大方坯电磁搅拌器设计说明

...43/47大方坯电磁搅拌器摘要电磁搅拌技术能够有效地改善铸坯的质量，成为金属凝固过程控制的重要手段之一。不同位置的电磁搅拌可解决不同的铸坯质量问题，在细化铸坯晶粒，提高表面质量，降低中心偏折，减少中心缩孔等方面都能取得良好的效果。本文叙述了电磁搅拌的作用机理，总结了电磁搅拌技术的发展、作用与其在国外的应用，阐述了连铸结晶器电磁搅拌的冶金功能、存在问题与相应地改进措施。基于电磁理论，分析了结晶器电磁搅拌形式下电磁搅拌参数(电流和搅拌频率)和连铸工艺参数(拉速和过热度)对铸坯质量的影响，并对改善铸坯质量的作用机理进行了探讨。另外完成了外置式结晶器电磁搅拌器的工业化设计，并确定了电磁搅拌器的冷却装置。随着技术的进步和发展，电磁搅拌技术不断更新和发展，必将迎来一个辉煌的应用前景。ABSTRACTTheelectromagneticstirringtechnologyhasalreadybeenoneofthemostimportantmethodstocontrolthemetalsolidificationprocesssinceitcanveryeffectivelyimprovetheslabquality．Differentpositionsofelectromagneticstirringcansolvedifferentqualityproblemsofcastingblank.Ithasbeenachievedgoodresultsinrefiningcastingblankcrystalgrain,improvingsurfacequality,loweringcanterdeviation,reducingcanterpipeandsoon.Thispaperdescribesthemechanismofelectromagneticstirring，summarizesthedevelopmentfunctionofelectromagneticstirringtechnologyanditsapplicationathomeandabroad,andmetallurgicalresultsofmoldelectromagneticstirring(M-EMS)incontinuouscastingwerecomprehensivelyintroduced，meanwhile，someproblemsassociatedwiththeapplicationofM-EMSandtheircountermeasureswerealsodiscussed.Basedonelectromagnetictheory,theeffectofM-EMS(powerinputandfrequency)andcontinuouscastingtechnologyparameters(castingspeedandsuperheat)onthecarboncentralsegregationisanalyzed，andthemechanismofimprovementincentralsegregationisdiscussed.Alsocompletedoutsideoftheindustrializeddesigncrystallizeelectromagneticblender,andsetthechillerelectromagneticblender.TheEMStechnologywillcontinuallyadvanceandusherinaverysplendidtimeofapplicationwithdevelopmentofnewtechnologies．Keywords:Thenatural;Theelectromagnetismstirs;Structuraldesign;Coil;Continuouscasting;Centralsegregation;Theelectromagnetism目录摘要…………Ⅰ1前言…………11.1电磁搅拌技术发展历史………………12电磁搅拌技术概述…………32.1电磁搅拌与其意义……………………32.2电磁搅拌技术的分类…………………32.3电磁搅拌特性与工艺的选用…………53电磁搅拌的工作原理与其基本结构………73.1电磁搅拌器的工作原理………………73.2电磁搅拌器的基本结构………………84大方坯外置式结晶器电磁搅拌器简述……84.1连铸大方坯用的电磁搅拌……………84.2大方坯连铸工艺与设备特征…………94.3结晶器电磁搅拌器的冶金机理和功能………………104.4外置式电磁搅拌器的优点……………165大方坯外置式结晶器电磁搅拌器的本体设计……………165.1感应器的设计…………165.2外壳的设计……………196电磁搅拌器冷却装置的确定………………206.1搅拌器发热来源分析…………………206.2冷却方式的确定………216.3提高冷却水运行效率的措施…………226.4水冷却系统设计问题探讨……………237大方坯外置式结晶器电磁搅拌器存在的主要问题与解决办法…………248结论…………25致…………26参考文献……………………271前言1.1电磁搅拌技术发展历史近年来，我国的连铸生产发展迅猛，连铸机数量、所占比重以与连铸坯的产量已居世界第一。与我国钢铁工业在世界上的地位一样，我国是一个连铸生产大国，但还不是连铸技术强国。连铸是铸坯在强制冷却条件下连续运动且具有很长液相穴的凝固过程，在其生产过程中受到热应力和机械应力的作用，铸坯质量与热流分布、应力分布与其凝固组织、成分又受钢水对流运动和传热两个基本物理现象所控制，液相穴钢水对流运动对消除过热度、凝固组织和成分偏析有重大的影响。因此，连铸坯部质量在很大程度上取决于它的凝固组织，理想的状态是要求铸坯部能形成大面积的均匀而致密的等轴晶组织，但在实际凝固过程中，铸坯中往往出现偏析、疏松、缩孔、裂纹夹杂物聚集等现象和缺陷[1]。随着连铸技术的不断发展以与用户对钢材质量的越来越重视，连铸技术中所出现的缺陷越来越突出，因而围绕提高连铸坯质量的研究工作迅速发展起来，电磁搅拌技术便应运而生[2]。电磁搅拌器的发展经过了一个相对短暂的过程。1.1.1电磁搅拌技术在国外的发展和应用情况电磁搅拌(EMS)是由瑞典ASEA公司首先提出的[3]。1932年,Dreyfus博士从法拉第的电磁感应原理中发现,低速移动着的感应磁场能在钢水中产生强力的搅拌作用,于1948年制造出世界第一台电磁搅拌器用于电弧炉炼钢[4]。到20世纪60年代,奥地利Kapfanberg厂的Beohler连铸机已开始使用电磁搅拌技术浇注合金钢。20世纪70年代,科学家在磁流动力学方面取得了重大进展,电磁搅拌技术逐渐发展和成熟,为铸坯质量的提高,为钢铁冶金生产的全连铸化打下了重要技术基础。20世纪70年代,法国钢研院(IRSID)首次将线性电磁搅拌技术在方坯连铸机上进行了工业性试验,英国钢公司(BSC)也进行了类似的试验。实验表明,电磁搅拌使铝硅镇静钢的皮下质量得到了改善,在试验中由于采用了低频电磁场,提高了搅拌效率,并允许使用常规铜材料作结晶器,因而很快在生产实践中得到应用。随后,圆坯的旋转搅拌研究取得了突破性进展。Karl-HeinzSpitzer等用模型实验和数值模拟的方法研究了圆坯在旋转搅拌作用下钢水电磁场和流场。在对各种情况计算结果进行分析的基础上,讨论了搅拌器的径、长度、磁感强度、激磁电流的频率、搅拌器沿长度方向的安装位置对流场的影响。对有限长搅拌器的非理想情况的流场分析结果表明:有限长旋转搅拌器将产生二次流,此二次流对整个流场有很大影响。