连铸生产中的电磁搅拌技术

1、连铸生产中的电磁搅拌技术关键词：搅拌技术 ;搅拌;生产;结晶器 ;搅拌器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、改善铸坯内部、 表面和次表面质量具有重要作用。1.电磁搅拌的工作原理电磁搅拌的工作原理十分简单， 如同由两相或三相电流驱动的、能产生交变磁场的线性感应马达。 电流发生相变时，磁场从一极到达另一极，并同时产生电磁推力，将液态钢水向磁场运动的方向推动。 这样， 可以通过电流相位变化来选择方向， 也可以通过电流密

2、度和频率来调整推力大小。2.电磁搅拌装置2.1 电磁搅拌装置的分类电磁搅拌装置可分为水平旋转搅拌器和线性搅拌器两大类。而线性搅拌器又可细分为垂直、水平线性搅拌器。水平旋转搅拌器围绕铸流设置，其运转象一个异步旋转电机的定子，驱动钢液水平旋转， 多用于园坯、方坯和小矩形坯。垂直线性搅拌器靠近铸流侧，其运转象一个线性异步电机的定子， 钢水沿垂直方向旋转运动， 适合于大断面的矩形坯； 水平线性搅拌器安装在铸坯侧， 其运转象一个平直定子， 在板坯内弧侧熔池内产生水平方向的磁场，动钢水运动。2.2 电磁搅拌装置的布置电磁搅拌装置的布置位置有四种：中间包加热用电磁搅拌(H EMS)结晶器电磁搅拌(M EMS

3、)冷却段电磁搅拌(S EMS)和凝固段电磁搅拌(F EMS)。EMS :使连铸过程中钢水的过热度保持在3040 摄氏度，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。1996 年日本川崎制铁水岛厂在浇铸不锈钢时采用了此技术，生产的铸坯总氧含量低于0.001%，比采用传统中间包生产的铸坯60%；减小 2 倍，夹杂物减少一半，不锈钢热轧和冷轧板卷缺陷减少了-EMS : 一般安装在结晶器下部，用于减少表面缺陷、皮下夹杂物、针孔和气孔，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；-EMS :可促进铸坯晶粒细化，一般与M-EM

4、S 组合使用。能够增加等轴晶率、减少中心缩孔和疏松，减少中心偏析及内裂，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；-EMS： 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。板坯连铸机的电磁搅拌装置, 可安装在结晶器内或安装在扇形段。 安装在扇形段时, 可 采用单环蝶形搅拌方式， 也可以采用双环蝶形搅拌方式。 双环搅拌更有利于将顶部高温液态 钢水与底部温液态钢水进行较长距离的交换。 安装于扇形段的电磁搅拌其共同特点是, 采用 水平运动方向的磁场，所不同的是搅拌装置的安装位置，安装位置可在辊后、辊间

5、或辊内。箱式扇形段电磁搅拌是由瑞典ABB(ASEA提出，是置于辊后。由于连铸机顶部区域的辊子辊径小， 搅拌器与板坯的距离短， 通常小于 250 毫米。 超过这一距离， 就需要非常高的 电能，这意味着高昂的运行费用；新日铁式(NipponSteelType)电磁搅拌是安装于辊间，这需要对扇形段进行特殊设计，采 用小的辅助辊，每侧铸流 2 个搅拌器，以使铸坯内部的搅拌力最大；辊内内置式(InRollType),由法国冶金研究院(IRSID开发，搅拌器安装在辊内。由于接 近铸坯，因而效率高；(Ni ppon SteelT ype)电磁如果辊内内置式搅拌器并排成对使用，其功效等同于箱式电磁搅拌装置，这

