電磁冶金新技術的研究現狀與發展趨勢

王凱，何明，王強，劉鐵，赫冀成

（東北大學材料電磁過程研究教育部重點實驗室，遼寧 沈陽 110819）

電磁冶金是利用電磁場的力效應及熱效應等來影響冶金過程中能量傳輸、流體運動和形狀控制，進而達到優化冶金過程、提高生產效率、改善產品質量和性能的目的。很早以前人們就開始使用電能來冶煉金屬。之后，人們發現了電場和磁場共同作用于液態金屬產生的電磁流體力學現象，并將其應用于冶金生產，形成了電磁攪拌［1］、電磁懸浮熔煉［2］等一系列電磁冶金技術，隨后擴展到材料制備的諸多過程中，稱為材料電磁過程。

傳統電磁冶金技術在國內外鋼鐵行業已經有30多年的應用歷史，主要包括基于電磁場熱效果的電磁感應加熱技術，以及利用洛倫茲力而形成的電磁攪拌、電磁制動、電磁無模鑄造技術等。這些技術顯著提高了鋼材產量和質量，優化了冶金工藝過程。

隨著鋼鐵工業逐步向高效、連續、短流程的方向發展，電磁冶金技術的發展主要呈現以下兩個趨勢：一是隨著電磁場相關技術以及電磁場、流場、溫度場耦合的電磁流體現象的機理不斷被揭示和冶金與材料工業發展需求，傳統的電磁冶金技術不斷更新換代，向自動化和智能化過程發展；二是一系列電磁冶金新技術不斷涌現，如連鑄過程中的鋼包電磁感應加熱出鋼技術、電磁旋流水口技術、電磁防漩技術、電磁控流技術等正在不斷開發研究中。電磁冶金技術的應用領域不斷擴大，從最初的鋼連鑄的電磁攪拌、鋁合金的電磁鑄造不斷延伸發展，現已貫穿幾乎整個鋼連鑄的每個環節以及有色金屬冶煉、鑄造和非金屬材料與新材料的制備等多個新興領域。

1 鋼包電磁感應出鋼技術

隨著工業的不斷發展，用戶對鋼材性能的要求日益苛刻。為滿足在高強度、耐腐蝕、長壽命等惡劣環境下工作的需要，便形成了以最大程度減少鋼中夾雜物為目的的潔凈鋼冶煉技術。目前的煉鋼生產中，滑動水口開澆系統采用的引流砂主要為二氧化硅、堿性長石、鉻質耐火材料及其他添加成分，這些物質在自動開澆后會對鋼液造成污染。另外，近年來人們發現鉻質引流砂雖然比之前使用的硅質引流砂燒結性能優越，能夠提高自動開澆率［3］，但是它作為外來夾雜物會污染鋼水，而且具有高氧化物的特點，使鋼液中的硅、鋁等元素發生氧化反應，生成內生夾雜物。不僅如此，還會對環境造成嚴重的污染。因此有必要尋找一種能夠代替引流砂的物質，既不會引入新的外來夾雜物污染鋼水，同時也不會影響順利開澆。

1.1 電磁感應出鋼技術的原理及優勢

鋼包電磁感應出鋼技術是一種全新的鋼包開澆法［4-8］。圖1為電磁感應出鋼系統［4-8］，其原理是利用與鋼液成分相同或相近的鐵碳合金顆粒代替傳統引流砂，并在鋼包底部座磚內設置線圈，通過電磁感應加熱，使鋼包底部上水口內的鐵碳合金封堵層全部或部分迅速熔化，在鋼液靜壓力的作用下流出從而實現鋼包自動開澆出鋼。

電磁感應加熱出鋼方法避免了引流砂的使用，能夠顯著提高鋼包的自動開澆率，減少鋼液中的夾雜物，有效改善了鋼水的潔凈度，減少企業的外購成本，還能避免對環境的污染，可以有效降低鋼鐵生產所產生的固體和氣體污染物，尤其可以降低毒性非常大的Cr6+的排放。