板坯连铸机电磁搅拌技术开发较晚。1978年法国钢研院在西德Eillingen厂的板坯连铸机首次使用了电磁搅拌技术,其方法是在结晶器宽面铜板后面的冷却水箱装有线圈,产生竖直方向的线性搅拌,经搅拌后发现低碳铝镇静钢的皮下质量的明显改善。后来,日本KobeSteelLtd.在弧形板坯铸机上安装了直线型电磁搅拌器,同样铸坯质量得到改善。20世纪80年代初,日本川崎钢铁公司和瑞典ASEA公司共同开发了结晶器电磁制动,将这项技术应用于川崎公司的铸机上,收到良好的冶金效果[5]。20世纪90年代相继开发问世了间歇式高频搅拌器和多频搅拌器,标志着电磁搅拌技术的发展和成熟,使搅拌能数的选取具有更大的灵活性。电磁搅拌技术的发展和完善,使其成为影响铸坯质量的重要手段。目前所使用的电磁搅拌按搅拌方式可分为旋转型搅拌、直线型搅拌、螺旋搅拌;按安装位置分可以分为4类:中包加热用电磁搅拌(HEMS)、结晶器电磁搅拌(MEMS)、冷却段电磁搅拌(SEMS)和凝固末端电磁搅拌(FEMS)[6]。随着技术的进步,电磁搅拌技术也在不断地发展,单一的电磁搅拌已不再能够满足人们对铸坯质量的要求,人们开发了组合电磁搅拌,如(M+S)EMS等,组合电磁搅拌在改进铸坯质量、减少中心偏析方面又进了一步。据文献报道,日本神户制钢研究了一种新型的电磁搅拌,即对中包到结晶器之间的铸流采取电磁搅拌,解决了浸入式水口堵塞问题,实现在整个连铸过程中低过热度浇铸[7]。日本新日铁目前又开发了一种铸流电磁搅拌,这种铸流电磁搅拌安装在足辊以下二冷段以上的狭缝里,通过改进等轴晶区的比率来减少中心偏析,防止裂的产生[8]。1.1.2电磁搅拌在国的发展和应用现状我国20世纪70年代末才开始研究电磁搅拌技术,主要经历了3个阶段：⑴20世纪70年代末至80年代中期,我国开始对电磁搅拌进行摸索和探讨,虽然经过实验与工业运行,但性能不太稳定。20世纪80年代中期我国引进了一批特钢连铸机,都配有进口电磁搅拌装置,这虽然对我国连铸电磁搅拌技术的发展起了积极的作用,但也说明我国当时还不具备高性能电磁搅拌装置的制造能力。⑵20世纪80年代后期,电磁搅拌得到国家的高度重视。经过十多年的努力,我国电磁搅拌技术终于有了重大突破和发展。1996年5月,武钢首次在大型厚板坯连铸机上成功使用国自行设计研制的SEMS成套装置,标志我国结束了完全依靠引进进口电磁搅拌装置的历史。这些装置的制作水平和使用效果已达到引进装置的水平,因此,促进EMS进口价格大幅下跌。⑶1997年,宝钢同其它单位合作,成功研制了宝钢大板坯连铸SEMS,价格不足引进的。宝钢SEMS的研制成功标志着我国已经具有研制高性能电磁搅拌装置的能力,且具备了出口竞争的实力。我国目前应用的电磁搅拌器有100多台,多为电炉连铸,绝大部分为引进的,仅有特钢、宝钢等使用了少量的国产电磁搅拌装置。通过引进了一批不同位置和类型的EMS,使我国EMS的在线应用有了较大的发展和进步[9]。但是,由于EMS国的应用研究还不充分,不少厂家的运用还不尽人意,主要存在以下4个问题:工艺试验不充分,未对工艺参数进行充分优化。功率问题,国引进的EMS多为早期产品,功率不足,无法发挥应有的效用。水质处理问题,由于EMS功率大,电磁线圈多采用水冷,对水质要求很高,而国厂家水质处理大多达不到标准,造成线圈与接线处绝缘损坏。钢种不合适,EMS对高碳钢、不锈钢、厚板等特殊钢种的作用比较明显,普通钢则效果有限,船板钢和某些低合金钢电磁强搅拌后,易产生白亮带和负偏析[10]。由此可以看出,我国对EMS的研究和应用还比较落后。因而,我们必须加大研究力度,使我国EMS技术进一步地发展。2电磁搅拌技术概述2.1电磁搅拌与其意义所谓电磁搅拌，简单地说就是借助在铸坯的液相穴感应的电磁力，强化液相穴钢水的运动，由此强化钢水的对流、传热和传质过程，从而控制铸坯的凝固过程[11]。连铸使用搅拌的意义在于：①改善铸坯表面和部质量，如：表面和皮下夹杂和裂纹、中心偏析、中心疏松和缩孔等；②放宽连铸工艺条件，如：过热度和铸机对中要求等；③扩铸钢种，如：易切钢、轴承钢、滚珠钢等[12]。2.2电磁搅拌技术的分类电磁搅拌技术是把电磁搅拌器和铸坯作为一个整体考虑的，它的分类方法多种多样[13]：①按其所使用的电源、电源相数与其激发的磁场形态可分为：交流感应式和直流传导式。交流感应式又可分为两相和三相以与旋转永磁体。②根据电磁搅拌器在铸机冶金长度上的不同安装位置和组合方式，大致可分为以下几种模式（见图1）。图12.2.1一段电磁搅拌技术⑴结晶器电磁搅拌（MoldEMS：MEMS）结晶器区域电磁搅拌（MEMS）：采用旋转磁场搅拌器，使钢水产生旋转运动。跨于结晶器和足辊的电磁搅拌器（M-IEMS）：采用旋转磁场搅拌器，使钢水产生旋转运动。⑵铸流电磁搅拌器(StrandEMS：SEMS)结晶器下口电磁搅拌器(SubMoldEMS：SMEMS)：采用旋转磁场搅拌器，使钢水产生旋转运动。足辊下电磁搅拌(IntinialEMS：IEMS)：通常采用旋转磁场搅拌器，使钢水产生旋转运动。二冷区电磁搅拌(SecodaryCoolingZoneEMS：SEMS):采用旋转磁场搅拌器或行波磁场搅拌器，使钢水产生旋转运动或直线运动。在改善白亮带缺陷上，后者比前者好。⑶凝固末端电磁搅拌(FinilSolidificationZone：FEMS)通常采用旋转磁场搅拌器，使钢水产生旋转运动。在电磁搅拌技术的发展初期，SEMS占主导地位，随着MEMS开发成功，SEMS已逐渐被MEMS所代替。从目前在线使用情况看，除MEMS外已很少单独使用SEMS和FEMS。通常SEMS和FEMS与MEMS组合成二段或三段组合搅拌。2.2.2二段或三段组合搅拌根据钢种、铸坯断面和质量要求与EMS的冶金机理，组合方式也是多种多样的，具体有：⑴二段组合搅拌：M+S，M+F，S+F，S1+S2等，从在线使用情况看，多数使用M+F。⑵三段组合搅拌：M+S+F。⑶按搅拌形态可分为：旋转搅拌和直线搅拌。旋转搅拌是指旋转磁场的搅拌使钢水作旋转运动；直线搅拌是指行波磁场的搅拌使钢水作螺旋运动。这几种类型各有其特点，如：旋转搅拌，它的对成性好；搅拌速度由表面向中心减小，中心为零；上下影响区小；除MEMS外，白亮带较难避免；所需功率较小。直线旋转，钢水除做正规的直线运动外，还有脉动；上下影响区大；白亮带较轻微且不连续，或不出现；所需功率大。2.3电磁搅拌特性与工艺的选用2.3.1电磁搅拌特性采用电磁搅拌可以有效地改善连铸坯的表面与皮下质量、扩大等轴晶区、减轻成分偏析、提高钢水纯净度与改善夹杂物的分布、减少裂、疏松等低倍缺陷。不同连铸机电磁搅拌器的使用情况和不同型式搅拌器的冶金效果不同。浇注高碳钢时不同搅拌方式对细等轴晶区宽度的影响程度不一样，其中组合搅拌所取得的效果最为满意。电磁搅拌增等轴晶区的作用，使过热度的影响大大下降。一般认为过热10-50℃的条件下，获得等轴晶率也不一样。生产实践表明，含碳量为0.2%-0.45%的钢种，不用电磁搅拌铸坯的等轴晶率也可达20%-30%，而含碳量在0.5%以上的钢种，若不用电磁搅拌，几乎得不到等轴晶，只有通过结晶器电磁搅拌才能获得20-40%的等轴晶率。M+F组合电磁搅拌大大改善了高碳钢大方坯中心偏析。采用电磁搅拌后，显著降低了过热度对中心偏析的影响。高碳钢大方坯连铸采用M+S或M+F组合电磁搅拌，是减轻中心偏析、改善夹杂物的分布和减少疏松等改善铸坯质量的有效手段。此外，在采用电磁搅拌时应该引起注意，如果搅拌参数控制不当，反而会产生不希望的结果。不是改善质量相反会产生白亮带，它是一种在疏印或酸侵低倍式样上肉眼可见的一种宏观缺陷。