電磁攪拌技術在煉鋼連鑄機中的應用技術

李俊峰

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

【關鍵詞】：電磁攪拌技術；應用技術；應用分析

1電磁攪拌技術原理

電磁攪拌（EMS）的工作原理如下，線性感應電機由兩相或三相電流驅動，并且可以產生交變磁場。電流變化時，磁場的磁極到另一個極點的同時產生電磁力，當電磁場具有恒定角速度并以此切斷熔融金屬時，在熔體內會產生同樣角頻率的感應電流。在外部電磁場作用下，具有載流導電性能的熔融金屬會形成較大的電磁力，從而有助于實現熔融金屬的直線或旋轉運動。電磁攪拌技術的本質是使用電磁力迫使熔融金屬產生定向移動，同時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，增加等軸晶的數量，達到晶粒細化的目的，進而提高鑄坯內外部分的質量。根據磁場的工作形式，電磁攪拌可大致分為旋轉型和直線型（也稱線性攪拌）。旋轉磁場的電磁攪拌工作如交流電機，通過三相交流電流（有時兩相供電），在液體金屬內旋轉磁場的磁極之間產生旋轉磁場感應電流，從而在熔融金屬內產生旋轉扭矩，使熔融金屬發生旋轉運動。直線型電磁攪拌，其工作像直線電機，為了激發行波磁場，在鐵芯的定子繞組上通交流電，使金屬液產生感應電流和電磁轉矩，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電磁攪拌技術的應用

2.1電磁制動EMBR

電磁制動采用靜態磁場來減弱鋼流湍流和控制鋼水流速。靜態磁場作用在流動的鋼水上產生感應電壓，鋼水流速越高，感應電壓越高。這些電壓在鋼液中可以產生電流，感應電流和靜態磁場作用會產生與鋼水流動方向相反的制動力。鋼水流速越高，制動力越大；控制彎月面鋼水流速可減弱湍流，使彎月面鋼水平穩，顯著減少保護渣的卷入；減弱鋼水向凝固殼的傳熱，提高彎月面鋼水溫度；改變結晶器中鋼水流動的分配，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

連鑄的軟接觸技術借鑒了鋁合金的無模電磁缺陷。電磁軟接觸通過結晶器的外側施加交流磁場的作用，高頻電磁場透過結晶器使液態金屬與結晶器壁的接觸壓力減小，減輕了由于結晶器振動保護渣流入、流出時所造成的動壓變化而引起的鑄坯表面振痕。軟接觸電磁連鑄技術自上世紀從理論到實驗研究，從低熔80年代末開始開發點金屬到直接進行鋼的連鑄試驗，發展十分迅速。

實驗表明，軟接觸技術電磁連鑄技術在傳統連鑄機上的應用是可行的。但是，要真正實現工業應用還有一些關鍵技術需要攻克。

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℃。其突出特點是利用非金屬夾雜物與金屬液之間導電性的差異，實現兩者的分離。

2.3.2結晶器電磁攪拌：安裝在結晶器的下部，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，擴大鋼種，適合于冷軋鋼、彈簧鋼、半鎮靜鋼等鋼種的澆鑄。

2.3.3二冷段電磁攪拌：可以促進鑄坯晶粒細化，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，少中心偏析及內減裂，放寬過熱度，提高拉速，降低壓縮比。適于生產厚板、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格要求的高碳鋼時使用，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電磁制動的不足

鋼水流動方式是保證鋼質量的關鍵，結晶器應采內鋼水的流動模式決定著板坯的質量用一種最佳模式。電磁制動在高拉速下取得顯著效果，但其直流電磁體是“被動”僅能以一種與實際鋼水速度成比例的制動作用制動流得太快的鋼水。另外，其效果受板坯寬度、鑄速、吹氬率和浸入式水口深度/設計的特殊影響，只能在特定的操作下產生好的效果。與此相反，交流磁場是“主動”能實現澆鑄操作的多功能性。

3電磁攪拌技術的發展前景

隨著銅管連鑄生產的擴大，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用。電磁攪拌技術在銅管連鑄生產中的發展趨勢可以概括為以下幾個方面：（1）利用數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，結合銅管連鑄實際生產提高生產效率及成品率，為銅管連鑄實際生產提供數據支持。（2）進一步擴大電磁攪拌技術在板坯、方坯、圓坯連鑄方面的應用。（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注的重要問題。（4）隨著電磁攪拌凝固理論的發展，電磁攪拌連鑄生產的合金種類將日益廣泛，同時也為金屬凝固基礎理論的研究注入更大的動力。

結語

電磁連鑄技術是將合適型號的電磁攪拌裝置安裝在連鑄機的不同部位，在連鑄過程中利用電磁攪拌產生的電磁力將鑄坯內金屬液攪動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部均勻流動、傳熱和傳質，從而獲得理想的溫度場和流場，有效減少熔體內合金元素分布不均等凝固缺陷，細化鑄坯晶粒尺寸，改善連鑄坯的質量，進而生產制備出各項性能優異的鑄坯。

【參考文獻】

[1]陳偉，王琛.電磁連鑄技術的應用及發展[J].河北理工大學學報（自然科學版），2011（4）.

[2]金百剛，王軍，陳明，等.鞍鋼電磁攪拌技術的研究與應用[A].第三屆中德（歐）冶金技術研討會論文集[C].2011.