高拉速連鑄結(jié)晶器電磁控流技術(shù)發(fā)展

羅 森，楊宇威，王衛(wèi)領(lǐng)，朱苗勇

（東北大學(xué) 冶金學(xué)院，沈陽(yáng) 110819）

連鑄作為現(xiàn)代鋼鐵制造流程中的重要工序，近幾十年獲得了長(zhǎng)足發(fā)展.2021年，全球平均連鑄比達(dá)到96.9%，我國(guó)連鑄比高達(dá)98.6%、連鑄坯產(chǎn)量突破了10億t［1］.隨著國(guó)家戰(zhàn)略“碳達(dá)峰”與“碳中和”的快速推進(jìn)實(shí)施，鋼鐵行業(yè)面臨前所未有的減碳?jí)毫Γ瑖?guó)內(nèi)各鋼鐵企業(yè)都在積極探索和發(fā)展以高拉速、無(wú)缺陷為核心內(nèi)涵的高效連鑄技術(shù)，用以進(jìn)一步提升連鑄生產(chǎn)效率、降低能耗.

20世紀(jì)80年代，為應(yīng)對(duì)全球石油危機(jī)對(duì)鋼鐵產(chǎn)業(yè)的沖擊，以日本新日鐵、日本住友金屬、日本鋼管公司（NKK，現(xiàn)JFE）等為代表的鋼鐵公司率先開(kāi)展常規(guī)板坯高拉速連鑄的實(shí)踐，大幅提高了連鑄生產(chǎn)效率，同時(shí)還降低了能耗和生產(chǎn)成本，企業(yè)競(jìng)爭(zhēng)力因此得以提升［2］.其中，日本鋼管公司福山廠5號(hào)直弧形板坯連鑄機(jī)實(shí)現(xiàn)了普碳鋼板坯斷面（700～1 650）mm×200 mm最高連鑄拉速達(dá)3.0 m／min，當(dāng)時(shí)被稱(chēng)為“冠軍連鑄機(jī)”.同時(shí)期，日本的新日鐵、住友金屬與川崎制鐵在常規(guī)板坯的高拉速連鑄方面也取得了重要突破，最高連鑄拉速可達(dá)2.5 m／min.此后，韓國(guó)浦項(xiàng)光陽(yáng)廠2號(hào)和3號(hào)連鑄機(jī)于2007年由弧形改造成直弧形，成功實(shí)現(xiàn)了板坯斷面1 600 mm×250 mm低碳鋁鎮(zhèn)靜鋼最高2.7 m／min的澆鑄速度［3］.然而，我國(guó)鋼鐵企業(yè)常規(guī)板坯連鑄機(jī)實(shí)際生產(chǎn)拉速普遍低于1.8 m／min，只有少數(shù)企業(yè)可達(dá)到2.0 m／min以上.首鋼京唐3號(hào)板坯連鑄機(jī)經(jīng)設(shè)備改造和技術(shù)攻關(guān)，低碳鋼板坯斷面（900～1 600）mm×230 mm最高連鑄拉速可達(dá)2.5 m／min［4］，但仍低于國(guó)外先進(jìn)水平.此外，20世紀(jì)80年代末期，薄板坯連鑄連軋技術(shù)的使用進(jìn)一步促進(jìn)了煉鋼工序和軋鋼工序的高效銜接，它具有流程短、能耗低、效率高和生產(chǎn)周期短的顯著優(yōu)勢(shì)，受到鋼鐵工業(yè)的廣泛關(guān)注，并隨后在世界范圍內(nèi)大規(guī)模推廣應(yīng)用.截至到2020年，我國(guó)薄板坯連鑄連軋產(chǎn)線(xiàn)有20條，是全世界薄板坯產(chǎn)線(xiàn)最多、產(chǎn)能最大的國(guó)家，但拉速大多低于5 m／min，僅有日照、河鋼和唐鋼拉速可達(dá)到6 m／min［5-6］.而韓國(guó)浦項(xiàng)開(kāi)發(fā)的緊湊型無(wú)頭連鑄連軋技術(shù)CEM?成功實(shí)現(xiàn)了最大拉速8 m／min，成為目前薄板連鑄最高拉速世界紀(jì)錄的保持者［7］.

經(jīng)過(guò)近幾十年的發(fā)展，板坯連鑄拉速已經(jīng)取得了前所未有突破，以意大利阿維迪ESP［8］、韓國(guó)浦項(xiàng)CEM?［7］、中國(guó)首鋼京唐與意大利達(dá)涅利合作開(kāi)發(fā)的MCCR［9］等為代表的無(wú)頭軋制技術(shù)突破了連鑄最低拉速的瓶頸，成功實(shí)現(xiàn)了薄板坯的直接軋制.對(duì)于傳統(tǒng)板坯連鑄而言，大部分鋼鐵企業(yè)的常規(guī)板坯連鑄拉速仍偏低，雖然部分常規(guī)板坯拉速已經(jīng)突破2.5 m／min，但要實(shí)現(xiàn)傳統(tǒng)板坯連鑄直接軋制還需要進(jìn)一步提高拉速.據(jù)估算，單流常規(guī)板坯連鑄機(jī)拉速需要達(dá)到4 m／min，才能滿(mǎn)足理想情況下一臺(tái)鑄機(jī)匹配一條軋制產(chǎn)線(xiàn)［2］.然而，隨著拉速的提升，結(jié)晶器內(nèi)鋼液流動(dòng)和初始凝固行為發(fā)生明顯變化，主要體現(xiàn)在［5，10-11］：①結(jié)晶器渣金界面上無(wú)論是鋼液流速還是平靜度均向不利方向發(fā)展，極易產(chǎn)生卷渣引起的軋板線(xiàn)狀缺陷；②保護(hù)渣的消耗降低，結(jié)晶器潤(rùn)滑效果變差，導(dǎo)致發(fā)生黏結(jié)漏鋼事故的風(fēng)險(xiǎn)增加；③結(jié)晶器內(nèi)鋼液停留時(shí)間縮短，出口初凝坯殼偏薄，導(dǎo)致發(fā)生漏鋼事故的風(fēng)險(xiǎn)增加；④高溫鋼液流股對(duì)結(jié)晶器窄面的劇烈沖擊會(huì)造成初凝坯殼重熔，導(dǎo)致發(fā)生漏鋼事故的風(fēng)險(xiǎn)增加；⑤高溫鋼液注流的沖擊深度變大，鋼液中夾帶的氣泡或夾雜物難以上浮去除，導(dǎo)致鑄坯出現(xiàn)“針孔”等內(nèi)部缺陷.因此，優(yōu)化、控制結(jié)晶器內(nèi)鋼液流動(dòng)行為，確保高拉速連鑄的安全和鑄坯質(zhì)量的穩(wěn)定控制，是實(shí)現(xiàn)板坯高拉速連鑄的核心技術(shù).

連鑄結(jié)晶器內(nèi)鋼液流動(dòng)主要受連鑄裝置和澆鑄工藝影響.浸入式水口作為連接連鑄中間包與結(jié)晶器的鋼液導(dǎo)流裝置，其結(jié)構(gòu)形態(tài)對(duì)連鑄結(jié)晶器內(nèi)鋼液流動(dòng)行為的影響巨大.優(yōu)化設(shè)計(jì)高拉速連鑄結(jié)晶器浸入式水口的結(jié)構(gòu)一直是研究的重點(diǎn)［12-15］，主要包括水口的出口形狀、出口孔數(shù)、出口角度及底部形狀等.另外，拉速、吹氬量和水口浸入深度等工藝參數(shù)的優(yōu)化也受到了廣泛關(guān)注［16-17］.雖然優(yōu)化連鑄浸入式水口結(jié)構(gòu)和連鑄工藝能夠?qū)Ω呃龠B鑄的安全順行起到重要作用，但其對(duì)高拉速連鑄工藝變化的適應(yīng)性較差，仍然難以解決高拉速連鑄過(guò)程中結(jié)晶器內(nèi)液面劇烈波動(dòng)的問(wèn)題.結(jié)晶器電磁控流技術(shù)是通過(guò)外加電磁場(chǎng)改變結(jié)晶器內(nèi)鋼液流動(dòng)模式，來(lái)實(shí)現(xiàn)高拉速連鑄結(jié)晶器內(nèi)液面的穩(wěn)定控制.該技術(shù)可根據(jù)連鑄工藝靈活調(diào)整電磁控流參數(shù)，并實(shí)現(xiàn)了在線(xiàn)動(dòng)態(tài)控制，現(xiàn)已成為高拉速板坯連鑄結(jié)晶器流動(dòng)控制的標(biāo)配技術(shù)，被廣泛應(yīng)用于板坯連鑄生產(chǎn)當(dāng)中［18-22］.本文中結(jié)合連鑄結(jié)晶器電磁控流技術(shù)的發(fā)展，重點(diǎn)介紹板坯高拉速連鑄結(jié)晶器控流裝置及其對(duì)結(jié)晶器流動(dòng)行為和鑄坯質(zhì)量的影響規(guī)律，指出高拉速板坯連鑄結(jié)晶器內(nèi)合理的鋼液流動(dòng)模式及其控制關(guān)鍵，并展望未來(lái)高拉速板坯連鑄結(jié)晶器電磁控流裝置與智能化電磁控流系統(tǒng)技術(shù)的發(fā)展方向.

