電磁攪拌技術(shù)在煉鋼連鑄機(jī)中的應(yīng)用技術(shù)

李俊峰

【摘要】：隨著連鑄技術(shù)的應(yīng)用和發(fā)展，連鑄坯的質(zhì)量越來越受到重視。近年來，超純凈鋼的開發(fā)和應(yīng)用對鑄坯的質(zhì)量、凝固組織和成分均勻化提出了更高的要求。電磁攪拌技術(shù)對提高鑄坯的等軸晶率、細(xì)化凝固組織、降低夾雜物含量并促進(jìn)成分均勻化具有重要作用。

【關(guān)鍵詞】：電磁攪拌技術(shù)；應(yīng)用技術(shù)；應(yīng)用分析

1電磁攪拌技術(shù)原理

電磁攪拌（EMS）的工作原理如下，線性感應(yīng)電機(jī)由兩相或三相電流驅(qū)動(dòng)，并且可以產(chǎn)生交變磁場。電流變化時(shí)，磁場的磁極到另一個(gè)極點(diǎn)的同時(shí)產(chǎn)生電磁力，當(dāng)電磁場具有恒定角速度并以此切斷熔融金屬時(shí)，在熔體內(nèi)會(huì)產(chǎn)生同樣角頻率的感應(yīng)電流。在外部電磁場作用下，具有載流導(dǎo)電性能的熔融金屬會(huì)形成較大的電磁力，從而有助于實(shí)現(xiàn)熔融金屬的直線或旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。電磁攪拌技術(shù)的本質(zhì)是使用電磁力迫使熔融金屬產(chǎn)生定向移動(dòng)，同時(shí)使凝固過程熔融金屬的溫度場和濃度場均勻，降低凝固過程的形核功和臨界晶核半徑，增加等軸晶的數(shù)量，達(dá)到晶粒細(xì)化的目的，進(jìn)而提高鑄坯內(nèi)外部分的質(zhì)量。根據(jù)磁場的工作形式，電磁攪拌可大致分為旋轉(zhuǎn)型和直線型（也稱線性攪拌）。旋轉(zhuǎn)磁場的電磁攪拌工作如交流電機(jī)，通過三相交流電流（有時(shí)兩相供電），在液體金屬內(nèi)旋轉(zhuǎn)磁場的磁極之間產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場感應(yīng)電流，從而在熔融金屬內(nèi)產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)扭矩，使熔融金屬發(fā)生旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。直線型電磁攪拌，其工作像直線電機(jī)，為了激發(fā)行波磁場，在鐵芯的定子繞組上通交流電，使金屬液產(chǎn)生感應(yīng)電流和電磁轉(zhuǎn)矩，從而形成線性攪拌。在一般情況下，線性電磁攪拌磁場方向平行于坯材表面的寬度方向。

2電磁攪拌技術(shù)的應(yīng)用

2.1電磁制動(dòng)EMBR

電磁制動(dòng)采用靜態(tài)磁場來減弱鋼流湍流和控制鋼水流速。靜態(tài)磁場作用在流動(dòng)的鋼水上產(chǎn)生感應(yīng)電壓，鋼水流速越高，感應(yīng)電壓越高。這些電壓在鋼液中可以產(chǎn)生電流，感應(yīng)電流和靜態(tài)磁場作用會(huì)產(chǎn)生與鋼水流動(dòng)方向相反的制動(dòng)力。鋼水流速越高，制動(dòng)力越大；控制彎月面鋼水流速可減弱湍流，使彎月面鋼水平穩(wěn)，顯著減少保護(hù)渣的卷入；減弱鋼水向凝固殼的傳熱，提高彎月面鋼水溫度；改變結(jié)晶器中鋼水流動(dòng)的分配，使從水口流出的鋼水穿透深度變淺，有利于夾雜物和氣泡向彎月面上浮。

2.2連鑄的軟接觸技術(shù)

連鑄的軟接觸技術(shù)借鑒了鋁合金的無模電磁缺陷。電磁軟接觸通過結(jié)晶器的外側(cè)施加交流磁場的作用，高頻電磁場透過結(jié)晶器使液態(tài)金屬與結(jié)晶器壁的接觸壓力減小，減輕了由于結(jié)晶器振動(dòng)保護(hù)渣流入、流出時(shí)所造成的動(dòng)壓變化而引起的鑄坯表面振痕。軟接觸電磁連鑄技術(shù)自上世紀(jì)從理論到實(shí)驗(yàn)研究，從低熔80年代末開始開發(fā)點(diǎn)金屬到直接進(jìn)行鋼的連鑄試驗(yàn)，發(fā)展十分迅速。

