S
T
R
Ä
N
G
G
J
U
T
N
I
N
G
Elektromagnetisk
bromsning förbättrar
stålkvaliteten
vid stränggjutning
tidskrävande och dessutom är utprov-
Elektromagnetisk bromsning av stålflödet i kokillen i stränggjutnings-
rats med hjälp av den utvecklade statio-
maskiner förbättrar kvaliteten hos det gjutna stålet genom att mängden
nära modellen 3 :
icke-metalliska inneslutningar, som kan transporteras ned i stålet speci-
I
ningsmiljön svår. Därför har ABB satsat
på att utveckla beräkningsmodeller för
stålflödet vid olika arrangemang av spolkonfigurationer för alstring av det statiska
magnetfältet [1, 2].
Resultat av beräkningar med hjälp av
dessa modeller redovisas nedan, och vidare redovisas jämförelser med mätningar på utförda installationer i syfte att verifiera beräkningsresultaten.
Följande tre konfigurationer har stude-
Grundkonfiguration: två lokala magnet-
ellt vid hög gjuthastighet, reduceras. Vid ABB Industrial Systems har
fält placerade utmed strängens bredd
stålflödet i stränggjutningskokillen under inverkan av elektromagnetisk
II Konfiguration Ruler (linjal): ett enda
bromsning undersökts med hjälp av omfattande beräkningar.
magnetfält som täcker hela strängbredden
S
tändigt stegrade krav på hög pro-
magnetisk broms” som ofta används för
Mold): två parallella magnetfält som
duktionstakt inom stålförädlingen har bl a
utrustningar av detta slag. Det vore rikti-
vardera täcker hela strängbredden och
resulterat i stränggjutningstekniken som
gare att tala om en ”elektromagnetisk flö-
där munstyckena för det smälta stålet
innebär att man tillverkar ämnen för slut-
desfördelare” som förklarar den skenbara
mynnar mellan de två magnetfälten
valsning till plåt, profiler o d genom kon-
paradox som ibland uttrycks som att
tinuerlig gjutning i stället för som tidigare i
”tack vare den elektromagnetiska brom-
form av diskreta göt 1 .
III Konfiguration FC Mold (Flow Control
sen kan gjuthastigheten ökas”. Att öka en
Slutsatser av utförda
Stränggjutning är dock en komplicerad
hastighet genom bromsning kan verka
beräkningar
process: i den gjutna stålsträngen kan
motsägelsefullt, men det handlar om att
Huvudresultaten av beräkningarna kan
skadliga inneslutningar i form av t ex slagg
utföra en bromsning av metallflödet på
sammanfattas som följer:
och gas lätt uppstå. Risken för sådana
vissa ställen i kokillen så att en jämn stål-
•
ofullkomligheter ökar med ökad gjuthas-
flödeshastighet erhålls i varje snitt av
en betydande inverkan på flödet av
tighet bl a på grund av att strålen av smält
strängen. Detta kan ske genom elektro-
smält stål. Bromsningen får gynnsam-
stål tränger djupt ned i den gjutna sträng-
magnetisk bromsning som resulterar i en
maste inverkan på flödesbilden, då
en, varvid gjutpulver och andra förorening-
jämn flödeshastighet, varvid gjuthastig-
stålstrålen från munstycket är riktad
ar lätt dras med och kapslas in i stålet,
heten kan ökas utan risk för försämrad
mot den region som täcks av magnet-
och därigenom sänks stålkvaliteten.
stålkvalitet.
fältet.
•
Argongas och statiskt magnetfält har
För att få bot mot detta problem har
Flera olika konfigurationer för det sta-
ABB utvecklat och patenterat en s k elek-
tiska magnetfältet kring stålsträngen har
som tränger ned i strängens mitt mins-
tromagnetisk broms (EMBR) som med ett
provats, och stora förbättringar har upp-
kar vid magnetfält som täcker hela
statiskt magnetfält bromsar det flytande
nåtts efter hand. Experiment med nya
strängbredden i jämförelse med kon-
stålet. På detta sätt erhålls en jämnare
konfigurationer är dock mycket dyra och
utströmmande
stålet
över
figuration med två lokala magnetfält.