1.2 電磁感應出鋼技術的可行性及效果分析

圖2為熱態實驗裝置示意圖,該裝置模擬了電磁感應出鋼動態過程［9］。采用內徑為130 mm、高為233 mm的MgO坩堝來模擬鋼包，在坩堝底部留有直徑為80 mm的圓孔，在孔中放入頂部內直徑為40 mm、底部內直徑為20 mm、材質為高鋁質的上水口，其頂端與坩堝底部上表面持平并用細鎂砂將結合處打結。利用含有碳纖維的石棉板模擬鋼包滑板，在滑板下部放置石墨坩堝模擬盛裝鋼水的中間包。模擬實驗證明了用鐵碳合金顆粒代替引流砂，同時借助電磁感應加熱技術可以實現順利出鋼。

圖3為采用填裝料直徑2.0 mm的球形鑄鐵，線圈頂端距坩堝底端h=60 mm的條件下，電源功率對出鋼開澆時間的影響［9］。由圖3可見，開澆時間隨著電源功率的增大不斷減少。電源功率從最低值（10 kW）向最高值（28 kW）變化時，對縮短開澆時間的作用效果呈非線性變化。可分為兩個階段，第一階段內（10～20 kW），功率的提高對縮短開澆時間效果明顯；第二階段內（20～28 kW），雖然功率的提高也能夠縮短開澆時間，但效果逐漸減弱。對曲線的兩個階段做切線（圖3中虛線），與圖中的水平線的夾角分別為α和β。則tanα和tanβ可認為是兩個階段功率對縮短開澆時間的作用效果。計算得出 tanα=6.3，tanβ=1.2。由此可知，第一階段增加功率對縮短開澆時間的作用效果是第二階段的5倍多。可見，當選用直徑為2.0 mm的球形鑄鐵顆粒作為填裝料，電源功率為20 kW，線圈頂端距坩堝底端60 mm時，電磁感應出鋼時間可以達到較小值，與傳統的引流砂開澆相比較，能有效縮短開澆時間，提高自動開澆率。同時，避免了有害雜質的引入，顯著提高鋼材質量，減少環境污染。因此，鋼包電磁感應加熱出鋼技術有著無法比擬的優越性。

2 鋼的電磁旋流水口連鑄技術

浸入式水口連接中間包和結晶器，起到保護鋼流、防止鋼液二次氧化的作用，同時還可以改變鋼液在結晶器內的流動形態。浸入式水口內偏流是影響結晶器內不穩定流動的重要因素之一，為了抑制水口內偏流，目前通常采用機械式旋流水口。但是，機械式旋流水口內固定的轉子由耐火材料制作，成本較高且容易損毀；鋼液中的夾雜物容易沉積在轉子上造成堵塞，使浸入式水口內流道變小，最終需要更換水口；轉子安放后，旋流狀態無法隨工藝條件進行調節和控制［10-12］，而采用電磁旋流的方法可以明顯改善這些缺點。

2.1 電磁旋流水口連鑄技術的基本原理及優勢

電磁旋流水口即在浸入式水口外側安裝可移動的電磁旋流裝置，通過旋轉電磁場以非接觸的方式使水口內鋼液形成旋轉流動，是一種新的浸入式水口內產生旋流的連鑄工藝［13-18］。圖4為電磁旋流水口連鑄工藝示意圖［16-18］。

雖然電磁旋流水口與機械式旋流水口產生旋流的方式不同，但同樣可以產生一定強度的旋轉流動，有效減輕或消除水口內鋼液偏流，進而均勻水口出流，降低結晶器內液面波動，減少由于卷渣等原因而引入的非金屬夾雜物，顯著提高鋼液的潔凈度，大幅減少鑄坯表面及內部缺陷，顯著提高鋼的品質。同時，應用電磁方式在水口內產生旋轉流動可以避免由于夾雜物沉積在轉子上而造成的水口堵塞，避免了水口的頻繁更換，并且由于鋼液旋轉流動對水口內壁沖刷，可以減少夾雜物沉積在水口內壁上而形成結瘤的情況，使連鑄得以順暢運行。另外，應用電磁的方式在水口內產生旋轉流動或者應用頻率等方式隨時調節旋流的強度，可以隨工藝條件的變化控制和調節旋流狀態，獲得更好的連鑄效果。

