·36·世 界 钢 铁2010年第2期
电磁搅拌技术的发展
吴存有,周月明,侯晓光
(宝山钢铁股份有限公司,上海201900)
摘要:主要介绍了电磁搅拌技术的发展历史、在国内的应用现状,探讨了该技术未来的发展方向,特别以辊式搅拌器为例着重介绍了电磁搅拌技术在宝钢的研究进展。根据电磁搅拌的技术特点,探讨了电磁搅拌技术应用过程中设备与工艺之间的相互关系,以及影响电磁搅拌最终使用效果的关键因素。
关键词:电磁搅拌;辊式搅拌器;连铸
ApplicationanddevelopmentofEMStechnology
WUCunyou,ZHOUYueming,HOUXiaoGuang(BaoshanIron＆SteelCo.,Ltd.,Shanghai201900,China)
Abstract:ThedevelopmentofelectromagneticstirringtechnologyanditsapplicationinChinaareintroduced,andthefuturedevelopmentdirectionofthetechnologyisdiscussed.TheEMSrollersinBaosteelaswellassimilarEMStechnologiesandtheirapplicationarestudied.Accordingtothe
characteristicsofEMStechnology,therelationshipbetweenEMSequipmentandprocess,aswellasthekeyfactorsthatinfluencethefinaleffectsofEMStechnologyarediscussed.Keywords:electromagneticstirring;EMSroller;continuouscasting0 前言
高质量、高附加值钢铁产品的生产离不开特殊冶金装备的使用,连铸电磁搅拌装置就是其中之一。电磁搅拌技术的研究历史可以追溯到20世纪20或30年代,经过多年的发展,电磁搅拌技术日趋成熟,但时至今日国外大型钢铁公司对这一技术仍然在开展持续研究,例如日本JFE就有将近15人左右的研发团队专门从事电磁搅拌等电磁冶金学科相关的研究工作。同时,电磁搅拌技术也还是国际及国内EPM(ElectromagneticPro-cessingofMaterials)学术研究的重要内容之一
[1-3]
内钢厂还没有使用的先例。其次,在使用参数的优化方面,即电磁搅拌工艺方面的研究还略显不足
[4-8]
。随着钢铁行业竞争日益激烈,国外钢厂
开始加紧了对我国实行技术封锁。因此,针对电磁搅拌相关的设备、工艺等相关技术开展深入的系统研究已变得日益迫切。本文着重介绍了电磁搅拌技术的发展历史、在国内以及宝钢的应用现状和研究成果,并探讨了该技术的特点、关键问题和未来的发展方向。1 电磁搅拌的发展
1.1 电磁搅拌的特点与发展历史
[9-14]
。近年来,通过企业与高校及科研机构的
合作研究,国内在这一技术领域也取得了长足发展,特别是装备制造能力方面逐渐缩短了与国际先进水平的差距。目前已经具备了如方圆坯结晶器、凝固末端电磁搅拌器及板坯二冷区电磁搅拌辊的设计制造能力。但是,如板坯结晶器电磁搅拌器/电磁制动、板坯电磁加速/减速器等较为大型和复杂的设备,相关技术实力相对还比较薄弱,,电磁搅拌的本质是根据工艺要求改变铸坯凝固过程中钢液的流场,从而最终改善产品的质量。电磁搅拌的重要优点在于非接触和无污染,前一优点也造就了电磁搅拌设备在使用过程中比起一般的冶金设备更具有复杂性和专业性。实际生产过程中,电磁搅拌的冶金效果受多种因素的影响,包括钢水过热度、拉速、搅拌位置、搅拌强度和钢种等等
世 界 钢 铁
电磁搅拌根据使用位置的不同,作用效果不尽相同。简而言之,结晶器电磁搅拌的目的在于去除皮下夹杂和气孔,均匀凝固坯壳,搅拌强度以不引起卷渣等负面效果为限度;结晶器电磁制动则是为了实现高拉速而设计的,目的在于减小钢液的冲击深度和减轻对板坯窄面的冲击程度,利于夹杂物的上浮。二冷区电磁搅拌的目的在于提高等轴晶率和改善偏析,电磁力越大越有利于提高等轴晶率。末端电磁搅拌主要为了消除缩孔缩松和内裂,改善偏析。
影响电磁搅拌众多因素中,过热度与电磁力大小是其中最为关键的两个因素,两者共同影响最终的冶金效果。过热度过低会带来水口堵塞、夹杂物难以上浮等问题,同时还会影响生产物流;过热度过高又会影响等轴晶质量等问题。所以,电磁搅拌往往需要在一定的过热度范围内才能达到最佳的使用效果。电磁搅拌并不是万能的,必须有相应的稳定工艺作保证,在工艺难以解决的质量问题上,通过使用电磁搅拌可以起到强有力的支撑与辅助作用。
·37·
电磁搅拌涉及到的电磁场、流场及热场是工艺及设备研究过程中都必须关注的。另一方面,由于由感应电流产生的磁场相对于外部施加电磁场而言,影响往往可以忽略,因此可以认为电磁搅拌相关的技术问题具有单向性,即电磁场影响流场,流场影响热场和凝固过程,这也是我们分析电磁搅拌相关技术问题的基本思路。因此,对电磁场的分析与计算往往也是解决电磁搅拌众多技术问题的根本与突破口。生产过程中对电磁搅拌设备的电磁特性的检测与分析是提高电磁搅拌使用效果和效率的前提。
