凝固末端電磁攪拌器設(shè)計及應(yīng)用

1、凝固末端電磁攪拌器設(shè)計及應(yīng)用岳陽中科電氣有限公司 李愛武、蔣海波天津鋼管集團有限公司 姚家華、劉強概述連鑄電磁攪拌能有效地改善連鑄坯內(nèi)部的組織結(jié)構(gòu)，減少中心偏析及中心縮孔，大大增加等軸晶率。已成為連 鑄、特別是品種鋼連鑄必不可少的一種工藝手段。連鑄電磁攪拌的實質(zhì)在于借助電磁力的作用來強化鑄坯中末凝固鋼液的運動，從而改變鋼水凝固過程中的流動， 傳熱和遷移過程，達到改善鑄坯質(zhì)量的目的。結(jié)晶器電磁攪拌可以明顯改善中碳鋼、中低合金鋼的內(nèi)部及皮下質(zhì)量，但對于高碳鋼和高合金鋼來說，仍存在 中心偏析、中心縮孔、中心裂紋等問題，甚至在所謂的糊狀區(qū)終點處形成“ V”形槽即“V”形宏觀偏析。尤其對于 象不銹鋼這樣

2、的多合金高合金鋼，由于枝晶發(fā)達中心裂紋及縮孔非常明顯。要解決這些問題必須在凝固末端上電磁 攪拌。高碳鋼、高合金鋼連鑄的凝固特征和可能出現(xiàn)的缺陷高含碳量、高合金含量有使凝固組織惡化的趨勢。高碳鋼、高合金鋼的液相與固相間溫度區(qū)間較大，凝固間隙 長度增加，粘稠區(qū)加寬。因此容易形成中心偏析、中心裂紋和中心縮孔。這些缺陷對產(chǎn)品的機械性能和耐腐蝕性能 會產(chǎn)生有害的影響。在不銹鋼冷軋板中出現(xiàn)單相波紋。宏觀偏析是在凝固末端粘稠區(qū)內(nèi)的溶質(zhì)富集的鋼液由于凝固收縮引起流動、沿粘稠區(qū)內(nèi)枝晶間通道傳輸、聚集 而成的。顯然它極大地受粘稠區(qū)內(nèi)鋼液流動和傳質(zhì)所控制，有時形成中心偏析，有時形成V形偏析。中心偏析是由 于鑄坯在凝

3、固過程中傾向于生成柱狀晶，產(chǎn)生搭橋現(xiàn)象而產(chǎn)生的。V形偏析形成的原因比較復(fù)雜，主要是由粘稠區(qū)內(nèi) 等軸晶凝固時產(chǎn)生的收縮力及對鋼液的抽吸力和鋼液沿樹枝晶的滲透引起的，可以用著名的V形偏析凝固模型來解 釋。偏析的嚴重程度與凝固時間有關(guān)，時間越長越嚴重。由于高含碳量、高合金含量的鋼凝固時間長，因此偏析也 就更嚴重。影響凝固末端電磁攪拌的冶金效果的主要因素及措施影響凝固末端電磁攪拌的冶金效果的主要因素在于：1）是否有結(jié)晶器電磁攪拌作用。2）電磁攪拌器能否提供 足夠大的電磁推力。3）電磁攪拌作用區(qū)域內(nèi)磁場是否均勻。4）電磁攪拌的作用區(qū)域是否足夠大。5）攪拌的時機即 電磁攪拌的安裝位置是否得當。其中第2、3

4、、4個因素取決于凝固末端電磁攪拌器的參數(shù)及結(jié)構(gòu)設(shè)計，而第1、5個 因素則取決于電磁攪拌器與連鑄機性能參數(shù)及連鑄工藝的匹配是否合理。因此，一套電磁攪拌裝置要達到最佳的冶 金效果，除了要求其本身性能優(yōu)良外，還要求設(shè)計者有較豐富的理論與實踐經(jīng)驗。3.1凝固末端電磁攪拌的最佳攪拌條件根據(jù)宏觀偏析產(chǎn)生的機理，控制其產(chǎn)生的主要途徑是：a）促進柱狀晶向等軸晶轉(zhuǎn)化，產(chǎn)生寬而細的等軸晶區(qū)，使之能致密充滿凝固末端；減少二次枝晶的臂間距， 以控制粘稠區(qū)的滲透性。b）提高凝固率，減少凝固時間間隔。c）在中心區(qū)分散偏析斑點，使粘稠區(qū)變窄。d）保持粘稠區(qū)的流動性以及溫度和成分的均勻性。e）阻礙鋼液在枝晶間的滲透和偏析槽的