其特征是在铸坯横断面低倍式样上呈环状白色亮区、成分特征主要是Ｃ、Ｐ、Ｓ的负偏析。这种偏析缺陷严重影响钢的疲劳强度、淬透性、表面硬度，机械性能和机加工性能等。2.3.2搅拌工艺的选用①单一式搅拌工艺[14]在铸机上仅选用一种搅拌方式是比较普遍的使用方法，如MEMS或者SEMS，可以使铸坯外质量得到有效改善，只要对碳偏析没有严格要求，无论敞开式浇注或保护式浇注都可采用。从图2中可以发现铸坯的表面和皮下区是在装有MEMS的搅拌器形成的，电磁搅拌产生的力使钢水旋转，冲刷凝壳的表面，促使气体析出，并改善铸坯表层的温度和坯壳的不均匀性，控制了坯壳的致密性和尺寸形状，使表面针孔、皮下汽泡、夹渣、角裂、翻皮等缺陷大大改善或消除，同时，旋转的钢水使非金属夹杂物从凝固面上冲刷下来朝结晶器中央聚集，在钢水上面的弯液面产生一个沉淀区，由此铸坯的中心疏松、裂、偏析得到有效改善。图2结晶器电磁搅拌工艺的作用也有单一选用二冷段电磁搅拌工艺的，因为STEMS能有效地细化晶粒，形成较宽的等轴晶区域，其宽度取决于搅拌器安装位置处的液芯宽度，因此往往将SZEMS装在离结晶器最近的位置。设计这种搅拌器是为了提供螺旋式或行波式的搅拌运动，其中螺旋式搅拌适用于小方坯，行波式搅拌适用于大方坯和板坯，适用的钢种为中碳钢、低合金钢和不锈钢（搅拌形式见图3）。图3SEMS的两种搅拌方式除了上述两种搅拌形式外，新出现了一种螺旋桨式的S＋EMS，它能叠加上面二种搅拌运动，但投资额高，能耗大，至今尚未被广泛应用。②组合式搅拌工艺当浇注中高碳钢、高合金钢时，可能同时遇到注速快、过热度高，铸坯尺寸小等比较困难或特殊要求的连铸工艺，单一的搅拌工艺往往不能使铸坯形成足够的等轴晶结构，中心疏松或中心偏析还达不到最终产品的要求。解决这种情况的简单办法是采用两个相隔一定距离的搅拌器，即M+S+MS或者S+SZEMS，见图4中的(1)。上述的组合式搅拌工艺可以有效地减轻合金元素沿轴向的聚集，但不能有效地减轻含碳量高的钢种在轴向的平均正偏析，于是出现了第二种组合式搅拌工艺。即M+FEMSu或SZ+FEMS见图4中的(2)(3),这种工艺主要依靠末端搅拌器(FEMS)使铸坯的细晶粒和来凝固钢水的糊状区再次处于运动状态，轴向偏析的金属元素同周围的金属成分产生搅拌和混合，当铸坯部凝固结束时，即形成新生的均匀的良好组织结构。图4组合式搅拌工艺的形式3电磁搅拌的工作原理与其基本结构3.1电磁搅拌器的工作原理电磁搅拌装置（Electromagneticstirrer：EMS）的工作原理与三相异步电动机工作原理基本一样。电磁搅拌是借助在铸坯的液相穴感生的电磁力，强化液相穴钢水的运动。具体地讲，电磁搅拌器激发的交变磁场渗透到铸坯的钢水，就在其中产生感应电流，该感应电流与磁场相互作用产生电磁力，电磁力是体积力，作用在钢水体积元上，从而能推动钢水运动。由此，强化钢水的对流、传热和传质过程，从而控制铸坯的凝固过程，有效地细化铸坯晶粒、扩大等轴晶区、减少中心偏析，改善铸坯表面和在质量。它遵循两个基本规律[15]：①电磁感应:它们遵循右手定则②感应电流与当地磁场的相互作用产生电磁力：它们遵循左手定则电磁力是体积力，作用在钢水体积元上，从而驱动钢水运动。左手定则3.2电磁搅拌器的基本结构无论那种类型的电磁搅拌器，其基本结构都由两部分组成：①感应器：由铁心绕组组成，用来激发磁场；②壳体：由非磁不锈钢制成，用来保护感应器和热防护。4大方坯外置式结晶器电磁搅拌器简述由于本次设计主要针对大方坯外置式结晶器电磁搅拌器，所以以下就就该设备做简要的阐述：4.1连铸大方坯用的电磁搅拌各种电磁搅拌，尤其是组合式电磁搅拌，不仅能改善连铸大方坯的表面质量，也能改善其部质量。日本神户钢铁公司在其浇注300×400mm大方坯的2号和3号连铸机上安装了电磁搅拌装置。其安装部位是在结晶器和最终凝固区，电磁搅拌方式为旋转磁场型，所浇钢种为弹簧钢。采用组合式搅拌后，即使在中间罐钢水过热度达50℃的条件下，在连铸的大方坯中也能保证具有40的等轴晶率。由于应用组合式电磁搅拌技术后增大了铸坯中的等轴晶率，铸坯的中心偏析和缩孔都减小了。它不仅可以降低中心偏析的最大值，而且也可使中心偏析沿铸坯轴心方向的波动变小。日本位友金属工业公司的和歌山厂，在其大方坯连铸机上采用了由线性电动机型搅拌和静磁场通电型搅拌组成的多级式电磁搅拌。它是在二次冷却带的上都安装线性电动机，在二次冷却带的中部安装永久磁铁。由于在大方坯连铸机上应用了这种多级式电磁搅拌，不仅增加了大方坯中的等轴晶率，而且也使其晶粒组织更为致密．德国蒂森钢铁公司在其浇注250X320mm大方坯的连铸机上，安装了平行磁场型的电磁搅拌器。电磁搅拌器线圈中的最大电流强度为300A，最大起动功率为180kW4.2大方坯连铸工艺与设备特征连铸方坯分为大方坯和小方坯。端面大于200mm的方坯为大方坯，端面小于200mm的为小方坯。大方坯连铸工艺与设备具有以下几种特征：大方坯连铸工艺，通常采用双臂回转台、多功能中间罐车支撑钢包和中间罐。钢包与中间罐之间和中间罐与结晶器之间的铸流保护分别采用长水口保护套管和侵入式水口。采用钢包、中间罐等钢液覆盖剂和结晶器保护渣，避免钢裸露于空气中，实现无氧化浇注。为了防止结晶器保护渣裹入铸坯表面，侵入式水口要有一定侵入深度，一般为150～160mm。用带侧孔的侵入式水口，与直通式水口相比，可以使铸坯的大型夹杂物减少。使用带侧孔的水口，为了防止一部分侧孔被堵塞而引起钢水偏流，避免结晶器保护渣的裹入量增加，侧孔倾角设计应当使从侧孔出来的钢流恰好撞击在弯月面的下方。此外，保护渣的裹入量还与结晶器的液面变动有关。为了精确控制结晶器被的液面变动。随着连铸设备的可性和自动化水平的不断提高，由中间罐钢水重量的知道控制、结晶器液面知道控制、结晶器粒状保护渣自动加入和漏钢预报系统等四个主要的自动化装置构成的无人操作浇注系统，已成为提高大方坯连铸机生产效率和铸坯质量的有效途径。减少角部横裂，除在矫直时要控制铸坯的表面温度在脆化温度以上之外，减少振痕深度也十分必要。振痕过深或振痕明显则与振幅较大、振频较低以与钢液面波动过大和保护渣物性不好有关。为此，大方坯连铸结晶器震动条件均采用高频率，小振幅。（3）提高铸坯的拉坯速度是提高连铸机生产能力和改善铸坯表面质量的重要途径，也是连铸技术发展的的一个重要趋势。在不加铸机的圆弧半径，即不增加设备高度的情况下，提高铸坯的拉坯速度意味着铸坯的液心长度将延伸到圆弧切点以后的拉矫区，铸坯将在没有完全凝固的状态下进入拉矫机，进行“液心拉矫”。众所周知，进行“液心拉矫”时，影响铸盘质量的并不首先是表面的延伸率过大所产生的表面裂纹或角裂，而是坯壳层（液态与固态的临界区）在拉辊过大的压力下所产生的裂。由此，采用多点矫直工艺，进行“液心拉矫”时，在拉坯过程中作用在铸坯凝固前沿上的总变形量（即鼓肚变形，弯曲变形和中心线末对准变形量之和）控制在引起该钢种裂的极限变形之，是大方坯连铸工艺的主要特征之一。方坯连铸，采用在结晶器（M）和之后凝固区（F）两处进行电磁搅拌（EMS），改善中碳钢和高碳钢连铸坯的中心偏析。4.3结晶器电磁搅拌器的冶金机理和功能4.3.1结晶器电磁搅拌器的冶金机理结晶器电磁搅拌的冶金机理表现在机械效应和热效应两个方面。(1)由于结晶器电磁搅拌通常采用旋转搅拌。当钢水旋转速度达到一定值后，能获得足够大的离心力，才能迫使其中的径向的夹杂物和气泡向中心聚集并上浮，而被熔融保护渣吸收，使铸坯表面和皮下夹杂物和气泡减小，提高了铸坯表面和皮下质量。(2)由于旋转搅拌的切向电磁力的作用，能有效地清洗凝固前沿使坯壳生长均匀，减少漏钢事故。