（检测技术与自动化装置专业论文）末端电磁搅拌磁场的数值模拟及应用.pdf

东北大学硕士学位论文摘要 末端电磁搅拌磁场的数值模拟及应用 摘要 随着用户对钢材质量要求的日 益提高，连铸电磁搅拌技术在世界范围内己 得 到较为广泛的应用。但在高碳钢连铸中，往往容易产生中心偏析、 v形偏析、中 心疏松等问题。末端电 磁搅拌( f i n a l e l e c t r o m a g n e t i c s t i r r i n g , f e m s ) 技术是改善铸 坯质量的一种比 较有效的方法，通过这样的设备可以很好地解决钢铁连铸中的高 碳钢中心缺陷问题。 本课题从南钢电炉厂安装使用末端电磁搅拌设备出发，以方坯连铸末端电 磁 搅拌器为对象，研究电磁参数对铸坯质量的影响规律。为此，本文从理论解析、 数学模型、计算机模拟、现场测试和运行等方面对电磁搅拌过程进行了研究。 在方坯连铸电磁搅拌过程的理论解析方面，作者运用雷诺数( r e ) ,磁雷诺数 ( r e . ) 、 哈 特 曼数 h a ) 和 磁 相互 作 用 参 数 闪等无 量 纲 参 数 来 解释 对电 磁搅 拌 研 究 所 做假设条件的合理性， 利用假设条件可以使电磁搅拌过程的分析和计算得到简化。 电磁过程的理论解析可为分析连铸电磁场分布与电 磁力的特征提供了 理论依据。 在计算机模拟方面，由于现有软件都不能很好的解决祸合场问题的局限性， 作者自己编制模拟软件，作为电磁场模拟计算的工具。利用有限元理论，建立了 连铸电 磁搅拌过程电磁场的有限元计算模型。以f o r t r a n 9 0作为编程语言，编 制了三维电磁场计算程序，计算了不同电磁参数条件下的电磁场和电磁力分布。 并由简化的模型计算由此引起的凝固前沿钢液的最大流速。 在现场测试方面，为探索电磁参数与磁场分布特征的关系，寻求最佳搅拌参 数，对方坯凝固末端电磁搅拌器内旋转磁场分布进行了测量。测量结果表明，计 算与测量得到的磁感应强度分布规律基本一致，这证明了模拟计算的合理性。利 用数值模拟的方法分析了电 磁搅拌参数( 即电 流强度和频率) 对铸坯内未凝固 钢水 的流动影响规律，寻求较佳的电磁搅拌的电流强度、频率范围。为连铸电磁搅拌 生产参数的选择提供了理论依据。利用数值模拟和现场测量分析结果相结合，调 东 北大学 硕士学 位论文摘要 节末端电磁搅拌的工作电流和频率，铸坯质量明显改善。 最后归纳了本文研究得出的结论，指出以后工作的方向。一方面是理论研究 方面，认为在计算技术上进一步发展的基础上，最终需要将电磁场、流场、温度 场和浓度场等多种物理场完全祸合模拟，以 求得对连铸末端电 磁搅拌机理更深入 透彻的了解。另一方面是应用研究方面，搅拌器安装位置的确定和电磁参数的选 择仍需进一步研究。以获得全等轴晶铸坯的最件工艺参数和t in 拌参 r 关键词 连铸电磁搅拌电磁场 有限元数值模拟 东北大学硕士学位论文 abs tract s i m u l a t i o n o f ma g n e t i c f i e l d o f f i n a l e l e c t r o m a g n e t i c s t i r r i n g a n d a p p l i c a t i o n ab s t r a c t wi t h t h e i n c r e a s i n g a d v a n c e o f r e q u i r e m e n t s o f s t e e l q u a l i t y b y u s e r s , e le c t r o m a g n e t i c s t i r r i n g t e c h n i q u e h as b e e n a p p l i e d w o r l d w i d e . b u t s e v e r a l d e f e c t s a r e u s u a l l y f o u n d i n t h e c o n t i n u o u s c a s t i n g o f s t e e l , s u c h a s c e n t e r s e g r e g a t i o n , v s e g r e g a t i o n a n d c e n t r a l p o r o s i t y , e s p e c i a l l y f o r h i g h c a r b o n s t e e l s . f i n a l e le c t r o m a g n e t i c s t i r r i n g ( f e ms ) i s a e ff e c t i v e m e t h o d f o r im p r o v i n g t h e s t e e l q u a l i t y a n d t h e s e d e f e c t s a r e i m p r o v e d t h r o u g h i t i n t h e c o n t i n u o u s c as t i n g o f h i g h c a r b o n s t e e l b e g i n w i t h t h e u s i n g o f t h e