電磁連鑄技術(shù)的應(yīng)用及發(fā)展

陳偉，王琛

(河北聯(lián)合大學(xué)冶金與能源學(xué)院，河北唐山 063009)

0 引言

電磁冶金學(xué)是以電磁熱流體力學(xué)理論為基礎(chǔ)，研究冶金過(guò)程和材料制造的新興工程學(xué)科。1982年9月在英國(guó)劍橋大學(xué)由國(guó)際理論力學(xué)和應(yīng)用力學(xué)協(xié)會(huì)首次主持召開了磁流體力學(xué)在冶金中應(yīng)用的國(guó)際會(huì)議;1985年在日本正式建立了“電磁冶金委員會(huì)”。目前，這一新興工程學(xué)科在冶金界已得到較廣泛的應(yīng)用［1］。電磁流體力學(xué)(MHD)是電磁冶金理論的基礎(chǔ)，它的發(fā)展帶動(dòng)了電磁連鑄的應(yīng)用和發(fā)展。電磁技術(shù)的應(yīng)用是20世紀(jì)70年代以來(lái)連鑄技術(shù)最重要的發(fā)展之一，同時(shí)連鑄已成為電磁技術(shù)應(yīng)用最活躍的領(lǐng)域。近年來(lái)電磁連鑄的主要應(yīng)用有電磁制動(dòng)、軟接觸電磁連鑄和電磁攪拌，本文分析了電磁連鑄技術(shù)的應(yīng)用現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢(shì)，以期為進(jìn)一步深入的開展研究提供參考。

1 電磁攪拌技術(shù)

電磁攪拌技術(shù)的應(yīng)用是連鑄技術(shù)最重要的發(fā)展之一，應(yīng)用電磁攪拌技術(shù)是提高鑄坯質(zhì)量，擴(kuò)大連鑄品種的有效手段。電磁攪拌是利用不同形式的磁場(chǎng)發(fā)生裝置，當(dāng)連鑄坯中的液態(tài)金屬通過(guò)交變電磁場(chǎng)時(shí)，在液態(tài)金屬中產(chǎn)生感生電流，感生電流與磁感應(yīng)強(qiáng)度的作用產(chǎn)生電磁力，通過(guò)電磁力來(lái)控制連鑄過(guò)程中鋼水的流動(dòng)、傳熱甚至凝固，從而提高鋼的清潔度，擴(kuò)大鑄坯的等軸晶區(qū)，降低成分偏析，減輕或消除中心疏松和中心縮孔，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)優(yōu)質(zhì)、高等級(jí)鋼材的目的。

用于連鑄過(guò)程的電磁攪拌器按其安裝的位置，有如下幾種［2］:

(1)結(jié)晶器電磁攪拌(M-EMS)

是目前各種連鑄機(jī)都適用的裝置，它對(duì)改善鑄坯表面質(zhì)量、細(xì)化晶粒和減少鑄坯內(nèi)部夾雜及中心疏松有明顯的作用，應(yīng)用最為廣泛。為不影響液面自動(dòng)控制裝置的使用，一般安裝在結(jié)晶器的下部，分為外置和內(nèi)置兩種，以外置式為主。

(2)二冷段電磁攪拌(S-EMS)

又可分為二冷一段電磁攪拌S1-EMS和二冷二段電磁攪拌S2-EMS。S1-EMS安裝在結(jié)晶器二冷一段的足輥處，其功能與M-EMS類似，兩者不重復(fù)使用，由于其更換、維修方便，因此其投資和運(yùn)行成本比較經(jīng)濟(jì)。S2-EMS是促進(jìn)鑄坯晶粒細(xì)化的有效手段，一般與M-EMS或S1-EMS一起使用。

(3)凝固末端電磁攪拌(F-EMS)

一般在澆注對(duì)碳偏析有嚴(yán)格要求的含碳高的鋼種時(shí)采用，為保證攪拌效果，其安裝位置要靠近凝固末端，一般在液芯直徑為60～80mm處為佳，并允許調(diào)節(jié)。