6、适用于辊 径较大的连铸机。如果在铸流每侧成对使用，其效果等同于新日铁式 搅拌；扇形段电磁搅拌通过增加铸坯内部的等轴晶结构，减少了中心疏松和中心偏析，从而 改进了铸坯内部质量。连铸机上使用一种搅拌方式比较普遍, 但当浇铸中、 高碳钢以及合金钢时, 有可能遇到 铸速快、 过热度高、 铸坯尺寸小等比较困难或特殊要求情况, 单一的搅拌工艺往往不能使铸 坯形成足够的等轴晶，中心疏松和中心偏析严重。解决的方法是将几种搅拌方式组合使用。3.电磁搅拌技术的发展后来才被用于连铸。 20 世纪电磁搅拌器是由瑞典 ASEA公司首先发明用于电弧炉炼钢, 60 年代奥地利开始使用电磁搅拌浇铸合金钢。70年代，法国冶金研

7、究院(IRSID首次在方坯连铸机上进行了线性电磁搅拌技术的工业性试验, 使硅铝镇静钢的皮下质量得到了改善。 随后, 园坯连铸的旋转搅拌技术的研究取得了 突破性进展。 1973 年世界首台板坯连铸机二冷段电磁搅拌器在新日铁君津厂投入使用。同年，法国冶金研究院(IRSID在西德Eillingen厂的板坯连铸机上也使用了电磁搅拌技术。1977年ASEA提出辊后箱式搅拌的设想，安装在铸流奥氏钢支持辊后面，沿拉坯方向搅拌铸流。适用于辊子辊径小， 搅拌器与板坯的距离小于 250 毫米的连铸机。 后来，日本神户钢铁公司在弧形板坯连铸机上安装了直线型电磁搅拌器，新日铁用结晶器电磁搅拌装置(M EMS)控制钢液

8、流动， 大幅度提高了表面质量及合格率； 铸坯初期凝壳厚度均匀，因纵裂而引发的拉漏事故明显减少。M-EMS的原理是：在结晶器内板坯后方设置直线运动式传感器(Linearinducto) ，产生能罩住整个铸坯宽度的平行、 稳定移动磁场， 以驱动结晶器内弯月面附近的钢水沿着水平方向旋转流动。现在，新日铁的板坯连铸机上几乎全部采用了这类M EMS 新装置。旋转式结晶器电磁搅拌技术由新日铁(NipponSteel)于1981年开发，广泛用于新日铁(NSC)连铸机上和神户钢(Kobe)Kokogawa的3号连铸机上。钢液的转动靠安装在结晶器宽边铜板顶部的 2个水平的搅拌器产生的搅拌实现， 目的在于降低钢液

9、温度梯度， 有利于铸坯凝固壳体的均匀生成，并可减少针孔、气孔和夹杂类的皮下缺陷。目前针对结晶器上采用旋转电磁搅拌有不同的观点：新日铁认为只有将搅拌器安装在高位，弯月面处才能获得改善质量的效果。Danieli 提出将电磁搅拌器放在结晶器的中间高度的观点。这使结晶器结构和设计相比，新日铁较为简单。20世纪80年代，日本川崎和瑞典 ASEA开发了结晶器电磁制动装置。90年代，间歇搅拌器和多频搅拌器相继开发， 这标志电磁搅拌技术的发展和成熟。随着技术的进步， 开发了组合式电磁搅拌器装置， 与单一的搅拌工艺相比， 在改善铸坯质量、减少中心偏析的效果更好。1991年日本钢管(NKK)引进了钢水能加速或减速

10、离开浸入式水口(SEN)的 EMLS/EMLA(电磁液面减速 /电磁液面加速 )工艺，还能使结晶器弯月面处或弯月面下钢水旋转的EMRS 电磁减速 -电磁加速是一种专为拉速超过1.8米/分的连铸机设计搅拌系统，此系统由日本钢管(NKK)公布的。这种多模式的电磁搅拌(MM EMS)采用4个线性搅拌器，位于浸入式水口 (SEN)的两边，两两并排安装在结晶器宽面支撑板的后面。它们对通过SEN 的钢液进行减速或增速(EMLS/EMLA)。目的在于对弯月面处钢水流动进行优化控制。日本钢管(NKK)的数据显示,对弯月面处钢水流动经过优化控制后产生出来的铸坯，冷轧成卷后其表面缺陷降到了最低程度。在高浇铸速度下

