国外板坯连铸结晶器电磁搅拌装置介绍
2003-05-07 00:00 来源： 我的钢铁
前言
为了满足汽车、家电、建筑和造船等产业稳定供应高质量板材的迫切要求，钢铁厂家开发了多种连铸用电磁搅拌装置。原来使板坯表层清洁化的主要措施是防止钢液被污染和控制水口排出钢流在结晶器内的流动；并且，还须控制连铸结晶器用保护渣的特性和坯壳外侧状况，以防止铸坯表面纵裂。
开发的最终目标是既要提高钢液清洁度，又要改善板坯表面的清洁性，故考虑了在凝固界面直接捕捉钢液中非金属夹杂物的措施；并且，不是利用原来稳定的水口排出钢流，而是考虑用控制系统来控制结晶器内的钢液流动。至于铸坯表面纵裂，也是初期凝壳厚度不均造成坯壳变形、凝固延迟的缘故。因此，日本新日铁经过长期反复的研发，用结晶器内的电磁搅拌装置（InMold Electro-Magnetic Stirrer简称M-EMS）控制钢液流动，大幅度提高了板坯表面质量及合格率；均匀了铸坯初期凝壳厚度，减少了因纵裂而引发的拉漏（跑火）事故，稳定了连铸操作。现在，新日铁的板铸机几乎全都采用了这类M-EMS。
下面概要介绍其使用效果及结构特点。
1、M-EMS原理及主要规格
1.1 M-EMS的原理
板坯用M-EMS的搅拌原理是在结晶器内的板坯后方设置了直线运动感应式传感器（即Linear inducto），产生了能罩住整个铸坯宽度的平行稳定移动磁场，驱动结晶器内弯面附近的钢水沿水平方向旋转。
1.2 结晶器内钢液搅拌流的洗净效果
该搅拌流清洁铸坯可分解为以下过程：（1）将被铸坯中柱状晶（即树枝晶）捕捉的夹杂物清洗出来，防止其被其初期凝固捕捉；（2）被钢流清洗出来的非金属夹杂物在中心部冲撞、凝聚而长大，易于在铸坯中心的液相中上浮；（3）夹杂物上浮到弯月面被钢液上的保护渣吸收即被从铸坯中除去了。
另外，此搅拌钢流均匀了结晶器内钢液的温度分布，抑制了铸坯凝壳的厚薄不均，减少了凝固延迟和初期凝壳变形，从而具有防止铸坯纵裂的效果。
1.3 M-EMS的主要规格
其主要规格（即设备技术参数）如下：连铸坯厚150-400mm、宽600-1600/900-2360mm；铸速0.5-2.5m/min；线圈类型为线性感应电动机型，线圈长度为极距420-972m、极数2/4、容量300-600kVA；线圈电磁力形成推力红7-9*103kN/m2；线圈重量约2500kg*2/st；线圈采用内冷水进行冷却，接头盒密材采用N2或干燥空气填充；结晶器长度800-1090mm。
2、M-EMS对铸坯质量的影响
M-EMS产生的搅拌钢流在结晶器内弯月面部引起的现象、质量效果与特点之间密切相关。现将其改善铸坯质量的效果分述如下：
2.1 减少针孔的效果
采用M-EMS连铸时，铸坯（特别是表层）的针孔密度指数（Number of pinholes index）大幅度降低了，由未采用M-EMS时的1.0降至采用的0.05，即后者仅为前者的1/20。
2.2 减少非金属夹杂物的效果
一般中包内钢液水平面的下降会减少中包内钢液中非金属夹杂物的上浮效果，增加中包带入结晶器内的夹杂物量。而且，在开浇、尾浇及交换大包时的铸连比稳定浇铸埋铸速低，水口钢流对坯壳的清洗效果下降，故开浇坯、尾浇坯和交换大包时的接缝坯表面易产生非金属夹杂物缺陷。