1 結(jié)晶器鋼液流動(dòng)及電磁控流原理

1.1 結(jié)晶器鋼液流動(dòng)模式及其對(duì)質(zhì)量的影響

高溫鋼液通過(guò)浸入式水口從中間包進(jìn)入結(jié)晶器，并在結(jié)晶器內(nèi)發(fā)生湍流流動(dòng)、高效傳熱、溶質(zhì)擴(kuò)散等復(fù)雜的多相傳輸行為.其中，鋼液流動(dòng)模式對(duì)渣金界面穩(wěn)定性、初始凝固坯殼均勻性，以及凝固缺陷的產(chǎn)生等均有著極大的影響，因此結(jié)晶器內(nèi)合理的鋼液流動(dòng)模式對(duì)高品質(zhì)連鑄坯的高效制備至關(guān)重要.通常，從浸入式水口（SEN）側(cè)孔排出的鋼液射流沖擊結(jié)晶器窄面后會(huì)分成兩股：一股向上經(jīng)過(guò)彎月面到達(dá)渣金界面，之后水平流向水口附近形成上回流區(qū)；另一股向下沖擊到結(jié)晶器較深的區(qū)域形成下回流區(qū)，由此構(gòu)成雙循環(huán)流動(dòng)模式（double-roll，DR），如圖1（a）所示.1995年，K?hler等［23］在2 700 mm×220 mm板坯連鑄過(guò)程中發(fā)現(xiàn)，當(dāng)吹氬流量較大和水口浸入深度較淺時(shí)，水口側(cè)口流出的鋼液先上升到渣金界面，然后沿渣金界面向結(jié)晶器彎月面處流動(dòng)，并最終沿著結(jié)晶器窄面向下侵入到液相穴深處，形成單循環(huán)流動(dòng)模式（single-roll，SR），如圖1（b）所示.此外，結(jié)晶器內(nèi)鋼液還可能存在雙回旋流和單回旋流之間的過(guò)渡流動(dòng).它會(huì)導(dǎo)致結(jié)晶器內(nèi)鋼液流動(dòng)紊亂、渣金界面波動(dòng)嚴(yán)重，對(duì)鑄坯質(zhì)量影響較大，且這種流動(dòng)模式極不穩(wěn)定，故被稱(chēng)為不穩(wěn)定流動(dòng)模式（unstable，U），如圖1（c）所示.結(jié)晶器內(nèi)鋼液流動(dòng)模式受連鑄操作工藝影響較大，如鑄坯斷面尺寸、浸入式水口結(jié)構(gòu)、浸入深度、水口堵塞情況、拉速、吹氬量等.2002年，法國(guó)Rotelec公司在對(duì)多臺(tái)板坯連鑄機(jī)結(jié)晶器內(nèi)的鋼液流動(dòng)進(jìn)行釘板測(cè)量后，綜合板坯寬度、拉速、氬氣流量、水口結(jié)構(gòu)和浸入深度對(duì)結(jié)晶器流型的影響，提出了結(jié)晶器鋼液流動(dòng)模式（單循環(huán)流、不穩(wěn)定流與雙循環(huán)流）與板坯寬度／拉速的定量關(guān)系圖（見(jiàn)圖2）［24］.

圖1 結(jié)晶器內(nèi)三種典型鋼液流動(dòng)模式Fig.1 Three typical molten steel flow patterns in the mold

圖2 板坯寬度／拉速與結(jié)晶器鋼液流型關(guān)系圖［24］Fig.2 Effect of slab-width／casting-speed on the flow patterns in mold

結(jié)晶內(nèi)鋼液流動(dòng)模式與板坯／卷材質(zhì)量之間存在著密切的關(guān)系，如表1所列.在單循環(huán)流動(dòng)模式中，鋼液直接從水口向上流向彎月面，推動(dòng)保護(hù)渣向結(jié)晶器彎月面堆積，導(dǎo)致浸入式水口附近保護(hù)渣減薄，甚至出現(xiàn)鋼液裸露的情況，進(jìn)而發(fā)生二次氧化，使鋼液被污染.單循環(huán)流也極易將氬氣泡和夾雜物帶入到液相穴深處，使得小氣泡難以上浮去除，造成鑄坯的皮下缺陷.此外，它還會(huì)使結(jié)晶器內(nèi)液面波動(dòng)嚴(yán)重，從而出現(xiàn)卷渣和鑄坯的縱裂缺陷.在雙循環(huán)流動(dòng)模式中，上回流源源不斷地為保護(hù)渣的熔化提供熱量，這不僅有利于結(jié)晶器潤(rùn)滑，還能保障鑄坯的表面質(zhì)量.而鋼液射流受鑄坯窄面阻礙作用的影響，射流能量顯著降低.這既避免了上回流使渣金界面過(guò)于活躍而引起卷渣，又避免了下回旋流的沖擊過(guò)深，對(duì)氬氣泡和夾雜物的上浮與去除極其有利，起到了保障鑄坯內(nèi)部質(zhì)量的作用.在不穩(wěn)定流動(dòng)模式中，不穩(wěn)定流多存在于開(kāi)澆、換包、變拉速、變?cè)€(xiàn)、水口堵塞等非穩(wěn)態(tài)澆鑄過(guò)程.此時(shí)，結(jié)晶器內(nèi)部鋼液流動(dòng)紊亂、渣金界面波動(dòng)嚴(yán)重，極易造成卷渣、坯殼的非均勻生長(zhǎng)，使鑄坯質(zhì)量惡化.由此可見(jiàn)，板坯結(jié)晶器最優(yōu)的鋼液流型為雙循環(huán)流動(dòng)，應(yīng)避免單循環(huán)流動(dòng)或不穩(wěn)定流動(dòng)，這對(duì)高品質(zhì)連鑄坯的高效化生產(chǎn)至關(guān)重要.

表1 鋼液流型對(duì)鑄坯／板卷的影響［25］Table 1 Effect of molten steel flow pattern in mold on slab／coiled strip quality［25］

1.2 結(jié)晶器卷渣及電磁控流原理

在連鑄過(guò)程中，鋼液通過(guò)浸入式水口進(jìn)入結(jié)晶器時(shí)，注流鋼液的耗散容易引起結(jié)晶器內(nèi)自由液面的波動(dòng).隨著拉速的提高，結(jié)晶器內(nèi)液面波動(dòng)的加劇會(huì)造成卷渣概率的增加.在超低碳鋼生產(chǎn)中，超過(guò)60%的缺陷來(lái)自卷渣［26］，因此研究者針對(duì)連鑄結(jié)晶器內(nèi)卷渣的形成機(jī)理及影響因素開(kāi)展了大量研究，具體見(jiàn)表2［27］.這些研究結(jié)果對(duì)控制結(jié)晶器內(nèi)液面波動(dòng)和獲得良好的鑄坯質(zhì)量具有重要的理論指導(dǎo)意義.

表2 結(jié)晶器卷渣現(xiàn)象部分研究匯總Table 2 Summary of research on mold slag entrapment phenomenon

為防止結(jié)晶器內(nèi)液面波動(dòng)造成卷渣，合理評(píng)價(jià)結(jié)晶器內(nèi)液面波動(dòng)行為至關(guān)重要.Teshima等［40］以日本鋼管公司福山制鐵所5號(hào)連鑄機(jī)的生產(chǎn)工藝條件為研究基礎(chǔ)，對(duì)高拉速板坯結(jié)晶器內(nèi)的鋼液流動(dòng)行為進(jìn)行了大量的水模型實(shí)驗(yàn)，并結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試分析了連鑄工藝條件對(duì)結(jié)晶器內(nèi)鋼液流動(dòng)和液面波動(dòng)的影響，提出了結(jié)晶器內(nèi)鋼液液面波動(dòng)的無(wú)量綱指數(shù)，即液面波動(dòng)指數(shù)F，定義式為

式中：ρ為鋼液密度；QL為鋼液流量；Ve為鋼液主流股沖擊速度；θ為鋼液主流股沖擊角度；D為沖擊點(diǎn)到自由液面的距離.

液面波動(dòng)指數(shù)F可有效地反映結(jié)晶器內(nèi)彎月面處鋼液的波動(dòng)情況，其數(shù)值范圍的合理控制對(duì)提高鑄坯質(zhì)量具有重要意義.后續(xù)，Teshima等［41］再次利用水模型實(shí)驗(yàn)分析了不同工藝參數(shù)條件下結(jié)晶器內(nèi)鋼液的流動(dòng)形態(tài).結(jié)果表明，上循環(huán)區(qū)的流股是造成鋼液卷渣的主要因素，且在無(wú)外場(chǎng)工況下F的最佳范圍為1.7～3.0.目前，高拉速連鑄機(jī)通常會(huì)配備電磁控流和吹氬工藝.于海歧［42］等利用數(shù)值模擬與實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證相結(jié)合的方法，研究了電磁制動(dòng)和吹氬共同作用下F的變化規(guī)律.研究結(jié)果表明：F與吹氬量、拉速和線(xiàn)圈電流強(qiáng)度均近似成線(xiàn)性遞增關(guān)系；在保證鋼／渣界面不被吹破的前提下，當(dāng)F保持在15～21時(shí)，彎月面附近的波動(dòng)平穩(wěn)，最大界面波高不會(huì)超過(guò)4 mm.

雖然維持合理的結(jié)晶器液面波動(dòng)指數(shù)F可通過(guò)優(yōu)化傳統(tǒng)的連鑄操作工藝來(lái)實(shí)現(xiàn)，但傳統(tǒng)的連鑄操作工藝難以適應(yīng)連鑄高拉速和非穩(wěn)態(tài)澆鑄過(guò)程.因此，電磁控流技術(shù)作為一種無(wú)污染、高效的控流手段，正被廣泛應(yīng)用于板坯高拉速連鑄生產(chǎn)中.它通過(guò)在結(jié)晶器內(nèi)部施加電磁場(chǎng)，迫使注流鋼液在運(yùn)動(dòng)過(guò)程產(chǎn)生電磁力，實(shí)現(xiàn)了結(jié)晶器內(nèi)鋼液流動(dòng)的無(wú)接觸式調(diào)控.如圖3所示，連鑄板坯電磁控流器（即電磁感應(yīng)器）一般安裝在結(jié)晶器外部，由一個(gè)或多個(gè)感應(yīng)線(xiàn)圈構(gòu)成.當(dāng)感應(yīng)器饋給兩相、三相交流電或直流電時(shí)，就會(huì)產(chǎn)生交變磁場(chǎng)或靜磁場(chǎng)的磁感應(yīng)強(qiáng)度.該磁場(chǎng)逐步向鋼液內(nèi)滲透并在感應(yīng)器中產(chǎn)生方向與饋給電流方向相反的感生電流.感生電流與當(dāng)?shù)卮鸥袘?yīng)強(qiáng)度相互作用，產(chǎn)生方向由表面指向中心的電磁力（即洛倫茲力）.當(dāng)電磁力與鋼液流動(dòng)方向相反時(shí)，鋼液流動(dòng)被強(qiáng)制減速，鋼液的制動(dòng)功能得以實(shí)現(xiàn)；當(dāng)電磁力與鋼液流動(dòng)方向相同時(shí)，鋼液流動(dòng)被強(qiáng)制加速，鋼液的加速功能得以實(shí)現(xiàn)［43］.通常情況下，當(dāng)拉速較低時(shí)，采用電磁加速功能可以提高鋼液流速，保證渣金界面活躍度，從而促進(jìn)化渣；當(dāng)拉速較高時(shí)，采用電磁制動(dòng)功能可以降低鋼液流速，防止結(jié)晶器內(nèi)液面劇烈波動(dòng)，從而避免卷渣的產(chǎn)生.

