IF钢铸坯皮下小气泡分布

D0L:10.13374.issn1001-053x.2013.12.016 第35卷第12期 北京科技大学学报 Vol.35 No.12 2013年12月 Journal of University of Science and Technology Beijing Dec.2013 IF钢铸还皮下小气泡分布 刘丙岗)，文光华1)☒，唐萍)，罗琳青1，阮晓明)，施春月) 1)重庆大学材料科学与工程学院，重庆4000442)上海宝钢集团有限公司，上海201900 ☒通信作者，E-mail:wengh@cqu.edu.cn 摘要通过铸坯取样分析研究了板坯结晶器内拉速和电磁制动与小气泡分布之间的关系，探讨了拉速以及电磁制动 对F钢铸坯皮下气泡大小、数量和分布的影响规律.实验结果表明：铸坯皮下气泡直径小于0.1m的气泡占总数的 57%,0.1~0.5mm之间的占42.5%，大于0.5mm占0.5%，并且随着皮下距离的增加，被捕捉的气泡尺寸越来越小，而 气泡数量边部比1/4处要多50%左右，1/4位置最少：拉速提高会导致气泡尺寸变小，在1/4及边部，气泡聚集位置由 皮下9mm变为12m附近，但是低拉速和高拉速均在皮下3mm位置处有气泡聚集：电磁制动下，铸坯中心处气泡 尺寸变大，1/4及边部位置气泡尺寸变小，且会使气泡数量总体降低，主要表现在聚集位置处的气泡数量明显减少. 关键词F钢：连铸：气泡：尺寸分布 分类号TG777.1 Distribution of small bubbles at IF continuous casting slab subsurface LIU Bing-gang）,WEN Guang-hua)☒，TANG Ping）,LU0Lim-ging）,RUAN Xiao-ming2),SHI Chun--yue2) 1)College of Materials Science and Engineering,Chongqing University,Chongqing 400044,China 2)Baosteel Group Corporation.Shanghai 201900,China Corresponding author,E-mail:wenghcqu.edu.cn ABSTRACT The distribution behavior of bubbles in consideration of casting speed and electromagnetic braking in a slab continuous casting mold was investigated by the method of sampling statistics.The effects of electromagnetic braking and casting speed on the size,number and distribution of small bubbles were analyzed in detail.Experimental results show that bubbles with the diameter less than 0.1 mm account for 57%,0.1-0.5 mm for 42.5%,and bigger than 0.5 mm for 0.5%.The deeper the subcutaneous distance is,the smaller the bubble size is.The number of bubbles in the narrow side is 50%more than that in the 1/4 position,and the number of bubbles in the 1/4 position is the least With increasing casting speed,the size of bubbles decreases and the position of clusters moves from 9 to 12 mm in the slab subsurface at the 1/4 position and the narrow side,but bubbles gather at 3 mm of subsurface at the low and high casting speeds.When electromagnetic braking is applied,the size of bubbles becomes big in the center,but small in the 1/4 position and the narrow side,and the number of bubbles overall declines,significantly the number of cluster bubbles. KEY WORDS IF steel;continuous casting:bubbles;size distribution F钢轧材的表面质量与铸坯皮下质量密切相关于F钢皮下气泡的研究主要集中在以下几个方 关.板坯皮下缺陷可以由非金属夹杂物、保护渣的面：第一，引起轧材缺陷的临界气泡尺寸，Tripathy 卷入及被捕捉的气泡等造成，其中皮下气泡在轧制等②通过数值计算得出为1mm,日本炼钢科技 过程中被暴露氧化或者黏附小夹杂物都可能会在轧 协会3则认为气泡临界尺寸为0.5mm:第二，对 材表面形成线状缺陷或铅芯缺陷)，这对用于制造 轧材质量有影响的气泡临界个数，日本炼钢科技 高档型轿车的冷轧板是致命的缺陷.目前，国内外 协会认为每100cm2超过5个会按降级处理：第 收稿日期：2012-11-05

