电磁搅拌技术在炼钢连铸机中的应用技术

李俊峰

【摘要】：随着连铸技术的应用和发展，连铸坯的质量越来越受到重视。近年来，超纯净钢的开发和应用对铸坯的质量、凝固组织和成分均匀化提出了更高的要求。电磁搅拌技术对提高铸坯的等轴晶率、细化凝固组织、降低夹杂物含量并促进成分均匀化具有重要作用。

【关键词】：电磁搅拌技术；应用技术；应用分析

1电磁搅拌技术原理

电磁搅拌（EMS）的工作原理如下，线性感应电机由两相或三相电流驱动，并且可以产生交变磁场。电流变化时，磁场的磁极到另一个极点的同时产生电磁力，当电磁场具有恒定角速度并以此切断熔融金属时，在熔体内会产生同样角频率的感应电流。在外部电磁场作用下，具有载流导电性能的熔融金属会形成较大的电磁力，从而有助于实现熔融金属的直线或旋转运动。电磁搅拌技术的本质是使用电磁力迫使熔融金属产生定向移动，同时使凝固过程熔融金属的温度场和浓度场均匀，降低凝固过程的形核功和临界晶核半径，增加等轴晶的数量，达到晶粒细化的目的，进而提高铸坯内外部分的质量。根据磁场的工作形式，电磁搅拌可大致分为旋转型和直线型（也称线性搅拌）。旋转磁场的电磁搅拌工作如交流电机，通过三相交流电流（有时两相供电），在液体金属内旋转磁场的磁极之间产生旋转磁场感应电流，从而在熔融金属内产生旋转扭矩，使熔融金属发生旋转运动。直线型电磁搅拌，其工作像直线电机，为了激发行波磁场，在铁芯的定子绕组上通交流电，使金属液产生感应电流和电磁转矩，从而形成线性搅拌。在一般情况下，线性电磁搅拌磁场方向平行于坯材表面的宽度方向。

2电磁搅拌技术的应用

2.1电磁制动EMBR

电磁制动采用静态磁场来减弱钢流湍流和控制钢水流速。静态磁场作用在流动的钢水上产生感应电压，钢水流速越高，感应电压越高。这些电压在钢液中可以产生电流，感应电流和静态磁场作用会产生与钢水流动方向相反的制动力。钢水流速越高，制动力越大；控制弯月面钢水流速可减弱湍流，使弯月面钢水平稳，显著减少保护渣的卷入；减弱钢水向凝固壳的传热，提高弯月面钢水温度；改变结晶器中钢水流动的分配，使从水口流出的钢水穿透深度变浅，有利于夹杂物和气泡向弯月面上浮。

2.2连铸的软接触技术

连铸的软接触技术借鉴了铝合金的无模电磁缺陷。电磁软接触通过结晶器的外侧施加交流磁场的作用，高频电磁场透过结晶器使液态金属与结晶器壁的接触压力减小，减轻了由于结晶器振动保护渣流入、流出时所造成的动压变化而引起的铸坯表面振痕。软接触电磁连铸技术自上世纪从理论到实验研究，从低熔80年代末开始开发点金属到直接进行钢的连铸试验，发展十分迅速。

实验表明，软接触技术电磁连铸技术在传统连铸机上的应用是可行的。但是，要真正实现工业应用还有一些关键技术需要攻克。

2.3电磁搅拌器的布置位置

电磁搅拌器的布置位置有：中间包加热用电磁搅拌H-EMS；结晶器电磁搅拌M-EMS；二冷段电磁搅拌S-EMS；凝固末端电磁搅拌F-EMS。

2.3.1中间包加热用电磁搅拌：使连铸过程中钢水的过热度保持在30～40℃。其突出特点是利用非金属夹杂物与金属液之间导电性的差异，实现两者的分离。

2.3.2结晶器电磁搅拌：安装在结晶器的下部，用于减少表面缺陷、皮下夹杂物、气孔和针孔，改善凝固组织，降低表面粗糙度，增加热送率，扩大钢种，适合于冷轧钢、弹簧钢、半镇静钢等钢种的浇铸。

2.3.3二冷段电磁搅拌：可以促进铸坯晶粒细化，一般与M-EMS组合使用。能够增加等轴晶率，减少中心缩孔和疏松，少中心偏析及内减裂，放宽过热度，提高拉速，降低压缩比。适于生产厚板、普板、不锈钢、工具钢等钢种。

2.3.4凝固末端电磁搅拌：一般在浇铸对碳偏析有严格要求的高碳钢时使用，安装在凝固末端附近，可减少中心缩孔和中心偏析，提高拉速，降低压缩比。

2.4电磁制动的不足

钢水流动方式是保证钢质量的关键，结晶器应采内钢水的流动模式决定着板坯的质量用一种最佳模式。电磁制动在高拉速下取得显著效果，但其直流电磁体是“被动”仅能以一种与实际钢水速度成比例的制动作用制动流得太快的钢水。另外，其效果受板坯宽度、铸速、吹氩率和浸入式水口深度/设计的特殊影响，只能在特定的操作下产生好的效果。与此相反，交流磁场是“主动”能实现浇铸操作的多功能性。

3电磁搅拌技术的发展前景

随着铜管连铸生产的扩大，电磁搅拌连铸工艺还将不断深入研究，并且将得到越来越广泛的应用。电磁搅拌技术在铜管连铸生产中的发展趋势可以概括为以下几个方面：（1）利用数值模拟分析电磁搅拌过程中流场、热场和电磁场对凝固组织的影响，结合铜管连铸实际生产提高生产效率及成品率，为铜管连铸实际生产提供数据支持。（2）进一步扩大电磁搅拌技术在板坯、方坯、圆坯连铸方面的应用。（3）分析电磁搅拌影响成分偏析、气泡分布及树枝晶生长过程是未来工艺研究所要关注的重要问题。（4）随着电磁搅拌凝固理论的发展，电磁搅拌连铸生产的合金种类将日益广泛，同时也为金属凝固基础理论的研究注入更大的动力。

结语

电磁连铸技术是将合适型号的电磁搅拌装置安装在连铸机的不同部位，在连铸过程中利用电磁搅拌产生的电磁力将铸坯内金属液搅动以对抗其所受的重力作用，这种电磁搅拌形式高效并且是非接触式的，在金属熔体的凝固过程中可以有效使其内部均匀流动、传热和传质，从而获得理想的温度场和流场，有效减少熔体内合金元素分布不均等凝固缺陷，细化铸坯晶粒尺寸，改善连铸坯的质量，进而生产制备出各项性能优异的铸坯。

【参考文献】

[1]陈伟，王琛.电磁连铸技术的应用及发展[J].河北理工大学学报（自然科学版），2011（4）.

[2]金百刚，王军，陈明，等.鞍钢电磁搅拌技术的研究与应用[A].第三届中德（欧）冶金技术研讨会论文集[C].2011.