电磁搅拌技术在冶金方面的应用.pdf

机械研究与 应用 2 0 1 2 年 第2 期 总 第1 1 8 g q 专题论述 电磁搅拌技术在 冶金方面 的应用 石 瑞 上海 大学 材料科 学与工程学院 ， 上海2 0 0 4 4 4 摘要 从电磁冶金学的发展历史出发 ， 基于电磁搅拌技术中电磁冶金、 电磁流体力学、 电磁场中流体流动的数学模 型、 连铸技术等理论基础及相关概念的介绍， 详细论述了电磁流体学的基础理论应用及 电磁搅拌技术流程和 主流电磁搅拌技术设备， 阐述我国电磁搅拌技术的现状， 对冶金技术未来发展做 出展望。 关键词 电磁搅拌 ； 电磁 冶金 ； 连铸 ； 应用 ； 研 究 中图分类号 T M9 3 6 文献标识码 A 文章编号 1 0 0 7 4 4 1 4 2 0 1 2 0 2 - 0 0 0 5 - 0 3 Ap pl i c at i o n o f e l e c t r o m a g ne t i c s t i r r i ng t e c hn ol o g y i n m e t al l ur g y S h i Rui S c h o o l o fm a t e r i a l s s c i e n c e a n d e n g i n e e ri n g ， S h a n g h a i u n i v e r s i t y ， S h a n g h a i 2 0 0 4 4 4 ， C h i n a Ab s t r a c t Ac c o r d i n g t o t h e h i s t o r y o f t h e d e v e l o p me n t o f e l e c t r o ma g n e t i c me t a l l u r g y ，b a s e d o n t h e i n t r o d u c t i o n of t h e t h e o r e t i e a l p r i n c i p l e a n d t h e r e l a t e d c o n c e p t i n e l e c t r o ma g n e t i c s t i r r i n g t e c h n o l o g y a b o u t e l e c t r o ma g n e t i c me t a l l u r gy ， e l e c t r o ma g n e t i c ， h y d r o me c h a n i c s ， t h e ma t h e ma t i c al mod e l o f f l u i d i n e l e c t r o ma g n e t i c fi e l d ，c o n t i n u o u s c a s t i n g ，i n t h i s p a p e r ，t h e b a s i c t h e o ry o f e l e c t r o ma g n e t i c h y d r o me c h a n i c s a n d t h e p r o c e s s o f e l e c t r o ma gn e t i c s t i r r i n g t e c h n o l o gy a n d t h e ma i n u s i n g e q u i p me n t o f e l e c - t r o ma g n e t i c s t i r r i n g t e c h n o l o gy＆ r e d i s c u s s e d ．