电磁搅拌技术的发展与用户对产品质量的要求是密切相关的,从20世纪60年代开始,电磁搅拌技术逐渐成为连铸生产过程中提高铸坯质量的重要手段之一,电磁搅拌器也是国际上先进钢铁企业生产高附加值产品必不可少的特殊冶金装备。表1记录了国际上电磁搅拌相关技术的一些重要发展。从电磁搅拌技术出现开始,通过大量半工业及工业试验,钢铁企业逐渐开始认识到了电磁搅拌技术的作用和优势。
表1 电磁搅拌技术在国外的发展历史
年份1922年1948年1952年1973年1976年1977年1979年1981年1982年1991年1994年1995年1996年2002年2003年2008年
美国McneillJD获得了EMS控制凝固过程的专利
国外发展史
瑞典ASEA公司Dreyfus博士制造出世界上第一台电磁搅拌器并用于电弧炉炼钢
德国的半工业连铸机实现二冷区电磁搅拌;奥地利进行了结晶器工频旋转电磁搅拌的工业试验
法国SAFE厂,首先在四流方坯连铸机采用电磁搅拌技术,开辟了连铸电磁搅拌技术的工业应用。世界首台板坯连铸机二冷段电磁搅拌器(DKS)在新日铁君津厂投入使用板坯连铸机结晶器电磁搅拌第一次用于德同的Forges＆AcieriesdeDillingen的立式板坯连铸机上(布置在板坯连铸机结晶
[1]器的每个宽面,目前已不再使用)
法国Rotelec公司为小、大方坯结晶器搅拌器注册商标。ABB提出辊后箱式搅拌的设想,安装在铸流奥氏体钢(无磁性)支撑辊后面
法国Rotelec公司采用新型搅拌辊,进行了板坯连铸的二冷区电磁搅拌NSC提出了旋转式结晶器电磁搅拌,减少针孔、气孔、夹杂类等皮下缺陷
日本川崎钢铁公司和瑞典ABB共同开发了结晶器电磁制动装置,并用于川崎公司的铸机上
日本NKK引进了钢水能加速或减速离开浸入式水口的EMLS/EMLA(电磁液面减速器/电磁液面加速器)工艺,以及能使钢水旋转的EMRS加拿大IspatSidbec公司首次采用双线圈电磁搅拌———位于弯月面和结晶器的下部,以提高高碳钢和合金钢的内部质量日本神户制钢开发在中间包到结晶器之间进行电磁搅拌技术,解决了长水口堵塞问题,并实现低过热度浇注NSC提出了LMF(LevelMagneticField)制动技术
多模式电磁搅拌技术(MM-EMS)应用于POSCO浦项厂3号板坯连铸机多模式电磁搅拌技术(MM-EMS)应用于POSCO光阳厂的1～3号连铸机ABB发明复合磁场末端电磁搅拌技术
20世纪60、70年代,日本及西欧等国工业迅速发展,造船、建筑、家电行业对钢铁产品提出了更高的表面质量及内部质量要求。面对这一问
题,1973年法国SAFE厂,首先在四流方坯连铸机采用电磁搅拌技术,开辟了连铸电磁搅拌技术的
工业应用。同年,世界首台板坯连铸机二冷段电磁搅拌器(DKS)在新日铁君津厂投入使用。1977年,为达到不改变连铸机辊列结构的目的,ABB
提出辊后箱式搅拌的设想,将电磁搅拌器安装于铸流无磁性支撑辊后面。1979年,法国Rotelec
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公司发明了辊式电磁搅拌器进行板坯连铸的二冷区电磁搅拌,实现了搅拌辊与连铸辊的互换,可以根据工艺要求灵活安装搅拌器位置。
20世纪80年代初期,为了生产高清洁度的钢,ABB与川崎制铁进行了电磁制动(EMBR)技术的开发工作,以便控制连铸过程中的化学成分和流体流动。这项技术最初有两个制动区域,分别控制水口出口流出的钢流。日本的钢铁企业对先进技术较为敏感,1982年电磁制动技术率先在川崎制铁得到了应用。90年代初,EMBR技术得到了进一步改进,它的磁场覆盖到了板坯的整个方向。与此同时,考虑到电磁制动对浇注条件变化过于敏感,比如异钢种连铸或不锈钢和碳钢的复合连铸时容易出现质量问题,1996年NSC通过提高磁场强度,提出了LMF(LevelMagneticField)制动技术。在第一代电磁制动技术的基础上,ABB与川崎制铁研究随后开发了流动控制(FC-MOLD)结晶器。该系统有两个制动磁场,一个在弯液面附近,另一个方向相反,位于结晶器底部,每个磁场均覆盖板坯整个宽度。目前,电磁制动已经成为薄板坯连铸或高拉速连铸中必不可少的冶金装备。
但是在实际连铸生产过程中,铸坯质量的恶化通常发生在非正常浇注期如开浇、终浇、更换中间包、异常事故处理等,此时的铸坯拉速往往相对较低。在低拉速生产过程中,电磁制动技术的作用效果将大大降低。
为了满足在不同拉速条件下的需要,1991年日本NKK公司开发了同时具有制动和加速功能的EMLS/EMLA钢流控制系统。在其线圈上通以大小可由计算机控制的低频电流以产生行波磁
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场,并与钢水相互作用从而产生制动力或加速力,以及可以使钢水产生旋转运动的EMRS。这一技术分别于2002年、2003年应用于POSCO的浦项
