连铸电磁搅拌的冶金基础-张桂芳

1、连铸电磁搅拌的冶金基础连铸电磁搅拌的冶金基础 张桂芳张桂芳 昆明理工大学昆明理工大学20082008年年1111月月1818日日 昆明理工大学昆明理工大学WWW.KMUST.COM.CN报告内容报告内容F前言前言F电磁搅拌对铸坯凝固组织的影响电磁搅拌对铸坯凝固组织的影响 F电磁搅拌对铸坯流动的影响电磁搅拌对铸坯流动的影响F电磁搅拌对铸坯凝固过程中热工参数的影响电磁搅拌对铸坯凝固过程中热工参数的影响 F电磁搅拌对铸坯夹杂的影响电磁搅拌对铸坯夹杂的影响 F电磁搅拌对铸坯白亮带的影响电磁搅拌对铸坯白亮带的影响F电磁搅拌应用电磁搅拌应用昆明理工大学昆明理工大学WWW.KMUST.COM.CN前前 言言

2、昆明理工大学昆明理工大学WWW.KMUST.COM.CN前前 言言 对一台连铸机的要求是：对一台连铸机的要求是：生产率高、铸坯质量好。生产率高、铸坯质量好。 而铸坯的质量含义是：而铸坯的质量含义是： 铸坯表面质量：铸坯表面质量：裂纹、裂纹、夹杂物、气孔等夹杂物、气孔等昆明理工大学昆明理工大学WWW.KMUST.COM.CN前前 言言昆明理工大学昆明理工大学WWW.KMUST.COM.CN报告内容报告内容F前言前言F电磁搅拌对铸坯凝固组织的影响电磁搅拌对铸坯凝固组织的影响 F电磁搅拌对铸坯流动的影响电磁搅拌对铸坯流动的影响F电磁搅拌对铸坯凝固过程中热工参数的影响电磁搅拌对铸坯凝固过程中热工参数的

3、影响 F电磁搅拌对铸坯夹杂的影响电磁搅拌对铸坯夹杂的影响 F电磁搅拌对铸坯白亮带的影响电磁搅拌对铸坯白亮带的影响F电磁搅拌应用电磁搅拌应用昆明理工大学昆明理工大学WWW.KMUST.COM.CN电磁搅拌对铸坯凝固过程的影响电磁搅拌对铸坯凝固过程的影响对凝固组织影响对凝固组织影响 磁场作用下的金属凝固模型磁场作用下的金属凝固模型 F=IF=I B B昆明理工大学昆明理工大学WWW.KMUST.COM.CN 电传输效应电传输效应JoulerJouler效应效应PeltierPeltier效应效应起伏效应起伏效应 根据人们对电磁学和金属凝固理论的现有认识，普遍说来，根据人们对电磁学和金属凝固理论的现

4、有认识，普遍说来，电磁场作用于凝固系统会产生如下一系列效应电磁场作用于凝固系统会产生如下一系列效应：电磁搅拌对铸坯凝固过程的影响电磁搅拌对铸坯凝固过程的影响 对凝固组织影响对凝固组织影响昆明理工大学昆明理工大学WWW.KMUST.COM.CN 研究表明，电磁搅拌采用的交变电磁场对凝固组织主要有研究表明，电磁搅拌采用的交变电磁场对凝固组织主要有3 3个方面的影响个方面的影响: : 改变柱状晶生长方向改变柱状晶生长方向电磁搅拌对铸坯凝固过程的影响电磁搅拌对铸坯凝固过程的影响 对凝固组织影响对凝固组织影响A A：无电磁搅拌柱：无电磁搅拌柱状晶自由生长。状晶自由生长。B B：弱电磁搅拌柱：弱电磁搅拌柱

5、状晶迎着流动状晶迎着流动方向倾斜。方向倾斜。C C：强电磁搅拌柱：强电磁搅拌柱状晶形成灌木状晶形成灌木丛形态。丛形态。 层流紊流A AB BC C昆明理工大学昆明理工大学WWW.KMUST.COM.CN 研究表明，电磁搅拌采用的交变电磁场对凝固组织主要有研究表明，电磁搅拌采用的交变电磁场对凝固组织主要有3 3个方面的影响个方面的影响: : 改变柱状晶生长方向改变柱状晶生长方向电磁搅拌对铸坯凝固过程的影响电磁搅拌对铸坯凝固过程的影响 对凝固组织影响对凝固组织影响昆明理工大学昆明理工大学WWW.KMUST.COM.CN (b)促进柱状晶向等轴晶的转变.钢液过热度与铸坯等轴晶率的关系 电磁搅拌对铸坯