實(shí)驗(yàn)表明，軟接觸技術(shù)電磁連鑄技術(shù)在傳統(tǒng)連鑄機(jī)上的應(yīng)用是可行的。但是，要真正實(shí)現(xiàn)工業(yè)應(yīng)用還有一些關(guān)鍵技術(shù)需要攻克。

2.3電磁攪拌器的布置位置

電磁攪拌器的布置位置有：中間包加熱用電磁攪拌H-EMS；結(jié)晶器電磁攪拌M-EMS；二冷段電磁攪拌S-EMS；凝固末端電磁攪拌F-EMS。

2.3.1中間包加熱用電磁攪拌：使連鑄過程中鋼水的過熱度保持在30～40℃。其突出特點(diǎn)是利用非金屬夾雜物與金屬液之間導(dǎo)電性的差異，實(shí)現(xiàn)兩者的分離。

2.3.2結(jié)晶器電磁攪拌：安裝在結(jié)晶器的下部，用于減少表面缺陷、皮下夾雜物、氣孔和針孔，改善凝固組織，降低表面粗糙度，增加熱送率，擴(kuò)大鋼種，適合于冷軋鋼、彈簧鋼、半鎮(zhèn)靜鋼等鋼種的澆鑄。

2.3.3二冷段電磁攪拌：可以促進(jìn)鑄坯晶粒細(xì)化，一般與M-EMS組合使用。能夠增加等軸晶率，減少中心縮孔和疏松，少中心偏析及內(nèi)減裂，放寬過熱度，提高拉速，降低壓縮比。適于生產(chǎn)厚板、普板、不銹鋼、工具鋼等鋼種。

2.3.4凝固末端電磁攪拌：一般在澆鑄對碳偏析有嚴(yán)格要求的高碳鋼時(shí)使用，安裝在凝固末端附近，可減少中心縮孔和中心偏析，提高拉速，降低壓縮比。

2.4電磁制動(dòng)的不足

鋼水流動(dòng)方式是保證鋼質(zhì)量的關(guān)鍵，結(jié)晶器應(yīng)采內(nèi)鋼水的流動(dòng)模式?jīng)Q定著板坯的質(zhì)量用一種最佳模式。電磁制動(dòng)在高拉速下取得顯著效果，但其直流電磁體是“被動(dòng)”僅能以一種與實(shí)際鋼水速度成比例的制動(dòng)作用制動(dòng)流得太快的鋼水。另外，其效果受板坯寬度、鑄速、吹氬率和浸入式水口深度/設(shè)計(jì)的特殊影響，只能在特定的操作下產(chǎn)生好的效果。與此相反，交流磁場是“主動(dòng)”能實(shí)現(xiàn)澆鑄操作的多功能性。

3電磁攪拌技術(shù)的發(fā)展前景

隨著銅管連鑄生產(chǎn)的擴(kuò)大，電磁攪拌連鑄工藝還將不斷深入研究，并且將得到越來越廣泛的應(yīng)用。電磁攪拌技術(shù)在銅管連鑄生產(chǎn)中的發(fā)展趨勢可以概括為以下幾個(gè)方面：（1）利用數(shù)值模擬分析電磁攪拌過程中流場、熱場和電磁場對凝固組織的影響，結(jié)合銅管連鑄實(shí)際生產(chǎn)提高生產(chǎn)效率及成品率，為銅管連鑄實(shí)際生產(chǎn)提供數(shù)據(jù)支持。（2）進(jìn)一步擴(kuò)大電磁攪拌技術(shù)在板坯、方坯、圓坯連鑄方面的應(yīng)用。（3）分析電磁攪拌影響成分偏析、氣泡分布及樹枝晶生長過程是未來工藝研究所要關(guān)注的重要問題。（4）隨著電磁攪拌凝固理論的發(fā)展，電磁攪拌連鑄生產(chǎn)的合金種類將日益廣泛，同時(shí)也為金屬凝固基礎(chǔ)理論的研究注入更大的動(dòng)力。

結(jié)語

電磁連鑄技術(shù)是將合適型號的電磁攪拌裝置安裝在連鑄機(jī)的不同部位，在連鑄過程中利用電磁攪拌產(chǎn)生的電磁力將鑄坯內(nèi)金屬液攪動(dòng)以對抗其所受的重力作用，這種電磁攪拌形式高效并且是非接觸式的，在金屬熔體的凝固過程中可以有效使其內(nèi)部均勻流動(dòng)、傳熱和傳質(zhì)，從而獲得理想的溫度場和流場，有效減少熔體內(nèi)合金元素分布不均等凝固缺陷，細(xì)化鑄坯晶粒尺寸，改善連鑄坯的質(zhì)量，進(jìn)而生產(chǎn)制備出各項(xiàng)性能優(yōu)異的鑄坯。

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