1、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l 19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。的研究。l 1922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。l 1952年，德国在半工业连铸机上试
2、验第一台二冷区电磁搅拌年，德国在半工业连铸机上试验第一台二冷区电磁搅拌器；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。l 1973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。l 1979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。l 1982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。l 1985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。l 1989年，电磁冶金改
3、称为材料电磁加工年，电磁冶金改称为材料电磁加工(EPM)。l 1990s，电磁搅拌技术日趋成熟，在大、小方坯，圆坯和板坯，电磁搅拌技术日趋成熟，在大、小方坯，圆坯和板坯连铸应用，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。l 。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
4、-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
5、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）
6、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. 根据电磁感应定律，闭合回路内的磁通量发生变化时，根据电磁感应定律，闭合回路内的磁通量发生变化时，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 电磁搅拌器产生的交变电磁场电磁搅拌器产生的交变电磁场(B)
7、，在围绕导电的金属，在围绕导电的金属熔体变化时，磁场和金属液间产生相对运动，使导电回熔体变化时，磁场和金属液间产生相对运动，使导电回路内的磁通量发生变化。路内的磁通量发生变化。l 由于磁场以一定的速度由于磁场以一定的速度(V)切割处于交变磁场之中的金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(
8、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
9、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
10、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。向上流场可到达弯月面，向下流场可以直达结晶器出口；下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磁搅拌可通过流动金属液电磁搅拌可通过流动金属液对
11、树枝晶前端的动力折断及对树枝晶前端的动力折断及熔蚀作用造成大量枝晶碎片熔蚀作用造成大量枝晶碎片供作晶核；供作晶核；同时强力流动可大大加速液同时强力流动可大大加速液心的传热而使过热度迅速消心的传热而使过热度迅速消失、两相区迅速扩大；失、两相区迅速扩大；强力流动还可加速传质，使强力流动还可加速传质，使凝固前沿扩散边界层减薄而凝固前沿扩散边界层减薄而浓度梯度增大，两相区成分浓度梯度增大，两相区成分过冷增加，有利于等轴晶的过冷增加，有利于等轴晶的发展。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
12、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磁搅拌引起的熔体强烈流电磁搅拌引起的熔体强烈流动可以打断或弯曲枝晶臂。动可以打断或弯曲枝晶臂。部分枝晶碎片将作为金属液部分枝晶碎片将作为金属液凝固时的额外晶核；另一部凝固时的额外晶核；另一部分富溶质枝晶碎片将被液流分富溶质枝晶碎片将被液流带到远离枝晶的液穴中重熔带到远离枝晶的液穴中重熔，更多形核基底的出现和枝，更多形核基底的出现和枝晶碎片重熔带来的温度均匀晶碎片重熔带来的温度均匀化将促进更多等轴晶的形成化将促进更多等轴晶的形成，从而实现提高铸坯等轴晶，从而实现提高铸坯等轴晶率、减少中心偏析、中心疏率、减少中心偏析、中心疏松和缩孔、
13、改善铸坯凝固组松和缩孔、改善铸坯凝固组织的目的。织的目的。 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
14、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
15、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；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，从而有利枝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，形成灌木于凝固组织中晶粒的细化。另一部分在糊状区，形成灌木丛状。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) 电磁搅拌所引起的强制流动加速了熔液的传热，而使钢液内电磁搅拌所引起的强制流动加速了熔液的
16、传热，而使钢液内的过热度迅速消失，最初阶段形成的晶核能够保存下来；连的过热度迅速消失，最初阶段形成的晶核能够保存下来；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) 当过热释放掉，钢液温度下降到液相线温度和固相线温度之当过热释放掉，钢液温度下降到液相线温度和固相线温度之间时，又会出现一些小晶核，并保留在液体中，随着进一步间时，又会出现一些小晶核，并保留在液体中，随着进一步冷却而生长，最终以体积结晶方式凝固，形成细等轴晶结构冷却而生长，最终以体积结晶方式凝固，形成细等轴晶结构的凝固组织。的凝固组织。3) 等轴晶凝固组织的形成对促进凝固成
17、分的均质化，防止晶界等轴晶凝固组织的形成对促进凝固成分的均质化，防止晶界搭桥，减轻铸坯中心偏析、中心裂纹以及缩孔疏松等内部缺搭桥，减轻铸坯中心偏析、中心裂纹以及缩孔疏松等内部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
