连铸电磁搅拌方案课件.ppt

报告内容报告内容n引言引言n电磁搅拌的结构与原理电磁搅拌的结构与原理n电磁搅拌的设计与要求电磁搅拌的设计与要求n电磁搅拌的影响因素电磁搅拌的影响因素n结晶器电磁搅拌数值模拟结晶器电磁搅拌数值模拟n电磁搅拌与铸坯质量效果电磁搅拌与铸坯质量效果n小结小结电磁连铸技术电磁连铸技术电磁连铸技术电磁连铸技术连铸电磁搅拌的发展历程连铸电磁搅拌的发展历程l19世纪初，法国人世纪初，法国人Faraday从事磁流体动力学从事磁流体动力学(MHD)的研究l1922年，美国年，美国J. D. Mcneill获得了获得了EMS控制凝固过程的专利控制凝固过程的专利l1952年年，，德德国国在在半半工工业业连连铸铸机机上上试试验验第第一一台台二二冷冷区区电电磁磁搅搅拌拌器；奥地利进行了结晶器工频旋转电磁搅拌的工业试验器；奥地利进行了结晶器工频旋转电磁搅拌的工业试验l1973年，法国年，法国SAFE厂，在方坯连铸机采用电磁搅拌技术厂，在方坯连铸机采用电磁搅拌技术l1979年，法国采用新型搅拌辊，进行板坯连铸电磁搅拌年，法国采用新型搅拌辊，进行板坯连铸电磁搅拌l1982年，英国人首次提出年，英国人首次提出MHD在冶金中应用的明确概念。

在冶金中应用的明确概念l1985年，年，ISIJ把把MHD在冶金中的应用称为电磁冶金在冶金中的应用称为电磁冶金l1989年，电磁冶金改称为材料电磁加工年，电磁冶金改称为材料电磁加工(EPM)l1990‘s，，电电磁磁搅搅拌拌技技术术日日趋趋成成熟熟，，在在大大、、小小方方坯坯，，圆圆坯坯和和板板坯坯连铸应用，同时新的电磁搅拌技术不断地被开发和应用连铸应用，同时新的电磁搅拌技术不断地被开发和应用报告内容报告内容n引言引言n电磁搅拌的结构与原理电磁搅拌的结构与原理n电磁搅拌的设计与要求电磁搅拌的设计与要求n电磁搅拌的影响因素电磁搅拌的影响因素n结晶器电磁搅拌数值模拟结晶器电磁搅拌数值模拟n电磁搅拌与铸坯质量效果电磁搅拌与铸坯质量效果n小结小结电磁搅拌器的布置方式电磁搅拌器的布置方式按安装位置：按安装位置：结晶器结晶器-EMS、二冷区、二冷区-EMS、凝固末端、凝固末端-EMS(a) M-EMS ( b) S-EMS (c) F-EMS安装在铸机不同位置的电磁搅拌安装在铸机不同位置的电磁搅拌电磁搅拌器的布置方式电磁搅拌器的布置方式 —— 组合形式组合形式S1+S2 M+F S+F M+S+F电磁搅拌器的布置方式电磁搅拌器的布置方式电磁搅拌的工作原理电磁搅拌的工作原理在结晶器、二冷段区域或凝固末端施加低频电磁场，利用电磁搅在结晶器、二冷段区域或凝固末端施加低频电磁场，利用电磁搅拌改善钢水凝固过程中的流动、传热和迁移过程，提高铸坯等轴拌改善钢水凝固过程中的流动、传热和迁移过程，提高铸坯等轴晶率比率，减轻成分偏析，消除中心疏松，以扩大生产钢种。

晶率比率，减轻成分偏析，消除中心疏松，以扩大生产钢种旋转磁场旋转磁场 线性行波磁场线性行波磁场电磁搅拌的工作原理电磁搅拌的工作原理（旋转电磁搅拌）（旋转电磁搅拌）电磁搅拌器的结构电磁搅拌器的结构凸极式凸极式圆圆环形轭铁上嵌有六个凸极环形轭铁上嵌有六个凸极铜扁线绕制铜扁线绕制（外冷）（外冷）每个凸极上套一个每个凸极上套一个O形绕组形绕组冷却不均匀且有死角冷却不均匀且有死角；； 冷却水量大冷却水量大；；冷却冷却效果差效果差；；制作较简单制作较简单；；体积较小体积较小；；成本较成本较低低；；使用寿命较短使用寿命较短环形式环形式一圈环形轭铁一圈环形轭铁；；铜管绕制铜管绕制（内冷）（内冷）12个绕组全部套在轭铁上个绕组全部套在轭铁上（（克兰姆绕组克兰姆绕组））冷却均匀无死角冷却均匀无死角；；冷却水量小冷却水量小；；冷却效果冷却效果好好；；制作较复杂制作较复杂；；体积稍大体积稍大；；成本较高成本较高；；寿命较长寿命较长1）有效作用长度长；）有效作用长度长；2）电磁力矩和能效大）电磁力矩和能效大3）使用寿命长得多（一倍以上））使用寿命长得多（一倍以上）电磁搅拌的工作原理电磁搅拌的工作原理1.根根据据电电磁磁感感应应定定律律，，闭闭合合回回路路内内的的磁磁通通量量发发生生变变化化时时，，闭合回路将产生感应电动势。

