电磁搅拌在钢水连铸中的应用

电磁技术在连铸中的应用

摘要：介绍了电磁技术的产生及发展,以及电磁技术在连铸过程中的应用,包括电磁搅拌、电磁制动、软接触电磁连铸技术，总结了前人的研究，分析了电磁连铸的优点与不足，以便连铸工作者们参考。

关键词：电磁搅拌连铸

1 前言

19世纪以来，钢铁工业出现了最重要的三大技术，连续铸钢就是其一。连续铸钢工艺的出现带来了节能降耗，降低生产成本，减轻环境负荷，提高金属收得率，实现连铸连轧短流程生产工艺，还能净化钢液、改善铸坯的组织、细化晶粒、提高钢材成品的质量[1- 2]。

目前世界上先进国家的钢铁连铸比几乎达到的100%，我国的钢铁企业总体连铸比也达到了95%以上[3]。刚成形的连铸坯要喷水冷却，在运动过程中具有很长的液相穴凝固过程，受钢水运动和传热两个基本物理现象所控制。液相穴钢水对流运动对减轻成分偏析、改善凝固组织和消除过热度有重大影响[4]。

对钢材质量要求日益严格的今天，炼钢技术也日益提高,作为提高钢材生产率的辅助手段，可以控制钢液流动状态的电磁力在冶金中得到越来越广泛的应用[5]。

电磁流体力学(MHD)是电磁冶金理论的基础，它的发展，带动了电磁连铸技术在冶金工业中的应用和发展。电磁搅拌最早应用于钢铁的连铸工艺中[6]，主要是由于熔融金属是电的良导体，在磁场和电流作用下，金属熔体产生电磁力，利用电磁力就可以对熔融金属进行非接触性搅拌、传输和形状控制。电磁冶金技术具有能量的高密度性和清洁性、优越的响应性和可控性、易于自动化以及能量利用率高等特点，被广泛地应用于冶炼、精炼、铸造、连铸、钢水的检测等领域，并已在许多领域取得了重大进展[7]。在冶金中应用电磁场力，一是应用电磁感应热，如熔炼金属;二是应用其搅拌力以改善材料的性能[8-9]。

2 电磁搅拌

2.1 电磁搅拌简介

电作用产生电磁力，该电磁力推动钢水运动，从而控制铸坯的凝固过程，达到增大等磁搅拌的实质是借助借助在铸坯液相穴中感生的电磁力，强化钢水的运动[10]。具体地说，搅拌器激发的交变磁场渗透到铸坯的钢水，就在其中产生感应电流，感应电流与当地磁场相互轴晶率，改善铸坯表面、皮下和部质量的目的[4]。

电磁搅拌技术可以大幅度提高钢的清洁度，减小皮下气孔，扩大铸坯的等轴晶区，降低成分偏析和过热度，减少钢水中的夹渣，减轻或消除金属的中心疏松和中心缩孔的现

象，从而实现生产优质高等级钢材的目的，实现超纯净度、超细化及超均质化的要求，更为钢铁工业的发展提供了新的活力[11-13]。

20世纪70年代以来将电磁冶金技术应用于连铸方面，是电磁冶金技术应用最重要的发展之一，同时连铸已成为电磁冶金技术应用最活跃的领域。随着磁场在连铸中的应用，先后出现了利用时变磁场、脉冲磁场、稳恒磁场的电磁搅拌，电磁制动和软接触电磁连铸技术，并最终形成了三者有机结合的现代电磁连铸技术[11,14]。

搅拌机是一个两相、两极的线性感应器，线性电磁搅拌机基本上可看作是一个线性马达。搅拌器通入电流后，在铸坯上产生感应电流，其方向垂直于铸坯纵断面，并且周期性随感应磁场而改变方向，电流和感应磁场的作用产生一电磁力，并沿铸坯纵向形成一个合力矩，使铸坯中未凝固的钢水产生旋转运动，由层流变为紊流，加速对流传热，从而增加等轴晶比例[10]。

