（钢铁冶金专业论文）方坯连铸电磁搅拌的实验室模拟研究.pdf

武汉科技大学硕士学位论文第1 页 摘要 连铸电磁搅拌技术对于改善铸坯凝固组织、扩大等轴晶区、降低宏观偏析、减轻中心 疏松和缩孔、减少裂纹等凝固缺陷来说，是一项很有效的凝固控制技术。因此，对于连铸 过程中通过外加电磁场对未凝固的钢液施加电磁搅拌，深入研究电磁搅拌参数对改善铸坯 凝固组织的作用规律，以得到组织细化、成分均匀化、缺陷减轻甚至消除的铸坯，对提高 新一代钢铁材料的力学性能和使用性能都有着积极的作用。 本文利用本系最新自行研制的行波磁场搅拌器和控制装置，采用理论分析与实验研究 相结合的方法，在实验室条件下对在行波磁场电磁搅拌作用下钢液内的电磁力特性、各 种不同浇铸工艺参数以及搅拌参数对铸坯凝固组织的作用规律，进行了深入的研究，以检 验新型搅拌器的搅拌效果 基于电磁场的基本理论，本研究对电磁力特性进行了分析。在电磁搅拌作用下，电磁 力的大小随铜液液池宽度的增加呈指数衰减趋势，其衰减速率与电流频率和搅拌器极距有 关。在行波磁场电磁搅拌器结构尺寸一定且采用工频电流的情况下，钢液内的最大电磁力 近似与搅拌器绕组的电流强度平方的大小成正比。 本研究采用了2 台相同规格的行波磁场搅拌器，研究过程中测定了不同电流强度下： 2 台搅拌器以卧置方式而相对放置，搅拌器之间相距2 0 0 m m 、3 0 0 m m 、4 0 0 r a m ，采用相同 磁场方向和不同磁场方向，搅拌区域内的磁感应强度；用o r i g 妯7 5 软件对所厕数据进行 了曲线拟合及回归分析，并得到回归方程。 本研究还采用2 台搅拌器以卧置方式而相对放置，搅拌器之间相距3 0 0 r a m ，采用相 同磁场方向，用自行设计的内断面为2 0 0 m m x 2 0 0 m m 的不锈钢水冷锭模，对8 2 b 钢和准硅 钢进行了大方坯二冷区电磁搅拌热态模拟实验研究，模型：实际连铸坯= l ：1 分别在最 大相搅拌电流为3 0 0 a 、4 0 0 a ，5 0 0 a 电磁搅拌作用下对铸坯凝固组织，碳偏析和夹杂物的 作用效果进行了系统的研究，并与未经电磁搅拌坯进行对比分析。主要研究结果为： ( 1 ) 实验钢的中心碳偏析指数分别从未搅拌的o 9 8 8 7 和1 0 4 5 降到搅拌后的0 9 1 2 2 和1 0 4 0 ，使碳含量分布更加均匀。 ( 2 ) 未经搅拌的试样中粒径大于1 0 0 岬的大颗粒夹杂物和集中的簇状夹杂物占总夹 杂物面积的2 7 ，经电磁搅拌以后试样中没有发现粒径大于l o o 岬的大颗粒夹杂和集中 的簇状夹杂；电磁搅拌还使钢中夹杂物等级由不搅拌的4 4 5 6 降低到搅拌后的3 2 3 9 。 关键词：连铸，大方坯，二冷区，电磁搅拌，夹杂物。 第1 i 页武汉科技大学硕士学位论文 a b s t r a c t e l e c t r o m a g n e t i cs t i r r i n g ( e m s ) i nt h ec o n t i n u o u sc a s t i n gt e c h n o l o g yi sav e r ye f f e c t i v ef o r t h ei m p r o v e m e n to fb l o o m ss o l i d i f i c a t i o n , c r y s t a la x i se x p a n s i o n , r e d u c i n gm a c r o e c o n o m i c s e g r e g a t i o n , c e n t e ro s t e o p o r o - s i s ，s h r i n k a g e ，a n d o t h e rc o a g u l a t i o nd e f e c t ss u c ha sc r a c k s t h e r e f o r e ，t h r o u g hi m p r e s s e dt h ee l e c t r o m a g n e t i cf i e l dh a sb e e ns t i r r i n go i 1t h em o l t e ns t e e l ，t h e f i e l di ss u p p l yb yt h ee l e c t r o m a g n e t i cs a n e ri nt h ec o n t i n u o u sc a s t i n gp r o c e s s n 幢s t u d y i n - d e p t hh a v eb e e np r o c e e do ne l e c t r o m a g n e t i cp a r a m e t e r st oi m p r o v eb l o o ms o l i d i f i e dt h er o l e o f t h el a wt ob er e f i n e m e n t , c o m p o s i t i o nh o m o g e n i z a t i o n , d e f e c l st or e d u