電磁攪拌技術(shù)在連鑄中的應(yīng)用

1、電磁攪拌技術(shù)在連鑄中的應(yīng)用近年來，連鑄坯的質(zhì)量越來越受到重視，因而圍繞提高連鑄坯質(zhì)量的研究工 作也取得了很大的進(jìn)展。電磁攪拌技術(shù)是電磁流體力學(xué)在鋼鐵工業(yè)中最成功的應(yīng) 用之一。通過定量認(rèn)識(shí)電磁場在多層介質(zhì)中的傳遞，控制連鑄過程中鋼水的流動(dòng)、 傳熱和凝固，進(jìn)而降低鋼水的過熱度、去除夾雜從而擴(kuò)大等軸品區(qū)，減少成分偏 析，減輕中心疏松和中心縮孔。幾十年來，國內(nèi)外學(xué)者對(duì)電磁攪拌技術(shù)進(jìn)行了大 量的理論及實(shí)驗(yàn)研究，并應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)。電磁攪拌技術(shù)已經(jīng)成為連鑄過程中改 善鑄坯質(zhì)量的最重要和最有效的手段之一。1國內(nèi)外電磁攪拌技術(shù)的發(fā)展概況磁流體力學(xué)是電磁學(xué)，流體力學(xué)以及熱力學(xué)相互交叉的學(xué)科，簡稱 MHD(magn

2、etohydrodynamics)，主要研究電磁場作用下，導(dǎo)電金屬流體的運(yùn)動(dòng)規(guī) 律。在磁場里，導(dǎo)體的運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生電動(dòng)勢，從而產(chǎn)生感應(yīng)電流，導(dǎo)體本身也產(chǎn)生磁 場。液態(tài)金屬作為載流導(dǎo)體，在外加磁場的作用下產(chǎn)生了電磁力，這種電磁力的 作用促使載流液體流動(dòng)，同時(shí)伴隨著三種基本的物理現(xiàn)象一一電磁熱，電磁攪拌， 電磁壓力。這三種現(xiàn)象在材料的冶煉、成形、凝固等工藝中已廣泛應(yīng)用。連鑄鋼液電磁攪拌技術(shù)已經(jīng)歷幾十年的試驗(yàn)研究和發(fā)展的過程。早在上世紀(jì) 50年代，就由在德國Schorndorf和Huckingen半工業(yè)連鑄機(jī)上。進(jìn)行了首例連 續(xù)鑄鋼電磁攪拌的試驗(yàn)。60年代，在奧地利Kapfenberg廠的Boehler連

3、鑄機(jī)上 用于澆鑄合金鋼。60年代末一些工作者還進(jìn)行了結(jié)品器電磁攪拌和二冷區(qū)電磁 攪拌的實(shí)驗(yàn)。1973年法國的一家工廠率先在其連鑄機(jī)上安裝了電磁攪拌器并投 入工業(yè)應(yīng)用，從而奠定了連鑄電磁攪拌技術(shù)工業(yè)應(yīng)用的基礎(chǔ)。1977年，法國的 Rotelec公司開發(fā)了小方坯和大方坯結(jié)品器電磁攪拌器并以 Magnetogyr-Process 注冊(cè)商標(biāo)，將其商品化。1979年，法國鋼研院又在德國Dunkirk廠板坯連鑄機(jī)上 采用了線性攪拌技術(shù)，取得良好效果。進(jìn)入80年代后，電磁攪拌技術(shù)發(fā)展更快， 特別是日本，發(fā)展更為迅速。在神戶鋼鐵公司的加古川廠，開發(fā)應(yīng)用了線性馬達(dá) 型電磁攪拌器來控制結(jié)品器內(nèi)鋼水流動(dòng)的工藝。日本

4、住友金屬工業(yè)公司也相繼提 出并采用了靜磁場通電型電磁攪拌技術(shù)，用作板坯二冷區(qū)的電磁攪拌。日本川崎 公司也和瑞典ASEA公司共同開發(fā)了新的攪拌技術(shù)，并在川崎公司水島鋼鐵廠 的5號(hào)板坯連鑄機(jī)上進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)，收到了良好的冶金效果。國內(nèi)連鑄電磁攪拌技術(shù)的應(yīng)用比國外相對(duì)較晚。自1986年武鋼公司從聯(lián)邦 德國引進(jìn)ORC. 1600型電磁攪拌裝置(EMS)安裝在二煉鋼三號(hào)鑄機(jī)的二冷段， 用于改善連鑄板坯的宏觀組織，增加等軸品率，減少鑄坯中心偏析疏松及鑄坯內(nèi) 裂等缺陷，以期實(shí)現(xiàn)改善鋼坯質(zhì)量，擴(kuò)大澆鑄品種的目的才開始了我國電磁攪拌 技術(shù)的工業(yè)應(yīng)用。最初只在少數(shù)鋼鐵廠采用電磁攪拌技術(shù)如：重慶三廠、洛鋼、 漣源鋼廠、