6、凝固过程的影响电磁搅拌对铸坯凝固过程的影响 对凝固组织影响对凝固组织影响昆明理工大学昆明理工大学WWW.KMUST.COM.CN（c）细化宏观组织： 未搅拌铸坯低倍组织 电磁搅拌铸坯低倍组织 电磁搅拌对铸坯凝固组织的影响电磁搅拌对铸坯凝固组织的影响 对凝固组织影响对凝固组织影响昆明理工大学昆明理工大学WWW.KMUST.COM.CN010203040250350400450500电流/A等轴晶率/%电磁搅拌对重轨钢等轴晶率的影响电磁搅拌对铸坯凝固过程的影响电磁搅拌对铸坯凝固过程的影响 对凝固组织影响对凝固组织影响昆明理工大学昆明理工大学WWW.KMUST.COM.CN电磁搅拌对重轨钢低倍质量的

7、影响（电磁搅拌对重轨钢低倍质量的影响（I=250A-500AI=250A-500A） 电磁搅拌对中碳钢低倍质量的影响（电磁搅拌对中碳钢低倍质量的影响（I=150A-300AI=150A-300A） 电磁搅拌对低碳钢低倍质量的影响（电磁搅拌对低碳钢低倍质量的影响（I=0A-300AI=0A-300A） 对凝固组织影响对凝固组织影响电磁搅拌对铸坯凝固组织的影响电磁搅拌对铸坯凝固组织的影响 昆明理工大学昆明理工大学WWW.KMUST.COM.CN电磁搅拌对铸坯凝固过程的影响电磁搅拌对铸坯凝固过程的影响 对凝固壳厚度影响 截面距下端面的距离截面距下端面的距离/mm/mm凝固壳平均厚度凝固壳平均厚度/m

8、m/mm凝固壳标准方差凝固壳标准方差/mm/mm截面距下端面的距离截面距下端面的距离/mm/mm原因?昆明理工大学昆明理工大学WWW.KMUST.COM.CN电磁搅拌对铸坯凝固过程的影响电磁搅拌对铸坯凝固过程的影响 对固-液界面形态的影响 凝固凝固10s10s铸坯表面金属熔体的结晶状况铸坯表面金属熔体的结晶状况凝固壳固液表面（a a）没有电磁搅拌）没有电磁搅拌（b b）有电磁搅拌）有电磁搅拌 在金属凝固过程中，固在金属凝固过程中，固- -液液界面的枝晶沿着与热流相反界面的枝晶沿着与热流相反的方向生长，未施加电磁场的方向生长，未施加电磁场时，由于择优生长熔体会垂时，由于择优生长熔体会垂直于固直于

9、固- -液界面长出枝晶，液界面长出枝晶，宏观上表现为内表面长出许宏观上表现为内表面长出许多小突起。多小突起。 施加电磁场时，沿径向生长施加电磁场时，沿径向生长的柱状晶前端受到电磁搅拌的柱状晶前端受到电磁搅拌力的剪切作用，枝晶长大受力的剪切作用，枝晶长大受阻阻; ;动量对流加速凝固前沿动量对流加速凝固前沿的传质过程，使凝固壳变薄。的传质过程，使凝固壳变薄。在电磁搅拌力作用下，其表在电磁搅拌力作用下，其表面类似于非小晶面界面，宏面类似于非小晶面界面，宏观上内表面光滑，突起消失。观上内表面光滑，突起消失。昆明理工大学昆明理工大学WWW.KMUST.COM.CN电磁搅拌对铸坯凝固过程的影响电磁搅拌对铸