(3)由于旋转搅拌的径向电磁力的作用，能有效地折断枝晶形成晶核，有利于等轴晶的生长。(4)由于旋转搅拌导致从浸人式水口吐出的钢水的流动方向由垂直向下改变为水平旋转，即阻断从浸人式水口吐出的过热钢水，使其浸入深度变浅，从而使轴向温度迅速降低，而径向温度升高，使凝固前沿的温度梯度增大，有利于传热。这就是结晶器电磁搅拌的热效应。4.3.2结晶器电磁搅拌的冶金功能结晶器电磁搅拌的冶金功能主要体现在：一．减少铸坯表面和皮下气孔结晶器电磁搅拌加快了钢液流动速度，可以从钢液中排除一部分气体，从而减少铸坯表面和皮下气孔，M—EMS对铸坯表面和皮下气孔的影响如图5所示。由图5可见，不进行M—EMS搅拌，大多数铸坯的气孔数量在3～60个／㎡的围(平均41个／㎡)，采用M—EMS搅拌后，气孔数量明显减少，仅有0～2个／㎡。气孔个数/㎡图5M-EMS对皮下气孔的影响二．改善铸坯和轧材表面质量M—EMS改善铸坯、轧材表面质量的效果见图6和图7。从图6和图7可见，通过合理选择电磁搅拌参数可以显著减少铸坯表面质量缺陷，从铸坯表面至15mm深处裂纹指数均稳定在较低水平；通过M—EMS搅拌改善铸坯表面质量后，精整工作量减少，金属收得率提高，并且轧材质量也得到提高，棒材的表面无缺陷率由23％提高到96％。日本神户钢公司采用M—EMS后，铸坯清理率由20％～25％下降到2％～3％，金属收得率从94％提高到97％，清理损耗减少了图6M-EMS对铸坯皮下裂纹的影响三．减少纵向角裂铸坯经M—EMS后，结晶器形成的凝壳厚度较为均匀一致，这不仅可以防止铸坯产生表面裂纹(见图8)和减少拉漏事故，而且可以提高铸机拉速和产量。由图8可见，采用M—EMS后，中碳钢连铸坯纵向角裂指数由5.2下降到0.5；高碳钢连铸坯纵向角裂指数则由9.5下降到3.75。图7M-EMS对轧材表面裂纹的影响图8M-EMS对铸坯纵向角裂纹的影响四．提高铸坯洁净度(1)降低钢中夹杂物含量结晶器凝固坯壳形成初期，由于凝固速度快，一部分夹杂来不与上浮被坯壳捕捉形成缺陷。通过M—EMS搅拌，加快钢液流动速度，夹杂物在离心力的作用下上浮到弯月面并被保护渣吸收。图9为日本神户钢铁公司厂板坯连铸机(230mm×1230mm)采用和未采用结晶器电磁搅拌时，在铸坯边部约1／4宽处沿厚度方向上夹杂分布的对比情况。从图9可见，在没有搅拌的情况下，在距铸坯表面25mm处，夹杂物数量出现峰值(即夹杂物凝聚带)；采用电磁搅拌后夹杂物数量显著减少，而且夹杂物凝聚带也消失了。因此，钢板在轧制期间，由夹杂聚集所造成的表面缺陷也明显减少。美国蒂姆肯公司超声波检测结果表明，使用M—EMS后，铸坯表面的线性夹杂物减少了35％；USS／KOBE公司采用M—EMS的铸坯轧制成的棒材中夹杂物数量也只有未采用M—FIVL9的三分之一。图9M-EMS对夹杂物含量的影响(2)降低钢中T[O]含量采用和不采用M—EMS工艺浇注的攀钢P重轨钢连铸坯的T[O]对比见图10。图10铸坯中T[O]含量沿铸坯方向的分布由图10可见，采用结晶器电磁搅拌，PD钢铸坯T[O]由平均15.1×10下降到12.6×10。五．改善铸坯中心凝固组织(1)提高铸坯等轴晶率图11为不同M—EMS条件下攀钢PD3重轨钢连铸坯等轴晶率的比较。由图11可见，经结晶器电磁搅拌，Pth重轨钢连铸坯的等轴晶区宽度明显扩大，等轴晶率由20.9%增至44.8%。电磁搅拌提高铸坯凝固组织中的等轴晶率，是由于搅拌运动使钢液产生循环流动，改善了从铸坯中心至表层的传热，加速了钢液过热的耗散。当钢液过热度较高时，在温度梯度方向以树枝状凝固，一旦过热耗散掉，钢液温度降至液相线和固相线之间时，就会出现一些小等轴晶核，这些小等轴晶核保存在钢液中，随着钢液的进一步冷却而生长，并由于搅拌所产生的流动充满铸坯液相穴，最终在铸坯部以细等轴晶凝固。图11M-EMS对铸坯等轴晶率的影响(2)细化晶粒图12为有无M—EMS搅拌工艺浇注的PD3铸坯枝晶间距的对比情况。由图12可见，采用M—EMS搅拌能显著减小铸坯枝晶间距，尤其是靠近铸坯表层区域，晶粒明显细化。六．允许钢液有较大的过热度M—EMS搅拌使结晶器中钢液温度变得均匀，同时又由于搅拌所打碎的一部分晶粒熔化，使凝固前沿钢液过热度减小，中间包钢液过热度与铸坯等轴晶率的关系见图12。图12搅拌和未经搅拌枝晶间距的比较图13钢液过热度与铸坯等轴晶率的对比图13表明在过热度一样的条件下，有M—EMS搅拌的铸坯的等轴晶区比率明显高于无M—EMS的铸坯，因此，采用M—EMS搅拌工艺可适当放宽连铸工艺要求、允许钢液有较高的过热度。4.4外置式电磁搅拌器的优点采用外置式电磁搅拌器，这样有利于减少搅拌器的备件数量和一次性设备投资；便于结晶器和结晶器铜管的更换和安装，减轻劳动强度，安装后不需经常拆卸，可大大提高劳动生产率；减轻结晶器振动台的负荷；适应断面的围大，一台搅拌器可适应多种铸坯断面。5大方坯外置式结晶器电磁搅拌器的本体设计5.1感应器的设计感应器包括线圈和铁芯，它的作用是用来激发磁场的。5.1.1线圈的设计线圈主要是用来产生电磁的，它的绕制方式将直接影响电磁搅拌器的功用和效率等。线圈导线的选择是根据电流密度、线圈散热、功率因素等来选择的。在该设计中我们将采用如下的设计方法：⑴材料的选择搅拌器电磁线的选择是确保电磁搅拌器质量的核心问题，其选择应把握住导线材质、进口聚酰亚胺-氟树脂复合薄膜的质量、烧结设备的水平与烧结工艺参数的确定。绝缘漆采用进口材料专为电磁搅拌器而研制的防水无溶剂漆，漆膜附着力强，完整性好，绝缘电阻衰减缓慢，有效地保护了电磁线的绝缘，延长搅拌器的使用寿命。通过查阅大量的文献资料与研究本设计将主要采用：聚酰亚胺-复合薄膜绕包烧结线、聚酰亚胺薄膜自粘带、绝缘胶带、斜纹布带、橡胶板（厚10mm⑵线圈的绕制在本设计中将运用如下的绕制方式和过程：首先是前期的准备工作：清理场地，将橡胶板平铺在绕线机和放线架之间。用抹布将橡胶板抹干净。然后对绕线模要进行必要的检测和休整，测量绕线模的尺寸是否符合图纸设计要求。检测绕线模的越线槽宽度是否小于模芯短边的直线部分，越线槽要倒角，倒角的方向要于线圈绕制方向一致。用锉刀和砂纸修整绕线模，使之表面光滑无毛刺。然后再将聚酰亚胺复合薄膜绕包烧结线装在放线架上，出线方向为逆时针。接下来就是做水隙，它的主要作用是使线圈散热更均匀。在前期准备工作中的最后一项工作就是将毛毡剪成的长条,它是为以后将线圈隔开水隙做准备的。前期准备工作完成后就是线圈的绕制了。首先将绕线模按顺序装在绕线机上，安装牢靠，无松动、错位与变形等现象发生。然后接通电源，脚踏离合开关，将安装好的绕线模试转几圈，观察是否平稳。绕线速度控制在每分钟3圈。先留出一个线饼的聚酰亚胺复合薄膜绕包烧结线，用聚酰亚胺薄膜自粘带包扎30mm长的聚酰亚胺复合薄膜绕包烧结线将其卡入越线槽，并将其固定在绕线模上包。在刚开始绕时将剪成段的单芯电源导线嵌入绑线槽中，开始逆时针绕制里层的线圈，绕制好后将其固定在绕线模，将预先留出一个线饼的聚酰亚胺-复合薄膜绕包烧结线抖开拉直，与线盘上的聚酰亚胺复合薄膜绕包烧结线绑接在一起，用干净的毛巾将接头包好，将聚酰亚胺-复合薄膜绕包烧结线较整齐的滚在线盘上，把聚酰亚胺-复合薄膜绕烧结线拉直，顺时针绕制外层的线圈。绕制完毕将单芯电源导线用老虎钳拧紧，松开螺栓取下线模，取出绕好的线圈，用绝缘胶带将线头包好。接下来松开铜导线，用斜纹布带采取半包扎的方法将两饼线圈分开包扎好。包扎要紧密、整齐。然后将线圈成型模凸模放在整形架上，凸模上套上线圈，在两饼线圈间垫3mm厚的橡胶板。套上凹模，在凹模上放一块10mm厚的钢板，将千斤顶放在钢板上，缓慢均匀给线圈施压，当线圈和木模面重合后保压20～30分钟。