ng i v eg r e a ts u p p o r tt ot h ed e s i g no f 西17 8 m mi n d u s t r i a lr o u n db i l l e t e m c cm o l d t w ok i n d so fa s y m m e t r ys l i t r e c t a n g u l a rs o f t c o n t a c te m c cm o l dw i t ht h es 鋤ei n n e r s i z eo f213 m m x 8 5 m mw e r ed e v e l o p e d t h ed i s t r i b u t i o no f t h em a g n e t i cf l u xd e n s i t va n dt h e c h a r a c t e r i s t i c so fm e n i s c u si nt h em o l d sh a v eb e e nd i s c u s s e dt h r o u g h e x p e r i m e n t s t h er e s u i t s s h o wt h a t ：t h em a g n e t i cf l u xd e n s i t ya n dt h eh e i g h to fm e n i s c u si n c r e a s ew i t ht h ei n p u t p o w e t i n c r e a s i n g b u tt h ei n p u tp o w e rd i dn o tc h a n g et h ed i s t r i b u t i o no ft h em a g n e t i cf i e l d t h e 。 m a x i m u mm a g n e t i cf l u xd e n s i t yw i l lm o v et ot h es a l n ed i r e c t i o na st h ei n d u c t i o nc o i l t h e f r e es u r f a c eo ft h el i q u i dm e t a ls h o u l db ec o n t r o l l e dn e a r t h ec e n t e ro ft h ec o i l 。 t h ep o s i t i o n so ft h es l i t si ne m c cm o l da r ei m p o r t a n tt o t h em a g n e t i cf i e l da n d d i s t o r t i o no ft h el i q u i dm e t a l i th a sb e e nf o u n dt h a ti nt h e r e c t a n g u l a re m c cm o i dw h i c hh a s s l i t sa to n en a r r o ws i d e ，t h em a g n e t i cf i e l di sn o tz e r oa tt h eo t h e rn a r r o ws i d ew h e r e t h e r ea r e n os l i t sw h e nt h ei n p u tp o w e ri sn o tz e r o a tt h ei n p u tp o w e ro f5 2 k w t h em a x i m 啪 m a g n e t i cf l u xd e n s i t yo nt h en a r r o ws i d ew h i c hn os l i t si sa b o u t6 0 o ft h a to nt h eo m e rs i d e w i t hs l i t s f o rt h ei m p r o v e ds t r u c t u r er e c t a n g u l a rm o l dw h i c hi sa d d e d s l i t sa tf o u rc o n n e r s t h em a g n e t i