厂及光阳钢铁厂的连铸机上。由于旋转型末端电磁搅拌存在着钢液转速固定,不能有效促进钢液的混合等缺点,ABB在2008年发明了复合磁场末端电磁搅拌技术,即采用一个恒定磁场与一个交变磁场叠加形成一个复合磁场。该复合磁场在钢液中感应产生一个脉动的电磁力,从而最终在搅拌区域的钢液中形成一个强度较大的紊流。
[15-23]
1.2 电磁搅拌在国内钢厂中的应用
电磁搅拌技术在国内的发展相对滞后,直到20世纪70年代末有关部门才开始关注这一技术(表2)。通过在生产实践中不断摸索,越来越多的钢铁企业开始逐渐认识到了电磁搅拌技术的作用和优越性,电磁搅拌技术在改善连铸产品质量方面的效果也逐渐得到了国内各大钢铁企业的普遍认可。但是一个不可否认的事实是,即使到目前为止这些电磁搅拌设备绝大部分还都依赖于国外引进。
进口装置不但造价昂贵,设备技术参数上的保密对钢铁企业电磁搅拌工艺系统研究也是不利的。面对这一问题,国内钢铁企业与科研机构、设备制造商开始合作,不断尝试独立自主研发电磁搅拌设备。
1982年首钢与中科院共同研制出一套行波磁场搅拌器,并于1984年安装于大方坯半连铸机上进行实验。2000前后钢铁产业得到迅猛发展,国内电磁搅拌设备相关制造技术在这一背景下得到了迅速发展。与此同时用户对钢铁产品质量的要求也在不断提高,很多钢铁企业特别是民营企业逐渐开始使用国内生产的电磁搅拌装置。
表2 国内电磁搅拌技术的应用和发展
年份
20世纪70年代末
1979年1982年1985年
1986年1987年12月28日
1990年7月1996年5月1997年
2000年2月29日
2004年2004年2008年
国内应用和发展
我国开始对电磁搅拌技术进行摸索和探讨
上海重型机械厂使用具有电磁搅拌及全液压传动的30t和40t电炉
首钢与中科院共同研制出一套行波磁场搅拌器,并于1984年安装于大方坯半连铸机上进行实验
岳阳起重电磁铁厂研究出一套行波磁场搅拌器,并安装在首钢试验厂8号连铸机上进行了工业性试验武钢从西德和日本引进ORC-1600/800L型和DKSEMS型两台电磁搅拌装置,分别安装在二炼钢3号、1号铸机的二冷区
国家“七五”科技攻关项目-平板式电磁搅拌器,通过了中国有色金属工业总公司组织的专家鉴定
鞍钢第三炼钢厂从日本神户公司引进立弯式双流板坯连铸机,该铸机在其二冷区安装了辊内的电磁搅拌装置舞钢首次在大型厚板坯连铸机上成功地使用了国内自行设计研制的SEMS成套装置宝钢同岳磁公司、中科院力学所合作,成功研制出了宝钢大板坯连铸SEMS宝钢-东大材料电磁过程联合研究中心在东北大学成立
武钢二炼钢2号连铸机从法国罗德瑞克公司(ROTELEC)引进辊式电磁搅拌器装置宝钢引进了结晶器电磁搅拌技术(MEMS),开创了我国板坯连铸MEMS的先例宝钢自主研发的高效辊式搅拌器投运
世 界 钢 铁
根据不同类型的电磁搅拌设备,针对不同工艺参数和电磁参数下的电磁搅拌效果及影响规律,国内许多钢厂都开展了广泛的工艺研究,取得了一些具有普遍意义的工艺试验结果。这些结果一方面促进了我们对电磁搅拌作用机理的认识和使用效率的提升,另一方面也加速了国内电磁搅拌器设备制造水平的发展。与此同时,钢铁企业与高校间的合作也日益密切,2000年宝钢-东大材料电磁过程联合研究中心在东北大学成立,其一项重要研究内容便是开展电磁搅拌技术研究,特别是针对电磁搅拌作用机理开展了深入研究。
电磁搅拌装备及使用技术的进步与发展极大地促进了电磁搅拌技术的普及与推广,同时我们也应该看到,电磁搅拌技术应用于实际生产过程中时,在如何提高其作用效果和效率方面还需开展更为细致的系统研究。
1.3 电磁搅拌在宝钢的应用
总体而言,方圆坯结晶器电磁搅拌在国内的使用历史最长,技术上也相对较为成熟,宝钢从1996年开始在引进的方圆坯连铸机上就配置有Danieli公司的结晶器电磁搅拌装置,自投产以来使用效果一直非常不错。宝钢股份炼钢厂根据产品质量的要求在不同连铸机上分别配置了目前国际上主流
[24-37]
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的各种类型电磁搅拌装置,见表3。在宝钢集团新疆八一钢厂、特钢及不锈钢事业部等子公司内也都分别装配有不同类型的电磁搅拌设备,这也是产品质量要求不断提高下的一个必然趋势。值得一提的是为高拉速而设计的ABB电磁制动技术在宝钢股份炼钢厂及梅钢公司都得到了应用,并且使用结果也表明电磁制动在提高铸机拉速、改善铸坯表面质量和减少内部夹杂物等方面都取得了良好的冶金效果。
虽然电磁搅拌在宝钢各子公司里都得到了广泛的应用,通过现场工艺实验研究的不断摸索,也掌握了一些电磁参数与产品质量之间的相互关系和影响规律,但由于各种原因,电磁搅拌技术的优势并没有得到充分发挥。
作为目前世界上二冷区电磁搅拌中电磁力最强的设备,DKS在新日铁以及国内的武钢都是生产硅钢必不可少的冶金设备。近年来,在对产品质量要求不断提升的背景下,宝钢在电磁搅拌技术方面持续开展了广泛而又深入的研究,辊式搅拌器的机理研究与优化就是一个成功的典范。在板坯结晶器电磁搅拌技术、方圆坯凝固末端螺旋电磁搅拌技术等方面的系统研究工作也正在积极开展之中。
表3 宝钢股份炼钢厂电磁搅拌使用状况
No.2号4号6号7号8号
铸机板坯板坯板坯圆/方坯大方坯
铸坯断面/mm