圖3 電磁連鑄基本原理示意圖Fig.3 Schematic diagram of basic electromagnetic principle in continuously cast mold

描述連鑄電磁控流基本理論的方程由麥克斯韋方程組和移動(dòng)導(dǎo)體歐姆定律構(gòu)成，表達(dá)式如下：

式中：E為電場(chǎng)強(qiáng)度；B為磁流密度；J為電流密度；μ為鋼液磁導(dǎo)率；V為鋼液流速；FL為電磁力.

2 高拉速連鑄結(jié)晶器電磁控流裝置

從電磁制動(dòng)技術(shù)的發(fā)展歷程來(lái)看，為了更好地適應(yīng)高拉速連鑄技術(shù)的發(fā)展，電磁制動(dòng)裝置的磁場(chǎng)布置方式也在不斷更新，從早期的區(qū)域型磁極布置（第一代區(qū)域型電磁制動(dòng)裝置）逐漸向磁場(chǎng)覆蓋整個(gè)結(jié)晶器寬度的全幅型電磁制動(dòng)（全幅一段和全幅二段電磁制動(dòng)技術(shù)）發(fā)展.磁場(chǎng)布置方式的發(fā)展主要是為了克服電磁制動(dòng)技術(shù)受磁場(chǎng)作用區(qū)域限制的特點(diǎn)，進(jìn)一步優(yōu)化結(jié)晶器內(nèi)鋼液流動(dòng)，以獲得更合理、更有效的控流效果.此外，在傳統(tǒng)電磁制動(dòng)技術(shù)的基礎(chǔ)上，根據(jù)電磁制動(dòng)技術(shù)的基本原理，冶金學(xué)者們又提出了許多創(chuàng)新型的電磁制動(dòng)技術(shù)，這不僅豐富了高拉速電磁制動(dòng)技術(shù)的內(nèi)容，還推動(dòng)了該技術(shù)的發(fā)展.

2.1 區(qū)域型電磁制動(dòng)裝置.

區(qū)域型磁極結(jié)構(gòu)為早期高拉速連鑄結(jié)晶器電磁制動(dòng)器的磁場(chǎng)布置方式.該磁場(chǎng)結(jié)構(gòu)位于浸入式水口位置附近，并且未完全覆蓋整個(gè)結(jié)晶器.這樣做的目的是控制結(jié)晶器浸入式水口兩側(cè)孔出流附近的鋼液流速，達(dá)到穩(wěn)定液面波動(dòng)、減小流股向下沖擊深度和彎月面處流速、提升彎月面處溫度及改善結(jié)晶器潤(rùn)滑等冶金效果.區(qū)域型電磁制動(dòng)裝置主要包括第一代區(qū)域型電磁制動(dòng)裝置、水口區(qū)域型電磁制動(dòng)器、中上部區(qū)域型電磁制動(dòng)器和射流型電磁制動(dòng)器，以及改進(jìn)型電磁制動(dòng)器（立式和分區(qū)域型電磁制動(dòng)器），如表3所列.

表3 不同區(qū)域型電磁制動(dòng)器分類(lèi)Table 3 Classification of EMBr local fields

（1）第一代區(qū)域型電磁制動(dòng)裝置.20世紀(jì)80年代，瑞典ABB公司和日本川崎制鐵公司共同研發(fā)了局部區(qū)域電磁制動(dòng)技術(shù)（EMBr local fields）［44-46］，電磁制動(dòng)技術(shù)自此得到初步發(fā)展.局部電磁制動(dòng)器結(jié)構(gòu)是由兩個(gè)“U”形磁鐵和線(xiàn)圈組成，被分別布置于浸入式水口（SEN）左右兩側(cè)，用以產(chǎn)生穩(wěn)恒靜磁場(chǎng).該技術(shù)能有效地控制水口出流處鋼液的流速，故自問(wèn)世以來(lái)便很快在日本冶金行業(yè)中得到認(rèn)可，并率先在川崎制鐵公司水島鋼廠實(shí)機(jī)裝配使用.使用結(jié)果表明：水口出流處流速明顯降低，向下流股侵入深度降低了50%，拉速提高了30%，拉漏事故明顯減少［47］.由此可知，第一代區(qū)域性電磁制動(dòng)技術(shù)可有效減弱高速流股對(duì)窄面的沖擊，降低下循環(huán)區(qū)鋼液侵入深度，促進(jìn)氣泡上浮，最終提高鑄坯質(zhì)量.該區(qū)域型電磁制動(dòng)器還具有主體結(jié)構(gòu)小、運(yùn)輸與安裝維修便捷等優(yōu)點(diǎn)，但它并沒(méi)有覆蓋整個(gè)結(jié)晶器的寬面與窄面，作用區(qū)間范圍有限且僅能調(diào)控水口出口附近鋼液速度.一旦磁場(chǎng)過(guò)強(qiáng)，就會(huì)導(dǎo)致流股在水口下方負(fù)壓區(qū)的渦旋分流增強(qiáng)，反而抑制氣泡上浮.此外，該種電磁制動(dòng)技術(shù)的磁場(chǎng)布置對(duì)水口結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要求較高，當(dāng)電磁鐵與水口浸入深度或出流傾斜角度等不匹配時(shí)，不但無(wú)法產(chǎn)生良好的制動(dòng)效果，還會(huì)降低鑄坯質(zhì)量.

（2）水口區(qū)域型電磁制動(dòng)技術(shù).上海大學(xué)張振強(qiáng)［48］提及Pavlicevic等在2003年首次提出了水口區(qū)域型電磁制動(dòng)裝置.他們將區(qū)域型電磁鐵布置于浸入式水口下方附近，目的是通過(guò)穩(wěn)恒靜磁場(chǎng)來(lái)調(diào)控浸入式水口的內(nèi)部流場(chǎng)，降低水口出流流速，保持水口兩側(cè)出流流量的基本一致，以防止高拉速連鑄結(jié)晶器內(nèi)液面波動(dòng)劇烈造成卷渣等鑄坯質(zhì)量缺陷的出現(xiàn).此類(lèi)區(qū)域型電磁制動(dòng)器主要用來(lái)調(diào)節(jié)水口內(nèi)部鋼液流動(dòng)行為，解決因側(cè)孔流量不一致而引起的鋼液流動(dòng)模式突變問(wèn)題.但這種磁極布置對(duì)穩(wěn)定結(jié)晶器內(nèi)鋼液雙循環(huán)流動(dòng)模式的作用有限，且相關(guān)研究和實(shí)機(jī)裝置應(yīng)用也相對(duì)較少.

（3）中上部區(qū)域型電磁制動(dòng)裝置.第一代電磁制動(dòng)器和水口區(qū)域型電磁制動(dòng)器的磁極體積均較小，導(dǎo)致施加在結(jié)晶器上的穩(wěn)恒磁場(chǎng)在結(jié)晶器的寬面與窄面上分布不均勻，所形成的電磁力強(qiáng)度也不能有效降低結(jié)晶器窄面附近向下的鋼液流速，夾雜物也因此被帶到結(jié)晶器更深的區(qū)域，這些對(duì)夾雜物的上浮都會(huì)產(chǎn)生不利影響.針對(duì)上述問(wèn)題，Morishita等［49］提出了在結(jié)晶器的寬面和窄面上施加方向與板坯寬度方向平行的穩(wěn)恒磁場(chǎng)這一構(gòu)思，并通過(guò)數(shù)值模擬驗(yàn)證明了其制動(dòng)效果超過(guò)第一代區(qū)域型電磁制動(dòng)器，該構(gòu)思也彌補(bǔ)了第一代區(qū)域型電磁制動(dòng)技術(shù)作用區(qū)域小的缺陷.之后Cho等［50］開(kāi)發(fā)了中上部區(qū)域型電磁制動(dòng)裝置，他們將兩對(duì)磁極布置于浸入式水口側(cè)孔出流的上方，且與側(cè)孔出流鋼液流股流動(dòng)的方向平行.該磁場(chǎng)布置方式可更有效地促進(jìn)夾雜物的上浮，在減小鋼液流速的同時(shí)，還可以抑制由吹氬引起的液面波動(dòng).

（4）射流型電磁制動(dòng)裝置.2011年，王寅等［51］為解決水平制動(dòng)磁極布置時(shí)結(jié)晶器內(nèi)靜磁場(chǎng)強(qiáng)度衰減過(guò)快這一問(wèn)題，提出了射流型電磁制動(dòng)裝置的磁場(chǎng)布置方式.他們采用兩對(duì)磁極沿與水口側(cè)孔出流平行的方向布置，使磁場(chǎng)作用區(qū)域完全覆蓋浸入式水口側(cè)孔出流，這樣鋼液流股就可以最大程度地穿過(guò)靜磁場(chǎng)的作用范圍.該電磁制動(dòng)技術(shù)可以有效減弱鋼液流股的沖擊深度和結(jié)晶器窄面所受的沖擊強(qiáng)度，但對(duì)結(jié)晶器內(nèi)上循環(huán)區(qū)鋼液的控制效果欠佳，且相關(guān)研究和實(shí)機(jī)裝置應(yīng)用也相對(duì)較少.

（5）立式區(qū)域型電磁制動(dòng)裝置.2017年，李壯等［52］針對(duì)CSP薄板坯連鑄機(jī)提出了立式電磁制動(dòng)器（vertical electromagnetic brake，V-EMBr）.它的設(shè)計(jì)理念是在第一代區(qū)域型電磁制動(dòng)器磁場(chǎng)的基礎(chǔ)上，額外在結(jié)晶器窄面附近豎直放置一對(duì)立式電磁極，使其產(chǎn)生的靜磁場(chǎng)可同時(shí)覆蓋結(jié)晶器窄面附近彎月面和鋼液射流沖擊點(diǎn)兩個(gè)關(guān)鍵區(qū)域，彌補(bǔ)了第一代區(qū)域型電磁制動(dòng)器對(duì)窄面附近鋼液控制不足的缺陷.這種磁極分布能有效抑制結(jié)晶器內(nèi)液面波動(dòng)引起的卷渣，減弱氣泡和夾雜物的沖擊深度，擴(kuò)大靜磁場(chǎng)在結(jié)晶器上的制動(dòng)范圍，使制動(dòng)效果受水口浸入深度和傾斜角度的影響變小.