c eo r e v e ne l i m i n a t et h e b l o o m , t or a i s ean e wg e n e r a t i o no fs t e e lm e c h a n i c a lp r o p e r t i e so fm a t e r i a l sa n dt h eu s eo f p e r f o r m a n c ea r ch a v i n gap o s i t i v ee f f e c l u s i n g t h el i n e a re l e c t r o m a g n e t i cs t i r r i n gs y s t e ma n dc o n t r o ld e v i c ed e v e l o p e db yo u r s e l v e s , r e s e a r c h e dt h ee l e c t r o m a g n e t i cf o r c ec h a r a c t e r i s t i e so ft h el i n e a re l e c t r o m a g n e t i cf i e l do fu n d e r l i q u i ds t e e lw i t h i nd i f f e r e n tc a s t i n gp r o c e s sp a r a m e t e r sa n dt h er o l eo f ft h es o l i d i f i c a t i o no f b l o o m ，a d o p tt h em e t h o do ft h e o r e t i c a la n a l y s i sa n de x p e r i m e n t a ls t u d yi nt h el a b o r a t o r y b a s e do nt h eb a s i ct h e o r yo fe l e c t r o m a g n e t i cf i e l d s ，t h es t u d yo fe l e c t r o m a g n e t i cf o r c e c h a r a c t e r i s t i c sw a sa n a l y z e d mr e s u l t so ft h ee l e c t r o m a g n e t i cs a r f i n gw e r ep r e s e n t e d ，t h e n u m e r i cv a l u e so fe l e c t r o m a g n e t i cf o r c ew e r ew i t ht h ei n e r e a s e do ft h ew i d t ho fl i q u i ds t e e l p o o li nt h ee x p o n e n t i a l a n dt h er a t eo f w e a k e n i n gw e r er e l a t e dw i t ht h e c u r r e n tf r e q u e n c ya n d p o l a rd i s t a n c eo ft h es t i r r e r n 圮m a x i m u me l e c t r o m a g n e t i cf o r c ei nm o l t e ns t e e lw e r ed i r e c t p r o p o r t i o nw i t ht h ep i nt h el i n e a re l e c t r o m a g n e t i cs t i r r e ra p p r o x i m a t ew h e nt h es t r u c t u r e o f t h es t i r r e rw e r ed e t e r m i n e da n dt h ec u r r e n tf r e q u e n c ya s5 0h z t w ol i n e a re l e c t r o m a g n e t i cs t i r r e r sw i t h 姗es p e c i f i c a t i o nw c r eu s e di nt h i ss t u d y 1 1 圮 m a g n e t i ci n d u c t i o nd e n s i t yi nt h es t i r r i n gz o n ew g r ed e t e r m i n a t i o nw h e nu s ed i f f e r e n tc u r r e n t , t h ed i s t a n c ew e r e2 0 0 m m , 3 0 0 m m 4 0 0 r a ma n d 呲t h es a n l em a g n e t i cf i e l dd i r e c t i o na n du