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连铸电磁搅拌(EMS)技术十问全面解答

发布时间: 2018-04-17来源: 金属电工钢


连铸电磁搅拌(EMS)技术十问全面解答


1.什么叫电磁搅拌(简称EMS)?


  大家知道,一个载流的导体处于磁场中,就受到电磁力的作用而发生运动。同样。载流钢水处于磁场中就会产生一个电磁力推动钢水运动,这就是电磁搅拌的原理。

  电磁搅拌是改善金属凝固组织,提高产品质量的有效手段。应用于连续铸钢,已显示改善铸坯质量的良好效果。

  早在1922年就提出了电磁搅拌的专利。论述了流动对金属结构、致密性、偏析和夹杂物等方面的影响。1952年开始在钢厂连铸机二次冷却区装置电磁搅拌的试验。随着连铸技术的发展,为改善连铸坯质量,人们对电磁搅拌结构、类型、搅拌方式和冶金效果进行广泛深入研究,使电磁搅拌技术日益成熟,得到了广泛的应用。

2.电磁搅拌器有哪几种类型?


  电磁搅拌器型式和结构是多种多样的。根据铸机类型、铸坯断面和搅拌器安装位置的不同,目前处于实用阶段的有以下几种类型。

  (1)按使用电源来分,有直流传导式和交流感应式。

  (2)按激发的磁场形态来分,有:恒定磁场型,即磁场在空间恒定,不随时间变化;旋转磁场型,即磁场在空间绕轴以一定速度作旋转运动;行波磁场型,即磁场在空间以一定速度向一个方向作直线运动;螺旋磁场型,即磁场在空间以一定速度绕轴作螺旋运动。

  目前,正在开发多功能组合式电磁搅拌器.即一台搅拌器具有旋转、行波或螺旋磁场等多种功能。

  (3)按使用电源相数来分,有两相电磁搅拌器,三相电磁搅拌器。

  (4)按搅拌器在连铸机安装位置来分,有结晶器电磁搅拌器、二次冷却区电磁搅拌器、凝固末端电磁搅拌器。

3.电磁搅拌技术有何特点?

  与其他搅拌钢水方法(如振动、吹气)相比,电磁搅拌技术有以下特点:

  (1)通过电磁感应实现能量无接触转换,不和钢水接触就可将电磁能转换成钢水的动能。也有部分转变为热能。

  (2)电磁搅拌器的磁场可以人为控制,因而电磁力也可人为控制,也就是钢水流动方向和形态也可以控制。钢水可以是旋转运动、直线运动或螺旋运动。可根据连铸钢钢种质量的要求,调节参数获得不同的搅拌效果。

  (3)电磁搅拌是改善连铸坯质量、扩大连铸品种的一种有效手段。

4.什么叫结晶器电磁搅拌(简称M--EMS),有何作用?


  结晶器电磁搅拌器特点:钢水在结晶器内,搅拌器置于结晶器外围。搅拌器内的铁芯所激发的磁场通过结晶器的钢质水套和铜板渗入钢水中,借助电磁感应产生的电磁力,促使钢水产生旋转运动或上下垂直运动。

  结晶器铜板的高导电性,使用工频(50Hz)电源,由于集肤效应,磁场在铜层厚度由外向里穿透能力只有几毫米,小于铜壁的厚度,也就是磁场被结晶器铜壁屏蔽不能渗入钢水内,无法搅拌钢水。为此采用低电源频率(2~10Hz),使磁场穿过铜壁搅拌钢水。

  结晶器电磁搅拌作用:1)钢水运动可清洗凝固壳表层区的气泡和夹杂物,改善了铸坯表面质量。2)钢水运动有利于过热度的降低,这样可适当提高钢水过热度,有利于去除夹杂物,提高铸坯清洁度。3)钢水运动可把树枝晶打碎,增加等轴晶核心,改善铸坯内部结构。4)结晶器钢-渣界面经常更新,有利于保护渣吸收上浮的夹杂物。

  某厂板坯连铸机结晶器采用线性电磁搅拌器,电流为400A,电源频率为1~5Hz,使用后,板坯皮下(约1/8铸坯厚度范围内)夹杂物、气孔的数量大大减少。大方坯连铸机结晶器采用电磁搅拌后,对改善铸坯表面质量效果显著。

5.什么叫二次冷却区电磁搅拌(简称S-EMS),有何作用?


  在板坯连铸二次冷却区,由于沿扇形段有支承辊的排列,给安装搅拌器带来一定困难。经过十几年的发展,目前生产上应用的主要有两种型式:

  (1)平面搅拌器。在内外弧各装一台与支承辊平行的搅拌器,或在内弧侧支承辊后面安装搅拌器,或者把感应器的铁芯插入到内弧两辊之间的搅拌器。

  (2)辊式搅拌器。外形与支承辊类似,辊子里面装有感应器,既支承铸坯又起搅拌器作用。

  搅拌器安装在二次冷却区的位置大约是相当于凝固壳厚度为铸坯厚度1/4~1/3液芯长度区域。

  二次冷却区搅拌作用:打碎液芯穴内树枝晶搭桥,消除铸坯中心疏松和缩孔;碎枝晶片作为等轴晶核心,扩大铸坯中心等轴晶区,消除了中心偏析;可以促使铸坯液相穴内夹杂物上浮,减轻内弧夹杂物集聚。

  某厂板坯连铸机,在二次冷却区支承辊内安装了电磁搅拌器。在每流上设置3对6根电磁搅拌辊,它们距结晶器钢水面距离分别为11.78m、13.56m、15.35m。搅拌辊电流为400A,电源频率为2~10Hz。使用电磁搅拌后,板坯凝固组织等轴晶为15~30%,中心偏析、内部裂纹和夹杂物分布都得到明显改善。

6.什么叫凝固末端电磁搅拌(简称F—EMS),有何作用?