5、天津二鋼、成都無縫鋼管廠及首鋼試驗(yàn)廠進(jìn)行了電磁攪拌的工業(yè)性試 驗(yàn)，主要應(yīng)用在二冷區(qū)。到了 80年代后期，電磁攪拌技術(shù)受到高度重視，并被列為國家重點(diǎn)科技攻 關(guān)項(xiàng)目，使得國內(nèi)的電磁攪拌技術(shù)有了重大突破和發(fā)展。到1995年底，我國許 多連鑄機(jī)上采用了這項(xiàng)技術(shù)，但是大多為國外引進(jìn)，僅重慶特鋼、長城特鋼、大 冶特鋼、武鋼、寶鋼、首鋼、成都無縫及漣源鋼廠等采用了少量國產(chǎn)電磁攪拌裝 置。直到1996年5月，武鋼首次在大型厚板連鑄機(jī)上成功的采用了國內(nèi)自行研 制的二冷區(qū)電磁攪拌成套裝置。到目前為止，電磁攪拌技術(shù)已基本實(shí)現(xiàn)國產(chǎn)化。 許多科研機(jī)構(gòu)和高等學(xué)校也依據(jù)自身特點(diǎn)在電磁攪拌的基礎(chǔ)理論和應(yīng)用等方面 進(jìn)行了大量的

6、研究工作，如鋼鐵研究總院、寶鋼、中科院力學(xué)所、東北大學(xué)、北 京科技大學(xué)等。但是由于國內(nèi)的研究起步較晚，對(duì)電磁攪拌的基礎(chǔ)理論和應(yīng)用研 究還不夠充分，仍需要作更深入的研究。隨著人們對(duì)電磁攪拌技術(shù)研究的深入，電磁攪拌技術(shù)的應(yīng)用將越來越廣泛， 其發(fā)展趨勢可概括為以下幾點(diǎn)：（1）組合式電磁攪拌方法的進(jìn)一步發(fā)展及參數(shù)的 確定控制；（2）數(shù)值模擬仍然是發(fā)展電磁攪拌技術(shù)的強(qiáng)有力的工具，在這方面需 要適應(yīng)性較廣的、更為精確的數(shù)學(xué)模型，因此磁流體動(dòng)力學(xué)的研究將會(huì)具有更重 要的地位；（3）隨著電磁攪拌所應(yīng)用的合金種類的日益廣泛及電磁攪拌凝固理論 的發(fā)展，也將為金屬凝固基礎(chǔ)理論的研究開辟一個(gè)嶄新的局面。2連鑄電磁攪拌

7、技術(shù)的工作原理電磁攪拌通過電磁感應(yīng)產(chǎn)生的電磁力使液態(tài)金屬產(chǎn)生流動(dòng)，增大其對(duì)流和熱 交換，導(dǎo)致凝固前沿的溫度梯度減小。柱狀品生長受到抑制，并能使先期生長的 柱狀品破碎，與鋼液混合在一起，成為后期等軸品凝固的核心，從而促進(jìn)了等軸 品的生長。電磁攪拌按工作磁場形式大致上可分為兩種：旋轉(zhuǎn)磁場式電磁攪拌和直線移 動(dòng)磁場式電磁攪拌（又叫線性攪拌），前者一般用于小方坯和大方坯連鑄等過程， 而后者主要用于板坯連鑄。旋轉(zhuǎn)磁場式電磁攪拌的工作原理類似于交流電動(dòng)機(jī)。 通三相交流電（有時(shí)采用兩相供電），在磁極問產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場，旋轉(zhuǎn)磁場在鑄坯鋼 液內(nèi)產(chǎn)生感應(yīng)電流，進(jìn)而在鋼液內(nèi)產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)力矩，使鋼液產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。線性電磁攪拌

