连铸电磁搅拌研究

环形式
电磁搅拌的工作原理
1. 根据电磁感应定律，闭合回路内的磁通量发生变化时， 闭合回路将产生感应电动势。 电磁搅拌器产生的交变电磁场 (B) ，在围绕导电的金属 熔体变化时，磁场和金属液间产生相对运动，使导电回 路内的磁通量发生变化。 由于磁场以一定的速度 (V) 切割处于交变磁场之中的金 属熔体，使其内部产生感应电流(I)：I= （V B） 2. 该电流与磁场相互作用产生电磁力(F)： F= I B 电磁力作用在金属熔体上，从而驱动金属熔体运动。
电磁搅拌液态金属运动速度分布 机械搅拌液态金属运动速度分布
搅拌速度，rad/min
离液态金属中心的距离，x/mm
搅拌速度，rad/min 离液态金属中心的距离，x/mm
电磁搅拌的工作原理
一、MEMS作用下结晶器内的流场：
2）施加旋转磁场后，在以搅拌器 为中心对称的一段区域内形成 一强烈的环形流场 — 主流场； 旋转钢液碰到结晶器壁或初始 凝固坯壳后，形成上下两股分 流，即二次流场； 搅拌作用越强，影响区域越大 。向上流场可到达弯月面，向 下流场可以直达结晶器出口； 影响区域大小取决于钢液的搅 拌速度。 1）无EMS时，由于重力作用，水口出流钢液快速向下，冲击 结晶器壁，形成上返流和向下的主流；
更接近电磁搅拌器的真实性能；
更直观地判断电磁搅拌器的工作能力，即搅拌效果。 另外，可以把搅拌速度作为搅拌工艺参数调整的依据。
电磁搅拌的设计与要求
电磁搅拌的工作原理
柱状晶形成的影响因素
1）钢种（碳含量）：凝固两相糊状区大小；透磁效果等 2）过热度 3）拉速 4）断面尺寸
电磁搅拌抑制柱状晶生长的作用
1）金属熔体流动的机械力，抑制柱状晶生长 2）钢液中的碎片，对柱状晶产生剪切行为 3）过热钢水使柱状晶重熔，或部分重熔而更易于破碎， 乃至被钢流卷走 4）由于过热的加速耗散，大量细小晶粒快速生长，抑制 柱状晶发展
Dual-MEMS：由两个搅拌器（弯月面附近，结晶器下部）； 两线圈单独供电，产生各自的频率、磁场和旋转方向。 ASSIST 方式： 增加弯月面区域的搅拌流动； Brake方式： 减少弯月面区域的搅拌流速，甚至流速为零。 1）减少和消除铸坯表面修复； 2） 减少SEN的侵蚀，增加连续 浇铸时间； 2）在不产生坯壳漏钢和/或内部 质量缺陷的情况下提高拉速 ； — 提供灵活的工作方式，改善 铸机生产率。
电磁搅拌的结构与工作原理
双线圈结晶器电磁搅拌(Dual-MEMS)：
结晶器电磁搅拌的负面作用：强搅拌使弯月面卷渣，反而 影响铸坯表面质量。
同时，强烈的旋转搅拌对水口产生严重的侵蚀作用，会增
大夹杂物的几率，也影响连铸的作业率。 为此，一些公司致力于“双线圈电磁搅拌器的开发。
电磁搅拌的结构与工作原理
用心铸造世界 电磁搅拌的结构与工作原理
三、凝固末端电磁搅拌：FEMS的主要目的是改善芯部质量即 中心偏析、缩孔和疏松；以及确保具有等轴晶的无缺陷芯部。 要有足够大的搅拌强度能使粥状区内高粘度的钢水能旋转起 来，使凝固面前沿钢水流速达到U=0.1~0.2m/s； 实施交替搅拌 FEMS的安装位置 原则上，FEMS的安装位置在液芯 占坯厚的20~30%或凝固率为 70~80%； 碳含量高趋向下限，碳含量低 趋向上限； 铸坯断面大趋向下限，铸坯断 面小趋向上限。