然而研究和检测表明，在铸坯皮下（距表面10mm以内）区域，因使用M-EMS而使夹杂物明显减少，铸坯表面不能捕捉100μm以上的大型夹杂物；而且，M-EMS的采用，即使对于尾坯或接缝坯这类易遭污染的部位，也可将其夹杂颗粒数降至稳定浇铸部位铸坯的相同水平。这就表明，较之注入结晶器内钢液的清洁度，铸坯的清洁性更受结晶器内钢液流动的强烈支配。因为M-EMS不依存于水口排出钢流的水稳定流动，而是强制性地以一定流速旋转搅拌结晶器内的弯月面部，从而获得清洁度稳定的铸坯，减少了尾坯和接缝坯的切取长度，提高了连铸钢水的成坯率与铸坯合格率。
2.3 铸坯表面纵裂的减少效果
由于弯月面四周钢液易停滞，铸坯宽度方向的温度不均匀导致坯壳厚度不均，故铸坯表面易纵裂，特别是含C量为0.1%-0.15%的低C量因冷却不均更易生产纵裂。
采用M-EMS均匀了结晶器内钢液的温度场，减少了延迟凝固部位，均匀了坯壳各部分的厚度，使铸坯纵裂指数减为原来的1/4。
2.4 稳定连铸操作
采用M-EMS时，警报拉漏的结晶器表面异常信号发生频率指数为不用M-EMS的1/9-1/10，从而实现了连铸稳定操作。这是因为此时的凝固坯壳界面的钢流稳定了铸坯初期凝固状态，减弱了来自水口的偏流的影响。
2.5 改善钢材质量的效果
为了实现汽车外板用超低C钢的轻量化，既须使钢板变薄且提高强度；而且，为了实现汽车的流线型设计，还须钢板加工性优良。采用M-EMS能高成品率地生产表面清洁铸坯以满足以述要求。生产实际表明，采用M-EMS可减少铸坯表面针孔、非金属夹杂物；还可将热轧件火焰清理和检修材料消耗减少40%，将裂纹不合格品减少50%。另外，还能缩短尾坯切取长度而提高成坯率；减少突发的浇铸异常造成不合汽车外板要求的铸坯量。
对于生产厚板和钢管的高级钢而言，其铸坯存在角部微裂等表面缺陷和非金属夹杂物增多的质量问题。前者起因于非稳定浇铸时拉速波动引起的铸坯表面温度变化；后者则是非稳定浇铸本身造成的。由于采用M-EMS，可稳定地将铸坯纵裂发生率抑制到较低水平，这是其对铸坯初期凝固控制的效果；即使在非稳定浇铸部位铸坯上，尾部的切取长度也可大幅度地减少；高质量材的尾坯切取长度可由原来的1.5m缩短至0.6m，成分混合部的切取长度可由原来的2m左右减至1m左右。同时，铸坯的无清理比率也因各种表面缺陷的减少而不断提高，达到了99%的高水平。
3、M-EMS设备特点
3.1 EMS线圈构造
因须将线圈设置于结晶器内有限的空间内并能在钢液产生强的搅拌推动力，故其结构具有如下特点：1）为了克服一般感应电动机、线性马达等的线圈末端（coil end）长、线圈增高而难于纳入结晶器的缺点，针对性地采用了末端小的烧组，从而使EMS的安装位置高度接近弯月面，以有效搅拌钢液。2）为了获得强搅拌力，线圈须有高的安匝负载（ampere conductor）。为此将导体部作成铜管，管内通冷却水直接吸收线圈的焦耳（Joule）热，从而提高了冷却能力；充电部铜管虽直接接触冷却水，但流向线圈的部分冷却水管为绝缘的尼龙材质，确保了与地面的绝缘；另外，采用了方形断面铜管，减少了槽沟内的多余空穴而可填充成高密度线圈，实现了高的安匝负载。
3.2 电源和控制装置的最佳构成