闭合回路将产生感应电动势l电电磁磁搅搅拌拌器器产产生生的的交交变变电电磁磁场场(B)，，在在围围绕绕导导电电的的金金属属熔熔体体变变化化时时，，磁磁场场和和金金属属液液间间产产生生相相对对运运动动，，使使导导电电回回路内的磁通量发生变化路内的磁通量发生变化l由由于于磁磁场场以以一一定定的的速速度度(V)切切割割处处于于交交变变磁磁场场之之中中的的金金属熔体，使其内部产生感应电流属熔体，使其内部产生感应电流(I)：：I=  （（V   B）） 2.该电流与磁场相互作用产生电磁力该电流与磁场相互作用产生电磁力(F)：： F= I   B l电磁力作用在金属熔体上，从而驱动金属熔体运动电磁力作用在金属熔体上，从而驱动金属熔体运动通电线圈合成磁场的磁极分布通电线圈合成磁场的磁极分布iA(t)=Imsin t iB(t)=Imsin( t -120o) iC(t)=Imsin ( t + 120o)  t = 0o  t =90o  t = 180o 电磁搅拌的工作原理电磁搅拌的工作原理（旋转电磁搅拌）（旋转电磁搅拌）液态金属旋转运动的特点及运动规律液态金属旋转运动的特点及运动规律 运动对液态金属的凝固过程的影响主要体现在对凝固界面运动对液态金属的凝固过程的影响主要体现在对凝固界面前沿的冲刷，这种冲刷作用影响了液态金属凝固过程的传热、前沿的冲刷，这种冲刷作用影响了液态金属凝固过程的传热、传质及最终的凝固组织。

传质及最终的凝固组织电磁搅拌液态金属运动速度分布电磁搅拌液态金属运动速度分布机械搅拌液态金属运动速度分布机械搅拌液态金属运动速度分布离液态金属中心的距离，离液态金属中心的距离，x/mm离液态金属中心的距离，离液态金属中心的距离，x/mm搅拌速度，搅拌速度，rad/min搅拌速度，搅拌速度，rad/min电磁搅拌的工作原理电磁搅拌的工作原理（旋转电磁搅拌）（旋转电磁搅拌）一、一、MEMS作用下结晶器内的流场：作用下结晶器内的流场：1）无）无EMS时，时，由于重力作用，水口出流钢液快速向下，冲击由于重力作用，水口出流钢液快速向下，冲击结晶器壁，形成上返流和向下的主流；结晶器壁，形成上返流和向下的主流；2）施加旋转磁场后，）施加旋转磁场后，在以搅拌器在以搅拌器为中心对称的一段区域内形成为中心对称的一段区域内形成一强烈的环形流场一强烈的环形流场 — 主流场；主流场；l旋转钢液碰到结晶器壁或初始旋转钢液碰到结晶器壁或初始凝固坯壳后，形成上下两股分凝固坯壳后，形成上下两股分流，即二次流场；流，即二次流场；l搅拌作用越强，影响区域越大搅拌作用越强，影响区域越大向上流场可到达弯月面，向下向上流场可到达弯月面，向下流场可以直达结晶器出口；流场可以直达结晶器出口；l影响区域大小取决于钢液的搅影响区域大小取决于钢液的搅拌速度。

拌速度电磁搅拌的工作原理电磁搅拌的工作原理电磁搅拌扩大等轴晶区示意图电磁搅拌扩大等轴晶区示意图电电磁磁搅搅拌拌可可通通过过流流动动金金属属液液对对树树枝枝晶晶前前端端的的动动力力折折断断及及熔熔蚀蚀作作用用造造成成大大量量枝枝晶晶碎碎片片供作晶核；供作晶核；同同时时强强力力流流动动可可大大大大加加速速液液心心的的传传热热而而使使过过热热度度迅迅速速消消失、两相区迅速扩大；失、两相区迅速扩大；强强力力流流动动还还可可加加速速传传质质，，使使凝凝固固前前沿沿扩扩散散边边界界层层减减薄薄而而浓浓度度梯梯度度增增大大，，两两相相区区成成分分过过冷冷增增加加，，有有利利于于等等轴轴晶晶的的发展电磁搅拌的工作原理电磁搅拌的工作原理凝固前沿电磁搅拌细化晶粒示意图凝固前沿电磁搅拌细化晶粒示意图枝晶臂碎片枝晶臂碎片枝晶重熔枝晶重熔电磁力引起的紊流流动电磁力引起的紊流流动新形核基底新形核基底初生枝晶初生枝晶电电磁磁搅搅拌拌引引起起的的熔熔体体强强烈烈流流动可以打断或弯曲枝晶臂动可以打断或弯曲枝晶臂部部分分枝枝晶晶碎碎片片将将作作为为金金属属液液凝凝固固时时的的额额外外晶晶核核；；另另一一部部分分富富溶溶质质枝枝晶晶碎碎片片将将被被液液流流带带到到远远离离枝枝晶晶的的液液穴穴中中重重熔熔，，更更多多形形核核基基底底的的出出现现和和枝枝晶晶碎碎片片重重熔熔带带来来的的温温度度均均匀匀化化将将促促进进更更多多等等轴轴晶晶的的形形成成，，从从而而实实现现提提高高铸铸坯坯等等轴轴晶晶率率、、减减少少中中心心偏偏析析、、中中心心疏疏松松和和缩缩孔孔、、改改善善铸铸坯坯凝凝固固组组织织的的目的。

目的 电磁搅拌的工作原理电磁搅拌的工作原理柱状晶形成的影响因素柱状晶形成的影响因素1）钢种（碳含量）：凝固两相糊状区大小；透磁效果等）钢种（碳含量）：凝固两相糊状区大小；透磁效果等2）过热度）过热度3）拉速）拉速4）断面尺寸）断面尺寸电磁搅拌抑制柱状晶生长的作用电磁搅拌抑制柱状晶生长的作用1）金属熔体流动的机械力，抑制柱状晶生长）金属熔体流动的机械力，抑制柱状晶生长2）钢液中的碎片，对柱状晶产生剪切行为）钢液中的碎片，对柱状晶产生剪切行为3）过热钢水使柱状晶重熔，或部分重熔而更易于破碎，）过热钢水使柱状晶重熔，或部分重熔而更易于破碎，乃至被钢流卷走乃至被钢流卷走4）由于过热的加速耗散，大量细小晶粒快速生长，抑制）由于过热的加速耗散，大量细小晶粒快速生长，抑制柱状晶发展柱状晶发展电磁搅拌的工作原理电磁搅拌的工作原理1. 电磁搅拌的机械效应电磁搅拌的机械效应1) 可以促进壁面处结晶的形成和游离，增加晶核数量；可以促进壁面处结晶的形成和游离，增加晶核数量；2) 当搅拌强度较小时（层流），当搅拌强度较小时（层流），树枝晶会迎着流动方向倾斜树枝晶会迎着流动方向倾斜3) 在较强的电磁搅拌作用下，在较强的电磁搅拌作用下，钢液冲刷速度加大，凝固前沿钢液冲刷速度加大，凝固前沿不光滑，强制对流流动呈紊流状态，树枝晶受到很大抑制；不光滑，强制对流流动呈紊流状态，树枝晶受到很大抑制；一部分不仅可以切断及熔蚀柱状晶的晶臂，形成大量的枝一部分不仅可以切断及熔蚀柱状晶的晶臂，形成大量的枝晶碎片充当等轴晶的晶核，使晶粒成倍增长，从而有利于晶碎片充当等轴晶的晶核，使晶粒成倍增长，从而有利于凝固组织中晶粒的细化。