s e dt h e d i f f e r e n tm a g n e t i cf i e l dd i r e c t i o n 峨d i f f e r e n td i r e c t i o nb e t w e e nt w ol i n e a re l e c t r o m a g n e t i c s t i r r e ri n d i v i d u a l l y n l er e g r e s s i o na n a l y s i sa n de l u d ef i t t i n gw e r ep r o c e e dt ot h em e a s u r e dd a t a u s i n gt h eo r i g i n7 5s o f t w a r ea n dg e tt h er e g r e s s i o ne q u a t i o n s u s e st w ol i n e a re l e c t r o m a g n e t i cs t i r r e r sw i t had i s t a n c eo f3 0 0 m ma n dw i t ht h e 懿帅e m a g n e t i cf i e l dd i r e c t i o n ，as t u d yo f s i m u l a t i o no nb l o o mc o n t i n u o u sc a s t i n gh a v eb e e np r o c e e d t h em o l t e ns t e e lw e r es u p p l i e db yw i t ham e d i a nf r e q u e n c yi n d u c t i o nf u m a c e 1 1 1 em o l t e n s t e e lf r o mt h ec r u e l b l ew e r et o p p e das m a l ll a d l e t h a nt o p p e dh o ts t e e li n t oaw a t e r - c o o l e d s t a i n l e s ss t e e lm o l dt h a tw i t h i ns e c t i o n2 0 0r m n 2 0 0m i l l 1 1 1 e m o l t e ns t e e ia r e8 2 bs t e e ia n d s i l i c o ns t e e l 耵陀m o l d w e r ep u t t e di nt h e m a g n e t i c f i e l dp r o d u c e d b yt w ol i n e a r e l e c t r o m a g n e t i cs t i r r e r s e l e c t r o m a g n e t i cs t i r r i n gt ot h em o l t e ns t e e lw i t ht h eb i g g e s tp h a s e c u r r e n t3 0 0a ，4 0 0 a ，5 0 0 aw e r ea g i t a t i o nb yt w os t i r r e r s a f t e r c u t t i n gt h e s eb l o o m s ，t h e s o l i d i f i c a t i o ns t r u c t u r e s ，s e g r e g a t i o no f c a r b o n ，a n di n c l u s i o n si nt h eb l o o mw e r ea n a l y z e d t h e m a i n f i n d i n g s a r e ：+ 一一1。1一。一一。 武汉科技大学硕士学位论文第1 n 页 ( 1 ) e x p o n t i a lo fc a r b o n 蹦弦倒a t l l e 嘲t e ro fr eb l o o mf r o mo 9 8 8 7a n dl 。0 4 5 耐t l 】盼t i cs t r r i n gd r o p p e dt o0 9 1 2 2 缸d1 0 4 0 谢t i ls t i r r i n g 锄dc a r b o nc o n t c n td i s 晡b u 虹 m o 陀u n i f o 衄i nt h eb l o 啪s 、v i t hs t h - r m g ( 2 ) h a v em o r eb i g e rp a n i d e 遍c l 璐i a n dr er a t i o 妇tt o t a la r e ao fr es i 建i s 罩e a t e rt h a n r e1 0 0 no fp a r t i c l e 衄di n t e n s i v ea r e a t l l sm c l 峭i o n ，船t a lt o t