210、230、250×(900～1930)
(900～1750)×230
1450×230 153、 178、160×160
325×425
-1
铸速/(m·min)
EMS
新日铁结晶器电磁搅拌
ABB电磁制动RotelecSEMSMEMS/末端MEMS/末端
代表钢种碳钢、低合金钢低碳钢、微合金钢、IF钢
硅钢、高强钢油井管、锅炉管等碳钢、特殊钢、不锈钢
1.3～1.8
1.4 辊式搅拌器的特点、结构优化与使用目前,世界上主要有三种形式的板坯二冷区
电磁搅拌装置,分别是新日铁的DKS插入式搅拌器、辊后箱式搅拌器及以法国Rotelec公司为代表的辊式搅拌器。由于辊式搅拌器具有不改变扇形段及辊列结构、安装位置灵活等优点,近年来逐渐受到各大钢厂的亲睐。辊式电磁搅拌器直径略大于普通板坯连铸辊,内部采用特殊设计、结构非常紧凑的电磁感应线圈,外部辊套采用非导磁耐高温不锈钢材料,对铸坯起到支撑作用。辊式搅拌器由于直接与铸坯接触,因此可以在同等的电源输出功率条件下产生最大的电磁搅拌力,但由于受辊套内部狭小空间的限制,实际生产过程中往
往发现电磁力过低的问题,造成生产过程中必须严格控制工艺条件才能勉强满足产品质量的要求,从而对生产物流控制以及质量控制带来很多不利的影响。
二冷区使用电磁搅拌的主要目的在于提高铸坯的等轴晶率,改善中心偏析。大量研究表明,电磁力的大小是影响等轴晶率最为关键的因素之一。宝钢股份炼钢厂在使用进口辊式搅拌器的过程中就遇到了电磁力过小的问题,针对这一问题,通过理论计算发现进口辊式搅拌器内部结构存在不合理因素。经磁场检测发现进口辊磁场发散,搅拌辊一周都存在较高的磁场强度。进一步分析表明进口搅拌辊的铁芯部分由高导磁率的硅钢片
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和Al合金构成。由于硅钢片总体体积较小,因而很容易达到磁饱和,为此,在结构优化设计过程中将这一部分作了适当改进,通过增大铁芯的体积,同时利用特殊的聚磁屏蔽技术使磁力线聚集到特定的工作面上,从而提高磁感应强度。如图1所示,通过对搅拌辊内部磁路结构进行优化以后,优化的高效搅拌辊平均磁感应强度要比进口辊在同等输入参数下提高50%以上。通过上线使用及工艺对比试验研究表明,使用优化高效搅拌辊后,硅钢等轴晶率在原有基础上得到较大提高,效果非常显著
。
2010年第2期
图2 电磁搅拌与过热度的等效作用
当电磁力过低时,生产中就容易出现质量不稳定的现象,在这种条件下获得的实验研究结果也往往会给我们造成很多迷惑和假象。因此,围绕提高铸坯等轴晶率问题的研究应当在足够高、不致带来负面效应的电磁力条件下进行,其他消除缩孔缩松、提高表面质量的研究也是类似。由于受工况条件的限制,如何有效调控电磁力的大
图1 进口搅拌辊及高效搅拌辊磁场分布特性
小就往往成为关键的问题之一。在工艺技术水平相对完善的条件下,如果产品质量还无法达到预期目标,就需要通过优化改进或者增设设备的手段来提高电磁力。3 结论与展望
电磁搅拌过程中流场与热场难以在实际生产过程中得到检测,而流场是影响凝固组织的重要因素,虽然近几年来在计算机仿真计算方面取得了很大发展,但涉及到电磁场、流场等三维多场耦合时仍然还有很多的问题,因此需要充分开展数值模拟仿真计算来提高工艺实验的效率。另外,电磁搅拌如何影响成分偏析、气泡分布及树枝晶生长过程是未来工艺研究所要关注的重要问题。
目前,结晶器、凝固末端电磁搅拌存在使用简单化、缺乏深入系统的研究等问题。结晶器电磁搅拌器在结晶器上固定的安装往往不能满足改变浇注参数(如:板坯宽度、拉速、氩气流量、浸入式水口深度/形状)的灵活性。为此新日铁提出了MM-EMS技术,该技术使用4个搅拌器,安装在结晶器中部的背板后面,浸入式水口每侧两个,两个接两个地安装在背板后边的结晶器中上部,并覆盖结晶器的整个宽度。该技术由计算机模型根据板坯尺寸、拉速、SEN几何形状/插入深度和氩,2 电磁搅拌技术应用中的关键问题
电磁搅拌的一个重要作用在于提高铸坯的等
轴晶率,尽管其作用机理存在较大争议,但通过简单分析就可以发现即使电磁搅拌作用下的钢液流速达到1m/s时,其剪切强度也就在(3～4)×72
10N/m,与凝固前沿枝晶的强度在一个数量级,因而不可能单纯地依靠电磁搅拌产生的剪切力来折断枝晶
[38]
。因此电磁搅拌的作用更多的是在
于:①加强低温钢水与高温钢水的混合,扩大糊状区的范围,降低液芯的温度;②提高凝固前沿温度,阻碍树枝晶长大,使温度趋于均匀从而有利于导热。因此提高电磁搅拌过程中的电磁力毫无疑问是有助于实现以上效果的。提高电磁力也就是提高电磁搅拌的作用范围和作用强度。生产实践也表明,提高电磁力有利于提高等轴晶率,可以在实际生产过程中放宽对过热度限制。而低过热度条件下可以获得等轴晶组织的一个重要原因是,在此条件下连铸过程中铸坯具有较大的固液共存区(糊状区)。事实上,不同电磁力大小与过热度造成的一个相同结果是改变了固液两相区的范围,从而最终影响了连铸坯的等轴率,如图2所示。这也是实际生产过程中出现等轴晶率不稳定
世 界 钢 铁场
