软接触电磁连铸保护渣行为及对钢液凝固影响机理研究

在软接触电磁连铸过程高频磁场作用下，结晶器内保护渣性能、冶金行为及其对钢液凝固的影响的系统研究是软接触电磁连铸改善铸坯表面质量的基础，本项目拟在自主开发的软接触电磁连铸试验平台上开展如下研究：1)保护渣电磁特性及在高频电磁场作用下保护渣性能变化规律的实验研究；2)电磁场作用下结晶器内金属液面形状及保护渣三层结构的实验研究；3)电磁场作用下气隙通道内保护渣渣道宽度和渣膜动压力分布解析；4)同时考虑保护渣渣膜作为传热介质和焦耳热作用的软接触结晶器传热行为及固、液渣膜状态和润滑行为解析。本研究成果可进一步完善电磁连铸理论，推进软接触电磁连铸技术的产业化进程。

软接触电磁连铸技术是钢铁工业发展的前沿技术之一，因其能生产出无振痕无裂纹的连铸坯而受到世界连铸技术工作者的极大关注。目前，软接触电磁连铸技术在发挥着润滑铸坯、调节结晶器传热等重要冶金作用的保护渣方面研究甚少。本文从高频电磁场作用下保护渣主要冶金特性着手，对保护渣在软接触电磁连铸结晶器内的行为、作用及其对结晶器传热和铸坯表面质量影响机理等基础问题进行了系统研究。. 本文建立了软接触电磁连铸结晶器内钢液三维电磁场与流场的有限元模型，研究了软接触电磁连铸结晶器内电磁场的分布规律及钢液的流动规律。结果表明：软接触结晶器内的磁感应强度主要作用在钢液表面10mm的集肤层内；恒定电源频率为20kHz时，磁感应强度随着电流强度的增加正比例增大。. 采用自主设计开发实验装置和有限元软件数值模拟的双重手段，系统研究了保护渣电磁特性及在高频电磁场作用下保护渣的冶金特性及变化规律。结果表明：高频电磁场明显改变了结晶器内保护渣结构，20kHz高频磁场作用下，保护渣（R=0.66~0.91）粘度大幅增加，增幅约17~52%，凝固温度亦随之小幅上升，约0.5~3.8%，保护渣没有生成新的物相，结晶率平均升高约47%，晶粒尺寸显著减小，熔池内保护渣的三层结构受电磁场影响较小。. 利用低熔点合金16%Sn-32%Pb-52%Bi进行实际钢水模拟试验，测量了高频电磁场作用下连铸结晶器内弯月面形状，计算了保护渣渣道宽度及保护渣渣道内的动态压力，分析了保护渣的流入行为。结果表明：20kHz高频电磁场下，Lorentz力拓宽保护渣渣道宽度至0.23mm，弯月面曲率半径和高度均有所增大，三相点降低；保护渣渣道中动态压力正、负压的最大值亦同时减小，软接触条件保证了渣液渗流畅通，明显改善了铸坯的润滑条件。. 建立软接触电磁连铸保护渣-结晶器传热行为数学模型，对感应电流在钢中、液渣膜和结晶器铜壁中产生的焦耳热分别进行了计算，构建了结晶器及渣膜温度场，并预测了固液渣膜存在状态和润滑行为。结果表明：结晶器所产生焦耳热最多，钢液感应所生成焦耳热量次之，液态渣膜上感应生成的焦耳热数值较小，且分布分散；焦耳热减缓了结晶器的冷却，降低了钢液凝固前沿的温度梯度，实现了铸坯组织的均匀化。感应所生成的焦耳热对弯月面区域及气隙内渣膜结构也产生了一定的影响，但液态渣膜厚度增幅较小。