板坯连铸二冷区电磁搅拌技术通用部份

1、岳 阳 中 科 电 气 有 限 公 司板坯连铸电磁搅拌技术岳阳中科电气有限公司2007年7月23日目 录一、电磁搅拌工作原理 03二、电磁搅拌冶金机理 04三、电磁搅拌参数设计 05四、板坯电磁搅拌型式及其特点08主要型式及特点08三种类型主要特点 09对连铸机结构要求 09五、板坯电磁搅拌流场 11钢液流动形式11钢液流动影响区域 12六、电磁搅拌安装位置 12七、冶金效果 14冶金机理 14不锈钢冶金效果14八、搅拌器的主要作用 18板坯连铸电磁搅拌技术一 电磁搅拌工作原理由于板坯连铸机的结构特点，目前处于实用的板坯连铸二冷区电磁搅拌器大都采用行波磁场搅拌器。行波磁场搅拌器由平面感应器和非

2、磁不锈钢壳体构成。平面感应器和直线电机一样，都由普通旋转电机的定子演变而来。设想将旋转电机定子在一侧顺轴向剖开并展平，即形成平面感应器或直线电机，见图1。使原来沿圆周旋转的旋转磁场变成向一个方向行进的行波磁场，铸坯则替代电机的转子，从而构成单边行波磁场搅拌器（single side travelling field stirrer: sts）。如果在sts上面再加一个感应器，即构成双边行波磁场搅拌器（double side travelling field stirrer: dts）。图1 旋转电机演变成行波磁场搅拌器1电机；2定子；3转子；4铸坯；5搅拌器感应器二冷区电磁搅拌器的工作原理如图

3、2所示。简单地说，在板坯二冷区布置一图2 板坯s-ems工作原理对行波磁场搅拌器，激发向一个方向行进的行波磁场。该行波磁场在铸坯内感生感应电流，感应电流与外加磁场相互作用，在铸坯的钢水内产生电磁力，即电磁力是体积力，作用在钢水体积元上，推动钢水向一个方向运动。值得注意的是钢水流动方向始终和行波磁场方向相一致，如行波磁场方向倒向，钢水也随之改变流动方向。二 电磁搅拌冶金机理现代理论认为电磁搅拌改善铸坯组织结构的机理主要基于以下几点：a）改变凝固过程的动力学条件（即机械模型理论）；b）改变凝固过程中热力学条件（即热模型理论）；c）改善凝固过程的物质迁移条件。传统机械模型理论：电磁搅拌作用是打断枝晶

4、梢成为等轴晶核,使晶粒细化形成细密的等轴晶；认为安装位置过高，搅拌作用过早终止而再次产生柱状晶；安装位置过低，搅拌作用无法切断已形成搭桥的柱状晶。热模型理论：热模型理论能更好的代替传统机械模型理论解释电磁搅拌所起作用：电磁搅拌的作用加速了钢液的流动，从而改善了热传导条件，降低固液界面后大容量钢水的温度梯度，使得钢液过热度更容易消除，过热度消除并且钢水温度下降到液相线和固相线之间，更利于等轴晶的生长，可获得较大的等轴晶区；打断枝晶梢成为等轴晶核；增加横过粥状区的温度梯度，增加粥状区中的局部传热或减少局部凝固时间。物质迁移 凝固过程各种元素迁移。三 电磁搅拌参数设计连铸电磁搅拌的实质在于借助电磁力

5、的作用来强化铸坯中末凝固钢液的运动，从而改变钢水凝固过程中的流动,传热和迁移过程，达到改善铸坯质量的目的。影响连铸电磁搅拌的冶金效果的主要因素在于：a. 电磁搅拌的形式及安装位置。b. 不同钢种的末凝固钢液需要多大的电磁推力。c. 电磁搅拌器能否提供足够大的电磁推力。d. 电磁搅拌的作用区域是否足够大。第3、4个因素取决于电磁搅拌器的参数及结构设计水平，而第1、2个因素则取决于电磁搅拌器的运行工艺。因此,一套电磁搅拌装置要达到最佳的冶金效果,除了要求其本身性能优良外，还要求使用操作者有一定的实践经验，需要使用操作过程中不断的积累和丰富。 对电磁搅拌器本身而言其设计性能的高低就体现在对电磁推力的

6、合理设计上从理论模型加以适当简化可得电磁推力的表达式为: fe 1/2 vsbo2kske 式中: 钢液的电导率vs 电磁搅拌器磁场的运行速度 (vs=2f, f频率,极距)bo 电磁搅拌器表面磁场强度1/ks磁场的衰减系数(变量)ke 磁场的漏磁系数由此可见,电磁推力与很多因素有关,是一个很复杂的变量.但也不难发现,影响电磁推力大小的主要因素为:a. 电磁搅拌器的表面磁场(bo)b. 电磁搅拌器磁场的运行速度( vs)c. 电磁搅拌器的固有特征系数(ks·ke)d. 钢液的电导率()上述1.2.3.个因素取决于电磁搅拌器的结构及电磁参数,第4个因素则取决于被搅拌钢液的成份.一般来讲

