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东北大学硕士论文 摘要 连铸方坯旋转电磁搅拌器磁场模拟与优化 摘要 在钢的连铸工艺中，电磁搅拌技术作为一种可以有效的改善铸坯组织形态 的技术手段已受到广泛的关注和应用。在钢的连铸过程中电磁搅拌能够使钢液 产生强制流动，使铸坯的高温区与低温区混合，过热度尽快消失，固液相温度 梯度减小，并折断树枝晶，增加结晶核心及等轴晶数量，从而可以控制铸坯的 凝固过程，改善凝固组织、提高铸坯质量。如今，随着连铸品种增加和对铸坯 质量要求的提高，电磁搅拌技术得到了系统和深入的研究。 但是，由于连铸生产中的结晶器电磁搅拌过程是一个复杂的传热、流动以 及存在相变的冶金过程，在电磁搅拌过程中电磁场、温度场、流场相互耦合， 单纯利用理论解析的方法对电磁搅拌过程中的物理化学现象进行分析十分困 难。而随着计算方法和计算机软硬件的发展，利用计算机对冶金过程中的物理 化学问题进行模拟仿真计算已成为解决复杂工程问题的有效手段。 在结晶器电磁搅拌过程中，影响电磁搅拌效果的因素很多，诸如，钢种、 搅拌器位置、电磁搅拌参数等，但是影响搅拌效果的主要因素是电磁搅拌参数 的合理选取，因此如何优化电磁搅拌参数，优化电磁搅拌效果成为研究电磁搅 拌的一个重要问题。 本论文采用a n s y s 8 0 利用有限元法模拟连铸方坯旋转电磁搅拌器内的磁 场分布，建立了二维和三维连铸方坯电磁搅拌有限元模型。分析了电流强度、 电流频率、结晶器铜管厚度等电磁搅拌参数与电磁搅拌器内的磁感应强度、磁 场分布、电磁搅拌力之间的关系。在电磁搅拌模拟计算结果的基础上，结合连 铸电磁搅拌现场实际磁场测定的数据验证以及电磁搅拌参数对铸坯质量的影响 分析，最后确定了实际使用情况下的最佳电磁搅拌参数，并且得出了电磁搅拌 参数和电磁搅拌器内磁场分布之间的关系，为下一步高强弹簧钢连铸大方坯铸 态组织均质化的研究提供了基础。 关键词：结晶器，电磁搅拌，数值模拟，电磁搅拌参数，连铸 东北大学硕士论文 a b s t r a c t m a t h e m a t i cm o d e l i n ga n d0 p t i m i z a t i o n o ne l e c t r o m a g n e t i c s t i r r i n gi nt h e c o n t i n u o u sc a s t i n gm o l d a b s t r a c t i nt h ec 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 cs t i r r i n g h a sb e e n a p p l i e d c o m p r e h e n s i v e l y , b e c a u s ei tc a ni m p r o v et h eq u a l i t yo fp r o d u c t s 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 ) u t i l i z e st h ee l e c t r o m a g n e t i cf o r c ef o ri n t e n s i f y i n gf l o wo fm o l t e n s t e e l ，w h i c hc o u l di m p r o v et h e c o n d i t i o n so fh e a tt r a n s f e ra n dm a s st r a n s f e r ， e l i m i n a t et h ed e g r e eo fs u p e r h e a t ，b r e a kt h ea r b o r e s c e n tc r y s t a la n di n c r e a s et h e q u a n t i t yo fe q u i a x e dg r a i n s oe l e c t r o m a g n e t i cs t i r r i n gc a nc o n t r o lt h ep r o c e s so f s o l i d i f i c a t i o n ，i m p r o v et h es o l i d i f i c a t i o n s t r u c t u r ea n di n c r e a s et h eq u a l i t yo f p r o d u c t s n o w a d a y s ，e l e c t r o m a g n e t i cs t i r r i n gh a sb e e ns t u d y i n gi n t e n s i v e l ya n d s y s t e m i c a l l yf o rt h ei n c r e a s i n gs t e e ls p e c i e sa n dt h eh i g hq u a l i t y h o w e v e r ，t h ep r o c e s so fe l e c