电磁搅拌技术在连铸机上的应用及其对铸坯质量的影响

电磁搅拌技术在连铸机上的应用及其对

铸坯质量的影响

摘要：连铸电磁搅拌装置能有效地改善铸坯的内部组织结构，提升表面的质量，减少中心偏析和中心疏松，基本消除中心缩孔和裂纹，大大增加等轴晶率，是生产高碳钢的必要设备，因而广泛应用于各种方坯连铸机上。电磁搅拌能够实现无接触能量的转换，即不予钢水接触就可以将电磁能转换为钢水的动能和部门热能，并且可人为调节电磁流的方向及钢水搅拌方向，从而生产出符合不同钢种需求的板坯，对改善板坯质量有重要的作用。鉴于此，本文对电磁搅拌技术在连铸机上的应用及其对铸坯质量的影响进行分析与探讨。

关键词：电磁搅拌技术；连铸机；二冷配水；铸坯质量

1.

电磁搅拌技术原理和分类

电磁搅拌器相较于三相异步电动机工作原理相同，三相电源提供电力支持，在磁极中形成旋转磁场。通过搅拌装置的钢液，磁场会产生电磁力矩作用在钢液上，围绕着注流断面轴心旋转运动。电磁力方向是由磁场磁极变化方向所决定，任意两相电源界限交换，即可改变电磁力方向，结合搅拌工艺要求，灵活调整电磁搅拌方向。通过控制钢液对流、传热和传质过程，促使钢液过热度均匀，打破树枝晶，促进钢液中的气泡和杂质上浮，加剧等轴晶形成。通过此种方式，可以改善中心疏松、缩孔和中心偏析问题，切实提升铸坯内在质量和表面质量。就电磁搅拌器类型来看，依据不同安装位置划分为三种：①二冷区电磁搅拌器，在连铸机的二冷段位置安装，有足辊下搅拌器。②结晶器电磁搅拌器，在连铸机结晶器的位置上安装，跨于足辊和结晶器的搅拌器也属于此类范畴。③凝固末端电磁搅拌器，在接近连铸机凝固末端区域安装。④中间包加热用电磁搅拌器，此类电磁搅拌器在连铸机中应用，促使钢液温度始终保持在中间包液相温度的10~25℃

范围内，在应用范围较广，无论是投资还是成本都远远小于等离子加热方式，二次冶金效果较为可观。

1.

电磁搅拌工艺对于连铸工艺的影响

电磁搅拌装置的应用，铸坯可以获得中心较宽的等轴晶带，对于改善中心偏析和中心疏松等问题效果显著。究其根本，是由于电磁搅拌器的应用，钢液运动速度加快，凝固前沿枝晶被折断，液相穴底可以获得圆滑与宽大，抑制柱状晶生长，避免凝固桥形成，在改善铸坯中心疏松问题方面效果显著。另外，可以改善小钢锭结构成型，规避中心偏析的铸坯问题出现。

2.1改善连铸坯的坯壳厚度不均问题

结合连铸工艺特性，连铸坯凝固是一个复杂的过程，经历传热和传质过程，钢水在20~80 s时间内只通过1m左右结晶器，但是却有超过28%的热量经由结晶器传出，这个过程的本质上是一个散热过程。受到冷却系统水流分布、结晶器结构和保护渣等因素多方影响，结晶器传热效果不符合预期要求，而钢水冷却强度也不尽相同，不可避免的出现铸坯坯壳厚度不均问题。通过对钢水无接触性的搅拌，有助于进一步提升传热效率。电磁搅拌器在结晶器外侧安装，通过磁场和感应电流的联合作用，促使结晶器中钢水旋转，热量加快传到结晶器外，促使钢水冷却强度更加均匀，改善连铸坯壳厚度不均问题，改善铸坯质量。电磁搅拌工艺相较于传统的技术，或是并未使用电磁搅拌工艺的铸坯，等轴晶率要提升超过10%~20%，在细化晶粒方面效果显著，铸坯在截面上的晶粒均匀、细小。柱状晶生长期间，液相选用电磁搅拌，柱状晶生长方向将会发生改变，向迎流方向倾斜生长。

2.2改善连铸坯夹杂物上浮难的问题

连铸生产期间，由于结晶器中钢水凝固是一个快速的过程，温度逐步下降钢水也会持续凝固，凝固前气体饱和，气体析出附着在杂质上，产生气泡。气泡的产生，多是由于脱氧不良导致，轧制期间气泡如果未经及时处理，会造成铸坯表面缺陷，并且这种有害缺陷将会进一步扩大。同时，这些气泡容易被枝晶捕获，

是导致夹杂物形成的一个主要原因。即便普通连铸工艺中，部分夹杂物伴随钢水运动上浮被保护渣吸收，但多数的夹杂物是无法上浮到表面的。依托于电磁搅拌技术，推动连铸工艺改进和创新，通过非接触电磁力来促进钢水旋转运动，加快钢液的上下流动速度，在电磁力作用下促使夹杂物上浮，便于熔渣充分吸收，有效改善皮下气泡问题。