（6）分區(qū)域型電磁制動(dòng)裝置.為實(shí)現(xiàn)結(jié)晶器內(nèi)上、下循環(huán)區(qū)的制動(dòng)獨(dú)立可調(diào)，達(dá)涅利公司針對(duì)高拉速下薄板坯連鑄機(jī)提出了分區(qū)域電磁制動(dòng)技術(shù)（multi-mode?EMBr，MM-EMBr）［53］.該電磁制動(dòng)器［54-55］的基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)如圖4所示.它由5對(duì)制動(dòng)線(xiàn)圈組成，每對(duì)線(xiàn)圈由獨(dú)立的電控單元進(jìn)行調(diào)控，通過(guò)不同組合的工作模式來(lái)實(shí)現(xiàn)高拉速連鑄結(jié)晶器內(nèi)鋼液的阻尼、制動(dòng)和控制偏流的作用.為更好地適應(yīng)高拉速工況，靜磁場(chǎng)的數(shù)量、分布位置與傳統(tǒng)電磁制動(dòng)有明顯的不同，共劃分為5個(gè)制動(dòng)區(qū)域.其中，位于上方的磁場(chǎng)A與C起抑制作用，可降低流經(jīng)窄面后上回流區(qū)的鋼液流速；位于下方的磁場(chǎng)D與E起制動(dòng)作用，可減小下回流區(qū)鋼液的沖擊深度.當(dāng)薄板坯拉速較快時(shí)，會(huì)導(dǎo)致水口下方區(qū)域不穩(wěn)定，因此在水口下方增加磁場(chǎng)F.它可使中下方鋼液穩(wěn)定，減少二次渦流，同時(shí)還可創(chuàng)造良好的凝固條件.

圖4 線(xiàn)圈配置和磁場(chǎng)方向示意圖［54］Fig.4 Schematic diagram of coil configuration and magnetic field direction［54］

2.2 全幅一段電磁制動(dòng)裝置

與區(qū)域型電磁制動(dòng)的磁場(chǎng)布置方式相比，全幅一段電磁制動(dòng)器（ruler EMBr）的磁極布置方式發(fā)生了較大變化，具體可見(jiàn)表4.全幅一段磁制動(dòng)通過(guò)在結(jié)晶器寬面方向上布置一對(duì)水平磁極，使所產(chǎn)生的穩(wěn)恒靜磁場(chǎng)可以覆蓋整個(gè)結(jié)晶器寬面，從而增加了磁場(chǎng)在結(jié)晶器寬面上的覆蓋范圍.這種磁極布置的電磁制動(dòng)器最早由日本新日鐵公司于20世紀(jì)90年成功開(kāi)發(fā)［56］.根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際的應(yīng)用效果可以看出，該制動(dòng)器不僅解決了局域型電磁制動(dòng)器所產(chǎn)生的靜磁場(chǎng)在寬面與窄面上分布不均勻的問(wèn)題，還可以擴(kuò)大靜磁場(chǎng)面積、促進(jìn)夾雜物的上浮，進(jìn)一步提高了鑄坯質(zhì)量.

表4 不同類(lèi)型的全幅一段型電磁制動(dòng)器Table 4 Different types of ruler EMBr

2018年，韓國(guó)浦項(xiàng)鋼鐵公司［57］為進(jìn)一步提升CEM?薄板坯連鑄機(jī)的拉速及鑄坯質(zhì)量，開(kāi)發(fā)了“碗形”電磁制動(dòng)器，該電磁制動(dòng)器的磁極布置方式及形狀可根據(jù)浸入式水口的變化而改變.2019年，瑞典ABB公司［58］也對(duì)此類(lèi)電磁制動(dòng)器進(jìn)行了研發(fā)，如圖5所示.從圖中可看出，兩側(cè)鐵芯可以靈活地排列成“碗形”或U形，并沿寬面水平放置.線(xiàn)圈分別由獨(dú)立的左／右側(cè)（L／R）電源控制，故兩側(cè)的磁場(chǎng)強(qiáng)度可以不相同，這樣能更好地適應(yīng)水口參數(shù)的變化.該電磁制動(dòng)技術(shù)對(duì)連鑄工藝的變化適應(yīng)性更強(qiáng)，顯著提升了薄板坯連鑄機(jī)拉速和鑄坯質(zhì)量.

圖5 ABB公司的“碗形”電磁制動(dòng)器鐵芯［58］Fig.5 Bowl-type EMBr front cores of ABB Ltd［58］

2022年，張然等［59］對(duì)現(xiàn)行薄板坯連鑄機(jī)所用的全幅一段電磁制動(dòng)器進(jìn)行改造，放置了4對(duì)立式電磁極在CSP連鑄結(jié)晶器窄面兩側(cè)的寬面附近.與全幅一段電磁制動(dòng)器相比，該磁極結(jié)構(gòu)更全面地覆蓋了結(jié)晶器窄面附近的彎月面和水口沖擊點(diǎn)等關(guān)鍵區(qū)域，在結(jié)晶器寬面上形成了一個(gè)寬面水平磁極和窄面兩側(cè)立式磁極的立式-水平電磁制動(dòng)器 （vertical-horizontal combination electromagnetic brake，VC-EMBr）.立式組合電磁制動(dòng)器繼續(xù)保持了全幅一段電磁制動(dòng)利用水平磁極來(lái)控制水口出流鋼液向下流動(dòng)的方式，還通過(guò)立式磁極控制水口出流鋼液對(duì)結(jié)晶器內(nèi)窄面區(qū)域沖擊和彎月面波動(dòng)的影響.由于這種制動(dòng)器僅需要在全幅一段電磁制動(dòng)裝置的兩側(cè)窄面區(qū)域增加4個(gè)扁形立式磁極，不需要再額外增加線(xiàn)圈和供電系統(tǒng)，故其改造成本較低.此外，它還易于安裝和控制，不會(huì)出現(xiàn)豎直與水平磁極相互干擾等問(wèn)題.

2.3 全幅二段電磁制動(dòng)裝置

隨著高拉速板坯連鑄技術(shù)的發(fā)展，全幅一段電磁制動(dòng)技術(shù)已經(jīng)不能滿(mǎn)足此類(lèi)板坯連鑄機(jī)的需求.有研究發(fā)現(xiàn)，全幅一段電磁制動(dòng)技術(shù)的制動(dòng)效果受磁極布置方式及水口出口的傾斜角度、浸入深度影響較大，且當(dāng)磁場(chǎng)強(qiáng)度過(guò)大時(shí)，會(huì)導(dǎo)致彎月面波動(dòng)加劇.為解決此類(lèi)問(wèn)題，日本川崎制鐵與瑞典ABB公司開(kāi)發(fā)了全幅二段電磁制動(dòng)技術(shù)［60］，即FC MoldⅠ，如圖6（a）所示.該電磁制動(dòng)器［61］在板坯結(jié)晶器的寬面兩側(cè)垂直布置了一對(duì)與結(jié)晶器寬度相同的U形磁極，它們分別位于水口出流的上、下方.上部磁場(chǎng)起到控制彎月面附近鋼液流速的作用；下部磁場(chǎng)的制動(dòng)效果則與全幅一段電磁制動(dòng)器相似，目的是減弱主流股流速，降低侵入深度，促進(jìn)氣泡與夾雜物上浮，提高逃逸率.

在FC MoldⅠ的應(yīng)用過(guò)程中，發(fā)現(xiàn)上、下兩個(gè)制動(dòng)線(xiàn)圈由中間磁軛相連接，且兩個(gè)線(xiàn)圈由同一個(gè)PLC電源控制器調(diào)控，故上、下線(xiàn)圈僅能產(chǎn)生同一數(shù)量級(jí)的靜電磁場(chǎng).當(dāng)磁場(chǎng)強(qiáng)度過(guò)大時(shí)，下部磁場(chǎng)對(duì)水口出流處鋼液進(jìn)行制動(dòng)，下返流侵入深度明顯減小.但上部磁場(chǎng)會(huì)造成鋼液流速過(guò)低，最終導(dǎo)致彎月面呆滯、保護(hù)渣不易融化等問(wèn)題的出現(xiàn).因此，ABB公司對(duì)全幅二段型電磁制動(dòng)器（FC MoldⅠ）進(jìn)行升級(jí)改造，形成了FC MoldⅡ電磁制動(dòng)技術(shù)［62］.如圖6（b）所示，F(xiàn)C MoldⅡ電磁制動(dòng)器的上、下兩個(gè)制動(dòng)線(xiàn)圈分別由兩個(gè)獨(dú)立的電源進(jìn)行調(diào)控，鋼液的自由液面流速可通過(guò)單獨(dú)調(diào)整上部制動(dòng)線(xiàn)圈的電流強(qiáng)度而得到有效控制.日本川崎制鐵公司在水島鋼廠4號(hào)連鑄機(jī)上率先實(shí)機(jī)裝配了FC MoldⅡ技術(shù)［63］.生產(chǎn)結(jié)果表明，與FC MoldⅠ相比，F(xiàn)CMoldⅡ在解決鑄坯表面缺陷上效果更好，并且可根據(jù)不同鋼種的需求靈活調(diào)控靜磁場(chǎng).

為適應(yīng)現(xiàn)代連鑄機(jī)功能兼容性強(qiáng)、控制穩(wěn)定性要求高的特點(diǎn)，瑞典ABB公司最近推出了一種集電磁制動(dòng)和電磁攪拌功能于一體的電磁制動(dòng)裝置［64-65］（FC MoldⅢ）.如圖6（c）所示，它采用全幅條型電磁制動(dòng)與結(jié)晶器電磁攪拌組合的方案，但各自使用獨(dú)立鐵芯，中間由磁軛相連接.上部線(xiàn)圈采用三相交流電，產(chǎn)生行波磁場(chǎng)，以實(shí)現(xiàn)結(jié)晶器上部鋼液攪拌作用.下部線(xiàn)圈置于水口出流附近，通入直流電產(chǎn)生靜磁場(chǎng)，對(duì)水口射流鋼液起到制動(dòng)作用，以形成多模式電磁控流技術(shù).這樣設(shè)計(jì)目的是保留FC MoldⅡ的制動(dòng)能力，用以提高鑄坯內(nèi)部質(zhì)量，并結(jié)合結(jié)晶器電磁攪拌功效進(jìn)一步提升鑄坯表面質(zhì)量.FC MoldⅢ這種攪拌與制動(dòng)的組合模式既能獨(dú)立控制彎月面波動(dòng)，又能有效減小從低到高拉速工況下鋼液的侵入深度.由于具有同時(shí)控制鑄坯表面和內(nèi)部質(zhì)量的雙重冶金功效，F(xiàn)C MoldⅢ很快在汽車(chē)板、家電面板等對(duì)鑄坯表面及皮下質(zhì)量要求較高的鋼連鑄生產(chǎn)中得到了應(yīng)用.