Th e c u r r e n t s i t u a t i o n o f o u r c o u n t r y e l e c t r o ma gn e t i c i r r i n g t e c h n o l o g y i s e x - p o u n d e d，a n d s o me e x p e c t mi o n s o f t h e d e v e l o p me n t of me t a l l u r g i c a t e c h n o l o gy a r e p u t f o r w a r d ． Ke y wo r d s e l e c t r o ma gn e t i c s ti r r i n g ；e l e c t r o ma gn e t i c me t a l l u r gy ；c o n t i n u o u s c ast i n g；a p p ll e mi o n；i n v e s t i g a t i o n 1 电磁搅拌技术的发展过程 1 9 8 2 年在英国剑桥大学首次召开了由 I U T A M I n t e rna t i o n a l U n i o n o f T h e o r e t i c a l a n d A p p l i e d Me c h a n i c s 主持 的磁流体力学在冶金中应用 Me t a l l u r g i c a l A p p l i c a t i o n o f MH D 的国际会议 ， 并 出版 了文集 。 日本 由于受到了 I U T A M研讨会的启发 ， 在 日本钢铁 协会研究委员会的下属组织 “ 炼钢未来技术 的调查 研讨委员会” 提出 了将 磁流体力学应用到冶金领域 中的相关设想， 并将其命名为电磁冶金 J 。1 9 8 6年 召开 了日本各 国合作研讨会 ， 日本名古屋大学的 浅井滋生就“ 电磁冶金 的诞生和最近 的发展趋势” 作 了系统的介绍 。电磁冶金方面的研究工作 不仅在 日 本得到了广泛的开展 ， 在其他国家同样也引起 了足够 的关注。1 9 7 8年法 国在莫里 奥教授 领导下成 立 了 MA D Y L A M 将磁流体力学应用到冶金领域为 目的的 C N R S研究所 。 2 电磁搅拌技 术的理论 2 ． 1 电磁冶金的概念 电磁冶金简称为 E P M， 即为材料的电磁处理 ， 这 种工艺是借助于电流与磁场所形成的电磁力与安培 力对材料加工过程中的表面形态、 流动方式等施加影 响 ， 以便于有效控制材料的变化 和反应过程 ， 改善材 料的表面分布和组织结构。 2 ． 2电磁流体力学 电磁流体力学 MH D 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。MH D之所以能在冶金 中得到广泛 的应用 ， 主要是由于熔融金属是 电的良导体 。在磁场和电场 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、 连铸和钢水 的 检测等领域 ， 并已在许多领域取得 了重大进展l 2 J 。 2 ． 3电磁连铸技术 将电磁冶金技术应用于连铸方面， 是电磁冶金技 术应用最重要的发展之一 ， 同时连铸已成为电磁冶金 技术应用最活跃的领域 。随着磁场在连铸中的应用 ， 先后出现了利用时变磁场 、 脉 冲磁场、 稳恒磁场的电 磁搅拌 ， 电磁制动和软接 触电磁连铸技术 ， 并最终 形 成了三者有机结合的现代电磁连铸技术。 2 ． 4 电磁场中流体流动的数学模型 根据流体力学的近似， 麦克斯韦方程组可为 x E一O B ／O t 基金项目 国家科技支撑计划项目 2 0 1 1 B A K 1 5 B 0 7 ； 国家自然科学基金项目 5 0 8 7 5 0 7 4 。 收稿 日期 2 0 1 2 0 2 1 2 作者简介 石瑞 1 9 9 1 一， 男 ， 甘肃兰州人 ， 在读本科 ， 研究方 向 材料工程 ， 电磁流体力学 ， 工业经济。 5 专题论述 2 0 1 2 年 第2 期 总 第1 1 8 期 机械研究与应用 x HJ _， 0 B0 式 中 E为电场强度 ， V ／ m； B为磁感应强度 ， T 。 对 于运动流体 ， 欧姆定律可取下列形式 J 0- E u x B 1 式中 为速度矢量， m ／ s ； 0-为电导率， S ／ m 。 感应电流 u x B的方向服从右手定则。描述流体 流动的纳威 一 斯托克斯方程为 ． ． p 。 d p g - ， B P 2 式中 田 为有效黏度 ， P a s 。 电磁力 J x B的方向服从左手定则。