t r o m a g n e t i cs t i r r i n gi sc o m p l e x ，w h i c hi n c l u d e s h e a tt r a n s f e r ，f l o wa n dp h a s ec h a n g e t h et e m p e r a t u r ef i e l d ，f l o wf i e l da n dt h e e l e c t r o m a g n e t i cf i e l de x i ti nt h ee l e c t r o m a g n e t i cs t i r r i n g ，w h i c hi n t e r a c te a c ho t h e r t h ea n a l y z em e t h o db a s e do nt h et h e o r yd e a lw i t ht h ee l e c t r o m a g n e t i cs t i r r i n g p r o c e s si sd i f f i c u l t ，d u d n gt h ed e v e l o p m e n to fn u m e r i c a lm e t h o da n dc o m p u t e r t e c h n o l o g y ，m a t h e m a t i cs i m u l a t i o nb e c o m e sa l li m p o r t a n tm e t h o dt o d e a lw i t h c o m p l e xp h y s i c a lc h e m i s t r yq u e s t i o n si nm e t a l l u r g yf i e l d t h e r ea r em a n yf a c t st h a ti n f l u e n c et h ee f f e c to fm o u l de l e c t r o m a g n e t i c s t i r r i n gi nt h ec o n t i n u o u sc a s t i n g ，s u c ha ss p e c i e s ，s t i r r e ri n s t a l l a t i o ns i t e a n d e l e c t r o m a g n e t i cp a r a m e t e r b u tt h em a j o rf a c t o ri st h ee l e c t r o m a g n e t i cp a r a m e t e r h o wt oo p t i m i z et h ee l e c t r o m a g n e t i cp a r a m e t e ri nm - e m si sa ni m p o r t a n to b j e c t t w o d i m e n s i o n a lf i n i t ee l e m e n tm o d e la n dt h r e e d i m e n s i o n a lf i n i t ee l e m e n t m o d e lo fp r o c e s si nm e m si nt h ec o n t i n u o u sc a s t i n gw e r eb u i l tb ya n s y s s o f t w a r ei n t h i sp a p e r t h er e l a t i o na m o n ge l e c t r o m a g n e t i cs t i r r i n gp a r a m e t e r s ( s u c ha s c u r r e n ti n t e n s i t y ，f r e q u e n c y ，c o p p e rm o u l dt h i c k n e s sa n ds oo n ) a n d i i ， 东北大学硕士论文a b s t r a c t e l e c t r o m a g n e t i cf o r c e ，m a g n e t i ci n d u c t i o nh a sb e e na n a l y z e d b a s e do nt h er e s u l to f t h em a t h e m a t i cs i m u l a t i o na n dt h ed a t ac o m i n gf r o mt h ef i e l de x p e r i m e n t ，t h e o p t i m i z e de l e c t r o m a g n e t i cs t i r r i n gp a r a m e t e r sh a v eb e e no b t a i n e di np r o c e s so ft h e m e m so ft h ec o n t i n u o u sc a s t i n g