5、形成。采用結(jié)晶器+凝固末端電磁攪拌能有效達到以上目的，單一采用凝固末端效果不明顯。結(jié)晶器電磁攪拌能大幅 降低鋼液的過熱度，縮短凝固時間，從而產(chǎn)生寬且細的等軸晶區(qū)。而凝固末端電磁攪拌可進一步細化等軸晶并能保 持粘稠區(qū)的流動以及溫度與成份的均勻。因此可以明顯減輕宏觀偏析。凝固末端攪拌的最佳條件是：a）凝固末端的凝固組織為致密的細等軸晶，因此必須要先經(jīng)結(jié)晶器電磁攪拌。b）攪拌應(yīng)該從固相率為0.1時開始。c）攪拌強度要達到10-20cm/sd）采用交替攪拌3.2安裝位置凝固末端電磁攪拌所需要解決的冶金問題決定了其安裝位置的極端重要。過早攪拌等同于二冷區(qū)電磁攪拌不能 起到應(yīng)有的效果；而過遲攪拌鋼水已經(jīng)凝

6、固，攪拌已失去意義。因此，錯誤的安裝位置不但對需要解決的問題沒有 效果，甚至還有可能起反作用。根據(jù)上面提到的固相率為0.1的概念，綜合連鑄機的實際情況，認為凝固末端電磁攪拌以安裝在鑄坯未凝固率 20%-28%左右的區(qū)域比較合適。考慮到連鑄工藝的差異性，一般在上下各1米處再預(yù)留2個安裝點。當然，如果能夠 做到連續(xù)移動是最理想的。值得指出的是：凝固末端位置是受拉速影響的，因此，保持拉速的穩(wěn)定是非常重要的！ 3.3有效攪拌范圍、攪拌方式及磁場性能為了盡可能獲得穩(wěn)定優(yōu)良的冶金效果，凝固末端電磁攪拌的攪拌強度、攪拌方式及攪拌范圍都與結(jié)晶器電磁攪拌有 較大的區(qū)別，主要表現(xiàn)在：a）為了避免過強的攪拌流沖刷鑄

7、坯凝固前沿而產(chǎn)生負偏析（白亮帶），末端電磁攪拌一般都采用大范圍且交 替攪拌的攪拌方式。b）由于30%的未凝固率是用數(shù)學模型計算出來的，因此與實際情況會有一定出入，同時由于連鑄機拉速、二 冷配水等工藝參數(shù)的差異性也使得未凝固率存在一定的變化。因此，為了使凝固末端盡可能的涵蓋未凝固率30%這一 點，要求凝固末端電磁攪拌的有效攪拌范圍盡可能的長。c）完成一個最佳交替攪拌的周期一般是正轉(zhuǎn)5秒、停頓1秒、反轉(zhuǎn)5秒，共11秒鐘時間。最高拉速按2.5m/min 考慮，11秒鐘的拉坯長度是458mm；也就是說攪拌器的均勻磁場范圍要超過458mm?？紤]到電磁攪拌器的端部效應(yīng)， 其鐵芯高度至少要在450mm以上。

8、d）為了獲得穩(wěn)定的冶金效果，有效攪拌區(qū)域內(nèi)的磁場要求盡可能的均勻。凝固末端電磁攪拌器的類型及選擇電磁攪拌器主要由繞組與鐵芯構(gòu)成。按繞組與鐵芯的結(jié)構(gòu)型式不同，凝固末端電磁攪拌器主要有E字鐵芯扁線 繞組水外冷、E字鐵芯銅管繞組水內(nèi)冷、環(huán)形鐵芯扁線繞組水外冷與環(huán)形鐵芯銅管繞組水內(nèi)冷等四種型式。繞組型式?jīng)Q定了電磁攪拌器的使用壽命。眾所周知銅管繞組水內(nèi)冷的絕緣性能比扁線繞組水外冷的要好得多， 因此使用壽命也要長很多。鐵芯型式則決定了電磁攪拌器的磁場性能與冶金效果。尤其對凝固末端電磁攪拌而言這方面尤其重要。下面從 鐵芯型式、磁場的空間分布和磁路的有限元分析等三個方面對凝固末端電磁攪拌器的選型作一分析：a）

9、鐵芯型式主要有E字鐵芯與環(huán)形鐵芯兩種，其結(jié)構(gòu)區(qū)別如下：L1-圖1 E字鐵芯內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖中：1 E字鐵芯，2線圈，3外殼圖2環(huán)形鐵芯內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖中：1環(huán)形鐵芯，2線圈，3外殼b）磁場的空間分布磁感應(yīng)強度空間分布區(qū)別如下:圖3 E字型鐵芯電磁攪拌器磁感應(yīng)強度Br的空間分布Br(Gs)020406080100 120 140 160 180 200 220 240 260 280 300 320 340 360e ()圖4環(huán)形鐵芯電磁攪拌器磁感應(yīng)強度Br的空間分布c）磁路的有限元分析其磁場有限元分析區(qū)別如下：圖5 E字型鐵芯磁場有限元分析圖r=100r=230I=250A圖9環(huán)形鐵芯磁場有限元分析圖從以

