电磁搅拌技术在连铸中的应用

电磁搅拌技术在连铸中的应用 近年来，连铸坯的质量越来越受到重视，因而围绕提高连铸坯质量的研究工作也取得了很大的进展。电磁搅拌技术是电磁流体力学在钢铁工业中最成功的应用之一。通过定量认识电磁场在多层介质中的传递，控制连铸过程中钢水的流动、传热和凝固，进而降低钢水的过热度、去除夹杂从而扩大等轴晶区，减少成分偏析，减轻中心疏松和中心缩孔。几十年来，国内外学者对电磁搅拌技术进行了大量的理论及实验研究，并应用于工业生产。电磁搅拌技术已经成为连铸过程中改善铸坯质量的最重要和最有效的手段之一。

1国内外电磁搅拌技术的发展概况 磁流体力学是电磁学，流体力学以及热力学相互交叉的学科，简称MHD(magnetohydrodynamics)，主要研究电磁场作用下，导电金属流体的运动规律。在磁场里，导体的运动产生电动势，从而产生感应电流，导体本身也产生磁场。液态金属作为载流导体，在外加磁场的作用下产生了电磁力，这种电磁力的作用促使载流液体流动，同时伴随着三种基本的物理现象——电磁热，电磁搅拌，电磁压力。这三种现象在材料的冶炼、成形、凝固等工艺中已广泛应用。 连铸钢液电磁搅拌技术已经历几十年的试验研究和发展的过程。早在上世纪50年代，就由在德国Schorndorf和Huckingen半工业连铸机上。进行了首例连续铸钢电磁搅拌的试验。60年代，在奥地利Kapfenberg厂的Boehler连铸机上用于浇铸合金钢。60年代末一些工作者还进行了结晶器电磁搅拌和二冷区电磁搅拌的实验。1973年法国的一家工厂率先在其连铸机上安装了电磁搅拌器并投入工业应用，从而奠定了连铸电磁搅拌技术工业应用的基础。1977年，法国的Rotelec公司开发了小方坯和大方坯结晶器电磁搅拌器并以Magnetogyr-Process注册商标，将其商品化。1979年，法国钢研院又在德国Dunkirk厂板坯连铸机上采用了线性搅拌技术，取得良好效果。进入80年代后，电磁搅拌技术发展更快，特别是日本，发展更为迅速。在神户钢铁公司的加古川厂，开发应用了线性马达型电磁搅拌器来控制结晶器内钢水流动的工艺。日本住友金属工业公司也相继提出并采用了静磁场通电型电磁搅拌技术，用作板坯二冷区的电磁搅拌。日本川崎公司也和瑞典ASEA公司共同开发了新的搅拌技术，并在川崎公司水岛钢铁厂的5号板坯连铸机上进行了实验，收到了良好的冶金效果。 国内连铸电磁搅拌技术的应用比国外相对较晚。自1986年武钢公司从联邦德国引进ORC．1600型电磁搅拌装置(EMS)安装在二炼钢三号铸机的二冷段，用于改善连铸板坯的宏观组织，增加等轴晶率，减少铸坯中心偏析疏松及铸坯内裂等缺陷，以期实现改善钢坯质量，扩大浇铸品种的目的才开始了我国电磁搅拌技术的工业应用。最初只在少数钢铁厂采用电磁搅拌技术如：重庆三厂、洛钢、涟源钢厂、天津二钢、成都无缝钢管厂及首钢试验厂进行了电磁搅拌的工业性试验，主要应用在二冷区。 到了80年代后期，电磁搅拌技术受到高度重视，并被列为国家重点科技攻关项目，使得国内的电磁搅拌技术有了重大突破和发展。到1995年底，我国许多连铸机上采用了这项技术，但是大多为国外引进，仅重庆特钢、长城特钢、大冶特钢、武钢、宝钢、首钢、成都无缝及涟源钢厂等采用了少量国产电磁搅拌装置。直到1996年5月，武钢首次在大型厚板连铸机上成功的采用了国内自行研制的二冷区电磁搅拌成套装置。到目前为止，电磁搅拌技术已基本实现国产化。许多科研机构和高等学校也依据自身特点在电磁搅拌的基础理论和应用等方面进行了大量的研究工作，如钢铁研究总院、宝钢、中科院力学所、东北大学、北京科技大学等。但是由于国内的研究起步较晚，对电磁搅拌的基础理论和应用研究还不够充分，仍需要作更深入的研究。 随着人们对电磁搅拌技术研究的深入，电磁搅拌技术的应用将越来越广泛，其发展趋势可概括为以下几点：(1)组合式电磁搅拌方法的进一步发展及参数的确定控制；(2)数值模拟仍然是发展电磁搅拌技术的强有力的工具，在这方面需要适应性较广的、更为精确的数学模型，因此磁流体动力学的研究将会具有更重要的地位；(3)随着电磁搅拌所应用的合金种类的日益广泛及电磁搅拌凝固理论的发展，也将为金属凝固基础理论的研究开辟一个崭新的局面。