t h ec o n c l u s i o ns h o w st h er e l a t i o nb e t w e e n e l e c t r o m a g n e t i cs t i r r i n gp a r a m e t e r sa n dt h em a g n e t i cf i e l dd i s t r i b u t i o n ，w h i c hc o u l d h e l pt of u r t h e rr e s e a r c ho nt h eh o m o g e n e o u ss o l i d i f i c a t i o ns t r u c t u r e k e yw o r d s ：m o u l d ：e l e c t r o m a g n e t i cs t i r r i n g ；m a t h e m a t i cs i m u l a t i o n e l e c t r o m a g n e t i cp a r a m e t e r ，c o n t i n u o u sc a s t i n g i i i 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： 名。萨 日期：渺孑、2 、矽 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。 学位论文作者签名： 日期 另外，如作者和导师不同意网上交流，请在下方签名；否则视为同意。 学位论文作者签名： 签字日期： 导师签名 签字日期 东北大学硕士论文 第一章绪论 1 1 课题背景 第一章绪论 国家重点基础研究发展规划( 9 7 3 ) “提高钢铁质量和使用寿命的冶金学基础研 究”项目中“钢铁材料凝固组织均质化的基础研究”课题提出对高强弹簧钢连 铸大方坯铸态组织均质化的研究，而在钢的连铸工艺中，电磁搅拌技术可以有 效的改善连铸坯铸态组织形态。本课题在此背景下拟对连铸方坯电磁搅拌器内 的磁场进行模拟和优化研究，为下一步高强弹簧钢连铸大方坯铸态组织均质化 的研究奠定理论和应用基础。 电磁搅拌在钢的连铸过程中能够使钢液产生强制流动，使铸坯的高温区与 低温区混合，过热度尽快消失，固液相温度梯度减小，并折断树枝晶，增加结 晶核心及等轴晶数量，从而可以控制铸坯的凝固过程，改善凝固组织、提高铸 坯质量【卜3 l 。因此，在钢铁材料凝固组织均质化的研究中可以改善铸坯凝固组 织，扩大等轴晶区和减小宏观偏析的电磁搅拌技术是一种重要的研究手段【4 j ， 对电磁搅拌器内的磁场进行模拟优化研究有重要的现实意义。 电磁搅拌器内的磁场由于受结晶器铜板厚度、磁轭布置、电流强度大小、 钢水导电率、滑差，气隙等因素的影响，电磁搅拌器器内的磁场分布复杂，中 心磁感应强度不很理想，磁损耗比较严重，电磁搅拌器的能源使用功率很低1 5 l 。 因此对电磁搅拌器内的磁场进行模拟和优化研究，一方面可以改善电磁搅拌器 内的磁场分布，改善电磁搅拌效果，改善铸坯质量，另一方面可以减少磁漏， 降低能耗，提高能源的使用效率。 本文拟使用a n s y s8 0 对连铸方坯旋转电磁搅拌器内的磁场进行模拟，分 析电磁搅拌器内的磁场分布，优化电磁搅拌工艺参数，提高电磁搅拌器的使用 功率，充分发挥电磁搅拌的冶金功能。 1 2 连铸电磁搅拌技术的研究进展 电磁搅拌的实质是借助在铸坯液相穴内感生的电磁力强化液相穴内钢液 的运动，e h 此强化钢液的对流、传热和传质过程，产生抑制柱状晶发展、促进成 分均匀、夹杂物上浮细化、分布均匀的热力学和动力学条件，进而控制铸坯凝 东北大学硕士论文 第一章绪论 固组织，改善铸坯质量【6 l 。电磁搅拌技术应用于连铸生产始于2 0 世纪6 0 年代， 随着连铸比不断提高及用户对钢材质量的要求日益严格，电磁搅拌技术在7 0 年代和8 0 年代得到了迅速发展，并在连铸机上得到了广泛应用，促进和推动了 高效连铸技术的进步。 5 0 年代，由s - j u t l g h a j l s 和0 s t m b e r 报道了在德国s c h o r n d o r f 和h u c k i n g e n 的半工业连铸机上连续铸钢时电磁搅拌的首例试验【l ”。用结晶器搅拌器来控制 沸腾钢的凝固，这类试验继续进行到6 0 年代，在奥地利k a p f e n b e r g 厂的b o e h l e r 连铸机上用于浇铸合金钢口1 。6 0 年代末一些工作者还进行了结晶器电磁搅拌和 二冷区电磁搅拌的实验【7 1 。 连铸过程的电磁搅拌技术是7 0 年代迅速发展起来的，为了生产高质量的铸 坯，人们对在连铸机上应用的电磁搅拌进行了大量的研究工作。7 0 年代方坯结 晶器内电磁搅拌技术成为主要的研究方向，法国钢研院和英国钢铁公司进行的 线性搅拌器在方坯连铸机上的实验取得很大成功：电磁搅拌使钢坯的表面质量 和皮下质量得到了改善，采用的低频电磁场提高了搅拌效率。随后对圆坯的旋 转搅拌和板坯连铸机结晶器电磁搅拌都取得了进展。