2.2 電磁旋流水口連鑄技術的可行性及效果分析

在機械式旋流水口的基礎上，將轉子移去，并在相同位置替換為電磁旋流裝置，旋流裝置底部與轉子底部保持在同一水平位置，其結構如圖5（a）、（b）所示。圖5（d）為 200 A、50 Hz條件下電磁旋流水口的模擬結果，與圖5（c）采用機械式旋流水口出口處y=0縱截面流場的結果相比，兩者比較類似［19］。因此，用電磁的方式代替機械式旋流水口是可行的。

以圓坯連鑄為例［20-22］，參照圓坯連鑄機中浸入式水口及結晶器的實際尺寸引入滑動水口，模擬由滑動水口半開而引起的水口內偏流，以及電磁旋流對該偏流的抑制作用。圖6分別為有、無電磁旋流時，結晶器內縱截面流場、溫度場分布［20-22］。由圖6可以看出，無電磁旋流時，由于水口內偏流的影響，水口出流主流不是垂直向下進入結晶器，而是偏向結晶器一側，造成結晶器內流場的不對稱，對結晶器內流場、溫度場造成不良影響。有電磁旋流時，結晶器內的偏流現象有所改善，結晶器內流場、溫度場較無旋流時均勻很多。

從以上對比結果可以得出，浸入式水口內旋流可以均勻水口內流場，有利于抑制水口內偏流的產生，并獲得穩定均勻的水口出流，進而降低由于偏流而引起的結晶器內彎月面波動。還可以減少鋼液對水口底部的沖擊，對水口出流的提升有一定幫助。因此，應用電磁的方式在水口內產生旋轉流動不僅可以顯著提高連鑄的生產率，實現電磁連鑄的順暢運行，還可以減少結晶器內流動控制設備的投入，實現電磁連鑄工藝的簡化，減少能源和資源的消耗，顯著提高鋼材的品質。

3 其他電磁冶金新技術

隨著現代科技的發展，電磁場以及電磁流體力學理論不斷完善，非接觸的電磁場控制手段在冶金領域的應用將會越來越廣泛。下面主要介紹一些重要的具有發展前景的電磁冶金新技術，這些技術絕大部分還處在研發和推廣階段，但不久它們會在實際工業生產中發揮重要的作用。

3.1 磁偏析布料技術

以釩鈦磁鐵精礦（磁性鐵礦石）為主要含鐵原料的燒結混合料粘性較大，使用常規的布料器會存在嚴重的粘結現象。磁偏析布料器既解決了傳統溜槽式布料器易粘料和崩料的問題，又克服了輥式布料器沿料層高度方向混合料粒度及固定碳偏析效果差的缺點，使燒結各項指標得到改善，尤其是對富磁性的混合布料有著重要的作用。

燒結磁偏析布料裝置是煉鐵領域應用于燒結工序的新型偏析布料器，基于磁場下不同粒徑和不同磁性的物料顆粒所受到的磁化力不同，在燒結布料過程中利用梯度磁場的作用，對大小顆粒實施不同的磁化力進行制動，非接觸地改變料層的顆粒和成分組成分布，實現偏析布料［23］。圖7為寶山鋼鐵公司磁偏析布料裝置示意圖［24］。

該裝置設置于燒結臺車上方，包括反射板、滑輪組和磁場裝置。磁場裝置位于反射板背面，滑輪組分別設置于磁場裝置兩側。兩滑軌分別通過一個連接板固定于磁場裝置，并與滑輪組相配合；兩齒條分別固定連接于連接板的另一側；兩齒輪固定在一個軸承座上，與齒條配合；蝸輪蝸桿的兩端分別固定于兩齒輪；調節手輪通過連桿和蝸輪相聯結。這種新型磁偏析布料裝置可滿足現場安裝條件，實現燒結磁偏析布料及對大型工業磁場裝置的精確調節，工作穩定可靠。

