連鑄生產中的電磁攪拌技術

隨著連鑄技術的應用和發展，連鑄坯的質量越來越受到重視。近年來，超純凈鋼的開發和應用對鑄坯的質量、凝固組織和成分均勻化提出了更高的要求。電磁攪拌技術對提高鑄坯的等軸晶率、細化凝固組織、降低夾雜物含量并促進成分均勻化、改善鑄坯內部、表面和次表面質量具有重要作用。

1.電磁攪拌的工作原理

電磁攪拌的工作原理十分簡單，如同由兩相或三相電流驅動的、能產生交變磁場的線性感應馬達。電流發生相變時，磁場從一極到達另一極，并同時產生電磁推力，將液態鋼水向磁場運動的方向推動。這樣，可以通過電流相位變化來選擇方向，也可以通過電流密度和頻率來調整推力大小。

2.電磁攪拌裝置

2.1電磁攪拌裝置的分類

電磁攪拌裝置可分為水平旋轉攪拌器和線性攪拌器兩大類。而線性攪拌器又可細分為垂直、水平線性攪拌器。水平旋轉攪拌器圍繞鑄流設置，其運轉象一個異步旋轉電機的定子，驅動鋼液水平旋轉，多用于園坯、方坯和小矩形坯。垂直線性攪拌器靠近鑄流側，其運轉象一個線性異步電機的定子，鋼水沿垂直方向旋轉運動，適合于大斷面的矩形坯；水平線性攪拌器安裝在鑄坯側，其運轉象一個平直定子，在板坯內弧側熔池內產生水平方向的磁場，推動鋼水運動。

2.2電磁攪拌裝置的布置

電磁攪拌裝置的布置位置有四種∶中間包加熱用電磁攪拌(H—EMS)、結晶器電磁攪拌(M—EMS)、冷卻段電磁攪拌(S—EMS)和凝固段電磁攪拌(F—EMS)。

H—EMS∶使連鑄過程中鋼水的過熱度保持在30～40攝氏度，其突出特點是利用非金屬夾雜物與金屬液之間導電性的差異，實現兩者的分離。1996年日本川崎制鐵水島廠在澆鑄不銹鋼時采用了此技術，生產的鑄坯總氧含量低于0.001%，比采用傳統中間包生產的鑄坯減小2倍，夾雜物減少一半，不銹鋼熱軋和冷軋板卷缺陷減少了60%；

M—EMS∶一般安裝在結晶器下部，用于減少表面缺陷、皮下夾雜物、針孔和氣孔，改善凝固組織，降低表面粗糙度，增加熱送率，擴大鋼種。適合于冷軋鋼、彈簧鋼、半鎮靜鋼等鋼種的澆鑄；

S—EMS∶可促進鑄坯晶粒細化，一般與M—EMS組合使用。能夠增加等軸晶率、減少中心縮孔和疏松，減少中心偏析及內裂，放寬過熱度，提高拉速，降低壓縮比，適于生產厚板、普板、不銹鋼、工具鋼等鋼種；

F—EMS∶一般在澆鑄對碳偏析有嚴格要求的高碳鋼時使用，安裝在凝固末端附近，可減少中心縮孔和中心偏析，提高拉速，降低壓縮比。

板坯連鑄機的電磁攪拌裝置，可安裝在結晶器內或安裝在扇形段。安裝在扇形段時，可采用單環蝶形攪拌方式，也可以采用雙環蝶形攪拌方式。雙環攪拌更有利于將頂部高溫液態鋼水與底部溫液態鋼水進行較長距離的交換。安裝于扇形段的電磁攪拌其共同特點是，采用水平運動方向的磁場，所不同的是攪拌裝置的安裝位置，安裝位置可在輥后、輥間或輥內。

箱式扇形段電磁攪拌是由瑞典ABB(ASEA)提出，是置于輥后。由于連鑄機頂部區域的輥子輥徑小，攪拌器與板坯的距離短，通常小于250毫米。超過這一距離，就需要非常高的電能，這意味著高昂的運行費用；

新日鐵式(NipponSteelType)電磁攪拌是安裝于輥間，這需要對扇形段進行特殊設計，采用小的輔助輥，每側鑄流2個攪拌器，以使鑄坯內部的攪拌力最大；

輥內內置式(In—RollType)，由法國冶金研究院(IRSID)開發，攪拌器安裝在輥內。由于接近鑄坯，因而效率高；

如果輥內內置式攪拌器并排成對使用，其功效等同于箱式電磁攪拌裝置，這適用于輥徑較大的連鑄機。如果在鑄流每側成對使用，其效果等同于新日鐵式(NipponSteelType)電磁攪拌；