第 35 卷 第 12 期 北 京 科 技 大 学 学 报 Vol. 35 No. 12 2013 年 12 月 Journal of University of Science and Technology Beijing Dec. 2013 IF 钢铸坯皮下小气泡分布 刘丙岗1)，文光华1) ，唐 萍1)，罗琳青1)，阮晓明2)，施春月2) 1) 重庆大学材料科学与工程学院，重庆 400044 2) 上海宝钢集团有限公司，上海 201900 通信作者，E-mail: wengh@cqu.edu.cn 摘 要 通过铸坯取样分析研究了板坯结晶器内拉速和电磁制动与小气泡分布之间的关系，探讨了拉速以及电磁制动 对 IF 钢铸坯皮下气泡大小、数量和分布的影响规律. 实验结果表明：铸坯皮下气泡直径小于 0.1 mm 的气泡占总数的 57%，0.1∼0.5 mm 之间的占 42.5%，大于 0.5 mm 占 0.5%，并且随着皮下距离的增加，被捕捉的气泡尺寸越来越小，而 气泡数量边部比 1/4 处要多 50%左右，1/4 位置最少；拉速提高会导致气泡尺寸变小，在 1/4 及边部，气泡聚集位置由 皮下 9 mm 变为 12 mm 附近，但是低拉速和高拉速均在皮下 3 mm 位置处有气泡聚集；电磁制动下，铸坯中心处气泡 尺寸变大，1/4 及边部位置气泡尺寸变小，且会使气泡数量总体降低，主要表现在聚集位置处的气泡数量明显减少. 关键词 IF 钢；连铸；气泡；尺寸分布 分类号 TG777.1 Distribution of small bubbles at IF continuous casting slab subsurface LIU Bing-gang1), WEN Guang-hua1) , TANG Ping1), LUO Lin-qing1), RUAN Xiao-ming2), SHI Chun-yue2) 1) College of Materials Science and Engineering, Chongqing University, Chongqing 400044, China 2) Baosteel Group Corporation, Shanghai 201900, China Corresponding author, E-mail: wengh@cqu.edu.cn ABSTRACT The distribution behavior of bubbles in consideration of casting speed and electromagnetic braking in a slab continuous casting mold was investigated by the method of sampling statistics. The effects of electromagnetic braking and casting speed on the size, number and distribution of small bubbles were analyzed in detail. Experimental results show that bubbles with the diameter less than 0.1 mm account for 57%, 0.1-0.5 mm for 42.5%, and bigger than 0.5 mm for 0.5%. The deeper the subcutaneous distance is, the smaller the bubble size is. The number of bubbles in the narrow side is 50% more than that in the 1/4 position, and the number of bubbles in the 1/4 position is the least. With increasing casting speed, the size of bubbles decreases and the position of clusters moves from 9 to 12 mm in the slab subsurface at the 1/4 position and the narrow side, but bubbles gather at 3 mm of subsurface at the low and high casting speeds. When electromagnetic braking is applied, the size of bubbles becomes big in the center, but small in the 1/4 position and the narrow side, and the number of bubbles overall declines, significantly the number of cluster bubbles. KEY WORDS IF steel; continuous casting; bubbles; size distribution IF 钢轧材的表面质量与铸坯皮下质量密切相 关. 板坯皮下缺陷可以由非金属夹杂物、保护渣的 卷入及被捕捉的气泡等造成，其中皮下气泡在轧制 过程中被暴露氧化或者黏附小夹杂物都可能会在轧 材表面形成线状缺陷或铅芯缺陷 [1]，这对用于制造 高档型轿车的冷轧板是致命的缺陷. 目前，国内外 关于 IF 钢皮下气泡的研究主要集中在以下几个方 面：第一，引起轧材缺陷的临界气泡尺寸，Tripathy 等 [2] 通过数值计算得出为 1 mm，日本炼钢科技 协会 [3] 则认为气泡临界尺寸为 0.5 mm；第二，对 轧材质量有影响的气泡临界个数，日本炼钢科技 协会认为每 100 cm2 超过 5 个会按降级处理；第 收稿日期：2012-11-05 DOI:10.13374/j.issn1001-053x.2013.12.016