10、坯凝固过程的影响 对铸坯凝固速率的影响 金属液在铸型中凝固时释放的金属液在铸型中凝固时释放的热量可分为两部分热量可分为两部分: :金属熔体降温所释放的物理热金属熔体降温所释放的物理热; ;在两相区凝固时发生相变时释在两相区凝固时发生相变时释放的结晶潜热。放的结晶潜热。 对一维半无限大金属平板凝对一维半无限大金属平板凝固过程分析认为凝固壳厚度与固过程分析认为凝固壳厚度与凝固时间的平方根成正比关系，凝固时间的平方根成正比关系，可表示为式：可表示为式：凝固壳厚随时间平方根的变化关系凝固壳厚随时间平方根的变化关系tkd其中：其中：d d为凝固壳厚度。为凝固壳厚度。 t t为凝固时间。为凝固时间。 k

11、k为凝固系数，是表为凝固系数，是表 征铸征铸坯凝固快慢的量。坯凝固快慢的量。昆明理工大学昆明理工大学WWW.KMUST.COM.CN电磁搅拌对铸坯凝固过程的影响电磁搅拌对铸坯凝固过程的影响 对金属凝固补缩的效果 金属铸坯的凝固现象金属铸坯的凝固现象 图示出了施加与未施加电磁场图示出了施加与未施加电磁场两种情况下铸坯心部熔体的凝两种情况下铸坯心部熔体的凝固收缩情况。固收缩情况。 未施加电磁场时未施加电磁场时铸坯在金属型铸坯在金属型内完全凝固后中心部有一细一内完全凝固后中心部有一细一长的收缩通道，这是由于凝固长的收缩通道，这是由于凝固最后阶段上部液体已凝固，不最后阶段上部液体已凝固，不能对其补缩而

12、形成的，铸件被能对其补缩而形成的，铸件被剖开侵蚀后，可见凝固组织大剖开侵蚀后，可见凝固组织大部分为柱状晶；部分为柱状晶； 施加电磁场施加电磁场后铸坯中心未出现后铸坯中心未出现通向内部的收缩通道，且凝固通向内部的收缩通道，且凝固组织基本为致密的等轴晶组织。组织基本为致密的等轴晶组织。（a a）未施加电磁搅拌）未施加电磁搅拌(b(b）施加电磁场）施加电磁场昆明理工大学昆明理工大学WWW.KMUST.COM.CN电磁搅拌对铸坯凝固过程的影响电磁搅拌对铸坯凝固过程的影响 对心部熔体凝固过程的影响 施加电磁场使心部熔体施加电磁场使心部熔体温度分布较均匀温度分布较均匀, ,且凝固且凝固速率增大速率增大,

13、,即在短时间内即在短时间内使熔体达到特征固相分使熔体达到特征固相分数数, ,这样心部熔体的热力这样心部熔体的热力学条件基本相同学条件基本相同, ,这种凝这种凝固状况避免了熔体由于固状况避免了熔体由于凝固次序的先后引起的凝固次序的先后引起的补缩补缩, ,因而消除了中心缩因而消除了中心缩松松, ,缩孔的形成。缩孔的形成。熔体凝固至特征固相分数所用时间熔体凝固至特征固相分数所用时间 昆明理工大学昆明理工大学WWW.KMUST.COM.CN报告内容报告内容F前言前言F电磁搅拌对铸坯凝固组织的影响电磁搅拌对铸坯凝固组织的影响 F电磁搅拌对铸坯流动的影响电磁搅拌对铸坯流动的影响F电磁搅拌对铸坯凝固过程中热

14、工参数的影响电磁搅拌对铸坯凝固过程中热工参数的影响 F电磁搅拌对铸坯夹杂的影响电磁搅拌对铸坯夹杂的影响 F电磁搅拌对铸坯白亮带的影响电磁搅拌对铸坯白亮带的影响F电磁搅拌应用电磁搅拌应用昆明理工大学昆明理工大学WWW.KMUST.COM.CN电磁搅拌的流场分布 矢量分布矢量分布 流线分布图流线分布图 电磁搅拌装置中心截面流场分布电磁搅拌装置中心截面流场分布 xy00.00.2500.00.250 .5 m /sxy00.00.2500.00.25x= 0 .1 4 5 ,y= 0 .1 3 4电磁搅拌对铸坯流