7、在搅拌区域内,电磁感应推力必须使钢液的流动速度达到2060cm/s,太小无法使钢液流动起来,太大又易产生负偏析,同时运行也不经济.因此在设计时应考虑以下几个方面:1.电磁功率 从上面式可知对电磁推力影响最大的是电磁搅拌器的表面磁场（bo），而bo是与电磁搅拌器的线圈安匝数（n·i）成正比的。通常，由于受安装空间的限制同时也为了降低电磁功率，线圈匝数(n)不能加得太多，因此，怎样最大限度的提高电流强度（i）就成为提高电磁推力的最有效途径。当然电流强度的提高也会受到很多限制，比如，线圈的发热如何带走，低频电源的成本如何控制等等。因此应合理分配电流及匝数,通常的原则是：平衡考虑设备成本，适

8、当增加电流强度,以期用最小的电磁功率达到最大的电磁推力。 2.最佳频率 从上面式可知增加频率（f）可增加电磁推力，但另一方面，增加频率会引起磁场衰减系数（1/ks）变大，从而又减小电磁推力，因此电磁推力随频率的变化不是单调的，而是有一个最大值。同时频率的增加，还会引起感应电压的增加，从而引起电磁功率的增加，关系较复杂。要精确定位是不现实的也没有必要，最佳频率可通过理论分析及实际测试进行确定，原则是：在同等电磁功率下，尽可能达到最大的电磁推力。 3.钢水导电率 不同钢种，其钢液导电率（）是不同的，但相差不是很大，因此一般情况下，可以不予考虑。 4.钢液粘度 从力学原理上来讲，电磁搅拌的过程，实质

9、上就是电磁力克服钢水粘性力从而使钢液产生运动的一种过程，不同钢种，其粘性系数相差很大，因此所需电磁推力也是不同的，对碳结构钢而言，主要取决于含c量，含c量越高所需电磁推力就越大，不锈钢所需电磁推力比碳钢要大1倍以上。具体应根据钢种和铸坯截面及安装位置进行确定。 5.合金元素的影响合金元素的加入改变了凝固组织结构，不同化学成份的钢水，其柱状晶发展程度也不一样，一般来讲合金元素的成份越多，其柱状晶就越发达，所需电磁力也越大。四 板坯电磁搅拌型式及其特点主要型式及特点由于板坯连铸宽厚比大，板坯连铸机又采用密排辊配置，为适应这种结构特点，以往曾开发过六、七种sems，经优胜劣汰，目前处于实用的只有三种

10、类型的行波磁场搅拌器，即辊式、插入式、辊后式：这三种类型二冷区搅拌器sems国内都已引进:a 插入式行波磁场搅拌器（dts）使用单位：宝钢（称dks）、武钢拆除扇形段上一对支承辊；一对搅拌器头部分别插入此位置，在两个支承辊之间；搅拌器头部两侧增加小径分节辊来支承铸坯。b 辊后式行波磁场搅拌器（sts）：使用单位：武钢(已停用)、太钢c 辊式行波磁场搅拌器（rts）：使用单位：鞍钢、武钢 拆除扇形段上一对或二对支承辊，用一对或二对辊式行波磁场搅拌器替换该位置。三种类型主要特点磁极插入式辊后式辊式感应器数量2个对置组成一对一个4根辊组成两对感应器绕组用铜管绕制，克兰姆式用铜管绕制，迭绕式用扁铜铜线

11、绕制，克兰姆式感应器壳体复杂，双层结构， 较复杂，工作面为双层结构，其它为单层结构较复杂，单层结构感应器壳体材质要求较高：耐高温，非导磁，耐腐蚀较高：耐高温，非导磁，耐腐蚀高：耐高温，非导磁，耐腐蚀，耐磨，一定强度冷却方式铜管内水冷铜管内水冷铜线外水冷保护气体氮气空气电源相数三相二相，三相二相电源频率4-15hz0.3-5hz4-15hz电流2×700a2000a2×400a磁感应力（额定电流下实测值）100mmfe35mmfe80mmfe作用面内外弧双面单面内外弧双面 对连铸机结构要求 板坯增加三种类型二冷区搅拌器对连铸机结构调整要求如下：a 插入式行波磁场搅拌器（dts

12、）前提条件：拆除扇形段上一对支承辊后要有足够的间隙保证搅拌器头部插入两个支承辊之间（一般要求在180mm-200mm以上）。 扇形段设计复杂，工作量大：要保证增加小径分节辊后保证铸机弧度并且铸坯不鼓肚；小径分节辊、轴承及周围构件采用非导磁材料；保证该位置的二冷喷淋气水参数符合要求；考虑搅拌器的水、电、气路的安装。b 辊后式行波磁场搅拌器（sts）： 增加辊后式行波磁场搅拌器较插入式行波磁场搅拌器简单，但是须将靠近辊后式搅拌器工作面的支承辊及小径分节辊、轴承及周围构件采用非导磁材料，须加装导轨保证拆卸方便，特别是支承辊投入成本也相当高。c 辊式行波磁场搅拌器（rts）增加辊式行波磁场搅拌器在三种