另一部分在糊状区，形成灌木丛凝固组织中晶粒的细化另一部分在糊状区，形成灌木丛状两相区凝固模型固液界面前沿流动对晶体形态的影响两相区凝固模型固液界面前沿流动对晶体形态的影响电磁搅拌的工作原理电磁搅拌的工作原理2. 电磁搅拌的热效应电磁搅拌的热效应1) 电电磁磁搅搅拌拌所所引引起起的的强强制制流流动动加加速速了了熔熔液液的的传传热热，，而而使使钢钢液液内内的的过过热热度度迅迅速速消消失失，，最最初初阶阶段段形形成成的的晶晶核核能能够够保保存存下下来来；；连连同因电磁搅拌作用形成的晶核一起被打碎、熔蚀而增殖同因电磁搅拌作用形成的晶核一起被打碎、熔蚀而增殖2) 当当过过热热释释放放掉掉，，钢钢液液温温度度下下降降到到液液相相线线温温度度和和固固相相线线温温度度之之间间时时，，又又会会出出现现一一些些小小晶晶核核，，并并保保留留在在液液体体中中，，随随着着进进一一步步冷冷却却而而生生长长，，最最终终以以体体积积结结晶晶方方式式凝凝固固，，形形成成细细等等轴轴晶晶结结构构的凝固组织的凝固组织3) 等等轴轴晶晶凝凝固固组组织织的的形形成成对对促促进进凝凝固固成成分分的的均均质质化化，，防防止止晶晶界界搭搭桥桥，，减减轻轻铸铸坯坯中中心心偏偏析析、、中中心心裂裂纹纹以以及及缩缩孔孔疏疏松松等等内内部部缺缺陷都有良好的作用。

陷都有良好的作用电磁搅拌的工作原理电磁搅拌的工作原理电磁搅拌的结构与工作原理电磁搅拌的结构与工作原理双线圈结晶器电磁搅拌双线圈结晶器电磁搅拌(Dual-MEMS)：：结晶器电磁搅拌的负面作用：结晶器电磁搅拌的负面作用：强搅拌使弯月面卷渣，反而强搅拌使弯月面卷渣，反而影响铸坯表面质量影响铸坯表面质量同时，强烈的旋转搅拌对水口产生严重的侵蚀作用，会增同时，强烈的旋转搅拌对水口产生严重的侵蚀作用，会增大夹杂物的几率，也影响连铸的作业率大夹杂物的几率，也影响连铸的作业率为此，一些公司致力于为此，一些公司致力于“双线圈电磁搅拌器的开发双线圈电磁搅拌器的开发电磁搅拌的结构与工作原理电磁搅拌的结构与工作原理Dual-MEMS：：由两个搅拌器（弯月面附近，结晶器下部）；由两个搅拌器（弯月面附近，结晶器下部）；两线圈单独供电，产生各自的频率、磁场和旋转方向两线圈单独供电，产生各自的频率、磁场和旋转方向ASSIST 方式：方式： 增加弯月面区域的搅拌流动；增加弯月面区域的搅拌流动；Brake方式：方式： 减少弯月面区域的搅拌流速，甚至流速为零减少弯月面区域的搅拌流速，甚至流速为零1）减少和消除铸坯表面修复；）减少和消除铸坯表面修复；2）） 减少减少SEN的侵蚀，增加连续的侵蚀，增加连续浇铸时间；浇铸时间；2）在不产生坯壳漏钢和）在不产生坯壳漏钢和/或内部或内部质量缺陷的情况下提高拉速；质量缺陷的情况下提高拉速；— 提供灵活的工作方式，改善提供灵活的工作方式，改善铸机生产率。

铸机生产率电磁搅拌的结构与工作原理电磁搅拌的结构与工作原理二、二冷区电磁搅拌二、二冷区电磁搅拌SEMS冶金效果：冶金效果：1）消除柱状晶搭桥：）消除柱状晶搭桥：2）提高等轴晶比率：）提高等轴晶比率：3）减少中心偏析：）减少中心偏析：4）减少中心缩孔和疏松：）减少中心缩孔和疏松：5）减少内裂）减少内裂工艺优点：工艺优点：1）放宽过热度：）放宽过热度：2）提高拉速：）提高拉速：3）减少压缩比：）减少压缩比：适用钢种：适用钢种：厚板钢；普钢；不锈钢；厚板钢；普钢；不锈钢；高合金钢高合金钢与旋转型搅拌相比，线性搅拌与旋转型搅拌相比，线性搅拌的特点：可强化钢液内对流，的特点：可强化钢液内对流，使钢液的高温区和低温区充分使钢液的高温区和低温区充分混合，有利于钢液中过热的耗混合，有利于钢液中过热的耗散和等轴晶的形成此外，可散和等轴晶的形成此外，可改变液相穴形状，有利于减轻改变液相穴形状，有利于减轻中心偏析和提高拉速中心偏析和提高拉速用心铸造世界用心铸造世界FEMS的安装位置的安装位置原则上，原则上，FEMS的安装位置在液芯的安装位置在液芯占坯厚的占坯厚的20~30%或凝固率为或凝固率为70~80%；；l碳含量高趋向下限，碳含量低趋碳含量高趋向下限，碳含量低趋向上限；向上限；l铸坯断面大趋向下限，铸坯断面铸坯断面大趋向下限，铸坯断面小趋向上限。