18、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
19、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
20、：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
21、装位置在液芯的安装位置在液芯占坯厚的占坯厚的2030%或凝固率为或凝固率为7080%；l 碳含量高趋向下限，碳含量低碳含量高趋向下限，碳含量低趋向上限；趋向上限；l 铸坯断面大趋向下限，铸坯断铸坯断面大趋向下限，铸坯断面小趋向上限。面小趋向上限。 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
22、起来，使凝固面前沿钢水流速达到起来，使凝固面前沿钢水流速达到U=0.10.2m/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：
23、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，0.51.0m/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
24、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）的影响对应电磁力最大的频率成为最佳频率。电磁力与感应器表面磁感应强对应电磁力最大的频率成为最佳频率。电磁力与感应器表面磁感应强度的切向分量幅值度的切向分量幅值B0成正比。所以，各种因素对电磁力的影响归结为成正比。所以，各种因素对电磁力的影响归结为最佳频率的选择。最佳频率的选择。1) 铸坯厚度的影响：铸坯厚度的影响：坯厚度薄，电磁力大，最佳频率也大；当坯厚度坯厚度薄，电磁力大，最佳频率也大；当坯厚度减小到一定程度时，最大电磁力与工频的相当，最佳频率也接近工减小到一定程度时，最大电磁力与工频的相当，最佳频率也接近工频。用工频电源，
25、简化设备，节省投资。频。用工频电源，简化设备，节省投资。2) 钢水导电率：钢水导电率： 当低频时，导电率高，电磁力大；当频率超过某一值当低频时，导电率高，电磁力大；当频率超过某一值，电磁力变小。因为，磁场渗透深度与导电率和频率的乘积的平方，电磁力变小。因为，磁场渗透深度与导电率和频率的乘积的平方根成反比，即频率越高，导电率越大，磁场渗透深度越小。根成反比，即频率越高，导电率越大，磁场渗透深度越小。3) 液芯的影响：液芯的影响：液芯越大，坯壳薄，磁场衰减越小，电磁力越大。总液芯越大，坯壳薄，磁场衰减越小，电磁力越大。总体讲，液芯的影响不大。在不同的搅拌位置或冷却制度，只需要调体讲，液芯的影响不大
26、。在不同的搅拌位置或冷却制度，只需要调整搅拌强度。整搅拌强度。4) 极距的影响：极距的影响：行波磁场速度与极距成正比，而电磁力又近似地与行行波磁场速度与极距成正比，而电磁力又近似地与行波磁场速度成正比。因此，极距越大，电磁力越大。但是，频率高波磁场速度成正比。因此，极距越大，电磁力越大。但是，频率高时，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) 以磁感应强度为依据的以磁感应强度为依据的：岩田齐认为岩田齐认为115mm方坯的中心磁感方坯的中心磁感应强度达到应强度达到0
27、.03T时，铸坯液心已可激烈搅动，在时，铸坯液心已可激烈搅动，在0.005T以下以下则不起作用。在断面为则不起作用。在断面为1901800mm板坯的中心磁感应强度板坯的中心磁感应强度达到达到0.08T，坯内通过电流为，坯内通过电流为4000 7000A时，可得到良好的时，可得到良好的搅拌效果搅拌效果2) 以电磁力为依据的：以电磁力为依据的：有人认为大于有人认为大于1000N/m3效果显著。还有效果显著。还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) 以搅拌引起的钢液流动速度来判断的：以搅拌引起的钢液流动速度来判断的：新日铁认为钢液搅动新日铁认为钢液搅动的流速达的流速达0
28、.1m/s时，可得到较高的等轴晶比率。川崎制铁提时，可得到较高的等轴晶比率。川崎制铁提出对于中碳钢和高碳钢，其流动速度分别达到出对于中碳钢和高碳钢，其流动速度分别达到0.15m/s和和0.2m/s时，铸坯内等轴晶可达到饱和。日本的学者还认为，时，铸坯内等轴晶可达到饱和。日本的学者还认为，白亮带的出现与钢液流速的数值大小有关。当钢液流速达到白亮带的出现与钢液流速的数值大小有关。当钢液流速达到0.20.3m/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
29、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
30、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大方坯改造电流强度与磁感应强度与磁感应强度2003004005006007008009000100200300400500600改进后改进前磁感应强度/Gs电流 强度/A277Gs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磁搅拌工艺的制定：按照不同钢种选择电磁搅拌技术电磁搅拌工艺的制定：按照不同钢种选择电磁搅拌技术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EMS。2）C小于小于0.55%的钢种，如的钢种，如40 、
31、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MFEMS4）MSEMS，S1S2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
32、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。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130200mm，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。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
33、的距离约为距离约为350550mm，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目前在线使用的大方坯目前在线使用的大方坯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300350mm。电磁搅