(4)組合式電磁攪拌(KM技術(shù))

前面三種電磁攪拌具有各自的用途和特點(diǎn)，KM技術(shù)即是綜合運(yùn)用以上三種技術(shù)或其中的兩種，可在大范圍內(nèi)獲得微細(xì)等軸晶帶的同時(shí)，實(shí)現(xiàn)改善中心偏析的目的。

(5)跨結(jié)晶器電磁攪拌

跨結(jié)晶器電磁攪拌與普通電磁攪拌的安裝位置有很大的區(qū)別，它安裝在結(jié)晶器水套外邊跨于結(jié)晶器與足輥之間?？缃Y(jié)晶器電磁攪拌是一種較少見的攪拌形式，國(guó)內(nèi)只有少數(shù)鋼廠從德國(guó)引進(jìn)，其磁場(chǎng)分布、磁感應(yīng)強(qiáng)度、電磁攪拌力、鋼液的旋轉(zhuǎn)、流動(dòng)都與M-EMS或S-EMS不同。這種攪拌形式從布置上看，兼有M-EMS和S-EMS的雙重作用，在包鋼的實(shí)際生產(chǎn)中跨結(jié)晶器電磁攪拌對(duì)改善鑄坯中心疏松和中心偏析，作用非常明顯，重軌鋼大方坯的中心碳偏析系數(shù)平均只有1.15，等軸晶率達(dá)到45% ～71% ，顯微疏松得到明顯改善。與M-MES和M-EMS+S-EMS+F-EMS組合攪拌相比，包鋼采用跨結(jié)晶器電磁攪拌這種特殊形式，對(duì)大方坯質(zhì)量改善效果還是相當(dāng)理想的［3］。

張桂芳、陳永［4］進(jìn)行了結(jié)晶器電磁攪拌電流對(duì)大方坯內(nèi)部質(zhì)量影響的實(shí)驗(yàn)研究;龔志翔、陳剛等［5］試驗(yàn)和分析了結(jié)晶器電磁攪拌對(duì)0.6%C鋼Φ450mm連鑄圓坯的中心等軸晶區(qū)比率，碳、硫偏析，疏松和非金屬夾雜物數(shù)量、大小和分布的影響，結(jié)果表明經(jīng)450A電磁攪拌后圓鑄坯平均中心等軸晶的比率由未經(jīng)電磁攪拌的7.6%提高到58.1%，碳偏析指數(shù)由1.1降至1.03，硫偏析指數(shù)由1.15降至1.09，圓鑄坯平均氧含量降低4.5×10－6，夾雜物含量和尺寸均明顯降低;曹建剛、王寶峰等［6］對(duì)280mm×380mm方坯連鑄機(jī)跨結(jié)晶器電磁攪拌器進(jìn)行了在線靜態(tài)磁場(chǎng)測(cè)試，通過(guò)結(jié)果得出在制定攪拌工藝時(shí)應(yīng)根據(jù)結(jié)晶器內(nèi)外磁場(chǎng)強(qiáng)度的差別選擇合適的電流強(qiáng)度以提高攪拌效果和線圈使用壽命;鐘凌鵬、張桂芳等［7］證實(shí)了內(nèi)置式結(jié)晶器電磁攪拌對(duì)60鋼小方坯夾雜物的消除效果明顯。

2 電磁制動(dòng)技術(shù)

當(dāng)液態(tài)金屬流經(jīng)磁感應(yīng)強(qiáng)度方向與其流速方向相垂直的恒穩(wěn)磁場(chǎng)時(shí)，作為導(dǎo)電體的液態(tài)金屬中將產(chǎn)生感生電流，感生電流與穩(wěn)恒磁場(chǎng)的交互作用又在液態(tài)金屬中產(chǎn)生與流速方向相反的洛侖茲力，從而使液態(tài)金屬的流動(dòng)受到抑制，這就是電磁制動(dòng)技術(shù)的基本原理［8］。