EMS线圈产生的磁通量是通过铜板而搅拌钢液的，因铜板产生的涡流而衰减，且频率越高衰减越大，故EMS的搅拌推力峰值低频范围。为此，电源装置采用了可在低频范围动转的换流器（inverter），在控制盘设定的频率和电流基础上独立进行变换器控制，在设定产生最大推力的频率数和适应必要搅拌中度的电流条件下，可进行最佳的EMS运转。
3.3 铜板的材质及构造
极为重要的M-EMS结晶器铜板的设计原则是：（1）铜板对电磁力的衰减作用极小；（2）须保持结晶器原来冷却钢水的功能；（3）确保M-EMS结晶器寿命不低于一般结晶器的水平。而一般结晶器是将防止铸坯与铜板粘结、提高铜板使用寿命、增加铜板再使用次数作为目标，故一直采用板表温度不高、导热系数大的材质；但一般导热系数大的铜板材质导电系数也大，EMS产生的磁通量密度衰减就大，故须采用导电系数小的铜板材质以减小板内涡流。
由铜板的导电系数，铜板温度及对钢液搅拌推力三者间关系的研究得知，为了在有限空间设置的线圈上获得高的搅拌力，须采用导电系数≤60%的铜板材质；但若导电系数过低就会导致导热系数过低，铜板表面温度就会过高，造成铸坯粘结而频繁发生拉漏事故，降低铜板寿命。
为了降低铜板表面温度，可减薄其厚度，但必须防止其过薄造成的刚性下降和变形增大，从而恶化铸坯质量并引发拉漏事故。因此，为了控制铜板表面标准温度≤350℃，铜板导电系数须≥40%即最终选择导电系数为40%-60%范围的铜板材质。
新日铁在采用FEM（有限要素法）复合解析了铜板二元温度和变形的基础上进行了铜板设计，从变形解析求出了在已知铜板厚度及温度条件下，抑制其变形的铜板安装的螺栓最佳间距。这样的铜板设计完全符合前面的设计原则并取得了良好效果。
3.4 M-EMS结晶器构造
为了产生对钢液的高推力和弯月面部位的搅拌，将产生平行移动磁场的线圈装入结晶器长边的冷却箱内，以确保线圈对铸坯的就近设置。为此，在长边冷却箱上部设置了线圈容纳室，在其下方设置了结晶冷却水的排水室。上述结构的结晶器外形尺寸与一般结晶器相同；即使改造现在结晶器设备时，也无须考虑受空间的限制。另外，本结构对结晶器变动宽度和电磁制动装置也不造成干扰。
3.5 易于拆卸的线圈和电缆
线圈由法兰、螺栓连接于冷却箱背面，故需维修结晶器及再加工（创削）铜板时，线圈拆卸也方便。若采用简易拆卸装置，即可在保持结晶器整体状态下方便地更换线圈；就是在钢水拉漏或上溢而须更换结晶器时，也可仅将线圈更换到备用结晶器上，从而减少了备品量，降低了生产费用。
更换结晶器时，须进行M-EMS线圈配线的拆卸操作。为此，新日铁设置了专用的配线拆卸装置，更换结晶器时可自动拆卸配线，使其更换时间与一般结晶器相同。
（1）改善铸坯质量
由于M-EMS的旋转搅拌作用，可大幅度减少铸坯的针孔，表面非金属夹杂物和纵裂等缺陷；还可搅拌均匀结晶器内钢液温度分布及坯壳厚度，避免了操作巨大的拉漏事故，稳定了连铸操作。
（2）提高铸坯合格率
连铸汽车外板用钢时，采用M-EMS可将轧件火焰清理和维修等精整对象材减少40%，将成品中的裂纹不合格材减少50%；在连铸厚板和钢管用高级高时，基本实现了厚板用连铸坯（轧前）的无清理化。
（3）设备方面的特点
a）线圈体积小、结构紧凑，效果高；
b）电源控制装置可方便控制钢液搅拌流；
c）结晶器冷却箱结构使线圈尺寸能接近钢水弯月面；
d）铜板的选材与结构能确保磁场对钢水的高搅拌推力；