•
värme- och hastighetsfördelning för det
strängens
Inneslutningar av icke-metalliska ämnen
Temperaturen vid badspegeln (menisken) ökar med 5–15 ˚C då elektromag-
bredd 2 samtidigt som risken för inne-
Anders Lehman
netisk bromsning tillämpas. För t ex
slutningar reduceras. Därmed höjs kva-
Göte Tallbäck
breda kokiller och låg gjuthastighet
liteten hos det gjutna stålet.
Åke Rullgård
kan det vara nödvändigt att minska ef-
ABB Industrial Systems AB
fekten i Ruler-konfigurationen. Vid en
Det kan här vara på sin plats med en
kommentar till benämningen ”elektro-
4
ABB
Tidning
1/1996
för stark bromsning av stålflödet kan
S
T
R
Ä
N
G
G
J
U
T
N
I
N
G
•
Nya tillämpningar för elektromagnetisk
bromsning vid stränggjutning kan väntas
för mindre ämnesformat med minskat inträngningsdjup och ökad temperatur
omedelbart under menisken som gynnsamma effekter på stålkvaliteten. Med
EMBR skulle det i framtiden kunna vara
möjligt att gjuta med väsentligt höjd gjuthastighet men med bibehållen hög stålkvalitet, vilket är av speciellt intresse vid
tunnslabsgjutning.
Kommentarer till
beräkningsresultaten
I Grundkonfiguration –
två lokala magnetfält placerade
utmed strängens bredd
Placering av två eller flera lokala magnetfält utmed strängbredden kännetecknar
1
Stränggjutningsanläggning vid SSAB, Luleå
det äldsta utförandet av den elektromagnetiska bromsen 3 . Denna konstruktion
stagnation vid kortsidorna uppträda,
och därigenom riskeras motsatt effekt,
dvs minskad temperatur och frysning
•
•
röret lättare bibehålls och risken för
utvecklades för undvikande av djup in-
eventuell stagnation reduceras.
trängning av flytande stål i strängen och
Stålstrålens inträngningsdjup minskar i
vid menisken.
alla konfigurationer i jämförelse med
Medelhastigheten för stålflödet omedel-
gjutsträng utan elektromagnetisk broms-
bart under menisken minskar ofta kraf-
ning, men magnetfältets placering och
tigt då ett statiskt magnetfält appliceras i
styrka har en avgörande betydelse för
kokillen. I konfigurationen FC Mold, där
optimalt stålflöde och därigenom för
munstyckena för stålet mynnar mellan
stålkvaliteten.
de horisontella magnetfälten som täcker
•
2
3
4
5
6
Tendens till lågfrekventa svängningar
hela kokillbredden, blir bromsningen av
med hög amplitud vid menisken dämpas
stålstrålarna mot kortsidorna begränsad,
effektivt under inverkan av ett statiskt
och följaktligen reduceras medelhastig-
magnetfält i kokillen. Därigenom reduce-
heten vid menisken mindre. Denna kon-
ras risken för pulverneddragningar, som
figuration har dock fördelen att stålflödet
ofta uppstår vid hög hastighet och acce-
vid menisken från kortsidorna mot gjut-
leration av flödet vid menisken.