8、其工作方式與直線電動(dòng)機(jī)類似。即定子鐵芯上的繞組通交流 電，在磁極間激發(fā)行波磁場，行波磁場在鑄坯鋼液內(nèi)產(chǎn)生感應(yīng)電流，從而在鑄坯 內(nèi)產(chǎn)生電磁力矩，形成線性攪拌。一般地，線性電磁攪拌的行波磁場方向平行于 鑄坯的寬面方向。3連鑄電磁攪拌技術(shù)的類型磁攪拌按安裝位置進(jìn)行分類，可以分為：結(jié)品器電磁攪拌、二冷區(qū)電磁攪拌、凝固末端電磁攪拌。結(jié)品器電磁攪拌安裝在結(jié)品器水套內(nèi)部或外部（內(nèi)置式或外置式結(jié)品器電磁 攪拌器），其作用效果是：允許鑄機(jī)提高拉坯速度，改善鑄坯表面質(zhì)量，清潔凝 固殼表層氣泡和夾雜，有利于降低鋼水的過熱度，提高鋼水純凈度，改善鑄坯內(nèi) 部組織結(jié)構(gòu)，增加等軸品率等。二冷區(qū)電磁攪拌，這種形式的攪拌器安裝

9、在二冷區(qū)。主要效果是：消除柱狀 枝品間的搭橋，減輕或消除中心疏松和中心縮孔，擴(kuò)大等軸品區(qū)，減輕中心偏析 和內(nèi)弧夾雜物的集聚。目前的生產(chǎn)實(shí)踐和研究表明，只有將二冷區(qū)攪拌與凝固末 端攪拌結(jié)合起來，才能實(shí)現(xiàn)最佳效果。凝固末端電磁攪拌，這種形式是攪拌器安裝在鋼液凝固末端（糊狀區(qū)）。此時(shí)， 鋼水成糊狀，凝固殼較厚，一般采用低頻電源。其主要效果是：降低中心偏析， 減輕或消除中心疏松和中心縮孔等。一般地講，在結(jié)品器處或其附近攪拌鋼液時(shí)，能獲得表面質(zhì)量好的鑄坯；但 若要改善鑄坯的內(nèi)部質(zhì)量，就必須在二冷區(qū)設(shè)置電磁攪拌器。此外，還應(yīng)確定在 多大范圍內(nèi)攪拌鋼液，然后才研究任何具體設(shè)置攪拌器結(jié)構(gòu)。如果要保證鑄坯的 表

10、面質(zhì)量和內(nèi)部質(zhì)量都良好，并且避免白亮帶形成，就要求在結(jié)品器處、二冷區(qū) 甚至在凝固終點(diǎn)處均安裝電磁攪拌器，即實(shí)行所謂多段攪拌或聯(lián)合攪拌。結(jié)晶器電磁攪律（MEMS）二冷區(qū)電磁攪拌（SEMS）固定末瑞電磁攪拌（FEMS）圖1連鑄電磁攪拌示意圖4連鑄電磁攪拌的冶金效果（1）增加等軸品區(qū)改善鑄坯的機(jī)械性能等軸品與柱狀品相比，等軸品的晶粒在長大時(shí)彼此交叉，枝權(quán)間搭接牢固， 裂紋不易擴(kuò)展，各晶粒的取項(xiàng)各不相同，沒有方向性，避免了小鋼錠凝固組織的 形成，得到致密的鋼坯組織。另外，由于柱狀品在加熱時(shí)表現(xiàn)為各向異性，等軸 品表現(xiàn)為各向同性，近年來的研究發(fā)現(xiàn)晶界對(duì)材料的性能有著很大的影響，在晶 界處存在的偏析和非金

11、屬夾雜物往往是產(chǎn)生斷裂的根源。因此應(yīng)減少柱狀品，增 大等軸品率，以提高鑄坯的機(jī)械加工性能，可使鋼的抗拉強(qiáng)度得到提高。但對(duì)塑 性的影響卻是品粒細(xì)化和二次臂間距增大兩方面共同作用的結(jié)果。當(dāng)電磁攪拌強(qiáng) 度作用在一定范圍內(nèi)時(shí)，由于相界變得圓滑，減低應(yīng)力集中程度可使塑性提高。 鑄坯中影響等軸品比率的因素有：鋼液的澆注溫度、澆注速度、鋼錠的冷卻能力 及融化溫度。實(shí)質(zhì)是取決于液相穴內(nèi)的溫度梯度和形核率。電磁攪拌降低了溫度 梯度，提高了形核率，因此提高了等軸品率。減少非金屬夾雜物的皮下聚集改善鑄坯的表面及皮下質(zhì)量由于熔鋼流動(dòng)對(duì)凝固前沿的沖刷和洗滌作用，有效的防止了凝固組織中氣孔 的出現(xiàn)和初凝殼A12O3等非金