e）线圈的拆卸结构简易，线圈配线具有方便的自动拆却装置。
为了满足汽车、家电、建筑和造船等产业稳定供应高质量板材的迫切要求，钢铁厂家开发了多种连铸用电磁搅拌装置。原来使板坯表层清洁化的主要措施是防止钢液被污染和控制水口排出钢流在结晶器内的流动；并且，还须控制连铸结晶器用保护渣的特性和坯壳外侧状况，以防止铸坯表面纵裂。
开发的最终目标是既要提高钢液清洁度，又要改善板坯表面的清洁性，故考虑了在凝固界面直接捕捉钢液中非金属夹杂物的措施；并且，不是利用原来稳定的水口排出钢流，而是考虑用控制系统来控制结晶器内的钢液流动。至于铸坯表面纵裂，也是初期凝壳厚度不均造成坯壳变形、凝固延迟的缘故。因此，日本新日铁经过长期反复的研发，用结晶器内的电磁搅拌装置（InMold Electro-Magnetic Stirrer简称M-EMS）控制钢液流动，大幅度提高了板坯表面质量及合格率；均匀了铸坯初期凝壳厚度，减少了因纵裂而引发的拉漏（跑火）事故，稳定了连铸操作。现在，新日铁的板铸机几乎全都采用了这类M-EMS。
下面概要介绍其使用效果及结构特点。
1、M-EMS原理及主要规格
1.1 M-EMS的原理
板坯用M-EMS的搅拌原理是在结晶器内的板坯后方设置了直线运动感应式传感器（即Linear inducto），产生了能罩住整个铸坯宽度的平行稳定移动磁场，驱动结晶器内弯面附近的钢水沿水平方向旋转。
1.2 结晶器内钢液搅拌流的洗净效果
该搅拌流清洁铸坯可分解为以下过程：（1）将被铸坯中柱状晶（即树枝晶）捕捉的夹杂物清洗出来，防止其被其初期凝固捕捉；（2）被钢流清洗出来的非金属夹杂物在中心部冲撞、凝聚而长大，易于在铸坯中心的液相中上浮；（3）夹杂物上浮到弯月面被钢液上的保护渣吸收即被从铸坯中除去了。
另外，此搅拌钢流均匀了结晶器内钢液的温度分布，抑制了铸坯凝壳的厚薄不均，减少了凝固延迟和初期凝壳变形，从而具有防止铸坯纵裂的效果。
1.3 M-EMS的主要规格
其主要规格（即设备技术参数）如下：连铸坯厚150-400mm、宽600-1600/900-2360mm；铸速0.5-2.5m/min；线圈类型为线性感应电动机型，线圈长度为极距420-972m、极数2/4、容量300-600kVA；线圈电磁力形成推力红7-9*103kN/m2；线圈重量约2500kg*2/st；线圈采用内冷水进行冷却，接头盒密材采用N2或干燥空气填充；结晶器长度800-1090mm。
2、M-EMS对铸坯质量的影响
M-EMS产生的搅拌钢流在结晶器内弯月面部引起的现象、质量效果与特点之间密切相关。现将其改善铸坯质量的效果分述如下：
2.1 减少针孔的效果
采用M-EMS连铸时，铸坯（特别是表层）的针孔密度指数（Number of pinholes index）大幅度降低了，由未采用M-EMS时的1.0降至采用的0.05，即后者仅为前者的1/20。
2.2 减少非金属夹杂物的效果
一般中包内钢液水平面的下降会减少中包内钢液中非金属夹杂物的上浮效果，增加中包带入结晶器内的夹杂物量。而且，在开浇、尾浇及交换大包时的铸连比稳定浇铸埋铸速低，水口钢流对坯壳的清洗效果下降，故开浇坯、尾浇坯和交换大包时的接缝坯表面易产生非金属夹杂物缺陷。