.1596 北京科技大学学报 第35卷 三，Tripathy得出距离皮下l0mm之内的气泡在 实验铸坯样来自于宝钢炼钢厂立弯式连铸机 轧制过程中会遗传到表面形成缺陷.由此可以看出， 浇注的F钢，铸坯对应工艺参数见表1.与气泡 关于气泡缺陷研究主要是气泡尺寸、数量及分布对 分布相关参数有拉速、电磁制动和吹氩量.据文献 轧材质量的影响，然而目前大多文献24所报道的 [6-8报道的气泡数量、尺寸与吹气量、拉速之间的 都是针对尺寸在0.5mm以上的气泡分布对轧材的 关系，得出吹氩量在表1流量范围内变化时，拉速 危害，对于0.5mm以下的小气泡分布数量规律鲜 对气泡数量、尺寸的影响远大于吹氩量对气泡的影 有说明.范海旺和张保师同认为密集而细小的气 响.这是因为拉速增加，流股湍动能变大，钢中气泡 孔会造成成品上的缺陷，张立峰和王新华口认为 被剪切破碎生成尺寸更小的气泡，气泡数量也随之 在钢水中气泡运动时会黏附钢液中的夹杂物聚集长 增多，电磁制动亦是如此，因此在实验结果讨论中 大，如果不能及时上浮排除则会在轧材上造成严重 重点分析拉速和电磁制动对气泡分布的影响.分别 的质量缺陷，因此当0.5mm以下的小气泡数量较 在铸坯中心、1/4及边部三个位置进行取样，如图1 多并黏附有夹杂物且靠近铸坯表面时，对轧材质量 所示.实验通过刨磨铸坯样及低倍光学显微镜放大 有严重危害.本文针对铸坯皮下弥散的小气泡，统 35倍并投影在计算机上进行人工统计.刨磨沿铸坯 计其在拉速和电磁制动条件下的大小、数量及分布 表面向下每3mm为一层，直到皮下12mm处，之 规律，并进行分析阐述 后刨磨深度改为5mm,直到皮下22mm处，同时 利用扫描电镜对气泡边缘夹杂物进行分析. 1 实验及研究方法 表1铸坯对应工艺参数 Table 1 Parameters of the slab 工况 拉速/(mmin-1) 断面/mm2 电磁制动 吹氩流量/Lmin-1) ① 1.2 230×1300 开 33.7 ② 1.2 230×1300 关 35.9 ③ 1.5 230×1250 开 45.9 ④ 1.5 230×1250 关 45.9 150 (a) (b) 内弧侧 150 1/4 刨 01 中心 边部 方同 150. [150. 7 单位：mm 100 单位：mn 图1铸坯取样位置及尺寸 Fig.1 Position and size of sampling in the casting slab 2实验结果与讨论 愈合，但由于小气泡在上浮过程中常常会捕捉所遇 2.1气泡尺寸 到的夹杂物，因此会导致在后续的轧制过程中无法 愈合从而产生缺陷，特别是小气泡密集时会导致严 对两种拉速下气泡尺寸与数量进行综合统计， 重的质量问题. 结果如图2所示.直径小于0.1mm的气泡占气 2.2气泡数量 泡总数的57%，0.10.5mm之间占42.5%，大于 0.5mm占0.5%.观察到的气泡为圆形或者椭圆形， 图5为铸坯宽面三个位置处拉速为1.2mmin-1 如图3所示.对实验中的小气泡进行扫描电镜观察 时气泡数量的统计结果.由图可以看出：在距离皮 分析发现在气泡表面有夹杂物A12O3和SiO2存在， 下12mm之内，边部气泡数量比1/4处要多50%左 如图4所示.小气泡虽然在后续的轧制过程中可以 右，其次中心处较多，1/4位置最少：12mm之后气

· 1596 · 北 京 科 技 大 学 学 报 第 35 卷 三，Tripathy 得出距离皮下 10 mm 之内的气泡在 轧制过程中会遗传到表面形成缺陷. 由此可以看出， 关于气泡缺陷研究主要是气泡尺寸、数量及分布对 轧材质量的影响，然而目前大多文献 [2,4] 所报道的 都是针对尺寸在 0.5 mm 以上的气泡分布对轧材的 危害，对于 0.5 mm 以下的小气泡分布数量规律鲜 有说明. 范海旺和张保师 [5] 认为密集而细小的气 孔会造成成品上的缺陷，张立峰和王新华 [1] 认为 在钢水中气泡运动时会黏附钢液中的夹杂物聚集长 大，如果不能及时上浮排除则会在轧材上造成严重 的质量缺陷，因此当 0.5 mm 以下的小气泡数量较 多并黏附有夹杂物且靠近铸坯表面时，对轧材质量 有严重危害. 本文针对铸坯皮下弥散的小气泡，统 计其在拉速和电磁制动条件下的大小、数量及分布 规律，并进行分析阐述. 1 实验及研究方法 实验铸坯样来自于宝钢炼钢厂立弯式连铸机 浇注的 IF 钢，铸坯对应工艺参数见表 1. 与气泡 分布相关参数有拉速、电磁制动和吹氩量. 据文献 [6-8] 报道的气泡数量、尺寸与吹气量、拉速之间的 关系，得出吹氩量在表 1 流量范围内变化时，拉速 对气泡数量、尺寸的影响远大于吹氩量对气泡的影 响. 这是因为拉速增加，流股湍动能变大，钢中气泡 被剪切破碎生成尺寸更小的气泡，气泡数量也随之 增多，电磁制动亦是如此，因此在实验结果讨论中 重点分析拉速和电磁制动对气泡分布的影响. 分别 在铸坯中心、1/4 及边部三个位置进行取样，如图 1 所示. 实验通过刨磨铸坯样及低倍光学显微镜放大 35 倍并投影在计算机上进行人工统计. 刨磨沿铸坯 表面向下每 3 mm 为一层，直到皮下 12 mm 处，之 后刨磨深度改为 5 mm，直到皮下 22 mm 处，同时 利用扫描电镜对气泡边缘夹杂物进行分析. 表 1 铸坯对应工艺参数 Table 1 Parameters of the slab 工况 拉速/(m·min−1 ) 断面/mm2 电磁制动 吹氩流量/(L·min−1 ) ① 1.2 230×1300 开 33.7 ② 1.2 230×1300 关 35.9 ③ 1.5 230×1250 开 45.9 ④ 1.5 230×1250 关 45.9 图 1 铸坯取样位置及尺寸 Fig.1 Position and size of sampling in the casting slab 2 实验结果与讨论 2.1 气泡尺寸 对两种拉速下气泡尺寸与数量进行综合统计， 结果如图 2 所示. 直径小于 0.1 mm 的气泡占气 泡总数的 57%，0.1∼0.5 mm 之间占 42.5%，大于 0.5 mm 占 0.5%. 观察到的气泡为圆形或者椭圆形， 如图 3 所示. 对实验中的小气泡进行扫描电镜观察 分析发现在气泡表面有夹杂物 Al2O3 和 SiO2 存在， 如图 4 所示. 小气泡虽然在后续的轧制过程中可以 愈合，但由于小气泡在上浮过程中常常会捕捉所遇 到的夹杂物，因此会导致在后续的轧制过程中无法 愈合从而产生缺陷，特别是小气泡密集时会导致严 重的质量问题. 2.2 气泡数量 图 5为铸坯宽面三个位置处拉速为1.2 m·min−1 时气泡数量的统计结果. 由图可以看出：在距离皮 下 12 mm 之内，边部气泡数量比 1/4 处要多 50%左 右，其次中心处较多，1/4 位置最少；12 mm 之后气

