连铸电磁搅拌(electromagnetic stirring of continous casting)

指在连续铸钢过程中，连铸坯通过外界电磁场时感应产生的电磁力使铸坯内未凝固的钢液产生搅拌流动，从而改善凝固过程而获得良好的铸坯质量的技术。简称EMS。这一技术是20世纪70年代首先在欧洲发展起来的，世界各国采用EMS的铸机已很多，并对其最佳工艺、最佳设计、作用机理和效能潜力，不断地进行研究开发；与此同时，对EMS的应用仍然存在不同意见，如认为没有必要或是主张采取其他工艺措施代替其作用。

发展简史 虽然1917年就有人提出了在金属凝固过程中进行电磁搅拌的建议，1922年开始注意到流体流动对金属结构、致密性、偏析和夹杂等方面的影响，1934年已开始钢液凝固过程电磁搅拌的实验室试验，1952年胡金根(Iliickingen)钢厂首先装置了二冷区电磁搅拌(s一．EMS)。但是，直到60年代后期，随着连铸扩大品种和提高拉坯速度的要求，连铸EMS技术才开始广泛地引起人们的兴趣和注意。1965年，勃h迈尔(Poppmeir)首先在奥地利伯勒(Bohler)钢厂采用工频电源和低导电率材质的结晶器，尝试了结晶器电磁搅拌(M—EMs)试验。随着低频电源的采用，60年代末，英国Round oak钢厂的试验性铸机上作了结晶器电磁搅拌(M—EMS)和二冷区电磁搅拌(s—EMS)试验。1973年，法国钢铁研究院(IRSID)与法国电机公司(CEM)研制的旋转磁场搅拌器，在法国SAFE钢厂方坯铸机上实现了s．EMS的工业应用。1977年，法国Rotelec集团开发的Magnetogyr M—EMS在当时的联邦德国EBV公司Esehweiler钢厂获得工业应用。同时他们还研制成功了螺旋搅拌器。随着特殊钢连铸的发展，日本神户制钢与法国Rotelec集团合作开发了KOSMOSTIR—MAGNETOGYR复合搅拌技术。1973～1975年，新日本钢铁公司先后在君津、大分钢厂板坯铸机上开发应用了NSC-DKS S-EMS。1975～1977年，瑞典ASEA公司将经营多年的低频行波磁场电磁搅拌器应用于斯文斯克特钢铁公司(SSAB，Oxelo—suned，Sweeden)的板坯s一。EMS获得成功。1972～1980年，IRSI[)一CEM在敦刻尔克(I)unkerque)钢厂的板坯铸机上开发应用了辊式二冷区电磁搅拌(IR—S—EMS)。由于板坯结晶器铜板较厚，磁屏蔽作用很大，因此开发板坯铸机用M—EMS尤为困难。首先获得工业化应用的是ASEA和川崎制铁开发的电磁制动技术(EMBR)。

对铸坯质量的作用 连铸电磁搅拌过程是一个冶金学与磁流体力学相耦合的复杂过程，它对铸坯质量的作用有：

(1)扩大铸坯等轴晶带。柱状晶特别发达是铸坯的结构特点和弱点。扩大和细化等轴晶带可以增加铸坯抗裂性、消除中心缩孔、减轻中心疏松和中心偏析。电磁搅拌可通过流动母液对树枝晶前端的动力折断作用和熔蚀作用而造成大量晶枝碎片供作晶核(图1)；同时，强力流动可大大加速液芯的传热而使过热度迅速消失，两相区迅速扩大；再者，强力流动加速传质，使凝固前沿扩散边界层减薄而浓度梯度增大，故使两相区内成分过冷增加。这三者恰合等轴晶发展三要素，所以电磁搅拌是扩大铸坯等轴晶带的有效措施。

(2)改善铸坯表层质量。良好的铸坯表层质量指坯面振痕浅、无裂纹、无渣斑，表层10mm之内无气孔、无大型夹杂。借电磁力增强结晶器中的向上流股，一则把高温钢流带到弯月面顶端，使初始凝固弯月面壳缩短，从而使振痕变浅；二则不断清洗表层区域的夹渣和大型夹杂及气泡；三则造成结晶器内“热顶端”条件，有利于保护渣的作用机制，从而有利于防止表面裂纹。

(3)改善铸坯中的夹杂物分布。大于30μm的夹杂物在铸坯内弧侧的聚集，是弧型连铸机的先天性弱点。而当内弧侧液芯受到电磁搅拌力时，这些夹杂物被清洗向液芯，并同时上浮。它们或是上浮至顶端而被去除，或是随机地被凝固前沿所捕获而呈弥散态分布，从而消除或减轻夹杂物在铸坯内弧侧的聚集。

