1、1方圆坯特殊钢连铸凝固末端电磁搅拌应用岳阳中科电气有限公司 李爱武、蒋海波 1、概述连铸电磁搅拌能有效地改善连铸坯内部的组织结构，减少中心偏析及中心缩孔，大大增加等轴晶率。已成为连铸、特别是品种钢连铸必不可少的一种工艺手段。连铸电磁搅拌的实质在于借助电磁力的作用来强化铸坯中末凝固钢液的运动，从而改变钢水凝固过程中的流动，传热和迁移过程，达到改善铸坯质量的目的。结晶器电磁搅拌（MEMS）可以明显改善中碳钢、中低合金钢的内部及皮下质量，但对于高碳钢、高合金钢、不锈钢等特殊钢来说，仍存在中心偏析、中心缩孔、中心裂纹等问题，甚至在所谓的糊状区终点处形成“V”形槽即“V”形宏观偏析。尤其对于象不锈钢这样
2、的多合金高合金钢，由于枝晶发达中心裂纹及缩孔非常明显。要解决这些问题，凝固末端电磁搅拌（FEMS）是一个非常有效的手段。2、凝固末端电磁搅拌（FEMS）的作用机理及条件2.1、高碳钢、高合金钢连铸的凝固特征及缺陷高含碳量、高合金含量有使凝固组织恶化的趋势。高碳钢、高合金钢的液相与固相间温度区间较大，凝固间隙长度增加，粘稠区加宽。因此容易形成中心偏析、中心裂纹和中心缩孔。这些缺陷对产品的机械性能和耐腐蚀性能会产生有害的影响。在不锈钢冷轧板中出现单相波纹。宏观偏析是在凝固末端粘稠区内的溶质富集的钢液由于凝固收缩引起流动、沿粘稠区内枝晶间通道传输、聚集而成的。显然它极大地受粘稠区内钢液流动和传质所控
3、制，有时形成中心偏析，有时形成 V 形偏析。中心偏析是由于铸坯在凝固过程中倾向于生成柱状晶，产生搭桥现象而产生的。V 形偏析形成的原因比较复杂，主要是由粘稠区内等轴晶凝固时产生的收缩力及对钢液的抽吸力和钢液沿树枝晶的渗透引起的，可以用著名的 V 形偏析凝固模型来解释。偏析的严重程度与凝固时间有关，时间越长越严重。由于高含碳量、高合金含量的钢凝固时间长，因此偏析也就更严重。2.2、凝固末端电磁搅拌的冶金机理a）促进柱状晶向等轴晶转化，产生宽而细的等轴晶区，使之能致密充满凝固末端；减少二次枝晶的臂间距，以控制粘稠区的渗透性。2b）提高凝固率，减少凝固时间间隔。c）在中心区分散偏析斑点，使粘稠区变窄
4、。d）保持粘稠区的流动性以及温度和成分的均匀性。e）阻碍钢液在枝晶间的渗透和偏析槽的形成。需要指出的是，单一采用凝固末端电磁搅拌冶金效果不会很明显。只有组合采用结晶器+凝固末端电磁搅拌才能有效达到以上目的。结晶器电磁搅拌能大幅降低钢液的过热度，缩短凝固时间，从而产生宽且细的等轴晶区；而凝固末端电磁搅拌可进一步细化等轴晶并能保持粘稠区的流动以及温度与成份的均匀。因此可以明显减轻宏观偏析。2.3、凝固末端电磁搅拌的最佳搅拌条件a)有效的结晶器电磁搅拌是保证凝固末端电磁搅拌冶金效果的首要条件有效的结晶器电磁搅拌可以使铸坯的凝固组织变为致密的细等轴晶，这是凝固末端电磁搅拌产生良好冶金效果的最佳前提，因
5、此必须要先经结晶器电磁搅拌。b)合式的安装位置凝固末端电磁搅拌所需要解决的冶金问题决定了其安装位置的极端重要。过早搅拌等同于二冷区电磁搅拌不能起到应有的效果；而过迟搅拌钢水已经凝固，搅拌已失去意义。因此，错误的安装位置不但对需要解决的问题没有效果，甚至还有可能起反作用。合式的凝固末端电磁搅拌的最佳时机应该是从固相率为 0.1 时开始，综合连铸机的实际情况，一般认为凝固末端电磁搅拌以安装在铸坯未凝固率 20%-28%的区域比较合适。考虑到连铸工艺的差异性，一般在上下各 1 米处再预留 2 个安装点。当然，如果能够做到连续移动是最理想的。值得指出的是：凝固末端位置是受拉速影响的，因此，保持拉速的稳