a ia r e ao fr es a m p l ei s4 8 i n t l 忙b l o o m 、 r i 也o l l ts t i r r i n gr e s a m p l e ，t l l r 淝f o r ，n e v 盯f b 眦l dr em c l 惦i o np a r t i c l et h a tr es i z ei s 鲫衙t h a n 也el o o 肿a n di n t e n s i v e 黜a 船m c l 蜮o nbr eb l o o m 喇t 1 1s t i r r i n g mg r a d 嚣0 f i n c i 璐i 帆si nr eb l o o m 劬m4 4 5 6 t l l o u ts t i r r i n gd o w nt o3 2 3 9a f i 盯恤s t i r r i n g k e y w o r d s ：c o 删n 璐c a s t i n g ，b l 锄s ，s e c o n d a r yc o o l i i i gz o ，e l e c 缸。m a g i i e t i cs t i r r i n g ， i t l c l u s i o n s 武汉科技大学硕士学位论文第l 页 第一章文献综述 i i 国内外连铸电磁搅拌技术的发展 i i 1 国外连铸电磁搅拌技术的发展 二十世纪5 0 年代，由s j m g l m s 和o s 瑚b c f 报道了德国s c h o m d o f f 和h u c l d n g e n 的 半工业连铸机上连续铸钢时采用电磁搅拌的首例实验。最初出现的电磁搅拌曾被用来控制 沸腾钢的凝固，后来开发了在连铸机上用于浇铸合金钢、小方坯和大方坯的结晶器电磁搅 拌技术【l j 。到了7 0 年代，作为先导者的法国科学家取得了重要的进展，不久( 1 9 8 3 年) j p b i r a l 和j c h o n e 对复杂的磁流体力学现象提供了理论基础。法国工作者与卢森堡阿尔贝德公 司之间进行合作，从1 9 7 7 年起r o t e l 公司以m a g n e t o g y t p m c e 豁为注册商标，将其商品 化【2 】。同期，e 1 k m d a h n 和m c y e r j l 【4 l 用互感法计算了液态金属内电磁场及流场的分 布，n e b m io j 【5 l 用p h o c n i c s 软件对s n p b 合金悬浮液受冲击波作用时的过程进行了模拟 研究。接着，日本的许多钢铁公司和钢铁厂在板坯连铸机上也都采用了结晶器电磁挽拌装 置。日本k o b cs m e l ，l 讧在弧形板坯连铸机结晶器内安装了直线型电磁搅拌器1 6 j 。n o b u y u k l g e n m a 等通过实验对采用不同的搅拌方向( 水平、竖直向上、竖直向下) 情况下铸坯内 的非金属夹杂进行了检测。在实验的基础上，他们用三维有限元m h d 数值模拟方法对电 磁搅拌下的流场进行了分析，研究发现：竖直向上的搅拌方式可以减少从水口流出的钢液 的穿透深度，有利于夹杂物上浮；同时降低弯月面下流体的流速，抑制了此处钢液对保护 渣的捕获，有利于改善铸坯的质量。 二十世纪9 0 年代，间歇式高频搅拌器川和多频搅拌器隅l 的相继问世，使得搅拌参数 的选取具有更大的灵活性。间歇式高频搅拌器通过外加问歇高频磁场对钢液作用，抑制由 结晶器振动引起的弯月面波动，实验及数值模拟实验的结果表明：当间歇式磁场与结晶器 振动同步，并在结晶器振动到最低位置时施加，搅拌效果最佳。多频搅拌器是对传统交流 搅拌器的改进，它将原搅拌器的三相绕组的每一组线圈施加两个或多个具有高低不同频率 和不同运动方向的叠加电流。由于高频电流所产生的磁场有集肤效应，它只作用于液相穴 的外缘，面低频磁场作用在整个液相穴，若两项磁场运动方向相反，则在液相穴产生不同 区域钢水的逆向运动，这样加强了液相穴内钢水的混合，有助于缩小过热区，进而扩大等 轴晶区，均匀溶质的分布，改善铸坯的凝固组织。通过实验模拟和数值模拟两种研究方法 对流场分析的结果说明：这种搅拌方式可以起到均匀钢水温度场和溶质分布的作用。而且 出现了双线圈电磁搅拌系统，对提高连铸坯，特别是高碳和合金钢的内部质量起到了关键 的作用。1 9 9 5 年，日本神户钢铁公司的研究人员对中间包到结晶器之间的注流进行电磁搅 拌，解决了长水口的堵塞问题，并且实现了在整个连铸过程的低过热度浇注1 9 “。同时， 在小方坯、大方坯、板坯和圆坯的连铸工艺过程中都采用了电磁搅拌技术。与此同时，电 第2 页武汉科技大学硕士学位论文 磁搅拌的计算方法也有所发展，k o l e s n i c h n k oa f i h 用磁矢位变量的边界元和有限差分法 讨论了脉冲磁场对液态金属行为的影响。v i v e sc 【1 2 】分析了电磁力对铝合金凝固的作用 v i v e s c 1 1 3 1 探讨了时变磁场和静磁场下液态金属的电磁搅拌现象。s z e k e l yj 【1 4 】用磁矢位计算 感应炉内的电磁搅拌。n a t h e n s o n & d 和s p i t z e r k h 1 坷分别得到了方坯和圆坯旋转电磁 搅拌下钢液的流场分布。