电磁搅拌技术的发展_吴存有

世　界　钢　铁2010年第2期

电磁搅拌技术的发展

吴存有,周月明,侯晓光

(宝山钢铁股份有限公司,上海201900)

摘要:主要介绍了电磁搅拌技术的发展历史、在国内的应用现状,探讨了该技术未来的发展方向,特别以辊式搅拌器为例着重介绍了电磁搅拌技术在宝钢的研究进展。根据电磁搅拌的技术特点,探讨了电磁搅拌技术应用过程中设备与工艺之间的相互关系,以及影响电磁搅拌最终使用效果的关键因素。

关键词:电磁搅拌;辊式搅拌器;连铸

A p p l i c a t i o na n dd e v e l o p m e n t o f E MS t e c h n o l o g y

W UC u n y o u ,Z H O UY u e m i n g ,H O UX i a o G u a n g (B a o s h a n I r o n ＆S t e e l C o .,L t d .,S h a n g h a i 201900,C h i n a )

A b s t r a c t :T h e d e v e l o p m e n t o f e l e c t r o m a g n e t i c s t i r r i n g t e c h n o l o g y a n d i t s a p p l i c a t i o ni n C h i n a a r e i n t r o d u c e d ,a n d t h e f u t u r e d e v e l o p m e n t d i r e c t i o n o f t h e t e c h n o l o g y i s d i s c u s s e d .T h e E M S r o l l e r s i n

B a o s t e e l a s w e l l a s s i m i l a r E M St e c h n o l o g i e s a n dt h e i r a p p l i c a t i o na r e s t u d i e d .A c c o r d i n g t ot h e

c h a r a c t e r i s t i c s o f E M S t e c h n o l o g y ,t h e r e l a t i o n s h i p b e t w e e n E M S e q u i p m e n t a n

d p r o c

e s s ,a s w e l l a s t h e k e y

f a c t o r s t h a t i n f l u e n c e t h e f i n a l e f f e c t s o f E M S t e c h n o l o

g y a r e d i s c u s s e d .K e y w o r d s :e l e c t r o m a g n e t i c s t i r r i n g ;E M S r o l l e r ;c o n t i n u o u s c a s t i n g 0　前言

高质量、高附加值钢铁产品的生产离不开特殊冶金装备的使用,连铸电磁搅拌装置就是其中之一。电磁搅拌技术的研究历史可以追溯到20世纪20或30年代,经过多年的发展,电磁搅拌技术日趋成熟,但时至今日国外大型钢铁公司对这一技术仍然在开展持续研究,例如日本J F E 就有将近15人左右的研发团队专门从事电磁搅拌等电磁冶金学科相关的研究工作。同时,电磁搅拌技术也还是国际及国内E P M (E l e c t r o m a g n e t i c P r o -c e s s i n go f M a t e r i a l s )学术研究的重要内容之一

[1-3]

。近年来,通过企业与高校及科研机构的

合作研究,国内在这一技术领域也取得了长足发展,特别是装备制造能力方面逐渐缩短了与国际先进水平的差距。目前已经具备了如方圆坯结晶器、凝固末端电磁搅拌器及板坯二冷区电磁搅拌辊的设计制造能力。但是,如板坯结晶器电磁搅拌器/电磁制动、板坯电磁加速/减速器等较为大型和复杂的设备,相关技术实力相对还比较薄弱,特别是当今世界最为先进的多模式电磁搅拌,国

内钢厂还没有使用的先例。其次,在使用参数的优化方面,即电磁搅拌工艺方面的研究还略显不足

[4-8]

。随着钢铁行业竞争日益激烈,国外钢厂

开始加紧了对我国实行技术封锁。因此,针对电磁搅拌相关的设备、工艺等相关技术开展深入的系统研究已变得日益迫切。本文着重介绍了电磁搅拌技术的发展历史、在国内以及宝钢的应用现状和研究成果,并探讨了该技术的特点、关键问题和未来的发展方向。1　电磁搅拌的发展

1.1　电磁搅拌的特点与发展历史

[9-14]

电磁搅拌的本质是根据工艺要求改变铸坯凝固过程中钢液的流场,从而最终改善产品的质量。电磁搅拌的重要优点在于非接触和无污染,前一优点也造就了电磁搅拌设备在使用过程中比起一般的冶金设备更具有复杂性和专业性。实际生产过程中,电磁搅拌的冶金效果受多种因素的影响,包括钢水过热度、拉速、搅拌位置、搅拌强度和钢种等等,是一个和设备及工艺都密切相关的系统问题。

·36·

世　界　钢　铁

电磁搅拌根据使用位置的不同,作用效果不尽相同。简而言之,结晶器电磁搅拌的目的在于去除皮下夹杂和气孔,均匀凝固坯壳,搅拌强度以不引起卷渣等负面效果为限度;结晶器电磁制动则是为了实现高拉速而设计的,目的在于减小钢液的冲击深度和减轻对板坯窄面的冲击程度,利于夹杂物的上浮。二冷区电磁搅拌的目的在于提高等轴晶率和改善偏析,电磁力越大越有利于提高等轴晶率。末端电磁搅拌主要为了消除缩孔缩松和内裂,改善偏析。