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电磁力判据问题,即如何有效控制电磁力的大小及方向,是我们未来需要重点关注的技术之一。
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吴存有,周月明,侯晓光
(宝山钢铁股份有限公司,上海201900)
摘要:主要介绍了电磁搅拌技术的发展历史、在国内的应用现状,探讨了该技术未来的发展方向,特别以辊式搅拌器为例着重介绍了电磁搅拌技术在宝钢的研究进展。根据电磁搅拌的技术特点,探讨了电磁搅拌技术应用过程中设备与工艺之间的相互关系,以及影响电磁搅拌最终使用效果的关键因素。
关键词:电磁搅拌;辊式搅拌器;连铸
ApplicationanddevelopmentofEMStechnology
WUCunyou,ZHOUYueming,HOUXiaoGuang(BaoshanIron＆SteelCo.,Ltd.,Shanghai201900,China)
Abstract:ThedevelopmentofelectromagneticstirringtechnologyanditsapplicationinChinaareintroduced,andthefuturedevelopmentdirectionofthetechnologyisdiscussed.TheEMSrollersinBaosteelaswellassimilarEMStechnologiesandtheirapplicationarestudied.Accordingtothe
characteristicsofEMStechnology,therelationshipbetweenEMSequipmentandprocess,aswellasthekeyfactorsthatinfluencethefinaleffectsofEMStechnologyarediscussed.Keywords:electromagneticstirring;EMSroller;continuouscasting0 前言
高质量、高附加值钢铁产品的生产离不开特殊冶金装备的使用,连铸电磁搅拌装置就是其中之一。电磁搅拌技术的研究历史可以追溯到20世纪20或30年代,经过多年的发展,电磁搅拌技术日趋成熟,但时至今日国外大型钢铁公司对这一技术仍然在开展持续研究,例如日本JFE就有将近15人左右的研发团队专门从事电磁搅拌等电磁冶金学科相关的研究工作。同时,电磁搅拌技术也还是国际及国内EPM(ElectromagneticPro-cessingofMaterials)学术研究的重要内容之一
[1-3]
内钢厂还没有使用的先例。其次,在使用参数的优化方面,即电磁搅拌工艺方面的研究还略显不足
[4-8]
。随着钢铁行业竞争日益激烈,国外钢厂
开始加紧了对我国实行技术封锁。因此,针对电磁搅拌相关的设备、工艺等相关技术开展深入的系统研究已变得日益迫切。本文着重介绍了电磁搅拌技术的发展历史、在国内以及宝钢的应用现状和研究成果,并探讨了该技术的特点、关键问题和未来的发展方向。1 电磁搅拌的发展
1.1 电磁搅拌的特点与发展历史
[9-14]
。近年来,通过企业与高校及科研机构的
合作研究,国内在这一技术领域也取得了长足发展,特别是装备制造能力方面逐渐缩短了与国际先进水平的差距。目前已经具备了如方圆坯结晶器、凝固末端电磁搅拌器及板坯二冷区电磁搅拌辊的设计制造能力。但是,如板坯结晶器电磁搅拌器/电磁制动、板坯电磁加速/减速器等较为大型和复杂的设备,相关技术实力相对还比较薄弱,,电磁搅拌的本质是根据工艺要求改变铸坯凝固过程中钢液的流场,从而最终改善产品的质量。电磁搅拌的重要优点在于非接触和无污染,前一优点也造就了电磁搅拌设备在使用过程中比起一般的冶金设备更具有复杂性和专业性。实际生产过程中,电磁搅拌的冶金效果受多种因素的影响,包括钢水过热度、拉速、搅拌位置、搅拌强度和钢种等等
世 界 钢 铁
电磁搅拌根据使用位置的不同,作用效果不尽相同。简而言之,结晶器电磁搅拌的目的在于去除皮下夹杂和气孔,均匀凝固坯壳,搅拌强度以不引起卷渣等负面效果为限度;结晶器电磁制动则是为了实现高拉速而设计的,目的在于减小钢液的冲击深度和减轻对板坯窄面的冲击程度,利于夹杂物的上浮。二冷区电磁搅拌的目的在于提高等轴晶率和改善偏析,电磁力越大越有利于提高等轴晶率。末端电磁搅拌主要为了消除缩孔缩松和内裂,改善偏析。
影响电磁搅拌众多因素中,过热度与电磁力大小是其中最为关键的两个因素,两者共同影响最终的冶金效果。过热度过低会带来水口堵塞、夹杂物难以上浮等问题,同时还会影响生产物流;过热度过高又会影响等轴晶质量等问题。所以,电磁搅拌往往需要在一定的过热度范围内才能达到最佳的使用效果。电磁搅拌并不是万能的,必须有相应的稳定工艺作保证,在工艺难以解决的质量问题上,通过使用电磁搅拌可以起到强有力的支撑与辅助作用。
·37·