第12期 刘丙岗等：F钢铸还皮下小气泡分布 ·1597· 1U0 是因为气泡受钢液流股冲击到达结晶器窄边位置， 从而易被凝固前沿所捕捉：而中心处气泡较多则 与弯月面处钢液温度有关，柯岩认为导致小气 60 泡最终在板坯中央聚集与宽面中心部位温度较低有 关，弯月面附近的钢液温度测量结果表明中心部位 40 温度较低，导致凝固前沿生长较快而捕捉气泡， 图5还反映出三个位置小气泡数量均在皮下 3mm处有聚集，而皮下3mm正好对应结晶器弯 月面附近.在弯月面附近，表层的钢液被强烈冷却， ≤0.1mm 0.1-0.5mm ≥0.5mm 温度迅速降到液相线以下，形成的温度梯度大，因 气泡尺寸 此获得了较大的过冷度，致使凝固坯壳的生长速度 较快，当上回流中的小气泡到达窄边时还没上浮就 图2气泡不同尺寸分布 被快速生长的坯壳前沿所捕捉，加之F钢钢种的 Fig.2 Size distribution of bubbles 特点是易在弯月面附近产生凝固钩，凝固钩也会捕 提上浮的气泡叫，因此导致在皮下3mm左右位 泡数量逐渐降低.窄边被捕获的气泡数量最多，这 置气泡数量较多 a (b) 50μm 50μm 500Hm 图3气泡微观形貌.(a)70μm:(b)110m;(c)580m Fig.3 Microstructures of bubbles:(a)70 um;(b)110 um;(c)580 um 元素 质量分数/% OK 52.54 AlK 23.87 Si K 23.59 70m 图4气泡扫描电镜能谱 Fig.4 SEM-EDS of bubbles 2.3工艺参数的影响 等2]通过物理模拟结晶器内吹气流场变化，同样 2.3.1拉速对气泡尺寸的影响 得出大拉速比小拉速形成的气泡尺寸更小，因为拉 图6为不同拉速下气泡尺寸的分布规律.从 速变大，钢液流股的湍流动能变大，吹入的气体受 图中反映出拉速较大时，气泡尺寸反而较小.Singh 到钢液流股湍流的作用也变大，从而导致小气泡生

第 12 期 刘丙岗等：IF 钢铸坯皮下小气泡分布 1597 ·· 图 2 气泡不同尺寸分布 Fig.2 Size distribution of bubbles 泡数量逐渐降低. 窄边被捕获的气泡数量最多，这 是因为气泡受钢液流股冲击到达结晶器窄边位置， 从而易被凝固前沿所捕捉 [9]；而中心处气泡较多则 与弯月面处钢液温度有关，柯岩 [10] 认为导致小气 泡最终在板坯中央聚集与宽面中心部位温度较低有 关，弯月面附近的钢液温度测量结果表明中心部位 温度较低，导致凝固前沿生长较快而捕捉气泡. 图 5 还反映出三个位置小气泡数量均在皮下 3 mm 处有聚集，而皮下 3 mm 正好对应结晶器弯 月面附近. 在弯月面附近，表层的钢液被强烈冷却， 温度迅速降到液相线以下，形成的温度梯度大，因 此获得了较大的过冷度，致使凝固坯壳的生长速度 较快，当上回流中的小气泡到达窄边时还没上浮就 被快速生长的坯壳前沿所捕捉，加之 IF 钢钢种的 特点是易在弯月面附近产生凝固钩，凝固钩也会捕 捉上浮的气泡 [11]，因此导致在皮下 3 mm 左右位 置气泡数量较多. 图 3 气泡微观形貌. (a) 70 µm; (b) 110 µm; (c) 580 µm Fig.3 Microstructures of bubbles: (a) 70 µm; (b) 110 µm; (c) 580 µm 图 4 气泡扫描电镜能谱 Fig.4 SEM-EDS of bubbles 2.3 工艺参数的影响 2.3.1 拉速对气泡尺寸的影响 图 6 为不同拉速下气泡尺寸的分布规律. 从 图中反映出拉速较大时，气泡尺寸反而较小.Singh 等 [12] 通过物理模拟结晶器内吹气流场变化，同样 得出大拉速比小拉速形成的气泡尺寸更小，因为拉 速变大，钢液流股的湍流动能变大，吹入的气体受 到钢液流股湍流的作用也变大，从而导致小气泡生

.1598 北京科技大学学报 第35卷 成的也就越多 及12mm附近有聚集发生，当拉速变大时被捕捉 25 的气泡数量较少，但是在皮下12mm附近仍有聚 ·边部 集出现：在1/4位置处低拉速在皮下9mm附近出 20 一◆一中心 +1/4 现聚集，拉速变大时，3mm和12mm附近气泡发 16 生聚集，气泡数量较低拉速增多：低拉速下，窄边 气泡数量在皮下9mm之内较多，在9mm之后开 10 始减少，拉速变大时气泡在3mm及12mm附近有 聚集出现. 比较图7三个位置处气泡数量分布可知，在 1/4及边部，低拉速下，气泡数量在皮下3mm与 6912151821 9mm附近聚集，而高拉速下气泡聚集在3mm及 铸坯皮下距离/mm 12mm附近；在中心位置，低拉速下气泡在6mm 图5气泡数量分布 及12mm处聚集，高拉速时气泡在12mm处聚集. Fig.5 Number distribution of bubbles 据文献[12报道，拉速较大，结晶器内流股的冲击 深度变大，气泡随流股运动的深度也变大，因此造 2.3.2拉速对气泡数量的影响 成气泡聚集位置变深.但在1/4及边部，无论低拉 拉速与气泡数量的关系如图7所示.图7表明 速或高拉速均在皮下3mm有聚集，在后续轧制过 在铸坯中心位置，低拉速时气泡在铸坯皮下6mm 程中极容易暴露在表面，影响轧材表面质量 140 (a) (b) 120 100 o1.2 m-min 1.2 m-min 80 1.2 m-min 1.5 m-min 60 1.5 m-min 1.5 m-min 40 20 0 036912151821240369121518212403691215182124 铸坯皮下距离/mm 图6拉速对气泡尺寸分布的影响.