研究電磁攪拌技術(shù)在冶金方面的應(yīng)用

蘭 芳

（湖南中科電氣股份有限公司，湖南 岳陽 414000）

現(xiàn)階段，我國工業(yè)產(chǎn)業(yè)的整體發(fā)展速度不斷加快，冶金工作領(lǐng)域當(dāng)中對(duì)更多先進(jìn)的生產(chǎn)技術(shù)應(yīng)用程度越來越高，大大提高了冶金生產(chǎn)工作的整體效率和穩(wěn)定性。其中電磁攪拌技術(shù)在冶金行業(yè)內(nèi)部應(yīng)用效果非常明顯，受到業(yè)內(nèi)人士的廣泛關(guān)注和重視，基于電磁熱流體力學(xué)理論作為研究工作基礎(chǔ)，針對(duì)電磁攪拌技術(shù)在冶金生產(chǎn)工作中的應(yīng)用要點(diǎn)進(jìn)行了深入探索。

1 電磁攪拌技術(shù)介紹

1.1 電磁冶金概念

電磁冶金也稱之為EPM 為金屬材料進(jìn)行必要的電磁處理，該項(xiàng)工藝流程主要是借助電流和磁場所產(chǎn)生的電磁力和安培力，對(duì)基礎(chǔ)材料加工生產(chǎn)工作中表面的形態(tài)內(nèi)部流動(dòng)形式等進(jìn)行影響，以此來有效掌控金屬材料內(nèi)部產(chǎn)生的變化以及反應(yīng)過程，有效改變金屬材料的表面分子分布形式以及內(nèi)部的基礎(chǔ)組織結(jié)構(gòu)。

1.2 電磁流體學(xué)

電磁流體學(xué)也稱之為MHD，屬于電磁冶金理論的重要基礎(chǔ)，該項(xiàng)技術(shù)的發(fā)展帶動(dòng)著電磁連鑄技術(shù)，在整個(gè)冶金工業(yè)產(chǎn)業(yè)當(dāng)中的應(yīng)用和全面發(fā)展。電磁流體學(xué)在冶金行業(yè)內(nèi)部得到普遍應(yīng)用，主要是因?yàn)槿垠w金屬屬于一種良好的導(dǎo)電體，在電場和磁場的雙向縱向金屬熔體內(nèi)部會(huì)產(chǎn)生相應(yīng)的電磁力，如圖1 所示，通過使用電磁力可以有效實(shí)現(xiàn)對(duì)熔融狀態(tài)下的金屬，實(shí)現(xiàn)非直接接觸性攪拌，對(duì)金屬熔體狀態(tài)下的傳輸形式和形體狀態(tài)進(jìn)行進(jìn)一步控制。電磁冶金技術(shù)的應(yīng)用具有更高的能量密度以及清潔性能，同時(shí)還具有良好的響應(yīng)性以及可控制性，在整個(gè)自動(dòng)化控制程度較高，并且能量使用率較高在我國各大冶金產(chǎn)業(yè)、金屬鑄造以及鋼水檢測等多條領(lǐng)域內(nèi)部應(yīng)用非常普遍[1]。

圖1 電磁流體學(xué)原理

2 電磁攪拌技術(shù)的工作原理分析

2.1 電磁攪拌技術(shù)的工作原理

電磁攪拌技術(shù)屬于磁流體力學(xué)當(dāng)中的一個(gè)重要分支結(jié)構(gòu)，最早出現(xiàn)于上世紀(jì)30 年代初，在瑞典首次制作出，世界上第一臺(tái)15t 電弧爐用電磁攪拌裝置。電磁攪拌技術(shù)在工作當(dāng)中，主要是運(yùn)用不同類型的磁場發(fā)生裝置，在外部環(huán)境磁場的影響條件下，保證液態(tài)狀態(tài)下的金屬在流過作用磁場范圍的條件下，在液態(tài)金屬當(dāng)中會(huì)生成相應(yīng)的感生電流，而這種感生電流在電磁場的環(huán)境這種條件下會(huì)產(chǎn)生相應(yīng)的電磁力，這種電磁力可以在金屬液體當(dāng)中產(chǎn)生作用，對(duì)金屬連鑄工作中的金屬液體的流動(dòng)性傳熱性能，以及凝固過程等進(jìn)行實(shí)質(zhì)性控制，如圖2 所示，電磁攪拌技術(shù)具有交流感應(yīng)和直流感應(yīng)兩種形式，直流感應(yīng)在鋼水當(dāng)中產(chǎn)生磁力方向和金屬液體的流動(dòng)方向相反，同時(shí)可以對(duì)鋼水起到了一定的制動(dòng)性作用效果，因此這種攪拌形式也被稱之為電磁制動(dòng)形式。