国威认为合金或碳含量高的钢种两相区宽，易于形成发达的树枝晶，而树枝晶在电磁搅拌力作用下容易被打断形成晶核，所以等轴晶率高于其它钢种。含硅高的钢种，钢水流动性好，电磁搅拌装置对其搅拌作用较大，因而效果较好。而钢水流动性差的钢种，电磁搅拌对其搅拌的作用较小，效果要差些[15]。

电磁搅拌技术应用于连续铸钢是连铸技术最重要的发展之一，应用电磁搅拌技术是提高铸坯质量，扩铸品种的有效手段。电磁搅拌技术是利用不同形式的磁场发生装置，当连铸坯中的液态金属通过交变电磁场时，在液态金属中产生感生电流，感生电流与磁感应强度的作用产生电磁力 [11]。

瑞典ABB公司制造的结晶器电磁搅拌装置。该装置采用了空心铜管纯水冷式技术，整机结构紧凑、搅拌功率大，采用了独特的矩形结构、非对称旋转磁场形式的搅拌器，为国际20世纪90年代末的先进技术[16]。除此之外还有法国罗德瑞克公司(ROTELEC)的辊式电磁搅拌装置等[15]。到目前为止，电磁搅拌已得到了迅速的发展，根据电磁搅拌器安装位置的不同，主要有以下几种搅拌形式[11]。

2.1.1中间包电磁搅拌

日本川崎钢铁公司于上世纪90年代中研发成功基于电磁搅拌技术的离心流动中间包(Centrifugal Flow Tundish)，简称CF中间包。在线应用取得较好的效果，达到高拉速、高清洁度的效果。由于电磁力产生的离心力的作用，轻的夹杂物和渣向旋转中心区集中，并在集中过程中上浮，从而使夹杂物和渣从钢水中分离出来[17]。

2.1.2 结晶器电磁搅拌(M-EMS)

安装在结晶器水套部或外部(置式或外置式结晶器电磁搅拌器)，其作用效果是：提高拉坯速度，改善表面质量，清洁凝固壳表层气泡和夹杂，有利于减小过热度的影响，提高钢水纯净度，改善铸坯部组织结构，增加等轴晶率等，高效连铸机的核心设备[18-19]。

2.1.3 二冷区电磁搅拌(S-EMS)

这种形式的搅拌器是安装在二冷区。二冷区搅拌的主要效果是：消除柱状枝晶间的搭桥，减轻或消除中心疏松和中心缩孔，扩大等轴晶区，减轻中心偏析和弧夹杂物的集聚。目前的生产实践和研究表明，只有将二冷区搅拌与末端搅拌结合起来，才能实现最佳效果[11]。频率一定时，电流越大，磁感应强度越大。而电流一定时，磁感应强度随着频率的增大而减小[20]。

2.1.4 凝固末端电磁搅拌(F-EMS)

这是把搅拌器安装在钢液凝固末端的一种搅拌方式(糊状区)。此时，钢水成糊状，凝固壳较厚，一般采用低频电源[21]。其主要效果是：降低中心偏析，减轻或消除中心疏松和中心缩孔等。目前的主要问题是如何保证电磁搅拌器准确安装到指定凝固率的位置上，同时保证稳定的连铸工艺参数并与电磁搅拌工艺参数合理匹配[11]。王彪等通过对末端电磁搅拌中心磁感应强度的测量,发现中心磁感应强度与电流成正比,与频率成反比[20]。

2.2 电磁搅拌的研究和应用现状

针对电磁搅拌的机理和应用，人们从多个方面开展了电磁搅拌理论的研究工作。20世纪70年代法国的优质钢公司进行了具有代表性的研究工作，证明了磁力线能够穿透铸坯凝固壳。之后，世界各国对二冷区电磁搅拌技术的发展给予了极大的重视[3,11]。巩文旭的研究中表明：不同的拉速对凝固末端电磁搅拌(F- EMS )最佳的安装位置影响非常大，且只有一个最佳位置[22]。

