Теория и практика применения электрических и магнитных воздействий при непрерывной разливке стали

 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
ТЕОРИЯ И ПРАКТИКА  
ПРИМЕНЕНИЯ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ  
И МАГНИТНЫХ ВОЗДЕЙСТВИЙ  
ПРИ НЕПРЕРЫВНОЙ РАЗЛИВКЕ СТАЛИ 
 
Монография 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Москва    Вологда 
«Инфра-Инженерия» 
2021 

УДК 669.18 
ББК 34.327 
Т33 
 
А в т о р ы :  
 
З. К. Кабаков, Ю. А. Самойлович, Д. И. Габелая,  
А. Г. Подорванов, Э. Р. Шифман, В. М. Брыксин 
 
Р е ц е н з е н т ы : 
начальник отдела машин непрерывного литья металлов АО АХК «ВНИИМЕТМАШ» 
канд. техн. наук Шахов Сергей Иосифович; 
профессор кафедры теплоэнергетики и экологии  
ФГБОУ ВО «Сибирский государственный индустриальный институт» профессор,  
д-р техн. наук Темлянцев Михаил Викторович; 
профессор кафедры теплоэнергетики и теплотехники  
ФГБОУ ВО «Череповецкий государственный университет», заслуженный работник 
высшей школы РФ, профессор, д-р техн. наук Шестаков Николай Иванович 
 
 
 
Т33  
Теория и практика применения электрических и магнитных воздействий при непрерывной разливке стали : монография / [З. К. Кабаков 
и др.]. – Москва ; Вологда : Инфра-Инженерия, 2021. – 164 с. : ил., табл.  
 
ISBN 978-5-9729-0662-8 
 
Рассмотрены основные способы воздействия на непрерывно отливаемый 
стальной слиток, применяемые для улучшения качества и расширения сортамента металла: кондукционный способ электромагнитного перемешивания, 
способ торможения затопленной струи жидкой стали в кристаллизаторе машин 
непрерывного литья заготовок постоянным магнитным полем и способ деформации профиля сечения свободной струи стали, подаваемой в кристаллизатор 
при литье тонких слябов. Выполнено обобщение результатов исследований, 
приведены методики и формулы для расчетов. 
Для научных и инженерных работников, занимающихся разработкой и 
освоением электромагнитных устройств с целью повышения качества и расширения сортамента металла при непрерывной разливке. Издание может быть полезно преподавателям, аспирантам и студентам металлургических направлений 
подготовки. 
 
УДК 669.18 
ББК 34.327 
 
 
ISBN 978-5-9729-0662-8 
© Издательство «Инфра-Инженерия», 2021 
 
© Оформление. Издательство «Инфра-Инженерия», 2021 

ОГЛАВЛЕНИЕ 
 
ВВЕДЕНИЕ  .................................................................................................................. 5 
СПИСОК ПРИНЯТЫХ СОКРАЩЕНИЙ .................................................................. 8 
1. СОСТОЯНИЕ ПРОБЛЕМЫ .................................................................................... 9 
1.1. Электромагнитные воздействия на затвердевающий слиток 
при непрерывной разливке стали 
..................................................................... 9 
1.2. Устройства КЭМП, ЭМТ и металлургический эффект  
их использования 
............................................................................................. 16 
1.3. Теплофизические процессы в жидком ядре затвердевающего слитка  
при воздействии постоянного магнитного и электрического полей .......... 21 
1.3.1. Гидродинамические процессы ............................................................. 21 
1.3.2. Экспериментальные исследования тепловых процессов при 
перемешивании и торможении жидкой фазы слитков ...................... 24 
1.3.3. Математическое описание тепловых процессов в затвердевающем  
слитке при перемешивании жидкого ядра .......................................... 29 
1.3.4. Магнитные и электрические поля в слитке  
при применении устройств воздействия .............................................. 32 
1.4. Влияние гидродинамических процессов на показатели  
качества литого металла .................................................................................. 33 
2. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИЗУЧЕНИЕ ГИДРОДИНАМИЧЕСКИХ 
ПРОЦЕССОВ ПРИ ВОЗДЕЙСТВИЯХ НА ЖИДКУЮ ФАЗУ  
ЗАТВЕРДЕВАЮЩИХ СЛИТКОВ 
........................................................................ 37 
2.1. Теоретические предпосылки к физическому моделированию 
гидродинамических процессов ....................................................................... 37 
2.2. Моделирование КЭМП с использованием электролита .............................. 42 
2.3. Моделирование КЭМП с использованием жидкого металла – галлия ...... 47 
2.4. Обобщение и анализ результатов изучения МГД-процессов  
при КЭМП ......................................................................................................... 53 
2.5. Влияние магнитного поля на струю жидкого металла 
................................. 56 
3. МАТЕМАТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ГИДРОДИНАМИЧЕСКИХ  
ПРОЦЕССОВ В ЖИДКОМ ЯДРЕ СЛИТКА ПРИ ИСПОЛЬЗОВАНИИ  
КЭМП, ЭМТ И ДС .................................................................................................. 64 
3.1. Адаптация математической модели гидродинамических процессов  
при КЭМП по результатам физического моделирования 
............................ 64 
3.2. Моделирование гидродинамических процессов в жидком ядре слитка  
при использовании КЭМП .............................................................................. 67 
3.3. Закономерности торможения затопленной струи металла  
в поперечном магнитном поле 
........................................................................ 72 
3.4. Закономерности деформации поперечного сечения открытой 
электропроводной струи в неоднородном магнитном поле ........................ 74 
3 
 

