方坯电磁搅拌技术对连铸坯质量的影响--海口会议

试验中的扇形段电磁搅拌器
数据和图片由包钢技术中心提供
试验报告——U71Mn低倍组织
30mm
30mm
a.无电磁搅拌
熔炼号：300194
b.电磁搅拌(I=350A,f=8Hz)
数据和图片由包钢技术中心提供
试验报告——U71Mn低倍组织
30mm a.无电磁搅拌
30mm b.有电磁搅拌(I=350A,f=8Hz) 熔炼号：300197
1 对于150小方坯来说，由于结晶器内的位置空 间比较小，采用三相六极，磁极之间的位置比 较近，磁场短路现象比较严重。 2 三相六磁极电磁搅拌器由于空间位置比较小 ，故线圈的匝数比较少，所以线圈的电流比较 大，搅拌器的寿命降低！ 3 两相四极结晶器电磁搅拌克服了六极的缺点 ，正常工作时的电流130~150A即可，由于电流 比较低，搅拌器的寿命大大得到提高！
电磁搅拌的形式
结晶器电磁搅拌(M-EMS)
二冷区电磁搅拌(S-EMS) 凝固末端电磁搅拌(F-EMS) 复合式电磁搅拌: (M+S-EMS, M+S+F-EMS， M+F-EMS) S-EMS
M-EMS
F-EMS
1.1 EMS安装位置
M-EMS
S-EMS
F-EMS
两种搅拌类型的原理
结晶器电磁搅拌的作用
图 U71Mn铸坯横断面上沿长边中心线碳偏析指数的变化
数据和图片由包钢技术中心提供
试验结果——成分偏析82B
Kc 1.30 1.20 1.10 1.00 0.90 0.80 Kc =1.02
ave
Ñ Ö Å ³ ±Ö Ð Ï ² Ï Ì Æ Î µ ± » Ø ý ÷¤ß Ð Ä ß ½ ò ¼ « ö Ä ä ¯ µ Á 450A È Á º £ 500757£ 29£ ç ÷ Û ¶ Å º ¨ ©
Ì º Á £ © ¼ ¬ ¿ ¨%£
Ø ý ÷¤ß Ð Ä ½ Fra Baidu bibliotek ¼ Ä ä ¯ Ñ Ö Å ³ ±Ö Ð ²Ï Ì µ ±»
0.9
Û ¶ Å º 200208 È Á º £ ç ÷º 350A µ Á £
Ì º Á £ © ¼ ¬ ¿ ¨%£
0.8 0.75 0.7 0.65 0.6 10 60 110 160 210 260
0.50
0.45
0.40
图 钢液边部搅拌速度和 频率的关系
0 2 4
0.35
频率(Hz)
6
8
10
（1）对于150小方坯结晶器电磁搅拌时，在电流频率为3Hz 时搅拌区中心钢液横断面上速度最大，搅拌效果最好。 （2）不同规格铸坯的搅拌时，由于其铜管厚度不同，搅拌 频率应该分别进行计算
产品－150小方坯内置式电磁搅拌器
0.85
坯 壳 厚 度 / mm
100 80 60 40 20 0 0 3 6 9 12 15 18 21 24 27 距液面距离 /m
坯 型：380× 280mm 钢 种：0.7%C 拉 速：0.65～0.85m/min 过热度：25℃
搅拌位置确定－不同过热度对坯 壳厚度的影响
160 140 从左至右15,25,35,45℃
1.20 1.10 1.00 0.90 0.80
0 60 120 180 240 300 ½ ý ÷±µ Ä ´ ë ¨ © µ Ö Å ß Ô µ ¾ À £ mm£ 360 Kc =0.98
ave
Kc 1.20 1.