d u k em 【1 7 埔l 研究了矩形的线性电磁搅拌。t o b o cp 【1 9 1 和c h u n gs i z 0 1 分别讨论了电磁搅拌对钢的凝固组织行为的影响。到了9 0 年代以后。电磁搅拌技术日 趋成熟，其在连铸上的应用也日趋广泛。 1 1 2 国内连铸电磁搅拌技术的应用 我国从2 0 世纪7 0 年代末开始研究电磁搅拌技术至今，经历了3 个主要阶段。 ( 1 ) 7 0 年代末至8 0 年代中期，我国当时还不具备高性能电磁搅拌装置的制造能力。在 此期间，我国开始对电磁搅拌器进行摸索和探讨。先是进行实验室研究，也有一些工业运 行装置。但其性能一直不稳定；8 0 年代中期我国引进了一批特殊钢连铸机，都配有进口的 电磁搅拌器，这对提高我国连铸电磁搅拌技术起到了积极的作用，同时也证璃了在连铸机 上应用电磁搅拌技术的重要性。 ( 2 ) 8 0 年代后期，连铸电磁搅拌技术得到国家的高度重视，并连续被列为“七五”、“八 五”和“九五”计划中重点科技攻关项目。经过十多年的努力，我国电磁搅拌技术终于有了重 大突破和发展。从重庆特钢、长城特钢开始成功使用国产电磁搅拌装置备件，到1 9 9 6 年5 月舞钢首次在大型厚板坯连铸机上成功使用国内自行设计研制的二冷区电磁搅拌( s - e m s ) 成套装置，标志着我国电磁搅拌装置依靠进口的历史已真正成为过去，随后大冶特钢、宝 钢、首钢、成都无缝、涟钢等也相继使用了少量国产连铸电磁搅拌装置。由于这些装置的 制造水平和使用效果都已达到引进装置的水平，因此促使连铸电磁搅拌装置( e m s ) 进口 价格大幅下降。 ( 3 ) 1 9 9 7 年，宝钢同其它单位合作，成功研制了宝钢大板坯连铸s e m s ，价格不到引 进设备的l 3 。中科院力学所在测试结论中认为“国产化电磁搅拌器的整体性能不亚于引进 的d k s 的水平”。1 9 9 8 年1 1 月初，宝钢电炉钢厂连铸结晶器电磁搅拌器国产化研制成功， 出厂验收报告认为：“国产连铸结晶器电磁搅拌装置( m e m s ) 总体性能比引进的略有提 高”。在1 9 9 8 年1 0 月的第二届全国连铸电磁搅拌技术研讨会上，宝钢二冷区电磁搅拌 ( s e m s ) 的研制成功标志着我国已经具有研制高性能电磁搅拌装置的能力，具备了出口 竞争的实力【2 l j 。 我国目前在连铸机上应用的电磁搅拌器有1 0 0 多台，多为电炉连铸，绝大部分是随连 铸机一并引进的，仅有重庆特钢、宝钢等使用了少量的国产电磁搅拌装置1 2 2 】。通过引进了 一批不同位置和类型的电磁搅拌装置，使我国的电磁搅拌技术在线应用有了较大的发展和 进步。但是，由于连铸电磁搅拌技术在国内的应用研究还不充分，不少厂家的运用还不尽如 人意，主要存在以下4 个方面的闯题f 2 习： ( 1 ) 工艺试验研究不充分，未对工艺参数进行充分优化； 武汉科技大学硕士学位论文第3 页 ( 2 ) 存在输入功率偏低的问题，国内引进的电磁搅拌装置多为早期产品，功率不足， 无法发挥应有的效用； ( 3 ) 冷却水质的处理问题，由于电磁搅拌装置输入功率大，电磁线圈多采用水内冷， 对水质要求很高，而国内厂家水质处理大多达不到标准，造成线圈及接线处绝缘损坏； ( 4 ) 钢种不合适，连铸电磁搅拌对高碳钢、不锈钢、厚板等特殊钢种的作用比较明显， 而对普通钢，其搅拌效果有限，例如船板钢和某些低合金钢经电磁强搅拌后，在铸坯内电 磁搅拌的起始点处易产生白亮带( 其实质是碳、磷、硫等易偏析元素的负偏析带，在经机 械刨光的断面上呈现白色的亮带) 。 自从上世纪7 0 年代以来，武汉钢铁公司和武汉钢铁研究院、北京钢铁研究总院、武 汉科技大学、东北大学、北京科技大学、大连理工大学等多家科研单位和高校，对于连铸 电磁搅拌的应用和基础理论等方面也已经进行了大量的实验研究工作，也有一些单位研制 了各种不同类型的连铸电磁搅拌装置，连铸积累了不少宝贵经验，但与工业发达国家相比， 无论是理论研究还是工业应用研究，尤其是电磁搅拌装置的制造规模，都还存在很大差距， 因而，我们必须加大研究力度，促使我国连铸电磁搅拌技术得到更好与更快的发展。 1 2 连铸电磁搅拌器的类型及特点 1 2 1 按照搅拌器安装位置分类 按搅拌器的安装部位可分为中间包加热用电磁搅拌( h e m s ) t 结晶器电磁搅拌 ( m e m s ) ；二冷区电磁搅拌( s e m s ) ，最终凝固末段电磁搅拌( f - e m s ) ，而二冷区电磁搅 拌又可以细分为二冷一段电磁搅拌( s 1 e m s ) 。二冷二段电磁搅拌( s 2 - e m s ) ，如图1 1 所示 图1 1 搅拌器安装位置 磁搅拌的效果随搅拌装置的安装位置不同而有所不同。实践证明。在连铸机上选择 合理的位置安装电磁搅拌装置，可以有效地改善铸坯的内部组织结构，提高铸坯表面和内 第4 页武汉科技大学硕士学位论文 部质量、使钢水中的非金属夹杂物上浮、明显减轻中心偏析和疏松、最大限度地消除中心 缩孔、表面裂纹和内部裂纹、增加铸坯的等轴晶率，从而放宽对连铸工艺的要求，扩大连 铸钢种范围，提高铸坯拉速，对中、大断面和特殊钢种的钢坯作用效果尤为明显 中包加热用电磁搅拌( h - e m s ) 网。 