f e ms i n t h e e l e c t r i c f u rn a c e p l a n t o f n a n j i n g s t e e l g r o u p , t a k in g t h e f e ms i n t h e c o n t i n u o u s c a s t i n g o f t h e b i l l e t s a s r e s e a r c h o b j e c t , t h i s s u b j e c t s t u d i e s t h e i n fl u e n c e o f t h e e l e c t r o m a g n e t i c p a r a m e t e r s t o t h e e l e c t r o m a g n e t i c f ie l d . wi t h t h i s p u r p o s e , e l e c t r o m a g n e t i c s t i r r i n g w a s i n v e s t i g a t e d i n a s p e c t s o f t h e o r e t i c a l a n a l y s i s , m a t h e m a t i c m o d e l , c o m p u t e r s im u l a t i o n , l o c a l m e a s u r e m e n t a n d o p e r a t i o n . d u r in g t h e t h e o r e t i c a l a n a l y s i s o f e l e c t r o m a g n e t i c s t i r r i n g p r o c e s s i n g o f c o n t i n u o u s c a s t i n g o f s q u a r e b i l l e t , s e v e r a l e l e m e n t a r y d i m e n s i o n l e s s n u m b e r s i n c l u d i n g r e y n o l d e n u m b e r ( r e ) , m a g n e t ic r e y n o l d e n u m b e r ( r e in ) , h a r t m a n n u m b e r ( h a ) i n t e r a c t i o n n u m b e r ( n ) w e r e e l e c t r o m a g n e t i c s t i r r i n g . t h e u s e d t o e x p l a i n t h e h y p o t h e s i s i n a n d m a g n e t i c t h e s t u d y o f a n a l y s i s a n d c o m p u t a t i o n i n t h e e l e c t r o m a g n e t i c s t i r r i n g p r o c e s s i n g w e r e s i m p l i f i e d t h r o u g h t h e s e h y p o t h e s i s . t h i s t h e o r e t i c a l a n a l y s i s a l s o p r e s e n t s t h e t h e o r e t i c a l p r i n c i p l e f o r t h e a n a l y s i s o f d i s t r i b u t i o n o f t h e e l e c t r o m a g n e t i c f i e l d a n d f o r c e . d u r i n g t h e c o m p u t e r s i m u l a t i o n o f e l e c t r o m a g n e t i c s t i r r i n g p r o c e s s i n g , b e c a u s e o f t h e l i m i t o f t h e p r e s e n t s o ft w a r e t o s o l v e t h e c o u p l e d f i e l d , s i m u l a t i o n p r o g r a m w a s c o m p l i e d b y t h e a u t h o r a n d w a s t a k e n a s s i m u l a t i o n t o o l d u e t o i t s a n a l y s i s f u n c t i o n o f e le c t r o m a g n e t i c f i e l d a n d f o r c e . t h e c a l c u l a t i o n m o d e l i n