4. ТЕПЛОВЫЕ ПРОЦЕССЫ В ЗАТВЕРДЕВАЮЩЕМ СЛИТКЕ  
ПРИ ИСПОЛЬЗОВАНИИ КЭМП ......................................................................... 78 
4.1. Измерение температуры в слитках на МНЛЗ 
................................................ 78 
4.2. Физическое моделирование теплопереноса при перемешивании 
жидкого металла 
............................................................................................... 84 
4.3. Математическое моделирование тепловых процессов при 
перемешивании жидкой фазы затвердевающих слитков 
............................. 87 
5. МАГНИТНЫЕ И ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ПОЛЯ, СОЗДАВАЕМЫЕ  
В СЛИТКЕ УСТРОЙСТВАМИ ДЛЯ ВОЗДЕЙСТВИЯ ...................................... 93 
5.1. Определение основных параметров магнитной системы устройств .......... 93 
5.2. Магнитное поле между роликами .................................................................. 98 
5.3. Физическое моделирование магнитной системы устройства ЭМТ 
........... 102 
5.4. Распределение магнитной индукции в районе плоских полюсов 
.............. 106 
5.5. Распределение индукции в районе плоских шин с током .......................... 111 
5.6. Определение основных параметров электрической  
системы устройств .......................................................................................... 116 
6. РАЗРАБОТКА И ОПРОБОВАНИЕ УСТРОЙСТВ ВОЗДЕЙСТВИЯ  
ПОСТОЯННОГО ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ТОКА И МАГНИТНОГО ПОЛЯ ....... 
122 
6.1. Методология обоснования конструктивных и технологических 
параметров устройств ..................................................................................... 122 
6.2. Устройство КЭМП роликового типа 
............................................................. 125 
6.3. Устройство КЭМП с центральной опорой ................................................... 129 
6.4. Устройство КЭМП брусьевого типа ............................................................. 136 
6.5. Устройство КЭМП для кузнечного слитка 
................................................... 140 
6.6. Устройство для магнитного торможения струи жидкой стали  
в кристаллизаторе МНЛЗ ............................................................................... 144 
ЛИТЕРАТУРА ............................................................................................................ 148 
ПЕРЕЧЕНЬ УСЛОВНЫХ ОБОЗНАЧЕНИЙ ........................................................... 159 
4 
 