圖6 不同F(xiàn)C Mold電磁制動(dòng)裝置示意圖Fig.6 Schematic diagram of different electromagnetic breaking devices

3 板坯高拉速連鑄電磁控流技術(shù)的研究現(xiàn)狀

作為控制連鑄結(jié)晶器液位波動(dòng)和提升鑄坯質(zhì)量的有效手段，電磁控制技術(shù)現(xiàn)已被廣泛應(yīng)用于高拉速板坯連鑄生產(chǎn)過(guò)程中.根據(jù)電磁制動(dòng)技術(shù)的原理，冶金從業(yè)者圍繞著連鑄工藝及電磁控流效果開(kāi)展了諸多研究，且主要集中在不同電磁制動(dòng)技術(shù)對(duì)板坯連鑄結(jié)晶器內(nèi)流動(dòng)、傳熱、傳質(zhì)、氣泡和夾雜物運(yùn)動(dòng)等方面的影響，旨在為高拉速連鑄電磁控流提供合理的工藝參數(shù)，充分發(fā)揮結(jié)晶器電磁制動(dòng)的冶金功效.

3.1 區(qū)域型電磁制動(dòng)技術(shù)

在過(guò)去幾十年里，針對(duì)第一代區(qū)域型電磁制動(dòng)技術(shù)，眾多學(xué)者采用實(shí)驗(yàn)和數(shù)值模擬等方法對(duì)結(jié)晶器內(nèi)流場(chǎng)、氣泡、夾雜物和凝固等行為進(jìn)行了廣泛研究.結(jié)果表明，由于靜磁場(chǎng)的作用，鋼水流動(dòng)受到抑制，高速流股對(duì)板坯結(jié)晶器窄面的沖擊得到有效減弱.但區(qū)域型電磁制動(dòng)技術(shù)所產(chǎn)生的靜磁場(chǎng)僅能覆蓋板坯結(jié)晶器部分寬面區(qū)域，因此明確區(qū)域型電磁制動(dòng)器安裝位置及制動(dòng)強(qiáng)度是獲得良好控流效果的技術(shù)關(guān)鍵.

1989年，Takatani等［66］以日本住友鹿島鋼廠3號(hào)連鑄機(jī)為依托，采用數(shù)值模擬方法較早地建立了板坯結(jié)晶器三維數(shù)學(xué)模型，初步分析了區(qū)域型電磁制動(dòng)器作用下板坯連鑄機(jī)結(jié)晶器內(nèi)的鋼水流動(dòng)與傳熱行為.研究結(jié)果證實(shí)，區(qū)域型電磁制動(dòng)技術(shù)能夠有效抑制水口出流處的鋼液流速與彎月面的液面波動(dòng)，并且會(huì)使結(jié)晶器彎月面處的溫升與化渣效果明顯提升.后續(xù)，Takatani等［67］又進(jìn)一步對(duì)比了區(qū)域型電磁制動(dòng)與結(jié)晶器電磁攪拌對(duì)結(jié)晶器內(nèi)鋼液流動(dòng)的控制效果，發(fā)現(xiàn)前者對(duì)穩(wěn)定高拉速工況下結(jié)晶器內(nèi)的鋼液流動(dòng)更為有效.Yu等［68］研究了區(qū)域型電磁制動(dòng)技術(shù)下磁感應(yīng)強(qiáng)度、磁場(chǎng)作用區(qū)間和連鑄拉速對(duì)板坯冶金效果的影響規(guī)律，他們認(rèn)為區(qū)域型電磁制動(dòng)器的磁極分布位置對(duì)結(jié)晶器內(nèi)鋼水流動(dòng)有顯著影響.

中上部區(qū)域型電磁制動(dòng)技術(shù)的磁場(chǎng)主要作用在水口出流的上方區(qū)域，旨在控制上返流股速度，但其相關(guān)研究和實(shí)機(jī)裝置應(yīng)用相對(duì)較少.Cho等［50］的研究結(jié)果表明，與第一代區(qū)域型電磁制動(dòng)器和水口區(qū)域性電磁制動(dòng)器相比，此類(lèi)電磁制動(dòng)器的磁極體積增大，所產(chǎn)生的穩(wěn)恒靜磁場(chǎng)可均勻地覆蓋結(jié)晶器中上部的寬面區(qū)域；該電磁制動(dòng)技術(shù)所形成的電磁力能夠穩(wěn)定彎月面，但過(guò)強(qiáng)的磁場(chǎng)會(huì)增大下返流的沖擊深度，并使氣泡和夾雜物進(jìn)入液相穴深處而難以上浮.

對(duì)于射流型電磁制動(dòng)技術(shù)而言，它的磁極布置方向平行于水口出流方向.王寅等［51］通過(guò)超聲多普勒測(cè)速儀獲得了水口區(qū)域型電磁制動(dòng)裝置下液態(tài)汞流速的分布規(guī)律.研究結(jié)果表明：射流型電磁制動(dòng)器的磁極可以覆蓋水口出口的整個(gè)區(qū)域，且磁極布置角度與水口傾斜角一致，磁場(chǎng)作用區(qū)域可完全覆蓋浸入式水口側(cè)孔出流，這使得鋼液流股可以最大程度地穿過(guò)靜磁場(chǎng)作用范圍.從圖7與圖8可知：當(dāng)應(yīng)用全幅一段電磁制動(dòng)器時(shí)，水平方向流速為-0.32 m／s，液面最大湍流強(qiáng)度為0.070 m2／s2；與全幅一段電磁制動(dòng)相比，施加射流型電磁制動(dòng)后的流速和湍流強(qiáng)度分別降至-0.19 m／s和0.054 m2／s2，分別降低了約40.6%和22.9%.這表明射流型電磁制動(dòng)對(duì)液面處水平流速的制動(dòng)效果更加顯著，且能大幅度減弱水平湍流強(qiáng)度，提高液面流動(dòng)的穩(wěn)定性.

圖7 不同電磁場(chǎng)下結(jié)晶器內(nèi)速度分布［51］Fig.7 Velocity distribution at different magnetic field［51］

圖8 射流型與全幅一段液面水平流速與湍流對(duì)比［51］Fig.8 Comparisons of the flow velocities along the meniscus and turbulent intensities［51］

2012年，Li，Xu及李菲等［69-72］采用立式磁極以彌補(bǔ)第一代區(qū)域性電磁制動(dòng)器在結(jié)晶器上作用區(qū)間小的缺點(diǎn)，形成了立式區(qū)域型電磁制動(dòng)技術(shù)（V-EMBr），并通過(guò)數(shù)值模擬方法研究了拉速、水口浸入深度和磁場(chǎng)強(qiáng)度等工藝參數(shù)對(duì)結(jié)晶器內(nèi)流場(chǎng)的影響.由圖9可知，磁感應(yīng)強(qiáng)度隨直流電強(qiáng)度的增加而增大，且在磁極覆蓋區(qū)域內(nèi)沿鑄坯的豎直方向均勻分布，4個(gè)最大磁感應(yīng)值都出現(xiàn)在窄面區(qū)域附近.由圖10可知，自由液面處的鋼液流速隨著靜磁場(chǎng)強(qiáng)度的增加而降低，在施加立式電磁制動(dòng)后，液面最大速度降至0.25 m／s，降低了約50%.這表明該制動(dòng)技術(shù)既能夠有效降低水口出流鋼液對(duì)結(jié)晶器窄面的沖擊，又能控制結(jié)晶器彎月面的穩(wěn)定.

圖9 不同直流電下磁感應(yīng)強(qiáng)度［72］Fig.9 Distribution of magnetic flux density at different DC［72］

圖10 磁感應(yīng)強(qiáng)度對(duì)自由液面速度的影響［72］Fig.10 The effect of magnetic flux density on flow velocity of free surface in mold［72］

自20世紀(jì)80年代電磁制動(dòng)技術(shù)開(kāi)發(fā)至今，第一代區(qū)域型、射流型，以及立式區(qū)域型電磁制動(dòng)器均是關(guān)注水口和上、下循環(huán)的單一區(qū)域制動(dòng)效果，而難以實(shí)現(xiàn)結(jié)晶器內(nèi)全域鋼液流動(dòng)的調(diào)控.達(dá)涅利公司率先針對(duì)薄板坯高拉速連鑄提出了分區(qū)域電磁制動(dòng)技術(shù)［53］.法國(guó)Rotelec公司設(shè)計(jì)制造了MM-EMBr電磁制動(dòng)器原型，并開(kāi)展了低熔點(diǎn)Bi-Sn合金連鑄試驗(yàn).試驗(yàn)結(jié)果表明，當(dāng)施加MMEMBr電磁制動(dòng)后，彎月面波動(dòng)減少，鋼液流動(dòng)穩(wěn)定，控流效果顯著.

2019年，河鋼集團(tuán)唐鋼公司引進(jìn)了法國(guó)Rotelec公司制造的MM-EMBr型電磁制動(dòng)器，并在FTSC薄板坯連鑄機(jī)上開(kāi)展了1 500 mm斷面中碳鋼SS400薄板坯連鑄工業(yè)的應(yīng)用研究［54］.從圖11中的試驗(yàn)結(jié)果可看出：隨著拉速的提高，彎月面附近流速整體呈升高趨勢(shì)；當(dāng)拉速為5.2 m／min時(shí)，流速升高得尤為明顯；在電流為300 A的條件下，表面流速約為0.33 m／s，增大制動(dòng)電流，流速隨之降低；當(dāng)拉速增至5.8或6.0 m／min、制動(dòng)電流增至800 A左右時(shí)，彎月面附近流速可基本維持在0.3 m／s左右.由此得出，當(dāng)FTSC薄板坯連鑄機(jī)最高拉速由原4.5 m／min提升至6.0 m／min時(shí)，結(jié)晶器內(nèi)鋼渣界面的波動(dòng)控制較為穩(wěn)定，鑄坯質(zhì)量良好.

