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，