3.2 電磁測速技術

洛倫茲力測速儀［25］是一種非接觸式流體流速測量技術，適用于液態金屬，如冶金工業中鋼液、鋁液等。當導電流體流經永磁體產生的磁場時，將在液體金屬中產生感應電流。感應電流與磁場相互作用進而產生電磁力，即洛倫茲力，其作用相當于阻礙液體金屬流動。根據牛頓第三定律，會有大小相等方向相反的力作用在永磁體上，該力與流體的速度和電導率成正比。

圖8是固定洛倫茲力流速計示意圖及作用在洛倫茲力流速計的力隨管道中液態金屬平均速度的變化結果［26］。圖8中的磁鐵體系采用U型形式，包含兩個永磁體并且用鐵軛相連接。該磁鐵體系連接到一個平衡物并且它們都連接在一個鐘擺上。流速計可以通過測量鐘擺傾斜的角度或固定鐘擺測量磁鐵體系的受力來確定流體流速。圖8中，曲線1、2和3為磁鐵距離與管道內徑的比值，依次為1.14、1.28和1.43。可以看出，作用在磁鐵體系上的力隨流體流速的增加而增大。洛倫茲力測速是唯一非接觸電磁流速測量的方法，即使管道壁采用導電性能好的金屬材料，依然可以應用。因此該方法在冶金行業有很好的發展前景。

3.3 電磁輸運技術

液態金屬的傳輸是冶金工業中必不可少的重要環節。傳統的冶金物料傳輸方式有機械輸送和氣流輸送。機械輸送存在重量大、磨損及維修工作量大，設備密閉性差及輸送不耐高溫等缺點；氣流輸送，不論是壓送、吸送或螺旋空氣泵及倉式輸送泵等，都存在著能耗大、易磨損及后續氣固分離設備龐大等缺點。基于電磁流體傳輸原理而發展起來的電磁輸送裝置（電磁泵）構造簡單、密閉性好、設備運行平穩，適合熔體的輸送工作。電磁泵是利用磁場和導電流體中電流的相互作用，使流體在電磁力作用下產生流動的裝置［27］。根據工作環境的差異和輸送介質所要求的壓差、流量的不同，電磁泵發展成多種類型。冶金、鑄造等工業中，由于工作條件比較苛刻，要求電磁泵的結構簡單、工作可靠，因而大部分都采用平面感應式電磁泵［28］。

圖9為平面線性感應泵示意圖［29］。平面線性感應泵主要用于輸送高溫液態金屬。感應器繞組通電后會產生行波磁場，在行波磁場的作用下泵溝中的液態金屬中產生感生電流，感生電流與行波磁場相互作用產生的電磁力驅動泵溝中的液態金屬流動。平面線性電磁泵具有不需特殊電源、結構簡單、維修容易等優點，應用較廣泛，在鑄鐵、鋁等金屬的澆鑄作業中使用的電磁流槽就是一種泵溝敞開的平面線性感應泵。

3.4 電磁穩流和電磁加速技術

結晶器內鋼水流動控制技術對實現連鑄機的高生產率和高品質鑄坯具有重大影響［30］。基于行波磁場方式的結晶器電磁穩流和電磁加速技術是保證高速連鑄時鑄坯質量和澆注穩定性的不可缺少的技術。電磁穩流和電磁加速技術采用4個線性攪拌器，位于浸入式水口的兩邊，兩兩并排安裝在結晶器寬面支撐板的后面。它們對通過水口的鋼液進行減速或增速，將結晶器內的鋼液流動特別是將彎月面附近的流動控制在一個恰當的范圍內，以滿足不同拉速和規格的板坯生產。為了產生這樣的移動磁場，沿結晶器前后的長邊板面配置了線性馬達型磁場發生裝置，圖10為電磁水平穩定器和電磁水平加速器磁場放置方式［31］。