ВВЕДЕНИЕ 
 
Одним из показателей технического уровня развития сталеплавильного 
производства является доля неперерывно-литого металла в общем производстве 
стали. В 2004 г. в России отлито 36 млн тонн заготовок на МНЛЗ (60  от общего производства стали) [1]. В индустриально развитых странах на МНЛЗ 
разливается практически вся сталь. Такой уровень в немалой степени достигнут 
за счет применения различного рода электромагнитных воздействий. Воздействия на жидкую фазу затвердевающей заготовки позволяют расширить сортамент и марочник сталей отливаемых заготовок, увеличить производительность 
МНЛЗ и повысить качество литого металла. Среди многих способов электромагнитного воздействия наиболее известно электромагнитное перемешивание 
(ЭМП) жидкой фазы затвердевающих заготовок в районе кристаллизатора и в 
зоне вторичного охлаждения (ЗВО) МНЛЗ с помощью бегущего магнитного 
поля. Наряду со многими достоинствами устройства ЭМП имеют низкий КПД 
(0,5–2,0 ). Известен способ подачи металла в электромагнитный кристаллизатор для литья тонких слябов, который заключается в деформации профиля сечения струи (ДС) из круглого в прямоугольный с помощью высокочастотного 
индуктора переменной конфигурации. Данный способ требует дорогостоящего 
преобразователя частоты. В настоящее время в нашей стране и за рубежом 
применяются более простые и экономичные способы воздействия, в частности, 
кондуктивный способ ЭМП (КЭМП), метод электромагнитного торможения 
(ЭМТ) струи жидкой стали в кристаллизаторе, деформация профиля сечения 
открытой струи (ДС) жидкого металла постоянным магнитным полем и другие.  
 В СССР разработкой и освоением устройства КЭМП роликового типа на 
промышленной МНЛЗ занимались Пермский научно-исследовательский технологический институт (В.М. Федоров, В.Д. Субоч, Н.И. Тихонов) и ПМЗ  
(Б.И. Сахнов, В.Е. Гирский, Ф.М. Мурасов). Метод КЭМП опробован на опытной горизонтальной МНЛЗ при литье слитков размерами сечения 150u150 мм 
ВНИИМЕТМАШ (Ю.М. Рогачиков, В.Б. Ганкин, В.В. Звягин, М.Ф. Панин). 
Опытно-промышленное опробование устройства ЭМТ на Лиепайском МЗ 
«Сарканайс металургс» провел Институт физики Латвийской академии наук 
(Я.Я. Вадаманис, В.А. Голованов, Я.Я. Клявинь). Математическое моделирование тепловых процессов при перемешивании проводилось научными школами 
ЦНИИЧМ (В.Т. Борисов, В.В. Виноградов, И.Л. Тяжельникова) и Красноярского университета (В.В. Соболев, П.М. Трофимов). Экспериментальнотеоретическим изучением магнитогидродинамических процессов, происходящих в жидкой фазе затвердевающих слитков в условиях КЭМП и ЭМТ, занимались научные школы в ПГУ (А.И. Цаплин, М.Э. Манн) и в Институте физики 
Латвийской Академии наук (Г.Г. Бранновер, Э.В. Щербинин). Изучение процесса ДС в статическом магнитном поле и разработка устройств в нашей стране 
не проводились. 
Благодаря усилиям указанных лиц и организаций начато освоение отдельных конструкций КЭМП и ЭМТ. 
5 
 

Общие принципы создания устройств КЭМП, ЭМТ и ДС отсутствовали, 
что явилось одним из препятствий на пути широкого промышленного применения новых технологий. 
Решение этой проблемы выполнено в лаборатории нагрева, охлаждения и 
кристаллизации слитка Всесоюзного НИИ металлургической теплотехники 
(ВНИИМТ, г. Свердловск) под общим руководством заведующего лабораторией, доктора технических наук, профессора Ю.А. Самойловича. Работа проводилась в 1984–1991 гг. согласно хоздоговорам с научно-исследовательскими институтами, металлургическими заводами и комбинатами; в соответствии с тематическими планами ВНИИМТ и координационными планами головной технологической организации ЦНИИЧМ; в соответствии с программой работ по 
электромагнитному перемешиванию при непрерывной разливке стали на 1985–
1987 гг., утвержденной первым заместителем министра черной металлургии 
С. В. Колпаковым, и Программой КНП ТП СЭВ (см. п. 4.3.4.4 «Разработка оборудования и технологических режимов электромагнитного перемешивания 
жидкой фазы непрерывного слитка в процессе затвердевания»). 
Теоретические и экспериментальные работы выполнены в вычислительном 
центре и на опытно-экспериментальном заводе ВНИИМТ. Промышленные исследования проведены на МНЛЗ ПМЗ и НЛМК. 
В данной монографии обобщены результаты собственных, отечественных 
и зарубежных исследований.  
Решение указанной проблемы было невозможно без комплексного подхода, при котором рассматриваются все стороны проблемы: магнитногидродинамические, тепловые, электротехнические и металлургические. 
Решение указанных задач предопределило структуру предлагаемой монографии. В первом разделе рассмотрено состояние проблемы применения электромагнитных воздействий на затвердевающий слиток в процессе непрерывной 
разливки. Предложена классификация электромагнитных воздействий и 
устройств КЭМП, рассмотрены указанные стороны проблемы, а также влияние 
гидродинамических процессов на затвердевание слитка и качество металла. 
Второй и третий разделы посвящены физическому и математическому моделированию магнитно-гидродинамических процессов при КЭМП, ЭМТ и ДС. 
Приведены обобщенные зависимости в критериальной форме, связывающие 
основные характеристики гидродинамических процессов с параметрами воздействий. В четвертом разделе рассмотрены закономерности влияния перемешивания жидкого ядра на теплофизику затвердевания слитков. Описаны промышленный эксперимент и математическое моделирование тепловых процессов в слитке в условиях перемешивания жидкого ядра. Обсуждаются тепловые 
эффекты, возникающие при перемешивании жидкого ядра слитка. Приведена 
количественная зависимость, позволяющая стабилизировать температурный 
режим охлаждения поверхности слитка при использовании КЭМП. 
В пятом разделе описаны методы определения основных параметров магнитной и электрической систем устройств для воздействий. Приведены закономерности распределений магнитного поля и электрического тока в слитке при 
различных способах их подвода. 
6 
 