cf i e l da n dt h eh e i g h to ft h em e n i s c u si nt h em o l da r ea l s o e n h a n c e d t h e m a g n e t i cf i e l di sa l s ou n i f o r m e da tt h es a m et i m e i tc a nb ep r o v e dt h a tu s i n gt h i sk i n do f a s y m m e t r ys l i ts t r u c t u r ee m c cm o l dc a na p p l yt h et e c h n o l o g yo fe m c ct ot h er e c t a n g u l a r b i l l e tc o n t i n u s o uc a s t i n g ab i l l e ts o f t c o n t a c te m c cm o l dw i t ht h es i z eo f10 0m m x l0 0m i l lw i t hn o n u n i f o n n i t v s e g m e n tw a sd e v e l o p e d b yu s i n gl o wm e l t i n gp o i n ta l l o y , e x p e r i m e n t sh a db e e nd o n e t h e r e s u l t ss h o wt h a tc o m p a r e dw i t hs y m m e t r ys l i t se m c c m o l dt h em a g n e t i cf l u xd e n s i t ya n d t h eh e i g h to fm e n i s c u sa r ea l m o s tt h es a m ew i t ht h e i n p u tp o w e ri n c r e a s e s t h ef r e es u r f a c eo f t h el o wm e l t i n gp o i n ta l l o yw i l lf l u c t u a t e h e a v i l y ；t h et e m p e r a t u r eo fl i q u i dm e t e lw i l l。尊 i n c r e a s e s ，t h ei n i t i a ls o l i d i f i c a t i o np o i n tm o v e sd o w n w a r d s ，a n dt h es o l i d i f i c a t i o ns h e u b e c o m et h i n n e r t h ej o u l eh e a ti nt h em o l dw i l li n c r e a s ea tt h es a m et i m e t h et e m p e r a t u r e 。 a n dt h eh e a tf l u xo ft h ee m c cm o l dw i l li n c r e a s e t h em o l d o s c i l l a t i o na l s oc a ni n c r e a s et h e t e m p e r a t u r eo ft h em o l da n dt h es e l e c t i o n so fe l e c t r i cp a r a m e t e r ss h o u l db ea d a p t e dw i t ht h e t e c h n i c a lp a r a m e t e r s t h er e s u l e t sc a n g i v eg r e a ts u p p o r tt ot h ee m c ci n d u s t i c a le x p e r i m e n t t h r o u g ht h er e s e a r c ho fe l e c t r o m a n g n e i t i cs o f t c