扇形段電磁攪拌通過增加鑄坯內部的等軸晶結構，減少了中心疏松和中心偏析，從而改進了鑄坯內部質量。

連鑄機上使用一種攪拌方式比較普遍，但當澆鑄中、高碳鋼以及合金鋼時，有可能遇到鑄速快、過熱度高、鑄坯尺寸小等比較困難或特殊要求情況，單一的攪拌工藝往往不能使鑄坯形成足夠的等軸晶，中心疏松和中心偏析嚴重。解決的方法是將幾種攪拌方式組合使用。

3.電磁攪拌技術的發展

電磁攪拌器是由瑞典ASEA公司首先發明用于電弧爐煉鋼，后來才被用于連鑄。20世紀60年代奧地利開始使用電磁攪拌澆鑄合金鋼。

70年代，法國冶金研究院(IRSID)首次在方坯連鑄機上進行了線性電磁攪拌技術的工業性試驗，使硅鋁鎮靜鋼的皮下質量得到了改善。隨后，園坯連鑄的旋轉攪拌技術的研究取得了突破性進展。1973年世界首臺板坯連鑄機二冷段電磁攪拌器在新日鐵君津廠投入使用。同年，法國冶金研究院(IRSID)在西德Eillingen廠的板坯連鑄機上也使用了電磁攪拌技術。1977年ASEA提出輥后箱式攪拌的設想，安裝在鑄流奧氏鋼支持輥后面，沿拉坯方向攪拌鑄流。適用于輥子輥徑小，攪拌器與板坯的距離小于250毫米的連鑄機。后來，日本神戶鋼鐵公司在弧形板坯連鑄機上安裝了直線型電磁攪拌器，新日鐵用結晶器電磁攪拌裝置(M—EMS)控制鋼液流動，大幅度提高了表面質量及合格率；鑄坯初期凝殼厚度均勻，因縱裂而引發的拉漏事故明顯減少。

M—EMS的原理是∶在結晶器內板坯后方設置直線運動式傳感器(Linearinducto)，產生能罩住整個鑄坯寬度的平行、穩定移動磁場，以驅動結晶器內彎月面附近的鋼水沿著水平方向旋轉流動。現在，新日鐵的板坯連鑄機上幾乎全部采用了這類M—EMS新裝置。

旋轉式結晶器電磁攪拌技術由新日鐵(NipponSteel)于1981年開發，廣泛用于新日鐵(NSC)連鑄機上和神戶鋼(Kobe)Kokogawa的3號連鑄機上。鋼液的轉動靠安裝在結晶器寬邊銅板頂部的2個水平的攪拌器產生的攪拌實現，目的在于降低鋼液溫度梯度，有利于鑄坯凝固殼體的均勻生成，并可減少針孔、氣孔和夾雜類的皮下缺陷。

目前針對結晶器上采用旋轉電磁攪拌有不同的觀點∶新日鐵認為只有將攪拌器安裝在高位，彎月面處才能獲得改善質量的效果。Danieli提出將電磁攪拌器放在結晶器的中間高度的觀點。這使結晶器結構和設計相比，新日鐵較為簡單。

20世紀80年代，日本川崎和瑞典ASEA開發了結晶器電磁制動裝置。90年代，間歇攪拌器和多頻攪拌器相繼開發，這標志電磁攪拌技術的發展和成熟。隨著技術的進步，開發了組合式電磁攪拌器裝置，與單一的攪拌工藝相比，在改善鑄坯質量、減少中心偏析的效果更好。

1991年日本鋼管(NKK)引進了鋼水能加速或減速離開浸入式水口(SEN)的EMLS/EMLA(電磁液面減速/電磁液面加速)工藝，還能使結晶器彎月面處或彎月面下鋼水旋轉的EMRS。電磁減速？電磁加速是一種專為拉速超過1.8米/分的連鑄機設計攪拌系統，此系統由日本鋼管(NKK)公布的。這種多模式的電磁攪拌(MM—EMS)采用4個線性攪拌器，位于浸入式水口(SEN)的兩邊，兩兩并排安裝在結晶器寬面支撐板的后面。它們對通過SEN的鋼液進行減速或增速(EMLS/EMLA)。目的在于對彎月面處鋼水流動進行優化控制。日本鋼管(NKK)的數據顯示，對彎月面處鋼水流動經過優化控制后產生出來的鑄坯，冷軋成卷后其表面缺陷降到了最低程度。