然而研究和检测表明，在铸坯皮下（距表面10mm以内）区域，因使用M-EMS而使夹杂物明显减少，铸坯表面不能捕捉100μm以上的大型夹杂物；而且，M-EMS的采用，即使对于尾坯或接缝坯这类易遭污染的部位，也可将其夹杂颗粒数降至稳定浇铸部位铸坯的相同水平。这就表明，较之注入结晶器内钢液的清洁度，铸坯的清洁性更受结晶器内钢液流动的强烈支配。因为M-EMS不依存于水口排出钢流的水稳定流动，而是强制性地以一定流速旋转搅拌结晶器内的弯月面部，从而获得清洁度稳定的铸坯，减少了尾坯和接缝坯的切取长度，提高了连铸钢水的成坯率与铸坯合格率。
2.3 铸坯表面纵裂的减少效果
由于弯月面四周钢液易停滞，铸坯宽度方向的温度不均匀导致坯壳厚度不均，故铸坯表面易纵裂，特别是含C量为0.1%-0.15%的低C量因冷却不均更易生产纵裂。
采用M-EMS均匀了结晶器内钢液的温度场，减少了延迟凝固部位，均匀了坯壳各部分的厚度，使铸坯纵裂指数减为原来的1/4。
2.4 稳定连铸操作
采用M-EMS时，警报拉漏的结晶器表面异常信号发生频率指数为不用M-EMS的1/9-1/10，从而实现了连铸稳定操作。这是因为此时的凝固坯壳界面的钢流稳定了铸坯初期凝固状态，减弱了来自水口的偏流的影响。
2.5 改善钢材质量的效果
为了实现汽车外板用超低C钢的轻量化，既须使钢板变薄且提高强度；而且，为了实现汽车的流线型设计，还须钢板加工性优良。采用M-EMS能高成品率地生产表面清洁铸坯以满足以述要求。生产实际表明，采用M-EMS可减少铸坯表面针孔、非金属夹杂物；还可将热轧件火焰清理和检修材料消耗减少40%，将裂纹不合格品减少50%。另外，还能缩短尾坯切取长度而提高成坯率；减少突发的浇铸异常造成不合汽车外板要求的铸坯量。
对于生产厚板和钢管的高级钢而言，其铸坯存在角部微裂等表面缺陷和非金属夹杂物增多的质量问题。前者起因于非稳定浇铸时拉速波动引起的铸坯表面温度变化；后者则是非稳定浇铸本身造成的。由于采用M-EMS，可稳定地将铸坯纵裂发生率抑制到较低水平，这是其对铸坯初期凝固控制的效果；即使在非稳定浇铸部位铸坯上，尾部的切取长度也可大幅度地减少；高质量材的尾坯切取长度可由原来的1.5m缩短至0.6m，成分混合部的切取长度可由原来的2m左右减至1m左右。同时，铸坯的无清理比率也因各种表面缺陷的减少而不断提高，达到了99%的高水平。
3、M-EMS设备特点
3.1 EMS线圈构造
因须将线圈设置于结晶器内有限的空间内并能在钢液产生强的搅拌推动力，故其结构具有如下特点：1）为了克服一般感应电动机、线性马达等的线圈末端（coil end）长、线圈增高而难于纳入结晶器的缺点，针对性地采用了末端小的烧组，从而使EMS的安装位置高度接近弯月面，以有效搅拌钢液。2）为了获得强搅拌力，线圈须有高的安匝负载（ampere conductor）。为此将导体部作成铜管，管内通冷却水直接吸收线圈的焦耳（Joule）热，从而提高了冷却能力；充电部铜管虽直接接触冷却水，但流向线圈的部分冷却水管为绝缘的尼龙材质，确保了与地面的绝缘；另外，采用了方形断面铜管，减少了槽沟内的多余空穴而可填充成高密度线圈，实现了高的安匝负载。
3.2 电源和控制装置的最佳构成