o n t a c tc h a r a c t e r i s t i c so fc o n t i n u o u s c a s t i n gm o l dw i t hd i f f e r e n ts t r u c t u r ep a t t e m s ，i th a sb e e nf o u n dt h es t r u c t u r e so ft h ee m c c i v 東北大學博上論文 a b s t r a c t m o l dw i l ln o tc h a n g et h ee l e c t r o m a g n e t i cs o i l - c o n t a c tc h a r a c t e r i s t i c sw h i c ha r ed e t e m i n e db y t h er e l a t i v ep o s i t o nb e t w e e nt h ec o i la n dt h em o l d ，t h er e l a t i v ep o s i t o nb e t w e e nl i q u i df r e e s u r f a c ea n dt h em o l d ，a n dt h ei n p u tp o w e r k e yw o r d s ：c o n t i n u o u sc a s t i n g ，e l e c t r o m a g n e t i cs o f t - c o n t a n c e ，m o l d ，d i s t r i b u t i o n o f m a g n e t i cf i e l d ，s h a p eo fm e n i s c u s ，s o l i d i f i c a t i o n ，h e a tt r a n s f e r v 東北大學博七論文目錄 目錄 摘要i a b s t r a c t i i i 目勇乏。 第1 章緒論。l 1 1 連鑄技術(shù)的發(fā)展狀況。1 1 2 連鑄坯表面振痕形成機理3 1 2 1 敞開澆鑄油潤滑連鑄坯振痕的形成4 1 2 2 浸入式水口澆鑄潤滑連鑄坯振痕的形成5 1 3 常規(guī)連鑄振痕的控制技術(shù)5 1 3 1 振痕間距和振痕深度5 1 3 2 振痕間距的影響因素6 1 4 電磁軟接觸連鑄技術(shù)介紹8 1 4 1 電磁軟接觸連鑄技術(shù)的發(fā)展過程1 0 1 4 2 電磁軟接觸連鑄技術(shù)研究狀況1 2 1 5 本文研究的目的和內(nèi)容1 6 第2 章不同型式電磁軟接觸結(jié)晶器內(nèi)磁場特性的研究1 7 2 1 引言17 2 2 實驗設(shè)備及方法l7 2 2 1 主要實驗設(shè)備及器材。1 7 2 2 2 磁場測試方法及測試點的選擇19 2 2 3 磁場測試條件的選擇2 0 2 3 結(jié)果及討論2 2 2 3 1 方形結(jié)晶器內(nèi)磁場分布規(guī)律2 2 2 3 1 1 非均勻切縫方坯結(jié)晶器內(nèi)磁場分布的基本規(guī)律2 2 2 3 1 2 自由液面位置對電磁軟接觸結(jié)晶器內(nèi)電磁特性的影響2 4 2 3 1 3 電源功率對電磁軟接觸結(jié)晶器內(nèi)電磁特性的影響2 6 東北人學博i 二論文 目錄 2 3 2 矩形結(jié)晶器內(nèi)磁場分布規(guī)律2 8 2 3 2 1 矩形軟接觸結(jié)晶器內(nèi)磁場分布規(guī)律2 9 2 3 2 2 線圈相對位置對電磁軟接觸結(jié)晶器內(nèi)電磁特性的影響一3 2 2 3 2 3 自由液面相對位置對電磁軟接觸結(jié)晶器內(nèi)電磁特性的影響一3 5 2 3 2 4 電源功率對電磁軟接觸結(jié)晶器內(nèi)電磁特性的影響3 9 2 3 2 5 電源頻率對電磁軟接觸結(jié)晶器內(nèi)電磁特性的影響4 2 2 3 3 圓形結(jié)晶器內(nèi)磁場分布規(guī)律4 5 2 3 3 1 數(shù)學模型和物理方法一4 5 2 3 3 2 蓋板對結(jié)晶器內(nèi)磁場的影響4 8 2 3 3 3 