圖2 電磁攪拌技術(shù)的工作原理

2.2 電磁攪拌工作特征

電磁冶金屬于一門新興的工程學(xué)科，在針對(duì)各種金屬材料的處理和生產(chǎn)工作中，電磁冶金主要基于金屬所受到的洛倫茲力影響金屬組織結(jié)構(gòu)的具體形態(tài)，讓金屬內(nèi)部處于一種流動(dòng)狀態(tài)，同時(shí)電磁力可以在封閉的工作條件下，通過非接觸式的方式直接傳遞到金屬材料內(nèi)部，以此來有效防止金屬材料的二次氧化問題，提高冶金生產(chǎn)的整體工作質(zhì)量效果，同時(shí)可以進(jìn)一步提高金屬材料的內(nèi)部組織性能。在后續(xù)的研究工作中，人們相繼發(fā)現(xiàn)電磁流體力學(xué)現(xiàn)象，并且將其運(yùn)用在冶金生產(chǎn)工作當(dāng)中，形成一種電磁攪拌以及電磁懸浮熔煉等多項(xiàng)電磁冶金技術(shù)，在我國各大冶金企業(yè)內(nèi)部得到了廣泛應(yīng)用，可以全面降低金屬助推產(chǎn)生的缺陷問題，有效提高金屬材料的生產(chǎn)穩(wěn)定性。在冶金工作廣中電磁攪拌技術(shù)的應(yīng)用，可以全面提高金屬產(chǎn)品的清潔程度，同時(shí)還可以進(jìn)一步擴(kuò)大金屬內(nèi)部的晶體區(qū)范圍，有效控制成分偏析問題，降低或者全面消除金屬液體的中心位置產(chǎn)生疏松以及中心點(diǎn)產(chǎn)生縮孔等不良狀況，以此來全面提高冶金產(chǎn)品的生產(chǎn)質(zhì)量。

2.3 電磁連鑄技術(shù)

將電磁攪拌技術(shù)有效應(yīng)用于連鑄工作方面，是電磁冶金技術(shù)當(dāng)中非常重要的工作環(huán)節(jié)，同時(shí)連鑄技術(shù)已經(jīng)慢慢發(fā)展成為電磁冶金技術(shù)領(lǐng)域當(dāng)中最為活躍的部分。隨著磁場技術(shù)在連鑄工作中的有效應(yīng)用，先后產(chǎn)生了利用實(shí)時(shí)性變化磁場、脈沖磁場穩(wěn)定、恒磁場的電磁攪拌方法，對(duì)電磁制動(dòng)和軟接觸電磁連鑄技術(shù)進(jìn)行同步使用，有效形成三者之間有機(jī)銜接的更加先進(jìn)的電磁連鑄技術(shù)。