电磁搅拌涉及到的电磁场、流场及热场是工艺及设备研究过程中都必须关注的。另一方面,由于由感应电流产生的磁场相对于外部施加电磁场而言,影响往往可以忽略,因此可以认为电磁搅拌相关的技术问题具有单向性,即电磁场影响流场,流场影响热场和凝固过程,这也是我们分析电磁搅拌相关技术问题的基本思路。因此,对电磁场的分析与计算往往也是解决电磁搅拌众多技术问题的根本与突破口。生产过程中对电磁搅拌设备的电磁特性的检测与分析是提高电磁搅拌使用效果和效率的前提。
电磁搅拌技术的发展与用户对产品质量的要求是密切相关的,从20世纪60年代开始,电磁搅拌技术逐渐成为连铸生产过程中提高铸坯质量的重要手段之一,电磁搅拌器也是国际上先进钢铁企业生产高附加值产品必不可少的特殊冶金装备。表1记录了国际上电磁搅拌相关技术的一些重要发展。从电磁搅拌技术出现开始,通过大量半工业及工业试验,钢铁企业逐渐开始认识到了电磁搅拌技术的作用和优势。
表1 电磁搅拌技术在国外的发展历史
年份1922年1948年1952年1973年1976年1977年1979年1981年1982年1991年1994年1995年1996年2002年2003年2008年
美国McneillJD获得了EMS控制凝固过程的专利
国外发展史
瑞典ASEA公司Dreyfus博士制造出世界上第一台电磁搅拌器并用于电弧炉炼钢
德国的半工业连铸机实现二冷区电磁搅拌;奥地利进行了结晶器工频旋转电磁搅拌的工业试验
法国SAFE厂,首先在四流方坯连铸机采用电磁搅拌技术,开辟了连铸电磁搅拌技术的工业应用。世界首台板坯连铸机二冷段电磁搅拌器(DKS)在新日铁君津厂投入使用板坯连铸机结晶器电磁搅拌第一次用于德同的Forges＆AcieriesdeDillingen的立式板坯连铸机上(布置在板坯连铸机结晶
[1]器的每个宽面,目前已不再使用)
法国Rotelec公司为小、大方坯结晶器搅拌器注册商标。ABB提出辊后箱式搅拌的设想,安装在铸流奥氏体钢(无磁性)支撑辊后面
法国Rotelec公司采用新型搅拌辊,进行了板坯连铸的二冷区电磁搅拌NSC提出了旋转式结晶器电磁搅拌,减少针孔、气孔、夹杂类等皮下缺陷
日本川崎钢铁公司和瑞典ABB共同开发了结晶器电磁制动装置,并用于川崎公司的铸机上
日本NKK引进了钢水能加速或减速离开浸入式水口的EMLS/EMLA(电磁液面减速器/电磁液面加速器)工艺,以及能使钢水旋转的EMRS加拿大IspatSidbec公司首次采用双线圈电磁搅拌———位于弯月面和结晶器的下部,以提高高碳钢和合金钢的内部质量日本神户制钢开发在中间包到结晶器之间进行电磁搅拌技术,解决了长水口堵塞问题,并实现低过热度浇注NSC提出了LMF(LevelMagneticField)制动技术
多模式电磁搅拌技术(MM-EMS)应用于POSCO浦项厂3号板坯连铸机多模式电磁搅拌技术(MM-EMS)应用于POSCO光阳厂的1～3号连铸机ABB发明复合磁场末端电磁搅拌技术
20世纪60、70年代,日本及西欧等国工业迅速发展,造船、建筑、家电行业对钢铁产品提出了更高的表面质量及内部质量要求。面对这一问
题,1973年法国SAFE厂,首先在四流方坯连铸机采用电磁搅拌技术,开辟了连铸电磁搅拌技术的
工业应用。同年,世界首台板坯连铸机二冷段电磁搅拌器(DKS)在新日铁君津厂投入使用。1977年,为达到不改变连铸机辊列结构的目的,ABB
提出辊后箱式搅拌的设想,将电磁搅拌器安装于铸流无磁性支撑辊后面。1979年,法国Rotelec
·38·
公司发明了辊式电磁搅拌器进行板坯连铸的二冷区电磁搅拌,实现了搅拌辊与连铸辊的互换,可以根据工艺要求灵活安装搅拌器位置。
20世纪80年代初期,为了生产高清洁度的钢,ABB与川崎制铁进行了电磁制动(EMBR)技术的开发工作,以便控制连铸过程中的化学成分和流体流动。这项技术最初有两个制动区域,分别控制水口出口流出的钢流。日本的钢铁企业对先进技术较为敏感,1982年电磁制动技术率先在川崎制铁得到了应用。90年代初,EMBR技术得到了进一步改进,它的磁场覆盖到了板坯的整个方向。与此同时,考虑到电磁制动对浇注条件变化过于敏感,比如异钢种连铸或不锈钢和碳钢的复合连铸时容易出现质量问题,1996年NSC通过提高磁场强度,提出了LMF(LevelMagneticField)制动技术。在第一代电磁制动技术的基础上,ABB与川崎制铁研究随后开发了流动控制(FC-MOLD)结晶器。该系统有两个制动磁场,一个在弯液面附近,另一个方向相反,位于结晶器底部,每个磁场均覆盖板坯整个宽度。目前,电磁制动已经成为薄板坯连铸或高拉速连铸中必不可少的冶金装备。
但是在实际连铸生产过程中,铸坯质量的恶化通常发生在非正常浇注期如开浇、终浇、更换中间包、异常事故处理等,此时的铸坯拉速往往相对较低。在低拉速生产过程中,电磁制动技术的作用效果将大大降低。
为了满足在不同拉速条件下的需要,1991年日本NKK公司开发了同时具有制动和加速功能的EMLS/EMLA钢流控制系统。在其线圈上通以大小可由计算机控制的低频电流以产生行波磁
2010年第2期
场,并与钢水相互作用从而产生制动力或加速力,以及可以使钢水产生旋转运动的EMRS。这一技术分别于2002年、2003年应用于POSCO的浦项