g o f e l e c t r o m a g n e t i c f i e l d w a s e s t a b l i s h e d b a s e o n f in i t e e l e m e n t a n a l y s i s t h e o r y . b ase d o n t h e c o mp u t e r l a n g u a g e f o r t r a n 9 0 , t h r e e d i me n s i o n e l e c t r o m a g n e t i c f i e l d w a s ma d e d i s t r ib u t i o n o f t h e e l e c t r o m a g n e t i c f i e l d a n d f o r c e . f u r t h e r m o r e , t h e fr o n t o f s o l i d i f i c a t i o n w a s c o m p u t e r 勿t h e s i m p l e m o d e l . t o c o mp u t e t h e m a x v e l o c i t y i n t h e i v 东此大学 硕士学位论文a b s t r a c t f o r f u r t h e r e x p l o r e o f t h e c h a r a c t e r i s t i c o f e l e c t r o m a g n e t i c p a r a m e t e r s a n d m a g n e t i c fl u x d i s t r i b u t i o n a n d t o s e l e c t e ms p a r a m e t e r s , t h e m a g n e t i c fl u x o f r o t a t i n g m a g n e t i c f i e l d i n s q u a r e b i l l e t w e r e m e a s u r e d i n w o r k s h o p . t h e i n fl u e n c e o f e ms p a r a m e t e r s ( s u c h a s e l e c t r i c c u r r e n t s t r e n g th a n d fr e q u e n c y ) o n t h e v e l o c i t y o f m o l t e n s t e e l i n t h e b i l l e t w a s i n v e s t i g a t e d w i t h c o m p u t e r s i m u l a t i o n . t h e s i m u l a t e d m a g n e t i c fl u x a n d me a s u r e d o n e h a d s a me d i s t r i b u t i o n r u l e . t h a t s h o ws t h e s i mu l a t i o n i s r e a s o n a b l e . t h e r e s e a r c h r e s u l t s p r o v i d e t h e t h e o ry b a s i s f o r p a r a m e t e r s e l e c t i o n o f t h e e ms e le c t r o m a g n e t i c p a r a m e t e r s o f c o n t i n u o u s c a s t i n g . b a s e d o n t h e r e s u l t s o b t a i n e d f r o m m o d e l i n g , c o m p u t e r s i m u l a t i o n a n d i n d u s t r i a l t r i a l , t h e i n fl u e n c e o f t h e s e e l e c t r o m a g n e t i c p a r a m e t e r s o n s t r a n d q u a l it y w a s c e r t i f i e d . f i n a l l y , t h e r e s e a r c h r e s u l t s o f f e ms p r o c e s s in c o n t i n u o u s c a s t i n g w e r e s u m m a r i z e d . me a n w h i l e , t h e r e s e a r c h d i re c t i o n a n d o b j e c t w e r e a l s o p o i n t e d o u t . o n e i s a b o u t t h e a s p e c t o f t h