Ø ý ÷¤ß Ð Ä ß ½ ò ¼ Æ ö Ä ä ¯ Ñ Ö Å ³ ±Ö Ð Ï ²Ï Ì « Î µ ±» Û ¶ Å º È Á º £ 500210 1.14
电磁搅拌理论研究
•研究电磁场在多层介质中的传递规 律
•电磁场和流动场的耦合问题
•电磁作用下铸坯的传热和凝固规律
EMS数值计算- 150小方坯
为了更合理 ，更有效的设 计电磁搅拌， 对电磁搅拌进 行了磁场和流 场耦合数值计 算。
图1 150方坯物理模型
图2 150方坯网格划分
分析电流加载情况
Cast the future
340
310
360
½ ý ÷ß µ Ä ´ ë ¨mm£ µ Ö Å ±Ô µ ¾ À £ ©
½ ý ÷ß µ ´ ë ¨mm£ µ Ö Å ±Ô ¾ À £ ©
图 U71Mn铸坯横断面上沿长边中心线碳成分的变化
数据和图片由包钢技术中心提供
试验结果——成分偏析U71Mn
Kc Ø ý ÷³ ±Ð Ä ß ½ ò ¼ « ö Ä ä ¯ Ñ Ö Å ¤ß Ö Ð Ï ²Ï Ì Æ Î µ ±» ç ÷ µ Á 400A Û Á º £ 500210 È ¶ Å º With F-EMS
280³380大方坯扇形段电磁搅拌器结构设计
3 2 5 4 5 1
1电磁线圈；2外壳体；3导向装置；4电 源接口；5水接口
图2 二冷扇形段电磁搅拌结构图 图1 二冷扇形段电磁搅拌器照片
搅拌位置确定-不同拉速对坯壳厚 度的影响
160
0.65
140 120
18.4-25.2m
0.70
0.75
0.80
EMS数值计算—不同时刻磁场强度分析
图1 1/4周期磁感应强度分布
图2 2/4周期磁感应强度分布
EMS数值计算—不同时刻电磁力磁场分析
图 1/4周期电磁力分布
图 2/4周期电磁力分布
EMS数值计算-搅拌速度的分布
图1结晶器内钢液整体搅拌速度的分布
图2 位于搅拌区中心钢液断面速度分布
EMS数值计算－最佳频率的确定
Ñ Ö Å ³ ±Ö Ð Ï ²Ï Ì Æ Î µ ±» Ø ý ÷¤ß Ð Ä ß ½ ò ¼ « ö Ä ä ¯ È Á º £ 500757£ 29£ Û ¶ Å º ¨ © Kc 1.30 1.20 Without F-EMS 1.13 +¦ Ò Kc -¦ Ò ¦ =¡ 0.047 Ò À
减少皮下气孔和裂纹 增加等轴晶区 减小成分偏析 减低钢中夹渣 降低钢的过热度
结晶器电磁搅拌形式
内装式和外装式 极数: 内装式2对、3 对。 外装式3对 线圈电流:100~600A 频率范围:1~15Hz 磁场强度:>450Gs 上下两套线圈
二冷区电磁搅拌的形式和作用
消除柱状枝晶间的搭桥 消除中心疏松和中心缩孔 扩大等轴晶区 消除中心偏析 促进夹杂物上浮 减轻内弧夹杂物的集聚 早期使用工频(50Hz) 早期装在二冷区上端 内部磁场可达2000Gs 目前使用频率1~20Hz 线圈电流: 400A 安装位置普遍下调 与结晶器电磁搅拌配合 使用(大断面方坯）
为莱芜钢厂150³150方坯设 计制造的内置式电磁搅拌器
M-EMS两相低频电源
电磁搅拌水系统设计方案-150小方坯
电磁搅拌器采用独立的冷却系统，电磁搅拌器 冷却水系统由制纯水设备、水箱、水泵、过滤器、 换热器组成。
冷却水系统的安装情况： 冷却水系统的安装位置根据现场情况确定。
冷却水系统占地面积为：6³8㎡。
电磁搅拌器冷却水系统原理图-150小方坯
冷却水系统参数-150小方坯
• • • • 水 量：15m3/h/流 供水压力：0.30Mpa 回水压力：0.10Mpa 供水温度：≤30℃
• 回水温度：38～40℃ • 电 导 率: ≤ 50μ Ω /cm • PH 值: 7.5～8.5 • 纯水(去离子水)
图 45钢铸坯低倍照片
150小方坯电磁搅拌器六极及四极磁路的分布
图1 三相六极1/4周期磁感应强度分布
图2 两相四极1/4周期磁感应强度分布
150小方坯电磁搅拌器六极及四极磁路的分布
图1 三相六极2/4周期磁感应强度分布
图2 两相四极2/4周期磁感应强度分布
150小方坯电磁搅拌器六极及四极比较
数据和图片由包钢技术中心提供
试验报告——82B轧坯纵断面低倍
a.无电磁搅拌
b.有电磁搅拌 152³152轧坯,熔炼号：3001924
数据和图片由包钢技术中心提供
试验结果——铸坯成分及成分偏析
Ø ý ÷¤ß Ð Ä ß ½ ò ¼ Ä ä ¯ Ñ Ö Å ³ ±Ö Ð Ï ²Ï Ì µ ±» 0.9 0.85
No F-EMS
1.04
+¦ Ò Kc -¦ Ò
ave