撤除千斤顶，取出线圈。拆除斜纹布带。在这些工序后就要进行线圈绝缘电阻的测试，该工序是为了更准确的计算电磁力，是电磁搅拌更加的精确。随后重复以上步骤绕好所有线圈。此后将线圈的端头按技术要求连接，比好长度，剪掉多余的导线。将线圈的端头剥干净，套入相应的热缩管，用薄铜皮将两线圈的端头包好，边加银铜焊条，边用氧焊焊接线圈的端头（线圈的端头应牢靠、无气孔、夹渣、裂纹等缺陷）。锉平接头，涂上胶，收缩热缩管。按以上步骤和技术要求将若干饼线圈连成一个大线圈。在每饼线圈间做好水隙。将做好水隙的线圈摆放整齐备用。最后将六个分线圈两两并连成三个独立的大线圈，然后分出三个接线头，将线圈的端头用绝缘胶带包好（线圈外观如图14）。图14线圈的外观5.1.2铁芯的设计铁芯在搅拌器中所起的作用主要是增加磁导率、构成磁路以与固定线圈的，它在本设计中主要是采用若干个硅钢片叠加起来构成的。本设计之所以采用叠加的硅钢片主要是为了减少铁芯中的涡流损耗，同时在各个硅钢片之间要涂刷绝缘漆。5.1.3搅拌力的确定[16]⑴本体通以三相交流以后,产生旋转磁场.当液态金属防于旋转磁场,液态金属的每一截面都被旋转磁场的磁力线切割,将产生感应电动势。①=BS(磁通带)wbB:磁感应强度,S:垂直于磁力线切割磁场的面积,T:时间,s假设被搅拌的液态金属为一个环,产生的感应电流为I:感应电流,A.R:液态金属环的电阻,,p:液态金属的电阻率,;H:液态金属环的高度,m;S:液态金属的截面积,;这种简单情况下的电磁力由式:F=I×B决定.上述所指的是旋转运动的电磁力,即旋转磁场在液态金属中产生的电磁力的周向的分量为F。正是由于液态金属在切线方向上受到的一个体积电磁力,这样液态金属在距离中心不同的位置上就受到一个力偶的作用,再由于液态金属部的粘性,是液态金属进行运动。实际的连铸机模型:液态金属受电磁力的周向分力:F=②P:搅拌器的极数.:涡流角频率,:旋转磁场的周向磁感应强度,;:旋转磁场的角频率,;=4∏f/p;R:搅拌器的半径,m,(径);r:液态金属的半径,m;t:行波磁场的一个周期的时间,s;:涡流常数,;:液态金属的角频率,;f:电源频率,;:液态金属的电导率;:导磁率,;:非磁性材料的导磁率,约为1.对于一般的大方坯电磁搅拌起来说,当电磁力达到2000N以上时就可以达到生产要求.⑵电磁场在铸坯中的透入深度根据法拉第电磁感应定律，交变磁通穿过导体时，导体中产生感应电流，该电流的流线呈闭合涡流状，简称涡流。涡流在导体又产生磁场，由于磁场间相互作用便表现为磁的集映现象，称为集映效应。固集映效应的影响使电磁行波透入铸坯表面后逐渐衰减，搅拌时的电磁力仅在电磁波达到的围产生，这是电搅的理论依据。当搅拌器的极矩τ≥π时，透入深度h可以写成下式：③滑差率：④：行波磁场的速度，=2τf，m/s；τ：极矩，τ＞；v=液态金属流动的平均速度；u：磁导率，h/m；：电导率，s/m；对于某一种结构和电磁参数的搅拌器，液态金属的性能相对稳定时，值一定，u和s的值变化也很小，因此只有改变f值才能使透入深度h值发生变化。5.2外壳的设计由于外壳并不属于标准化的部件，所以在本设计中外壳的设计将主要遵循以下几方面的原则：⑴热强度；⑵机械强度；⑶不影响磁路；⑷配合尺寸等。外壳的种类多种多样，主要包括六边柱体以与圆柱体轮廓。轮廓形状对搅拌器性能等并没有多少影响，主要是根据具体的环境和客户的要求来定。所以本设计将采用圆柱体轮廓并且采用能隔磁的不锈钢材料，以防止漏磁现象的产生和增加电磁搅拌器的寿命。由于本设计是大方坯外置式电磁搅拌器，所以外壳的外径应相对较大，一般选取1225mm；径一般选取880mm；高度一般选取560mm[17]。圆柱体是由一块方形钢板经过滚制而成的，采用无缝焊接，以防止漏磁现象的出现。其次，外壳设计部分应包括进出水管道的设计，水管的选用以与出线盒的设计。其中，水管的设计应该首先要算出电搅本体产生的热量和钢水的辐射热量，然后计算出水流量最后再算管道的大小。具体的设计样式如图15和图16所示。由于该搅拌器体积庞大，搬运不易，所以为了搬运的方便搅拌器外壳上必须安装吊环，吊环的设计应按照搅拌器本体的大小来确定，其所能承受的极限力必须大于搅拌器本体的重力。一般吊环在搅拌器上是对称分布的，一般为三个。图15大方坯外置式结晶器电磁搅拌起外壳示意图6电磁搅拌器冷却装置的确定6.1搅拌器发热来源分析电磁搅拌器运行时，主要接受三个方面的热量：⑴绕组的焦耳热；⑵面对铸坯一侧的壳体焦耳热；⑶铸坯辐射热；其总受热量可达几十甚至上百千瓦[18]。图16大方坯外置式结晶器电磁搅拌起外壳示意图6.2冷却方式的确定电磁搅拌冷却水系统主要用于冷却电磁搅拌器线圈，是电磁搅拌器安全正常运行的保证。通常电磁搅拌器绕组由中空断面的铜管线圈组成，其通水冷却，所需冷却水由搅拌器后部端子螺栓连接橡胶软管供给，对水质要求高（蒸馏水或净化的除盐水）。一套完整的冷却水系统应采用分质、分压供水，其包括三部分：优质水闭路循环系统、工业水开路循环系统、事故水系统，流程图见图17。冷却水的温度、压力、流量与离心泵运行情况由控制台监视报警装置测量。图17电磁搅拌冷却水系统流程图⑴优质水闭路循环系统用于冷却电磁搅拌器的感应线圈，水通过离心泵作用闭路循环。回路中设两台离心泵，互换使用，互为备用，使泵始终保持良好工作状态。该系统上设有膨胀罐、补充水阀门、取样阀门，膨胀罐可自动向系统补水调压。管道采用不锈钢管材，水质采用蒸馏水或净化的除盐水。⑵工业水开路循环系统利用外部生产净水通过热交换器冷却蒸馏水，系统中由温度调节器（温控阀）根据蒸馏水的水温控制工业水流量。工业水可直接从生产净水配水管网引入循环。⑶事故水系统当开式系统出现事故时，如泵故障，则将事故管道上的两个三通阀打到事故位使泵、膨胀罐和热交换器与搅拌器线圈隔离，事故水直接从进搅拌器的管道流入冷却搅拌器线圈，并经事故水出水口排出。该系统的水质可采用生活水等低导电率水，流量与蒸馏水一样。根据绕组线材的不同，通常有三种冷却方式：⑴一次冷却：绕组用紫铜管组成，管直接通水冷却；壳体为双层，中间水缝通冷却水；壳体腔充，压力稍高于大气压；冷却效果最好，水质要求最高。⑵一次外冷却：绕组由扁铜带制成，浸泡在壳体腔的冷却水中，直接通水冷却；壳体为单层；冷却效果较好，但水质要求也较高。⑶油—水二次冷却：油—水二次冷却的含义是：绕组的焦耳热传给油，油将热量通过热交换器传给油。该冷却方式的绕组由扁铜带制成，浸泡在壳体腔的硅油里；硅油中装热交换器，通水冷却；冷却效果稍差，但水质要求低；绝缘性能最好。由于本设计线圈的绕制方式和选材的局限，在此我们将使用一次外冷却系统对搅拌器进行冷却。其对水质的要求如下表1。表1冷却水系统水质表6.3提高冷却水运行效率的措施①加强系统管道、热交换器清洗工作一般用生活水或压力为0.6MPa的压缩空气冲洗冷却水系统管道，直至排出的水中没有沉淀物。必要时采用化学药剂清洗，最好先做沉积物溶解试验，针对不同成份的污垢，选择适合的清洗配方和程序，此项工作也可请专业清洗公司进行，但均应注意化学药剂对环境的污染。②取样检验制度化水质化验是正确评价水质、与时发现问题、采取相应措施并衡量其效果的重要手段，所以必须按规定频率对水质进行检验，如优质水特殊电导率的周查、悬浮物的月查等，并且要形成制度，实行专人专责。③定期清洗过滤器按规定拆下滤网，反复用水清洗，直到上面没有污物为止。④事故水后与时用蒸馏水或净化的除盐水冲洗管路，三通阀打到事故位进行管路冲洗，以防管路污垢与循环水特殊电导率增高。⑤冬季防冻措施到位对于冬季温度较低的地区用户，应提前采取防冻措施以防水结冻。