电磁搅拌的工作原理
初生枝晶 枝晶臂碎片
电磁搅拌引起的熔体强烈流 动可以打断或弯曲枝晶臂。
部分枝晶碎片将作为金属液 凝固时的额外晶核；另一部 枝晶重熔 分富溶质枝晶碎片将被液流 带到远离枝晶的液穴中重熔 ，更多形核基底的出现和枝 晶碎片重熔带来的温度均匀 电磁力引起的紊流流动 化将促进更多等轴晶的形成 ，从而实现提高铸坯等轴晶 新形核基底 率、减少中心偏析、中心疏 松和缩孔、改善铸坯凝固组 凝固前沿电磁搅拌细化晶粒示意图 织的目的。
电磁搅拌的工作原理（旋转电磁搅拌）
电磁搅拌器的结构
圆环形轭铁上嵌有六个凸极 铜扁线绕制（外冷） 每个凸极上套一个O形绕组 冷却不均匀且有死角； 冷却水量大；冷却 效果差；制作较简单；体积较小；成本较 低；使用寿命较短
凸极式
一圈环形轭铁；铜管绕制（内冷） 12个绕组全部套在轭铁上（克兰姆绕组） 冷却均匀无死角；冷却水量小；冷却效果 好；制作较复杂；体积稍大；成本较高； 寿命较长 1）有效作用长度长；2）电磁力矩和能效大 3）使用寿命长得多（一倍以上）
电磁搅拌的设计与要求
各种因素对最佳频率（电磁力）的影响
对应电磁力最大的频率成为最佳频率。电磁力与感应器表面磁感应强 度的切向分量幅值B0成正比。所以，各种因素对电磁力的影响归结为 最佳频率的选择。 1) 铸坯厚度的影响：坯厚度薄，电磁力大，最佳频率也大；当坯厚度 减小到一定程度时，最大电磁力与工频的相当，最佳频率也接近工 频。用工频电源，简化设备，节省投资。 2) 钢水导电率： 当低频时，导电率高，电磁力大；当频率超过某一值 ，电磁力变小。因为，磁场渗透深度与导电率和频率的乘积的平方 根成反比，即频率越高，导电率越大，磁场渗透深度越小。 3) 液芯的影响：液芯越大，坯壳薄，磁场衰减越小，电磁力越大。总 体讲，液芯的影响不大。在不同的搅拌位置或冷却制度，只需要调 整搅拌强度。 4) 极距的影响：行波磁场速度与极距成正比，而电磁力又近似地与行 波磁场速度成正比。因此，极距越大，电磁力越大。但是，频率高 时，大极距的电磁力衰减也快。
电磁搅拌的工作原理
1. 电磁搅拌的机械效应
1) 可以促进壁面处结晶的形成和游离，增加晶核数量； 2) 当搅拌强度较小时（层流），树枝晶会迎着流动方向倾斜 3) 在较强的电磁搅拌作用下，钢液冲刷速度加大，凝固前沿 不光滑，强制对流流动呈紊流状态，树枝晶受到很大抑制 ；一部分不仅可以切断及熔蚀柱状晶的晶臂，形成大量的 枝晶碎片充当等轴晶的晶核，使晶粒成倍增长，从而有利 于凝固组织中晶粒的细化。另一部分在糊状区，形成灌木 丛状。
电磁搅拌的设计与要求
电磁搅拌工艺的制定
选择最佳的搅拌参数 :
1) 以磁感应强度为依据的：岩田齐认为115mm方坯的中心磁感 应强度达到0.03T时，铸坯液心已可激烈搅动，在0.005T以下 则不起作用。在断面为190×1800mm板坯的中心磁感应强度 达到0.08T，坯内通过电流为4000 ~ 7000A时，可得到良好的 搅拌效果 2) 以电磁力为依据的：有人认为大于1000N/m3效果显著。还有 人提出电磁力在600N/m3已有效果。 3) 以搅拌引起的钢液流动速度来判断的：新日铁认为钢液搅动 的流速达 0.1m/s 时，可得到较高的等轴晶比率。川崎制铁提 出 对 于 中 碳 钢 和 高 碳 钢 ， 其 流 动 速 度 分 别 达 到 0.15m/s 和 0.2m/s 时，铸坯内等轴晶可达到饱和。日本的学者还认为， 白亮带的出现与钢液流速的数值大小有关。当钢液流速达到 0.2~0.3m/s时，白亮带开始出现。