e o r e t i c a l r e s e a r c h . wi t h t h e d e v e l o p m e n t o f c a l c u l a t i o n t e c h n i q u e i n t h e f u t u r e , e l e c t r o m a g n e t i c fi e l d , fl o w f i e l d t e m p e r a t u r e f i e l d a n d c o n c e n t r a t i o n f i e l d s h o u l d b e c o m p l e t e d c o u p l e d . s o t h e e ms m e c h a n i s m in c o n t i n u o u s c a s t i n g w o u l d b e i n t e n s iv e l y c o m p r e h e n d e d . t h e o t h e r i s a b o u t t h e a s p e c t o f a p p l i c a t i o n o f t h e f e ms . t h e s e l e c t i o n o f t h e i n s t a l l a t i o n p o s i t i o n a n d e l e c t r o m a g n e t i c p a r a m e t e r s s h o u ld b e f u r t h e r r e s e a r c h e d . s o b e s t c o n d i t i o n p a r a m e t e r s a n d e l e c t r o m a g n e t i c p a r a m e t e r s w o u l d b e e x p l o r e d i n o r d e r t o o b t a i n b i l l e t s w i t h e q u i a x e d c ry s t a l . k e y w o r d s c o n t i n u o u s c a s t i n g , e l e c t r o m a g n e t i c s t i r r i n g , e l e c t r o m a g n e t i c f i e l d , f i n i t e e l e me n t a n a l y s i s , n u m e r i c a l s i m u l a t i o n v 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是在导师的指导下完成的。论文中取 得的研究成果除加以标注和致谢的地方外，不包含其他人己经发表或 撰写过的研究成果，也不包括本人为获得其他学位而使用过的材料。 与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均己在论文中作了明确 的说明并表示谢意。 学 位 论 文 作 者 签 名: 王 似浑 日期:ms s . 3 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者和指导教师完全了解东北大学有关保留、使用学 位论文的规定:即学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的 复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人同意东北大学可以将学 位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索、交流。 ( 如作者和导师同意网上交流， 学 位论 文作 者 签名: 王全辉 请在下方签名; 否则视为不同意。 ) 导师签名: 1 卜 签字日期:mo t . 了 . 签字日 期: 人.乃s ; / 东北大学硕士学位论文第一章绪论 第一章绪论 现代科学技术的发展，对材料的性能提出了越来越高的要求，在材料科学领 域中，控制液态金属成型与凝固技术己 成为提高材料性能和开发新材料的重要手 段。其中用电磁场控制液态金属成型与凝固过程，近年来己成为国内外材料科学 工 作者 最关注的 凝固 理论与 技术的 分支d 1 。 电 磁冶金技术包括电 磁制动、 电 磁加热 和电 磁搅拌等。而电磁搅拌( e l e c t r o m a g n e t i c s t i r r i n g e m s ) 是材料电磁过程的 一个重要分支，就是利用电磁力搅拌正在凝固的液态金属，从而达到控制液态金 属的成型及凝固过程，改善其外观及内部质量，已 经成为一种控制凝固组织、改 善铸坯质量的常规手段，在世界范围内已得到较为广泛的应用。 ， . 1电 磁搅拌技术的发展 电 磁搅拌人们最早研究与开发的电 磁冶金技术之一， 早在1 9 1 7 年就有人提出 过在金属凝固过程中进行电磁搅拌的设想。到1 9 2 2 年，美国的j d m c n e i l l 就获 得了采用电磁搅拌技术以控制凝固过程的专利，发现了金属液的流动对凝固组织 致密性、偏析度和夹杂物分布有很大的影响。