2.4 電磁攪拌的冶金機(jī)理分析

電磁攪拌裝置冶金機(jī)理，主要表現(xiàn)在生產(chǎn)過程中金屬的機(jī)械效應(yīng)和熱效應(yīng)兩個(gè)方面，主要表現(xiàn)出的作用包含以下幾個(gè)方面：第一，由于電磁攪拌裝置在工作過程中，采用的是旋轉(zhuǎn)攪拌形式，當(dāng)金屬液體的旋轉(zhuǎn)速率達(dá)到特定值條件下，可以獲取足夠大的離心力作用，因此會(huì)造成金屬液體內(nèi)部存在的各種雜物和氣泡，會(huì)逐漸朝著中心聚集同時(shí)快速上浮，然后在融融狀態(tài)下被保護(hù)渣所吸收，可以保證金屬鑄坯表面和內(nèi)部的雜質(zhì)氣泡量進(jìn)一步降低，以此來有效提高金屬材料的整體質(zhì)量和純度[2]。第二，因?yàn)樾D(zhuǎn)攪拌過程中產(chǎn)生切向電磁力的作用，可以有效保證金屬外殼的質(zhì)地更加均勻，同時(shí)進(jìn)一步降低金屬液體外漏的可能性。第三，因?yàn)樾D(zhuǎn)攪拌會(huì)產(chǎn)生強(qiáng)大的徑向電磁力的作用效果，因此有效抑制豎直晶體形成結(jié)晶，同時(shí)更有利于等軸晶體的生長。在快速旋轉(zhuǎn)攪拌的條件下，水體的流動(dòng)方向會(huì)處于垂直向下的狀態(tài)，使其由深變淺并且會(huì)保證軸向的溫度快速下降，徑向所產(chǎn)生的溫度會(huì)不斷上升，因此在整個(gè)溫度梯度變化上相對(duì)較大，有利于熱效應(yīng)的傳導(dǎo)。

3 電磁攪拌裝置工作分析

3.1 電磁攪拌裝置的分配與設(shè)備特性

該裝置可以將其分為水平旋轉(zhuǎn)攪拌設(shè)備和線性攪拌設(shè)備兩種形式，而其中線性攪拌設(shè)備又可以將其細(xì)化分為垂直和水平性攪拌器設(shè)備，水平攪拌器設(shè)備主要圍繞鑄流進(jìn)行設(shè)置，可以將其想象成一種旋轉(zhuǎn)電機(jī)的定子，通過驅(qū)動(dòng)鋼業(yè)的水平來實(shí)現(xiàn)旋轉(zhuǎn)，多用于圓坯、方坯和小矩形坯的生產(chǎn)工作中。垂直線性攪拌器設(shè)備靠近金屬流體的一側(cè)，在運(yùn)轉(zhuǎn)過程中會(huì)保證一種線性的運(yùn)轉(zhuǎn)條件，金屬液體會(huì)沿著垂直的方向旋轉(zhuǎn)和運(yùn)動(dòng)，因此更加適用于大斷面的矩形坯，使用水平線性攪拌器設(shè)備直接安裝在鑄坯的一側(cè)，可以將其視作成平行定子結(jié)構(gòu)，在板坯內(nèi)弧側(cè)熔池內(nèi)會(huì)產(chǎn)生水平方向的電磁場，以此推動(dòng)金屬液體的快速運(yùn)動(dòng)[3]。

3.2 電磁攪拌裝置的主要類型

第一，結(jié)晶器電磁攪拌。金屬液體在結(jié)晶器內(nèi)部，攪拌器直接設(shè)置在結(jié)晶器的外部區(qū)域，攪拌器內(nèi)部的鐵芯所釋放出的磁場，會(huì)通過結(jié)晶器直接滲入到金屬液體內(nèi)部，并且通過電磁感應(yīng)所生成的強(qiáng)大磁場力作用，會(huì)促使鋼水產(chǎn)生快速旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)或者上架垂直運(yùn)動(dòng)。因?yàn)椋?xì)的銅板具有較高的導(dǎo)電性，因此可以使用公平50Hz的電源，因?yàn)榧∧w效應(yīng)的影響，磁場在同城內(nèi)部穿透深度只有幾毫米，同時(shí)會(huì)小于銅板的厚度，結(jié)晶器的銅壁屏蔽不能充分滲入鋼水內(nèi)部，此在冶金工作過程中通常選用的是2～10Hz的低頻率，有效保證磁場可以直接穿過銅壁對(duì)鋼水進(jìn)行攪拌。

第二，通過結(jié)晶器電磁攪拌技術(shù)的應(yīng)用，金屬液體的運(yùn)動(dòng)可以有效清理凝固殼表面的氣泡以及所摻雜的雜物，可以有效提高金屬構(gòu)件的表面質(zhì)量，同時(shí)金屬液體的運(yùn)動(dòng)有利于過熱問題的控制，可以去除內(nèi)部產(chǎn)生的各種雜質(zhì)，全面提高金屬構(gòu)件的清潔程度。金屬液體的運(yùn)動(dòng)可以將豎直晶體直接打碎，可以有效提高等軸晶體的質(zhì)量，同時(shí)完善鑄坯內(nèi)部的晶體結(jié)構(gòu)，有利于保護(hù)渣吸收上浮的夾雜物[4]。