(a)中心：(b)1/4:(c)边部 Fig.6 Effect of casting speed on the size distribution of bubbles:(a)center;(b)1/4 position;(c)narrow side 20中心 -o-1.2 m/min 2.3.3电磁制动对气泡尺寸的影响 -1.5 m/min 10 图8反应出在中心处气泡尺寸在电磁制动开时 0 较大，但是在1/4及边部气泡尺寸在电磁制动开时 20 L1/4 反而变小，Bai和Thomasl13提出气泡大小主要与液 10 体相对于气泡的横切速度和吹气量大小有关，因此 20 边部 分析电磁制动对气泡大小的影响需要分析结晶器流 场对气泡的影响.雷洪等4通过数值模拟计算得 10 出电磁制动开与关时气泡的分布情况，如图9所 0 912151821 24 示.从图中可以看出，有电磁制动时，气泡到达边 铸坯皮下位置/mm 部及1/4处数量减少，但是仍有少部分气泡到达窄 图7不同拉速下气泡个数随皮下距离分布 边.据文献[12]报道，气泡体积越小，受到流股冲 Fig.7 Distribution of bubbles in the slab thickness direction 击作用越大，越容易到达窄边.因此在有电磁制动 at different casting speeds

· 1598 · 北 京 科 技 大 学 学 报 第 35 卷 成的也就越多. 图 5 气泡数量分布 Fig.5 Number distribution of bubbles 2.3.2 拉速对气泡数量的影响 拉速与气泡数量的关系如图 7 所示. 图 7 表明 在铸坯中心位置，低拉速时气泡在铸坯皮下 6 mm 及 12 mm 附近有聚集发生，当拉速变大时被捕捉 的气泡数量较少，但是在皮下 12 mm 附近仍有聚 集出现；在 1/4 位置处低拉速在皮下 9 mm 附近出 现聚集，拉速变大时，3 mm 和 12 mm 附近气泡发 生聚集，气泡数量较低拉速增多；低拉速下，窄边 气泡数量在皮下 9 mm 之内较多，在 9 mm 之后开 始减少，拉速变大时气泡在 3 mm 及 12 mm 附近有 聚集出现. 比较图 7 三个位置处气泡数量分布可知，在 1/4 及边部，低拉速下，气泡数量在皮下 3 mm 与 9 mm 附近聚集，而高拉速下气泡聚集在 3 mm 及 12 mm 附近；在中心位置，低拉速下气泡在 6 mm 及 12 mm 处聚集，高拉速时气泡在 12 mm 处聚集. 据文献 [12] 报道，拉速较大，结晶器内流股的冲击 深度变大，气泡随流股运动的深度也变大，因此造 成气泡聚集位置变深. 但在 1/4 及边部，无论低拉 速或高拉速均在皮下 3 mm 有聚集，在后续轧制过 程中极容易暴露在表面，影响轧材表面质量. 图 6 拉速对气泡尺寸分布的影响. (a) 中心；(b) 1/4；(c) 边部 Fig.6 Effect of casting speed on the size distribution of bubbles: (a) center; (b) 1/4 position; (c) narrow side 图 7 不同拉速下气泡个数随皮下距离分布 Fig.7 Distribution of bubbles in the slab thickness direction at different casting speeds 2.3.3 电磁制动对气泡尺寸的影响 图 8 反应出在中心处气泡尺寸在电磁制动开时 较大，但是在 1/4 及边部气泡尺寸在电磁制动开时 反而变小.Bai 和 Thomas[13] 提出气泡大小主要与液 体相对于气泡的横切速度和吹气量大小有关，因此 分析电磁制动对气泡大小的影响需要分析结晶器流 场对气泡的影响. 雷洪等 [14] 通过数值模拟计算得 出电磁制动开与关时气泡的分布情况，如图 9 所 示. 从图中可以看出，有电磁制动时，气泡到达边 部及 1/4 处数量减少，但是仍有少部分气泡到达窄 边. 据文献 [12] 报道，气泡体积越小，受到流股冲 击作用越大，越容易到达窄边. 因此在有电磁制动

第12期 刘丙岗等：F钢铸还皮下小气泡分布 1599· 下，更多小体积气泡到达1/4处及边部，而较大的制动下，1/4处及边部气泡尺寸较小，而在中心位 气泡则在铸坯宽面中心附近上浮，故造成了在电磁 置气泡尺寸较大 140 (a) (b) (c) 120 电磁制动关 100 电磁制动开 电磁制动关 且80 A 电磁制动开松 电磁制动关 60 电磁制动开 40 20F 0 036912151821240369121518212403691215182124 铸坯皮下距离/mm 图8电磁制动对气泡尺寸分布的影响.(a)中心：(b)1/4处：(c)边部 Fig.8 Effect of electromagnetic braking on the size distribution of bubbles:(a)center:(b)1/4 position;(c)narrow side 呈减小的趋势，并且气泡数量在不同位置呈现出聚 集.由中心处的气泡分布可以看出：在前12mm气 泡数量随皮下距离的增加而增大并在12mm附近 达到最大值，施加磁场后气泡数量减少，在聚集处 12mm附近减少程度最大：由在1/4处的气泡分布 可以看出，未施加磁场，气泡分别在3mm附近及 12mm附近有聚集出现，开启电磁制动后，气泡聚 集处变为3mm及9mm附近，且聚集处气泡数量 有不同程度降低：在边部附近，3mm及9mm附近 有聚集，在电磁制动下聚集处附近的小气泡数量明 图9 结品器内气泡运动轨迹.(a)电磁制动关：(b)电磁制 显减少 动开 30中心 △一电磁制动关 ·一电磁制动开 Fig.9 Trajectories of bubbles in the mold:(a)electromag- 6 netic braking off;(b)electromagnetic braking on 教 301/4 结合图6和图8可以看出气泡尺寸沿铸坯宽 15 面方向中心、1/4及窄边呈无规律分布，但是随着 皮下距离的逐渐增加，气泡尺寸呈现越来越小的趋 0 三30边部 势.