Principiell stålströmningsbild i en kontinuerligt gjuten sträng,
till vänster utan, till höger med elektromagnetisk bromsning (EMBR)
S
EMBR
7
2
Strängbredd
1
Utan EMBR
1 Stort inträngningsdjup för
icke-metalliska inneslutningar
2 Tunt gjutpulverskikt
3 Störd badspegel
4 Turbulens
Med EMBR
5 Lugn, hetare badspegel
6 Bromsad zon
7 Litet inträngningsdjup för
icke-metalliska inneslutningar
S
ABB
Tidning
1/1996
5
S
I
T
R
Ä
N
G
G
J
U
T
N
I
II
N
G
III
3
Olika konfigurationer för elektromagnetisk broms (EMBR)
I Grundkonfiguration: två lokala magnetfält placerade utmed strängens bredd
II Konfiguration Ruler (linjal): ett enda magnetfält som täcker hela strängbredden
III Konfiguration FC Mold (Flow Control Mold): två parallella magnetfält som täcker hela strängbredden och där munstyckena
för det smälta stålet mynnar mellan de två magnetfälten
för minskning av halten icke-metalliska
denna konfiguration och att temperaturen
effekt, och dessutom kan t ex vid smala
inneslutningar. Generellt visar resultat
omedelbart under menisken ökar med
ämnen en ogynnsam flödesbild, en hu-
ifrån praktiska mätningar att inträng-
5–10 ˚C. Det finns dock risk för stagna-
vudsaklig strömningskanal i mitten, ge
ningsdjupet minskar med upp till 50% i
tion i metallflödet vid maximal broms-
upphov till ökning av mängden icke-me-
I Grundkonfiguration: beräknat strömningsfält i snitten A, B och C med elektromagnetisk broms med lokala
magnetfält och vid olika magnetisk flödestäthet B
A
B
Snitt genom strängmitten
Snitt 100 mm
vid sidan av gjutmunstycket
C Snitt 20 mm
nedanför badspegeln
a
b
c
B
C
A
a
6
ABB
B
b
Tidning
Strängdimensioner: 245×1600 mm
Gjuthastighet: 1,6 m/min
Doppdjup: 190 mm
Utströmningsvinkel: –45˚
Effektavgång genom menisken: 75 kW/m2
Argongasmängd: 10 l/min
Överhettningstemperatur: 10 ˚C
B=0T
B = 0,15 T
B = 0,32 T
C
1/1996
4
C
A
B
c
A
S
T
R
Ä
N
G
G
J
U
T
N
I
N
G
talliska inneslutningar i det stelnade skalet. Därför är simuleringar ett viktigt verkC
tyg för fastställande av optimal placering
C
av EMBR.
Den beräknade tredimensionella strömningsbilden visas i 4 och de inducerade
strömmarna och Lorentz-krafterna i 5 .
II Konfiguration Ruler –
ett magnetfält som täcker hela
strängbredden
Denna konfiguration kännetecknas av att
ett enda magnetfältet täcker hela sträng-
B
A
a
B
A
b
bredden 3 och brukar anses som den
andra
generationen
elektromagnetiska
bromsar. De första installationerna togs i
Inducerade elektriska strömmar (a) och Lorentz-krafter (b) i snitten A, B
och C för en elektromagnetisk broms med lokala magnetfält och samma
gjutdata som fig 4, dock endast en flödestäthet, 0,32 T
6
II Konfiguration Ruler: beräknad absolut hastighetsfördelning i ett snitt genom strängmitten parallellt
med strängens bredsida. I de svarta områdena är den absoluta hastigheten 0,4 –1,0 m/s
Doppdjup 150 mm,
utströmningsvinkel 0˚
a EMBR från, argongasflöde 0
b EMBR från, argongasflöde 10 l/min
c EMBR till, argongasflöde 0
d EMBR till, argongasflöde 10 l/min
a
e
1300
Doppdjup 250 mm,
utströmningsvinkel –30˚
e EMBR från, argongasflöde 0
f EMBR från, argongasflöde 10 l/min
g EMBR till, argongasflöde 0
h EMBR till, argongasflöde 10 l/min
5
För alla delfigurer gäller:
Strängdimensioner: 225 × 1300 mm
Gjuthastighet: 1,5 m/min
Effektavgång genom menisken: 75 kW/m2
Överhettningstemperatur: 20 ˚C
Högsta flödestäthet: 0,3 T
b
c
d
f
g
h
ABB
Tidning
1/1996
7
S
T
R
Ä
N
G
G
J
U
T
N
I
N
G
2500
a
b
c
7
II Konfiguration Ruler: spårning av 200 µm stora partiklar i strängmitten med
flödestäthet av 0 (a), 0,15 (b) och 0,3 T (c)
Strängdimensioner: 250 × 2500 mm
Gjuthastighet: 0,9 m/min
Doppdjup: 225 mm
Utströmningsvinkel: –20˚
Effektavgång genom menisken: 150 kW/m2
Argongasmängd: 5 l/min
Överhettningstemperatur: 15 ˚C
drift år 1991 vid Sollac, Dunkerque/Frank-
tallflödet att strömma ovanför magnetfält-
raturen ökar med 5–15 ˚C i Ruler-konfigu-
rike, och Hoogovens, IJmuiden/Holland.
området. Med ökat doppdjup och mera
rationen.