圖11 拉速和電磁制動(dòng)電流對(duì)結(jié)晶器鋼水表面流速的影響［54］Fig.11 Effect of casting speed and electromagnetic braking current on surface velocity of molten steel in mold［54］

3.2 全幅一段電磁制動(dòng)技術(shù)

為解決第一代區(qū)域型電磁制動(dòng)器的磁極體積小、靜磁場(chǎng)覆蓋范圍小、制動(dòng)效果不足的缺點(diǎn)，全幅一段電磁制動(dòng)技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生.該技術(shù)將一對(duì)水平矩形磁極沿板坯結(jié)晶器寬面的方向放置，磁場(chǎng)方向則垂直于結(jié)晶器的寬面并覆蓋整個(gè)結(jié)晶器的寬面與窄面，以此增強(qiáng)制動(dòng)效果.針對(duì)全幅一段電磁制動(dòng)技術(shù)，學(xué)者們采用實(shí)驗(yàn)和數(shù)值模擬等方法對(duì)結(jié)晶器內(nèi)流場(chǎng)、氣泡及夾雜物的運(yùn)動(dòng)行為、磁場(chǎng)與浸入式水口工藝匹配度等進(jìn)行了深入研究.

2001年，Yamamura等［73］利用數(shù)值模擬方法，研究了全幅一段電磁制動(dòng)技術(shù)對(duì)結(jié)晶器內(nèi)鋼液流動(dòng)的影響，并利用液態(tài)汞進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證.研究結(jié)果表明，該電磁制動(dòng)技術(shù)可有效解決區(qū)域型電磁制動(dòng)器的靜磁場(chǎng)覆蓋面小和在結(jié)晶器寬面上分布不均勻的問(wèn)題，同時(shí)還可促進(jìn)結(jié)晶器內(nèi)形成“活塞流”，從而獲得更穩(wěn)定的液位控制.后續(xù)，Li等［74］研究了全幅一段電磁制動(dòng)技術(shù)下薄板坯連鑄結(jié)晶器內(nèi)的渦流現(xiàn)象.研究結(jié)果表明，該電磁制動(dòng)技術(shù)可以有效抑制水口出口附近產(chǎn)生二次渦流，但不能完全消除渦流.Yu等［75］則探索了該電磁制動(dòng)技術(shù)下吹氬工藝對(duì)結(jié)晶器內(nèi)夾雜物去除的影響.他們發(fā)現(xiàn)：當(dāng)僅施加電磁制動(dòng)時(shí)，直徑為5～50μm和150μm的夾雜物上浮去除率分別為3.3%和27.8%；當(dāng)電磁制動(dòng)與吹氬共同作用時(shí)，兩種直徑的夾雜物上浮去除率分別為12.2%和22.2%.這表明在電磁制動(dòng)作用的基礎(chǔ)上，吹氬有利于夾雜物的去除.Charudhary和Singh等［76-77］采用LES大渦模擬方法，初步分析了磁場(chǎng)對(duì)結(jié)晶器內(nèi)鋼液瞬態(tài)流動(dòng)行為的影響.他們發(fā)現(xiàn)磁場(chǎng)的作用位置對(duì)結(jié)晶器內(nèi)鋼液流場(chǎng)影響較大，而磁極安裝位置的不合理也會(huì)惡化結(jié)晶器內(nèi)鋼液的流動(dòng)行為.Garcia-Hernandez等［78］詳細(xì)分析了磁極位置對(duì)板坯連鑄結(jié)晶器內(nèi)鋼液制動(dòng)效果的影響.研究結(jié)果表明，當(dāng)磁極布置于水口上方時(shí)，流股與靜磁場(chǎng)相互作用的面積較小，所產(chǎn)生的制動(dòng)力僅為磁極位于水口出流附近所產(chǎn)生制動(dòng)力的1／10（見(jiàn)圖12）.

圖12 速度與洛倫茲力分布圖［78］Fig.12 Velocity contours without EMBr［78］

此外，諸多鋼鐵企業(yè)也對(duì)全幅一段電磁制動(dòng)技術(shù)進(jìn)行了不斷的改進(jìn)和創(chuàng)新.其中，最新一代的改進(jìn)型全幅一段制動(dòng)器當(dāng)屬“碗形”電磁制動(dòng)器.2018年，韓國(guó)浦項(xiàng)鋼鐵公司為進(jìn)一步提升CEM?薄板坯連鑄機(jī)的拉速和鑄坯質(zhì)量，開(kāi)發(fā)了“碗形”電磁制動(dòng)器.該電磁制動(dòng)器的磁極布置方式及形狀可根據(jù)浸入式水口的變化而改變，并利用彎月面液面高度差ΔH和彎月面處鋼液最大流速Vmax兩個(gè)主要參數(shù)對(duì)“碗形”電磁制動(dòng)器的控流效果進(jìn)行評(píng)價(jià).由圖13可知，隨著拉速的提升，ΔH和Vmax逐漸增大.與無(wú)磁場(chǎng)相比（B＝0），施加靜磁場(chǎng)后（B＝0.35 T）ΔH和Vmax分別降低了45%和40%左右.浦項(xiàng)鋼鐵公司根據(jù)CEM?薄板坯連鑄機(jī)生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)，認(rèn)為彎月面處最大速度Vmax處于0.1～0.38 m／s最為適宜.在應(yīng)用“碗形”電磁制動(dòng)器后，韓國(guó)浦項(xiàng)鋼鐵公司的CEM?薄板坯連鑄機(jī)拉速提升至6.5 m／min以上.

圖13 電磁制動(dòng)與拉速對(duì)液位高度差和最大速度的影響［57］Fig.13 Effects of casting speed and EMBr onΔH and V max［57］

3.3 全幅二段電磁制動(dòng)技術(shù)

隨著高拉速連鑄技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展，全幅一段電磁制動(dòng)技術(shù)已經(jīng)開(kāi)始無(wú)法滿(mǎn)足高拉速板坯連鑄機(jī)的制動(dòng)需求.有研究發(fā)現(xiàn)，全幅一段電磁制動(dòng)技術(shù)的制動(dòng)效果受磁極布置方式及水口出口傾斜角度和浸入深度影響較大，且當(dāng)磁場(chǎng)強(qiáng)度過(guò)大，會(huì)導(dǎo)致彎月面波動(dòng)加劇.在全幅一段電磁制動(dòng)技術(shù)的基礎(chǔ)上，為達(dá)到抑制液面波動(dòng)的目的，日本川崎制鐵公司在彎月面附近增設(shè)了一個(gè)條形磁極，全幅二段電磁制動(dòng)技術(shù)及裝置至此被研發(fā)面世，即FC MoldⅠ.之后，學(xué)者們圍繞著板坯結(jié)晶器內(nèi)鋼液的制動(dòng)效果，對(duì)全幅二段技術(shù)的升級(jí)與其磁場(chǎng)的改造展開(kāi)了大量研究.

1993年，日本JFE公司的Idogawa等［79-80］采用數(shù)值模擬和汞模型實(shí)驗(yàn)相結(jié)合的方法，闡述了在全幅二段電磁制動(dòng)技術(shù)下磁場(chǎng)分布對(duì)結(jié)晶器內(nèi)鋼液流動(dòng)的影響規(guī)律.研究結(jié)果表明：全幅二段電磁制動(dòng)器的兩個(gè)靜磁場(chǎng)分別放置于彎月面和水口下方區(qū)域；與全幅一段電磁制動(dòng)器相比，該制動(dòng)裝置在降低彎月面的鋼液流速和抑制結(jié)晶器下返流的沖擊深度等方面更加有效；在該制動(dòng)技術(shù)下，彎月面附近流速減弱了80%，渣金界面波動(dòng)幅度降低了30%，鋼液侵入深度也減小了50%.在此理論的研究基礎(chǔ)上，日本川崎制鐵公司在千葉3號(hào)連鑄機(jī)開(kāi)展了FC MoldⅠ冶金功效的工業(yè)試驗(yàn).試驗(yàn)結(jié)果表明：全幅二段電磁制動(dòng)技術(shù)可同時(shí)對(duì)彎月面和下返流流動(dòng)進(jìn)行調(diào)控，且控流效果顯著；在連鑄拉速提升的同時(shí)，鑄坯質(zhì)量也得到有效控制.后續(xù)，李寶寬等［81］進(jìn)一步研究了全幅二段制動(dòng)技術(shù)（FC MoldⅠ）下吹氬對(duì)板坯結(jié)晶器內(nèi)鋼液流動(dòng)行為的影響.研究結(jié)果表明，當(dāng)電磁制動(dòng)與吹氬共同作用時(shí)，由于氣泡的浮力作用，主流股略微抬升，氣泡的穿透深度和上浮路徑均明顯縮短.近年來(lái)，Wang等［82］研究了FC MoldⅠ對(duì)連鑄板坯全流程的鋼液流動(dòng)和凝固行為的影響.由圖14可知，在應(yīng)用FC Mold技術(shù)后，凝固末端形貌在橫向方向上呈對(duì)稱(chēng)分布，且凝固終點(diǎn)最大可提前約0.2 m.

圖14 在不同的靜磁場(chǎng)強(qiáng)度下凝固終點(diǎn)［82］Fig.14 Solidification ends under different MF conditions［82］

瑞典ABB公司對(duì)全幅二段電磁制動(dòng)器（FC MoldⅠ）進(jìn)行升級(jí)改造，形成了FC MoldⅡ電磁制動(dòng)技術(shù).學(xué)者們針對(duì)該電磁制動(dòng)技術(shù)也開(kāi)展了大量研究工作.其中，賈皓等［83］通過(guò)物理實(shí)驗(yàn)開(kāi)展了FC MoldⅡ上、下區(qū)磁場(chǎng)匹配對(duì)金屬熔液流動(dòng)行為的研究.他們通過(guò)最小二乘法擬合實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，獲得了上、下區(qū)磁場(chǎng)強(qiáng)度匹配與連鑄拉速之間的定量關(guān)系式（見(jiàn)式7），為板坯FC MoldⅡ的工藝設(shè)計(jì)提供了參考依據(jù).

從圖15中可看出，當(dāng)FC MoldⅡ上、下區(qū)磁場(chǎng)強(qiáng)度匹配B1／B2≤1時(shí)，隨著連鑄拉速的升高，B1／B2值也應(yīng)該隨之增大，這樣才能確保結(jié)晶器內(nèi)獲得穩(wěn)定的“雙循環(huán)”流.鄧小旋等［84］在首鋼京唐3號(hào)雙流板坯連鑄機(jī)上開(kāi)展工業(yè)試驗(yàn)，探究了在1.6 m／min拉速下FC MoldⅡ?qū)Y(jié)晶器液面波動(dòng)和鉤狀坯殼的影響.研究結(jié)果表明，在使用FC MoldⅡ后，彎月面波動(dòng)幅度減小，卷渣率降低，鉤狀坯殼深度由2.3 mm降至1.7 mm.