具有代表性的是1 9 7 4 年法 国钢铁研究院( i r s i d ) 和c e m ( 后来还有a l s t h o m 参与) 在h a g o n d a n g e 的四流 铸机的每一铸流上进行了注流电磁搅拌( s e m s ) 最早工业应用 8 , 9 1 ；法国工作者 与卢森堡阿尔贝德公司之间进行合作，结果导致了小方坯和大方坯结晶器电磁 搅拌器的开发；从1 9 7 7 年起r o t e l e c 公司以m a g n e t o g y r - p r o c e s s 为注册商标，将其 商品化；1 r s i d 和c e m 在德国的迪林根厂，对板坯连铸进行了注流电磁搅拌 ( s e m s ) 和结晶器电磁搅拌( m e m s ) 的首次工业化试验 1 0 1 。 日本是进行电磁搅拌研究比较成功的国家。1 9 8 0 年曰本将研究的m e m s 与s - e m s以及最终凝固段电磁搅拌f e m s 联合使用的 k o s m o s t i r m a g n e t i o g y 技术获得工业应用，成为特殊钢和大方坯连铸的 重要手段1 。许多钢铁公司都应用了这一技术。 8 0 年代的特点在于增加工业应用。到1 9 8 2 年底，日本仅新日铁一家就有 2 3 台板坯搅拌器和2 6 台方坯搅拌器【1 2 1 。尽管最初发展组合式电磁搅拌( 即通过 在小方坯和大方坯上将结晶器电磁搅拌或和注流电磁搅拌与凝固末端电磁搅拌 ( f e m s ) 组合成组合式电磁搅拌) 有些谨慎，但是组合式电磁搅拌还是得到了广 泛的应用；在板坯连铸中，应用二次冷却区电磁搅拌，使铁素体不锈钢连铸在控 制皱纹状变形方面是可行的。对微合金高强度钢的连铸，安装在导辊内的搅拌器 提供了搅拌效果和板坯支承的最佳结合。澳大利亚的布罗肯希尔公司肯布拉港 一2 一 东北大学硕士论文 第一章绪论 厂就是一个证明。 9 0 年代电磁搅拌技术日趋成熟其应用也同趋广泛，间歇式高频搅拌器和 多频搅拌器【1 4 j 的相继问世使得电磁搅拌的选取更加灵活。间歇式高频搅拌器通 过外加间歇高频磁场对钢液的作用抑制由结晶器振动引起的弯月面的波动：而 多频搅拌器是将原搅拌器的三相绕组的每一组线圈通以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以起到均匀钢水温度和溶质分布的作用。 1 9 9 4 年，加拿大的i s p a ts i d b e c 公司首次采用双线圈电磁搅拌系统，以提高高 碳钢和合金钢的内部质量【i ”。1 9 9 5 年，日本神户制钢有限公司的研究人员提出 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，实现了 整个连铸过程中的低过热度浇注【l6 ，”j 。 我国自7 0 年代后期开始研究连铸电磁搅拌技术，于8 0 年代初开始工业性试 验。最初只在少数钢厂如：重庆三厂、涟源钢厂、天津二钢、成都无缝钢管厂 及首钢试验厂进行了电磁搅拌的工业性试验，主要应用在二冷区。到了8 0 年代 后期，电磁搅拌技术得到了国家的高度重视，并被列为国家重点科技攻关项目， 使得国内的电磁搅拌技术有了重大突破和发展。到1 9 9 5 年底，我国已有连铸机 3 4 4 台1 0 3 4 流，但是大多为国外引进，仅重庆特钢、舞钢、包钢、首钢、成都 无缝及涟源钢厂等采用了少量国产电磁搅拌装置f 1 8 q0 1 。1 9 9 6 年5 月，舞钢首 次在大型厚板连铸机上成功的采用了国内自行研制的二冷区电磁搅拌成套装置 2 1 1 。1 9 9 7 宝钢同其他单位合作，成功研制了宝钢大板坯连铸二冷区电磁搅拌装 置。在此期间国内很多科研单位在电磁搅拌的基础理论和应用等方面进行了大 量的研究工作，如武汉钢铁研究院、宝钢、中科院力学所、北京科技大学等。 但是由于国内的研究起步较晚，国内对电磁搅拌的基础理论和应用研究还不够 充分，仍需要作更深入的研究。 1 3 连铸电磁搅拌技术概述 1 3 1 连铸电磁搅拌技术的工作原理 电磁搅拌的工作原理，基于两个基本定律：一是运动的导电钢水与磁场 相互作用产生感应电流，二是载流钢水与磁场相互作用产生电磁力。电磁力作 用在钢水每个体积元上，从而驱动钢水流动。 就交流感应而言电磁搅拌的工作原理和异步电机类似，由多相( 两相或三 相) 线圈绕组产生行波磁场或旋转磁场，在导电的钢水中产生感应电流，感应电 一3 一 东北大学硕士论文第一章绪论 厂就是一个证明。 9 0 年代电磁搅拌技术日趋成熟其应用也尸趋广泛，间歇式高频搅拌器和 多频搅拌器 1 4 1 的相继问世使得电磁搅拌的选取更加灵活。间歇式高频搅拌器通 过外加间歇高频磁场对钢液的作用抑制由结晶器振动引起的弯月面的波动；而 多频搅拌器是将原搅拌器的三相绕组的每一组线圈通以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以起到均匀钢水温度和溶质分布的作用。 1 9 9 4 年，加拿大的i s p a ts i d b e c 公司首次采用舣线圈电磁搅拌系统，咀提高商 碳铜和合金钢的内部质量【i ”。1 9 9 5 年，日本神户制钢有限公司的研究人员提出 对中日j 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，实现了 整个连铸过程中的低过热度浇注【l ”j 。 