在高澆鑄速度下，啟動電磁減速(EMLS)系統，將鋼液流動減速，這樣與保護渣有關的夾雜物會消失。

傳統的EMS(EMRS)只有開/關功能，不能根據實際的澆鑄條件調整，EMLS/EMLA代表了第二代技術，成熟的流場控制，無需手動操作，由計算機模型根據鑄坯尺寸、拉速、SEN幾何形狀/插入深度和氬氣流量，實時調整加速、減速以及工作強度。多模式操作的EMS屬第三代技術，在同一個連鑄機上，它將三種電磁攪拌(即減速、加速和旋轉)結合起來。三種操作模式如下：

(1)針對高拉速下，優化的雙環鋼液流動方式(日本鋼管NKK)電磁減速/電磁加速模式(EMLS/EMLA)；

(2)針對某種鋼種(0.13%C，0.008%Al)的電磁旋轉(EMRS)模式，減少皮下針孔；

(3)將不穩定單環形鋼液流動方式優化并轉變為穩定雙環鋼液流動方式的持續加速電磁加速(EMLA)模式。

有人把這一新理念看作為第三代電磁攪拌系統，這種系統已于2002年1月應用于POSCO韓國浦項廠3號板坯連鑄機上，2003年7月在浦項Kwangyang廠1～3號連鑄機上開始運行。高速澆鑄時，EMLS可使彎月面處鋼水流速降低50%以上；低速澆鑄時，EMLA可使彎月面處鋼水流速提高25%以上。EMRS使彎月面處鋼水產生旋轉運動，流速達0.35米/秒，可消除彎月面7～9毫米以內的波動，鑄坯皮下缺陷減少40%，頭坯表面夾渣、針孔減少40%～75%，汽車面板合格率提高到77%。

日本神戶鋼鐵公司研究了一種新型的電磁攪拌技術，即對中間包到結晶器之間的鑄流采用攪拌技術，解決了浸入式水口(SEN)堵塞的問題；新日鐵又開發了一種鑄流電磁攪拌，安裝在足輥以下、二冷段以上的狹縫里，通過改進等軸晶區比率來減少中心偏析，防止內裂的產生。

4．電磁攪拌技術在中國的發展

我國于20世紀70年代末才開始研究電磁攪拌技術，大致經歷三個階段：

(1).70年代末到80年代中期，我國才開始模索和探討電磁攪拌技術，80年代中期引進了一批特鋼連鑄機，都配有進口電磁攪拌裝置，對我國技術發展起到一定積極作用，但還未有制造能力；

(2).80年代后期，經過十多年的努力，終于取得突破性進展。1996年5月，舞鋼首次在大型厚板坯上成功使用了國內自行設計的S？EMS成套裝置，這標志著我國結束依靠進口的歷史；

(3).1997年寶鋼成功研制了大板坯連鑄機上使用的S？EMS，價格是引進的1/3，已經具備了研制高性能電磁攪拌裝置的能力。

我國目前應用于連鑄設備的電磁攪拌裝置有100多套，多為電爐連鑄，絕大部分是引進的。而且引進后，也需要不斷試驗才能進入正常生產，例如武鋼二煉鋼2號連鑄機等。2004年，我國寶鋼也引進了結晶器電磁攪拌技術(MEMS)，開創了我國板坯連鑄MEMS的先例。近幾年來，僅有重慶特鋼、寶鋼、舞鋼等少數鋼廠使用過國產電磁攪拌裝置。由于國內MEMS的應用研究還不充分，不少廠家的運用效果不夠理想。主要存在以下幾個問題：

工藝試驗不足，未對工藝參數充分優化；

國內引進的MEMS多為早期產品，功率不足，使用效果不理想；

存在水質處理問題。由于MEMS功率大，電磁線圈采用水冷，對水質要求很高，而國內廠家水處理達不到標準，造成線圈及接線處絕緣損壞；

鋼種不合適。MEMS對高碳鋼、不銹鋼、厚板等特殊鋼種和某些低合金鋼經強電磁攪拌后，易產生白亮帶和負偏析。白亮帶是C、P、S、Mn等元素的負偏析，對鋼材質量的影響，目前，尚有不同觀點；

在有些連鑄機上，象安陽二煉鋼的連鑄機，由于采用內置式結晶器電磁攪拌，它使磁能轉變為熱能，這樣，鑄坯在結晶器內形成的坯殼相對較簿。若拉速高于1.3米/分，容易產生菱變，不利于提高產量。