这是因为在结晶器中体积大的气泡所受浮力较 15 大，容易上浮至渣中，而气泡体积越小受钢液流股 冲击作用越大，在运动过程中易被流股冲击到结晶 6 91215182124 器下部区域，进入低温黏滞钢液区域中，未来得及 铸坯皮下距离/mm 上浮即被凝固坯壳所捕捉.徐海伦等回在结晶器水 图10电磁制动对气泡个数随皮下距离分布的影响 模拟中也观察到小气泡更容易被流股带到结晶器下 Fig.10 Distribution of bubbles in the slab thickness direc- 部区域，从而造成气泡不易上浮. tion with electromagnetic braking on or off 2.3.4电磁制动对气泡数量的影响 电磁制动与气泡数量的关系如图10所示.图 比较图10中三个位置可以得出，施加电磁制 10表明三个位置气泡数量都随着皮下距离的增大 动比未施加电磁制动气泡数量总体降低，且主要表

第 12 期 刘丙岗等：IF 钢铸坯皮下小气泡分布 1599 ·· 下，更多小体积气泡到达 1/4 处及边部，而较大的 气泡则在铸坯宽面中心附近上浮，故造成了在电磁 制动下，1/4 处及边部气泡尺寸较小，而在中心位 置气泡尺寸较大. 图 8 电磁制动对气泡尺寸分布的影响. (a) 中心；(b) 1/4 处；(c) 边部 Fig.8 Effect of electromagnetic braking on the size distribution of bubbles: (a) center; (b) 1/4 position; (c) narrow side 图 9 结晶器内气泡运动轨迹. (a) 电磁制动关；(b) 电磁制 动开 Fig.9 Trajectories of bubbles in the mold: (a) electromag￾netic braking off; (b) electromagnetic braking on 结合图 6 和图 8 可以看出气泡尺寸沿铸坯宽 面方向中心、1/4 及窄边呈无规律分布，但是随着 皮下距离的逐渐增加，气泡尺寸呈现越来越小的趋 势. 这是因为在结晶器中体积大的气泡所受浮力较 大，容易上浮至渣中，而气泡体积越小受钢液流股 冲击作用越大，在运动过程中易被流股冲击到结晶 器下部区域，进入低温黏滞钢液区域中，未来得及 上浮即被凝固坯壳所捕捉. 徐海伦等 [9] 在结晶器水 模拟中也观察到小气泡更容易被流股带到结晶器下 部区域，从而造成气泡不易上浮. 2.3.4 电磁制动对气泡数量的影响 电磁制动与气泡数量的关系如图 10 所示. 图 10 表明三个位置气泡数量都随着皮下距离的增大 呈减小的趋势，并且气泡数量在不同位置呈现出聚 集. 由中心处的气泡分布可以看出：在前 12 mm 气 泡数量随皮下距离的增加而增大并在 12 mm 附近 达到最大值，施加磁场后气泡数量减少，在聚集处 12 mm 附近减少程度最大；由在 1/4 处的气泡分布 可以看出，未施加磁场，气泡分别在 3 mm 附近及 12 mm 附近有聚集出现，开启电磁制动后，气泡聚 集处变为 3 mm 及 9 mm 附近，且聚集处气泡数量 有不同程度降低；在边部附近，3 mm 及 9 mm 附近 有聚集，在电磁制动下聚集处附近的小气泡数量明 显减少. 图 10 电磁制动对气泡个数随皮下距离分布的影响 Fig.10 Distribution of bubbles in the slab thickness direc￾tion with electromagnetic braking on or off 比较图 10 中三个位置可以得出，施加电磁制 动比未施加电磁制动气泡数量总体降低，且主要表

.1600 北京科技大学学报 第35卷 现在聚集位置处的气泡数量明显减少，其中窄边边 bubble in CC Billets.Steelmaking,1999,15(3):55 部位置的气泡聚集处个数最大减少40.5%，平均减 (范海旺，张保师.临钢连铸小方坯的气孔和气泡产生原因 少27.2%，这与电磁制动对结晶器流场作用密切相 分析及预防措施.炼钢，1999,15(3)：55) 关.在结晶器内运动的钢液从水口流出后受到外加 (6 Xu H L.Study on Behavior of Bubbles and Liquid 磁场的作用起到了阻碍钢液的流动，从而减小钢液 Slag Distribution in Mold for Slab Caster Dissertation]. 流股动能【)，导致流股冲击到窄边位置时冲击深 Chongqing:Chongqing University,2007 (徐海伦.板坯连铸结品器内气泡行为和液渣分布规律的研 度降低，最终使得流股对气泡的作用力减小，小气 究[学位论文].重庆：重庆大学，2007) 泡在未到达窄边时就已经上浮去除，从而被捕捉的 [7]Hoefele EO,Brimacombe J K.Flow regimes in submerged 气泡数量减少 gas injection.Metall Mater Trans B,1979,10:631 3结论 [8)Wang L H,Lee H G,Hayes P.A new approach to molten steel refining using fine gas bubbles.ISIJ Int,1996,36(1): (1)气泡直径小于0.1mm的气泡占气泡总数 17 的57%，0.10.5mm之间占42.5%，大于0.5mm [9]Xu HL,Wen G H,Tang P,et al.Parameter optimization 占0.5%，并且随着皮下距离的增加，被捕捉的气泡 of blowing argon in mold for slab caster.J Iron Steel Res, 尺寸越来越小，气泡数量边部比中心及1/4处要多 2008.20(3):13 50%左右，1/4位置最少 (徐海伦，文光华，唐萍，等.