可采取推荐的单乙烯乙二醇按比例配置防冻液或采用市场上符合标准的防冻液，在选择将要采用的防冻液型号时，对电导率必须加以考虑。在冬季长期不用时(如停产)可将管路中水排空。综上所述，做好日常维检工作、严格按技术操作规程操作，是提高电磁搅拌冷却水系统运行效率的有效保证。6.4水冷却系统设计问题探讨6.4.1氮封软水闭路循环系统电搅线圈冷却设计采用氮封软水闭路循环系统，这是因为⑴采用软水满足了电磁搅拌对冷却水低电导率的要求，而且软水也有利于管路系统防垢。但由于软水中去掉了钙、镁离子，对金属的腐蚀作用更加突出，采用氮封可以隔断水与空气的接触，阻止溶解氧的补充，使水中溶解氧含量降低，从而有效地抑制腐蚀。⑵采用闭路循环系统可以避免软水蒸发损耗和受大气污染，通常其补充水量只要0.1%，而开路系统由于蒸发、渗漏、排污等损失，补水量一般为3-4%,而且还要投加水质稳定药剂，所以采取闭路系统节水、经济。⑶另外，氮封密闭循环系统可以充分利用回水余压而节约能耗，但系统要求维护管理水平高。一般电搅软水用水量不大(依据电磁搅拌器功率定)，补充水量更少，因此不必专设软水站而采取膨胀罐(密闭调节水箱)自动向系统补水调压，罐上设水位指示报警装置，当系统漏损亏水较多时(到低水位报警位置)采用人工补水的力一式，节省了占地空间和设备投资。当然周围有软水供应系统直接引用最佳。人工补水应保证所供的软水的水质要求，尽量减少大气污染，另外，水的电导率会随着时间推移而增大，所以桶装水也不能长时间放置后再使用。补水时还应注意管路系统的排气。6.4.2事故水系统该系统未按常规设置事故水箱而采用事故时直接引入生活水，并通过三通阀隔断优质水系统(除进出电搅器水管)。其原因在于:⑴电磁感应搅拌器对水的电导率要求较高，始终不得大于300Ls/cm，而水的电导率会随着时间的推移而增大，所以设置事故水箱水质难以保证，如果采取经常检查水质，进行泄水、进水等操作来保证水质的话，操作繁琐且不经济。而直接从生活水管引来，供水系统密闭，水质不受污染，且随用随供，水质新鲜;⑵事故水流量与软水一样、用水量不大，若周围有诸如生活水等低电导率水供应，直接引用。一般可满足要求;⑶另外，设置事故水箱，直接采用系统离心泵工作，易对泵、膨胀罐和热交换器造成污染，清洗工作也不易进行。若另设事故离心泵单独工作，势必增加设备投资。采用事故时三通阀打到事故位使泵、膨胀罐和热交换器与搅拌线圈隔离，事故后只需直接冲洗进出搅拌器线圈管道，简单易行且使正常运行的优质水系统免受污染。随着电磁搅拌冷却器的广泛应用，相应冷却水系统设计、运行日益显得重要，其安全、高效是取得良好经济效益的保证。7大方坯外置式结晶器电磁搅拌器存在的主要问题与解决方法大方坯外置式结晶器电磁搅拌器安装在结晶器区域外，其采用旋转磁场型。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，由于受搅拌器漏磁和钢水粘性的双重作用，在有效搅拌区(搅拌器的铁心高度或称主流区)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扰动，这种过强的旋转运动使钢水在结晶器壁附近隆起，搅拌强度越强，隆起的高度也越高。这种过程可能损害浇铸过程的稳定和铸坯质量，由此造成一些缺陷。(1)在弯月面上下波动的情况下，由于初生坯壳被卷入铸坯部而造成铸坯皮下的翻皮现象。(2)即使在弯月面稳定的情况下，由于弯月面沿结晶器壁隆起，形成凹坑，使保护渣铺展不匀，且易被卷吸。(3)过强的搅拌也可能使铸坯表面产生诸如重皮、凹坑和皮下失碳等缺陷。(4)过强的搅拌使熔融的保护渣强烈侵蚀浸入式水口耐火材料，影响其使用寿命。(5)影响结晶器液面测量。(6)产生负偏析带一白亮带。上述这些缺陷随着搅拌强度的增加而愈加严重。因此，要想解决这个问题就必须选取一个合理的安装位置与搅拌参数，只有这样才能使电磁搅拌取得最理想的效果。8结论本文主要对大方坯外置式结晶器电磁搅拌器进行了研究，在掌握了电磁搅拌器的工作原理、冶金机理和发展现状等相关知识的基础上，对大方坯外置式结晶器电磁搅拌器进行了一定的设计。论文主要就如下几个方面的问题进行了实践和探讨。通过结晶器电磁搅拌工艺的作用图可以发现铸坯的表面和皮下区是在装有MEMS的搅拌器形成的，电磁搅拌产生的力使钢水旋转，冲刷凝壳的表面，促使气体析出，并改善铸坯表面的温度和结壳的不均匀性，控制了坯壳的致密性和坯壳的致密性和尺寸形状，使表面针孔，皮下汽泡、夹渣、角裂、翻皮等缺陷大大改善或消除，同时，旋转的钢水使非金属夹杂物从凝固面上冲刷下来朝结晶器中央聚集，在钢水上面的弯液面产生一个沉淀区，由此铸坯的中心疏松、裂、偏析得到有效改善。２.通过有无结晶器电磁搅拌（M-EMS）对铸坯质量的影响的一系列对比图可以看出结晶器电磁搅拌有如优点：减少铸坯表面的皮下气孔；改善铸坯和轧材表面质量；减少纵向角裂；提高铸坯的洁净度；改善铸坯中心的凝固组织；允许钢液有较大的过热度。经生产试验研究表明，对于不同钢种，选用各自合适的搅拌参数，配以相应的工艺制度，对减少铸坯柱状晶组织、扩大等轴晶率、改善中心偏析、降低部裂纹指数均有良好的效果。３.在感应器设计的过程中，发现搅拌器电磁线的选择是确保电磁搅拌器质量的核心问题，其选择应把握住导线材质、进口聚酰亚胺—氟树脂复合薄膜的质量、烧结设备的水平与烧结工艺参数的确定。４.通过电磁搅拌冷却水系统流程图可以看出，一套完整的冷却水系统应采用分质、分压供水，其包括三部分：优质水闭路循环系统、工业水开路循环系统、事故水系统。冷却水的温度、压力、流量与离心泵运行情况由控制台监视报警装置测量。任何一项新技术、新工艺的研究与应用，都离不开系统的配套技术，电磁搅拌技术也不能例外。因此，今后还需要多做包括科研在的系统工作。参考文献[1]亮.结晶器电磁搅拌技术的原理与发展[J].梅山科技,2003年第2期：43-45.[2]秀兰王艳红梁慧智.国外电磁搅拌技术的发展与展望[J].鞍钢技术,2005年第4期.[3]夏晓东史华明.电磁搅拌技术在连铸的应用[J].宝钢技术,1999年第3期：9-13.[4]王学东伟强时海芳.电磁搅拌技术的国外发展现状[J].工程技术大学学报(自然科学版),2001年2月,第20卷第1期.[5]周汉香.电磁搅拌技术的发展与其在武钢的应用[J].武钢技术,2O04年第42卷第4期：45-49.[6]陆崇峰.一种新型的连铸电磁搅拌技术[J].铁研究，1997年，第三期.[7]NAPPONSTEELTECHNICALREPORT，2000（1），70-74.[8]徐国兴.电磁搅拌技术在连铸机上的应用与其对铸坯质量的改善[J].金属,1997年5月,第l9卷第3期.[9]王泽忠.电磁搅拌技术[N].钢铁学院学报,2004年6月,第23卷第2期.[10]胡林.连铸工艺中的电磁搅拌技术[J].炼钢,1999年2月,第15卷第一期.[11]光裕恒基主编.磁场的产生[M],械工业.[12]绍之主编.磁场与带铁芯电路[M].第一版，高教.[13]永.连铸结晶器电磁搅拌技术[J].钢铁钒钛,2003年6月,第24卷第2期.[14]方文伟蔡希镇章连成.电磁搅拌在连铸的应用和效果[J].冶金,2001年5月第二期.[15]周克定.工程电磁场数值计算理论方法与应用[M].高教.[16]Han.A.ElectricalmagnetEieldAndElectricalmagnetEnergy1992.[17]开砾焕祥.电磁搅拌工艺参数的研究与应用[J].炼钢,1994年6月.[18]宏波.电磁搅拌冷却水系统[J].建筑,2002年2月.