我翻自7 0 年代后期开始研究连铸电磁搅拌技术，于8 0 年代初丌始工业性试 验。最初只在少数钢厂如：重庆三、涟源钢厂、天津二钢、成都无缝钢管厂 及首钢试验厂进行了电磁搅拌的工业性试验，主要应用在二冷区。到了8 0 年代 后期，电磁搅拌技术得到了国家的高度重视，并被列为国家重点科技攻关项目， 使得国内的电磁搅拌技术有了重大突破和发展。到1 9 9 5 年底，我国已有连铸机 3 4 4 台1 0 3 4 流，但是大多为国外引进，仅重庆特钢、舞钢、包钢、首钢、成都 无缝及涟源钢厂等采用了少量国产电磁搅拌装置i ”1 。i 。1 9 9 6 年5 月，舞钢首 次在大型厚板连铸机上成功的采用了国内自行研制的二冷区电磁搅拌成套装置 口”。1 9 9 7 宝钢同其他单位合作，成功研制了宝钢大板坯连铸二冷区电磁搅拌装 置。在此期间国内很多科研单位在电磁搅拌的基础理论和应用等方面进行了大 量的研究= 作，如武汉钢铁研究院、宝钢、中科院力学所、北京科技大学等。 但是由于国内的研究起步较晚，国内对电磁搅拌的基础理论和应用研究还不够 充分，仍需要作更深入的研究。 1 3 连铸电磁搅拌技术概述 1 3 1 连铸电磁搅拌技术的工作原理 电磁搅拌的工作原理，基于两个基本定律：一是运动的导电钢水与磁场 相互作用产生感应电流，二是载流钢水与磁场相互作用产生电磁力。电磁力作 用在钢水每个体积元上，从而驱动钢水流动。 就交流感应而言电磁搅拌的工作原理和异步电机类似，由多相( 两相或兰 相) 线罔绕组产生行波磁场或旋转磁场，在导电的钢水中产生感应电流，感应电 相) 线圈绕组产生行波磁场或旋转磁场，在导电的钢水中产生感应电流，感应电 3 一 东北大学硕士论文 第一章绪论 流与磁场作用产生电磁力，对钢水起搅拌作用。 就直流感应而言，是通过恒定磁场与运动的导电钢水相互作用，在钢水中 产生感应电流j = c r v b ，感应电流与磁场作用产生电磁力f = j b ，此电磁 力的方向恰好与钢水的运动方向相反，对钢水起制动作用，因此这种搅拌被称为 电磁制动。 1 3 2 连铸电磁搅拌器的类型 1 3 2 1 连铸电磁搅拌器按磁场的激发机理分类 ( 1 ) 旋转磁场的搅拌 旋转磁场的电磁搅拌方式如图1 1 所示。旋转磁场环绕铸坯，使得钢水在 整个磁场作用区沿铸坯凝固界面与磁场一同均匀旋转。钢水的旋转速度可通过 改变电磁搅拌参数和搅拌器与铸坯之间的缝隙宽度来控制。电磁搅拌强度与线 圈绕组和铸坯表面间的距离以及电磁搅拌参数密切相关。一般说来，旋转磁场 搅拌适用于圆坯、小方坯和大方坯连铸【2 2 】。 图1 1 旋转型电磁搅拌器 f i g 1 1r o t a t i v es t i r r e r ( 2 ) 行波磁场搅拌 图1 2 线型电磁搅拌器 f i g 1 2l i n e a rs t i r r e r 行波磁场搅拌也称直线搅拌( 如图1 2 所示) ，是将感应器放在铸坯的一侧或 两侧，感应器产生的磁场间歇性的交替工作，电磁力驱动钢水做直线运动。电 磁力的作用方向可以与拉坯方向相同或相反。按照搅拌方向。直线搅拌又可分 为垂直搅拌和水平搅拌。行波磁场搅拌主要适用于板坯连铸过程。 一4 一 东北大学硕士论文第一章绪论 ( 3 ) 螺旋磁场搅拌 螺旋磁场搅拌是根据磁场叠加原理来实现的。在铸坯周围同时安装产生旋 转磁场的线圈、绕组和产生行波磁场的感应器，线圈绕组和感应器同时工作， 产生的旋转磁场和行波磁场叠加成螺旋磁场。如图1 3 所示。 图1 3 螺旋磁场地磁搅拌器 f i g 1 3s p i r a l i t ys t i r r e r ( 4 ) 恒定磁场搅拌 恒定磁场搅拌也称传导搅拌。直线电流通过导电辊传入铸坯，恒定磁场由 电磁铁或永久磁铁产生。外加直流磁场和直流电流相互作用产生电磁力，推动 钢水运动。与行波磁场电磁搅拌相比，恒定磁场搅拌有设计复杂的缺点，因此 除了装设线圈绕组或永久磁铁外还要装设导电辊。 1 3 ，2 2 连铸电磁搅拌器按设置位置分类及应用 图1 4 在铸机不同位置下安装的搅拌器类型 f i g 1 4s t i r r e ri n s t a l l e da tv a r i o u sp o s i t i o no fc a s t i n gm a c h i n e 一5 一 东北大学硕士论文第一章绪论 按搅拌器的安装位置可分为结晶器电磁搅拌( m e m s ) ，结晶器下电磁搅拌 ( i e m s ) ，二冷区电磁搅拌( s e m s ) ，凝固末端电磁搅拌( f e m s ) 以及各种组合 式电磁搅拌：结晶器和二冷区组合式电磁搅拌( m + s e m s ) ，结晶器下方和二 冷区组合式电磁搅拌( i + s - e m s ) ，结晶器和凝固末端组合式电磁搅拌 ( m + f e m s ) ，结晶器下方和凝固术端组合式电磁搅拌( i + f e m s ) ，结晶器 及结晶器下方以及凝固末端组合式电磁搅拌( m + i + f e m s ) 1 , 2 , 2 3 j 。各种电磁搅 拌方式如图1 4 、1 5 所示。 图1 5 组合工艺电磁搅拌形式 f i g 1 5t y p e s o fc o m b i n e de l e c t r o m a g n e t i cs t i r r i n g 但是，至于采用哪一种搅拌方式，须视对成品铸坯质量提出的要求而定。 