S1Kunstreich回顾了电磁搅拌应用于扁平产品连铸生产中的各种形式，并按液态钢水流动形态和冶金效果给予分类。多模式电磁搅拌属于第三代结晶器搅拌技术，它将电磁搅拌的3种功能通过不同操作模式集成在一起，显著改善了产品质量和连铸机的性能[23]。

志强通过统计不同时间段结晶器电磁搅拌磁场强度及连铸坯质量，将不同磁场强度所对应的连铸坯部质量进行对比，分析了不同磁场强度对连铸坯质量的影响，得出电磁搅拌磁场强度与电磁力矩基本呈正比关系，可用磁场强度大小来衡量电磁搅拌能力。当电磁搅拌磁场强度衰减至 300 ×10－4 T 以下时，不允许其上线使用[24]。

洪凯通过电磁搅拌在连铸冶金中的应用实践，从运行状况来看，江阴兴澄特钢使用的电磁搅拌设备以及工艺水平基本达到了设计的要求，并且创造了比较好的经济效益[12]。

彦辉等针对南钢大方坯连铸机轴承钢连铸电磁搅拌冶金效果不明显的问题，开展了优化轴承钢连铸结晶器电磁搅拌工艺参数的试验，对不同电磁搅拌参数及搅拌方式下铸坯和轧材碳偏析进行了研究。结果表明: 大方坯心部和边部均为负偏析，正反交替的电磁搅拌有利于降低碳偏析[13]

永，郭浩等[25-29]针对攀钢大方坯连铸机投产初期重轨钢连铸电磁搅拌冶金效果不明显的问题,开展了优化重轨钢连铸结晶器电磁搅拌工艺参数的现场试验,对比研究了电磁搅拌电流对重轨钢铸坯中心疏松、中心偏析、等轴晶率等部质量的影响,制定了满足攀钢重轨钢连铸工艺要求的电磁搅拌工艺制度。

马骏通过对测试结果的理论分析优化确定了结晶器电磁搅拌的电磁参数,为结晶器电磁搅拌技术的广泛应用并取得良好的冶金效果找到了依据[30]。茂恩等通过实施正确的工艺路线,可以减少钢中夹杂物数量,达到纯净钢水,改善铸坯质量的目的[31-33]。

3 电磁制动技术

3.1 电磁制动技术简介

电磁制动的工作原理：在板坯连铸结

晶器的两个宽面，外加一对恒定磁场，其

方向从一个宽面垂直穿过钢水到达另一个

宽面。从SEN的两侧孔吐出的流股，以

相当大的速度垂直切割外加的恒定磁场，

它们相互作用的结果在钢水中感生电磁

力。其感应的电磁力的特征是：

1)电磁力的方向始终与流股方向相

反，从而制动了流股，使其减速；

2)电磁力的大小与流股的速度成正

比，流速为零，电磁力也为零[2]。

3.2 电磁制动技术的研究和应用现状

连铸工艺中，为了生产出高纯净钢，需要控制钢液的成分以及钢液的流动状态。从20世纪80年代初第一代区域型电磁制动技术的出现，已经发展到现在的可以优化流场改善质量的第三代电磁制动技术，即结晶器流体控制技术(FC-MOLD) [34]。汪洪峰等介绍了结晶器电磁制动技术的基本参数和在梅钢连铸机上的实际应用[35]。

电磁制动有效提高结晶器弯月面温度，电磁制动能稳定结晶器液面，铸坯表面的气孔与夹杂物含量，提高钢坯表面质量，铸坯表面的气孔与夹杂物含量，提高钢坯表面质量，电磁制动技术在中国的应用还处于初级阶段，相对于二冷水模型与轻压下模型，还没有成熟的 L2 计算机模型来控制电磁制动设备。另外，需进一步展开电磁制动机理的研究，为电磁制动的广泛应用提供科学依据[36]。

电磁制动能有效的抑制钢液的速度。电磁制动装置投入使用需要结晶器本身安装电磁制动线圈，线圈的线序极为重要，否则产生的磁场方向会发生变化，无法实现稳流去夹杂作用，进一步造成生产故障[37]。