小趋向上限 FEMS安装位置示意图安装位置示意图三、凝固末端电磁搅拌：三、凝固末端电磁搅拌：FEMS的主要目的是改善芯部质量即的主要目的是改善芯部质量即中心偏析、缩孔和疏松；以及确保具有等轴晶的无缺陷芯部中心偏析、缩孔和疏松；以及确保具有等轴晶的无缺陷芯部l要有足够大的搅拌强度能使粥状区内高粘度的钢水能旋转起要有足够大的搅拌强度能使粥状区内高粘度的钢水能旋转起来，使凝固面前沿钢水流速达到来，使凝固面前沿钢水流速达到U=0.1~0.2m/s；；l实施交替搅拌实施交替搅拌电磁搅拌的结构与工作原理电磁搅拌的结构与工作原理MEMSSEMSFEMS电磁搅拌的结构与工作原理电磁搅拌的结构与工作原理报告内容报告内容n引言引言n电磁搅拌的结构与原理电磁搅拌的结构与原理n电磁搅拌的设计与要求电磁搅拌的设计与要求n电磁搅拌的影响因素电磁搅拌的影响因素n结晶器电磁搅拌数值模拟结晶器电磁搅拌数值模拟n电磁搅拌与铸坯质量效果电磁搅拌与铸坯质量效果n小结小结电磁搅拌器的选择原则电磁搅拌器的选择原则选择电磁搅拌系统的基本要素选择电磁搅拌系统的基本要素1) 冶金效果：冶金效果：表面和皮下质量；等轴晶提高；放宽过热度；表面和皮下质量；等轴晶提高；放宽过热度；改善中心偏析、缩孔、疏松、裂纹等；改善中心偏析、缩孔、疏松、裂纹等；2) 基本要求：基本要求：钢水有足够大的流速，钢水有足够大的流速，0.5~1.0m/s；足够大的；足够大的搅拌影响区；较强的混合能力。

搅拌影响区；较强的混合能力3) 连铸条件：连铸条件：铸坯断面尺寸，浇铸温度，钢种，冷却制度，铸坯断面尺寸，浇铸温度，钢种，冷却制度，铸机类型铸机类型4) 搅拌器：搅拌器： 搅拌位置，搅拌形式，电源频率、功率；搅拌搅拌位置，搅拌形式，电源频率、功率；搅拌方式，运行方式；方式，运行方式；电磁搅拌的设计与要求电磁搅拌的设计与要求各种因素对最佳频率（电磁力）的影响各种因素对最佳频率（电磁力）的影响对对应应电电磁磁力力最最大大的的频频率率成成为为最最佳佳频频率率电电磁磁力力与与感感应应器器表表面面磁磁感感应应强强度度的的切切向向分分量量幅幅值值B0成成正正比比所所以以，，各各种种因因素素对对电电磁磁力力的的影影响响归归结结为为最佳频率的选择最佳频率的选择1) 铸铸坯坯厚厚度度的的影影响响：：坯坯厚厚度度薄薄，，电电磁磁力力大大，，最最佳佳频频率率也也大大；；当当坯坯厚厚度度减减小小到到一一定定程程度度时时，，最最大大电电磁磁力力与与工工频频的的相相当当，，最最佳佳频频率率也也接接近近工工频用工频电源，简化设备，节省投资用工频电源，简化设备，节省投资2) 钢钢水水导导电电率率：： 当当低低频频时时，，导导电电率率高高，，电电磁磁力力大大；；当当频频率率超超过过某某一一值值，，电电磁磁力力变变小小。

因因为为，，磁磁场场渗渗透透深深度度与与导导电电率率和和频频率率的的乘乘积积的的平平方方根根成反比，即频率越高，导电率越大，磁场渗透深度越小成反比，即频率越高，导电率越大，磁场渗透深度越小3) 液液芯芯的的影影响响：：液液芯芯越越大大，，坯坯壳壳薄薄，，磁磁场场衰衰减减越越小小，，电电磁磁力力越越大大总总体体讲讲，，液液芯芯的的影影响响不不大大在在不不同同的的搅搅拌拌位位置置或或冷冷却却制制度度，，只只需需要要调调整搅拌强度整搅拌强度4) 极极距距的的影影响响：：行行波波磁磁场场速速度度与与极极距距成成正正比比，，而而电电磁磁力力又又近近似似地地与与行行波波磁磁场场速速度度成成正正比比因因此此，，极极距距越越大大，，电电磁磁力力越越大大但但是是，，频频率率高高时，大极距的电磁力衰减也快时，大极距的电磁力衰减也快电磁搅拌的设计与要求电磁搅拌的设计与要求电磁搅拌工艺的制定电磁搅拌工艺的制定选择最佳的搅拌参数选择最佳的搅拌参数 :1) 以以磁磁感感应应强强度度为为依依据据的的：：岩岩田田齐齐认认为为115mm方方坯坯的的中中心心磁磁感感应应强强度度达达到到0.03T时时，，铸铸坯坯液液心心已已可可激激烈烈搅搅动动，，在在0.005T以以下下则则不不起起作作用用。