2连铸电磁搅拌技术的工作原理 电磁搅拌通过电磁感应产生的电磁力使液态金属产生流动，增大其对流和热交换，导致凝固前沿的温度梯度减小。柱状晶生长受到抑制，并能使先期生长的柱状晶破碎，与钢液混合在一起，成为后期等轴晶凝固的核心，从而促进了等轴晶的生长。 电磁搅拌按工作磁场形式大致上可分为两种：旋转磁场式电磁搅拌和直线移动磁场式电磁搅拌(又叫线性搅拌)，前者一般用于小方坯和大方坯连铸等过程，而后者主要用于板坯连铸。旋转磁场式电磁搅拌的工作原理类似于交流电动机。通三相交流电(有时采用两相供电)，在磁极问产生旋转磁场，旋转磁场在铸坯钢液内产生感应电流，进而在钢液内产生旋转力矩，使钢液产生旋转运动。 线性电磁搅拌其工作方式与直线电动机类似。即定子铁芯上的绕组通交流电，在磁极间激发行波磁场，行波磁场在铸坯钢液内产生感应电流，从而在铸坯内产生电磁力矩，形成线性搅拌。一般地，线性电磁搅拌的行波磁场方向平行于铸坯的宽面方向。

3连铸电磁搅拌技术的类型 磁搅拌按安装位置进行分类，可以分为：结晶器电磁搅拌、二冷区电磁搅拌、凝固末端电磁搅拌。 结晶器电磁搅拌安装在结晶器水套内部或外部(内置式或外置式结晶器电磁搅拌器)，其作用效果是：允许铸机提高拉坯速度，改善铸坯表面质量，清洁凝固壳表层气泡和夹杂，有利于降低钢水的过热度，提高钢水纯净度，改善铸坯内部组织结构，增加等轴晶率等。 二冷区电磁搅拌，这种形式的搅拌器安装在二冷区。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，减轻中心偏析和内弧夹杂物的集聚。目前的生产实践和研究表明，只有将二冷区搅拌与凝固末端搅拌结合起来，才能实现最佳效果。 凝固末端电磁搅拌，这种形式是搅拌器安装在钢液凝固末端(糊状区)。此时，钢水成糊状，凝固壳较厚，一般采用低频电源。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。 一般地讲，在结晶器处或其附近搅拌钢液时，能获得表面质量好的铸坯；但若要改善铸坯的内部质量，就必须在二冷区设置电磁搅拌器。此外，还应确定在多大范围内搅拌钢液，然后才研究任何具体设置搅拌器结构。如果要保证铸坯的表面质量和内部质量都良好，并且避免白亮带形成，就要求在结晶器处、二冷区甚至在凝固终点处均安装电磁搅拌器，即实行所谓多段搅拌或联合搅拌。

