板坯电磁搅拌的现状摘要:介绍了电磁搅拌技术的原理、电磁搅拌器的分类、电磁搅拌装置的应用条件关键词:电磁搅拌技术; 板坯; 连铸; 应用Electromagnetic Stirring of SlabsAbstract: It is introduced the principle of electromagnetic stirring technique as well as types and application condition of stirrer．Key words: electromagnetic stirring; continuous casting of slab; multi-mode EMS1前言在连续铸钢发展初期, 钢铁制造者们已认识到钢液的凝固及铸坯质量受液相穴钢液的运动和诸如对流、传热、收缩等基本物理现象的影响。
毫无疑问, 电磁搅拌的研究是以优化上述运动和现象以提高钢的质量和消除不利因素等为目标的[1]。
电磁搅拌装置(Electro – Magnetic Stirring)英语缩写为EMS。
目前采用电磁搅拌装置已经成为板坯连铸设备为提高铸坯产品质量的重要途径,其作用就是在铸线扇形段上安装多段电磁搅拌用的电磁线圈, 在各段辊内的电磁线圈上施加低压、低频、大电流的交流电源, 电磁力线贯穿铸坯的凝固相(即坯壳部分),在将要冷却凝固的钢水内部产生强磁场,通过钢水内流动的感应电流相互作用, 使液向部分能定向移动及旋转运动,从而对铸坯内的液相钢水进行搅拌,使铸坯内部结晶组织均匀, 提高了板坯的质量[2]。
2 电磁搅拌技术原理及作用2.1 电磁搅拌技术原理与已普及的长材产品生产中采用的转式电磁搅拌有所不同, 针对大断面的矩形, 板坯连铸生产采用独特的线形电磁搅拌。
其原理十分简单, 如同由两相或三相电流驱动的, 能产生交变磁场的线性感应马达。
电流发生相变时磁场从一极到达另一极, 并同时产生电磁推力, 将液态钢水向磁场运动的方向推动。
通过电流相位变化选择方向, 通过电流密度和频率调整推力大小[3]。
搅拌器本体的线圈通入三相交流电后产生一个线性。
当液态金属置于移动磁场内时，液态金属的每一截面都被移动磁场的磁力线切割，因而液态金属就像任何导体切割磁力线一样，将产生感应电动势。
正是由于液态金属在切线方向上受到一个体积电磁力，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，再由于液态金属内部的粘性、使液态金属进行旋转运动，从而有效地减轻过热度对凝固组织的影响，打碎柱状晶，形成更多的等轴晶。
这就是液态金属在线性磁场的作用下，产生电磁力和旋转运动的基本原理。
[4]在两对搅拌器相距稍远时, 采用三环模式有利于形成稳定流场, 而且因为力量叠加的作用, 能够在中环形成更强的流场; 而采用双蝶模式时不能构成强有力的中部环流, 4 个环流强度相对平均, 中心部位流场较弱, 很容易生成二次柱状晶。
此时三环模式优于双蝶模式。
在两对搅拌器相距较近时, 因为中部空间受挤压, 搅拌器影响区重合, 采用三环模式不利于形成中部环流, 在距离太近时, 根本不能产生中部环流, 外端环流也因受另一对搅拌器影响而强度减弱; 采用双蝶模式则两对搅拌器推力重合, 能够形成强有力的单蝶流场。
此时双蝶模式优于三环模式[5]。
2.2 结晶器电磁搅拌的作用合适的搅拌能够降低结晶器内钢液的过热度，改善凝固条件，促使夹杂物和气泡的聚集上浮，折断正在成长的柱状晶末端枝晶，这些都有利于提高连铸坯的内外质量[6]。
3 电磁搅拌器的分类根据搅拌器安装位置不同，可分为三种类型:(1)结晶器电磁搅拌器(M－EMS):安装在连铸机的结晶器区，搅拌器跨于结晶器和足辊的也可以归入此类。
(2)二冷区电磁搅拌器(S－EMS):安装在连铸机的二冷段，包括足辊下搅拌器(IEMS) 。
(3)凝固末端电磁搅拌器(F－EMS):安装在靠近连铸机凝固末端处[7]。
实践证明，在连铸机上选择合理的位置安装电磁搅拌装置，可以有效地改善铸坯的内部组织结构，提高铸坯表面质量。
4 电磁搅拌装置4.1电磁搅拌器的结构电磁搅拌器要具有以下性质在不影响连铸机功能情况下快速装卸, 能产生必要的推力, 能耐受铸坯的高温及多粉尘、水雾的恶劣环境, 电流与控制装置能与铸机联动,搅拌方式及运转状态能方便地进行设定与监视。
电磁搅拌器由线圈、铁芯、外壳、接插件等构成。
壳体主要是为了防止外界的高温及水雾的侵入, 但又要能让线圈产生的磁场透过,故采用奥氏体不锈钢制成。
在夹层中通入软化水来进行冷却, 考虑到热胀冷缩会引起搅拌器内气体产生呼吸, 所以在壳体内应充以干燥的氮气, 使内部呈正压, 阻止外部水汽进入。
线圈用铜管绕制, 管内通入不导电的离子纯水冷却[8]。
4.２安装位置搅拌器安装位置的确定是搅拌技术的关键, 即搅拌位置和搅拌时机的选择是二冷电磁搅拌获得良好冶金效果的一个先决条件,否则无法得到期望值。