此种电磁搅拌使连铸过程中的钢水温度在中包内始终保持在液相线温度以上3 0 4 0 。 结晶器电磁搅拌( m - e m s ) 该搅拌装置是目前各种连铸机都适用的装置，由于它对改善铸坯的表面质量、细化 晶粒和减少铸坯内部夹杂和中心疏松有着显著的作用，所以被特别推崇选用。它一般安装 在结晶器段的较下部位，以便不影响液面测量装置的使用。结晶器内钢液搅拌主要形式有 水平旋转磁场搅拌和垂直的由下而上的行波磁场搅拌。水平旋转磁场搅拌多用于方坯和圆 坯，行波磁场搅拌多用于板坯和宽厚比较大的矩形坯结晶器电磁搅拌可以减少例如表面 夹渣，皮下夹渣，皮下气泡和针孔等缺陷，还能促进大量等轴晶的生成p 0 1 。但是由于结晶 器壁有良好的导热和导电性，使搅拌器产生的磁场衰减严重，从而使得电能利用率较低。 为了解决这一问题，我们通常采用弥散硬化的铜合金做结晶器壁并且采用低频供电。 此外，结晶器处电磁搅拌的工艺参数选择尤为重要，搅拌力过强则会导致保护渣、 气体卷入钢液之中而恶化铸坯质量。 二次冷却段电磁搅拌( s i e m s ) 此种电磁搅拌器只适用于小方坯连铸机。它的功能与m e m s 类似，所以两者不重复 采用，但s i e m s 安装在结晶器下的一段足辊处，更换、维修十分方便，若要获得m e m s 同样的搅拌效果，则s l o e m s 所需的功率要小得多，且可以采用工频电源供电，因此在投 资和运行成本上比较经济。 二次冷却二段电磁搅拌( s 2 e m s ) 二冷区电磁搅拌主要形式为：旋转磁场型、行波磁场型和螺旋磁场型。该部位电磁搅 拌是促进连铸坯晶粒细化的有效手段，它能切断在结晶器内形成的柱状晶，扩大铸坯里等 轴晶区的面积，减轻中心偏析。一般与m e m s 或者s 1 e m s 一起使用，在大方坯和板坯 连铸机上也可以使用。但是由于搅拌在两相区进行，如采用旋转磁场型电磁搅拌器，是 在铸坯的搅拌起始点处易出现负偏析，即自亮带，二是漏钢事故将会造成搅拌器被烧坏或 使铸坯与搅拌器外壳发生粘连而处理困难等问题。采用行波磁场型电磁搅拌器或采用螺旋 磁场型电磁搅拌器，才可以避免白亮带的产生。如采用单台行波磁场型电磁搅拌器或2 台 行波磁场型电磁搅拌器分别放置在连铸坯的内外弧侧，一旦搅拌器上部即将发生事故尤其 是漏钢事故时，可以通过与漏钢预报系统连锁事先使搅拌器离开工作位置而放置到安全的 位置，待危险消除或事故处理过后再将搅拌器放置在工作位置。 在二冷区进行电磁搅拌时，只要铸坯的凝固壳厚度小于9 0 m m 。温度在居里点以上， 可以使用工频电源，省去昂贵的变频设备。 凝固末端电磁搅拌( f e m s ) 武汉科技大学硕士学位论文第5 页 凝固末端电磁搅拌一般在浇注对碳偏折有严格要求的高碳钢时必须采用。搅拌器的安 装要靠近凝固末端，一般在液心直径为0 6 0 8 0r a i n 处为最佳，并允许调节。它可以进一 步减轻中心偏析、中心疏松和v 型偏析。由于安装在凝固末端，此时凝固坯壳较厚，搅拌 器般采用低频电源供电阳 针对一些对质量有特殊要求的钢种，我们可以根据以上各个搅拌位置的特点对其进 行合理的组合，来提高产品性能，以达到成品的要求，这便是组合式搅拌工艺( c e m s ) p 2 。玎j 。采用= 个及以上位置的组合搅拌方式能综合各单一位置搅拌的优点，增大搅拌的有 效作用范围，增大等轴晶区面积，还可以避免白亮带的增加。 当连铸中高碳钢、合金钢时，可能同时遇到浇注速度快、钢水过热度高，铸坯尺寸 小等比较困难或特殊要求的连铸工艺，单的搅拌工艺往往不能使铸坯形成足够的等轴晶 结构，中心疏松或中心偏析还达不到最终产品的要求。解决这种情况的简单办法是采用两 个相隔一定距离的组合搅拌方式，例如m + s 2 e m s 或者s 1 + $ 2 e m s ，见图1 2 中的( i ) 。 图1 2 不同位置的组合电磁搅拌装置 上述的组合式搅拌工艺可以有效的减轻合金元素沿着轴向的聚集，但不能有效的减 轻含碳量高的钢种在轴向的正偏析，于是出现了第二种搅拌工艺，即m + f e m s 或者 s 2 + f - e m s ，见图1 2 中的( 2 ) ( 3 ) 。这些工艺主要依靠凝固末端电磁搅拌( f e m s ) 使铸坯 内的细晶粒和未凝固的钢水的糊状区再次处于运动状态，轴向偏析的金属元素同周围的金 属成分产生搅拌和混合，当铸坯内部凝固结束时，即形成新生的均匀的良好组织结构。某 些特别难浇注的钢神，如滚珠轴承钢，会产生特殊的冶金问题，此时若采用 m e m s + s e m s + f e m s 三个位置的组合搅拌方式，如图1 2 中( 4 ) ，可以有效的控制铸坯内 部质量。三个位置的电磁搅拌的作用分别为；m e m s 消除过热，促使等轴晶凝固：s 2 e m s 改善晶粒尺寸，细化晶粒；f e m s 减轻中心偏析、中心疏松和中心缩孔，使铸坯达到微偏 析等级，甚至可以基本消除这些缺陷。 1 2 2 按照搅拌磁场类型分类 随着电磁搅拌技术在连铸机上的工业应用逐步成熟，搅拌器- 的类型也是多种多样： 从搅拌器产生的磁场类型来看可分为： 第6 页武汉科技大学硕士学位论文 ( 1 ) 旋转磁场型电磁搅拌器； ( 2 ) 行波磁场型电磁搅拌器； ( 3 ) 螺旋磁场型电磁搅拌器( 可由1 台旋转磁场搅拌器与l 台行波磁场搅拌器组合 而成。