描述电磁场 的式 1 中出现速度 ， 而描述 流体运动 的式 2 中又 出现了电磁场 ， 即液体在 电磁场作用下产生运动。此 外 ， 电磁力 又可减少湍流脉动。 由方程组及式 1 可得 u x B B 3 0 ‘ 1 式中 一为扩散系数 ， m ／ s 。 0 “1 ．,13 7 1 , 式 3 为磁通密度传输方程 J 。 3 电磁搅拌技术的工作原理和装置 3 ． 1 电磁搅拌的工作原理 电磁搅拌技术是磁流体力学的一个分支， 最早是 瑞典在 1 9 3 0年提 出的， 1 9 4 7年世界上第一 台 1 5 t 电 弧炉用 电磁搅拌装置问世 。 3 ． 1 ． 1工作 原理 电磁搅拌技术是利用不 同形式的磁场发生装置 ， 在外加磁场的情况下， 使液态金属流过作用磁场范围 时 ， 在液态金属 中产 生感 生电流 ， 而这种感生 电流在 电磁场的作用下 ， 会产生电磁力 。这种电磁力可以在 钢液 中对钢液产生影响， 从而对连铸过程 中钢水的流 动、 传热 、 凝 固过程实现控 制。电磁搅拌有交流感应 和直流感应两种。直 流感应在钢水 中产生磁力方 向 恰好与钢水 的运动方向相 反 ， 对钢水起 制动作用 ， 这 种搅拌也称为电磁制动。 3 ． 1 ． 2电磁搅拌的特性 电磁搅拌技术可以大幅度提高钢的清洁度 ， 扩大 铸坯的等轴晶区， 降低成分偏析 ， 减轻或消除金属的 中心疏松和中心缩孔的现象 ， 从而实现生产优质高等 级钢材的 目的。 3 ． 1 ． 3 电磁搅拌的冶金机理 结晶器电磁搅拌的冶金机理表现在机械效应和 热效应两个方面。其作用有 ①由于结晶器电磁搅拌 通常采用旋转搅拌， 当钢水的旋转速度达到一定值 6 后， 能获得足够大的离心力， 迫使其中的径向夹杂物 和气泡向中心聚集并上浮， 继 而被熔融保护渣 吸收 ， 使铸坯表面和内部夹杂物及气泡减少 ， 提高 了铸坯表 面和结构性 质 ； ② 由于旋转搅 拌 的切 向电磁力 的作 用 ， 使得坯壳的生长更加均匀 ， 减少 了漏钢的可能性 ； ③由于旋转搅拌 的径向电磁力的作用 ， 有效地抑制 了 树枝晶形成晶核 ， 有利 于等轴晶体的生长； ④旋转搅 拌导致钢水的流动方向由垂直向下改变为水平旋转， 使其浸入深度变浅 ， 从 而使轴 向温度迅速降低 ， 径 向 温度升高 ， 使凝 固前沿的温度梯度增大 ， 有利于传热。 根据 电磁感应定律 ， 电磁搅拌器产生的交变 电磁 场 B ， 在围绕导电的金属熔体 固体 变化时 ， 磁 场 和金属液 可看做导电 回路 间产生相对运 动 ， 使 导 电回路的磁通量发生变化 。由于磁场以一定 的速度 切割处于交变磁场之中的金属熔体 ， 使其 内部产 生感应 电流 ， ， V x B 该 电流与磁场相互作用产生电磁力 FI x B 电磁力作用在熔体每个体积元上 ， 从而驱使金属 熔体做定 向运动 J 。 3 ． 2电磁搅拌装置 3 ． 2 ． 1 电磁搅拌装置的分类及特点 电磁搅拌装置可分为水平旋转搅拌器和线性搅 拌器两大类 。而线性搅拌器又可细分为垂直、 水平线 性搅拌器。水平旋转搅拌器围绕铸流设置， 其运转象 一 个异步旋转电机的定子 ， 驱动钢液水平旋转 ， 多用 于圆坯、 方坯和小矩形坯 。垂直线性搅拌器靠近铸 流 侧 ， 其运转象一个线性异步 电机 的定子 ， 钢水沿垂 直 方向旋转运动， 适合 于大断面 的矩形坯 ； 水平线性 搅 拌器安装在铸坯侧 ， 其运转象一个平直定子 ， 在板坯 内弧侧熔池内产生水平方向的磁场 ， 推动钢水运动 。 3 ． 2 ． 2 电磁搅拌装置的主要类型 1 结晶器 电磁搅拌 。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 过结晶器的钢制水套和铜板渗人钢水 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。由于结晶器铜板的高导电性， 可以使用工频 5 0 H z 电源 ， 但是由于集肤效益 ， 磁场在铜层 中的穿 透深度只有几毫米 ， 小于铜板 的厚度 ， 也就是说磁 场 被结晶器铜壁屏蔽而不能充分渗入钢水 中， 从而无法 搅拌钢水 。为此， 建议使 用低频率 2～1 0 H z ， 使 磁 场穿过铜壁搅拌钢水。 