电磁冶金

电磁技术在冶金中的应用

杨治刚11721466

（上海大学材料科学与工程学院）

摘要：本文简单的介绍了电磁冶金的发展，重点分析了电磁技术在冶炼，连铸和无损检测方面的应用，在电磁连铸中，分析了电磁搅拌、电磁制动和软接触电磁连铸技术的特点以及各技术的应用现状。并对电磁技术在冶金中的发展前景进行了的展望。

关键词：电磁冶金；冶炼；连铸，无损检测；电磁搅拌；电磁制动；软接触The application of electromagnetic technology

in metallurgy

Zhigang Yang 11721466

(School of Material Science and Engineering, Shanghai University) Abstract: This article simply introduces the development of electromagnetic metal- urgy. And the application of electromagnetic technology in smelting, casting and nondestructive testing is analyzed. In the electromagnetic continuous casting, the characteristic and the present situation of the application of the electromagnetic stirring, electromagnetic brake and soft contact electromagnetic continuous casting technology are introduced. And the developing prospect of electromagnetic technology in metallurgy is also discussed.

Keywords：electromagnetic metallurgy; smelting; casting; nondestructive testing;

electromagnetic stirring; electromagnetic brake; soft contact

1.前言

磁流体力学(Magneto hydro dynamic，即MHD)是研究导电流体在电磁场作用下运动规律的一门学科。它涉及到经典电动力学和流体力学。1982年9月在英国的剑桥大学首次召开了由1UTAM(International Union of Theoretical and Applied Mechanics，国际理论力学和应用力学协会)主持的磁流体力学在冶金中的应用(Metallurgical Applications of MHD)的国际会议，并出版了专门文集；该文集有32

篇文章，所涉及到的内容主要是电磁场和流速计测技术、感应炉、电磁搅拌、形状控制、电弧炉等五个课题，其中法国Grenable小组的研究报告显示出很高的水平。1983年日本名古匿大学浅井滋生教授发表的“磁滤体力学在冶金过程中的应

用一文，对电磁感应流的基本式、电磁感应浇的分析(包括移动磁场产生电磁感

应搅拌，固定磁场产生电磁感应搅拌及加电浇后产生的电磁感应搅拌)、电磁力

对凝固组织的影响以及高频磁场控制熔融金属的形状等方面进行了深入的论述。这些论迹对如何在冶金过程中正确地运用磁流体力学原理是有重要意义的。日本由于受到IUTAM研讨会的启发，在日本钢铁协会研究委员会的下属组织“炼钢未来技术的调查、研讨委员会”中提出了将磁流体力学应用到冶金领域中的有关问题，并将其命名为电磁冶金。1985年日本钢铁协会电磁冶金委员会成立，标志着电磁冶金已经成为一门独立的学科[1]。MHD之所以能在冶金中得到广泛应用，

主要是由于熔融金属是电的良导体。在磁场和电流作用下，金属熔体内产生电磁力，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。MHD

技术具有能量的高密性和清洁性，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，在冶金上有着广泛的应用前景[2]。目前已经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。本文主要介绍其在冶炼、连铸和检测方面的发展和现状。

2.电磁冶炼

日本富士电气、中部电气公司和钢铁协会合作开发了电磁力悬浮熔炼技术，该技术采用钢质扇形段水冷元件做成坩埚，其外缠有线圈，线圈与高频电源相接。这种布置在炉料和坩埚中形成涡流加热炉料，同时，另一个线圈产生强大的电磁力将炉料托起。加热线圈使用高频电流(>20kHz)。加热效果依赖于电流的频率，随频率增加，热量逐渐集中在炉料的外表面。下部线圈要求使用低频电流(<5kHz)。熔化操作时，上部线圈输入功率为480kW，频率30kHz，下部线圈为400kW，3kHz。可以在10min内将50kg铸铁熔化。当熔化完毕，上部线圈功率降至400kW，下部线圈降至150kW，因输入功率降低，电磁力减少，可精确控制两组线圈产生的电磁力与重力之间的平衡，在10～30s完成出钢。由于不受坩埚材料的污染，它更

适合于挥发性、放射性、高化学性、高纯度及高熔点金属的熔炼。

直流电弧炉中的电磁现象直流电弧炉中电弧和钢液都是导电流体。它们又都

置于底阳极和顶阴极的电磁场之间，电弧能否有效地把热量传给钢液和钢液的运动规律都受电磁场的控制，研究结果表明:(1)采用低电压下大电流操作可以减少

准电离层电离浓度，从而减少偏弧；(2)合理布置底电极大电流回路是减少和控

制偏弧的有效手段。采用反向回路和三维布置能显著降低产生偏弧的磁场；(3)

无底吹气体的直流电弧炉中，钢液流动受电磁力控制；(4)增加底阳极直径，特

别是采用导电炉底，可提高搅拌强度；(5)加外磁场(磁镜、搅拌圈)等改善电弧传热和钢液流动[3]。

3.电磁连铸冶金

电磁技术的应用是70年代以来连铸技术最重要的发展之一，同时连铸已成为电磁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和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。

由于流动影响凝固过程的传热、传质及其对树枝晶的直接动力作用，从而对铸坯从表层开始凝固到中心完全凝固的全过程起着至关重要的作用。电磁技术的核心，就是利用电磁力控制铸坯凝固过程的流动现象，以改善铸坯的结构、质量和轧材性能。

3.1电磁搅拌

3.1.1电磁搅拌技术的简介

电磁搅拌技术是对金属凝固过程进行控制的一种有效手段。它对提高铸坯的等轴晶率、细化凝固组织、改善夹杂物并促进成分均匀化具有重要作用。电磁搅拌是利用电磁感应产生的作用来推动金属有规律地运动，从而减少枝状晶，增加等轴晶率，达到改善铸坯质量的目的。其实质是借助电磁力的作用，使钢液中产生感应电流，载流钢水在磁场中受到罗仑磁力的作用，强化液相穴中钢水运动，从而改善钢水凝固过程中的流动、传热和迁移过程，达到改善铸坯质量的目的[4,5]。

实践证明，电磁搅拌技术可以从以下几个方面改善铸坯的内部质量:

(1)钢液的流动状态有利于非金属夹杂物及气泡的上浮，降低铸坯内部气泡

及夹杂物的含量；

(2)抑制弯月面处钢水的波动，防止保护渣等外界杂质卷入结晶器钢液内；

(3)降低钢水的过热度，均匀液相穴内温度场，防止液面温度过高或过低带