一般来讲，在结晶器处或其附近，就能获得表面质量好的铸坯。如要改善铸坯 的内部质量就必须在二冷区设置电磁搅拌器。组合式电磁搅拌能综合单一搅拌 的优点，增大搅拌的有效作用范围，产生宽且晶粒较细的等轴晶区，同时还可 以避免白亮带的恶化【2 , 2 4 。对一些质量有特殊要求的钢种，特别是高碳钢，在 组合搅拌的条件下，等轴晶比率较高，偏析度较小。但是组合式电磁搅拌系统 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。常见的 几种电磁搅拌方式的适用范围见表1 1 所示，表1 2 为各种钢种的适用的电磁 搅拌方式。 一6 东北大学硕士论文 第一章绪论 表1 1 各电磁搅拌方式的适用范围 t a b l e1 1a p p l i c a b i l i t yo f e a c ht y p eo fe l e c t r o m a g n e t i cs t i r r i n g 表1 2 各种钢种适用的电磁搅拌方式 t h b l e1 2t h ee l e c t r o m a g n e t i cs t i r r i n gt y p ef o rd i f f e r e n ts t e e l 钢种类型适用的电磁搅拌方式 超低碳钢 低碳钢 中碳钢及低合金钢 中碳钢及低合金钢 高碳钢及合金钢 m e m s m e m s 、s e m s m + s e m s i + s e m s m + f e m s 、s + f - e m s 、 i + s e m s 、m + s + f e m s 1 3 2 3 连铸电磁搅拌对凝固组织及性能的影响 ( 1 ) 电磁搅拌对宏观凝固组织的影响 在金属凝固过程中，固一液界面的枝晶沿着与热流相反的方向生长，未施 加电磁场时，由于择优生长熔体会垂直于固一液界面长出枝晶，宏观上表现为 内表面长出许多小突起；施加电磁场时，沿径向生长的柱状晶前端受到电磁搅 拌力的剪切作用，枝晶长大受阻；动量对流加速凝固前沿的传质过程，使凝固 壳变薄【2 5 1 。在电磁搅拌力作用下其表面类似于非小晶面界面，宏观上内表面光 滑。 7 一 东北大学硕士论文 第一章绪论 电磁搅拌对宏观凝固组织的影响作用主要包括： a ) 柱状晶生长方向：研究表明，在柱状晶生长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- - n 倾斜； b ) 促进柱状晶向等轴晶的转变； c ) 细化宏观组织：大量的研究工作表明忡，2 6 ”，电磁搅拌具有明显的细化晶粒 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， 并且在铸件整个截面上晶粒细小、均匀。 ( 2 ) 电磁搅拌对显微组织的影响 电磁搅拌所引起的强迫流动使液相温度及成分更加均匀，导致晶核在熔体 中各处趋于同时形核并有利于晶核均匀地分散在液相中，而且电磁搅拌还会改 变初生相形貌和尺寸和引起枝晶臂间距变化，这是电磁搅拌细化凝固组织的根 本原因1 ，27 1 。电磁搅拌对显微组织的影响f 2 8 , 2 9 表现为以下几方面： a ) 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或蔷薇状，并且初生相粒子球化度及尺寸随固相分 数、等温保持时间的增大延长而增大。电磁搅拌可使a l s i 过共晶合金中 的初晶硅尺寸减小、形状圆滑。 b ) 引起共晶组织形貌的变化：电磁搅拌对共晶组织的影响主要是影响层片间 距和产生共晶分离。电磁搅拌不仅会使小平面一非小平面台金如a l 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 共晶合金 中也可以发生共晶分离，并且共晶层片间距随流动线速度的增大而明显增 加。 c ) 引起枝晶臂间距发生变化：二次枝晶臂间距( d a s ) 与机械性能之间有密切的 关系，可用二次枝晶臂间距来定量地预测材料的机械性能能。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【3 0 】。 1 3 2 ，4 对成分均匀化的影响及对界面形状控制作用 电磁搅拌在成分均匀化方面的影响与流动方式及冷却速度有关，如果采用 缓慢速度冷却或等温搅拌，即使对于密度和导电性相差根悬殊的两种组元，也 可以产生很明显的均匀化效果。这对于生产多组元合金、掺杂单晶体都具有重 要意义。 凝固前沿的形状会影响单晶体中掺杂物及杂质分布的均匀性，以及宏观微 一r 一 东北炙学硕士论文第一章绪论 观缺陷出现的几率，流动方式及温度分布对相界面的形状影响很大。通过电磁 搅拌方法不仅可以控制凝固前沿形状，而且还能减少熔体中径向、轴向的温度 梯度。 ( 1 ) 电磁搅拌对边界层厚度影响 金属凝固时熔体粘度是沿径向向外逐渐增大的。当施加电磁场时，一定强 度的电磁力只能搅动低于某一粘度的金属熔体，这样在半固态区域里就存在一 个边界层区域，边界层以内的金属熔体在动量对流作用下使热、质均匀传输， 边界层是受动量对流影响的区域，它受到剪切的粘滞力作用；边界层以外的金 属熔体则不受电磁搅拌力的作用。