12、屬夾雜物的捕捉，使鑄坯表層10mm以內(nèi)的夾雜物 含量大幅度降低。另外，鋼液的流動(dòng)也可以使非金屬夾雜物容易上浮到彎月面而 從皮下去除，減少精整量，改善了鑄坯的表面及皮下質(zhì)量。攪拌過程中使鋼液裸 露，不僅提高其收得率，也利于快速真空脫氣。電磁攪拌在排除鋼液非金屬夾雜 物方面，有其他攪拌根本無法替代的獨(dú)特功能；電磁場能對(duì)導(dǎo)電流體(鋼液)中的 不導(dǎo)電物質(zhì)(非金屬夾雜物)產(chǎn)生擠壓力而使其分離，可加快夾雜物的上浮速度， 這一功能對(duì)生產(chǎn)潔凈鋼有著十分重要的意義。電磁攪拌是生產(chǎn)潔凈鋼理想的攪拌 方式。圖2 M-EMS的冶金機(jī)理和效果示意圖降低中心偏析改善宏觀偏析提高鑄坯內(nèi)部質(zhì)量嚴(yán)重的中心偏析對(duì)材質(zhì)有顯著的影響

13、，在軋鋼時(shí)易產(chǎn)生夾層，降低鋼的機(jī)械 性能。中心偏析形成機(jī)理有以下幾種：(a)小鋼錠凝固理論認(rèn)為，當(dāng)澆注碳的質(zhì) 量分?jǐn)?shù)超過0.45%的鋼時(shí)，即使是中等過熱度的鋼液也有柱狀品強(qiáng)烈增長的趨 勢，易形成枝品“搭橋”和“小鋼錠”結(jié)構(gòu)而產(chǎn)生中心疏松和中心偏析；(b)溶 質(zhì)元素析出與富集理論認(rèn)為，鑄坯從外表面到中心結(jié)品過程中，由于鋼中一些溶 質(zhì)元素(如碳、錳、硼、硫、磷)，在固液邊界上溶解并平衡移動(dòng)，從柱狀晶析出 的溶質(zhì)元素排到尚未凝固的金屬液中，隨結(jié)品的繼續(xù)進(jìn)行，把富集的溶質(zhì)推向最 后凝固中心，即產(chǎn)生鑄坯的中心偏析；(c)鑄坯芯部空穴抽吸理論認(rèn)為，鑄坯在 結(jié)品末期，由于液相向固相的轉(zhuǎn)變，伴隨著體積收縮或因

14、鑄坯鼓肚而產(chǎn)生一定的 空穴，使得富集了溶質(zhì)元素的鋼液被吸入芯部，造成中心偏析。等軸品率是影響 中心偏析的一個(gè)重要因素，電磁攪拌的作用降低了鋼液的溫度梯度，提高了等軸 品的比率，同時(shí)攪拌使液相穴內(nèi)的溶質(zhì)分布更加均勻，中心偏析會(huì)大大改善。5連鑄中應(yīng)用電磁攪拌技術(shù)時(shí)面臨的問題電磁攪拌過程中的連鑄工藝參數(shù)未進(jìn)行合理的優(yōu)化：鋼液流速是控制鑄 坯質(zhì)量的重要參數(shù)，而配合電磁攪拌工藝的連鑄工藝參數(shù)的確定也直接影響到電 磁攪拌效果，如二冷配水制度等。電磁攪拌器的結(jié)構(gòu)布置和電磁攪拌參數(shù)未進(jìn)行充分的優(yōu)化：由于電磁攪 拌器內(nèi)有效電磁攪拌力的大小取決于磁感應(yīng)強(qiáng)度的分布情況。而電磁攪拌器的磁 軛布置，線圈的繞線方式都會(huì)影

15、響到電磁攪拌器內(nèi)的磁場分布。對(duì)饋電頻率，饋 電電流強(qiáng)度進(jìn)行優(yōu)化可以有效的提高電磁攪拌效果。功率問題：由于連鑄電磁攪拌器采用低頻率高強(qiáng)度的三相交流電流饋電， 饋電線圈上的電能損失和攪拌器內(nèi)由于感應(yīng)渦電流而造成的鐵磁損耗嚴(yán)重。強(qiáng)迫 鋼水運(yùn)動(dòng)的能量源是電能轉(zhuǎn)化的磁場能，磁場范圍中如果有導(dǎo)電材料，將不同程 度地形成磁屏蔽，造成由電能轉(zhuǎn)化成的有效攪拌磁場能效率大大降低，所以需要 對(duì)電磁攪拌器內(nèi)的鐵損進(jìn)行分析。另外，由于電磁攪拌器工藝復(fù)雜，安裝不配套， 氣隙大，電磁攪拌器內(nèi)的磁漏嚴(yán)重，電磁場衰減嚴(yán)重。攪拌器的冷卻問題：電磁攪拌線圈下作時(shí)，將產(chǎn)生很大的電流，會(huì)引起 線圈發(fā)熱，若沒有保護(hù)措施，必然將線圈燒壞。