切縫數(shù)目對結(jié)晶器內(nèi)磁場的影響一5 0 2 3 3 4 切縫寬度對結(jié)晶器內(nèi)磁場的影響5 2 2 3 3 5 切縫長度對結(jié)晶器內(nèi)磁場的影響5 4 2 4 分析討論5 8 第3 章不同型式電磁軟接觸結(jié)晶器內(nèi)彎月面特性研究5 9 3 1 引言5 9 3 2 實驗設(shè)備及方法5 9 3 2 1 主要實驗設(shè)備5 9 3 2 2 彎月面測試方法及測試點的選擇5 9 3 3 結(jié)果及討論6 1 3 3 1 方形結(jié)晶器內(nèi)彎月面變形規(guī)律6 1 3 3 1 1 結(jié)晶器內(nèi)不同測試位置的彎月面形狀6 l 3 3 1 2 自由液面的相對位置對彎月面變形規(guī)律的影響。6 3 3 3 1 3 電源功率對彎月面變形規(guī)律的影響6 5 3 3 2 矩形結(jié)晶器內(nèi)彎月面變形規(guī)律6 7 3 3 2 1 線圈相對位置對彎月面變形規(guī)律的影響6 7 3 3 2 2 自由液面的相對位置對彎月面變形規(guī)律的影響6 9 3 3 2 3 電源功率對彎月面變形規(guī)律的影響7 2 3 3 2 4 電源頻率對彎月面變形規(guī)律的影響7 5 3 3 3 圓形結(jié)晶器內(nèi)彎月面變形規(guī)律7 6 東北大學博。f ：論文 目錄 3 4 分析比較7 7 第4 章電磁軟接觸結(jié)晶器界面?zhèn)鳠崽匦匝芯? 8 4 1 引言7 8 4 2 實驗設(shè)備及方法7 8 4 3 電磁軟接觸結(jié)晶器內(nèi)的靜態(tài)凝固傳熱分析8 1 4 3 1 電源功率對坯殼形貌的影響8 1 4 3 2 電源功率對熔池溫度和結(jié)晶器冷卻水溫度的影響8 3 4 3 3 電源功率對結(jié)晶器溫度和熱流的影響8 6 4 3 4 有無磁場情況下的凝固與傳熱對比分析8 9 4 4 無結(jié)晶器振動電磁軟接觸結(jié)晶器內(nèi)的動態(tài)傳熱與凝固分析9 1 4 4 1 電源功率對坯殼厚度影響9 l 4 4 2 電源功率對熔池溫度的影響9 2 4 4 3 電源功率對結(jié)晶器溫度和熱流的影響。9 4 4 4 4 電源功率對結(jié)晶器不同位置溫度的影響9 7 4 5 有結(jié)晶器振動電磁軟接觸結(jié)晶器內(nèi)的動態(tài)傳熱與凝固分析9 9 4 5 1 電源功率對坯殼形貌影響9 9 4 5 2 電源功率對熔池溫度的影響1 0 0 4 5 3 電源功率對結(jié)晶器溫度和熱流的影響1 0 1 4 5 4 電源功率對結(jié)晶器不同位置溫度的影響1 0 4 4 6 凝固與傳熱對比分析。1 0 6 4 7 本章小結(jié)1 0 7 第5 章結(jié)論1 0 9 參考文獻111 j c 謝119 攻讀博士期間發(fā)表的論文1 2 1 作者簡介1 2 3 東北人學博上論文第1 章緒論 1 1 連鑄技術(shù)的發(fā)展狀況 第1 章緒論 1 9 世紀中期，有學者提出了液體金屬連續(xù)鑄錠的概念。1 8 4 0 年美國塞斯勒( s e l l e r s ) 獲得了連鑄鉛管專利【l 】，1 8 4 6 年轉(zhuǎn)爐的發(fā)明者貝塞麥( b e s s e m e r ) 使用水冷旋轉(zhuǎn)雙輥式 連鑄機生產(chǎn)錫箔、鉛板和玻璃板【2 】，1 8 7 2 年英國戴維爾提出移動結(jié)晶器連續(xù)澆鑄技術(shù)的 概念，1 8 8 7 年德國人r m 達蘭( d a e l e n ) 提出了近似現(xiàn)代連鑄的概念【3 】：包括上下開口 水冷結(jié)晶器、液體金屬流的注入、二次冷卻段、引錠桿、夾棍、鑄坯切割裝置等工藝， 1 9 1 3 年瑞典人皮爾遜( a h p e h r s o n ) 提出了結(jié)晶器振動的概念，1 9 3 3 年德國人容漢斯 ( j u n g h a n s ) 建設(shè)了第一臺立式帶結(jié)晶器振動的連鑄機，其生產(chǎn)能為為1 7 0 0 f f m ，開發(fā) 了結(jié)晶器振動系統(tǒng)，并且澆鑄銅鋁合金獲得成功，使有色金屬連鑄在3 0 年代就用于生 產(chǎn)【l 】，并在1 9 4 3 年在德國建立了第一臺澆注鋼水的實驗性連鑄機。