Inverkan av mängd argongas och
nedåtriktat munstycke tränger det smälta
Beräkningar och praktiska mätningar
munstyckets doppdjup (SEN, Submer-
stålet rakt in i magnetfältet, vilket resulte-
visar att ett statiskt magnetfält i kokillen
ged Entry Nozzle) på absoluthastigheten
rar i att strålen bromsas effektivt. Dock
kan utnyttjas för styrning av metallflödet
framgår av 6 .
kan en för högt placerad EMBR leda till
vid menisken. Detta flöde bestäms, vid
Vid litet doppdjup och mera horison-
en ansamling av argongasbubblor nära
avsaknad av elektromagnetisk broms, av
tellt utlopp hos munstycket tenderar me-
gjutröret. Allmänt gäller att menisktempe-
strängens bredd, gjuthastighet, argon-
8
Beräknad temperaturfördelning i en 2500 mm bred sträng vid elektromagnetisk bromsning med
Ruler-konfiguration och magnetiska fältstyrka av 0 (a), 0,15 (b) och 0,3 T (c).
I de svarta områdena är överhettningstemperaturen 6–8 ˚C (gjutdata som i fig 7).
A
Snitt genom strängmitten
C
C
Snitt 20 mm nedanför badspegeln
C
C
2500
a
8
ABB
A
Tidning
1/1996
b
A
c
A
S
T
R
Ä
Minskning av blandningsregionen 9
från 6 till 3 m stränglängd l vid
kvalitetsomställning (kiselhalt Si) hos
Preussag AG, Salzgitter/Tyskland,
utan (blå) och med (röd) elektromagnetisk bromsning
l
Si
MR1
MR2
N
G
G
J
U
T
N
I
N
G
MR1
MR2
1.0
%
0.8
Stränglängd
Kiselhalt
Blandningsregion utan EMBR
Blandningsregion med EMBR
0.6
0.4
Si
0.2
mängd och munstyckets utformning.
0
0
Med elektromagnetisk bromsning kan
1
2
3
4
hastigheten vid menisken regleras. Nor-
5
6
7
8
9
10
11 m 12
l
malt önskas en minskning av denna hastighet. Vid alltför stark bromsning kan
det uppstå ett reverserat flöde riktat från
munstycket mot kortsidorna. Svårigheten att exakt prediktera när stålflödet
vänder vid menisken ökar risken för
stagnation.
Spårning av partiklar med 200 µm
storlek visas i 7 och beräknad temperaturfördelning i en 2500 mm bred kokill i
8 . I fall C har flödet nästan stagnerat
nära kortsidorna vid full bromseffekt.
Elektrisk ström inducerad i snitten A, B och C vid användning av
elektromagnetisk broms enligt konfiguration ”FC Mold” med
flödestäthet 0,3 T. Gjutröret har fyra öppningar som mynnar mellan
magnetfälten. Trots den relativt låga magnetiska flödestätheten
har reduktion av inträngningsdjupet för föroreningar med 50% uppmätts
i befintliga installationer.
A
B
C
I fall med låg överhettningstemperatur
Snitt genom strängmitten
Snitt 100 mm
vid sidan av gjutmunstycket
Snitt 20 mm
nedanför badspegeln
finns risk för frysning vid meniskens kort-
10
Strängdimensioner: 260 × 1700 mm
Gjuthastighet: 1,7 m/min
Nedsänkningsdjup: 200 mm
Utströmningsvinkel: –20˚
Effektavgång genom menisken: 75 kW/m2
Argongasmängd: 16 l/min
Överhettningstemperatur: 25 ˚C
sidor, och åtgärden är då att minska den
magnetiska flödestätheten, öka gjuthastigheten eller minska munstyckets utloppsöppning.
C
Genom simuleringar kan bromsutförandet bestämmas för varje enskilt fall så
att ogynnsamma effekter av ovannämnt
slag undviks.
Elektromagnetisk
bromsning
har
i
praktiken visat sig vara effektiv för minskning av inträngningsdjupet. Som framgår
av mätningar utförda vid Preussag Stahl,
Salzgitter/Tyskland, låter sig blandningszonen, som uppstår i strängen vid omställning av reduktionsgraden, reduceras
från 6 till 3 m med hjälp av elektromagnetisk bromsning 9 .