15、动的影响电磁搅拌对铸坯流动的影响昆明理工大学昆明理工大学WWW.KMUST.COM.CN报告内容报告内容F前言前言F电磁搅拌对铸坯凝固组织的影响电磁搅拌对铸坯凝固组织的影响 F电磁搅拌对铸坯流动的影响电磁搅拌对铸坯流动的影响F电磁搅拌对铸坯凝固过程中热工参数的影响电磁搅拌对铸坯凝固过程中热工参数的影响 F电磁搅拌对铸坯夹杂的影响电磁搅拌对铸坯夹杂的影响 F电磁搅拌对铸坯白亮带的影响电磁搅拌对铸坯白亮带的影响F电磁搅拌应用电磁搅拌应用昆明理工大学昆明理工大学WWW.KMUST.COM.CN电磁搅拌对铸坯凝固过程中热工参数的影响电磁搅拌对铸坯凝固过程中热工参数的影响对铸坯放热量的影响对铸坯放热量的

16、影响 有无电磁搅拌作用下铸坯放热量的变化有无电磁搅拌作用下铸坯放热量的变化实验条件实验条件T=1570 T=1570 0 0C CQ=3.7mQ=3.7m3 3/h/h冷却时间冷却时间,s,s0-250-2525-5025-5050-10050-100100-150100-150150-200150-200无电磁搅拌无电磁搅拌,J,J322.83322.83922.16922.161473.51473.51135.271135.27916.207916.207电磁搅拌电磁搅拌(300A,0-(300A,0-200s),J200s),J808.56808.561286.751286.751564

17、.61564.61031.31031.3798.3798.3原因?昆明理工大学昆明理工大学WWW.KMUST.COM.CN电磁搅拌对铸坯凝固过程中热工参数的影响电磁搅拌对铸坯凝固过程中热工参数的影响对铸坯内温度分布的影响对铸坯内温度分布的影响 对称面及弯月面温度分布对称面及弯月面温度分布 无搅拌无搅拌 0.04T 0.08T0.04T 0.08T昆明理工大学昆明理工大学WWW.KMUST.COM.CN电磁搅拌对铸坯凝固过程中热工参数的影响电磁搅拌对铸坯凝固过程中热工参数的影响对冷却水温度变化的影响 有无电磁搅拌对冷却水温度变化的影响有无电磁搅拌对冷却水温度变化的影响 （T=1570 T=157

18、0 0 0C C，Q=3.7m Q=3.7m 3 3/h/h） 在没有电磁搅拌作用在没有电磁搅拌作用时，冷却水在时，冷却水在38-39s38-39s的的时间内温度逐渐升至最时间内温度逐渐升至最高，温升为高，温升为9.172 9.172 0 0C C。而在有电磁搅拌作用时，而在有电磁搅拌作用时，自浇注后自浇注后30s30s的时间内的时间内冷却水温升最高，达到冷却水温升最高，达到14.51814.5180 0C.C.昆明理工大学昆明理工大学WWW.KMUST.COM.CN电磁搅拌对铸坯凝固过程中热工参数的影响电磁搅拌对铸坯凝固过程中热工参数的影响对铸坯冷却面前沿温度梯度的影响对铸坯冷却面前沿温度梯

19、度的影响 有无电磁搅拌作用下铸坯内的温度梯度变化有无电磁搅拌作用下铸坯内的温度梯度变化(T=1570 (T=1570 0 0C,Q=3 mC,Q=3 m3 3/h)/h)昆明理工大学昆明理工大学WWW.KMUST.COM.CN电磁搅拌对铸坯凝固过程中热工参数的影响电磁搅拌对铸坯凝固过程中热工参数的影响对铸坯冷却面前沿冷却速度的影响 有无电磁搅拌作用下冷却面前沿的冷却速度有无电磁搅拌作用下冷却面前沿的冷却速度(100s-200s)(100s-200s) 冷却速度的大小体现了铸坯内温降速度的快慢，其表达式如下冷却速度的大小体现了铸坯内温降速度的快慢，其表达式如下: : 其中其中, , 表示第表示第