边界层是电磁驱动力对金属熔体作用的极限 区域，该区域的金属熔体具有特征固相分数，特征固相分数与电磁搅拌力大小 有关。增大动量对流强度可使边界层外移。动量对流强度越大，则可搅动的金 属熔体的粘度越大，边界层外移得越多，这就是施加电磁场情形下凝固壳变薄 的原因。 ( 2 ) 电磁搅拌对机械性能的影响 电磁搅拌由于具有细化晶粒的作用，可使钢的抗拉强度得到提高。但对塑 性的影响却是晶粒细化和二次臂间距增大两方面因素共同作用的结果，总的影 响是使钢的塑性降低。当电磁搅拌强度在一定的范围内时，由于相界面变得圆 滑降低应力集中程度可使塑性提高。 1 3 4 连铸电磁搅拌的冶金效果 在连铸上合理采用电磁搅拌能有效地改善铸坯的内部组织结构，提高铸坯 表面质量，使钢液中非金属夹杂物上浮，明显减轻中心偏析和中心疏松，基本 消除中心缩孔和裂纹，大大增加等轴晶率，放宽对连铸工艺的要求，扩大连铸 钢种，提高拉速，尤其对中大断面和特殊钢种效果更加明显。 ( 1 ) 增加等轴晶区改善铸坯的机械性能 等轴晶与柱状晶相比，等轴晶的晶粒在长大时彼此交叉，枝权间搭接牢固， 裂纹不易扩展，各晶粒的取项各不相同，没有方向性，避免了小钢锭凝固组织 的形成，得到致密的钢坯组织 3 1 】。另外，由于柱状晶在加热时表现为各向异性， 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物往往是产生断裂的根源。因此应减少柱状 晶，增大等轴晶率，以提高铸坯的机械加工性能，可使钢的抗拉强度得到提高。 一9 东北大学硕士论丈 第一章绪论 但对塑性的影响却是晶粒细化和二次臂间距增大两方面共同作用的结果。当电 磁搅拌强度作用在一定范围内时，由于相界变得圆滑，减低应力集中程度可使 塑性提高。铸坯中影响等轴晶比率的因素有：钢液的浇注温度、浇注速度、钢锭 的冷却能力及融化温度。实质是取决于液相穴内的温度梯度和形核率。电磁搅 拌降低了温度梯度，提高了形核率，因此提高了等轴晶率。 ( 2 ) 减少非金属夹杂物的皮下聚集改善铸坯的表面及皮下质量 由于熔钢流动对凝固前沿的冲刷和洗涤作用，有效的防止了凝固组织中气 孔的出现和初凝壳对a l z 0 3 等非金属夹杂物的捕捉，使铸坯表层l0r a m 以内的 夹杂物含量大幅度降低。另外，钢液的流动也可以使非金属夹杂物容易上浮到 弯月面而从皮下去除，减少精整量，改善了铸坯的表面及皮下质量 3 2 , 3 3 1 。搅拌 过程中使钢液裸露，不仅提高其收得率，也利于快速真空脱气。电磁搅拌在排 除钢液非金属夹杂物方面，有其他搅拌根本无法替代的独特功能：电磁场能对导 电流体( 钢液) 中的不导电物质( 非金属夹杂物) 产生挤压力而使其分离，可加快 夹杂物的上浮速度，这一功能对生产洁净钢有着十分重要的意义。电磁搅拌是 生产洁净钢理想的搅拌方式。 ( 3 ) 降低中心偏析改善宏观偏析提高铸坯内部质量 严重的中心偏析对材质有显著的影响，在轧钢时易产生夹层，降低钢的机 械性能。中心偏析形成机理有【3 4 1 ：( a ) 小钢锭凝固理论认为，当浇注碳的质量分 数超过0 4 5 9 6 的钢时，即使是中等过热度的钢液也有柱状晶强烈增长的趋势，易 形成枝晶“搭桥”和“小钢锭”结构而产生中心疏松和中心偏析；( b ) 溶质元素 析出与富集理论认为，铸坯从外表面到中心结晶过程中，由于钢中一些溶质元 素( 如碳、锰、硼、硫、磷) ，在固液边界上溶解并平衡移动，从柱状晶析出的 溶质元素排到尚未凝固的金属液中，随结晶的继续进行，把富集的溶质推向最 后凝固中心，即产生铸坯的中心偏析：( c ) 铸坯芯部空穴抽吸理论认为，铸坯在 结晶末期，由于液相向固相的转变，伴随着体积收缩或因铸坯鼓肚面产生一定 的空穴，使得富集了溶质元素的钢液被吸入芯部，造成中心偏析。等轴晶率是 影响中心偏析的一个重要因素，电磁搅拌的作用降低了钢液的温度梯度，提高 了等轴晶的比率，同时搅拌使液相穴内的溶质分布更加均匀，中心偏析会大大改 善。 一1 0 东北大学硕士论文第一章绪论 1 3 5 连铸结晶器电磁搅拌存在的问题及不足 当今连铸，特别是中、高碳钢连铸都采用浸入式水口的保护浇铸。即使搅拌 器的安装位置不太高，由于受搅拌器漏磁和钢水粘性的双重作用，在有效搅拌区 ( 搅拌器的铁芯高度或称主流区) 的上下各形成一个流动影响区，而上影响区可 直达弯月面，导致弯月面附近钢水的强烈的扰动，这种过强的旋转运动使钢水在 结晶器壁附近隆起，因而损害浇铸过程的稳定和铸坯质量，形成一些缺陷，并随 着搅拌强度的增加而愈加严重l j ”。 在结晶器电磁搅拌时，结晶器电磁搅拌必须要保持要有一定的搅拌强度， 使结晶器内有效搅拌区的钢水达到某个速度值，获得足够大的离心力， 即要有 合适的中心磁感应强度b 0 ，其大小需要根据不同的断面和钢种而定。一般来说， 对中高碳钢连铸，中心磁感应强度b 。的范围大致而o 0 4 5 o 0 6 特斯拉( t ) 或 4 5 0 6 0 0 高斯( g s ) 3 6 1 。对含碳量较高的钢种或小断面铸坯，倾向于上限；对含 碳量较低的钢种或大断面铸坯，倾向于取下限；对含t i 不锈钢，甚至可以超过上 限。