在在断断面面为为190×1800mm板板坯坯的的中中心心磁磁感感应应强强度度达达到到0.08T，，坯坯内内通通过过电电流流为为4000 ~ 7000A时时，，可可得得到到良良好好的的搅拌效果搅拌效果2) 以以电电磁磁力力为为依依据据的的：：有有人人认认为为大大于于1000N/m3效效果果显显著著还还有有人提出电人提出电磁力在磁力在600N/m3已有效果已有效果3) 以以搅搅拌拌引引起起的的钢钢液液流流动动速速度度来来判判断断的的：：新新日日铁铁认认为为钢钢液液搅搅动动的的流流速速达达0.1m/s时时，，可可得得到到较较高高的的等等轴轴晶晶比比率率川川崎崎制制铁铁提提出出对对于于中中碳碳钢钢和和高高碳碳钢钢，，其其流流动动速速度度分分别别达达到到0.15m/s和和0.2m/s时时，，铸铸坯坯内内等等轴轴晶晶可可达达到到饱饱和和日日本本的的学学者者还还认认为为，，白白亮亮带带的的出出现现与与钢钢液液流流速速的的数数值值大大小小有有关关当当钢钢液液流流速速达达到到0.2~0.3m/s时，白亮带开始出现时，白亮带开始出现电磁搅拌的设计与要求电磁搅拌的设计与要求搅拌强度搅拌强度旋转搅拌中，相距旋转搅拌中，相距L的两个方向相反的电磁体力的两个方向相反的电磁体力Fx产生的电磁力产生的电磁力矩：矩：Me=CFxL=C VxBy2   By2   Iy 2搅拌强度与电流强度、磁感应强度、电磁力矩和搅拌速度相关。

搅拌强度与电流强度、磁感应强度、电磁力矩和搅拌速度相关 但是，但是，把磁感应强度或电流强度作为搅拌强度的指标不甚合理把磁感应强度或电流强度作为搅拌强度的指标不甚合理应该把电磁力矩作为电磁搅拌器的性能指标，应该把电磁力矩作为电磁搅拌器的性能指标，主要原因是：主要原因是：l更接近电磁搅拌器的真实性能；更接近电磁搅拌器的真实性能；l更直观地判断电磁搅拌器的工作能力，即搅拌效果更直观地判断电磁搅拌器的工作能力，即搅拌效果另外，可以把另外，可以把搅拌速度作为搅拌工艺参数调整的依据搅拌速度作为搅拌工艺参数调整的依据 电磁搅拌的设计与要求电磁搅拌的设计与要求2#大方坯改造电流强度与大方坯改造电流强度与磁感应强度磁感应强度277Gs磁饱和趋势图磁饱和趋势图电磁搅拌的设计与要求电磁搅拌的设计与要求电电磁磁搅搅拌拌工工艺艺的的制制定定：：按按照照不不同同钢钢种种选选择择电电磁磁搅搅拌拌技技术术1））C％低于％低于0.25%的普通钢和低合金钢的普通钢和低合金钢(20MnSi一般不用一般不用EMS2））C％小于％小于0.55%的钢种，如的钢种，如40 、、45Cr 一般采用一般采用MEMS；；3））C％大于％大于0.5%的钢种，一般采用的钢种，一般采用M＋＋F－－EMS4））M＋＋S－－EMS，，S1＋＋S2－只适用于高碳钢大方坯连铸。

－只适用于高碳钢大方坯连铸电磁搅拌的设计与要求电磁搅拌的设计与要求报告内容报告内容n引言引言n电磁搅拌的结构与原理电磁搅拌的结构与原理n电磁搅拌的设计与要求电磁搅拌的设计与要求n电磁搅拌的影响因素电磁搅拌的影响因素n结晶器电磁搅拌数值模拟结晶器电磁搅拌数值模拟n电磁搅拌与铸坯质量效果电磁搅拌与铸坯质量效果n小结小结（（1））MEMS安装位置安装位置合适的安装位置需要考虑三个因素与要求：合适的安装位置需要考虑三个因素与要求：l铸坯断面、铜管长度、铸坯断面、铜管长度、SEN浸入深度、弯月面的位浸入深度、弯月面的位置和液面测量装置置和液面测量装置 1）保证弯月面附近的钢水温度；）保证弯月面附近的钢水温度；2）避免弯月面的波动和卷渣；）避免弯月面的波动和卷渣；3）保持一定的流动速度保持一定的流动速度Ø对敞开式浇注方式：搅拌器安装位置应靠近弯月面，通常搅对敞开式浇注方式：搅拌器安装位置应靠近弯月面，通常搅拌器铁芯上缘离铜管上缘的距离为拌器铁芯上缘离铜管上缘的距离为130~200mm，弯月面高，弯月面高取下限，弯月面低取上限取下限，弯月面低取上限Ø对对SEN保护浇注方式：搅拌器铁芯的中心平面离铜管上缘的保护浇注方式：搅拌器铁芯的中心平面离铜管上缘的距离约为距离约为350～～550mm，水口浸入深度浅取下限，水口浸入，水口浸入深度浅取下限，水口浸入深度深趋向上限。

深度深趋向上限电磁搅拌的影响因素电磁搅拌的影响因素 —— 设备设备（（2））MRMS有效作用长度有效作用长度l影响因素：过热度和拉速影响因素：过热度和拉速l设计原则：长距离的弱搅拌设计原则：长距离的弱搅拌l设计依据：设计依据：1）延长搅拌时间）延长搅拌时间2）增加作用距离）增加作用距离3）减少搅拌器的漏磁）减少搅拌器的漏磁4）减少铸坯皮下负偏析）减少铸坯皮下负偏析Ø目前使用的大方坯目前使用的大方坯MEMS的有效作用长度即铁芯高度已的有效作用长度即铁芯高度已达达300～～350mm电磁搅拌的影响因素电磁搅拌的影响因素MEMS的安装方式的安装方式内装式内装式电磁搅拌的影响因素电磁搅拌的影响因素外装式外装式Ø内置式内置式MEMS：：搅拌器线圈和铁芯安装在结晶器内，与结搅拌器线圈和铁芯安装在结晶器内，与结晶器共用同一组内套晶器共用同一组内套(非磁性非磁性)和外套和外套(可以是非磁性结构可以是非磁性结构)；；线圈的冷却水一般为结晶器冷却水线圈的冷却水一般为结晶器冷却水l优点：优点：结构紧凑，磁极离铸坯近，功率小，与结晶器共用结构紧凑，磁极离铸坯近，功率小，与结晶器共用冷却水；冷却水；l缺点：缺点：一次投资大；一起拆除下线，总量大一次投资大；一起拆除下线，总量大(准备量为铸机准备量为铸机流数的流数的2.5倍倍)，维修量大；接线安装在现场；冷却水质要，维修量大；接线安装在现场；冷却水质要求高；多断面铸机问题多；求高；多断面铸机问题多；电磁搅拌的影响因素电磁搅拌的影响因素Ø外置式外置式MEMS：：搅拌器线圈和铁芯安装在结晶器外，结晶搅拌器线圈和铁芯安装在结晶器外，结晶器内套和外套都是非磁性结构。