B
a
A
b
ABB
Tidning
1/1996
9
S
T
R
Ä
N
G
G
J
U
T
N
I
N
G
50
30
cm /s
10
v
0
– 10
– 20
– 30
– 40
– 50
– 60
cm /s
30
20
10
v
0
– 10
320
360
t
400
440
s
– 20
0
480
1
2
3
4
5
min 6
t
Beräknad meniskhastighet v utan (blå) och med (röd)
elektromagnetisk bromsning
11
Strängdimensioner: 50 × 1300 mm
Gjuthastighet: 5,5 m/s
Registrerad badspegelhastighet v 350 mm
från gjutmunstycket utan (blå) och med (röd)
elektromagnetisk bromsning
12
Strängdimensioner: 225 × 2100 mm
Gjuthastighet: 1,3 m/s
•
III Konfiguration FC Mold –
omedelbart under menisken 325 mm från
En transient LES-modell för studium
två magnetfält som täcker hela
strängmitten med och utan EMBR in-
av lågfrekventa svängningar i menis-
strängbredden
kopplad visas i 11 .
ken. För att kartlägga inverkan av elek-
FC Mold-konfigurationen 3 har utveck-
Effektiv dämpning av oscillationerna i
tromagnetisk bromsning på sväng-
lats av Kawasaki Steel Corporation,
menisken har rapporterats från ett flertal
ningar i den fria stålytan, menisken,
Japan, i samarbete med ABB. Den kän-
EMBR-installationer. Ett exempel från
har en s k transient LES-turbulens-
netecknas av två parallella magnetfält
Hoogoven, IJmuiden Holland visas i 12 ,
modell (Large Eddy Simulation) an-
som vardera täcker strängens hela bredd
där en påtaglig reduktion av såväl medel-
vänts.
i kokillen. De elektriska strömmar som in-
hastighet som oscillationer noterats, vil-
duceras i det smälta stålet samt argon-
ket kraftigt reducerar risken för att gjut-
gashalten vid tillämpning av denna kon-
pulver dras ned i stålsträngen.
figuration visas i 10 .
Referenser
[1] Lehman, A. F. m fl: Fluid flow control
Mätningar visar att trots att den mag-
in continuous casting using various confi-
netiska flödestätheten är relativt låg och
Tillämpade fysikaliska och
gurations of static magnetic fields. Inter-
de inducerade strömmarna är riktade åt
matematiska
national Symposium on Electromagnetic
olika håll, minskar inträngningsdjupet
principer i modellerna
Processing of Materials, Nagoya/Japan,
minskats med upp till 50 %. Medelhastig-
Två modeller har utvecklats för predikte-
1994.
heten under menisken minskar inte i så
ring av elektromagnetisk bromsning av
[2] Tallbäck, G. m fl: Simulations of
hög grad, men den bromsande effekten
stålflödet:
EMBR influence on fluid flow in slabs.
kan, som i Ruler-konfigurationen, styras
•
En stationär turbulensmodell för studi-
17th Advanced Symposium 1994, Phoe-
genom förändring av doppdjup och ut-
um av medelflödet hos stålet i sträng-
nix, AZ/USA. ABB Industrial Systems do-
strömningsvinkel för munstycket.
en vid olika konfigurationer. En tredi-
kument nummer GRT40681 (1994).
mensionell turbulensmodell har anResultat erhållna med den
vänts för beräkning av stålflödet i
transienta modellen
strängen där argongasens lyftkraft på
Författarnas adress
Ett statiskt magnetfält reducerar effektivt
smältan samt fördelningen av inneslut-
Anders Lehman
de lågfrekventa svängningarna i kokillen.
ningar har beaktats under inverkan av
Göte Tallbäck
Till
temperaturökningen,
olika elektromagnetiska fältkonfigura-
Åke Rullgård
som tar ca 2 minuter innan den är fullt ut-
tioner. Det tredimensionella magnetfäl-
ABB Industrial Systems AB
vecklad, gör denna dämpning sig märk-
tet har beräknats med Vector Fields
Metals Division, Steelworks Products
bar momentant vid inkoppling av EMBR.
program TOSCA och sedan förts in i
S-721 67 Västerås
Den beräknade horisontella hastigheten
flödesprogrammet Harwell Flow3D.
Fax: +46 (0)21 14 83 27
10
skillnad
ABB
från
Tidning
1/1996
