Для осуществления проекта были привлечены девять японских фирм (Nippon Steel Corp.; Kawasaki Steel Corp.; Kobe Steel LTD; Daido Steel Co, LTD; Mitsubishi Heavy Industries LTD; NRR Corp.; NKK Corp.; Sumitomo Metal Industries LTD; Nisshin Steel Co, LTD) и две европейские фирмы (USINOR, Франция, и ABB Automation System AB, Швеция). Целью проекта являлось улучшение качества поверхности и подповерхностных слоев непрерывнолитых заготовок для увеличения доли заготовок, прокатываемых горячим или теплым всадом.
Проект включал в себя три основных направления: разливку с воздействием электромагнитным полем на расплав в кристаллизаторе (EMС), разливку с применением электромагнитного тормоза (EMBr) и разработку датчиков уровня металла в кристаллизаторе, работающих в условиях электромагнитного поля. На рис. 1 схематически изображено начальное затвердевание оболочки слитка при непрерывной разливке с использованием электромагнитного поля (EMC). При ЕМС воздействие электромагнитных сил увеличивает зазор между оболочкой слитка и стенкой кристаллизатора, создавая благоприятные условия для проникновения жидкого шлака. Это обеспечивает снижение трения и ослабляет влияние возвратно-поступательного движения кристаллизатора на формирование оболочки. Разнотолщинность оболочки уменьшается, что снижает вероятность образования поверхностных трещин. Кроме того, благодаря более «гладкой» внутренней поверхности оболочки и индуцируемым потокам снижается количество неметаллических включений в литой заготовке. На основе результатов математического и физического моделирования, при котором исследовали влияние различных видов электромагнитного воздействия на расплав в кристаллизаторе, для крупномасштабных испытаний были выбраны два вида воздействия: пульсирующим низкочастотным и высокочастотным электромагнитными полями (рис. 2).
Проницаемость кристаллизатора для электромагнитных сил при использовании низкочастотного поля выше, чем при использовании высокочастотного. Однако низкочастотное электромагнитное поле индуцирует интенсивные потоки расплава в районе мениска, что приводит к нестабильности самого мениска и нестабильности качества поверхности заготовки. Чтобы увеличить интенсивность потоков и стабилизировать качество поверхности, используют пульсирующее воздействие низкочастотным электромагнитным полем. Напротив, высокочастотное электромагнитное поле обеспечивает стабильное положение мениска и стабильную качественную поверхность заготовки. Но для компенсации низкой проникающей способности высокочастотного поля необходимо использовать кристаллизаторы с множеством продольных разрезов. На рис. 3 показано влияние пульсирующего низкочастотного электромагнитного поля на качество поверхности сортового проката из непрерывнолитых заготовок. Испытания проведены при разливке в кристаллизатор сечением 160х160 мм2 низкоуглеродистой стали (0,10% С) с использованием пульсирующего низкочастотного (200 Гц) электромагнитного поля.
Результаты испытаний показали, что при этом способе нет необходимости в зачистке поверхности литых заготовок перед прокаткой. Такой же результат был достигнут при разливке низкоуглеродистой стали в кристаллизатор сечением 155х155 мм2 с использовани
ем высокочастотного электромагнитного поля. Для испытаний ЕМС в промышленных условиях на сортовых УНРС были разработаны датчики уровня металла в кристаллизаторе, поскольку обычные датчики на вихревых токах в условиях переменного магнитного поля неработоспособны.
Разработаны два типа датчиков — для пульсирующего низкочастотного и для высокочастотного электромагнитных полей. При промышленных испытаниях оба типа датчиков обеспечили необходимый контроль уровня металла в кристаллизаторе. После успешных испытаний ЕМС на промышленных сортовых УНРС были проведены испытания ЕМС при литье слябов небольших размеров (100х400 мм2, 100х800 мм2). Подачу металла в кристаллизатор осуществляли через погружной глуходонный стакан с двумя боковыми отверстиями.
Поступающий в кристаллизатор расплав приводил к возмущениям на зеркале металла и дестабилизировал положение мениска. Для подавления возмущений на зеркале металла разработан метод наложения электромагнитных полей (АС + ДС), при котором постоянное магнитное поле (ДС) наложено на переменное магнитное поле (АС). Слябы, отлитые с использованием метода (АС + ДС), имели менее грубую поверхность, чем слябы, отлитые с использованием только переменного магнитного поля. Более того, количество включений в подповерхностых слоях также снизилось (рис. 4). Для разливки слябов способом ЕМС разработано специальное устройство — «отражательная плита».
При его установке в кристаллизатор минимизируются потери мощности электромагнитного поля.
Таким образом, промышленные испытания ЕМС показали, что сортовые заготовки не требуют зачистки поверхности перед прокаткой, а непрерывнолитые слябы имеют более ровную, гладкую поверхность. В обычной практике использование электромагнитного тормоза (EMBr) для снижения интенсивности потоков расплава при литье слябов приводит к уменьшению загрязненности неметаллическими включениями при плотности магнитного поля ~0,3 Т. Считается, однако, что при литье с высокими скоростями необходим более мощный EMBr.
Поэтому разработан EMBr с мощностью магнитного поля ~1 Т, использующий эффект сверхпроводимости. Математическое моделирование и исследования физической модели, где в качестве рабочей жидкости была ртуть, подтвердили положительное влияние увеличения мощности EMBr. Экспериментальная разливка стали с высокомощным EMBr на УНРС, отливающей слябы небольшого размера, показана на рис. 5. Скорость разливки варьировали в пределах 1,0— 3,0 м/мин. Улучшение качества литого металла при использовании EMBr показано на рис. 6: с увеличением плотности магнитного поля количество неметаллических включений в литом металле уменьшается. При скорости разливки 3 м/мин и плотности магнитного поля 1 Т количество включений равно количеству включений при скорости разливки 1,2 м/мин и плотности поля 0,3 Т.
Это означает, что загрязненность литого металла неметаллическими включениями при высокой скорости разливки снижается с использованием EMBr на сверхпроводниках до уровня загрязненности при низкой скорости разливки с использованием обычного EMBr.
Для измерения скорости потоков расплава в районе мениска в кристаллизаторе разработан специальный датчик. Действие датчика основано на измерении электромагнитного потока, индуцированного взаимодействием переменного магнитного поля с потоками жидкой стали. Исследования показали, что точность измерения составляет + 12% при изменении скорости потока в пределах 0,1—0,4 м/с. Проведены испытания датчика на промышленной слябовой УНРС, при этом датчик устанавливался в кристаллизаторе, как показано на рис. 7. В качестве сравнительных данных использовали показания погружаемого в металл датчика на основе огнеупорного стержня. Результаты приведены на рис. 8.