  铸坯液相穴末端部区域已是凝固末期;钢水过热度消失,已处于糊状区;由于偏析作用,糊状区液体富集溶质浓度较高,易形成较严重的中心偏析。为此,在液相穴长度的3/4处安装搅拌器,叫F—EMS。一般采用频率为2~l0Hz的低频电源。

  搅拌器作用:通过搅拌作用,使液相穴末端区域的富集溶质的液体分散在周围区域,降低铸坯中心偏析,减少中心疏松和缩孔。

7.什么叫结晶器电磁制动(EMB),有何作用?


  从浸入式水口侧孔流出来钢流,其速度较大,流到结晶器窄面,与窄面凝固壳相碰后分成两股流动,一股向结晶器表面流动,一股沿凝固壳前沿向下流动,把夹杂物带入液相穴深部而上浮困难;流股冲刷凝固壳增加了角裂和漏钢的危险性;宽面中部弯月面钢水不活跃易于冻结。

  为了解决这些问题,开发了结晶器电磁制动技术(也叫EMB)。在板坯结晶器两个宽面处外加两个恒定磁场,从水口侧孔吐出的注流,以相当大的速度垂直切割磁场,从而在钢水中产生了一个电磁力,其方向与注流方向相反,使注流减弱产生了制动效应。在电磁制动作用区,注流被分裂成小的流股被分散开,在结晶器引起了搅拌运动,活跃了结晶器钢-渣界面。

  电磁制动的效果:减少内部和表面夹杂物,提高了铸坯清洁度;减少了铸坯皮下气孔;减轻了流股对凝固壳冲刷,减少了角裂和漏钢几率;可适当提高拉速。

8.什么叫“白亮带”,如何消除?


  经过电磁搅拌的方坯,取一块横断面试样,做低倍检查,可在硫印图上的铸坯外表面与铸坯中心之间的某一位置观察到呈白亮色的方圈,其宽度为2~10mm,习称白亮带。白亮带中C、S、P元素含量比周围金属中的要少,故又叫负偏析白亮带。

  白亮带形成原因是电磁搅拌产生的流股沿凝固前沿流动,把两相区树枝晶间富集溶质的母液冲刷出去而造成的。采用正反向交替运行,或各相电流采用不同频率运行方式的电磁搅拌器,使磁场按设定的时间,周期交替变换运动方向,钢水也周期地改变流动方向.这样可减轻或消除白亮带。

  这种负偏析的白亮带是否会给钢材性能带来危害,目前还无一致看法。但负偏析严重时,会对钢的淬透性、表面硬度、机械性能等带来一定影响。选择电磁搅拌方式时应该引起注意。

9.选择电磁搅拌应考虑哪些因素?


  目前,连铸生产上使用电磁搅拌技术来改善铸坯质量,这一点已为人们所接受。但哪一些钢种用、怎么用还有赖于正确选择电磁搅拌器。

  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一定效果。但在实际应用中有一个最佳选择和最佳冶金效果问题,以下参数可作为选择搅拌器的基本要素:   

  钢种: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。

  产品质量:应根据产品质量确定电磁搅拌要解决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。

  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。

  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。

  搅拌器参数:应根据钢种和工艺参数(如钢水过热度、拉速)来确定搅拌器型式、功率、电源频率、运行方式等。

10.什么叫组合式电磁搅拌?


  在连铸机的单一部位(如结晶器、二次冷却区)搅拌时,改善铸坯中心偏析的效果都是有限的。尤其对高碳钢来说,仅采用某一搅拌方法不能解决铸坯中严重的中心偏析问题。

  为解决上述问题,提出采用组合式电磁搅拌技术。如采用结晶器电磁搅拌和凝固末期电磁搅拌两者组合搅拌时,铸坯中心等轴晶区扩大,偏析元素被分散到等轴晶之间,中心偏析明显改善。即使中间包钢水过热度较高时,也能达到改善铸坯中心偏析的目的。

  如在300×400mm大方坯连铸机上,在结晶器和凝固末端安装了电磁搅拌器,浇注弹簧钢,中间包钢水过热度为50℃,连铸坯中心等轴晶区达40%,消除了铸坯中心疏松和偏析。在大方坯连铸机二次冷却区采用多级式电磁搅拌,即上部和中部分别安装电磁搅拌器,增加了铸坯中心等轴晶区和中心致密度。在125×125mm小方坯连铸机上采用组合式电磁搅拌,即在结晶器、二次冷却区和凝固末端分别安装旋转磁  场型电磁搅拌器。钢种为碳钢(C=0.12~0.51%),拉速为2.5m/min,中间包钢水过热度30~40℃。采用这种组合式电磁搅拌后,铸坯内外弧区等轴晶扩大。而不搅拌时,则内外弧侧均无等轴晶出现。


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