6、定非常重要！c)有效搅拌范围、搅拌方式及搅拌强度为了尽可能获得稳定优良的冶金效果，凝固末端电磁搅拌的搅拌强度、搅拌方式及搅拌范围都与结晶器电磁搅拌有较大的区别，主要表现在：1）为了避免过强的搅拌流冲刷铸坯凝固前沿而产生负偏析（白亮带） ，末端电磁搅拌一般都采用大范围且交替搅拌的搅拌方式。2）由于 22-28%的未凝固率是用数学模型计算出来的，因此与实际情况会有一定出入，同时由于连铸机拉速、二冷配水等工艺参数的差异性也使得未凝固率存在一定的变化。因此，为了使凝固末端尽可能的涵盖这一区域，要求凝固末端电磁搅拌的有效搅拌范围尽可能的长。33）完成一个最佳交替搅拌的周期一般是正转 5 秒、停顿 1 秒
7、、反转 5 秒，共 11 秒钟时间。最高拉速按 2.5m/min 考虑，11 秒钟的拉坯长度是 458mm；也就是说凝固末端电磁搅拌器的均匀磁场范围要超过 458mm。考虑到电磁搅拌器的端部效应，其铁芯高度至少要在 450mm 以上。4）为了获得稳定的冶金效果，有效搅拌区域内的磁场要求尽可能的均匀。5）搅拌强度要达到 10-20cm/s3、凝固末端电磁搅拌器的技术特点3.1、结构特点电磁搅拌器主要由绕组与铁芯构成。按绕组与铁芯的结构型式不同，凝固末端电磁搅拌器主要有 E 字铁芯扁线绕组水外冷、E 字铁芯铜管绕组水内冷、环形铁芯扁线绕组水外冷与环形铁芯铜管绕组水内冷等四种型式。凝固末端电磁搅拌器
8、大多采用环形铁芯铜管绕组水内冷结构型式。图 1 为产品照片。图 1 凝固末端电磁搅拌器 图 2 克兰姆铜管绕组绕组型式决定了电磁搅拌器的使用寿命。凝固末端电磁搅拌器的绕组多采用铜管绕组（见图 2） 。线圈用外包绝缘层的空芯铜管绕制而成，冷却水从铜管内流过进行冷却。铜管绕组具有很多特点：a.绝缘层不与水接触，对地绝缘可一直保持不变，使用寿命长。b.可以取较高的工作电压而降低工作电流，减小电能损耗，为同等扁线绕组的 75%左右。c.冷却十分均匀，冷却效果非常好，因而冷却水量很小，仅为同等扁线绕组的 1/5 左 d.冷却水无方向性非常适合倾斜安装的凝固末端电磁搅拌器。4铁芯型式决定了电磁搅拌器的磁场
9、性能与冶金效果。凝固末端电磁搅拌器的最佳铁芯型式为环形铁芯，其结构见图 3。图 3 环形铁芯内部结构图中：1环形铁芯，2线圈，3外壳环形铁芯具有如下优点：a.环形铁芯为环状光滑无齿槽结构，内部磁场均匀，搅拌效率高。b.不存在齿槽漏磁，内部漏磁小。c.12 个线圈均匀分布，端伸短，铁芯高度高（比 E 字型铁芯高 30%左右） ，有效工作范围长，搅拌时间长，非常适合需要大范围搅拌的凝固末端使用。3.2、磁场和电磁力特征下图 4 为环形铁芯凝固末端电磁搅拌器磁感应强度 Br 的空间分布。01002003004005006007008000 20 40 60 80 100 120 140 160 18
10、0 200 220 240 260 280 300 320 340 360r=100r=230I=250A ()Br(Gs)5图 4 环形铁芯电磁搅拌器磁感应强度 Br 的空间分布从图 4 可以看出：环形铁芯内圆没有齿槽，因而内部磁场没有大起大落的波峰波谷，尤其在搅拌器中心 200 圆范围内，磁场基本为一直线，非常均匀。而这一范围正好是铸坯内钢液的区域。均匀的磁场将在这一区域内产生十分均匀且高效的搅拌力。非常适合凝固末端搅拌要求。4、二个应用实例4.1、连铸机的技术性能序号 项目 单位 性能与设备参数1 型式 四点矫直弧形方-圆坯连铸机 全弧型方-圆坯连铸机2 流数 流 6 43 弧形半径 m
11、 10.5 104 铸坯规格 mm 150、 210、270、150 方150 方、180 方、200、2405 冶金长度 m 33 27所在钢厂 天管公司二炼钢 济源钢铁公司炼钢厂4.2、凝固末端电磁搅拌器的主要技术性能型号 DJFR-400C DJFR-360C运行方式 连续、交替、间歇 连续、交替、间歇冷却方式 铜管绕组水内冷 铜管绕组水内冷线圈进水压力 0.7Mpa-0.8MPa。 0.7Mpa-0.8MPa。线圈冷却水流量 2.4m3/h 2.2m3/h壳体进水压力 0.3Mpa-0.4MPa。 0.3Mpa-0.4MPa。壳体冷却水流量 9m3/h 6m3/h适用断面 150 方、