作用 钢水运动可清理凝固壳表层区的气泡和夹 杂物 ， 改善了铸坯表面质量 ； 钢水的运动有助于过热 度 的降低 ， 有助于去除夹杂物 ， 提高铸坯 的清洁度 ； 钢 机械研究 与应用 2 0 1 2 年 第2 期 总 第1 1 8 期 专题论述 水运动可以将树枝晶打碎 ， 增加等轴晶核心 ， 改善铸 坯内部结构 ； 结 晶器 钢一 渣界面经常更新 ， 有利于保 护渣吸收上浮的夹杂物。 2 二冷区电磁搅拌。在板坯连铸二次冷却 区， 由于有支承辊的排列 ， 所以给安装搅拌器带来了一定 的困难 ， 为了解决这个问题 ， 目前生 产实践中主要依 照下列两种。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 的铁芯插人搅拌器 内弧两辊之间 ； 辊式搅拌器 ， 外形与支承辊类似 ， 辊子里面装有感应 器 ， 既支撑铸坯又起搅拌器 的作用。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。 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。 3 凝 固末端 电磁搅拌。铸坯液相穴末端区域 为凝 固末端 ， 钢水过热度 已消失 ， 钢水处于糊状区， 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 ， 在液相穴长度为 3 ／ 4处安 装搅拌器。一般采用频率为 21 0 H z 的低频电源。 作用 通过搅拌作用， 使液相穴末端区域的富集 溶质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 J 。 4 我国电磁搅拌技术的现状及未来冶金技术 的发展 方 向 4 ． 1发展历程 电磁搅拌技术在我国的研究和开发始于 2 0世纪 8 O年代 ， 在一批科研骨干教授的不懈努力下 ， 如今我 国电磁冶金 已经有 了长足 的发展 。大量科技人才将 精力投入到 了冶金电磁搅拌技术上来 ， 使得我国这项 技术有 了很大的发展前景。 4 ． 2 主要成果 1 通过对 2 8 03 8 0 m m方坯连铸结晶器电磁 搅拌数值模拟 ， 发现电磁搅拌器 中心磁感应强度随着 电流强度的增大呈线性递增变化 ， 而搅拌频率对磁场 分布的影响较小 ， 在低频率搅拌条件下 ， 随着搅 拌频 率的增加 ， 磁感应强度减小的幅度不大 ； 作用于钢液 的电磁力随着电流强度的增大而增大 ， 随着搅拌频率 的增大而减小 J 。 2 对于大方坯连铸结 晶器电磁搅拌三维电磁 场的数值模拟， 得出磁场在电磁搅拌器内产生的旋转 电磁力在水平界面上形成了一对力偶， 驱使钢液顺时 针旋转， 同一水平截面相同径向距离处的电磁力大小 相等， 且从边部到中心逐渐减小 。 3 由于铜质结晶器的存在， 钢液内部的磁感应 强度随电流频率的增加而减小， 电流频率低时钢液内 部的磁感应强度分布比较均匀 ， 而电流频率高时磁感 应强度分布不均匀 ， 角部比较大 ， 中心比较小 J 。 4 电磁搅拌促使结晶器 内钢液传热， 未采用 电 磁搅拌时 ， 过热钢水从浸入式水 口流 出向下流动 ， 过 热度缓慢消失 ， 在铸坯断面上芯部温度高 ， 而采用电 磁搅拌后 ， 旋转搅拌导致钢水的流动方向由垂直向下 变为水平旋转， 使从浸入式水口流出的过热钢水的浸 人深度变浅 ， 轴向温度迅速降低 ， 而径 向温度升高 ， 凝 固前沿的温度梯度增大 ， 有利于传热。 4 ． 3 未来冶金技术发展方 向 电磁搅拌冶金技术在钢铁工业 中的应用无论效 能， 还是在改善连铸坯质量方 面均 已取得重 大的成 功 ， 未来冶金技术的发展方 向如下。 1 更加重视质量。从总体上看 ， 钢铁企业供大 于求的危机始终是我国钢铁行业面临的最大挑战 ， 以 质量取胜是唯一出路， 作为提高连铸坯质量的有效手 段， 必须广泛研究和采用电磁搅拌技术， 促进其产业 朝着高速 、 连续、 短流程的方向发展。 2 更加注重科技的推动作用。从长远看 ， 技术 挑战大于市场挑战， 随着连铸拉速不断提高 ， 广泛采 用 电磁制动技术提高钢材的洁净度 ， 研究生产复合连 铸坯的技术工艺 ， 尤其在薄板坯连铸 中大量采用电磁 制动技术具有广阔的发展前景 。 