雷洪等研究发现电磁制动的磁场分布与电磁制动的冶金效果密切相关。建立了描述连铸结晶器电磁制动过程的三维数学模型,在交错网格下利用半隐式压力校正算法求解了动量

方程和感生电流方程,研究了带形电磁制动结晶器的磁场和流场,并将计算结果与实测值进行了比较[38]。

4 软接触电磁连铸技术

4.1 软接触电磁连铸技术简介

目前，钢的软接触电磁连铸结晶器按其结构的不同可分为切缝式和无缝式软接触结晶器两种。其中，无缝式软接触结晶器具有结构强度大、冷却水回路简单的优点，但目前还未找到1种导热性能良好又不导电的材料来作为铸模，这类结晶器尚处于研究阶段。切缝式软接触结晶器是将铜管开缝，中间填充绝缘材料，结构上较复杂，但有利于磁场穿过结晶器直接作用在钢液上。国外先后有多家单位采用这种形式的结晶器成功地进行了电磁软接触连铸工业实验。切缝结晶器的结构参数将对软接触结晶器的电磁场大小和分布产生影响，进而影响到电磁连铸的冶金效果[39]。

4.2 软接触电磁连铸技术的理论和应用研究

连铸过程中结晶器的振动使连铸坯表面产生周期性的振痕[40]。 20世纪80年代Vives 等提出了电磁软接触连铸技术，将此技术应用于铝合金的连铸生产中，并获得了成功。它是在结晶器的周围布置上通电的感应线圈，使结晶器的钢液中感生出感应电流，该感应电流与交变磁场相互作用就会产生垂直于铸坯表面指向液芯的电磁力;该电磁力会部分甚至全部抵消钢液产生的静压力，从而将自由表面上靠近结晶器壁的钢液推离结晶器壁，形成弧形弯月面，这就拓宽了坯壳和结晶器壁之间的渣道宽度，从而改善了润滑条件，使熔融金属和结晶器壁之间的摩擦力减小。同时，由于降低了坯壳和结晶器壁之间的接触压力和滑动摩擦力，使它们之间呈现出软接触( soft-contact)状态。这样成型的铸坯有着表面光洁度高、振痕少等特点，使铸坯可不经过磨削、修整就能直接轧制。而且金属在磁场下凝固结晶，部组织良好，可以改善铸坯的初始凝固过程，获得表面质量较好的铸坯。对于软接触电磁连铸的铸坯来说，电磁连铸技术的工业化刚刚提上研究日程，要应用到实际生产中还需要解决很多技术问题。

电磁软接触连铸技术的冶金效果电磁软接触连铸技术产生以后，国外的学者主要针对(1)磁场分布特性， (2)结晶器弯月面变形规律， (3)软接触电磁连铸结晶器的设计问题， (4)工艺参数对铸坯表面质量的影响， (5)电磁参数对铸坯质量的影响， (6)软接触拉坯实验结果等方面进行了细致的研究，并通过实验证明了该技术可以获得表面质量良好的铸坯[41]。到目前为止，要完全实现钢的电磁铸造还是有一定困难，实现钢的软接触电磁连铸工艺需要开发出相应的软接触结晶器[42]。

5 展望

电磁连铸冶金技术在钢铁工业中的应用已经有30多年的历史，无论企业应用电磁连铸的效果如何，电磁连铸在改善连铸坯质量方面的作用已经得到普遍认可。二十一世纪的世界钢铁生产正朝着高速、连续、短流程的方向发展，与其说冶金行业面临着市场的挑战，倒不如说新技术的挑战更加严峻。换言之，如何开发新装备、新工艺以满足用户对钢铁材料的高质量、高纯净以及产品更新换代的需要是世界各大冶金企业的竞争焦点。鞍钢鲅鱼圈钢铁分公司中薄板坯2#铸机引进了国际先进的结晶器电磁制动和二冷区电磁搅拌设备，正着力于电磁冶金应用技术的研究和开发[11]。

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