電磁制動(dòng)主要應(yīng)用于板坯連鑄，尤其是薄板坯連鑄。隨著連鑄拉速的提高，浸入式水口鋼液出流的動(dòng)能也在不斷增大，鋼液對(duì)結(jié)晶器窄面鑄坯凝固坯殼的沖擊加劇，使原本就很薄弱的坯殼更易因重熔而發(fā)生斷裂，增大了拉漏的危險(xiǎn);鋼液中夾帶的氣泡和非金屬夾雜物也因浸入深度的增加深入到鑄坯的液相穴深處，不易上浮和去除;同時(shí)，鋼液流股沖擊窄面后形成的上返流對(duì)液面區(qū)域的沖擊引起結(jié)晶器內(nèi)鋼液彎月面的波動(dòng)加劇，因卷渣而造成的鑄坯表面缺陷大大增加。而電磁制動(dòng)技術(shù)能有效抑制液態(tài)金屬的流動(dòng)，改善了鑄坯質(zhì)量，從而得到應(yīng)用和發(fā)展。

在薄板坯連鑄方面，日本川崎鋼鐵公司已經(jīng)將流動(dòng)控制結(jié)晶器引入千葉鋼廠3號(hào)連鑄機(jī)和水島鋼廠4號(hào)連鑄機(jī)上進(jìn)行了工業(yè)生產(chǎn)，改善了最終產(chǎn)品的表面和內(nèi)部質(zhì)量，提高了產(chǎn)品的產(chǎn)量和質(zhì)量［9］。日本制鋼公司將電磁制動(dòng)和結(jié)晶器監(jiān)控系統(tǒng)相結(jié)合，將結(jié)晶器內(nèi)鋼液流動(dòng)自動(dòng)地控制在合適的范圍內(nèi)，因而使板坯質(zhì)量得到改善［10］。在荷蘭的Hoogovens工廠應(yīng)用全幅一段電磁制動(dòng)技術(shù)，減小了彎月面處的平均速度和速度變化，從而減少了卷渣的發(fā)生。

國(guó)內(nèi)電磁制動(dòng)技術(shù)起步較晚，主要是引進(jìn)國(guó)外的技術(shù)和設(shè)備。寶鋼集團(tuán)上海梅山鋼鐵股份有限公司梅山煉鋼廠2號(hào)連鑄機(jī)從ABB公司引進(jìn)了FC-Mold全幅二段電磁制動(dòng)技術(shù)，取得了提高鑄機(jī)拉速、改善鑄坯表面質(zhì)量和減少內(nèi)部夾雜的良好效果［8］。邯鋼2號(hào)薄板坯連鑄機(jī)上安裝單條形電磁制動(dòng)器顯著降低了鋼水液面的波動(dòng)程度，使保護(hù)渣的液渣層更為均勻，改善了連鑄坯內(nèi)部的疏松和偏析，顯著降低了鑄坯和板卷內(nèi)部夾雜物的含量［11］。

3 軟接觸電磁連鑄

軟接觸電磁連鑄技術(shù)基本原理是在特殊結(jié)構(gòu)的結(jié)晶器上部布置感應(yīng)線圈并通以交變電流，交變電流產(chǎn)生的交變磁場(chǎng)在熔池外表面產(chǎn)生感應(yīng)電流，該電流與交變磁場(chǎng)相互作用產(chǎn)生垂直于鑄坯表面指向液芯的電磁側(cè)壓力，當(dāng)電磁側(cè)壓力足以克服由鋼液產(chǎn)生的靜壓力時(shí)，可將靠近結(jié)晶器內(nèi)壁附近的鋼液向里推離結(jié)晶器內(nèi)壁，使三相點(diǎn)下移，形成具有一定形狀的彎月面，實(shí)現(xiàn)鋼坯的軟接觸電磁連鑄。由于在電磁力的作用下，彎月面發(fā)生變形，保護(hù)渣渣道變寬，振動(dòng)周期內(nèi)保護(hù)渣通道壓力變化趨緩，使得渣液滲流暢通，鑄坯潤(rùn)滑條件改善，傳熱均勻，拉坯阻力減小，表面振痕和裂紋缺陷減輕［12］。所有這些現(xiàn)象，引發(fā)了冶金界對(duì)該技術(shù)潛在經(jīng)濟(jì)價(jià)值的巨大期望。