3 更加注重创新。我 国冶金行业 紧跟先进 国 家发展步伐 ①研究具有 自主知识产权 的新技术 ， 生 产像 9 8 0 N i C r M o V 合 金 钢 等 厚 度 跨 度 大 于 l 6～ 1 8 m m、 屈服强度大于 7 8 5 M P a的大型水面舰艇、 航空 母舰 、 坦克舟桥、 超声速风洞以及其它需要高强度 ， 高 韧性的工程结构耐压壳体用特殊钢， 填补国内空白； ②探索生产重要产品和关键环节的新工艺 ， 进一步提 高电磁搅拌器线圈的使用寿命 ， 突破我国 目前线圈使 用寿命仅为一年的瓶颈； ③广泛开展软接触连铸实验 研究 ， 在低熔点的锡、 锡 一 铅合金、 稼一 锡合金进行软 接触的实验研究的基础上 ， 开展钢的软接触试验 ， 争 取有所突破 ； ④研制生产急需的新装 置， 加大基础 自 动化 、 过程控制和信息化方面研究 ， 缩小与世界先进 水平的差距。 4 加强国际合作， 学习国际先进技术， 缩短新 技术 、 新工艺 、 新装置的研究周期 ， 实现跨越式发展 。 参考文献 [ 1 ] 金百刚， 王强， 田 勇， 等． 电磁连铸冶金技术及应用现状 [ J ] ． 冶金设备 ， 2 0 0 9， 4 2 5 -1 0 ． 下转 第 1 l页 7 机械 研究与应用 2 0 1 2 年 第2 期 总 第1 1 8 期 专题论述 [ 8 ] C h a n g J c H， Seo n g T T ． S t r u c t u r a l c o n t r o l u s i n g a c t i v e t u n e d m a s s d a m p e m[ J ] ． J o u r n a l o f e n g i n e e r i n g m e c h a n i c s d i v i s i o n ， A S C E ， 1 9 8 0。 1 o 6 6 1 0 9 l 一 1 0 9 8 ． [ 9 ] P i n k a e w T， F u j i n o Y ． E ff e c t i v e n e s s o f s e m i a c t i v e t u n e d H s d a mp e l8 u n d e r h a r mo n i c e x c i t a t i o n [ J ] ． E n g i n e e r i n g S t r u c t u r e s ， 2 0 0 1 ， 2 3 7 8 5 0 8 5 6 ． [ 1 0 ] Sek a i F。 T a k a eda S ， T a ma k i T ． T u n e d l i q u i d c o l u m n d a mp e r ～ n e w t y p e d e v i c e f o r s u p p r e s s i o n o f b u i l d i n g v i b rat i o n s [ A] ． P r o c e e d i n g s o f i n t e r n a t i o n a l c o n f e ren c e o n h i g h ri s e b u i l d i n g s [ C] ． N a n j i n g ， C h i - n a， 1 9 8 9 9 2 6- 9 3 1 ． [ 1 1 ] 霍林生． 偏心结构利用调液阻尼器减震控制的研究 [ D] ． 大连 大连理 工大学 。 2 0 0 5 ． [ 1 2 ] Wa n g J Y， N i Y Q， K o J M， e t a 1 ． M a g n e t o r h e o l o g i c al t u n e d l i q u id c o l u m n d a m p e r s MR T L C D s f o r v i b r a t i o n m i t i g a t i o n o f t a l l b u il d i n g s m o d e l i n g a n d ana l y s i s o f o p e n - l o o p c o n t r o l [ J ] ． C o m p u t e r s and s tr u c t u res 。 