與普通模鑄的不同， 由于連鑄具有金屬收得率高、能源消耗省、鑄坯質(zhì)量好、機械化和自動化程度高等優(yōu)點， 已經(jīng)越來越受到各國鋼鐵生產(chǎn)廠家的重視。連續(xù)鑄鋼流程示意圖如圖1 1 所示。 鋼的生產(chǎn)采用連鑄技術(shù)起始于本世紀的5 0 年代，7 0 年代后鋼的連鑄技術(shù)得到了迅 速的發(fā)展，8 0 年代連鑄技術(shù)日益成熟。到1 9 8 7 年底，全世界各種型號的連鑄機一共1 3 9 6 臺，4 1 2 8 流。小方坯9 6 9 臺，2 2 9 4 流。大方坯3 5 3 臺，1 2 9 1 流，板坯3 4 7 臺，5 4 3 流。 實踐證明，采用連鑄技術(shù)可節(jié)省建設(shè)資金3 0 ，提高金屬收得率1 2 1 5 ，降低成本 1 0 , - - 1 2 。因此，目前連鑄被認為是冶金行業(yè)中的突破性技術(shù)，各國把研究和推廣連鑄 圖1 1 連續(xù)鑄鋼工藝流程示意圖 f i g 1 1t h ep r o c e s so fs t e e lc o n t i n u o u sc a s t i n g 東北火學博l ：論義第1 章緒論 技術(shù)、提高連鑄比和鑄坯質(zhì)量作為發(fā)展本國鋼鐵工業(yè)的方向。在2 0 世紀9 0 年代，不少 工業(yè)發(fā)達國家的連鑄比已接近1 0 0 。1 9 9 6 年我國連鑄比是5 3 3 ，2 0 0 0 年我國連鑄比 已達到8 2 8 ，2 0 0 4 年我國連鑄比為9 1 2 ，2 0 0 6 年我國連鑄比已經(jīng)達到了9 7 。連 鑄技術(shù)為提高我國鋼鐵工業(yè)的經(jīng)濟效益和節(jié)能做出了重大貢獻。 6 0 年代中期，日本正式在工業(yè)生產(chǎn)中采用連鑄技術(shù)。目前，日本的連鑄設(shè)備已經(jīng)接 近飽和，連鑄比不會再有很大的提高，其目前工作的重點是逐步對低效率的陳舊設(shè)備進 行技術(shù)改造和更新。日本連鑄技術(shù)之所以得到迅速發(fā)展，其主要原因如下：日本政府鼓 勵連鑄技術(shù)的發(fā)展，政策導向問題；日本的兩次能源危機促進了技術(shù)改革。用新技術(shù)來 保證f j 本鋼鐵的高利潤和競爭力；擇優(yōu)引進，博采眾長，觀念的開放；大力發(fā)展板坯連 鑄機；r h 、d h 等技術(shù)的引進使更多的鋼種可以用于連鑄生產(chǎn)。聯(lián)邦德國最早開發(fā)，技 術(shù)設(shè)備一流，但是平均技術(shù)水平和經(jīng)濟效益不如日本。法國是連鑄技術(shù)開發(fā)最早的國家 之一，1 9 8 8 年連鑄比達到9 4 ，超過日本，成為主要產(chǎn)鋼國之首。法國的主要鋼鐵公 司有敦刻爾克、于齊諾爾、索拉克、于里梅爾塔和索里梅。法國的連鑄自動化程度較高， 連鑄機平臺上基本無人操作，都是通過電視屏幕進行監(jiān)視和遙控，d m s 公司擁有電磁 攪拌的國際專賣權(quán)。美國的連鑄技術(shù)是與瑞士的康卡斯特公司和日本設(shè)備制造廠家合作 發(fā)展起來的。噸鋼成本低于德國、法國、英國。噸鋼工時低于日本、德國、法國和英國。 其發(fā)展的原因：增加連鑄投資：8 1 8 4 年，每年1 5 億美元；正確的選擇發(fā)展重點，技術(shù) 基礎(chǔ)雄厚。 我國在5 0 年代中期開始連鑄研究，1 9 5 8 年在重鋼三廠建成了立式雙流連鑄機，尺 寸為1 7 5 m m x 2 0 0 m m ，1 9 6 0 年唐鋼建成1 4 0 m i n x1 4 0 m m 方坯立式連鑄機，1 9 6 4 年在重 鋼三廠第一臺弧形的板坯和方坯兼用的連鑄機，這是世界上最早的用于工業(yè)生產(chǎn)的連鑄 機之一。1 9 6 7 年在重鋼建成了半徑為1 0 m m 的弧形連鑄機，是當時世界上弧形半徑最 大的連鑄機之一。1 9 7 8 年武鋼二煉鋼建成了與3 x 5 0 t 頂吹轉(zhuǎn)爐相匹配的3 臺弧形板坯連 鑄機。年產(chǎn)量1 5 0 萬噸。是我國第一個實現(xiàn)全連鑄的鋼廠。6 0 年代進入連鑄工業(yè)應(yīng)用階 段。