軟接觸電磁連鑄技術(shù)對(duì)結(jié)晶器的要求較高:

(1)結(jié)晶器的透磁率要高，高頻磁場(chǎng)在結(jié)晶器壁上的損耗要小，以保證在鑄坯表面形成軟接觸所需的電磁壓力;

(2)結(jié)晶器要有足夠的強(qiáng)度和抗熱震性，不易產(chǎn)生變形和熱應(yīng)力裂紋，內(nèi)腔面光滑;

(3)結(jié)晶器要有良好的冷卻效果，保證鑄坯得到足夠的冷卻強(qiáng)度，以免發(fā)生鑄坯變形和拉漏事故。

因此目前軟接觸電磁連鑄結(jié)晶器有以下兩種:

(1)割縫式軟接觸電磁連鑄結(jié)晶器

軟接觸電磁連鑄施加的是高頻電磁場(chǎng)，為使高頻磁場(chǎng)得以穿透結(jié)晶器壁，在結(jié)晶器壁沿鑄坯方向上設(shè)有割縫［13］，使電磁場(chǎng)穿透結(jié)晶器直接作用在鋼液上，同時(shí)由于結(jié)晶器壁被分割，減弱了感應(yīng)渦流的形成，從而減小了結(jié)晶器壁對(duì)磁場(chǎng)的屏蔽作用。割縫式結(jié)晶器有效提高了透磁率，但結(jié)晶器內(nèi)磁場(chǎng)分布受割縫參數(shù)影響很大，需要進(jìn)一步深入研究。同時(shí)，由于割縫的存在，不可避免的降低了結(jié)晶器的強(qiáng)度，增加了設(shè)計(jì)加工及生產(chǎn)上維護(hù)的難度，所以一些研究者把目光轉(zhuǎn)向了無(wú)縫式結(jié)晶器。

圖1 軟接觸電磁連鑄原理示意圖

(2)無(wú)縫式軟接觸電磁連鑄結(jié)晶器

無(wú)縫式軟接觸電磁連鑄結(jié)晶器可歸結(jié)為兩種設(shè)計(jì)構(gòu)想，一種是分段式無(wú)縫軟接觸結(jié)晶器，一種是整體式無(wú)縫軟接觸結(jié)晶器。

分段式結(jié)晶器是結(jié)晶器內(nèi)鋼液面以上采用不銹鋼材質(zhì)以增加透磁性和結(jié)晶器的強(qiáng)度，在金屬液面以下部分采用銅質(zhì)，見圖2。研究表明［14］，在相同磁場(chǎng)條件下，此種分段式結(jié)晶器內(nèi)的磁通密度是普通銅質(zhì)結(jié)晶器內(nèi)磁通密度的1.8倍，在結(jié)晶器內(nèi)部產(chǎn)生的電磁力是普通結(jié)晶器的3.4倍。但該結(jié)晶器存在兩種不同材質(zhì)處平滑銜接的困難，由于熱物性的差異，在高溫?zé)釕?yīng)力沖擊下，容易給鑄坯帶來(lái)嚴(yán)重缺陷。

圖2 分段式無(wú)縫軟接觸結(jié)晶器

整體式無(wú)縫軟接觸結(jié)晶器是在高電導(dǎo)率的銅或銅質(zhì)合金之間填充高電阻率的銅合金粉末，經(jīng)熱等靜壓燒結(jié)加工成一體［15］。這種結(jié)晶器在強(qiáng)度上有很大提高，但目前仍沒(méi)有完全解決大幅度提高透磁率和磁場(chǎng)均勻化的難題，因此擺在研究者面前的是結(jié)晶器材質(zhì)的選擇問(wèn)題，即選擇一種導(dǎo)熱性能好，而透磁率高且強(qiáng)度好的材料來(lái)制作結(jié)晶器，東北大學(xué)提出選用梯度復(fù)合材料已取得一些進(jìn)展。