采用電磁控流裝置，結晶器內彎月面附近的流動可以被控制在一個最佳范圍內，從而大大減少鑄坯表面和皮下的夾雜物含量，達到減少鑄坯表面和內部缺陷的目的［32］。

3.5 薄板坯電磁側封技術

側封技術是制約薄板坯連鑄技術發展的因素之一［33］。側封是為了能在兩鑄輥間形成液態金屬熔池而在鑄輥兩端添加防漏裝置，起到約束金屬液體，促進薄帶成型，保證薄帶邊緣質量等作用。電磁側封技術是在雙輥的兩個端面上施加電磁場，通過作用于液態金屬上的電磁力達到側封的目的。圖11為電磁側封簡圖［34］。

如圖11所示，當鑄輥間充滿金屬液時，通過直流電源產生圖中所示的電流J，該電流與圖中所示的磁場B相互作用，產生指向液態金屬內部的電磁力F，從而達到密封住側封板與鑄輥縫隙間液態金屬的目的。顯然，由于電磁場的超距作用，無需與液態金屬相接觸就可以實現金屬液的側封，具有固體側封板所無法比擬的優越性。

4 結論

電磁冶金技術已成為冶金和材料領域改善生產工藝、提高材料質量、節能減排、改善環境的重要技術之一。傳統電磁冶金技術的逐步應用有效提高了鋼材的質量和產量，對我國鋼鐵工業的發展起到了至關重要的作用。為滿足現代工業高品質、高效率和環境友好的需求，一系列電磁冶金新技術應運而生。其中，鋼包電磁感應出鋼技術可以有效縮短開澆時間，提高自動開澆率，避免引入雜質，從而提高鋼材產量；電磁旋流水口連鑄技術不僅可以提高連鑄生產率，還可以實現工藝的簡化，減少能源和資源的消耗。另外，其他幾種電磁冶金新技術也都具有許多無法比擬的優越性，這些必將推動鋼鐵工業進一步健康快速發展。

［1］ Mcneill J D．Apparatus for rendering metal homogeneous：USA，US1419280（A）．1922-06-13.

［2］ Muck O．Verfahren und vorrichtung zum schmelzen,insbesondere von leitern u.dgl.durch elektrische induktionsstroeme：Germany，DE422004（C）．1925-11-23.

［3］ 劉開琪，李林．鋼包用鉻質引流砂的研制．耐火材料，2001，35（4）：219-220.

［4］ 赫冀成，丸川熊凈，王強．一種帶有加熱出鋼裝置的鋼包及其出鋼方法： 中國，200610045875．9［P］．2008-02-27.

［5］ 王強，李德軍，劉興安，等．一種鋼包電磁感應加熱出鋼裝置及其安裝方法： 中國，201110220532．2［P］．2013-02-27.

［6］ 高翱，王強，王長久，等．一種提高鋼水潔凈度的引流方法及其裝置： 中國，200910011159．2［P］．2011-11-09.

［7］ 高翱，王強，王長久，等．一種提高鋼水潔凈度的引流裝置：中國，200920012991．X［P］．2010-01-13.

［8］ 高翱．新型電磁出鋼系統的研發及其效果分析．沈陽：東北大學，2010

［9］ Li D J，Wang Q，Liu X A，et al．A New Steel Teeming Technology in Ladle by Using Electromagnetic Induction Heating Method.Journal of Iron and Steel Research，International，2012，19（S1）：766-770.

［10］ Yokoya S，Asako Y，Hara S，et al．Control of immersion nozzle outletflow pattern through theuse ofswirlingflow in continuous casting．ISIJ International，1994，34（11）：883-888.

［11］ Kholmatov S，Takagi S，Jonsson L，et al．Development of flow field and temperature distribution during changing divergent angle of the nozzle when using swirl flow in a square continuouscasting billetmould．ISIJInternational，2007，47（1）：80-87.

［12］ 賈洪海，于湛，雷作勝，等．旋流水口對小方坯連鑄結晶器流場影響的水模擬研究．金屬學報，2008，44（3）：375-380.