板坯连铸结品器内吹氩参数优 (2)低拉速变为高拉速会导致气泡尺寸变小， 化.钢铁研究学报，2008,20(3)：13) 在1/4及边部，气泡聚集位置由皮下9mm变为 [10 Ke Y.The production mechanism of pinhole in subsurface 皮下12mm附近，但是低拉速和高拉速均在皮下 of continuous casting slab.Res Iron Steel,1992(2):62 3mm位置处气泡数量最多. (柯岩.连铸板坯皮下针孔的生成机理.钢铁研究，1992(2)： 62) (③)电磁制动下，铸坯中心处气泡尺寸变 [11]Sengupta J,Shin H J,Thomas B G,et al.Micrograph 大，1/4及边部位置气泡变小，气泡数量总体降低， evidence of meniscus solidification and sub-surface mi- 且主要表现在聚集位置处的气泡数量明显减少，其 crostructure evolution in continuous-cast ultralow-carbon 中窄边位置的气泡聚集个数减少最大. steels.Acta Mater,2006,54(4):1165 [12 Singh V.Dash S K,Sunitha JS,et al.Experimental simu- 参考文献 lation and mathematical modeling of air bubble movement in slab caster mold.ISIJ Int,2006.46(2):210 [1]Zhang L F,Wang X H.Inclusions in continuous casting [13 Bai H,Thomas B G.Bubble formation during horizontal steel.Shandong Metall,2005,27(1):1 gas injection into downward flowing liquid.Metall Mater (张立峰，王新华.连铸钢中的夹杂物.山东冶金，2005， Trans B,2001,32(6):1143 27(1):1) [14]Lei H,Zhu M Y,He J C.Behavior of gas bubbles and non- [2]Tripathy P K,Das S,Jha M K,et al.Migration of slab metalllic inclusions in the continous casting mould under defects during hot rolling.Ironmaking Steelmaking,2006, electromagnetic brake.Iron Steel,2000,35(Suppl):422 33(6):477 (雷洪，朱苗勇，赫冀成。电磁制动结品器内气泡和非金属 [3]Mills K C.Recent advance in the research on nonmetal- 夹杂物的行为.钢铁，2000,35（增刊）：422) lic inclusion in steel //The Making,Shaping and Treating [15]Yue Q,Zhou L,Wang JJ.Coupled modeling of fluid flow, of Steel,11th Edition Casting Volume.Pittsburgh:The heat transfer and solidification of molten steel in a casting AISE Steel Foundation,2003:11514 mold with double horizontally stabilized electromagnetic (4]Yasunaka H,Yamanaka R,Inoue T,et al.Pinhole and brakes.Chin J Process Eng,2011,11(2):187 inclusion defects formed at the subsurface in ultra low (岳强，周俐，王建军。双条横稳电磁制动板坯结品器内 carbon steel.Tetsu-to-Hagane,1995,81(5):529 钢液流动与传热及凝固耦合的数值模拟.过程工程学报 (5]Fan H W,Zhang B S.Cause analysis on blowhole and 2011,11(2):187)

· 1600 · 北 京 科 技 大 学 学 报 第 35 卷 现在聚集位置处的气泡数量明显减少，其中窄边边 部位置的气泡聚集处个数最大减少 40.5%，平均减 少 27.2%，这与电磁制动对结晶器流场作用密切相 关. 在结晶器内运动的钢液从水口流出后受到外加 磁场的作用起到了阻碍钢液的流动，从而减小钢液 流股动能 [15]，导致流股冲击到窄边位置时冲击深 度降低，最终使得流股对气泡的作用力减小，小气 泡在未到达窄边时就已经上浮去除，从而被捕捉的 气泡数量减少. 3 结论 (1) 气泡直径小于 0.1 mm 的气泡占气泡总数 的 57%，0.1∼0.5 mm 之间占 42.5%，大于 0.5 mm 占 0.5%，并且随着皮下距离的增加，被捕捉的气泡 尺寸越来越小，气泡数量边部比中心及 1/4 处要多 50%左右，1/4 位置最少. (2) 低拉速变为高拉速会导致气泡尺寸变小， 在 1/4 及边部，气泡聚集位置由皮下 9 mm 变为 皮下 12 mm 附近，但是低拉速和高拉速均在皮下 3 mm 位置处气泡数量最多. (3) 电磁制动下， 铸坯中心处气泡尺寸变 大，1/4 及边部位置气泡变小，气泡数量总体降低， 且主要表现在聚集位置处的气泡数量明显减少，其 中窄边位置的气泡聚集个数减少最大. 