冷却水一般是独立循环冷器内套和外套都是非磁性结构冷却水一般是独立循环冷却水系统供水却水系统供水l优点：避免内置式的缺点，高水质，线圈寿命高；优点：避免内置式的缺点，高水质，线圈寿命高；l缺点：功耗大（内置式的缺点：功耗大（内置式的2.2倍倍)Ø内外置内外置MEMS：：搅拌器一半在结晶器下部，一般在足辊区搅拌器一半在结晶器下部，一般在足辊区域一些钢种要求强搅拌时，带来液面不稳定、卷渣、增加表一些钢种要求强搅拌时，带来液面不稳定、卷渣、增加表面纵裂等面纵裂等大方坯的结晶器壁厚较大，结晶器内的磁场透入量较小，大方坯的结晶器壁厚较大，结晶器内的磁场透入量较小，不得不往下安装不得不往下安装l优点：强搅拌时弯月面依然稳定；既改善结晶器内易出现优点：强搅拌时弯月面依然稳定；既改善结晶器内易出现的缺陷，又减轻二冷区会出现的白亮带的缺陷，又减轻二冷区会出现的白亮带电磁搅拌的影响因素电磁搅拌的影响因素比较内容比较内容内装式内装式封装式封装式外装式外装式与铸坯断面匹配与铸坯断面匹配好好也也 好好差差搅拌器搅拌器激磁电流激磁电流小小稍稍 大大大大所需功率所需功率小小稍稍 大大大大所需低频电源功率所需低频电源功率小小稍稍 大大大大效效 率率高高稍稍 高高低低冷却水系统冷却水系统不不 要要要要要要造造 价价低低稍稍 高高高高运行费用运行费用低低稍稍 高高高高使用寿命使用寿命短短长长长长备件数量备件数量多，至少一用一备多，至少一用一备多，至少一用一备多，至少一用一备少，流数少，流数+1+1或或2 2与铸坯断面的适应性与铸坯断面的适应性断面较单一断面较单一断面较单一断面较单一断面多且更换频繁断面多且更换频繁使用方便性使用方便性差差差差好好搅拌效果搅拌效果好一些好一些好一些好一些差一些差一些不同安装方式的比较不同安装方式的比较电磁搅拌的影响因素电磁搅拌的影响因素MEMS的运行方式的运行方式连续运行方式：连续运行方式：当馈给三相交流电后就激发向一个方向旋转的当馈给三相交流电后就激发向一个方向旋转的旋转磁场，使结晶器内钢水连续向一个方向作水平旋转运动。

旋转磁场，使结晶器内钢水连续向一个方向作水平旋转运动目前大多数目前大多数MEMS采用这种运行方式采用这种运行方式交替运行方式：交替运行方式：即正搅－停－反搅，循环往复，这种交替搅拌即正搅－停－反搅，循环往复，这种交替搅拌方式有利于增加等轴晶率，也有利于稳定弯月面方式有利于增加等轴晶率，也有利于稳定弯月面电磁搅拌的影响因素电磁搅拌的影响因素两相和三相激磁问题两相和三相激磁问题不同断面的电磁力矩与频率的关系不同断面的电磁力矩与频率的关系在在140mm×140mm断面下，两相和三相的电磁力矩相当，而断面下，两相和三相的电磁力矩相当，而对对1.40:1的矩形坯，两者偏离较大的矩形坯，两者偏离较大电磁搅拌的影响因素电磁搅拌的影响因素电磁搅拌器冷却方式和水质要求电磁搅拌器冷却方式和水质要求不同冷却方式的水质要求不同冷却方式的水质要求项目项目外冷式外冷式内冷式内冷式PH值值6.5~8.56.0~8.0电导率电导率μs/cm5005总总Fe含量含量mg/l1.00.5悬浮物含量悬浮物含量mg/l2020悬浮物直径悬浮物直径μm205微生物含量微生物含量 个个/ml﹤106﹤106电磁搅拌的影响因素电磁搅拌的影响因素由切向搅拌力表达式可以看出：由切向搅拌力表达式可以看出：1）一方面，磁场角速度）一方面，磁场角速度ω与频率与频率 f 呈线性比例增加呈线性比例增加( ω = 4πf/P)，随，随频率的增加，磁场角速度增加；频率的增加，磁场角速度增加；2）另，由于粘滞力的原因，钢液速）另，由于粘滞力的原因，钢液速度逐渐落后；度逐渐落后；3）因此，速度转差率）因此，速度转差率(ωs=ωf-ωm)逐逐渐增加。

即随频率的增加（当频渐增加即随频率的增加（当频率较高时），速度转差率增加，率较高时），速度转差率增加，电磁推力增大电磁推力增大4）反之，随磁场频率的增加，磁通）反之，随磁场频率的增加，磁通量趋于衰减因此，这种由于速量趋于衰减因此，这种由于速度转差率产生的电磁推力增大会度转差率产生的电磁推力增大会达到一个极值达到一个极值MEMS搅拌速度与磁场频率的关系：搅拌速度与磁场频率的关系：切向搅拌力：切向搅拌力：F =0.5 B2 sR1  s=  f - m  f=4 f/P 因此，在给定的结晶器因此，在给定的结晶器EMS工况下，工况下，MEMS的最佳频率和最大电的最佳频率和最大电磁推力是一个综合函数磁推力是一个综合函数电磁搅拌的影响因素电磁搅拌的影响因素1）结晶器壁厚相同：小）结晶器壁厚相同：小断断面面结晶器的最佳频率较结晶器的最佳频率较大；大断面结晶器应采大；大断面结晶器应采用较低频率用较低频率2）当）当结晶器壁厚结晶器壁厚较薄时，较薄时，即使磁通量较低时，同即使磁通量较低时，同样可以获得较大的电磁样可以获得较大的电磁推力；推力；3）结晶器温度：）结晶器温度：当结晶器当结晶器壁的电阻率随温度升高壁的电阻率随温度升高而增加时，磁通量的衰而增加时，磁通量的衰减减少，最佳频率将趋减减少，最佳频率将趋向较高的值。