采用结晶器部双线圈电磁搅拌系统连铸高碳钢和合金钢小方坯钢铁研究2002年增刊总第110期西德贝克一道斯科公司J}里摩克斯茵活保尔L·欠特尔曼1介绍1994年，西德贝克一道斯科公司安装了新开发的结晶器部电磁搅拌系统(结晶器电磁搅拌)，作为小方坯连铸机改造的一部分，其目的是提高铸态产品的质量和连铸机生产率。该系统是由两套感应线圈组成的一个系统，可以使结晶器液面区和其余部分产生不同强度的搅拌。这一操作的灵活性是现有单线圈结晶器电磁搅拌器无法达到的。该公司希望新系统能够适应两种浇铸操作，即:定径水口浇铸和使用浸人式水口的浸人式浇铸。本文叙述了采用双线圈结晶器电磁搅拌，小方坯表面和部质量(即:凝固组织和中心碳偏析)所取得的效果，以与高碳钢线材质量和连铸机生产率获得的改进。液面区搅拌强度对浸人式长水口的侵蚀作用也在本文讨论之中。2生产设备和工艺流程简述特殊钢(SBQ)棒材和高碳钢线材用钢水在180t,130MVA电炉(偏心炉底出钢)生产出来。使用直接还原铁球团和废钢作为原料来减少产品中的残余元素。浇铸前，钢水在钢包炉精炼。在六流连铸机上浇铸成120,140和160mm=小方坯。硅锰脱氧钢采用敞开式浇铸，使用Pollar型氮气保护水口来防止二次氧化。大部分铝镇静钢采用滑动水口和浸人式水口进行浸人式浇铸。特殊钢小方坯采用以上两种方式浇铸。3双线圈结晶器电磁搅拌系统该系统如图1所示。从中看到，一套搅拌线圈安置在结晶器下部，另一套安置在液面区。下部搅拌线圈作为常规结晶器电磁搅拌，执行主搅拌任务，而液面区线圈产生的磁场所影响的钢水量很有限。相对与主线圈而言，液面区线圈起辅助作用，被称作交流搅拌调节器(AC-SM).图1双线圈电磁搅拌示意图结晶器电磁搅拌和AC-SM由不同的电源馈电，可以分别控制强度、频率和旋转方向，产生不同的磁场。如果两个磁场旋转方向一致，根据浇铸要求，液面区搅拌强度可以通过增加AC-SM输人电流来增强，也可以通过减小甚至切断AC-SM电流来减弱。将AC-SM磁场旋转方向设置成与结晶器电磁搅拌磁场方向相反，可使搅拌强度进一步减弱。在这种情况下，由AC-SM产生的逆向运动会影响结晶器电磁搅拌的搅拌运动。这样两个方向相反的搅拌运动在液面可能达到平衡，将搅拌强度降至零。由于液面区的搅拌方向相反，结晶器其余部分的搅拌强度会有一定程度减弱。4试验为了判定结晶器电磁搅拌对产品质量和连铸机生产率的确切影响，将生产操作中积累的实践经验与在控制条件下浇铸的几炉钢的结果结合起来分析。钢的化学成分如表所列，凝固围很宽，因此易生成组织缺陷，包括严重偏析与由于液面过度搅拌产生的表面缺陷。液面过度搅拌会引起搅动，产生表面缺陷，如翻皮、渗漏和横向凹陷等。因此，小方坯的质量判定主要在表面质量和凝固组织，包括中心碳偏析方面。此外，还对小方坯(1074)质量与5.5mm高碳线材质量的关系做了评述。测值方法小方坯表面经喷砂处理后进行目视检验。通过小方坯中心面纵切，进行宏观酸洗后判定凝固组织。此外，将该截面横向切割成小的试样，经饱和苦味酸酸洗，放大五倍后检验其组织。使用标准硫印或酸洗的方法，一般不能显示出如此精细的组织。碳偏析在小方坯冶金中心确定，该偏析被称作中心碳偏析。一根坯样被锯成许多大约20mm厚的横截面。坯样切割端的两个截面不算在其中。所有的其它试样在中心钻直径为中4.6mm的孔，每个钻孔试样大约1.2g，用于碳分析。平均共在试样中心取2636个钻孔试样，半径中部取1618个。使用LECO碳硫分析仪进行分析。中心碳偏析程度用中心碳含量C。与试样的平均碳含量C。之比来表示。该比值叫做碳偏析系数Kco碳偏析以所有的碳含量经计算得到的偏析系数平均值Kc、最大值Kc，偏析系数平均值的标称偏差sKc和偏析系数最大最小值之间的差幅s进行讨论说明。这些参数根据下列公式进行计算:Kc单个碳偏析系数Co小方坯中心线碳含量Cb平均碳含量Kc碳偏析系数平均值5结果和讨论5.1小方坯表面质量采用敞开浇铸时，液面搅拌强度的设置不超过过度搅拌极限，以避免出现表面缺陷的可能。在这种条件下进行浇铸，小方坯表面无针孔与其他缺陷。采用敞开浇铸生产的高碳钢小方坯的表面外观典型如图2a所示。采用了浸人式水口和结晶器保护渣浇铸的铸坯表面质量很好。其典型表面外观如图2b所示。a敲开浇注b侵入式浇铸图25.2凝固组织线材生产用高碳钢(C=0.73/0.75%)小方坯的凝固组织如图3所示。可以看到未经搅拌的试样的组织除激冷层外全部为柱状晶。靠近中心，树枝晶晶体逐渐粗大，在中部半径附近达到最大。小方坯中心是液芯凝固的最后部分，这里形成了大量疏松，并伴有搭桥和分布广泛的U形疏松。（ａ）未采用ＥＭＳ（ｂ）采用ＥＭＳ图3同炉钢水经搅拌浇铸的小方坯的结构(图3b)中没有柱状树枝晶，绝大部分是细小的等轴晶组织。中心缩孔很细小，而且分布相当均匀、致密，为细小的V形疏松。试样的边缘和中心部分的结构放大五倍后如经搅拌的小方坯激冷层排列极其细密，一直延伸到皮下大约14-15mm。随后在试样中部形成的是分枝细小的树枝晶。带有一些树枝晶的等轴晶结构充满中心区。中心疏松很细小，大部分小于2mm，较大的孔填充了非常细小的树枝晶。树枝晶的形态说明它们是孔或附近的残留钢水凝固而成的。值得一提的是经搅拌的小方坯的激冷层比未经搅拌的要厚一些，这与文献中的发现相一致。高碳合金钢的凝固结构与丰述普通高碳钢的组织相似。某些合金元素，如铬，更多地聚集了是由于结构更粗糙一些。图5所示为相近化学成分的钢水以相似条件浇铸的小方坯结构(除AISI6150采用了敞开浇铸、经妮微合金化与50CrV,(德国标准>采用了结晶器保护渣和浸人式浇铸)。后一种钢在浇铸时，液面的搅动被AC-SM制动。图4所示。从中看出，未经搅拌的结构的枝形形态从迈表皮部分(约1mm)开始形成。激冷层延伸至表皮--F7mm，由细小的柱状树枝晶组成。较粗的柱状晶结桂延伸至小方坯中心，形成了搭桥和空腔。可以看到，两种钢的结构看起来相近。它们由15mm宽的激冷层，细小的树枝晶区(见图6a)和带有大量树枝晶的中心等轴晶区组成。中心疏松比1074钢的大些，直径达(D4mm。一些缩孔中填充了细小的树枝晶结构(见图6b和60。虽然两炉钢的结构可能由于降低了中间包过热度和/或增加了搅拌强度而得到改善，并没有迹象表明由于采用的搅拌不同而引起了结构差异。5.3中心破偏析电磁搅拌对表3中的几炉钢的宏观偏析产生作用。为了确定主要浇铸变量产生的影响，监控中间包过热度、拉速和搅拌参数，并取样确定偏析。5.3.1浇铸变量的影响(1)未采用结晶器电磁搅拌进行浇铸在考虑结晶器电磁搅拌对碳偏析的总体影响前，说明结晶器电磁搅拌是如何改变主要浇铸变量(即:中间包过热度和拉速)对碳偏析的作用十分有益。因此，将经和未经搅拌浇铸的小方坯偏析结果进行比较。a.敞开浇铸，AISI6150b.浸人式浇铸50CrV图4采用EMS的合金钢铸坏凝固组织表所列为在安装了电磁搅拌系统前浇铸的高碳钢(C二0.71%)的偏析数据。因为中间包过热度保持不变，每流的拉速是该炉的唯一变量。拉速被特意设置在一个较宽围，即:1.42.5因此，拉速在1.782.0m,/min围，甚至达2.5m/min时，碳偏析变化不显著。很明显，仅当拉速产生剧烈变化(一般为降低)时，才会对偏析产生影响。因这些变化极少在常规操作时实践，会有一种见解:认为拉速不会影响偏析。虽然中间包过热度保持不变，它对未采用结晶器电磁搅拌的高碳钢线材偏析会产生影响，本文将作进一步叙述。(2)采用结晶器电磁搅拌进行浇铸电磁搅拌和浇铸变量对中心偏析的影响如表5所示。经搅拌的小方坯，不仅同炉异流而且一样或相似钢种的各炉之间的偏析差别不大。虽然经搅拌的高碳钢和合金钢的碳偏析系数平均值不总是显著低于未搅拌的小方坯，但是其偏析值的宽展围较小，较稳定。