也可由2 台波磁场搅拌器组合而成) 。 以上三种类型电磁搅拌器如图1 3 所示。 昂蓟俪 麓转搅拌 直线搅棒 螺旋搅拌 图l - 3 电磁搅拌器类型 旋转磁场型电磁搅拌装置适用于大、小方坯，圆坯和宽厚比较小的矩形坯的连铸生产 搅拌器与铸坯之间的安装空隙较小，没有端部损失，耗电量小。采用旋转磁场搅拌时钢液 围绕铸坯轴心流动，有较好的对称性。在电磁力作用下的连铸坯壳与结晶器壁有较好的接 触，有利于热交换，使凝固坯壳厚度均匀，减小坯壳破裂的危险。但是在旋转磁场搅拌的 模式下，铸坯中密度较小的夹杂物在离心力的作用下易于向铸坯中心集中，当在结晶器处 进行搅拌时，若搅拌强度过大则容易造成卷渣。此搅拌方式只能使铸坯某一部分水平旋转， 难以使上部温度较高的钢液与下部温度较低的钢液充分混合，即不能有效地降低钢液的过 热度，在一定程度上不利于等轴晶的形成。此外由于铸坯凝固前沿冲刷作用明显，容易 在铸坯内电磁搅拌的起始点处出现白亮带。当将旋转磁场电磁搅拌器放置在足辊以下进行 二冷区电磁搅拌时，电磁搅拌器将受到其上部漏钢的威胁，一旦出现漏钢事故，处理起来 相当困难。 行波磁场型电磁搅拌装置适用于板坯连铸生产，主要应用于结晶器或二冷区的电磁搅 拌。它的设计安装较复杂，安装方式也有很多种。行波磁场型电磁搅拌可以改变液相穴的 形状，减轻中心偏析；增强钢液内部对流，减小钢液中的过热度，有利于等轴晶的形成， 提高铸坯内等轴晶率；可以减少夹杂物的聚集，降低夹杂物的危害；可以降低甚至消除铸 坯的中心疏松、缩孔和裂纹。 螺旋磁场型电磁搅拌装置是由1 台旋转磁场型搅拌装置和1 台行波磁场型搅拌装置或 有2 台行波磁场型搅拌装置组合而成的，主要适用于二冷区的电磁搅拌，其控制系统相对 复杂一些。它可以同时实现钢液的水平旋转和垂直直线运动，钢液的流动范围较大，若搅 拌器安装位置靠近结晶器时，则有利于去除钢液里的非金属夹杂物从而提高铸坯质量。 1 3 连铸电磁搅拌器的工作原理 连铸电磁搅拌器的工作原理是：运动的导电钢水与磁场相互作用产生感应电流，从而 载流钢水与磁场相互作用产生电磁力，这种电磁力作用在钢水每个体积元上，驱动钢水流 动，进而改善钢水凝固过程中的流动、传热和迁移过程，最终达到改善铸坯质量的目的。 交流感应电磁搅拌器的工作原理和异步电机类似，电动机的旋转运动是靠旋转磁场的 武汉科技大学硕士学位论文第7 页 作用。将电动机的定子绕组分成三个绕组在空间以1 2 护的问隔均匀分布。并通入三相对称、 相位差为1 2 0 0 的交流电，便产生旋转磁场。根据相对运动的概念和电磁感应定律，当定予 绕组中有旋转磁场产生，转子绕组中便产生感应电动势，在感应电动势的作用下，转子做 旋转运动。连铸旋转磁场电磁搅拌器的作用就像异步电动机的定子，它由三相电源供电， 在磁极同产生旋转磁场，并达到预定的磁通密度，当钢液通过搅拌器产生的感应磁场时， 旋转磁场产生电磁力矩，在电磁力矩的作用下，钢液像电机转子一样围着未凝钢液断面的 轴心做旋转运动，达到搅拌未凝钢液的目的，如图1 4 所示。 图1 4 旋转磁场搅拌器的工作原理图 如果将电机的定子铁心切开并展开成直线，即产生按正弦规律变化的行波磁场。行波 磁场的磁力线一样可以切割铸坯，使铸坯内产生电磁力并驱动铸坯内未凝固的钢液运动， 同样达到搅拌未凝钢液的目的，如图1 5 所示。 图1 5 线性磁场搅拌器的工作原理图 。1 电磁力的方向取决于磁场磁极变化的方向，只要交换其中任意两相电源的接线，就可 以改变电磁力的方向，从而可以根据搅拌工艺的要求，灵活地改变电磁搅拌的方向。 一，传导型电磁搅拌与感应型电磁搅拌的区别在于，其铸坯内液芯中的电流是由外部导 入的，而不是感应产生的；其静磁场由永磁体或直流电磁铁产生。垂直于拉坯方向的静磁 场与平行于拉坯方向的直流电流相互作用，在铸坯内产生垂直于拉坯方向的电磁力，迫使 第8 页武汉科技大学硕士学位论文 钢液流动，达到搅拌目的所以又称其为静磁场通电型电磁搅拌 由于随着铸坯断面的不同，各种搅拌器所形成的钢液流动范围、流动方向、流动阻力 也随之不同。一般来说，圆坯、小方坯和一部分大方坯多采用旋转磁场型电磁搅拌器，而 板坯和多数大方坯及矩形坯则采用行波磁场型或静磁场通电型电磁搅拌器。 1 4 电磁搅拌对连铸坯凝固组织的影响 1 4 1 电磁搅拌对连铸坯宏观组织的影响 电磁搅拌对连铸坯宏观凝固组织的影响是一个重要的课题。从已有的研究成果看。其 作用主要包括： ( 1 ) 改变柱状晶生长的方向：研究表明l ，在柱状晶生长的过程中对液相施加电磁 搅拌，则柱状晶会改变生长方向转向迎流一侧倾斜； ( 2 ) 促进柱状晶向等轴晶的转变( c e t ) ：这可由文献3 川的研究结果得到证明： ( 3 ) 细化宏观组织：大量的研究工作表明，电磁搅拌具有明显的细化晶粒的作用， 不论晶体的生长方式是柱状晶还是等轴晶，电磁搅拌都可使其细化，并且在整个截面上晶 粒细小、均匀。 1 4 2 电磁搅拌对连铸坯显微组织的影响 电磁搅拌对连铸坯显微组织的影响可以表现为以下几个方面： ( 1 ) 改变初生相形貌和尺寸：在无搅拌条件下为枝晶状的初生相在电磁搅拌条件下可呈 现为非枝晶状厚蔷薇状p ”并且初生相粒子球化度及尺寸随固相分数的增大、等温保持时 问的延长而增大。