参 考 文 献 [1] Zhang L F, Wang X H. Inclusions in continuous casting steel. Shandong Metall, 2005, 27(1): 1 (张立峰, 王新华. 连铸钢中的夹杂物. 山东冶金,2005, 27(1): 1) [2] Tripathy P K, Das S, Jha M K, et al. Migration of slab defects during hot rolling. Ironmaking Steelmaking, 2006, 33(6): 477 [3] Mills K C. Recent advance in the research on nonmetal￾lic inclusion in steel //The Making, Shaping and Treating of Steel, 11th Edition Casting Volume. Pittsburgh: The AISE Steel Foundation, 2003: 11514 [4] Yasunaka H, Yamanaka R, Inoue T, et al. Pinhole and inclusion defects formed at the subsurface in ultra low carbon steel. Tetsu-to-Hagane, 1995, 81(5): 529 [5] Fan H W, Zhang B S. Cause analysis on blowhole and bubble in CC Billets. Steelmaking, 1999, 15(3): 55 (范海旺, 张保师. 临钢连铸小方坯的气孔和气泡产生原因 分析及预防措施. 炼钢, 1999, 15(3): 55) [6] Xu H L. Study on Behavior of Bubbles and Liquid Slag Distribution in Mold for Slab Caster [Dissertation]. Chongqing: Chongqing University, 2007 (徐海伦. 板坯连铸结晶器内气泡行为和液渣分布规律的研 究 [学位论文]. 重庆: 重庆大学, 2007) [7] Hoefele E O, Brimacombe J K. Flow regimes in submerged gas injection. Metall Mater Trans B, 1979, 10: 631 [8] Wang L H, Lee H G, Hayes P. A new approach to molten steel refining using fine gas bubbles. ISIJ Int, 1996, 36(1): 17 [9] Xu H L, Wen G H, Tang P, et al. Parameter optimization of blowing argon in mold for slab caster. J Iron Steel Res, 2008, 20(3): 13 (徐海伦, 文光华, 唐萍, 等. 板坯连铸结晶器内吹氩参数优 化. 钢铁研究学报, 2008, 20(3): 13) [10] Ke Y. The production mechanism of pinhole in subsurface of continuous casting slab. Res Iron Steel, 1992(2): 62 (柯岩. 连铸板坯皮下针孔的生成机理. 钢铁研究, 1992(2): 62) [11] Sengupta J, Shin H J, Thomas B G, et al. Micrograph evidence of meniscus solidification and sub-surface mi￾crostructure evolution in continuous-cast ultralow-carbon steels. Acta Mater, 2006, 54(4): 1165 [12] Singh V, Dash S K, Sunitha J S, et al. Experimental simu￾lation and mathematical modeling of air bubble movement in slab caster mold. ISIJ Int, 2006, 46(2): 210 [13] Bai H, Thomas B G. Bubble formation during horizontal gas injection into downward flowing liquid. Metall Mater Trans B, 2001, 32(6): 1143 [14] Lei H, Zhu M Y, He J C. Behavior of gas bubbles and non￾metalllic inclusions in the continous casting mould under electromagnetic brake. Iron Steel, 2000, 35(Suppl): 422 (雷洪, 朱苗勇, 赫冀成. 电磁制动结晶器内气泡和非金属 夹杂物的行为. 钢铁, 2000, 35(增刊): 422) [15] Yue Q, Zhou L, Wang J J. Coupled modeling of fluid flow, heat transfer and solidification of molten steel in a casting mold with double horizontally stabilized electromagnetic brakes. Chin J Process Eng, 2011, 11(2): 187 (岳强, 周俐, 王建军. 双条横稳电磁制动板坯结晶器内 钢液流动与传热及凝固耦合的数值模拟. 过程工程学报, 2011, 11(2): 187)