影响电磁搅拌众多因素中,过热度与电磁力大小是其中最为关键的两个因素,两者共同影响最终的冶金效果。过热度过低会带来水口堵塞、夹杂物难以上浮等问题,同时还会影响生产物流;过热度过高又会影响等轴晶质量等问题。所以,电磁搅拌往往需要在一定的过热度范围内才能达到最佳的使用效果。电磁搅拌并不是万能的,必须有相应的稳定工艺作保证,在工艺难以解决的质量问题上,通过使用电磁搅拌可以起到强有力的支撑与辅助作用。

电磁搅拌涉及到的电磁场、流场及热场是工艺及设备研究过程中都必须关注的。另一方面,由于由感应电流产生的磁场相对于外部施加电磁场而言,影响往往可以忽略,因此可以认为电磁搅拌相关的技术问题具有单向性,即电磁场影响流场,流场影响热场和凝固过程,这也是我们分析电磁搅拌相关技术问题的基本思路。因此,对电磁场的分析与计算往往也是解决电磁搅拌众多技术问题的根本与突破口。生产过程中对电磁搅拌设备的电磁特性的检测与分析是提高电磁搅拌使用效果和效率的前提。

电磁搅拌技术的发展与用户对产品质量的要求是密切相关的,从20世纪60年代开始,电磁搅拌技术逐渐成为连铸生产过程中提高铸坯质量的重要手段之一,电磁搅拌器也是国际上先进钢铁企业生产高附加值产品必不可少的特殊冶金装备。表1记录了国际上电磁搅拌相关技术的一些重要发展。从电磁搅拌技术出现开始,通过大量半工业及工业试验,钢铁企业逐渐开始认识到了电磁搅拌技术的作用和优势。

表1　电磁搅拌技术在国外的发展历史

年份国外发展史

1922年美国M c n e i l l J D获得了E M S控制凝固过程的专利

1948年瑞典A S E A公司D r e y f u s博士制造出世界上第一台电磁搅拌器并用于电弧炉炼钢

1952年德国的半工业连铸机实现二冷区电磁搅拌;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S A F E厂,首先在四流方坯连铸机采用电磁搅拌技术,开辟了连铸电磁搅拌技术的工业应用。世界首台板坯连铸机二冷段电磁搅拌器(D K S)在新日铁君津厂投入使用

1976年板坯连铸机结晶器电磁搅拌第一次用于德同的F o r g e s＆A c i e r i e s d e D i l l i n g e n的立式板坯连铸机上(布置在板坯连铸机结晶器的每个宽面,目前已不再使用)[1]

1977年法国R o t e l e c公司为小、大方坯结晶器搅拌器注册商标。A B B提出辊后箱式搅拌的设想,安装在铸流奥氏体钢(无磁性)支撑辊后面

1979年法国R o t e l e c公司采用新型搅拌辊,进行了板坯连铸的二冷区电磁搅拌

1981年N S C提出了旋转式结晶器电磁搅拌,减少针孔、气孔、夹杂类等皮下缺陷

1982年日本川崎钢铁公司和瑞典A B B共同开发了结晶器电磁制动装置,并用于川崎公司的铸机上

1991年日本N K K引进了钢水能加速或减速离开浸入式水口的E M L S/E M L A(电磁液面减速器/电磁液面加速器)工艺,以及能使钢水旋转的E M R S

1994年加拿大I s p a t S i d b e c公司首次采用双线圈电磁搅拌———位于弯月面和结晶器的下部,以提高高碳钢和合金钢的内部质量1995年日本神户制钢开发在中间包到结晶器之间进行电磁搅拌技术,解决了长水口堵塞问题,并实现低过热度浇注

1996年N S C提出了L M F(L e v e l M a g n e t i cF i e l d)制动技术

2002年多模式电磁搅拌技术(M M-E M S)应用于P O S C O浦项厂3号板坯连铸机

2003年多模式电磁搅拌技术(M M-E M S)应用于P O S C O光阳厂的1～3号连铸机

2008年A B B发明复合磁场末端电磁搅拌技术

20世纪60、70年代,日本及西欧等国工业迅速发展,造船、建筑、家电行业对钢铁产品提出了更高的表面质量及内部质量要求。面对这一问题,1973年法国S A F E厂,首先在四流方坯连铸机采用电磁搅拌技术,开辟了连铸电磁搅拌技术的工业应用。同年,世界首台板坯连铸机二冷段电磁搅拌器(D K S)在新日铁君津厂投入使用。1977年,为达到不改变连铸机辊列结构的目的,A B B 提出辊后箱式搅拌的设想,将电磁搅拌器安装于铸流无磁性支撑辊后面。1979年,法国R o t e l e c

·

37

·