11、，启动电磁减速 (EMLS)系统，将钢液流动减速，这样与保护渣有关的夹杂物会消失。传统的EMS(EMRS只有开/关功能，不能根据实际的浇铸条件调整，EMLS/EMLA代表了SEN几EMS属第三代技术，在同一个连铸机上，它将三种电磁搅拌(即减速、加速和旋转 )结合起来。三种操第二代技术，成熟的流场控制，无需手动操作，由计算机模型根据铸坯尺寸、拉速、 何形状 / 插入深度和氩气流量，实时调整加速、减速以及工作强度。多模式操作的作模式如下：(1)针对高拉速下，优化的双环钢液流动方式(日本钢管 NKK)电磁减速/电磁加速模式(EMLS/EMLA)；针对某种钢种(0.13%C, 0.008%AI)的电磁

12、旋转(EMRS模式，减少皮下针孔;(3)将不稳定单环形钢液流动方式优化并转变为稳定双环钢液流动方式的持续加速电磁加速(EMLA)模式。有人把这一新理念看作为第三代电磁搅拌系统， 这种系统已于 2002年1月应用于 POSCO韩国浦项厂3号板坯连铸机上，2003年7月在浦项Kwangyang厂13号连铸机上开始运行。高速浇铸时，EMLS可使弯月面处钢水流速降低50%以上；低速浇铸时，EMLA可使弯月面处钢水流速提高25%以上。EMRS使弯月面处钢水产生旋转运动，流速达 0.35米/秒，可消除弯月面79毫米以内的波动，铸坯皮下缺陷减少 40%,头坯表面夹渣、针孔减少40%75%,汽车面板合格率提高

13、到 77%。日本神户钢铁公司研究了一种新型的电磁搅拌技术,即对中间包到结晶器之间的铸流采用搅拌技术，解决了浸入式水口(SEN)堵塞的问题；新日铁又开发了一种铸流电磁搅拌，安装在足辊以下、 二冷段以上的狭缝里, 通过改进等轴晶区比率来减少中心偏析, 防止内裂的 产生。4电磁搅拌技术在中国的发展我国于 20 世纪 70 年代末才开始研究电磁搅拌技术,大致经历三个阶段：80 年代中期引进(1).70年代末到 80年代中期,我国才开始模索和探讨电磁搅拌技术,了一批特钢连铸机, 都配有进口电磁搅拌装置, 对我国技术发展起到一定积极作用, 但 还未有制造能力;1996 年 5 月,舞钢首次在(2).80

14、年代后期,经过十多年的努力,终于取得突破性进展。大型厚板坯上成功使用了国内自行设计的S-EMS成套装置，这标志着我国结束依靠进口的历史;(3).1997年宝钢成功研制了大板坯连铸机上使用的S-EMS价格是引进的1/3，已经具备了研制高性能电磁搅拌装置的能力。我国目前应用于连铸设备的电磁搅拌装置有 100 多套， 多为电炉连铸， 绝大部分是引进的。而且引进后， 也需要不断试验才能进入正常生产， 例如武钢二炼钢 2 号连铸机等。 2004年，我国宝钢也引进了结晶器电磁搅拌技术（MEMS）,开创了我国板坯连铸MEMS 的先例。近几年来，仅有重庆特钢、 宝钢、舞钢等少数钢厂使用过国产电磁搅拌装置。由于国内 MEMS的应用研究还不充分，不少厂家的运用效果不够理想。主要存在以下几个问题：工艺试验不足，未对工艺参数充分优化；国内引进的 MEMS 多为早期产品，功率不足，使用效果不理想；存在水质处理问题。由于 MEMS 功率大，电磁线圈采用水冷，对水质要求很高，而国内厂家水