3.3 二冷區(qū)電磁攪拌技術(shù)

在板坯連鑄二次冷卻區(qū)域范圍內(nèi)，因?yàn)榻饘僖后w內(nèi)部晶體的排列不同給安裝攪拌器的工作造成了一定的困難和阻礙。為了有效緩解這一問題，當(dāng)前在生產(chǎn)實(shí)踐工作當(dāng)中主要的排列形式分為以下兩種，第一平面攪拌方式，在內(nèi)外部各安裝一臺(tái)和支撐軸相平行的攪拌機(jī)設(shè)備，或者在內(nèi)湖一側(cè)的支撐軸后方區(qū)域安裝攪拌器設(shè)備，或者將感應(yīng)器設(shè)備的鐵芯直接插入到攪拌器的內(nèi)弧之間，外形類似于支撐輥結(jié)構(gòu)輥?zhàn)觾?nèi)部，如圖3 所示：

圖3 二冷區(qū)電磁攪拌

有相應(yīng)的感應(yīng)器設(shè)備，在支撐結(jié)構(gòu)的作用下整體的工作穩(wěn)定性得到了保障，攪拌器安裝在二次冷卻區(qū)的位置，大約相當(dāng)于凝固和厚度的1/3 或1/4。在工作過程中主要的作用是擊碎金屬液體，內(nèi)部產(chǎn)生的豎直晶體結(jié)構(gòu)，同時(shí)消除鑄坯內(nèi)部的中心輸送孔以及壓縮孔作為等軸晶體核心區(qū)域，可以有效擴(kuò)大金屬鑄坯件等軸晶區(qū)，消除中心偏析問題，有效保證鑄坯內(nèi)部的雜物快速上浮，有效防止大量的雜物堆積[5]。

電磁冶金技術(shù)在未來的發(fā)展過程中，將會(huì)不斷朝著多模式、多功能、復(fù)合型以及定制磁場的方向上不斷發(fā)展。同時(shí)通過高強(qiáng)磁場的運(yùn)用，對(duì)整個(gè)冶金工作過程有著更加多樣化的影響和轉(zhuǎn)變，甚至?xí)苯佑绊懙皆拥呐帕袑哟危瑢?duì)冶金行業(yè)所產(chǎn)生的影響和意義非常深遠(yuǎn)。當(dāng)前正在研究的工作顯示，強(qiáng)磁場在熱力學(xué)與動(dòng)力學(xué)方面都會(huì)影響到整個(gè)冶金工作的過程，并且在冶金工作當(dāng)中也研發(fā)出了全新的發(fā)展方向。隨著超導(dǎo)技術(shù)等不斷研發(fā)和應(yīng)用，高強(qiáng)磁場的獲取將會(huì)變得更加的簡單和高效，在整個(gè)冶金行業(yè)當(dāng)中的運(yùn)用將會(huì)帶來質(zhì)的變化，將會(huì)推動(dòng)我國冶金行業(yè)不斷朝著更高端的方向上發(fā)展。

4 結(jié)語

電磁冶金技術(shù)經(jīng)歷了數(shù)10 年的技術(shù)研發(fā)和應(yīng)用，已經(jīng)慢慢發(fā)展成為高品質(zhì)鋼材料生產(chǎn)的必備基礎(chǔ)，可以有效提高連鑄生產(chǎn)工藝質(zhì)量和效率，對(duì)推動(dòng)我國鋼鐵制造行業(yè)的長遠(yuǎn)穩(wěn)定發(fā)展打下了良好的基礎(chǔ)。隨著更加先進(jìn)的合金鋼等連鑄技術(shù)的開發(fā)和應(yīng)用，鋼連鑄生產(chǎn)工作效率和質(zhì)量將會(huì)不斷提高，對(duì)推動(dòng)我國冶金行業(yè)的長遠(yuǎn)穩(wěn)定發(fā)展有著重要的意義。