20、i+1i+1秒秒,i,i秒时间热电偶测得的温度；秒时间热电偶测得的温度； 表示第第表示第第i+1i+1秒秒,i,i秒的时间秒的时间iiiittTTV11iiTT,1iitt, 1昆明理工大学昆明理工大学WWW.KMUST.COM.CN报告内容报告内容F前言前言F电磁搅拌对铸坯凝固组织的影响电磁搅拌对铸坯凝固组织的影响 F电磁搅拌对铸坯流动的影响电磁搅拌对铸坯流动的影响F电磁搅拌对铸坯凝固过程中热工参数的影响电磁搅拌对铸坯凝固过程中热工参数的影响 F电磁搅拌对铸坯夹杂的影响电磁搅拌对铸坯夹杂的影响 F电磁搅拌对铸坯白亮带的影响电磁搅拌对铸坯白亮带的影响F电磁搅拌应用电磁搅拌应用电磁搅拌与铸坯夹杂

21、的行为影响电磁搅拌与铸坯夹杂的行为影响 82B中夹杂物比例分布(a)无电磁搅拌无电磁搅拌(b)500A500A电磁搅拌电磁搅拌取样点取样点3 3取样点取样点3 3取样点取样点2 2取样点取样点2 2取样点取样点1 1取样点取样点1 1电磁搅拌与铸坯夹杂的行为影响电磁搅拌与铸坯夹杂的行为影响 准硅钢中夹杂物比例分布准硅钢中夹杂物比例分布取样点取样点1 1取样点取样点1 1取样点取样点2 2取样点取样点2 2取样点取样点3 3取样点取样点3 3(a)(a)无电磁搅拌无电磁搅拌(b) 500A(b) 500A电磁搅拌电磁搅拌电磁搅拌与铸坯夹杂的行为影响电磁搅拌与铸坯夹杂的行为影响 82B82B中夹杂

22、物照片中夹杂物照片取样点取样点1 1取样点取样点1 1取样点取样点2 2取样点取样点2 2取样点取样点3 3取样点取样点3 3( (a)a)无电磁搅拌无电磁搅拌(b)500A(b)500A电磁搅拌电磁搅拌电磁搅拌与铸坯夹杂的行为影响电磁搅拌与铸坯夹杂的行为影响 硅钢中夹杂物照片(b)500A(b)500A电磁搅拌电磁搅拌( (a)a)无电磁搅拌无电磁搅拌取样点取样点1 1取样点取样点1 1取样点取样点2 2取样点取样点2 2取样点取样点3 3取样点取样点3 3非金属夹杂级别检验结果非金属夹杂级别检验结果/ /级级结晶器电磁搅拌对方坯非金属夹杂的影响结晶器电磁搅拌对方坯非金属夹杂的影响 0102

23、0304050601.00.50皮下夹杂评级/级分布频率/%I=400AI=200A0204060801001.00.50皮下夹杂评级/级分布频率/%I=350AI=200A0204060801001.00.50皮下夹杂评级/级分布频率/%I=250AI=0A0204060801001.00.50皮下夹杂评级/级分布频率/%I=250AI=0A (a) 280mm(a) 280mm380mm380mm断面；断面；(b) 280mm(b) 280mm325mm325mm断面断面 (a) 280mm(a) 280mm380mm380mm断面；断面； (b) 280mm(b) 280mm325mm3

24、25mm断面断面不同电磁搅拌强度对中碳钢铸坯皮下夹杂影响评级分布对比不同电磁搅拌强度对中碳钢铸坯皮下夹杂影响评级分布对比 不同电磁搅拌强度对低碳钢铸坯皮下夹杂影响评级分布对比不同电磁搅拌强度对低碳钢铸坯皮下夹杂影响评级分布对比 昆明理工大学昆明理工大学WWW.KMUST.COM.CN钢种钢种电流强电流强度度夹杂总量夹杂总量/ mg(10kg)-1夹杂物粒径分布夹杂物粒径分布/%50100m101180m181280m280mU71Mn250A8.2833.926.6922.888.9300A7.8745.6434.4413.69350A7.0737.2230.0422.42450A4.9045