电磁搅拌的结构与工作原理
二、二冷区电磁搅拌SEMS 冶金效果：
1）消除柱状晶搭桥： 2）提高等轴晶比率： 3）减少中心偏析： 4）减少中心缩孔和疏松： 5）减少内裂
工艺优点：
1）放宽过热度： 2）提高拉速： 3）减少压缩比： 适用钢种： 厚板钢；普钢；不锈钢； 高合金钢
与旋转型搅拌相比，线性搅拌 的特点：可强化钢液内对流， 使钢液的高温区和低温区充分 混合，有利于钢液中过热的耗 散和等轴晶的形成。此外，可 改变液相穴形状，有利于减轻 中心偏析和提高拉速。
(c) F-EMS
电磁搅拌器的布置方式
电磁搅拌器的布置方式 — 组合形式
S1+S2
M+F
S+F
M+S+F
电磁搅拌的工作原理
旋转磁场
线性行波磁场
在结晶器、二冷段区域或凝固末端施加低频电磁场，利用电磁搅 拌改善钢水凝固过程中的流动、传热和迁移过程，提高铸坯等轴 晶率比率，减轻成分偏析，消除中心疏松，以扩大生产钢种。
报告内容



引言 电磁搅拌的结构与原理 电磁搅拌的设计与要求 电磁搅拌的影响因素 结晶器电磁搅拌数值模拟 电磁搅拌与铸坯质量效果 小结
电磁连铸技术
电磁连铸技术
连铸电磁搅拌的发展历程
19世纪初，法国人Faraday从事磁流体动力学(MHD)的研究。
1922年，美国J. D. Mcneill获得了EMS控制凝固过程的专利。 1952 年，德国在半工业连铸机上试验第一台二冷区电磁搅拌 器；奥地利进行了结晶器工频旋转电磁搅拌的工业试验。 1973年，法国SAFE厂，在方坯连铸机采用电磁搅拌技术。 1979年，法国采用新型搅拌辊，进行板坯连铸电磁搅拌。 1982年，英国人首次提出MHD在冶金中应用的明确概念。 1985年，ISIJ把MHD在冶金中的应用称为电磁冶金。 1989年，电磁冶金改称为材料电磁加工(EPM)。 1990‘s，电磁搅拌技术日趋成熟，在大、小方坯，圆坯和板坯 连铸应用，同时新的电磁搅拌技术不断地被开发和应用。 。。。
报告内容



引言 电磁搅拌的结构与原理 电磁搅拌的设计与要求 电磁搅拌的影响因素 结晶器电磁搅拌数值模拟 电磁搅拌与铸坯质量效果 小结
电磁搅拌器的布置方式
按安装位置：结晶器-EMS、二冷区-EMS、凝固末端-EMS
(a) M-EMS
( b) S-EMS 安装在铸机不同位置的电磁搅拌
电磁搅拌的工作原理（旋转电磁搅拌）
iA(t)=Imsint iB(t)=Imsin(t -120o) iC(t)=Imsin (t + 120o)
t = 0o
t =90o
t = 180o
通电线圈合成磁场的磁极分布
电磁搅拌的工作原理（旋转电磁搅拌）
液态金属旋转运动的特点及运动规律
运动对液态金属的凝固过程的影响主要体现在对凝固界面 前沿的冲刷，这种冲刷作用影响了液态金属凝固过程的传热、 传质及最终的凝固组织。