厂及光阳钢铁厂的连铸机上。由于旋转型末端电磁搅拌存在着钢液转速固定,不能有效促进钢液的混合等缺点,ABB在2008年发明了复合磁场末端电磁搅拌技术,即采用一个恒定磁场与一个交变磁场叠加形成一个复合磁场。该复合磁场在钢液中感应产生一个脉动的电磁力,从而最终在搅拌区域的钢液中形成一个强度较大的紊流。
[15-23]
1.2 电磁搅拌在国内钢厂中的应用
电磁搅拌技术在国内的发展相对滞后,直到20世纪70年代末有关部门才开始关注这一技术(表2)。通过在生产实践中不断摸索,越来越多的钢铁企业开始逐渐认识到了电磁搅拌技术的作用和优越性,电磁搅拌技术在改善连铸产品质量方面的效果也逐渐得到了国内各大钢铁企业的普遍认可。但是一个不可否认的事实是,即使到目前为止这些电磁搅拌设备绝大部分还都依赖于国外引进。
进口装置不但造价昂贵,设备技术参数上的保密对钢铁企业电磁搅拌工艺系统研究也是不利的。面对这一问题,国内钢铁企业与科研机构、设备制造商开始合作,不断尝试独立自主研发电磁搅拌设备。
1982年首钢与中科院共同研制出一套行波磁场搅拌器,并于1984年安装于大方坯半连铸机上进行实验。2000前后钢铁产业得到迅猛发展,国内电磁搅拌设备相关制造技术在这一背景下得到了迅速发展。与此同时用户对钢铁产品质量的要求也在不断提高,很多钢铁企业特别是民营企业逐渐开始使用国内生产的电磁搅拌装置。
表2 国内电磁搅拌技术的应用和发展
年份
20世纪70年代末
1979年1982年1985年
1986年1987年12月28日
1990年7月1996年5月1997年
2000年2月29日
2004年2004年2008年
国内应用和发展
我国开始对电磁搅拌技术进行摸索和探讨
上海重型机械厂使用具有电磁搅拌及全液压传动的30t和40t电炉
首钢与中科院共同研制出一套行波磁场搅拌器,并于1984年安装于大方坯半连铸机上进行实验
岳阳起重电磁铁厂研究出一套行波磁场搅拌器,并安装在首钢试验厂8号连铸机上进行了工业性试验武钢从西德和日本引进ORC-1600/800L型和DKSEMS型两台电磁搅拌装置,分别安装在二炼钢3号、1号铸机的二冷区
国家“七五”科技攻关项目-平板式电磁搅拌器,通过了中国有色金属工业总公司组织的专家鉴定
鞍钢第三炼钢厂从日本神户公司引进立弯式双流板坯连铸机,该铸机在其二冷区安装了辊内的电磁搅拌装置舞钢首次在大型厚板坯连铸机上成功地使用了国内自行设计研制的SEMS成套装置宝钢同岳磁公司、中科院力学所合作,成功研制出了宝钢大板坯连铸SEMS宝钢-东大材料电磁过程联合研究中心在东北大学成立
武钢二炼钢2号连铸机从法国罗德瑞克公司(ROTELEC)引进辊式电磁搅拌器装置宝钢引进了结晶器电磁搅拌技术(MEMS),开创了我国板坯连铸MEMS的先例宝钢自主研发的高效辊式搅拌器投运
世 界 钢 铁
根据不同类型的电磁搅拌设备,针对不同工艺参数和电磁参数下的电磁搅拌效果及影响规律,国内许多钢厂都开展了广泛的工艺研究,取得了一些具有普遍意义的工艺试验结果。这些结果一方面促进了我们对电磁搅拌作用机理的认识和使用效率的提升,另一方面也加速了国内电磁搅拌器设备制造水平的发展。与此同时,钢铁企业与高校间的合作也日益密切,2000年宝钢-东大材料电磁过程联合研究中心在东北大学成立,其一项重要研究内容便是开展电磁搅拌技术研究,特别是针对电磁搅拌作用机理开展了深入研究。
电磁搅拌装备及使用技术的进步与发展极大地促进了电磁搅拌技术的普及与推广,同时我们也应该看到,电磁搅拌技术应用于实际生产过程中时,在如何提高其作用效果和效率方面还需开展更为细致的系统研究。
1.3 电磁搅拌在宝钢的应用
总体而言,方圆坯结晶器电磁搅拌在国内的使用历史最长,技术上也相对较为成熟,宝钢从1996年开始在引进的方圆坯连铸机上就配置有Danieli公司的结晶器电磁搅拌装置,自投产以来使用效果一直非常不错。宝钢股份炼钢厂根据产品质量的要求在不同连铸机上分别配置了目前国际上主流
[24-37]
·39·
的各种类型电磁搅拌装置,见表3。在宝钢集团新疆八一钢厂、特钢及不锈钢事业部等子公司内也都分别装配有不同类型的电磁搅拌设备,这也是产品质量要求不断提高下的一个必然趋势。值得一提的是为高拉速而设计的ABB电磁制动技术在宝钢股份炼钢厂及梅钢公司都得到了应用,并且使用结果也表明电磁制动在提高铸机拉速、改善铸坯表面质量和减少内部夹杂物等方面都取得了良好的冶金效果。
虽然电磁搅拌在宝钢各子公司里都得到了广泛的应用,通过现场工艺实验研究的不断摸索,也掌握了一些电磁参数与产品质量之间的相互关系和影响规律,但由于各种原因,电磁搅拌技术的优势并没有得到充分发挥。
作为目前世界上二冷区电磁搅拌中电磁力最强的设备,DKS在新日铁以及国内的武钢都是生产硅钢必不可少的冶金设备。近年来,在对产品质量要求不断提升的背景下,宝钢在电磁搅拌技术方面持续开展了广泛而又深入的研究,辊式搅拌器的机理研究与优化就是一个成功的典范。在板坯结晶器电磁搅拌技术、方圆坯凝固末端螺旋电磁搅拌技术等方面的系统研究工作也正在积极开展之中。
表3 宝钢股份炼钢厂电磁搅拌使用状况
No.2号4号6号7号8号
铸机板坯板坯板坯圆/方坯大方坯
铸坯断面/mm
210、230、250×(900～1930)
(900～1750)×230
1450×230 153、 178、160×160