(4)消除铸坯缩孔改善中心疏松。阿尔贝尼(R．J．Alberny)提出的“小钢锭机理”，已被公认为铸坯中心缩孔疏松的形成机理。借电磁力使液芯流动而产生对凝固前沿树枝晶的冲刷和熔蚀，使凝固前沿变得比较平滑；同时，由于电磁搅拌促使液芯过热度迅速消失，会使尖锐狭窄的液相穴底部变得圆滑而较宽，结果，可避免凝固前沿的树枝晶搭桥，从而可避免液相穴底部形成“小钢锭缩孔”；加之电磁搅拌产生的大量碎枝晶核向液相穴底部沉淀充填和竞相长大，就可形成较密的坯心结构。从而可避免或减轻铸坯中心疏松。

(5)减轻铸坯中心偏析。铸坯中心偏析通常与中心缩孔疏松共生或是在纵剖面上以V形偏析形态存在。其形成机理主要有两种学说。其一称为“小锭机理”，即在液相穴底部，当树枝品搭桥时，在树枝桥下部的缩孔凝固收缩而产生吸力，通过枝晶间隙向下抽吸富含杂质的母液，致成中心局部正偏析，而在树枝晶桥的上方则形成局部负偏析，如此周期性地发生，则形成铸坯内一串中心偏析。其二称为“等轴晶区滑移机理”，即在液相穴底部，随着凝固收缩的发生，沉积的等轴晶粒周期性地像雪崩一样发生滑移，富含杂质的母液被抽吸于滑移断层之间而形成中心局部偏析。借电磁力可阻止残余母液通过枝晶网络的流动，也可促进等轴晶连同枝晶间母液一起填向液相穴底部，其结果，可阻止铸坯按上述两种机理产生中心偏析，从而有效地减轻中心偏析程度。

(6)改变铸坯中搅拌带的树枝晶形态。电磁搅拌引起铸坯液芯强力流动，会改变与其同期成长的树枝晶形态。当无搅拌时，树枝晶基本垂直于凝固前沿发展。当液芯受定向电磁力作用，以层流形式冲刷树枝晶前沿时，由于树枝晶迎着流股的一侧的杂质被强烈冲洗而使此处母液熔点提高，故使枝晶易于向此一侧成长，终致形成朝向流股冲洗方向倾斜的树枝晶；同时在强力流动下，因枝晶间成分过冷减小而使枝晶二次轴很不发达。当液芯以紊流形式冲刷树枝晶前沿时，由于对树枝晶的冲刷方向不停地改变，树枝晶不可能向一个固定的方向倾斜成长，结果形成了灌木状的细密树枝晶垂直于凝固前沿发展。在经历强力搅拌的同时成长起来的凝固层，含碳、硫等溶质元素较少，铸坯断面的酸浸和硫印图上呈负偏析白亮带，它对零件的淬火硬度均匀性和薄板的平整度、光亮性均有不利影响。电磁搅拌引起的强力流股将凝固前沿两相区内的富溶质母液冲刷出去，就形成了白亮带；同时，当凝固前沿进入强力搅拌区时，因液芯过热释放速率突增而使凝固速率突减，此时因选分结晶而析出溶质的速率随之突减，致使此时凝固的一层坯壳含溶质较少而形成自亮带。当搅拌过强时就会引起明显的负偏析白亮带。

连铸电磁搅拌器类型 为借助电磁力使铸坯液芯产生不同的流态，可以使用不同类型的电磁搅拌器，安装于铸流的不同位置；还可以在同一铸流的不同位置分别安放不同的搅拌器进行复合搅拌；安装于结晶器内的称为结晶器电磁搅拌(M—EMS)；安装于二次冷却段的称为二冷段电磁搅拌(S—EMS)；若安置于铸流液芯直径小于40mm的区段，则称凝固末端电磁搅拌(F—EMS)。图2为方坯连铸电磁搅拌器的基本类型示意；图3为板坯连铸电磁搅拌器的基本类型示意。虽然电磁搅拌器的实际类型与结构繁多，但根据其磁场运动特征可归纳为旋转磁场型、行波磁场型、螺旋磁场型和恒定磁场型等4类。

旋转磁场型 借助交流旋转磁场和借机械驱动永久磁极旋转而产生的旋转磁场，使液芯感生电流并使之类同于感应电动机转子作旋转运动的电磁搅拌器。主要类型有5种：

(1)IRSID一CEM搅拌器。它是由法国钢铁研究院(IRSID))和法国电机公司(CEM)合作研制的，分布绕组感应电机型搅拌器，可以是三相二极或二相二极。用作S—EMS时，采用工频电源；用作F—EMS时，采用工频电源或低频电源。

(2)Magnetogyr搅拌器。它是一个二相二极集中绕组旋转磁场感应器，套置于方坯结晶器铜管外的冷却腔体内。一般采用4～12Hz电源馈电，是．Rotelec公司研制的M—EMS。

(3)Ferrc0一Toronto搅拌器。由加拿大的Ferrco—Ro—tenec集团研制的方坯M一EMS，基本结构与Magnetogyr相似，但感应器铁芯高度可调，采用“交一交”变频电源馈电。