1 9 4 8年连铸工艺试验成功，连铸工 艺刚刚露出工业应用的苗头，人们立刻想到电磁搅拌对改善连铸坯质量的作用。 但在连铸工艺中应用电磁搅拌技术的首例试验是在 1 9 5 2年，由 j u n g h a n s和 s c h a a b e r 设计的第一台电磁搅拌装置，应用于德国h u c k i n g e n 厂的半工业连铸机 的 二 冷区 搅拌 d 1 7 0年代可以说是连铸电磁搅拌技术逐步工业化的时代。1 9 7 3年，法国 h a g o n d a n g e 的s a f e 厂， 首先在四 流 方坯连 铸机的 所有 注流上采用了电 磁搅拌 技术， 从而奠定了连铸电磁搅拌技术工业应用的基础。连铸用电磁搅拌技术的工业应用 阶段从此开始了，随后，日 本和欧洲各国连铸机上相继采用了电磁搅拌技术。到 7 0年代中期，人们关注的课题是在小方坯、大方坯连铸机的结晶器和二冷区应用 电磁搅拌的理论和工艺问题，并由 此开发了多种电磁搅拌器和电磁搅拌工艺，如 传导式电磁搅拌器、旋转型电 磁搅拌器、线性电磁搅拌器等，使铸坯的质量得到 了极大的提高。 到 2 0世纪 8 0年代，随着合金钢连铸的发展，在许多工况条件下，单独使用 东北大学硕士学位论文第一章绪论 第一章绪论 现代科学技术的发展，对材料的性能提出了越来越高的要求，在材料科学领 域中，控制液态金属成型与凝固技术己 成为提高材料性能和开发新材料的重要手 段。其中用电磁场控制液态金属成型与凝固过程，近年来己成为国内外材料科学 工 作者 最关注的 凝固 理论与 技术的 分支d 1 。 电 磁冶金技术包括电 磁制动、 电 磁加热 和电 磁搅拌等。而电磁搅拌( e l e c t r o m a g n e t i c s t i r r i n g e m s ) 是材料电磁过程的 一个重要分支，就是利用电磁力搅拌正在凝固的液态金属，从而达到控制液态金 属的成型及凝固过程，改善其外观及内部质量，已 经成为一种控制凝固组织、改 善铸坯质量的常规手段，在世界范围内已得到较为广泛的应用。 ， . 1电 磁搅拌技术的发展 电 磁搅拌人们最早研究与开发的电 磁冶金技术之一， 早在1 9 1 7 年就有人提出 过在金属凝固过程中进行电磁搅拌的设想。到1 9 2 2 年，美国的j d m c n e i l l 就获 得了采用电磁搅拌技术以控制凝固过程的专利，发现了金属液的流动对凝固组织 致密性、偏析度和夹杂物分布有很大的影响。1 9 4 8年连铸工艺试验成功，连铸工 艺刚刚露出工业应用的苗头，人们立刻想到电磁搅拌对改善连铸坯质量的作用。 但在连铸工艺中应用电磁搅拌技术的首例试验是在 1 9 5 2年，由 j u n g h a n s和 s c h a a b e r 设计的第一台电磁搅拌装置，应用于德国h u c k i n g e n 厂的半工业连铸机 的 二 冷区 搅拌 d 1 7 0年代可以说是连铸电磁搅拌技术逐步工业化的时代。1 9 7 3年，法国 h a g o n d a n g e 的s a f e 厂， 首先在四 流 方坯连 铸机的 所有 注流上采用了电 磁搅拌 技术， 从而奠定了连铸电磁搅拌技术工业应用的基础。连铸用电磁搅拌技术的工业应用 阶段从此开始了，随后，日 本和欧洲各国连铸机上相继采用了电磁搅拌技术。到 7 0年代中期，人们关注的课题是在小方坯、大方坯连铸机的结晶器和二冷区应用 电磁搅拌的理论和工艺问题，并由 此开发了多种电磁搅拌器和电磁搅拌工艺，如 传导式电磁搅拌器、旋转型电 磁搅拌器、线性电磁搅拌器等，使铸坯的质量得到 了极大的提高。 到 2 0世纪 8 0年代，随着合金钢连铸的发展，在许多工况条件下，单独使用 东北大学 硕士学位论文第 一 章绪 论 结晶器电磁搅拌或二冷区电磁搅拌已 不能满足人们对提高连铸坯质量的要求，于 是，结晶器、二冷区和连铸坯末端的电磁搅拌相结合的技术得到了研究、应用和 发展。同时人们开始认真研究板坯电磁搅拌的机理和效果，特别是研究板坯结晶 器内进行电磁搅拌的结构设置、工艺方法和工业参数，通过大量的试验积累，不 断取得突出的研究成就。特别值得指出的是，人们在着力研究电磁搅拌工艺的同 时，也开始注重电磁搅拌工艺中的电磁流体力学问题，在电磁搅拌的作用下固、 液界面的物理化学现象以 及电 磁搅拌器的电 气工程问 题p 1 到了9 0 年代，电磁搅拌技术日 趋成熟，其应用也日 益广泛。在小方坯、大方 坯、圆坯和板坯的连铸工艺中都采用了电磁搅拌，同时新的电磁搅拌技术也在不 断的被开发、研制和应用。1 9 9 4 年，加拿大的工 s p a t s i d b e c 公司首次采用双线圈 电磁搅拌系统，以提高连铸坯，特别是高碳钢和合金钢的内部质量。这种双线圈 系统的一套位于弯月面区，另一套则安装在结晶器的下部。它们分别采用不同的 电源， 并通过各自的强度、频率以 及旋转方向的控制而产生两个相互独立的磁场， 以满足敞流浇注和浸入式浇注工艺的需要，同时可避免结晶器保护渣的卷入以及 注流对浸入式水口侵蚀的加剧。1 9 9 5 年，日 本神户制钢有限公司的研究人员提出 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注流进行电磁搅拌， 解决了 长水口的 堵塞问 题， 并实现了 在整个连铸过程中的低过热度浇注。 