1.00 0.90 Kc 0.80 0 60 120 180 240 300 ½ ý ÷ß µ Ä ´ ë ¨ © µ Ö Å ±Ô µ ¾ À £ mm£ 360
ave
+¦ Ò Kc -¦ Ò =0.97 Ò À ¦ =¡ 0.052
ave
Ò À ¦ =¡ 0.041
凝固末端电磁搅拌的作用
装在凝固末端(70～ 80%)
降低中心偏析
效果反映不好 位置不易卡准 受工艺参数影响大(尤 其是拉速)
降低中心疏松
消除中心缩孔
结晶器电磁搅拌需要满足的基本要求
• 必须要有一定的搅拌强度，使结晶器内有 效搅拌区钢水达到某个速度值，获得足够 大的离心力。 • 既要使弯月面保持稳定又要使弯月面附近 的钢水有一定的流动。 • 使过热度尽快消失，达到低过热度浇铸
数据和图片由包钢技术中心提供
试验报告——U71Mn低倍组织
30mm
a.无电磁搅拌
30mm
b.有电磁搅拌(I=350A,f=8Hz) 熔炼号：300198
数据和图片由包钢技术中心提供
试验报告——82B轧坯横断面低倍
a.无电磁搅拌
b.有电磁搅拌(I=400A,f=8Hz)
152³152轧坯,熔炼号：101924
Á è ½ ° » Ð Á è Ã Ó ½ ° Þ ù ¹ Ñ
0.85 0.8 0.75 0.7 0.65 0.6 40
Û ¶ Å º 300192 È Á º £ ç ÷º 350A µ Á £
Á è ½ ° » Ð Á è Ã Ó ½ ° Þ ù É Ö ¹ Ñ ³ ²
90
140
190
240
290
图 水系统现场布置示意图
EMS数值计算 - 冶金效果
包头联方公司研发生产的先后 在莱芜钢厂和宣钢投产的两相四极 150小方坯结晶器电磁搅拌器的运 行实践： （1）电流130A，频率3.5Hz
（2）其吨钢电耗只有0.6度，体现 了设计的科学性和经济性。
（3）线圈电流比较低，大大提高 了搅拌器的寿命 （4）节约能源。
方坯电磁搅拌技术对连铸坯 质量的影响
李建超 博士 王宝峰 教授 内蒙古科技大学
2007.3 海口
内容简介
• 电磁冶金的发展历史 • 电磁冶金的理论研究 • 电磁搅拌与方坯连铸生产实践
电磁搅拌技术的发展
1917年Shtanko 提出 1952年引起关注 1973年在法国投入生产应用 80年代初在欧洲深入的研究 80年代中后期在欧洲得到普遍应用 90年代在北美地区广泛应用 中国在过去20年引进数十套
搅拌工艺的选择
连铸坯表面和内部质量要求 钢的含碳量 <0.1% 0.1-0.3% 钢 种 表面和表层质量 M-EMS M-EMS 低碳钢 M-EMS S-EMS 0.3-0.6% 中碳钢和低合金钢 M+S-EMS S1+S2-EMS M-EMS S1+S2-EMS 0.6-0.9% 高碳钢 M+F-EMS S+F-EMS >0.9% 非常高的碳钢 M+S+F-EMS S-EMS 凝固组织和中心疏松 中心偏析 超低碳和伪齿轮钢
19.8-20.6m
坯 壳 厚 度 / mm
120 100 80 60 40 20 0 0 3 6
坯 型：380× 280mm 钢 种：0.7%C 拉 速：0.7m/min 过热度：15～45℃ 9 12 15 18 21
距液面距离 /m
搅拌位置确定
图2 大方坯温度场计算及安装位置 确定 图1 电磁搅拌在扇形段的安装位置
280³380大方坯组合电磁搅拌的生产实践
（1）为了提高包钢重轨280³380大方坯质量，在包钢原有跨 结晶器电磁搅拌的基础上，为包钢设计并制造了扇形段电磁搅 拌器 。 （2）第一次试验: 炼钢厂进行两种搅拌试验方案的两个浇次18 炉钢生产试验，钢种是U71Mn，断面是280³380mm，取试验 36块； （3）第二次试验: 钢种是U71Mn、断面是280³380mm，取试 验42块； （3）第三次试验: 钢种是82B，断面是280³380mm，取试样 52块。对轧出的152³152方坯取试样30块。 （4）试验中取电磁搅拌连铸坯和对比连铸坯试样（无电磁搅 拌）共160块，分别进行了硫印、低倍分析；对电磁搅拌连铸 坯和对比试样（无电磁搅拌）共41块，988个点，进行了C、S 、P、Mn的成分测定及铸坯偏析分析。
3000 N/m3 3000 N/m3
(a) 3 Hz
(b) 8 Hz
图 搅拌区中心钢液横断面上电磁体积力的分布
EMS数值计算－最佳频率的确定
1.0 m/s 1.0 m/s
(a) 3 Hz
(b) 8 Hz
图 搅拌区中心钢液横断面上速度分布
EMS数值计算－最佳频率的确定
0.65
0.60
0.55
速度(m/s)