Методология разработки устройств и результатов ее использования рассмотрены в шестой главе. Приведены результаты разработки и применения 
устройств КЭМП и ЭМТ на различных МНЛЗ. Приведены показатели качества 
металла, отлитого с использованием КЭМП. 
Авторы монографии выражают глубокую признательность за помощь, оказанную в процессе проведения исследований, сотрудникам лаборатории  
И.М. Дистергефту, В.С. Кошману, Л.К. Онищуку , В.Г. Сыролеву, В.А. Рылову, 
В.В. Косульникову, Е.А. Чесницкой, Э.П. Романцевой, Г.А. Волковой и  
Т.Б Лощенко. Авторы благодарят сотрудников НИИтяжмаш ПО «Уралмаш», 
ЦНИИЧМ, УралНИИЧМ, НИИПТМАШ, ЦЛК НЛМК, ПМЗ, НЛМК, ЧерМК, 
Институт физики металлов УрОАН РФ за содействие в выполнении работ. 
7 
 

СПИСОК ПРИНЯТЫХ СОКРАЩЕНИЙ 
 
ЭМП – индуктивное электромагнитное перемешивание 
КЭМП – кондуктивное электромагнитное перемешивание 
ЭМТ – электромагнитное торможение 
ЭДС – электромагнитная деформация струи 
МГД – магнитная гидродинамика 
ПМЗ – Пермский машиностроительный завод 
МЗ – металлургический завод 
НЛМК – Ново-Липецкий металлургический комбинат 
ЧерМК – Череповецкий металлургический комбинат 
ЦЛК – центральная лаборатория комбината 
ККЦ – кислородно-конвертерный цех 
ЭСПЦ – электросталеплавильный цех 
МНЛЗ – машина непрерывного литья заготовок 
ЗВО – зона вторичного охлаждения 
МПНЛЗ – машина полунепрерывного литья заготовок 
НПО – научно-производственное объединение 
ВНИИМЕТМАШ – Всесоюзный научно-исследовательский институт металлургического машиностроения 
ПО «Уралмаш» – Производственное объединение «Уральское машиностроение» 
ПНИТИ – Пермский научно-исследовательский технологический институт 
ЦНИИЧМ – Центральный научно-исследовательский институт черной металлургии 
ВНИИМТ – Всесоюзный научно-исследовательский институт металлургической теплотехники 
УралНИИЧМ – Уральский научно-исследовательский институт черных 
металлов 
УроАН – Уральское отделение Академии наук 
ОЭЗ – опытно-экспериментальный завод 
ПГУ – Пермский государственный университет 
  
8 
 

2
3
F, 
100
4
50
0
x
5
Рис. 1.1. Схема индукционного ЭМП жидкого ядра непрерывного слитка: 1 – кристаллизатор; 2 – жидкое ядро; 3 – ролики МНЛЗ; 4 – 
индуктор бегущего электромагнитного поля; 5 – корка 
слитка; F – плотность электромагнитных сил 
1. СОСТОЯНИЕ ПРОБЛЕМЫ 
 