1 9 9 6 年， 日 本学者将传统交流搅拌器的三相绕组的每一组线圈通以两个或者多个具有高低 不同频率和不同运动方向的叠加电流，来加强液相穴内钢液的流动，以改善铸坯 的质量。通过以水银为实验介质进行的实验研究和数值模拟，对搅拌作用下的流 场进行了分析，以为这种搅拌方式所引起的钢液流动，对搅拌作用下的流场进行 了分析，认为这种搅拌方式所引起的钢液流动，可以起到均匀钢液温度分布和溶 质分布的作用。1 9 9 9 年，大连理工大学的李廷举等学者，利用 s n - 4 . 5 % p b合金以 模拟钢液，进行了电 磁搅拌与软接触凝固技术相结合，以改善铸坯表面质量与内 部质量的基础研究，试验结果不但减轻了铸坯的表面缺陷，而且也细化了铸坯的 凝 固 组 织 z - 4 1 在我国，电磁搅拌技术从2 0 世纪6 0 年代开始研究。从2 0 世纪7 0 年代开始 先后引进了连铸用结晶器、二冷区、二冷区末端的工艺用电磁搅拌器与电磁搅拌 技术，取得了很好的应用效果。随后，在我国的一些工厂、研究院所、高等院校 积极开展了连铸用电磁搅拌基础理论研究和应用技术与设备的研究、开发，已 经 取得了 非常突出的研究成果，从在国内外发表的学术论文来看，基础理论的研究 已经赶上了国外的先进水平，在设计连铸机的同时，以同时进行电磁搅拌器的设 计，当然，在电磁搅拌器稳定性、伸用寿命、实际应用时电磁参数的确宁等问颗 东 北大学 硕士学位论文第 一 章绪 论 还 需 要 人们 去 进 行深 入 地 研究 11 1 国内很多科研单位在电磁搅拌的应用和基础理论等方面进行了大量的研究工 作。武汉钢铁公司和武汉钢铁研究所对电磁搅拌技术在船板、含磷钢和硅钢生产 中的应用作了研究。北京钢铁研究总院对电磁搅拌作用下宏观偏析的形成机理做 了一定深度的理论探讨。北京科技大学对电磁搅拌应用在弹簧钢和轴承钢上的作 用效果以及电磁搅拌对合金显微组织的影响作了细致研究。大连理工大学对电磁 搅拌与软接触共同作用复合材料组织和性能的改善方面作了研究。此外，宝钢、 中科院力学所、武汉科技大学等单位也都对电磁搅拌技术的应用进行了相当深入 的研究，并积累了不少经验。尽管对电磁搅拌的研究已经取得了很大进展，但由 于资金和技术等方面原因，国内对电磁搅拌技术的基础理论研究和应用研究都还 很不充分，需要引起广泛的重视，并加以深入研究。 总之，通过采用电磁搅拌技术可减少铸坯表面和皮下夹杂物数量，使夹杂物 分布更加均匀，并减少皮下气孔，它可以改变铸坯的微观结构，减少铸坯的中心 疏松和缩孔，同时使铸坯横断面的碳和合金元素偏析分散，中心偏析的波动降低， 从而提高铸坯的内部质量。随着人们对电磁搅拌技术研究的深入，电磁搅拌技术 的应用将越来越广泛，其发展趋势可概括为以下几点:( 1 ) 组合式电磁搅拌方法的 进一步发展及参数的确定控制;( 2 ) 数值模拟仍然是发展电磁搅拌技术的强有力的 工具，在这方面需要适应性较广的、更为精确的数学模型，因此磁流体动力学的 研究将会具有更重要的地位;( 3 ) 随着电磁搅拌所用应用的合金种类的日益广泛及 电磁搅拌凝固理论的发展， 也将为金属凝固基础理论的研究开辟一个崭新的局面。 1 . 2电 磁搅拌种类与冶金效果 1 . 电 磁搅拌器的分类1 u 经过4 0 多年的开发、研究，目前用于连铸机上的电磁搅拌器按搅拌器安装位 置的不同大致可以有如下几种:中间包加热用电磁搅拌器 h e m s ，结晶器电磁搅拌 m e m s ，二冷区电磁搅拌s e m s 和凝固末端电磁搅拌f e m s . ( 1 ) 中间包加热用电磁搅拌器h e m s 该种电磁搅拌器是连铸过程中的钢水温度在中间包内始终保持在液相温度 3 0 或 4 0 0c ，目 前正被推广应用，其投资和运行成本比 等离子加热要小，并且是中 间包二次效果更加。 ( 2 ) 结晶器电磁搅拌器m e m s 该电磁搅拌器是目前各种连铸机都使用的装置，由于它对改善铸坯的表面质 东 北大学 硕士学位论文第 一 章绪 论 还 需 要 人们 去 进 行深 入 地 研究 11 1 国内很多科研单位在电磁搅拌的应用和基础理论等方面进行了大量的研究工 作。武汉钢铁公司和武汉钢铁研究所对电磁搅拌技术在船板、含磷钢和硅钢生产 中的应用作了研究。北京钢铁研究总院对电磁搅拌作用下宏观偏析的形成机理做 了一定深度的理论探讨。北京科技大学对电磁搅拌应用在弹簧钢和轴承钢上的作 用效果以及电磁搅拌对合金显微组织的影响作了细致研究。大连理工大学对电磁 搅拌与软接触共同作用复合材料组织和性能的改善方面作了研究。此外，宝钢、 中科院力学所、武汉科技大学等单位也都对电磁搅拌技术的应用进行了相当深入 的研究，并积累了不少经验。尽管对电磁搅拌的研究已经取得了很大进展，但由 于资金和技术等方面原因，国内对电磁搅拌技术的基础理论研究和应用研究都还 很不充分，需要引起广泛的重视，并加以深入研究。 总之，通过采用电磁搅拌技术可减少铸坯表面和皮下夹杂物数量，使夹杂物 分布更加均匀，并减少皮下气孔，它可以改变铸坯的微观结构，减少铸坯的中心 疏松和缩孔，同时使铸坯横断面的碳和合金元素偏析分散，中心偏析的波动降低， 从而提高铸坯的内部质量。