(4)RMS搅拌器。由日本住友金属公司研制的用于方坯M—EMS或S—EMS的搅拌器。采用液压马达机械传动使一对永久磁极围绕铸坯旋转，从而形成旋转磁场而推动液芯转动。

(5)DPC搅拌器。由日本神户制钢研制的大方坯S—EMS或M—EMS搅拌器。采用4组绕组分别布置在铸坯四面，两对绕组分别采用不同频率电源馈电，可使液芯产生不断改变流速和方向的紊流搅拌。

行波磁场型 类同于直线电机，行波磁场搅拌器即为展平的旋转磁场搅拌器，它推动钢液作直线运动。其主要类型有5种：

(1)NSC-DKS搅拌器。由新日本钢铁公司研制的用于板坯S—EMS或F—EMS的搅拌器。它将一对宽度仅100mm的行波磁场搅拌器相对布置在板坯内外弧两侧辊隙之中，搅拌器很贴近铸坯表面，推动液芯沿板坯横断面形成运动回路。它可采用工频电源馈电或4～16Hz三相低频电源馈电。

(2)IR搅拌器。将直线电机采用克兰姆绕组，制成辊状，外套声300mm左右的不锈钢筒。用之作为板坯连铸机的支承辊，采用4～10Hz低频电源馈电，即可驱动液芯作横向直线运动。一般在二冷区上段外弧侧和二冷区下段内弧侧各安置两个辊式搅拌器，则可在液相穴的1／3长度内产生蝴蝶形搅拌流态。它是法国钢铁研究院开发的。

(3)Coneast—ASEA搅拌器。它是一个平面直线电机，可在板坯铸机内弧侧采用3根无磁性支承辊，将其安置在辊子外侧，采用O．3～3Hz电源馈电，推动液芯作横向直线运动，并形成流动回路；也可在方坯铸机上贴近内弧侧坯面安置，采用工频或低频电源馈电，行波磁场沿铸流纵向推动液芯作直线运动，并形成流动回路。它是瑞典ASEA公司开发的。

(4)AEG—Elotherm搅拌器。它是德国AEG—Elotherm公司开发的，采用集中绕组和大齿距铁芯，并将铁芯齿长增大，嵌入板坯或方坯铸机支承辊的辊缝中。一般采用工频电源馈电，行波磁场沿铸流纵向推动液芯作直线运动，并形成流动回路。

(5)板坯结晶器搅拌器。法国钢铁研究院和电机公司，将分布绕组直线搅拌器水平安置在结晶器的内、外弧宽面，分别激发沿宽度方向行进、且方向相反的行波磁场，使钢液作相向运动，形成水平环流搅拌。新日本钢铁公司则是把两个铁芯高度很小的直线搅拌器安置在结晶器的上部，旨在驱使板坯初始坯壳内的钢液作水平环流搅拌，以消除“代用沸腾钢”铸坯的皮下气泡。此外还有将一对或两对直线搅拌器竖向安置在结晶器的两个宽面，激发出相同运动方向、且平行于铸流轴线的行波磁场，使钢液作垂直运动，形成双环流搅拌。由于结晶器铜壁的磁阻极大，故上述搅拌器均须用低频电源馈电，一般为0．3～3Hz。

螺旋磁场型 它的磁场既作旋转运动，又作直线运动，结果合成为螺旋形运动。这种搅拌器用于方坯的S—EMS或F—EMS，驱使液芯作螺旋运动。

恒定磁场型 它是用一对或多对永久磁铁或直流电磁铁产生的静磁场，作用于铸坯液芯，起到控制流动的作用。它包括两种类型的搅拌器：

(1)静磁场液芯通电搅拌器。由日本住友金属公司开发成功，用于板坯和方坯的S—EMS。它是在铸坯内、外弧辊缝中安置一对或多对永久磁铁或直流电磁铁，并通过支承辊向铸坯液芯通以直流大电流。根据楞次定律，直流电流与静磁场相互作用而产生电磁力，驱使液芯运动。借助于将多对磁极按不同方式布置于辊缝中，则可在整个静磁场覆盖区域内，产生多个方向不同的小环流驱动力，从而造成在该液芯区域的紊流搅拌。

(2)电磁制动器(EMBR)。由瑞典ASEA(现为ABB)公司开发并与日本川崎钢铁公司合作实机试验获得成功。图4所示是它的第一代产品原理图。由图4可知对应浸入式水口的两个侧孔注流冲出点，在结晶器的宽面安置两对直流电磁极，产生两个静磁场。当注流以相当大的速度从侧孔流出，垂直切割磁场时，注流钢液中感生电流并同时引起电磁力，其方向与浇注方向相反，并制动注流，使之分裂而向周围流动，是谓电磁制动。应用于板坯结晶器的电磁制动器发展较快，已研制出第三代产品。图5为日本川崎钢铁公司称为FC结晶器使用和不使用的钢水流态图，可知其冶金效果。

图4  板坯注流电磁制动器结构原理图