4 電磁連鑄數(shù)值模擬的研究進(jìn)展

在數(shù)值模擬方面，陳榮、沈厚發(fā)［16］建立了板坯結(jié)晶器電磁攪拌過(guò)程電磁場(chǎng)與流場(chǎng)計(jì)算的三維數(shù)學(xué)模型;王學(xué)兵、胡坤太等［17］對(duì)圓坯連鑄結(jié)晶器電磁攪拌電磁場(chǎng)及流場(chǎng)進(jìn)行了數(shù)值模擬，分析了不同攪拌頻率對(duì)電磁場(chǎng)和流場(chǎng)的影響;任兵芝、朱苗勇等［18］建立了大方坯連鑄結(jié)晶器電磁攪拌過(guò)程的電磁場(chǎng)和流場(chǎng)三維數(shù)學(xué)模型，并分別用有限元、有限體積法進(jìn)行數(shù)值求解，對(duì)電磁場(chǎng)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行了實(shí)測(cè)實(shí)驗(yàn);李建超、崔建忠等［19］借助有限元分析軟件對(duì)大方坯跨結(jié)晶器電磁攪拌進(jìn)行了數(shù)值模擬，重點(diǎn)分析了不同的電流和頻率下鑄坯中心磁場(chǎng)強(qiáng)度和節(jié)點(diǎn)電磁力的變化規(guī)律;黃軍濤、赫冀成［20］利用電磁流體力學(xué)和連續(xù)介質(zhì)模型給出了方坯結(jié)晶器內(nèi)電磁制動(dòng)的磁場(chǎng)、流場(chǎng)和溫度場(chǎng)的三維數(shù)學(xué)模型，結(jié)果表明感生電流主要集中在鋼液入口處，電磁力能有效改變流場(chǎng)和溫度場(chǎng)的分布，造成制動(dòng)區(qū)域的下部呈現(xiàn)活塞流狀態(tài);李本文、孫洋等［21］自行設(shè)計(jì)了電磁軟接觸圓坯結(jié)晶器，給出了相應(yīng)的電磁場(chǎng)數(shù)學(xué)模型，定量的得到了結(jié)晶器內(nèi)磁感應(yīng)強(qiáng)度隨各種結(jié)構(gòu)參數(shù)(切縫長(zhǎng)度、切縫寬度和結(jié)晶器壁厚)和操作參數(shù)(鋼液面高度、電流強(qiáng)度)的變化規(guī)律，為軟接觸結(jié)晶器的設(shè)計(jì)和實(shí)際操作提供了理論依據(jù)。

5 結(jié)論

目前國(guó)內(nèi)的電磁攪拌器制造廠家主要還是在模仿和修復(fù)國(guó)外產(chǎn)品的基礎(chǔ)上開發(fā)自己的產(chǎn)品，無(wú)論在規(guī)模上還是技術(shù)上都沒(méi)有優(yōu)勢(shì)，隨著電磁攪拌技術(shù)的普遍應(yīng)用，這個(gè)缺口有待填補(bǔ);國(guó)內(nèi)電磁制動(dòng)技術(shù)起步較晚，目前還是引進(jìn)國(guó)外的技術(shù)和設(shè)備，應(yīng)該得到國(guó)內(nèi)相關(guān)設(shè)備廠家的關(guān)注;結(jié)晶器軟接觸技術(shù)使無(wú)缺陷鑄坯的生產(chǎn)成為可能，能滿足連鑄連軋工藝對(duì)鑄坯質(zhì)量的要求，已成為連鑄技術(shù)的研究熱點(diǎn)之一，值得深入研究。

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