13、类型搅拌器中最为方便，只需将支承辊换成搅拌辊即可，但辊直径须达到足够大以保证搅拌辊的电磁功率。由于三种类型搅拌器安装方式的影响：辊式搅拌器紧贴铸坯表面；插入式搅拌器距铸坯表面20mm左右；辊后式搅拌器距铸坯表面最远（300mm左右），他们在铸坯中心产生磁场大小不一（见上表），产生的冶金效果也不一样：插入式搅拌器最好；辊式搅拌器次之；辊后式搅拌器最差。例：武钢三种类型搅拌器均使用过，某种钢：使用插入式搅拌器等轴晶率达50-60%左右；使用辊式搅拌器等轴晶率达30-35%左右；使用辊后式搅拌器效果不明显，现已拆除。五 板坯电磁搅拌流场钢液流动形式三种类型二冷区搅拌器在实际使用过程中产生的作用大小各

14、有不同，使钢液产生的流动效果不一样。a 沿拉坯方向b 沿铸坯截面方向钢液流动影响区域插入式行波磁场搅拌器上下影响区在56m；辊式行波磁场搅拌器上下影响区在23m。下图为插入式行波磁场搅拌器上下影响区图：六 电磁搅拌安装位置对于二冷区电磁搅拌而言，其冶金效果主要体现在获得高的等轴晶率。有了一定的等轴晶率，才能有利于改善内裂、中心缩孔和疏松及中心偏析等。要获得一定的等轴晶率，需要相应的液芯厚度作保证：·等轴晶率近似未凝固率，即ds液芯厚度（mm）d坯厚（mm）由此求得液芯厚度，进而求得坯壳厚度·计算坯壳厚度k凝固系数，（mm/）l从弯月面到dts安装位置的距离（m）vc拉坯速度

15、（m/min）由此求得坯壳厚度可以验证由未凝固率求得的坯壳厚度是否合理。需要指出的是，在电磁搅拌条件下，实际坯壳厚度要比计算的要薄几个毫米。安装位置示意图见下图。七 冶金效果1冶金机理二冷区电磁搅拌的主要冶金机理是：由于凝固前沿钢水的流动，清洗了凝固面，折断枝状晶梢，形成等轴晶核；由于钢水流动，使铸坯芯部温度降低而凝固前沿温度提高，有利向外传热，两者都有利于提高等轴晶率，等轴晶率的提高，有利改善中心缩孔和中心偏析。由于坯壳内液芯温度和坯壳厚度趋于均匀，减缓由于热应力而产生的内部裂纹。2不锈钢冶金效果问题提出：a 铁素体不锈钢铁素体不锈钢铸坯内枝状晶发达，延伸到板坯的中心部分，并且热轧不能完全使

16、其破坏而残留下来，轧成冷轧板就会在板面上出现“起皱”现象，在冷轧薄板表面产生单向波纹。铁素体不锈钢高温强度低，结晶速度快，又加上出钢温度控制得比较高，铸坯内容易产生裂纹。b 奥氏体不锈钢 高合金奥氏体不锈钢由于合金含量高，钢的高温塑性降低，在连铸时容易出现裂纹在不锈钢主要是铁素体不锈钢的冷轧薄板表面产生单向波纹，为此，需要保证有一定的等轴晶率有效防止单向波纹的产生。见下图等轴晶率与冷轧薄板表面单向波纹关系图实际冶金效果此处引录了国外使用所获得的一些冶金效果：a扩大等轴晶率·对铁素体系不锈钢：当t15c时，ems对等轴晶率不起作用。当t15c，无ems时，等轴晶率显著降低，而使用ems

17、时，即使t在30-50c内，等轴晶率也可达40-50%。·对奥氏体系的不锈钢：以sus316为例，未经ems时完全是柱状晶且生长的铸坯中心，而经ems后，搅拌区内完全是等轴晶并且搅拌区外生长的柱状晶的范围也变窄了。即使在t20c，的高温浇铸，搅拌推力85mmfe。搅拌区内等轴晶率可达30%以上。·ems对不同牌号不锈钢的等轴晶区的影响：ems对不同牌号不锈钢板坯等轴晶区的影响至今未见系统的资料，故以新日铁光厂搅拌不锈钢无缝管坯为例。经电磁搅拌后，各牌号的不锈钢大方坯都有宽的等轴晶区，其等轴晶区由大到小的顺序为sus316、321、304、430。bems对机械性能的影响·ems改善了铁素体不锈钢冷轧薄板表面的单向波纹（riding）的缺陷高cr不锈钢（如sus430）冷轧薄板的单向波纹高度与等轴晶率的关系见上图。由图可见，等轴晶率扩大，单向波纹高度减小。 c 中心偏析使用二冷区电磁搅拌后明显地改善了中心偏析指数，中心偏析的减少有效地提高了焊接质量。中心偏析和s-带的改善可缩短轧制过程之前的均热时间，提高生产率。