25、.5812.9325.856.8500A3.8738.6929.9318.25U75V250A8.5325.235.8320.0813.38300A7.3024.6937.0423.463.7350A6.5437.3834.4717.96400A6.0026.2439.8224.89450A4.6830.1528.9921.5大型夹杂物总量及粒径分布 昆明理工大学昆明理工大学WWW.KMUST.COM.CN报告内容报告内容F前言前言F电磁搅拌对铸坯凝固组织的影响电磁搅拌对铸坯凝固组织的影响 F电磁搅拌对铸坯流动的影响电磁搅拌对铸坯流动的影响F电磁搅拌对铸坯凝固过程中热工参数的影响电磁搅拌对铸坯

26、凝固过程中热工参数的影响 F电磁搅拌对铸坯夹杂的影响电磁搅拌对铸坯夹杂的影响 F电磁搅拌对铸坯白亮带的影响电磁搅拌对铸坯白亮带的影响F电磁搅拌应用电磁搅拌应用昆明理工大学昆明理工大学WWW.KMUST.COM.CN电磁搅拌与铸坯白亮带的行为电磁搅拌与铸坯白亮带的行为中心偏析的影响0204060800.51.01.52.0中心偏析/级分布频率/%I=250AI=350AI=400AI=450AI=500A电磁搅拌电流对重轨钢铸坯中心偏析的影响电磁搅拌电流对重轨钢铸坯中心偏析的影响 昆明理工大学昆明理工大学WWW.KMUST.COM.CN电磁搅拌与铸坯白亮带的行为电磁搅拌与铸坯白亮带的行为碳偏析的

27、影响0.951.051.151.25123456789101112131415161718192021取样点位置碳偏析指数C/CoI=250AI=300AI=350AI=400AI=450AI=500A搅拌电流对重轨钢碳偏析指数的影响搅拌电流对重轨钢碳偏析指数的影响 昆明理工大学昆明理工大学WWW.KMUST.COM.CN电磁搅拌与铸坯白亮带的行为电磁搅拌与铸坯白亮带的行为成分均匀的影响0.900.951.001.00020406080100120140160距铸坯内弧表面距离/mm碳偏析指数C/C0I=250AI=300AI=350AI=400AI=450AI=500

28、A距铸坯内弧表面距离距铸坯内弧表面距离/mm碳偏析指数碳偏析指数C0电磁搅拌电流对重轨钢铸坯碳分布均匀性的影响电磁搅拌电流对重轨钢铸坯碳分布均匀性的影响 昆明理工大学昆明理工大学WWW.KMUST.COM.CN电磁搅拌与铸坯白亮带的行为电磁搅拌与铸坯白亮带的行为成分偏析分析成分偏析分析/%/%昆明理工大学昆明理工大学WWW.KMUST.COM.CN电磁搅拌与铸坯白亮带的行为电磁搅拌与铸坯白亮带的行为白亮带对铸坯质量的影响白亮带对铸坯质量的影响 根据上述机理可知，白亮带只是溶质化学成分偏析的反映。从机理上根据上述机理可知，白亮带只是溶质化学成分偏析的反映。从机理上讲，白亮带处的偏析和正常情况下的

29、凝固偏析并无不同，白亮带区并讲，白亮带处的偏析和正常情况下的凝固偏析并无不同，白亮带区并不存在异常的凝固结晶结构。因此，白亮带对铸坯质量的影响，只需不存在异常的凝固结晶结构。因此，白亮带对铸坯质量的影响，只需从成分偏析方面来考察。当铸坯白亮带及其周围区域化学成分的变化从成分偏析方面来考察。当铸坯白亮带及其周围区域化学成分的变化在钢种化学成分允许波动的范围之内，那么白亮带就不会对铸坯质量在钢种化学成分允许波动的范围之内，那么白亮带就不会对铸坯质量产生不利影响。如果白亮带处某些溶质的化学成分低于钢种要求的下产生不利影响。如果白亮带处某些溶质的化学成分低于钢种要求的下限，或者白亮带内缘的正偏析高于钢种要求的上限，则有可能对铸坯限，或者白亮带内缘的正偏析高于钢种要求的上限，则有可能对铸坯质量产生不利影响。例如，当白亮带处的碳含量低于钢种要求的下限质量产生不利影响。例如，当白亮带处的碳含量低于钢种要求的下限时，白亮带处的硬度和机械强度就可能降低。淬火后会形成软带，在时，白亮