从表中可以看到，偏析系数的最大值未超过1.31，偏析系数的最大与最小值之间的正常宽展为23%-25%。与此相反，未搅拌的一些流次中，数值分别为1.311.56之间和31%-49%.由分析可以看出，偏析平均值差异并不显著。但是，表达为标称偏差的偏析宽展带在经搅拌的小方坯中减小了大约一半。就第一炉来研究中间包过热度和拉速对高碳钢(1074)偏析的影响。该炉不同流次的浇铸变量被仔细地加以区分)。开浇时的中间包过热度为5290，在接近浇铸结束时降至32'C.虽然在这些浇铸条件下，各流的偏析没有明显区别，应该指出的是以低过热度浇铸的流次的偏析宽展较小。这些流次的偏析系数偏差比以较高过热度浇铸的流次大约小10%。偏析系数分布直方图表明同以52℃的过热度浇铸的三个流次的偏析最大值K≤1.25比较起来，以32℃的过热度浇铸的2/3流次的偏析系数最大值较低，即K试验结果表明:高过热度情况下，拉速变化在20%围，对经搅拌的小方坯的碳偏析没有明显的作用。不采用结晶器电磁搅拌进行浇铸，拉速继续锐减，如表4(第4流)和表5(第3炉)所列情况，不会产生采用搅拌所取得的效果。工业实践和实验结果都表明:结晶器充分搅拌，使以较高中间包过热度和拉速浇铸高碳钢和合金钢成为可能，从而改善碳偏析。K·阿亚他与其同事还发现，采用结晶器电磁搅拌浇铸高碳钢，过热度在50℃6结论根据本文得出的结果可做如下结论:6.1双线圈结晶器电磁搅拌系统具有较高操作灵活性，可以控制结晶器的搅拌运动，这对敞开浇铸和浸人式浇铸十分必要。6.2由于结晶器搅拌充分，改善了高碳钢和合金钢小方坯的质量。最显著的改进是在凝固组织和中心碳偏析方面。由柱状晶向树枝晶和等轴晶的结构转变使采用了搅拌的小方坯的碳偏析分布形状和数量发生了变化。主要由于减小了偏析峰值的出现与数量，偏析的最大和最小值之间的差幅明显减小。6.3由于搅拌充分，可以使高碳钢和合金钢的拉速分别提高31%和25%0以高达52℃6.4小方坯质量的改进使线材的质量得到改善。生产统计表明:大约95%实验用5.5mm线材的偏析程度根据6级评级表为2级或更好一些，消除了马氏体的出现。因此，产品得到了用户的充分认可。ContinuousCastingofHigh-CarbonandAlloySteelBilletswithin-MoldDual-CoilElectromagneticStirringSystemSidbec-Dosco(Ispat)Inc.J"LimogesJ.MulcabyEnterprises,adivisionofInverpowerControlsLtd.L"Beitelman1introductionIn1994,WestGermanBakertheSibranchcompanyinstalledthenewdevelopmentcrystallizerinteriorelectromagnetismtostirthesystemtogether(crystallizerelectromagnetismtostir),transformedapartassmallsquaressemifinishedproductLianZhuji,itsgoalwastheenhancementcastingconditionproductqualityandLianZhujitheproductivity.Thissystemisasystemwhichiscomposedbytwosetsofinductioncoils,maycausethecrystallizerliquidlevelareaandotherpartsproducesdifferentintensitystirring.Thisoperationflexibilityistheexistingsingle-inductorcrystallizerelectromagnetismmixerisunabletoachieve.Thiscompanyhopedthenewsystemcanadapttwokindofcastingoperations,namely:Decidesthediameterdrainageopeningcastingandtheusesoaksthehumantypedrainageopeningtosoakthehumantypecasting.Thisarticlenarratedhasusedthedoublecoilcrystallizerelectromagnetismtostir,smallsquaressemifinishedproductsurfaceandinternalquality(namely:Thecoagulationorganizationandthecentralcarbonsegregation)obtainstheeffect,aswellasthehigh-carbonsteellinematerialqualityandLianZhujitheproductivityobtainsimprovement.Intheliquidlevelareastirstheintensitytosoakthehumantypelongdrainageopeningthecorrosivenaturealsotodiscussinthisarticle.2productionequipmentandtechnicalprocesssummaryThespecialsteel(SBQ)thegoodmaterialandthehigh-carbonsteellinematerialusesthemoltensteelin180t,130MVAelectricstove(eccentricfurnacebottomtapping)produces.Usesthedirectreturntooriginalstateironballgroupandthescrapsteelreducesintheproductastherawmaterialtheremainingelement.Infrontofcasting,moltensteelinhotmetalladlefurnacerefining.Insixlingersthecastingmachineonpouringtocast120,140and160mm=smallsquaressemifinishedproduct.Thesiliconmanganesedeaerationsteelusesopenswidethetypecasting,usesthePollarnitrogenprotectiondrainageopeningtopreventtwotimesofoxidations.Themajorityofaluminumcalmsteelusesskidsthedrainageopeningandsoaksthehumantypedrainageopeningtocarryonsoaksthehumantypecasting.Thespecialsteelsmallsquaressemifinishedproductusesabovetwowayscasting.3pairofcoilscrystallizerselectromagnetismstirsthesystemThissystemlikechart1shows.Seesto,asetstirsthecoiltoplacelowerpartthecrystallizer,anothersetplacesintheliq