随着人们对电磁搅拌技术研究的深入，电磁搅拌技术 的应用将越来越广泛，其发展趋势可概括为以下几点:( 1 ) 组合式电磁搅拌方法的 进一步发展及参数的确定控制;( 2 ) 数值模拟仍然是发展电磁搅拌技术的强有力的 工具，在这方面需要适应性较广的、更为精确的数学模型，因此磁流体动力学的 研究将会具有更重要的地位;( 3 ) 随着电磁搅拌所用应用的合金种类的日益广泛及 电磁搅拌凝固理论的发展， 也将为金属凝固基础理论的研究开辟一个崭新的局面。 1 . 2电 磁搅拌种类与冶金效果 1 . 电 磁搅拌器的分类1 u 经过4 0 多年的开发、研究，目前用于连铸机上的电磁搅拌器按搅拌器安装位 置的不同大致可以有如下几种:中间包加热用电磁搅拌器 h e m s ，结晶器电磁搅拌 m e m s ，二冷区电磁搅拌s e m s 和凝固末端电磁搅拌f e m s . ( 1 ) 中间包加热用电磁搅拌器h e m s 该种电磁搅拌器是连铸过程中的钢水温度在中间包内始终保持在液相温度 3 0 或 4 0 0c ，目 前正被推广应用，其投资和运行成本比 等离子加热要小，并且是中 间包二次效果更加。 ( 2 ) 结晶器电磁搅拌器m e m s 该电磁搅拌器是目前各种连铸机都使用的装置，由于它对改善铸坯的表面质 东北大学硕士学位论文第一章绪论 量、细化晶粒和减少铸坯内部夹杂及中心疏松有着明显的作用，所以被特别推崇 选用。它一般安装在结晶器内的下部，以便不影响液面测量装置的使用。 图 1 . 1连铸机电 磁搅拌器种类和使用频率 f i g . 1 . 1 t y p e s o f e ms i n t h e c a s t e r a n d a p p l i e d fr e q u e n c y ( 3 )二冷区电磁搅拌器 s e m s 二冷区电磁搅拌器s e m s 又可分为冷却一段电磁搅拌器s e e m s 和冷却二段电磁 搅拌器s 2 e m s 。 冷却一段电磁搅拌器s t e m s 只适用于小方坯连铸机。 它的功能与m e m s 类似， 所以 两者不重复使用， 但s t e m s 安装在结晶器外的一段足辊处。 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 e e m s 所需要的功率要小得多，因 此在投资和运行成本上比较经济。 冷却二段电磁搅拌器s 2 e m s 此种电 磁搅拌器是促 进铸坯晶粒细化的有效手段，它一般与m e m s 或者s e e m s 一起使用， 在大方坯和板 坯连铸机上可以选用。 ( 4 ) 凝固末端电磁搅拌器f e m s 凝固末端电磁搅拌器一般在浇注对碳偏析有严格要求的含碳高的钢种是必须 使用。它是在铸坯将要凝固完毕时进行的，是用来进一步减轻中心偏析、中心疏 松和 v形偏析的有效措施。由 于在铸坯的最终凝固区，凝固壳的厚度较厚， 搅拌 器一般都采用 1 0 - 2 0 h z 的低频电源供电。 凝固末端电磁搅拌经常和结晶 器电磁搅拌m - e m s 或二冷区电磁搅拌s - e m s同 时使用，进行组合搅拌 c - e m s 。组合搅拌技术一般有二冷区分段搅拌 s 1 + s 2及 m 十 f , s 十 f , m + s + f ， 如图1 . 2 所示。 组合搅拌能综合单一搅拌的优点， 增大搅拌的有 东 北大学 硕士学 位论文第 一 章绪 论 效作用范围， 产生宽且晶粒较细的 等轴区，同时可避免白 亮带的恶化。 据日 本神 户制钢厂的经验，对一些质量有特殊要求的钢种，特别是高碳钢，在采用组合搅 拌的条件下，不但等轴晶比率较高，偏析度较小，而且还可以消除因搅拌而产生 的白 亮带。从经济上来说，组合搅拌系统的投资成本大，仅适用于那些难于铸造 的合金钢和高碳钢的连铸工艺。 图1 . 2各种组合搅拌型式 f ig . 1 . 2 t y p e s o f c o m b i n e d e l e c t r o m a g n e t i c s t i r r i n g 电磁搅拌在连铸中的作用效果体现为改善铸坯质量、简化生产工艺过程和产 品性能 ( 见表 1 . 1 ) 。通常，铸坯质量提高的主要标志有:减少铸坯中夹杂物及 气体的含量，提高纯净度。采用结晶器电磁搅拌时，铸坯皮下夹杂物可以大大降 低，从而减少了 伴生的其他缺陷。 扩大等轴晶区，提高等轴晶率。一般认为过 热度为1 0 -5 0 时， 电磁搅拌可是等轴晶区宽度从1 7 % 增加到4 7 % ， 但浇注钢种不同， 获得的 等轴晶率不同。 改善中心偏析， 减少铸坯内部裂纹、 疏松和缩孔。 采用合 适的电 磁搅拌方式，铸坯中心碳和硫偏析程度都会显著减轻。中心偏析与搅拌型 式有关，通常组合搅拌的效果更好。由于凝固收缩出 现的“ 搭桥”可能 在铸坯中 心产生管状的连续缩孔，采用电磁搅拌可以减轻或避免这种缺陷，可以提高铸坯 内部致密度，有效防止内部裂纹和中心疏松的产生。不同的连铸机机型、不同钢 种和铸坯断面采用的电磁搅拌情况如表 1 . 2所示。不同的电磁搅拌型式对改善铸 坯质量的效果也不同( 见表 i . 3 ) . 因而，在生产中应根据具体钢种和条件选择合适 的 搅 拌 形 式 14 1 东北大学 硕士学位论文第一章绪论 表 1 . 1 连铸电磁搅拌的冶金作用与效果 t a b l e t . 