1.1. Электромагнитные воздействия на затвердевающий  
слиток при непрерывной разливке стали 
 
 
 
К общим проблемам в области непрерывной разливки стали [1] относятся 
следующие: 
– увеличение сортамента разливаемых заготовок с сечением, близким к 
готовой продукции; 
–  увеличение производительности МНЛЗ; 
–  расширение количества марок разливаемых сталей; 
–  повышение качества непрерывно-литых заготовок. 
Для решения этих проблем применяют различного рода электромагнитные 
воздействия на затвердевающий слиток [2–11], а именно: 
1) электрическое поле; 
2) постоянный электрический ток; 
3) переменный электрический ток; 
4) постоянное статическое магнитное поле; 
5) постоянный ток и статическое поле; 
6) переменный ток и статическое поле; 
7) постоянный ток и переменное поле; 
8) переменный ток и переменное поле; 
9) постоянное поле и переменное поле; 
10) бегущее поле, создаваемое индуктором; 
11) бегущее поле, создаваемое перемещением 
постоянного магнита. 
Наиболее известно в нашей стране и за рубежом 
бегущее поле, создаваемое индуктором, или так 
называемое индукционное магнитное перемешивание (ЭМП) [3, 4, 6, 7]. ЭМП осуществляется с помощью индуктора, который генерирует магнитное поле, индуцирующее вихревые токи в жидкой фазе затвердевающего слитка. Взаимодействие этих токов и 
магнитного поля приводит к появлению электромагнитных сил, вызывающих перемешивание жидкого 
металла (рис. 1.1). При использовании ЭМП в процессе непрерывной разливки уменьшается осевая 
химическая и структурная неоднородность, повышается стабильность качества металла при отклонениях от технологического процесса литья. 
В зарубежной и отечественной литературе подробно освещены вопросы улучшения качества литого металла в условиях применения ЭМП, размещения устройств на технологической линии МНЛЗ с 
9 
 

целью устранения определенного вида дефектов, а также достоинства и недостатки устройств ЭМП [2–10]. Приведем здесь типичные примеры, характеризующие металлургический эффект от использования перемешивания и полезные при дальнейшем анализе других способов перемешивания. 
При применении ЭМП увеличивается зона глобулярной структуры [12, 
13]. На рис. 1.2 представлено изменение глобулярной зоны в зависимости от 
перегрева стали в промковше в условиях применения ЭМП и без ЭМП. Жидкая 
фаза слитка перемешивалась в ЗВО криволинейной МНЛЗ устройством ЭМП 
фирмы КОНКАСТ-АСЕА, расположенным за немагнитными поддерживающими слиток роликами. Мощность устройства составляла 400–800 кВ ˜ А. Из 
рис. 1.2 видно, что даже при значительных перегревах металла зона глобулярных кристаллов составляет более 60 . Применение ЭМП позволило ослабить 
требования по температуре металла, подаваемого на разливку.  
1,5
2
1
3
1,3
100
1,1
80
1
0,9
60
4
3
40
2
Глобулярная зона, %
2
20
1
Степень ликвации 
углерода
Пористость, 102 см3/см3
0
0
20
30
40
50
0
20
40
60
80
100
120
Ширина глобулярной зоны, мм
Перегрев, град
Рис. 1.2. Влияние перегрева жидкой стали  
на величину зоны глобулярных кристаллов:  
1 – с применением ЭМП; 2 - без ЭМП 
Рис. 1.3. Зависимость осевой ликвации и пористости от ширины глобулярной зоны в непрерывнолитых сортовых заготовках при ротационном ЭМП: 1 – без ЭМП; 2 – ЭМП с одним индуктором; 3 – то же, с несколькими индукторами 
 
От величины зоны равноосных кристаллов зависит степень ликвации и пористость заготовки. Эти зависимости приведены на рис. 1.3 [14]. Из рис. 1.3 
видно, что чем больше зона равноосных кристаллов, тем выше качество получаемой заготовки. 
При помощи электромагнитного перемешивания в зоне вторичного охлаждения достигнуто улучшение внутренней структуры сортовых заготовок [15], 
поскольку использовано вращающееся поле. Выбор места для монтажа индукционных катушек вдоль заготовки не ограничивался. Наилучшее перемешива10