34、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 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
35、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 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)。 内外置内外置MEMS：搅拌器一
36、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。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
37、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所需低频电源功率率小小稍稍 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
38、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
39、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140mm140mm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6.58.56.08.0电导率电导率s/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
40、径m205微生物含量微生物含量 个个/ml106106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，磁场角速度与频率与频率 f 呈线性比例增加呈线性比例增加( = 4f/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(s=f-m)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
41、）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
42、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
43、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
44、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380mm280mm相数相数3磁极数磁极数6电导率电导率7.14105 -1 m-1磁导率磁导率4
45、10-7 H m-1金属液密度金属液密度7.02103 kg m3粘性粘性5.610-3 kg m-1 s-1频率频率1.02.5 Hz电流电流0500 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Distance to the meniscus /mthe Magnitude of Magnetic Flux |B| /T00.20.40.60.811.20.010.020.030.04the Upper Edgeof the stirrerthe Bottom Edgeof the StirrerEMS Centert=0t=1/6Tt=2/6Tt=3/6Tt=4/6T
46、t=5/6TBloom Width Direction /mmBloom Thickness Direction /mm0.1T0150300450150-3000150300450-150-300-450Bloom Width Direction /mmBloom Thickness Direction /mm0.1T0150300450150-3000150300450-150-300-450Bloom Width Direction /mmBloom Thickness Direction /mm0.1T0150300450150-3000150300450-150-300-450Blo
47、om Width Direction /mmBloom Thickness Direction /mm0.1T0150300450150-3000150300450-150-300-450Bloom Width Direction /mmBloom Thickness Direction /mm0.1T0150300450150-3000150300450-150-300-450Bloom Width Direction /mmBloom Thickness Direction /mm0.1T0150300450150-3000150300450-150-300-450搅拌器中心磁场一个周期内
48、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，2.4HzBloom Width Direction /mmBloom Thickness Direction /mm10,000Pa050100150200-50-100-150-200050100150-50-100-150Bloom Width Direction /mmBloom Thickness Direction /mm10,000Pa05010015
49、0200-50-100-150-200050100150-50-100-150Bloom Width Direction /mmBloom Thickness Direction /mm10,000Pa050100150200-50-100-150-200050100150-50-100-150Bloom Width Direction /mmBloom Thickness Direction /mm10,000Pa050100150200-50-100-150-200050100150-50-100-150Bloom Width Direction /mmBloom Thickness Di
50、rection /mm10,000Pa050100150200-50-100-150-200050100150-50-100-150Bloom Width Direction /mmBloom Thickness Direction /mm10,000Pa050100150200-50-100-150-200050100150-50-100-150t=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0T/12 2T/12 4T/12 6T/12 8T/12 10T/1212T/12304050607