电磁搅拌可使a 1 s i 过共晶台金中的初晶硅尺寸减小，形状圆滑1 3 。 ( 2 ) 引起共晶组织形貌变化：电磁搅拌对共晶组织的影响主要是影响片层间距和产生 共晶分离电磁搅拌不仅会使小平面一非小平面合金如a 1 s i 合金、f e c 共晶合金产生共 晶分离现象，而且在双非小平面类型的p b - s n 共晶分离 3 9 1 ，并且共晶层片间距随流动线速 度的增大面明显增加【钟j 。 ( 3 ) 引起枝晶臂间距( d a s ) 与机械性能之闯有密切的关系，可用二次枝晶臂间距来定量 的预测材料的机械性能【4 ”。因此流动对d a s 的影响受到关注。研究结果表明二次枝晶臂 间距随电磁搅拌强度的增大而增大。 1 5 电磁搅拌的冶金功能 合理的搅拌器安装位置及搅拌参数选取可以获得合理的钢液流动状态从而在以下几 方面改善铸坯质量： ( 1 ) 使结晶器内钢液的流动状态有利于非金属夹杂物及气泡的上浮，降低铸坯内气泡及 夹杂物的含量。 ( 2 ) 抑制弯月面处钢水的波动，防止保护渣等外界杂质卷入结晶器钢液内和钢液的裸露 武汉科技大学硕士学位论文第9 页 造成的钢液吸气和被二次氧化 ( 3 ) 降低钢水的过热度，均匀液相穴内温度场，防止液面温度过高或过低带来的卷渣、 结壳等现象的发生，有利于减少裂纹，提高铸坯的纯净度。 ( 4 ) 加强液相穴内钢水的对流运动，有利于打碎柱状晶，形成等轴晶，提高铸坯的等轴 晶率，减少中心偏析、中心疏松和缩孔、改善铸坯的凝固组织。 ( 5 ) 减轻钢液对初生凝固壳的冲刷，降低产生裂纹和拉漏的可能性，从而有利于实现快 速连铸。 综上所述，连铸坯液相穴的电磁搅拌对提高连铸坯质量和产量都具有非常重要的意 义。 1 5 1 改善铸坯表面质量 m e m s 改善铸坯、轧材表面质量的效果见图1 6 和图1 7 1 4 2 1 。从图1 6 和图1 7 可见， 通过合理选择电磁搅拌参数可以显著减少铸坯表面质量缺陷，从铸坯表面至1 5 r a m 深处裂 纹指数均稳定在较低水平；通过m e m s 搅拌改善铸坯表面质量后，精整工作量减少，金 属收得率提高，并且轧材质量也得到提高，棒材的表面无缺陷率由2 3 提高到9 6 。日本 神户钢公司采用m - e m s 后，铸坯滂理率由2 0 2 5 下降到2 3 ，金属收得率从9 4 提高到9 7 ，清理损耗减少了3 t 蚓。 、 曩 智 霉 墨 一 誓 墨 基 碟 囊 曩 e 薯 撮材上曲曩垃t 日，t 圈i 6m - e m s 对皮下裂纹的影响 图1 7m e m s 对表面裂纹的影响 第1 0 页武汉科技大学硕士学位论文 l - 5 2 减少铸坯表面和皮下气孔 结晶器电磁搅拌加快了钢液流动速度，可以从钢液中排除一部分气体，从而减少铸坯 表面和皮下气孔，m e m s 对铸坯表面和皮下气孔的影响如图1 8 所示由图1 8 可见， 不进行m e m s 搅拌，大多数铸坯的气孔数量在3 6 0 个m 2 的范围内( 平均4 1 个，m 2 ) ，采 用m e m s 搅拌后，气孔数量明显减少，仅有o 2 个，m 2 ( 平均1 1 个，m 2 ) 。 x 、 i 智 叠 露 r 1 5 3 改善铸坯中心凝固组织 o - 2 、伽，l o 2 - 剪3 i 气孔千t ，一 图1 8m e m s 对皮下气孔的影响 提高铸坯等轴晶率 e m s 对干促进“结晶雨”的形成、增加等轴晶区域、减少中心宏观偏析有着显著的作 用。实践表明在硅钢上使用电磁搅拌技术( e m s ) 可使连铸坯中的等轴晶率( 在铸坯恒断 面上等轴晶区占的空间) 达到5 0 以上。 图1 9 为不同m - e m s 条件下连铸坯等轴晶率的比较。 x 乏 叠 参 o诅锄湖 托抖电谴， 图1 , 9m 。e m $ 对铸坯等轴晶率的影响 由图1 9 可见，经结晶器电磁搅拌后，铸坯的等轴晶区宽度明显扩大j 等轴晶率由 2 0 9 增至4 4 ，8 。电磁搅拌提高铸坯凝固组织中的等轴品率，是由于搅拌运动使钢液产 生循环流动，改善了从铸坯中心至表层的传热，加速了钢液过热的耗散。当钢液过热度较 武汉科技大学硕士学位论文第1 1 页 高时，在温度梯度大的方向以树枝状凝固一旦过热耗散掉，钢液温度降至液相线和固相 线之间时，就会出现一些小等轴晶核，这些小等轴晶核保存在钢液中，随着钢液的进一步 冷却而生长，并由于搅拌所产生的流动充满铸坯液相穴，使液相穴内钢液的过热度消失加 快并使液相穴内温度趋于均匀，所以最终在铸坯内部以细等轴晶凝固【拍“”。由于流动的钢 水将正在长大的柱状晶末梢折断而成为等轴晶的核心，这是电磁搅拌增加等轴晶率的另一 个原因。 由于柱状晶在热加工过程中表现为各向异性，等轴晶表现为各向同性。近年来的研 究发现晶界对材料的性能有着很大的影响，在晶界处存在的偏析和非金属夹杂往往是产生 断裂的根源。因此，减小柱状晶区、增大等轴晶率，可以提高铸坯的机械加工性能。 细化晶粒 图1 1 0 为有无m - e m s 搅拌工艺浇注的铸坯枝晶间距的对比情况。由图1 1 2 可见， 采用m e m s 能显著减小铸