向较高的值MEMS搅拌速度与磁场频率的关系：搅拌速度与磁场频率的关系：切向搅拌力：切向搅拌力：F =0.5 2 sR1  s=  f - m  f=4 f/P 电磁搅电磁搅拌的影响因素拌的影响因素钢种对搅拌速度的影响钢种对搅拌速度的影响不同钢种的搅拌速度不同钢种的搅拌速度l对碳钢而言，随碳含对碳钢而言，随碳含量增加，搅拌速度略量增加，搅拌速度略为减小；为减小；l不锈钢的搅拌速度约不锈钢的搅拌速度约为碳钢的为碳钢的60%电磁搅拌的影响因素电磁搅拌的影响因素搅拌速度的控制搅拌速度的控制搅拌器中心平面和弯月面处的搅拌速度与电流强度的关系搅拌器中心平面和弯月面处的搅拌速度与电流强度的关系l无论是圆或方结晶器，搅拌器中心平面处的搅拌速度比弯月面处的要大得多；无论是圆或方结晶器，搅拌器中心平面处的搅拌速度比弯月面处的要大得多；l圆结晶器由于无角部且长度较短，其中心平面处的搅拌速度比弯月面的更大；圆结晶器由于无角部且长度较短，其中心平面处的搅拌速度比弯月面的更大；l随电流强度的增加，搅拌器中心平面的搅拌速度与弯月面处的差别更大；随电流强度的增加，搅拌器中心平面的搅拌速度与弯月面处的差别更大；电磁搅拌的影响因素电磁搅拌的影响因素MEMS对中心偏析的影响对中心偏析的影响晶粒尺寸与搅拌速度的关系晶粒尺寸与搅拌速度的关系搅拌速度超过搅拌速度超过2.0m/s，晶粒尺寸细化不明显。

晶粒尺寸细化不明显 电磁搅拌的影响因素电磁搅拌的影响因素结晶器电磁搅拌计算条件结晶器电磁搅拌计算条件参数参数值值方坯尺寸方坯尺寸380mm×280mm相数相数3磁极数磁极数6电导率电导率7.14×105 Ω-1 m-1磁导率磁导率4π×10-7 H m-1金属液密度金属液密度7.02×103 kg m3粘性粘性5.6×10-3 kg m-1 s-1频率频率1.0~2.5 Hz电流电流0~500 A铸坯横断面铸坯横断面/中心线的磁场分布变化中心线的磁场分布变化t=0t=1/6Tt=2/6Tt=3/6Tt=4/6Tt=5/6T搅拌器中心磁场一个周期内的分布，电流搅拌器中心磁场一个周期内的分布，电流500A500A，，2.4Hz2.4Hz铸坯横断面上电磁力分布变化铸坯横断面上电磁力分布变化电磁力在半个磁场周期内不同时刻的分布，电流电磁力在半个磁场周期内不同时刻的分布，电流500A，，2.4Hzt=0/12Tt=1/12Tt=2/12Tt=3/12Tt=4/12Tt=5/12T搅拌器中心一个周期搅拌力矩的变化搅拌器中心一个周期搅拌力矩的变化搅拌器中心横断面内流场搅拌器中心横断面内流场电磁搅拌对大方坯纵断面流场的影响电磁搅拌对大方坯纵断面流场的影响I=0 I=500A，，f=2.4Hz 电磁搅拌对大方坯三维流场的影响电磁搅拌对大方坯三维流场的影响I=0 I=500A，，f=2.4Hz 不同频率下的中心磁感应强度不同频率下的中心磁感应强度850mm650mmEMS不同频率下横截面磁场分布不同频率下横截面磁场分布(a) f=1.0Hz (c) f=2.0Hz (b) f=1.5Hz (d) f=2.5Hz 不同频率下横截面电磁力分布不同频率下横截面电磁力分布(a) f=1.0Hz (c) f=2.0Hz (b) f=1.5Hz (d) f=2.5Hz 不同频率下的中心力矩不同频率下的中心力矩不同频率下的横截面流场不同频率下的横截面流场(a) f=1.0Hz (b) f=2.5Hz 搅拌器中心截面流场搅拌器中心截面流场(z=-0.65m)搅拌电流对磁场的影响搅拌电流对磁场的影响I=250AI=500A搅拌电流对搅拌力矩的影响搅拌电流对搅拌力矩的影响I=0AI=250AI=500A搅拌电流对流场的影响搅拌电流对流场的影响向上向上12deg水平开口水平开口向下向下12deg搅拌条件下水口出口对流场的影响搅拌条件下水口出口对流场的影响不同水口出口角度对搅拌器中心流场影响较小，但对表面不同水口出口角度对搅拌器中心流场影响较小，但对表面波动影响很大波动影响很大搅拌条件下水口出口对流场的影响搅拌条件下水口出口对流场的影响向上向上12deg水平开口水平开口向下向下12deg向上向上12deg水平开口水平开口向下向下12deg搅拌条件下水口出口对波高的影响搅拌条件下水口出口对波高的影响浸入深度浸入深度80mm浸入深度浸入深度120mm搅拌时水口浸入深度对流场的影响搅拌时水口浸入深度对流场的影响MEMS搅拌速度对铸坯的表面和表层质量的影响：搅拌速度对铸坯的表面和表层质量的影响：1）凝固前沿对流钢液的冲刷作用，有利于消除在钢液中形成的）凝固前沿对流钢液的冲刷作用，有利于消除在钢液中形成的气泡和过多滑油所形成的气体；（搅拌速度与针孔减少率气泡和过多滑油所形成的气体；（搅拌速度与针孔减少率的关系）的关系）2）旋转力使钢液受到离心力作用，而比重较轻的夹杂物受到向）旋转力使钢液受到离心力作用，而比重较轻的夹杂物受到向心力作用，夹杂物向心运动使其发生聚集现象，夹杂物尺心力作用，夹杂物向心运动使其发生聚集现象，夹杂物尺寸变大，上浮速度加快。