16、一般都是給線圈通水冷卻的方式， 可以將線圈浸漆絕緣后，浸入循環(huán)冷卻水中，但這種方式線圈的使用壽命短，一 般最多使用兩年。線圈采用中空銅管繞制而成，中間通循環(huán)冷卻水冷卻，但這種 方式對(duì)冷卻水的水質(zhì)要求較高，必須采用水處理技術(shù)保證在線圈中循環(huán)流動(dòng)的水 不全結(jié)垢。還要考慮生產(chǎn)凈水不合理配水引起熱交換器的冷卻水量不足等問題。6影響連鑄電磁攪拌效果的因素及發(fā)展方向電磁攪拌系統(tǒng)的選擇決定于電磁攪拌效果的影響因素。一般來說，在連鑄機(jī) 不同的位置采用不同類型的攪拌器，對(duì)改善鑄坯質(zhì)量都會(huì)有不同的效果。在實(shí)際 應(yīng)用中各種電磁攪拌方式都存在最佳冶金效果的問題。影響電磁攪拌效果的主要 因素：（1）鋼種：不同的鋼種為達(dá)

17、到理想的攪拌效果，最佳攪拌強(qiáng)度往往不同。比如，合金鋼含有較多的合金元素。為得到相同的攪拌鋼水流速，攪拌不銹鋼的 磁感強(qiáng)度比碳鋼要高一些；不銹鋼的柱狀品比碳鋼發(fā)達(dá)，折斷不銹鋼的枝品就需 要較大的電磁力。（2）產(chǎn)品質(zhì)量：應(yīng)根據(jù)產(chǎn)品質(zhì)量確定電磁攪拌要解決的連鑄坯 主要缺陷類型。如中厚板主要是中心疏松、偏析；薄板主要是皮下氣孔和夾雜物。 （3）鑄坯斷面：鑄坯斷面大小決定了拉速和液相穴長度。因而就影響到攪拌器安 裝位置。（4）攪拌方式：根據(jù)產(chǎn)品質(zhì)量，以確定攪拌器安裝位置，是單一攪拌方 式還是組合攪拌方式。（5）攪拌器參數(shù)：應(yīng)根據(jù)鋼種和工藝參數(shù)（如鋼水過熱度、 拉速）來確定攪拌器形式、電流強(qiáng)度、電流頻率、

18、運(yùn)行方式等。隨著對(duì)電磁攪拌技術(shù)研究的不斷深入，該技術(shù)的應(yīng)用將越來越廣泛。電磁攪 拌技術(shù)的發(fā)展趨勢可以概括為以下幾個(gè)方面：（1）組合式電磁攪拌將得到進(jìn)一步 發(fā)展，可能逐步取代單一位置的電磁攪拌方法，能夠更好的改進(jìn)鑄坯質(zhì)量和減少 中心偏析。（2）隨著計(jì)算機(jī)科學(xué)的飛速發(fā)展，數(shù)值模擬成為研究電磁攪拌技術(shù)的 強(qiáng)有力工具。利用軟件對(duì)電磁攪拌過程進(jìn)行數(shù)值模擬，可以優(yōu)化電磁感應(yīng)的相關(guān) 參數(shù)和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，為實(shí)際生產(chǎn)提供依據(jù)。（3）進(jìn)一步擴(kuò)大電磁攪拌技術(shù)的應(yīng)用范 圍，應(yīng)用于板坯、方坯、圓坯連鑄，將來該技術(shù)甚至在有色金屬領(lǐng)域也會(huì)有廣泛 的應(yīng)用。（4）隨著電磁攪拌所應(yīng)用的合金種類日益廣泛及電磁攪拌凝固理論的發(fā) 展，也將為金屬凝固基礎(chǔ)理論的研究開辟一個(gè)嶄新的局面。參考文獻(xiàn)李建超，崔建忠，王寶峰，等.大方坯連鑄二冷區(qū)電磁攪拌的數(shù)值模擬和實(shí) 驗(yàn)分析J.金屬熱處理，2007，32（8）： 69-71.李建超，王寶峰，董方，等.電磁場相位對(duì)小方坯結(jié)品器電磁攪拌效果的影 響J .連鑄，2007（1）：