电磁连铸冶金技术及应用现状

电磁连铸冶金技术及应用现状

张大伟

宁波钢铁有限公司 浙江 宁波 315807

摘要：电磁流体力学(MHD )是电磁冶金理论的基础, 它的发展, 带动了电磁连铸技术在冶金工业中的应用和发展。MHD之所以能在冶金中得到广泛应用, 主要是由于熔融金属是电的良导体。在磁场和电流作用下, 金属熔体内产生电磁力, 利用电磁力就可以对熔融金属进行非接触性搅拌、传输和形状控制。电磁冶金技术具有能量的高密度性和清洁性、优越的响应性和可控性、易于自动化以及能量利用率高等特点, 被广泛地应用于冶炼、精炼、铸造、连铸、钢水的检测等领域, 并已在许多领域取得了重大进展。

关键词：电磁连铸冶金技术；应用现状； 

电磁连铸冶金技术是现代电磁流体力学不断演变发展来的，在电磁冶金理论中强调电磁流体力学应该通过不断的发展而在冶金技术中进行不断地演变。其主要的技能在于对金属自身是可溶的良导体。在电流的作用下，磁场会在金属熔体内产生一定的电磁力。

1. 电磁连铸冶金技术

1.电磁搅拌技术。电磁搅拌技术原理电磁搅拌技术应用于连铸技术是目前冶金技术最重要的发展途径，而电磁搅拌技术的发展中只有通过提高技术才能完成铸坯质量的改善，磁场的不同形式会对电磁的力度产生不同的变换，而在液态金属变化时，连铸坯自身会通过交变电磁场的不断转变，才能产生电流，继而能最大程度的产生电磁感应。电磁力只有通过不断的控制钢水的流动，才能在冶金连铸过程中完成最终传热与凝固的过程，只有上述步骤才能顺利完成清洁度的提高。通过铸坯的扩大来完成等轴晶区，从而不断的降低偏析中的成分，最大程度减轻中心疏松，对中心缩孔的距离可以最大程度的疏松甚至放缓。电磁搅拌不仅可以最大程度的对铸坯的轴晶体进行区域扩张，更可以使晶粒细化，最大程度减少搅拌中发生的偏析与裂纹，最终实现钢材料在生产过程中的超纯净度与超细化以及超均质化的高质量要求，可以说在钢铁工业不断发展的今天，电磁搅拌技术为技能的发展增添了更多的活力。而就目前现状而言，电磁搅拌技术已经快速的得到发展，而在技术不断进行变革的今天，电磁搅拌器所发生的作用也可以从安装位置的不同进行进一步的研究。在电磁技术不断发展的今天，电磁搅拌机理已经由原有的理论研究而发展为实际应用，通过不断的发展与研究进一步实现磁力线完成对铸坯凝固壳的穿透就目前的发展而言，世界各国都对二冷区的电磁搅拌技术产生了更多的兴趣，并在此程度上加紧研发。在世界科学实验室研究的过程中，通过对搅拌方向进行水平与竖直向上向下的改变，来对非金属夹杂进行铸坯内的测量。在三维数值的模拟限元方法搅拌下，对流场进行分析。发现竖直向上的搅拌方式可以减少从水口流出的钢液的穿透深度。弯月面下的流体在不断降低的同时也会最大程度的降低的流速，而流苏降低也会增加对钢液的保护。而日本钢铁公司在研究的过程中，将注流在结晶器之间进行电磁搅拌。通过不断的实验也解决了现有冶金时出现长水口堵塞的问题。而在实验的过程中更发现，即使在连铸中也可以进行低热度的浇注。

2.软接触电磁连铸技术。软接触电磁连接技术是通过结晶器不断进行电磁变化来完成钢坯连铸技术的创新，基本原理在于结晶器由于其自身的特殊结构而形成感应线圈，通过感应线圈产生交变电流，而交变电流又由于自身磁场发生交变反应促使熔池外侧产生电流。因此，当电磁通过侧压力的作用可以最大程度地减小钢液的静压力。而靠近结晶器的钢液会随着内壁的作用而不断的向结晶器推进，在形成弯月面形状之后，钢坯会进一步实现同软接触电磁之间的连铸。在最初电磁力作用的保护下，弯月面会随着压力的变化而发生变形。在形变的过程中，由于保护渣的渣道变宽，振动周期会因为受到保护渣通道压力的影响而相对变缓，最终使得渣液无法流畅的运动。对于冶金表面振痕而言，会产生相应的裂纹缺陷。而在当前发现的各种问题中，冶金界自身对现有的技术的研究在不断突破的同时，市场价值也在不断递增。