2 0 0 5 8 3 2 0 2 3 - 2 0 3 4 ． [ 1 3 ] Wi n s l o w W M． Me t h o d and m e a n s for t r a n s l a t i n g e l e c t r i c al i mp u l s e s i n t o m ech ani c al f o r c e s [ J ] ． U S P a t e n t ， 1 9 4 7 2 4 1 7 ， 8 5 0 ． [ 1 4 ] S p e n c e r B F ， D y k e S J ， S a i n M K， e t a 1 ． P h e n o m e n o l o gi c a l m o d e l o f a m a g n e t o r h e o l o gi c a l d a m p e r [ J ] ． J E n g r g M e c h ， A S C E， 1 9 9 7 ， 1 2 3 3 2 3 0 2 3 8 ． [ 1 5 】 Y i F ． D y k e S J ， F r e e h S ， e t a1 ． I n v e s t i g a t i o n o f m a g n e t o r h e o l o g i c a l d a m per s fo r s e i s m i c r e s p o n s e c o n t r o l [ A] ． P r ee o f t h e 2 n d w o r l d c o n f o n s t r u c t c o n t rul [ C ] ． K y o t o ， J a p a n ， 1 9 9 8 3 4 9 - 3 5 8 ． 【 1 6 ] 周强 ， 瞿伟廉 ． 磁流 变 阻尼器 的两 种力 学模 型和试 验 验证 [ J ] ． 地震工程 与工程振动 ， 2 0 0 2， 2 2 4 1 4 4 1 5 0 ． [ 1 7 ] 孙清， 伍晓红， 胡志义， 等． 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基于磁流变阻尼器的舰船桅杆振动半主动模 糊控制[ J ] ． 船舶力学， 2 0 0 8 04 ． 梁军 ， 钟骏平 ， 程远胜．基 于 A N S YS的舰 船桅杆振动半 主动 神经网络控制仿 真[ J ] ． 船舶 力学 ， 2 0 1 l z 1 7 - 9 ． 胡家亮 ， 周丽。 严刚． 基于磁流变阻尼器的结构模糊半主 动控制实验研究 [ J ] ． 震动与冲击， 2 0 0 9 3 4 2 4 3 ． 薛晓敏 ， 孙清 ， 张陵 ， 等．利用遗传算法 的磁流变 阻尼器结构 含时滞半主动控 制[ J ] ． 西安交通大学学报 ， 2 0 1 0 9 9 2 - 9 3 ． 杨润林 ， 闫维明， 周锡元． 结构半主动控制研究中存 在的若 干问 题[ J ] ． 建筑结构学报， 2 0 0 7 4 1 0 2 1 0 5 ． 孙清 ， 张陵．结构振动半主动控制 的时滞补偿研究 [ J ] ． 机械 科学与技术 ， 2 0 0 5 ， 2 4 5 5 0 5 5 0 9 ． [ 6 ] [ 7 ] [ 8] 陈永， 朱苗勇， 蔡可森， 等． 2 8 0 m mX 3 8 0 m m方坯连铸结晶器电 磁搅拌数值模拟[ J ] ． 钢铁钒钛 ， 2 0 0 8 ， 2 9 2 4 3 4 9 ． 魏宁 ， 包燕平 ， 吴 华杰 ， 等． 大方坯 连铸结 品器 电磁搅 拌三维 电磁场的数值模拟[ J ] ． 北京科技大学学报， 2 0 1 1 ， 3 3 6 7 0 2 7 0 8． 李建超 ， 吉利宏 ， 王宝峰． 方坯 连铸结晶器 电磁 搅拌磁场 与流场 数值模 拟[ J ] ． 铸造技 术， 2 0 1 0， 3 1 1 1 1 4 6 8 1 4 7 2 ． ll