7 0 年代發(fā)展緩慢，世界連鑄比在3 0 時，我國才6 2 。8 0 年代從國外引進了批 先進的連鑄機，8 0 年代中期出現(xiàn)了全連鑄鋼廠：即武鋼二煉鋼。到1 9 8 9 年末，我國建 成各類連鑄機1 1 0 臺，連鑄比1 6 3 。最開始的時候是5 8 年2 臺立式連鑄機用于生產(chǎn)。 其它有特征的：首鋼試驗廠3 臺國產(chǎn)小方坯弧形連鑄機，設(shè)備水平一般，但是科學管理， 嚴格操作，連續(xù)3 年被評為特等連鑄機。韶關(guān)鋼鐵廠建了2 臺2 機2 流弧形連鑄機，1 9 8 7 年被冶金部評為特等連鑄機。 由于環(huán)境保護和新材料的不斷開發(fā)，鋼鐵工業(yè)也需要在技術(shù)上不斷革新才能適應(yīng)這 東北人學博：卜論文 第1 章緒論 一發(fā)展需求，這也對連鑄技術(shù)的發(fā)展提出了更高的要求。連鑄技術(shù)的趨勢和目標主要有： 1 近終形連鑄，這是連鑄技術(shù)發(fā)展的基本趨勢，它力求澆鑄盡可能接近最終產(chǎn)品的尺 寸的鑄坯，以便進一步減少中間加工工序，節(jié)省能源、減少貯存和縮短生產(chǎn)時間。 2 高速連鑄，其首要目標是盡可能提高拉速，從而提高連鑄機的生產(chǎn)率。 3 連鑄高質(zhì)量鋼坯，其目標是提高鑄坯清潔性、表面質(zhì)量和內(nèi)部質(zhì)量，以滿足對產(chǎn)品 質(zhì)量不斷提高的要求。 近終形連鑄、高速連鑄和連鑄高質(zhì)量鑄坯三者實際上是相互關(guān)聯(lián)的，在連鑄的發(fā)展 中必將體現(xiàn)優(yōu)質(zhì)、高效和經(jīng)濟性，在實際生產(chǎn)中應(yīng)力求將這三者達到一體化。 1 2 連鑄坯表面振痕形成機理 在傳統(tǒng)的連鑄過程中引入結(jié)晶器振動技術(shù)，是連鑄技術(shù)的又一大進步。結(jié)晶器的上 下往復運行，實際上起到了“脫膜”的作用，改善了鑄坯的潤滑，避免了坯殼的粘結(jié)和漏 鋼，有利于獲得理想的表面質(zhì)量。但是這種振動卻會使鑄坯表面產(chǎn)生周期性橫向皺折( 即 振痕) 。 在連鑄生產(chǎn)中，振痕的形成導致鑄坯表面產(chǎn)生橫向裂紋，皮下產(chǎn)生磷、錳等合金元 素的j 下偏析，對后步工序產(chǎn)生不利的影響，降低了產(chǎn)品各種物理性能橫向斷面的均勻性。 因此，振痕被認為是決定鑄坯表面質(zhì)量的一個非常關(guān)鍵的環(huán)節(jié)。最常見的振痕形態(tài)基本 上可以分為兩種：凹陷狀振痕和鉤狀振痕，如圖1 2 所示。 圖1 2 兩種典型的振痕形態(tài) f i g 1 2t w ot y p i c a lk i n d so fo s c i l l a t i o nm a r k s 從上個世紀6 0 年代，冶金工作者為了解決鑄坯表面的振痕問題，提高鑄坯表面質(zhì) 量，針對不同的工藝和操作方式，人們從不同的角度提出了不同的振痕形成機理，并且 根據(jù)這些機理提出了相關(guān)技術(shù)。 東| 匕人學博i ：論文第1 章緒論 1 2 1 敞開澆鑄油潤滑連鑄坯振痕的形成 1 9 6 1 年s a v a g e 等人1 4 j 觀察到在結(jié)晶器上下往復振動的過程中，結(jié)晶器內(nèi)熔融鋼液 的初始凝固殼會粘結(jié)在結(jié)晶器的內(nèi)壁上，并隨結(jié)晶器上下運動。當結(jié)晶器的振動方向和 拉坯方向相反時，鋼液的初始凝固殼就會發(fā)生破裂，導致坯殼內(nèi)未凝固的鋼溢出并且填 充在破裂位置上。在結(jié)晶器向下運動的過程中破裂位置重新得到愈合，這樣形成的一道 愈合痕就是振痕。由于結(jié)晶器的周期性的運動導致了鑄坯的初始凝固殼的破裂周期的出 現(xiàn)，引起振痕周期性的產(chǎn)生。該機理對振痕的解釋進行了最初的嘗試。但是這種機理過 于簡單，并沒有考慮保護渣或者潤滑劑的在連鑄過程中所起的作用，沒有考慮結(jié)晶器振 動摩擦力的影響，因此，這種機理的正確性得到了質(zhì)疑，目前已經(jīng)基本被拋棄。 1 9 8 4 年s a m a r a s e k e r a 等人【5 】通過研究發(fā)現(xiàn)，