一台二冷电磁搅拌器用于多种钢种,在不同的连铸工艺条件下,液芯的凝固位置亦不尽相同。
然而,通常搅拌器安装于一个固定位置,即搅拌器不可能随断面和钢种的改变而相应地改变安装位置,一般情况下,要根据主要断面和钢种的情况,寻找一个最佳的安装位置。
按照EMS传统的柱状晶切断机械模型理论,认为二冷区EMS的最佳安装位置在未凝固率40%左右的位(视具体钢种和断面尺寸而定)。
这样可以避免安装位置过高、搅拌作用过早终止而再次生成柱状晶;同时也可避免安装位置过低、搅拌作用无法切断已形成搭桥的柱状晶的状况[9]。
( 1) 箱式扇形段搅拌最初由ABB 提出, 置于辊后。
这是一个不错的解决方案, 因为连铸机顶部区域的辊子辊径小,搅拌器与板坯的距离短,通常小于250 mm。
超过这一距离需要非常高的电能,这意味着高昂的运行费用。
( 2) 新日铁式安装于辊间。
这需要对扇形段进行特殊设计,采用小的辅助辊,每侧铸流2 个搅拌器以使板坯内部的搅拌力最大。
该技术可改善弧型连铸机特有的聚集在板坯内弧侧的缺陷,减少产品的不合格率[10]。
( 3) 辊内内置式由法国冶金研究院和法国电器开发,搅拌器安装在辊内。
由于接近铸坯, 效率高。
( 4) 如果辊内内置式搅拌器并排成对使用,其功效等同于箱式电磁搅拌装置,适用于辊径较大的连铸机。
如果在铸流每侧成对使用,其效果等同于新日铁式电磁搅拌。
( 5) 扇形段电磁搅拌通过增加铸坯内的等轴晶结构、减少了中心疏松和中心偏板, 从而改进了铸坯的内部质量。
4.3 EMS装置电气控制系统在线控制系统主要是以PLC 为核心进行中央数据处理、输出启动、停止及其EMS运行参数等各种EMS 控制装置的运行指令, 并且以高速巡回检测EMS 控制系统内的各种故障, 经PLC 内的故障处理程序处理后, 再通过故障报警显示盘( SP) 和操作室内设置的CRT 画面进行各种故障显示, CRT除了进行各种故障显示外, 还实时地显示EMS 装置的运行状况及其实际运行的控制用数据。
另外EMS 装置自动或半自动运行方式时的各种控制数据设定也是通过CRT键盘输入到PLC 可编程序控制器的内存后参与控制的。
浇铸PLC 从工艺设备流程上来看是作为EMS 装置的上流设备的电气控制4.4 技术参数工作电压:400 V(两辊串联)工作电流:550 A(两辊串联)工作频率:2 ～8 Hz视在功率:190 kVA(单辊)功率: 67 kW (单辊)磁场形态: 波磁场绝缘等级: F级或以上中心推力: ≥85 mm Fe质量: 约780 kg4．5 使用条件对EMS线圈所用导线的防水性能及EMS 绝缘处理要求十分苛刻，运行中必须保证冷却水的水质、流量、出水温度满足技术要求。
(1)冷却水要求正常水流量: ≥15 m3 /h进水温度: ≤40 ℃进水水压: 0． 3 ～0．45 MPa出水温度: ≤50 ℃(2)水质要求pH: 6． 5 ～8． 5导电率: ≤500 μs /cm悬浮物固体含量: ≤20 ppm固体颗粒最大尺寸: ≤20 μm铁磁颗粒含量: ≤0．5 ppm铁磁颗粒最大尺寸: ≤5 μm冷却水的硬度: ≤10 ppm供给EMS 的水温最高40 ℃，不允许结冰。
EMS 的所有水管都用不锈钢管。
暴露在水中时，EMS 所有水管产生的铁(钢)锈必须限制在0～125μm/年锈蚀率内。
5 结论电磁搅拌技术在板坯连铸上应用的冶金效果是显而易见的, 随着国内外钢铁行业竞争的加剧, 生产高质量的高端产品必然是一种趋势。
电磁搅拌技术在板坯连铸工艺上的研究与推广应用, 对其它连铸机以及国内其他钢铁厂的电磁搅拌技术将起到促进作用。
6参考文献[1]刘海强,王三忠,等.2000年前后电磁搅拌在板坯连铸机结晶器上的发展[J],河北冶金,2004(01): 29-32[2]刘杰,李晓明,板坯连铸机电磁搅拌控制系统的应用[J],鞍钢技术,2012(05):48-51[3] S. Kunstreich ，Electromagnetic Stirring of Slabs [J]，Iron and Steel,2005(09):81-83[4]刘春,金百刚，板坯电磁搅拌参数的优化研究[J],冶金丛刊，2012(01):11-14[5]陈国威, 李具中, 等.板坯连铸机辊式电磁搅拌的应用实践[J],武钢技术，2008(03):33-37[6]陈建国，江国利，等.结晶器电磁搅拌在小方坯连铸上的应用[J]，北京科技大学学报，2007（01）:142-145[7]赵少飞,杨海西,电磁搅拌技术在板坯连铸中的应用[J],宝钢技术，1994(03):37-39[8]郭汉声，板坯连铸机用电磁搅拌装置[J]，宝钢技术，1989(03):43-47[9]高岩军,宋松,等.板坯连铸电磁搅拌器的研究与探讨[J]，有色设备，2007(01):30-32[10]贺秀芳，板坯连铸机结晶器内电磁搅拌技术[J]，钢铁研究学报，1992(04):42。