但是结晶器中心的磁场强度不能太高，过高会卷入结晶器保护渣，使铸坯夹 杂物含量增加，还会引起弯月面的波动1 3 6 。对于结晶器电磁搅拌须要保持弯月 面稳定，尽可能提高热区的位置，使过热度尽快消失以达到低过热度浇铸。 由于结晶器电磁搅拌所用的电流强度较高，线圈的温度较高，再加上工作 条件的复杂，线圈的寿命很低【3 ”。另外由于受结晶器铜板磁场屏蔽和端部漏磁 的影响，其效率很低。因此电磁搅拌参数的合理选择是充分发挥出电磁搅拌冶 金功能的重要条件。 因此，综上所述结晶器电磁搅拌主要存在一下一些问题： ( 1 ) 电磁搅拌过程中的连铸工艺参数未进行合理的优化：钢液流速是控制铸 坯质量的重要参数，而配合电磁搅拌工艺的连铸工艺参数的确定也直接影响到 电磁搅拌效果，如二冷配水制度等。 ( 2 ) 电磁搅拌器的结构布置和电磁搅拌参数未进行充分的优化：由于电磁搅 拌器内有效电磁搅拌力的大小取决于磁感应强度的分布情况。而电磁搅拌器的 磁轭布置，线圈的绕线方式都会影响到电磁搅拌器内的磁场分布。对馈电频率， 馈电电流强度进行优化可以有效的提高电磁搅拌效果【3 。 ( 3 ) 功率问题：由于连铸电磁搅拌器采用低频率高强度的三相交流电流馈 电，馈电线圈上的电能损失和搅拌器内由于感应涡电流而造成的铁磁损耗严重。 强迫钢水运动的能量源是电能转化的磁场能，磁场范围中如果有导电材料，将 东北大学顾士论文 第一章绪论 不同程度地形成磁屏蔽，造成由电能转化成的有效搅拌磁场能效率大大降低， 所以需要对电磁搅拌器内的铁损进行分析。另外，由于电磁搅拌器工艺复杂， 安装不配套，气隙大，电磁搅拌器内的磁漏严重，电磁场衰减严重。 1 3 6 影响连铸电磁搅拌效果的因素 电磁搅拌系统的选择决定于电磁搅拌效果的影响因素。一般来说，在连铸 机不同的位置采用不同类型的搅拌器，对改善铸坯质量都会有不同的效果。在 实际应用中各种电磁搅拌方式都存在最佳冶金效果的问题。影响电磁搅拌效果 的主要因素： ( 1 ) 钢种：不同的钢种为达到理想的搅拌效果，最佳搅拌强度往往不同。比如， 合金钢含有较多的合金元素。为得到相同的搅拌钢水流速，搅拌不锈钢 的磁感强度比碳钢要高一些：不锈钢的柱状晶比碳钢发达，折断不锈钢 的枝晶就需要较大的电磁力。 ( 2 ) 产品质量：应根据产品质量确定电磁搅拌要解决的连铸坯主要缺陷类型。 如中厚板主要是中心疏松、偏析：薄板主要是皮下气孔和夹杂物。 ( 3 ) 铸坯断面：铸坯断面大小决定了拉速和液相穴长度。因而就影响到搅拌器 安装位置。 ( 4 ) 搅拌方式：根据产品质量，以确定搅拌器安装位置，是单一搅拌方式还是 组合搅拌方式。 ( 5 ) 搅拌器参数：应根据钢种和工艺参数( 如钢水过热度、拉速) 来确定搅拌器 形式、电流强度、电流频率、运行方式等。 1 4 电磁搅拌数值模拟计算的研究进展 陈崇峰【4 0 】采用低熔点金属在实验室模拟研究了连铸结晶器内电磁搅拌过 程中金属流动速率的影响因素。分析了在旋转电磁场作用下金属流动速率和电 流强度，金属温度之间的关系。 吴洁等f 4 1 在实验室连铸模拟装置上对结晶器内的弯月面区域的液态金属 的速度场进行了试验研究，认为电磁场对弯月面区域液态金属的运动受到磁场 抑制。随后，薄开涛等【4 2 1 对采用双条型磁极作用下结晶器内液态金属的运动进 行了数值模拟。 高允彦和贾光霖等1 4 ”采用实验室线性电磁搅拌器模拟了二冷区电磁搅拌 一1 2 东北大学硕士论文第一章绪论 时金属的流动，并测出了其中的磁场分布，建立了液态金属流动的二维数学模 型。结果表明线性搅拌使液态金属呈大环流运动，对铸坯的凝固过程有较好的 影响。 李光1 4 4 】，李华德f 4 4 】利用有限元法对板坯电磁搅拌中电磁场的数值模拟，建 立了二维板坯内部电磁场的数学模型，通过对磁场分布进行定性分析，分析了 电磁力和电流强度、电磁力和电流频率的变化关系，但是其结果有待商榷。 张宏丽，王恩刚等 4 5 1 对单侧线性电磁搅拌作用下钢液内的电磁场分布和流 场分布进行了数值模拟，分析了搅拌器的结构参数对钢液流动状况的影响。结 果表明，在搅拌器长度、线圈匝数及电流强度均相同的条件下，采用集中绕组 的搅拌器所产生的电磁场最弱，而重叠绕组搅拌器和克兰姆绕组搅拌器的电能 利用率较高，所产生的磁场强度较大，钢液的流动速度和紊流动能均较大 麻永林和贺友多等f 4 q 推导了准静态磁场的有限元模型，利用有限元方法对 三对极电磁场进行了模拟，计算了不同频率下结晶器内磁场感应强度及电磁力 的变化规律。 j a r k k op a r t i n e n 4 7 1 等，采用伍德合金对旋转电磁搅拌器内流体弯月面的 流动进行了实验研究和数学模拟，给出了弯月面流体的流动和电磁参数之间的 关系。j a r k k op a r t i n e n 等【4 8 】人又进一步对熔融金属系统下流体流动进行了研 究，利用电磁v i r e s 探针对流体流速进行了测定，并用模型计算了电磁力，结 果与实验较为一致。 k f u j i s a k i 等【4 9 】以线性搅拌器为对象利用有限元方法分析了结晶器内电磁 搅拌的基本电磁特性，比较了试验与模拟计算所得到的感应强度，分析了结晶 器电磁参数对结晶器内液态金属流动的影响。 m a n d e r h u b e r 等1 5 0 1 尝试将p h o e n