12、150、210、270 150 方、180 方、200、240电压 最大 400V 最大 400V电流 400A 350A频率 6-20Hz(10Hz) 6-20Hz(11Hz)有功功率 60kW/台 50kW/台技术参数绝缘等级 H 级 H 级6防护等级 IP68 IP68所在钢厂 天管公司二炼钢 济源钢铁公司炼钢厂4.3、凝固末端的安装位置图 5 安装位置示意图 图 6 现场安装图见上图 5，天管公司二炼钢凝固末端电磁搅拌安装在离弯月面下大致 9 米处，河南济源钢铁公司炼钢厂安装在离弯月面下大致 8 米处。4.4、凝固末端电磁搅拌的参数设定a)浇注特殊钢钢种及成份天管公司二炼钢： 13Cr
13、、HP13Cr、SUP13Cr、9Cr1Mo。Ni：5%，Cr：9.5-14.5%，Mo ：1-2%。济源钢铁公司炼钢厂：65-80、65Mn、60Si2Mn、55Si2MnC：0.52-0.90%、Mn：0.9-1.2%、Si：1.5-2.0%b) 凝固末端电磁搅拌参数设定值天管公司二炼钢：1040787210mm 270mm 断面钢种 电流 A 频率 Hz 正转 S 停 S 反转 S 电流 A 频率 Hz 正转 S 停 S 反转 S13Cr 400 8 15 2 15 380 8 15 2 15HP13Cr 400 9 15 2 15 400 8 15 2 15SUP13Cr 400 9
14、15 2 15 400 8 15 2 159Cr1Mo 400 8 15 2 15 380 8 15 2 15济源钢铁公司炼钢厂：150 方 180 方 断面钢种 电流 A 频率 Hz 正转 S 停 S 反转 S 电流 A 频率 Hz 正转 S 停 S 反转 S65-82 350 10 15 2 15 330 9 15 2 1565Mn 350 10 15 2 15 430 9 15 2 1560Si2Mn 330 11 15 2 15 310 9 15 2 1555Si2Mn 320 11 15 2 15 300 10 15 2 15200mm 240mm 断面钢种 电流 A 频率 Hz 正
15、转 S 停 S 反转 S 电流 A 频率 Hz 正转 S 停 S 反转 S65-82 280 9 15 2 15 250 8 15 2 1565Mn 280 9 15 2 15 250 8 15 2 1560Si2Mn 260 10 15 2 15 240 9 15 2 1555Si2Mn 250 10 15 2 15 230 9 15 2 154.5、凝固末端电磁搅拌的冶金效果天管公司二炼钢通过以增加凝固末端电磁搅拌装置为重点的连铸机设备功能完善改造，对不锈钢连铸获得了很好的冶金效果。a)凝固中心获得了很好的细等轴晶区。b)中心缩孔减小到 0-0.5 级。c)中心裂纹基本消除。d)中心疏松减
16、小到 0.5 级。8济源钢铁公司炼钢厂 2 号机安装了结晶器+凝固末端电磁搅拌器，经过半年多的使用，对高碳钢获得了很好的冶金效果。a)凝固中心获得了很好的细等轴晶区，平均等轴晶达到 50%以上。b)中心缩孔减小到 0-0.5 级。c)中心裂纹基本消除。d)中心疏松减小到 1.0 级。4.6、有无凝固末端电磁搅拌的铸坯低倍对比图 7 天管 SUP13Cr， 270 圆，无凝固末端电磁搅拌 图 8 天管 SUP13Cr，270 圆有凝固末端电磁搅拌图 9 济源横剖，炉号： 3-15199，4 流，75# 图 10 济源纵剖，炉号：3-15199 ，4 流，75# 中心疏松：1.0 级 等轴晶：86mm 轻微缩孔、轻微疏松9图 11 济源横剖，炉号：3-15199 ，2 流，75# 图 12 济源纵剖，炉号：3-15199 ，2 流，75# 中心疏松：1.0 级 等轴晶：81mm 缩孔 0、轻微疏松