EMS线圈产生的磁通量是通过铜板而搅拌钢液的，因铜板产生的涡流而衰减，且频率越高衰减越大，故EMS的搅拌推力峰值低频范围。为此，电源装置采用了可在低频范围动转的换流器（inverter），在控制盘设定的频率和电流基础上独立进行变换器控制，在设定产生最大推力的频率数和适应必要搅拌中度的电流条件下，可进行最佳的EMS运转。
3.3 铜板的材质及构造
极为重要的M-EMS结晶器铜板的设计原则是：（1）铜板对电磁力的衰减作用极小；（2）须保持结晶器原来冷却钢水的功能；（3）确保M-EMS结晶器寿命不低于一般结晶器的水平。而一般结晶器是将防止铸坯与铜板粘结、提高铜板使用寿命、增加铜板再使用次数作为目标，故一直采用板表温度不高、导热系数大的材质；但一般导热系数大的铜板材质导电系数也大，EMS产生的磁通量密度衰减就大，故须采用导电系数小的铜板材质以减小板内涡流。
由铜板的导电系数，铜板温度及对钢液搅拌推力三者间关系的研究得知，为了在有限空间设置的线圈上获得高的搅拌力，须采用导电系数≤60%的铜板材质；但若导电系数过低就会导致导热系数过低，铜板表面温度就会过高，造成铸坯粘结而频繁发生拉漏事故，降低铜板寿命。
为了降低铜板表面温度，可减薄其厚度，但必须防止其过薄造成的刚性下降和变形增大，从而恶化铸坯质量并引发拉漏事故。因此，为了控制铜板表面标准温度≤350℃，铜板导电系数须≥40%即最终选择导电系数为40%-60%范围的铜板材质。
新日铁在采用FEM（有限要素法）复合解析了铜板二元温度和变形的基础上进行了铜板设计，从变形解析求出了在已知铜板厚度及温度条件下，抑制其变形的铜板安装的螺栓最佳间距。这样的铜板设计完全符合前面的设计原则并取得了良好效果。
3.4 M-EMS结晶器构造
为了产生对钢液的高推力和弯月面部位的搅拌，将产生平行移动磁场的线圈装入结晶器长边的冷却箱内，以确保线圈对铸坯的就近设置。为此，在长边冷却箱上部设置了线圈容纳室，在其下方设置了结晶冷却水的排水室。上述结构的结晶器外形尺寸与一般结晶器相同；即使改造现在结晶器设备时，也无须考虑受空间的限制。另外，本结构对结晶器变动宽度和电磁制动装置也不造成干扰。
3.5 易于拆卸的线圈和电缆
线圈由法兰、螺栓连接于冷却箱背面，故需维修结晶器及再加工（创削）铜板时，线圈拆卸也方便。若采用简易拆卸装置，即可在保持结晶器整体状态下方便地更换线圈；就是在钢水拉漏或上溢而须更换结晶器时，也可仅将线圈更换到备用结晶器上，从而减少了备品量，降低了生产费用。
更换结晶器时，须进行M-EMS线圈配线的拆卸操作。为此，新日铁设置了专用的配线拆卸装置，更换结晶器时可自动拆卸配线，使其更换时间与一般结晶器相同。
（1）改善铸坯质量
由于M-EMS的旋转搅拌作用，可大幅度减少铸坯的针孔，表面非金属夹杂物和纵裂等缺陷；还可搅拌均匀结晶器内钢液温度分布及坯壳厚度，避免了操作巨大的拉漏事故，稳定了连铸操作。
（2）提高铸坯合格率
连铸汽车外板用钢时，采用M-EMS可将轧件火焰清理和维修等精整对象材减少40%，将成品中的裂纹不合格材减少50%；在连铸厚板和钢管用高级高时，基本实现了厚板用连铸坯（轧前）的无清理化。
（3）设备方面的特点
a）线圈体积小、结构紧凑，效果高；
b）电源控制装置可方便控制钢液搅拌流；
c）结晶器冷却箱结构使线圈尺寸能接近钢水弯月面；
d）铜板的选材与结构能确保磁场对钢水的高搅拌推力；
e）线圈的拆卸结构简易，线圈配线具有方便的自动拆却装置。