325×425
-1
铸速/(m·min)
EMS
新日铁结晶器电磁搅拌
ABB电磁制动RotelecSEMSMEMS/末端MEMS/末端
代表钢种碳钢、低合金钢低碳钢、微合金钢、IF钢
硅钢、高强钢油井管、锅炉管等碳钢、特殊钢、不锈钢
1.3～1.8
1.4 辊式搅拌器的特点、结构优化与使用目前,世界上主要有三种形式的板坯二冷区
电磁搅拌装置,分别是新日铁的DKS插入式搅拌器、辊后箱式搅拌器及以法国Rotelec公司为代表的辊式搅拌器。由于辊式搅拌器具有不改变扇形段及辊列结构、安装位置灵活等优点,近年来逐渐受到各大钢厂的亲睐。辊式电磁搅拌器直径略大于普通板坯连铸辊,内部采用特殊设计、结构非常紧凑的电磁感应线圈,外部辊套采用非导磁耐高温不锈钢材料,对铸坯起到支撑作用。辊式搅拌器由于直接与铸坯接触,因此可以在同等的电源输出功率条件下产生最大的电磁搅拌力,但由于受辊套内部狭小空间的限制,实际生产过程中往
往发现电磁力过低的问题,造成生产过程中必须严格控制工艺条件才能勉强满足产品质量的要求,从而对生产物流控制以及质量控制带来很多不利的影响。
二冷区使用电磁搅拌的主要目的在于提高铸坯的等轴晶率,改善中心偏析。大量研究表明,电磁力的大小是影响等轴晶率最为关键的因素之一。宝钢股份炼钢厂在使用进口辊式搅拌器的过程中就遇到了电磁力过小的问题,针对这一问题,通过理论计算发现进口辊式搅拌器内部结构存在不合理因素。经磁场检测发现进口辊磁场发散,搅拌辊一周都存在较高的磁场强度。进一步分析表明进口搅拌辊的铁芯部分由高导磁率的硅钢片
·40·
和Al合金构成。由于硅钢片总体体积较小,因而很容易达到磁饱和,为此,在结构优化设计过程中将这一部分作了适当改进,通过增大铁芯的体积,同时利用特殊的聚磁屏蔽技术使磁力线聚集到特定的工作面上,从而提高磁感应强度。如图1所示,通过对搅拌辊内部磁路结构进行优化以后,优化的高效搅拌辊平均磁感应强度要比进口辊在同等输入参数下提高50%以上。通过上线使用及工艺对比试验研究表明,使用优化高效搅拌辊后,硅钢等轴晶率在原有基础上得到较大提高,效果非常显著
。
2010年第2期
图2 电磁搅拌与过热度的等效作用
当电磁力过低时,生产中就容易出现质量不稳定的现象,在这种条件下获得的实验研究结果也往往会给我们造成很多迷惑和假象。因此,围绕提高铸坯等轴晶率问题的研究应当在足够高、不致带来负面效应的电磁力条件下进行,其他消除缩孔缩松、提高表面质量的研究也是类似。由于受工况条件的限制,如何有效调控电磁力的大
图1 进口搅拌辊及高效搅拌辊磁场分布特性
小就往往成为关键的问题之一。在工艺技术水平相对完善的条件下,如果产品质量还无法达到预期目标,就需要通过优化改进或者增设设备的手段来提高电磁力。3 结论与展望
电磁搅拌过程中流场与热场难以在实际生产过程中得到检测,而流场是影响凝固组织的重要因素,虽然近几年来在计算机仿真计算方面取得了很大发展,但涉及到电磁场、流场等三维多场耦合时仍然还有很多的问题,因此需要充分开展数值模拟仿真计算来提高工艺实验的效率。另外,电磁搅拌如何影响成分偏析、气泡分布及树枝晶生长过程是未来工艺研究所要关注的重要问题。
目前,结晶器、凝固末端电磁搅拌存在使用简单化、缺乏深入系统的研究等问题。结晶器电磁搅拌器在结晶器上固定的安装往往不能满足改变浇注参数(如:板坯宽度、拉速、氩气流量、浸入式水口深度/形状)的灵活性。为此新日铁提出了MM-EMS技术,该技术使用4个搅拌器,安装在结晶器中部的背板后面,浸入式水口每侧两个,两个接两个地安装在背板后边的结晶器中上部,并覆盖结晶器的整个宽度。该技术由计算机模型根据板坯尺寸、拉速、SEN几何形状/插入深度和氩,2 电磁搅拌技术应用中的关键问题
电磁搅拌的一个重要作用在于提高铸坯的等
轴晶率,尽管其作用机理存在较大争议,但通过简单分析就可以发现即使电磁搅拌作用下的钢液流速达到1m/s时,其剪切强度也就在(3～4)×72
10N/m,与凝固前沿枝晶的强度在一个数量级,因而不可能单纯地依靠电磁搅拌产生的剪切力来折断枝晶
[38]
。因此电磁搅拌的作用更多的是在
于:①加强低温钢水与高温钢水的混合,扩大糊状区的范围,降低液芯的温度;②提高凝固前沿温度,阻碍树枝晶长大,使温度趋于均匀从而有利于导热。因此提高电磁搅拌过程中的电磁力毫无疑问是有助于实现以上效果的。提高电磁力也就是提高电磁搅拌的作用范围和作用强度。生产实践也表明,提高电磁力有利于提高等轴晶率,可以在实际生产过程中放宽对过热度限制。而低过热度条件下可以获得等轴晶组织的一个重要原因是,在此条件下连铸过程中铸坯具有较大的固液共存区(糊状区)。事实上,不同电磁力大小与过热度造成的一个相同结果是改变了固液两相区的范围,从而最终影响了连铸坯的等轴率,如图2所示。这也是实际生产过程中出现等轴晶率不稳定
世 界 钢 铁场
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电磁力判据问题,即如何有效控制电磁力的大小及方向,是我们未来需要重点关注的技术之一。
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