2.3连铸坯的中心偏析问题

连铸坯中心偏析问题的出现，是由于连铸生产过程中选择高强度冷却方式加快铸坯凝固速度，平行推进凝固界面，促使铸坯保持单面散热的状态。连铸铸坯断面的温度梯度较高，逐步冷却后，凝固界面前沿的温度梯度越来越高，促使柱状晶形成。而在凝固末期，尚未凝固的富集元素仍然在钢液中旋转流动，出现了中心偏析问题。针对此类问题，使用电磁搅拌技术产生强有力的电磁搅拌力，加快钢液旋转速度，钢水热量交换速度变快，便于钢液更加均匀冷却，减少铸坯断面温度梯度，有效改善中心偏析的质量问题。电磁搅拌工艺对于成分均匀化所产生的影响较大，具体表现在钢水冷却速度和流动方向因素相关联，基于电磁搅拌工艺处理后的铸坯，成分均匀化效果更加明显。同时，由于铸坯细化晶粒，导致铸坯抗拉强度大幅度提升，如果将强度控制在特定范围内，那么铸坯表面将更加圆滑，在降低应力集中程度的同时，提升铸坯塑性。

三、电磁搅拌技术在连铸机中应用

3.1单一搅拌工艺

连铸机上选择的搅拌方式是否合理，直接关乎到铸坯质量。选择单一式的搅拌工艺较为普遍，对偏析要求不严格，可以改善铸坯内在质量和表面质量，可以满足保护式浇铸和敞开式浇铸需要。铸坯表面和皮下区是安装了结晶器电磁搅拌器内形成，在电磁力作用下导致钢水旋转，对凝固壳内表面进行冲刷，气体析出，可以改善铸坯表层温度，有效把握坯壳的尺寸和致密性，改善翻皮、夹渣和气泡等问题。选择二冷段电磁搅拌工艺，可以细化晶粒等轴晶区域，宽度大小需要依据搅拌器安装位置液芯宽度来调整确定。此种搅拌器可以提供螺旋式搅拌运动，螺旋式搅拌方式优势突出，可以满足小方坯作业需要，而行波式搅拌方式则适合

在板坯和大方坯中应用。除此之外，还有一种新式螺旋桨式的搅拌工艺，可以实现上述两种搅拌工艺叠加，但是投资成本高，耗能高，所以实际推广应用难度较大。二冷段电磁搅拌技术应用，根据应用条件不同，所选择的模式也有所差异。

从结构角度划分，包括箱式电磁搅拌器、辊式电磁搅拌器和插入式电磁搅拌器几种。①箱式电磁搅拌器。在实际应用中，更换连铸机内弧侧的磁性支撑辊，选用非磁性支撑辊，同时配备一台行波磁场电磁搅拌器，以此来形成磁场，作用钢水运动。由于装置气隙较大，能耗随之增加，加之体积和自重大，所以设备安装以及后期检修维护难度较大，需要在设计中全面考量。②辊式电磁搅拌器。板坯扇形段两侧取消1、2个支撑辊，同外径电磁搅拌辊在扇形段上安装，用于支撑与搅拌。由于此种装置特性，是将电磁搅辊线圈在辊套内部安装，铁芯与铸坯表面较为接近，所以装置运行功率较小。选择电磁搅拌辊连铸机改造费用较小，不需要过多的改造。搅拌器安装位置改变较为容易，在同直径不同非驱动辊上，综合考量选择最佳的搅拌位置，此种方式是二冷段搅拌工艺的最佳选择。③插入式电磁搅拌器。板坯两侧取消一对支撑辊，选择两对非磁性的小辊支撑板坯，并且在两侧小辊之间分别安装插入式板坯电磁搅拌器。此种方式相较于其他两种，电磁搅拌器功率较大，并且铁芯与铸坯表面紧靠，搅拌效果较为可观，但是设备的安装和维护难度较大，一旦出现故障，可能会造成生产停滞，浪费资源，增加成本。

3.2组合式搅拌工艺

如果是高合金钢和高碳钢浇铸，可能出现过热度高和铸造快速的问题，或是遇到特殊要求的连铸工艺，仅仅凭借单一搅拌工艺难以保证铸坯质量。基于此，可以选用两个间距一定的搅拌器组合使用。组合搅拌式工艺可以改善合金元素聚集在轴向的问题，但是难以改善含碳量高的钢种偏析问题，可以推行S2+FEMS组合搅拌工艺，借助末端位置安装的搅拌器，促使铸坯中的晶粒运动，金属元素混合搅拌，凝固介乎后形成良好组织结构，均匀度符合要求。对于部分浇铸难度较大的钢种，以滚珠轴承钢为代表，可能受到客观因素影响产生特殊冶金问题，推行三种搅拌器组合工艺，充分整合不同工艺优势，有助于最大程度上改善铸坯内部质量，需要结合实际情况灵活选用。