圖15 磁場(chǎng)與連鑄拉速的匹配［83］Fig.15 Correlation of magnetic field intensity match and casting speed［83］

近期，ABB公司又在現(xiàn)行FC MoldⅡ的基礎(chǔ)上，研發(fā)出多模式電磁制動(dòng)器FC MoldⅢ［85］.該制動(dòng)器的上部線(xiàn)圈既可以利用靜磁場(chǎng)來(lái)控制鋼液流速、抑制彎月面波動(dòng)，也可以利用交變磁場(chǎng)不斷沖刷凝固前沿，降低鑄坯的皮下缺陷；而下部線(xiàn)圈可以抬升主流股，減小鋼液的侵入深度，減少鑄坯內(nèi)部質(zhì)量的缺陷.自此，為了適應(yīng)現(xiàn)代連鑄機(jī)功能兼容性強(qiáng)、控制穩(wěn)定性要求高的要求，F(xiàn)C Mold電磁制動(dòng)技術(shù)朝著多模式及靜磁場(chǎng)與交變磁場(chǎng)協(xié)調(diào)工作的方向發(fā)展.韓國(guó)浦項(xiàng)鋼鐵的Han等［86］通過(guò)數(shù)值模擬方法，研究了FC MoldⅢ對(duì)板坯連鑄結(jié)晶器內(nèi)鋼液流動(dòng)行為的影響（見(jiàn)圖16與17）.研究結(jié)果表明：在行波磁場(chǎng)作用下，鋼液下循環(huán)的最大流速比無(wú)磁場(chǎng)時(shí)升高約25%；在靜磁場(chǎng)的作用下，結(jié)晶器內(nèi)下循環(huán)流渦心上移，水口出流附近鋼液流速降低約50%；在FCMoldⅢ組合模式下，彎月面下方不同截面處都能形成明顯的順時(shí)針流動(dòng).Sun等［87］研究了FC MoldⅢ電磁制動(dòng)技術(shù)下結(jié)晶器渣金界面波動(dòng)行為.研究結(jié)果表明，在FC MoldⅢ組合模式下，彎月面處的最大波峰高度維持在5 mm左右，最大流速由0.384 m／s升至0.528 m／s（見(jiàn)圖18）.

圖16 在寬面的分析區(qū)域處的鋼水速度分布［86］Fig.16 Velocity profile of the molten steel at the analysis area of the broad face［86］

圖17 FC MoldⅢ下結(jié)晶器內(nèi)鋼液速度分布［86］Fig.17 Velocity profile of the molten steel of mold at FC MoldⅢ［86］

圖18 不同電磁強(qiáng)度下液面波動(dòng)和流速圖［87］Fig.18 Level profile and surface velocity in the slab mold under different electromagnetic［87］

針對(duì)實(shí)機(jī)裝配的多模式電磁制動(dòng)裝置（FC MoldⅢ），ABB公司還開(kāi)展了結(jié)晶器液面波動(dòng)、彎月面流速及鑄坯質(zhì)量分析研究［65］.研究結(jié)果表明：隨著拉速的提高，結(jié)晶器內(nèi)液面波動(dòng)逐漸加劇（見(jiàn)圖19）；在開(kāi)澆20 min后，F(xiàn)C-MoldⅢ的動(dòng)態(tài)控流系統(tǒng)依據(jù)結(jié)晶器內(nèi)鋼液的湍流強(qiáng)度自動(dòng)開(kāi)啟組合模式，彎月面波動(dòng)幅度由1.47 mm降到0.97 mm，液面波動(dòng)指數(shù)F降低了27%左右.冷軋板卷缺陷統(tǒng)計(jì)表明，在使用FC MoldⅢ后，冷軋板卷的夾渣物缺陷率由0.68%降至0.14%（見(jiàn)表6）.

表6 FC MoldⅢ對(duì)板卷夾渣物缺陷的影響［65］Table 6 Effect of FC Mold on the amount of coils with inclusion defects［65］

圖19 FC MoldⅢ組合模式下結(jié)晶器內(nèi)流動(dòng)［65］Fig.19 Simulated flow field of mold under combine of FC MoldⅢ［65］

4 連鑄結(jié)晶器電磁自動(dòng)化控流系統(tǒng)

為了實(shí)現(xiàn)結(jié)晶器內(nèi)鋼液流動(dòng)的自動(dòng)化控制，日本NKK公司［88］開(kāi)發(fā)了利用結(jié)晶器內(nèi)液面波動(dòng)指數(shù)F調(diào)控MM-EMS工作模式的開(kāi)放式電磁控流系統(tǒng).圖20為MM-EMS自動(dòng)化控制系統(tǒng)流程圖.該控流系統(tǒng)先利用浸入式水口結(jié)構(gòu)、結(jié)晶器寬面、拉速及吹氬流量等參數(shù)來(lái)計(jì)算液面波動(dòng)指數(shù)F，再根據(jù)計(jì)算得到的F選擇適宜的MM-EMS工作模式（EMLS模式和EMLA模式）及每個(gè)線(xiàn)圈的電流與頻率值，最后F值每間隔5 s進(jìn)行一次修正，使MM-EMS電磁場(chǎng)強(qiáng)度可得到有效調(diào)控，達(dá)到合理控流的目的.

圖20 MM-EMS自動(dòng)化控制系統(tǒng)流程圖［88］Fig.20 Flow chart of automation control system of MM-EMS［88］

2015年，比利時(shí)ArcelorMittal公司根據(jù)卡門(mén)渦街測(cè)速原理，研發(fā)了SVC彎月面流速檢測(cè)裝置（sub-meniscus velocity control，SVC）［89-92］，該測(cè)速設(shè)備由SVC扭矩傳感器和耐火探頭構(gòu)成，如圖21所示.

由圖21可知，彎月面處的鋼液會(huì)對(duì)浸入其中的耐火探頭產(chǎn)生曳力，進(jìn)而推動(dòng)探頭的轉(zhuǎn)動(dòng)桿偏轉(zhuǎn)產(chǎn)生扭矩.安裝在探頭上方的SVC扭矩傳感器實(shí)時(shí)獲取扭矩信息，并可根據(jù)曳力與扭矩之間的關(guān)系式獲得彎月面處鋼液流速.具體關(guān)系式如下：

圖21 Arcelor Mittal用于測(cè)量彎液面速度的SVC傳感器的示意圖和現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用照片［89］Fig.21 Schematic and photo of the SVC device used in Arcelor Mittal to measure meniscus velocity［89］

式中：Fdrag為探頭所受曳力；ρ為鋼液密度；CD為鋼液與探頭耐火材料的阻力系數(shù)；A為浸入鋼液中探頭的投影面積；V為探頭測(cè)量的鋼液平均流速；T為扭矩；L為力臂.

后續(xù)，ArcelorMittal公司將SVC彎月面流速檢測(cè)設(shè)備與Rotelec公司生產(chǎn)的MM-EMS多模式電磁攪拌器相關(guān)聯(lián)，初步構(gòu)建了一套以彎月面流速為評(píng)價(jià)依據(jù)的檢測(cè)與控流一體化的自動(dòng)控制系統(tǒng)，并在ArcelorMittal Gent 2號(hào)連鑄機(jī)進(jìn)行了工業(yè)應(yīng)用.由圖22可知：ArcelorMittal公司根據(jù)長(zhǎng)期生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)在系統(tǒng)中設(shè)定彎月面臨界流速Vc為30 cm／s；當(dāng)控制系統(tǒng)通過(guò)SVC測(cè)速設(shè)備獲取的V小于臨界流速Vc時(shí)，MM-EMS多模式電磁攪拌器自動(dòng)開(kāi)啟EMLA加速工作模式，使彎月面處于活躍狀態(tài)；當(dāng)V大于Vc時(shí)，MM-EMS電磁攪拌器自動(dòng)開(kāi)啟EMLS減速工作模式，以達(dá)到穩(wěn)定液面波動(dòng)目的.

圖22 系統(tǒng)根據(jù)彎月面速度調(diào)控MM-EMS的工作模式及線(xiàn)圈電流［89］Fig.22 System controls the working mode and coil current intensity of MM-EMSbase on meniscus velocity［89］

初期的連鑄電磁自動(dòng)化控流系統(tǒng)整體流程簡(jiǎn)單、操作便捷，但參考值單一，且計(jì)算F值或測(cè)量V值也僅考慮彎月面附近鋼液流動(dòng)情況，這導(dǎo)致無(wú)法評(píng)估整個(gè)結(jié)晶器內(nèi)鋼液的湍流特性.隨著高效連鑄技術(shù)的發(fā)展，此類(lèi)系統(tǒng)已經(jīng)無(wú)法滿(mǎn)足高拉速連鑄的電磁控流需求.為了進(jìn)一步明確結(jié)晶器內(nèi)鋼液的流動(dòng)特性與外在磁場(chǎng)強(qiáng)度之間的定量關(guān)系，并構(gòu)建在線(xiàn)監(jiān)測(cè)與控流相結(jié)合的閉環(huán)控制系統(tǒng)，ABB等公司針對(duì)此類(lèi)控流系統(tǒng)提出了兩個(gè)主要的特征參數(shù)：結(jié)晶器參數(shù)Mo與磁作用系數(shù)IA.

結(jié)晶器參數(shù)Mo主要評(píng)估結(jié)晶器內(nèi)的流動(dòng)強(qiáng)度，表征彎月面處鋼液流速的強(qiáng)弱.當(dāng)連鑄拉速提高時(shí)，澆鑄速度的提升會(huì)導(dǎo)致Mo增大，結(jié)晶器內(nèi)流動(dòng)強(qiáng)度增強(qiáng)，湍流和液位波動(dòng)也隨之增大.在這種情況下，就需要更大的電磁力來(lái)穩(wěn)定鋼液流動(dòng)模式.結(jié)晶器參數(shù)Mo的計(jì)算公式如下：

式中：Vc為拉速；Q為通鋼量；ρ為鋼液密度；g為重力加速度，D為板坯的厚度；W為板坯寬度；Mo通常推薦在0.05～60.