［13］ Li D W，Su Z J，Sun L W，et al．Development of electromagnetic swirling flow in immersion nozzle in continuous casting process of steel．Advanced Materials Research，2011，295-297：1284-1288.

［14］ Li D W，Su Z J，He J C，et al．Novel research on continuous casting process with swirling flow by electromagnetic force．第一屆電磁冶金與強磁場材料科學學術會議，Dalian，China，2011：307-311.

［15］ Tsukaguchi Y，Hayashi H，Kurimoto H，et al．Development of swirling flow submerged entry nozzles for slab casting．ISIJ International，2010，50（5）：721-729.

［16］ 李德偉，蘇志堅，丸川雄凈，等．一種新的旋流連鑄技術—電磁旋流水口．連鑄，2013，32（4）：18-21.

［17］ Su Z J，Li D W，Marukawa K，et al．Fundamental study on continuous casting process with swirling flow by electromagnetic force．JournalofIron and SteelResearch International，2012，S1：879-883.

［18］ 蘇志堅，李德偉,丸川雄凈，等．電磁旋流水口在鋼圓坯連鑄中的作用．連鑄，2011，S1：183-188.

［19］ TsukaguchiY，HayashiH，Yokoya S，etal．Swirling flow submerged entry nozzle for round billet casting．Tetsu-to-Hagané，2007，93（9）：575-582.

［20］ 李德偉，蘇志堅，陳進，等．鋼圓坯連鑄過程中漸開式電磁旋流水口數值模擬．金屬學報，2013，49（7）：871-880.

［21］ Li D W，Su Z J，Marukawa K，et al．Simulation on effect of divergentangleofsubmerged entrynozzleon flow and temperaturefield in roundbilletmold in electromagnetic swirling continuous casting process．Journal of Iron and Steel Research International，2014，21（2）：159-165.

［22］ Li D W，Su Z J，Marukawa K，et al．Suppression of effect of uneven velocity in submerged entry nozzle in round billet continuous casting process using electromagnetic swirling flow．Journal of Iron and Steel Research International，2012，S1：905-908.

［23］ 何木光．磁性輥布料技術的研究與應用.燒結球團，2006，31（1）：11-14.

［24］ 胡子國，張永杰，毛曉明，等．燒結磁偏析布料裝置：中國，200520039592.4［P］．2006-9-6.

［25］ Thess A，Kolesnikov Y，Karcher Ch．Lorentz Force Velocimetry-A contactless technique for flow measurement in hightemperature melts．In： Proceedings of 5th International Symposium on Electromagnetic Processing of Materials，Sendai，2006，731-734.

［26］ Thess A，Votyakov E V，Kolesnikov Y．Lorentz Force Velocimetry．Physical Review Letters，2006，96：164501

［27］ 夏玄若．電磁輸送簡介．有色冶金設計與研究，1997，18（2）：35-40.

［28］ 韓至成．電磁冶金學．北京：冶金工業出版社，2001.

［29］ 黃驥．液態金屬電磁泵．武鋼技術，1966，（2）：50-54.

［30］ 毛斌，陶金明，李晉，等．板坯連鑄結晶器電磁控制流動技術．連鑄，2006（6）：32-37.

［31］ Kubota J，Kubo N，Ishii T，et al．Steel flow control in continuous slab caster mold by traveling magnetic field．NKK Technical Review，2001（85）：1-9.

［32］ Kubota J，Kubo N，Suzuki M，et al．Steel flow control with traveling magnetic field for slab continuous caster mold．Journal of the Iron and Steel Institute of Japan，2000，86（4）：271-277.

［33］ 劉鵬舉，趙斌元，田守信，等．薄帶連鑄側封技術的研究現狀及發展趨勢．耐火材料，2008，42（4）：294-298.

［34］ 王賀利，閆欣，雷作盛，等．雙輥薄帶鋼連鑄側封技術研究．煉鋼，2007，23（2）：54-58.