寸变大，上浮速度加快搅拌速度与夹杂去搅拌速度与夹杂去除率的关系：除率的关系：搅拌速度应大于搅拌速度应大于0.4~0.6m/s电磁搅拌与铸坯质量效果电磁搅拌与铸坯质量效果MEMS搅拌速度对铸坯的表面和表层质量的影响：搅拌速度对铸坯的表面和表层质量的影响：搅拌速度直接影响针孔和夹杂的去除效果；搅拌速度直接影响针孔和夹杂的去除效果；但是，结晶器内搅拌速度过高，弯月面产生较大波动，并大但是，结晶器内搅拌速度过高，弯月面产生较大波动，并大力冲刷水口；力冲刷水口；同时使凝固前沿产生负偏析，即白亮带同时使凝固前沿产生负偏析，即白亮带因此，搅拌强度（速度）要综合考虑因此，搅拌强度（速度）要综合考虑电磁搅拌与铸坯质量效果电磁搅拌与铸坯质量效果–0,3 mbelowmeniscus– 0,4 mbelowmeniscusMEMS No stirringUniform shell growth reduces breakouts电磁搅拌与铸坯质量效果电磁搅拌与铸坯质量效果Solidification structure transverse sectionBillet size 150 mm square Carbon content 0,3% CMEMS No stirring电磁搅拌与铸坯质量效果电磁搅拌与铸坯质量效果Solidification structure Longitudinal sectionBillet size 150 mm square Carbon content 0,3% CMEMS No stirring电磁搅拌与铸坯质量效果电磁搅拌与铸坯质量效果Solidification structure Longitudinal sectionHigh carbon blooms Bloom size 265 x 365 mmCarbon content 1,0%CSEMS+FEMS No stirring电磁搅拌与铸坯质量效果电磁搅拌与铸坯质量效果Solidification structure Longitudinal sectionSteel grade: 0.8%C 0.8% Mn (AISI 1080)Stirred Unstirred电磁搅拌与铸坯质量效果电磁搅拌与铸坯质量效果Solidification structure Longitudinal sectionSteel grade: 0.8%C 0.8% Mn (AISI 1080)Stirred Unstirred电磁搅拌与铸坯质量效果电磁搅拌与铸坯质量效果Longitudinal samples showing the improved centre soundness with MEMS.stirred unstirred电磁搅拌与铸坯质量效果电磁搅拌与铸坯质量效果平均中心碳偏析率的展宽与电流强度的关系平均中心碳偏析率的展宽与电流强度的关系当电流强度超过当电流强度超过获得最大等轴晶获得最大等轴晶率所需的搅拌强率所需的搅拌强度的最小值之后，度的最小值之后，平均中心偏析率平均中心偏析率等都随电流强度等都随电流强度的增加而有较明的增加而有较明显的减小。

显的减小电磁搅拌与铸坯质量效果电磁搅拌与铸坯质量效果1）高碳钢通常选择多段组合搅拌如）高碳钢通常选择多段组合搅拌如M＋＋F－－MEMS虽然提高虽然提高等轴晶比率不如等轴晶比率不如M＋＋S－－EMS，但改善中心偏析更好，但改善中心偏析更好2））SEMS易产生白亮带，而易产生白亮带，而FEMS以便不会产生明显的白亮带以便不会产生明显的白亮带3）高）高Cr钢种，如含有钢种，如含有Cr和和Ti的钢种，粘度大，必须使用的钢种，粘度大，必须使用电磁搅拌与铸坯质量效果电磁搅拌与铸坯质量效果l目前电磁搅拌已成为现代连铸设备的标准配置同时，电磁目前电磁搅拌已成为现代连铸设备的标准配置同时，电磁搅拌技术还在不断发展，新的技术不断出现；搅拌技术还在不断发展，新的技术不断出现；l连铸电磁搅拌涉及先进的设备、材料与工艺从电磁冶金向连铸电磁搅拌涉及先进的设备、材料与工艺从电磁冶金向材料电磁加工的内涵变化，意味着连铸电磁搅拌理论和应用材料电磁加工的内涵变化，意味着连铸电磁搅拌理论和应用新的挑战新的挑战l方（圆）坯连铸电磁搅拌成本经济、按照方便、操作简易方（圆）坯连铸电磁搅拌成本经济、按照方便、操作简易l电磁搅拌是提高铸坯质量、扩大产品大纲的有效途径。

电磁搅拌是提高铸坯质量、扩大产品大纲的有效途径l近年来，已基本掌握电磁搅拌一般规律及设计方法近年来，已基本掌握电磁搅拌一般规律及设计方法l数值模拟是设计和优化电磁搅拌结构与工艺的有效手段数值模拟是设计和优化电磁搅拌结构与工艺的有效手段l新的电磁搅拌设备与工艺及铸坯冶金质量关系的仍需探索新的电磁搅拌设备与工艺及铸坯冶金质量关系的仍需探索小小 结结人有了知识，就会具备各种分析能力，人有了知识，就会具备各种分析能力，明辨是非的能力明辨是非的能力所以我们要勤恳读书，广泛阅读，所以我们要勤恳读书，广泛阅读，古人说古人说“书中自有黄金屋书中自有黄金屋通过阅读科技书籍，我们能丰富知识，通过阅读科技书籍，我们能丰富知识，培养逻辑思维能力；培养逻辑思维能力；通过阅读文学作品，我们能提高文学鉴赏水平，通过阅读文学作品，我们能提高文学鉴赏水平，培养文学情趣；培养文学情趣；通过阅读报刊，我们能增长见识，扩大自己的知识面通过阅读报刊，我们能增长见识，扩大自己的知识面有许多书籍还能培养我们的道德情操，有许多书籍还能培养我们的道德情操，给我们巨大的精神力量，给我们巨大的精神力量，鼓舞我们前进鼓舞我们前进。