磁作用系數(shù)IA是用來(lái)表征磁場(chǎng)電磁力和鋼液動(dòng)量之間關(guān)系的無(wú)量綱參數(shù)，優(yōu)化此參數(shù)可以有效地調(diào)整電磁力大小來(lái)控制結(jié)晶器內(nèi)鋼液的湍流強(qiáng)度，進(jìn)而降低連鑄坯內(nèi)部缺陷.磁作用系數(shù)IA的計(jì)算公式如下：

式中：U為水口出口的鋼液平均流速；IA通常推薦在0～100.

高拉速連鑄會(huì)導(dǎo)致Mo增大，此時(shí)需要調(diào)控?cái)嚢杵鞯念l率參數(shù)值或采用帶有直流模式的制動(dòng)器來(lái)穩(wěn)定流場(chǎng)和抑制液面波動(dòng).而調(diào)控IA值可以有效地降低水口出口處鋼液流速，并保持彎月面附近鋼液的流速維持在0.2～0.4 m／s.為保證高拉速連鑄結(jié)晶器液面控制的穩(wěn)定性，結(jié)晶器控流系統(tǒng)應(yīng)根據(jù)連鑄工藝條件實(shí)時(shí)調(diào)整電磁控流參數(shù).圖23為ABB公司連鑄電磁自動(dòng)化控流流程圖［65］.由圖可知，自動(dòng)化系統(tǒng)通過(guò)識(shí)別連鑄操作參數(shù)（如板坯斷面尺寸、拉速、水口參數(shù)、鋼種銅板厚度和吹氬量等），實(shí)時(shí)計(jì)算結(jié)晶器內(nèi)鋼液的流速與湍流強(qiáng)度，預(yù)測(cè)每個(gè)電磁線(xiàn)圈所需要的電流強(qiáng)度與頻率，進(jìn)而向電磁控流裝置下達(dá)相應(yīng)的電磁控流指令.

圖23 ABB自動(dòng)化控制系統(tǒng)流程圖［65］Fig.23 Workflow diagram of automation control system of ABB［65］

圖24為ABB公司最新推出的集連鑄結(jié)晶器內(nèi)鋼液流動(dòng)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和自動(dòng)控制為一體的FC Mold電磁控流自動(dòng)控制系統(tǒng).該系統(tǒng)采用OptiMold監(jiān)測(cè)傳感器實(shí)時(shí)獲取連鑄結(jié)晶器銅板溫度分布，進(jìn)而預(yù)測(cè)彎月面流速、液面波動(dòng)和偏流等鋼液流動(dòng)特性，并以此信息為基礎(chǔ)快速調(diào)整電磁操作參數(shù)，實(shí)現(xiàn)連鑄結(jié)晶器內(nèi)鋼液流動(dòng)模式、流速和液面波動(dòng)的穩(wěn)定控制，從而保持結(jié)晶器內(nèi)鋼液初始凝固的均勻性，確保鑄坯質(zhì)量.

圖24 FC Mold和OptiMold自動(dòng)化控流系統(tǒng)流程圖［93］Fig.24 Workflow diagram of automation control system under FC Mold and OptiMold［93］

目前，歐洲塔塔鋼鐵公司在連鑄機(jī)上裝配了瑞典ABB公司生產(chǎn)的OptiMold傳感器和FC Mold電磁制動(dòng)器，構(gòu)成了在線(xiàn)監(jiān)測(cè)-控流的閉環(huán)自動(dòng)化控流系統(tǒng)［93-94］.圖25示出了不同磁場(chǎng)強(qiáng)度下OptiMold監(jiān)測(cè)結(jié)晶器內(nèi)的溫度分布.由于拉速較低，F(xiàn)C Mold僅開(kāi)啟了位于水口附近的靜磁場(chǎng)來(lái)降低鋼液侵入深度和抬升主流股，此工況比無(wú)磁場(chǎng)時(shí)的彎月面溫度略高一些［見(jiàn)圖25（a）］.隨著拉速的提高，對(duì)結(jié)晶器內(nèi)鋼液流動(dòng)控制的穩(wěn)定性要求隨之增加.當(dāng)FC Mold上部磁場(chǎng)工作時(shí)，結(jié)晶器內(nèi)溫度有所下降，位于結(jié)晶器上的OptiMold傳感器一旦監(jiān)測(cè)到溫度降低，會(huì)反饋給FC Mold制動(dòng)器，使其增強(qiáng)下方磁場(chǎng)強(qiáng)度，從而提高結(jié)晶器內(nèi)彎月面溫度［見(jiàn)圖25（b）］.

圖25 不同磁場(chǎng)強(qiáng)度下OptiMold監(jiān)測(cè)結(jié)晶器內(nèi)溫度分布［93］Fig.25 Average vertical temperature distribution along OptiMold Monitor fibers for varying magnetic fields［93］

5 結(jié)論與展望

在“雙碳”戰(zhàn)略的指引下，我國(guó)急需通過(guò)調(diào)整產(chǎn)業(yè)布局、尋找可替代新能源和重塑生產(chǎn)工藝等來(lái)實(shí)現(xiàn)工業(yè)的綠色化發(fā)展。在鋼鐵行業(yè)中，尤其是在連鑄煉鋼領(lǐng)域，調(diào)整產(chǎn)品結(jié)構(gòu)和創(chuàng)新工藝可達(dá)到提高生產(chǎn)效率和降低能耗的目的.因此，為進(jìn)一步推動(dòng)高效連鑄技術(shù)的發(fā)展與應(yīng)用，國(guó)內(nèi)外各大鋼鐵企業(yè)不斷探索、研發(fā)高拉速連鑄技術(shù)及裝備.然而，隨著拉速的提升，結(jié)晶器內(nèi)液面波動(dòng)明顯加劇、初始凝固條件惡化，導(dǎo)致卷渣、縱裂等鑄坯質(zhì)量缺陷極易產(chǎn)生，甚至還會(huì)發(fā)生漏鋼事故，嚴(yán)重威脅著高效連鑄的穩(wěn)定化運(yùn)行.電磁制動(dòng)技術(shù)作為高拉速連鑄結(jié)晶器內(nèi)鋼液流動(dòng)和液面波動(dòng)穩(wěn)定控制的重要手段，具有無(wú)污染和靈活控制的優(yōu)點(diǎn)，現(xiàn)已被廣泛應(yīng)用于高速板坯連鑄過(guò)程中，它為高質(zhì)量連鑄坯的高效化生產(chǎn)提供了重要的技術(shù)保障.為適應(yīng)高拉速連鑄機(jī)功能兼容性強(qiáng)和控制穩(wěn)定性要求高的特點(diǎn)，結(jié)晶器電磁控流技術(shù)在電磁制動(dòng)裝置和自動(dòng)控流系統(tǒng)兩方面不斷完善.

（1）在電磁制動(dòng)裝置方面：為了克服電磁制動(dòng)技術(shù)受磁場(chǎng)作用區(qū)域限制的缺點(diǎn)，優(yōu)化結(jié)晶器內(nèi)鋼液流動(dòng)行為，達(dá)到更合理、更有效的控流效果，已從早期區(qū)域型磁極布置（第一代區(qū)域型電磁制動(dòng)裝置）逐漸向磁場(chǎng)覆蓋整個(gè)結(jié)晶器寬度的全幅型電磁制動(dòng)（全幅一段和全幅二段電磁制動(dòng)技術(shù)）發(fā)展；此外，在傳統(tǒng)電磁制動(dòng)技術(shù)的基礎(chǔ)上，根據(jù)電磁制動(dòng)技術(shù)的基本原理，冶金學(xué)者又提出了許多創(chuàng)新型的電磁制動(dòng)裝置，推動(dòng)了高拉速電磁制動(dòng)技術(shù)的發(fā)展.

（2）自動(dòng)控流系統(tǒng)方面：日本NKK公司較早地開(kāi)發(fā)了基于結(jié)晶器液面波動(dòng)指數(shù)F的連鑄電磁自動(dòng)化控流系統(tǒng)，該系統(tǒng)能夠根據(jù)連鑄操作工藝的變化而實(shí)時(shí)調(diào)整MM-EMS運(yùn)行模式和磁感應(yīng)強(qiáng)度.但該系統(tǒng)監(jiān)控參數(shù)單一，僅以F值為標(biāo)準(zhǔn)考慮彎月面附近鋼液流動(dòng)情況，無(wú)法評(píng)估整個(gè)結(jié)晶器內(nèi)鋼液的湍流特性；后續(xù)，比利時(shí)ArcelorMittal公司將SVC彎月面流速檢測(cè)設(shè)備與法國(guó)Rotelec公司生產(chǎn)的MM-EMS多模式電磁攪拌器相關(guān)聯(lián)，構(gòu)建了一套以彎月面流速為評(píng)價(jià)依據(jù)的檢測(cè)與控流一體化的自動(dòng)控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了基于連鑄坯彎月面鋼液流速檢測(cè)的電磁控流技術(shù)；近期，瑞典ABB公司采用光纖溫度傳感系統(tǒng)（Optimold監(jiān)測(cè)）實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)結(jié)晶器銅板的溫度分布，進(jìn)而間接預(yù)測(cè)結(jié)晶器內(nèi)的鋼液流動(dòng)速度、偏流和液面波動(dòng)等鋼液流動(dòng)特性，并與FC Mold電磁制動(dòng)器的自動(dòng)化控流相結(jié)合，開(kāi)發(fā)了連鑄結(jié)晶器內(nèi)鋼液流動(dòng)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和自動(dòng)控制于一體的閉環(huán)控制系統(tǒng)，進(jìn)一步釋放了動(dòng)態(tài)電磁制動(dòng)控流的潛能.

未來(lái)，高拉速連鑄電磁制動(dòng)技術(shù)應(yīng)向著多區(qū)域、多模式及靜磁場(chǎng)與交變磁場(chǎng)協(xié)調(diào)工作的方向發(fā)展，并將狀態(tài)感知、高性能計(jì)算、人工智能與過(guò)程控制相結(jié)合，研發(fā)高精度、低時(shí)延的連鑄在線(xiàn)監(jiān)測(cè)與控流于一體的智能化電磁控流系統(tǒng)，以確保連鑄結(jié)晶器內(nèi)鋼液流動(dòng)模式、渣金界面穩(wěn)定性和初凝坯殼均勻生長(zhǎng)等精準(zhǔn)控制，實(shí)現(xiàn)高拉速連鑄穩(wěn)定和高質(zhì)化生產(chǎn).