二、应用现状

1.接触电磁连铸弯月面形状的研究电磁连铸过程中钢水弯月面形状是钢水和保护渣界面能、钢水静压力、电磁力、渣膜流动压力以及由于结晶器振动和钢液内部流动形成的压力等诸多因素相互作用平衡的结果。弯月面区域没有一个统一的定论，一般认为是初期凝固关系密切的弯月面相邻区域，包括钢液、钢凝壳、渣池、渣缝与结晶器壁，弯月面形状发生改变，弯月面的顶部不再与结晶器接触，三相点位置下移。弯月面隆起部分的波动几乎不对铸坯的初始凝固壳产生影响，由弯月面波动产生的铸坯表面缺陷减少了。线圈与初始液面间的相对位置对弯月面形状有很大影响; 结晶器内的磁感应强度越大弯月面高度越高，且弯月面高度与磁感应强度的平方成正比; 在一定频率范围内，频率提高，弯月面高度增加，但超过某一临界值后，弯月面高度几乎不随频率发生变化。研究了弯月面变形的不均匀特性。在切缝位置处的弯月面变形较大; 在结晶器不同截面位置处存在不同的频率范围，只有在此范围内增加电源频率，弯月面高度才增大; 弯月面变形的不均匀性随电流强度、电源频率增加而加剧; 增加切缝数目、减小切缝宽度和结晶器铜壁厚度以及调整结晶器切缝布置位置可明显提高弯月面变形的均匀性; 对于切缝为的结晶器，调整切缝布置位置后可使弯月面变形的均匀程度比未优化切缝布置位置前提高近77%。我们不仅可以通过模拟研究弯月面形状，还可以通过实验研究弯月面行为。作为钢液的模拟介质进行静态热模拟实验，他们发现随着电源功率的增加，弯月面高度也随着增大，同时也加剧了金属液表面的波动。对高频电磁场作用下中间切缝坯连铸结晶器内的弯月面行为进行研究，该研究表明，电功率对弯月面行为影响较明显; 感应线圈的最佳安装位置位于结晶器切缝区域中心; 在20 ～ 30kHz 范围内增加磁场频率可以有效提高弯月面高度，但当磁场频率超过30kHz 后，弯月面高度增加幅度不明显。

2.目前，关于软接触电磁连铸技术改善铸坯表面质量机理的研究，主要从电磁场的热效应和力效应两个方面着手，集中在电磁场对铸坯初始凝固行为的影响上． 研究表明，在热效应方面，由于电磁场对结晶器和铸坯初凝壳感应加热，以及铸坯初凝壳与结晶器间的软接触的状态使两者间的热阻增加，铸坯的初始凝固点降低，这有利于铸坯表面质量的改善，在力效应方面，电磁力使铸坯和结晶器间软接触状态的实现，使初生坯壳和结晶器之间的保护渣道得以拓宽，从而减小了因结晶器振动所导致的保护渣道内动态压力的变化，减轻钢液弯月面所受的扰动，提高了连铸初始凝固过程的稳定性，使铸坯表面振痕减轻，表面裂纹的发生几率减小． 但该说法仍停留在假说阶段，缺乏定量计算的结果。软接触结晶器电磁连铸保护渣道的动态压力中通过模型试验得出，测量了在不同强度高频电磁场作用下液态金属弯月面形状，计算了保护渣道宽度及在结晶器振动一个周期内保护渣道动态压力变化情况结果表明，高频电磁场能够显著减小保护渣道内动态压力的变化，这是软接触结晶器电磁连铸技术改善铸坯表面质量的一个可能机理计算还表明，磁场强度的增加并不能无限制地减小保护渣道内动态压力，为获得最佳的保护渣流入状况，存在一个最合适的磁感应强度。

换言之, 如何开发新装备、新工艺以满足用户对钢铁材料的高质量、高纯净以及产品更新换代的需要是世界各大冶金企业的竞争焦点。引进了国际先进的结晶器电磁制动和二冷区电磁搅拌设备, 正着力于电磁冶金应用技术的研究和开发。

参考文献：

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