图1 连铸电磁搅拌示意图 4连铸电磁搅拌的冶金效果 (1)增加等轴晶区改善铸坯的机械性能 等轴晶与柱状晶相比，等轴晶的晶粒在长大时彼此交叉，枝权间搭接牢固，裂纹不易扩展，各晶粒的取项各不相同，没有方向性，避免了小钢锭凝固组织的形成，得到致密的钢坯组织。另外，由于柱状晶在加热时表现为各向异性，等轴晶表现为各向同性，近年来的研究发现晶界对材料的性能有着很大的影响，在晶界处存在的偏析和非金属夹杂物往往是产生断裂的根源。因此应减少柱状晶，增大等轴晶率，以提高铸坯的机械加工性能，可使钢的抗拉强度得到提高。但对塑性的影响却是晶粒细化和二次臂间距增大两方面共同作用的结果。当电磁搅拌强度作用在一定范围内时，由于相界变得圆滑，减低应力集中程度可使塑性提高。铸坯中影响等轴晶比率的因素有：钢液的浇注温度、浇注速度、钢锭的冷却能力及融化温度。实质是取决于液相穴内的温度梯度和形核率。电磁搅拌降低了温度梯度，提高了形核率，因此提高了等轴晶率。 (2)减少非金属夹杂物的皮下聚集改善铸坯的表面及皮下质量 由于熔钢流动对凝固前沿的冲刷和洗涤作用，有效的防止了凝固组织中气孔的出现和初凝壳Al2O3等非金属夹杂物的捕捉，使铸坯表层l0mm以内的夹杂物含量大幅度降低。另外，钢液的流动也可以使非金属夹杂物容易上浮到弯月面而从皮下去除，减少精整量，改善了铸坯的表面及皮下质量。搅拌过程中使钢液裸露，不仅提高其收得率，也利于快速真空脱气。电磁搅拌在排除钢液非金属夹杂物方面，有其他搅拌根本无法替代的独特功能；电磁场能对导电流体(钢液)中的不导电物质(非金属夹杂物)产生挤压力而使其分离，可加快夹杂物的上浮速度，这一功能对生产洁净钢有着十分重要的意义。电磁搅拌是生产洁净钢理想的搅拌方式。

图2 M-EMS的冶金机理和效果示意图 (3)降低中心偏析改善宏观偏析提高铸坯内部质量 严重的中心偏析对材质有显著的影响，在轧钢时易产生夹层，降低钢的机械性能。中心偏析形成机理有以下几种：(a)小钢锭凝固理论认为，当浇注碳的质量分数超过0.45%的钢时，即使是中等过热度的钢液也有柱状晶强烈增长的趋势，易形成枝晶“搭桥”和“小钢锭”结构而产生中心疏松和中心偏析；(b)溶质元素析出与富集理论认为，铸坯从外表面到中心结晶过程中，由于钢中一些溶质元素(如碳、锰、硼、硫、磷)，在固液边界上溶解并平衡移动，从柱状晶析出的溶质元素排到尚未凝固的金属液中，随结晶的继续进行，把富集的溶质推向最后凝固中心，即产生铸坯的中心偏析；(c)铸坯芯部空穴抽吸理论认为，铸坯在结晶末期，由于液相向固相的转变，伴随着体积收缩或因铸坯鼓肚而产生一定的空穴，使得富集了溶质元素的钢液被吸入芯部，造成中心偏析。等轴晶率是影响中心偏析的一个重要因素，电磁搅拌的作用降低了钢液的温度梯度，提高了等轴晶的比率，同时搅拌使液相穴内的溶质分布更加均匀，中心偏析会大大改善。

5连铸中应用电磁搅拌技术时面临的问题 (1)电磁搅拌过程中的连铸工艺参数未进行合理的优化：钢液流速是控制铸坯质量的重要参数，而配合电磁搅拌工艺的连铸工艺参数的确定也直接影响到电磁搅拌效果，如二冷配水制度等。 (2)电磁搅拌器的结构布置和电磁搅拌参数未进行充分的优化：由于电磁搅拌器内有效电磁搅拌力的大小取决于磁感应强度的分布情况。而电磁搅拌器的磁轭布置，线圈的绕线方式都会影响到电磁搅拌器内的磁场分布。对馈电频率，馈电电流强度进行优化可以有效的提高电磁搅拌效果。 (3)功率问题：由于连铸电磁搅拌器采用低频率高强度的三相交流电流馈电，馈电线圈上的电能损失和搅拌器内由于感应涡电流而造成的铁磁损耗严重。强迫钢水运动的能量源是电能转化的磁场能，磁场范围中如果有导电材料，将不同程度地形成磁屏蔽，造成由电能转化成的有效搅拌磁场能效率大大降低，所以需要对电磁搅拌器内的铁损进行分析。另外，由于电磁搅拌器工艺复杂，安装不配套，气隙大，电磁搅拌器内的磁漏严重，电磁场衰减严重。 (4)搅拌器的冷却问题：电磁搅拌线圈下作时，将产生很大的电流，会引起线圈发热，若没有保护措施，必然将线圈烧坏。一般都是给线圈通水冷却的方式，可以将线圈浸漆绝缘后，浸入循环冷却水中，但这种方式线圈的使用寿命短，一般最多使用两年。线圈采用中空铜管绕制而成，中间通循环冷却水冷却，但这种方式对冷却水的水质要求较高，必须采用水处理技术保证在线圈中循环流动的水不至结垢。还要考虑生产净水不合理配水引起热交换器的冷却水量不足等问题。