10、上對比可以看出，E字鐵芯的優(yōu)點是：外圍無漏磁；線圈套在齒上安裝，外圍無線圈，便于與外殼固定。缺 點是：由于有齒槽，齒的地方磁場高，槽的地方磁場小，因而內(nèi)部磁場不均勻（見圖3），不適合作凝固末端電磁攪 拌用；存在齒槽漏磁，內(nèi)部漏磁大（見圖5）；線圈端伸長，因而在一定安裝空間內(nèi)，鐵芯高度矮，有效攪拌范圍短（見圖1），也不適合作凝固末端電磁攪拌用。環(huán)形鐵芯的優(yōu)點是：無齒槽結(jié)構(gòu)，內(nèi)部磁場均勻，攪拌效率高（見圖4）；內(nèi)部無齒槽，不存在齒槽漏磁，內(nèi)部 漏磁小，磁場強度高（見圖6）； 12個線圈均勻分布，端伸短，因而在一定安裝空間內(nèi)，鐵芯高度高（比E字型鐵芯 高30%左右），有效攪拌范圍長，攪拌效果好（見圖

11、2）。缺點是：外圍有線圈，因而存在外圍漏磁，須采取外圍磁屏蔽技術(shù)進行改善；不便于與外殼固定，必須用高性 能硅膠灌封處理，因而成本較高。綜上分析，凝固末端電磁攪拌期的4種不同類型的組合中。以環(huán)形鐵芯銅管繞組為最佳組合。具有運行安全漏 電流小，使用壽命長；磁場均勻，磁密大，有效攪拌范圍長，冶金效果突出；工作電流小，冷卻水量小，運行十分 經(jīng)濟；后期維修成本低等突出優(yōu)點。非常適合作凝固末端電磁攪拌使用，是其它任何一種組合所無法比擬的。凝固末端電磁攪拌器在天管公司二煉鋼不銹鋼連鑄上的應(yīng)用5.1連鑄機的技術(shù)性能及工藝參數(shù)序號項目單位性能與設(shè)備參數(shù)1型式四點矯直弧形方-圓坯連鑄機2臺數(shù)臺13流數(shù)流64弧形半

12、徑m10.55鑄坯規(guī)格mm中 210，中 2706各流中心距mm12507鑄機冶金長度m338澆注時間分/爐35455.2結(jié)晶器電磁攪拌的狀況原連鑄機配有結(jié)晶器內(nèi)置及外置兩種電磁攪拌，內(nèi)置適應(yīng)對中270圓的攪拌，外置適應(yīng)對中210的攪拌。其主要 電磁參數(shù)如下：a）形式：結(jié)晶器內(nèi)置三相旋轉(zhuǎn)磁場方式，獨立閉循環(huán)水冷/結(jié)晶器外置三相旋轉(zhuǎn)磁場方式，獨立閉循環(huán)水冷b）適應(yīng)的鑄坯截面：中270/中210c）視在功率：220KVA/ 280KVAd）有功功率：48KW/ 63KWe）額定電流：450A/ 500Af）額定電壓：250Vg）使用頻率：2-9Hz（5Hz）/ 2-6Hz （3Hz）h）中心磁感應(yīng)

13、強度：N900GS/ 860GSi）帶結(jié)晶器銅管后中心磁感應(yīng)強度：N500GSm）冷卻水規(guī)格：閉循環(huán)冷卻水正常值報警跳閘冷卻水流量m3/h8/ 156.5/ 12冷卻水壓力MPa0.5/ 0.3允許溫度C6375進水溫度C4350電導(dǎo)率p s/cm5060100結(jié)晶器電磁攪拌參數(shù)的設(shè)定不同斷面、不同鋼種結(jié)晶器電磁攪拌參數(shù)設(shè)定值斷面（mm）攪拌器形式頻率（Hz）攪拌時間（s）攪拌強度（A）中210外置2.0-2.5持續(xù)200-250中270內(nèi)置4.0-4.5持續(xù)150-2005.3裝備凝固末端電磁攪拌的綜合效果5.3.1凝固末端電磁攪拌的主要技術(shù)性能a）型號：DJFR-400Cb）運行方式：連續(xù)

14、、交替、間歇c）冷卻方式：攪拌器線圈采用銅管內(nèi)純凈水冷卻，冷卻水為閉路循環(huán)的運行方式。d）單臺冷卻水流量：不小于9m#he）單獨的冷卻水系統(tǒng)，進水壓力：0.5Mpa-0.8MPa。f）適用斷面：210、270g）技術(shù)參數(shù)：a）電壓：最大400Vb）電流：450Ac）頻率：6-20Hz（11Hz）d）視在功率：200kVA/臺e）功率：W60kW/臺f）線圈絕緣等級：H級g）整體設(shè)備防護等級：IP68h）攪拌器在R10.5米弧上具有位置可移動性。5.3.2凝固末端電磁攪拌的參數(shù)設(shè)定a）澆注特殊鋼鋼種及成份：13Cr、HP13Cr、SUP13Cr、9Cr1Mo。Ni： 5%, Cr： 9.5-14.5%, Mo： 1-2%。b）凝固末端電磁攪拌參數(shù)設(shè)定值：斷面鋼種8210mm8270mm電流A頻率Hz正轉(zhuǎn)S停S反轉(zhuǎn)S電流A頻率Hz正轉(zhuǎn)S停S反轉(zhuǎn)S13Cr400815215380815215HP13Cr400915215400815215SUP13Cr40091