1 me t a l l u r g i c a l r o le s a n d e ff e c t s o f e ms 作用方式冶金作用与效果 m e m s 冲刷凝固面，降低过热度，打断柱状晶晶梢，表面和皮下夹杂物减少，表面 和皮下气孔和针孔减少，坯壳生长 均匀，皮下裂纹减少，细小等轴晶增加， 等轴晶区扩大，中心偏析和疏松改善 s t e m s打断柱状晶， 分散浓化钢水， 等轴晶区 扩大，中 心偏析改善，中 心疏松和缩 孔减少，皮下夹杂物及皮下气孔和针孔减少。 s u m s 热流与机械作用打断柱状品，加速搅拌区的混合，增加等轴晶律，改善中心 偏析和疏松，减少中心裂纹 f e m s 打断柱晶 “ 搭桥” ，分散浓化钢水，等轴晶扩大，中心偏析改善，中心 疏松和缩孔减少 表 1 . 2 不同电磁搅拌器适用情况 t a b l e 1 .2 a p p l i e d s t a t e s o f d i ff e r e n t e ms 搅拌 形式 搅拌 方向 小方( 圆) 坯大方( 圆) 坯薄板坯厚板坯 效果频率效果频率效果频率效果频率 m e m s旋转 十+十 低频 十十 低频低频 直线 +十 低频 + 螺旋 s e m s旋转 十+ 直线 + 工频 + 工频或 低频 +十+ 工频工频或 低频 螺旋 + ? f e m s旋转 + 低频 + 低频低频 直线 + 低频 ? 螺旋 9 注:+ :很好+:好+ :一般一 :不采用?:不确定 东 北大学硕士学 位论文 第一章绪论 表1 . 3 电 磁搅拌对改善铸坯缺陷的有效性 t a b l e 1 . 3 e ff e c t i v i t y o f t h e e ms t o i m p r o v e t h e d e f e c t i n t h e s t r a n d 缺陷 类型 表面 夹渣 针 孔 皮下 夹杂 多 于 l 表面 裂纹 柱状 晶体 内部 裂纹 中心 偏析 中心 疏松 v 形 偏析 认ft t . jjjjjjjjjj s t e m sj jjjjjjjjj s 2 e m s jjj f e m s jjj 注:j 表示改善有效。 1 . 3连铸电磁搅拌中存在的问题 ( 1 ) 能量利用率低 在电磁搅拌技术的应用中，除了搅拌器的结构及其附属设备都比较复杂，价 格较高，投资较大以外，最大的问题就是能量利用的低效率。因为在连铸电磁搅 拌情况下，气隙较大，再加上钢液在高温下电阻比较大，不锈钢容器和坯壳对电 磁能的衰减也有一定的影响。尤其是在采用结晶器内电磁搅拌的情况下，虽然铜 壁有较高的导电 性，但它是抗磁物质，对磁力线有很大的屏蔽作用，使得能力的 利用率很低。而提高能力的利用率则涉及到搅拌器箱体和结晶器等的选材、设计 等问题。因此，如何寻找导磁能力强而导热性又好的材料取代铜，以及如何设计 能力可以 得到有效力利用的搅拌器， 都是值得深入研究和探讨的问题。 ( 2 ) 电磁搅拌作用下的凝固机理还需研究 对电 磁搅拌作用的基础理论研究主要是通过理论解析和数值模拟的方法。 由于 在电 磁搅拌作用下的钢液的凝固过程包含有流体流动、传热、转质及相变等诸多 现象， 是一个非常复杂的冶金过程，其间电 磁场、流场、温度场和浓度场是相互 祸合、相互作用的。要弄清电磁搅拌作用下钢液凝固过程中的各种现象，了解各 种控制参数对凝固过程的影响规律，进行理论解析是非常困难的。因此，对以上 个物理场进行数值模拟计算就显得非常必要。由于实际过程十分复杂，在求解过 程中须作必要的假设和简化。通常将钢液当作不可压缩牛顿流体处理，各物性参 数为常数，并忽略钢液中的位移电流。通过对电 磁搅拌作用下的电磁场、流场以 及温度场的计算，可以分析在具体的搅拌条件下，搅拌参数及工艺参数对铸坯凝 固 过程的影响。随着计算机技术的不断发展，数值模拟计算由二维转变为三维。 数值模拟方法也因计算要求的提高，由单纯的一种方法发展成为有限差分法 ( f d m ) 、有限单元法 ( f e m )和边界单元法 ( b e m )的相互结合。计算内容也日 益 丰富和完善，由最初的电磁场计算，电磁场与流场的祸合计算，发展到电 磁场、 东 北大学硕士学 位论文 第一章绪论 表1 . 3 电 磁搅拌对改善铸坯缺陷的有效性 t a b l e 1 . 3 e ff e c t i v i t y o f t h e e ms t o i m p r o v e t h e d e f e c t i n t h e s t r a n d 缺陷 类型 表面 夹渣 针 孔 皮下 夹杂 多 于 l 表面 裂纹 柱状 晶体 内部 裂纹 中心 偏析 中心 疏松 v 形 偏析 认ft t . jjjjjjjjjj s t e m sj jjjjjjjjj s 2 e m s jjj f e m s jjj 注:j 表示改善有效。 1 . 3连铸电磁搅拌中存在的问题 ( 1 ) 能量利用率低 在电磁搅拌技术的应用中，除了搅拌器的结构及其附属设备都比较复杂，价 格较高，投资较大以外，最大的问题就是能量利用的低效率。因为在连铸电磁搅 拌情况下，气隙较大，再加上钢液在高温下电阻比较大，不锈钢容器和坯壳对电 磁能的衰减也有一定的影响。尤其是在采用结晶器内电磁搅拌的情况下，虽然铜 壁有较高的导电 性，但它是抗磁物质，对磁力线有很大的屏蔽作用，使得能力的 利用率很低。而提高能力的利用率则涉及到搅拌器箱体和结晶器等的选材、设计