新型螺旋磁场电磁搅拌的冶金效果.pdf_大学文库

第 13 卷第 2 期 1 9 9 1年 3 月北京科技大学学报 J o u r n a l o f U n i v e r s i t y o f S e i e n e e a n d T e e h n o l o g y B e i j i n g V o l . 1 3 N o . 2 M a r C h 19 9 1 . 门新型螺旋磁场电磁搅拌的冶金效果邢文彬 ’ 许诚信 * 房彩刚 , 毛斌*. 王世郁 ’ ` 摘要 : 用一种新型多功能电磁境拌器对液态金属锡进行螺旋、直线和旋转磁场电磁搅拌凝固实验 , 研究了各种搅伴形式对冶金效果的影晌。小方坯二冷区螺旋搅拌工业试验的结果表明 : 它可以减轻铸坯的白亮带 , 提高等轴晶率 , 减少中心缺陷 , 改善宏观偏析和夹杂物分布并有助于夹杂物的去除。关健词 : 螺旋 , 直线 , 旋转电磁搅拌 , 夹杂 A n I n v e s t i g a t i o n o f E M S b y A N e w o n t h e M e t a l l u r g i e a l E f f e e t s T y P e o f H e l i e a l M a g n e t i e F i e l d X 亡n 夕牙 e n 石i n . X u C h e n g 劣 i n . F a 月夕 C a ` 夕a ” 夕 . M a o B i n 二平 a 称 9 S h i 夕 “ 二 A B S T R A C T : T h e h e li e a l , li n e a r a n d r o t a r y m a g n e t i e f i e ld w e r e e m p l o y e d i n t h e e x p e r i m e n t o n s o li d i f i e a t i o n o f t五e m o lt e n m e t a l T i n ( S n ) b y m e a n s o f a n e w t y p e o f m u l t i f u n e t i o n a l e l e e t r o m a g n e t i e s t i r r e r ( E M S ) . T h e i n f l u e n e e s o f t il e s t i r r i n g t 了p e s o n t h e m e t a l l u r g i e a l e f f e e t s w e r e i n v e s t i g a t e d 。 T h e r e s u l t s o f i n d u s t r i a l t e s t a t s e e o n d a r y e o o li n g z o n e f o r b i l l e t s d e m o n s t r a t e d t h a t t h e h e li - e a l E M S e a n m i t i g a t e t h e w h i t e b a n d f o r s t r a n d , i n e r e a s e t h e r a t i o o f t h e e q u i - a x 宜a 1 z o n e , d e e r e a s e t h e d e f e e t s i n t h e e e n t r a l P a r t , i m P r o v e nr a e r o s e g r e g a t i o n a n d d i s t r i b a t i o n o f t h e i n e l u s i o n s , a n d h e l p t o r e m o v e t h e i n e l u s i o n s . K E Y W O R D S : h e li e a l , li n e a r i t y , r o t a r y E M S , i n e l u s i o n 电磁搅拌是改善连铸坯质量的重要手段 , 在铸坯凝固过程中 , 凝固前沿液相的流动对结 1 9 9 0一 1 1一0 5 收稿 · 冶金系 ( D e P a r t m e n t o f M e t : l l u r g y ) 带母中国科学院力学所 ( T h e I n s t i t u t e o f M e e h a 刀 i e s , c h i n e s e A c a d e m y o f s e i e n e e ) 参加此项研究工作的还有崔润琴、李秀文 ( 冶金系) , 王俭 ( 中科院力学所 ) 。 1 1 0 DOI: 10. 13374 /j . issn1001 -053x. 1991. 02. 003

晶组织、溶质和杂质分布有着重要影响。电磁搅拌条件下金属流动场方程如下： PD:=-vp+av:Utng+ixB DU (1) 磁场不同，电磁力J×B也不同，从而对铸坯质量也有不同的影响。连铸用电磁搅拌器通常有3种形式：即旋转磁场、直线磁场和螺旋磁场搅拌器，分别在铸坯内形成旋转、直线和螺旋形搅拌运动。旋转和直线搅拌方法已在连铸生产中广泛应用，螺旋磁场搅拌方法仍处在开发阶段。曾经报导过的螺旋磁场电磁搅拌器，其磁场是由旋转磁场和直线磁场迭加而成，搅拌器由两套感应器组成。这种设备结构复杂，成本昂贵，目前在连铸生产中应用很少，搅拌的冶金效果也几乎没有报导。本研究采用了中科院力学所研制的一种新型多功能电磁搅拌器，通过改变绕组接线方式可以分别产生旋转、直线和螺旋磁场。以低熔点金属锡(S)作为钢的模拟物进行了多种电磁搅拌条件下的凝固实验。研究了电磁搅拌对凝固组织及夹杂物行为的影响，并在小方坯连铸机二冷区进行了螺旋磁场搅拌的工亚性试验，对螺旋搅拌的治金效果进行了比较全面的评价。 1金属锡电磁搅拌的热态模拟实验 1.1实验条件 (1)实验装置：由多功能搅拌器、水冷结晶器和升降系统3部分组成。 (2)实验参数的模拟依据：欲使模拟金属锡和钢水这两个磁流体过程相似，除了几何相似之外还必须动力相似，即下列的无量纲参数对应相等。①雷诺数：R。=L/y,②磁雷诺数：R。=uovL,③哈特曼数：H,=BL√o刀。根据R。=R!和Rm=R:可得到模拟物的物理条件为：0/0′=y/y'。据表1的数据1-5)，可得c钢/0Sa=0.375,Ysn/Y钢=0.388，可见以Sn作为模拟物比较相似。 (3)实验方法：实验分连铸结晶器电磁搅拌(M-EMS)模拟和二拎区电磁搅拌(S- EMS)模拟两部分。根据金属凝固壳的厚度来确定开始搅拌的时间，从而实现上述模拟。搅拌的同时结晶器向下运动保证了金属各部位得到均匀的搅拌，搅拌时间为20s。 (4)检验方法：由试验坯的头、中、尾切取试样，分别进行了凝固组织和夹杂物的分析表1摸拟实验参数 Table 1 Parameters for simulating experiment 定性参数实型（锅）模型（锡）几何长度L, 女 0.15 0.08 动力粘度刀， kg.m-1.s-1 4.0×108 1,54×103 运动粘度'， m2+s-1 5.72×10-7 2.22×10-? 电导率， 01m4 0.75×10 2.0×10° 流动速度”， m.s-1 0.25 磁盛强度B, T 0.01-0.03 真空导碰率 4g=4r×10-TH.m-1 111

晶组织、溶质和杂质分布有着重要影响。电磁搅拌条件下金属流动场方程如下 : D t, 。一一寸甘 P 一于 ; ; 一 = 一 V p + 产 V ` v + p g + J X D 上声石 ( 1 ) 磁场不同 , 电磁力J x B 也不同 , 从而对铸坯质量也有不同的影响。连铸用电磁搅拌器通常有 3 种形式 : 即旋转磁场、直线磁场和螺旋磁场搅拌器 , 分别在铸坯内形成旋转、直线和螺旋形搅拌运动。旋转和直线搅拌方法已在连铸生产中广泛应用 , 螺旋磁场搅拌方法仍处在开发阶段。曾经报导过的螺旋磁场电磁搅拌器 , 其磁场是由旋转磷场和直线磁场迭加而成 , 搅拌器由两套感应器组成。这种设备结构复杂 , 成本昂贵 , 目前在连铸生产中应用很少 , 搅拌的冶金效果也几乎没有报导。本研究采用了中科院力学所研制的一种新型多功能电磁搅拌器 , 通过改变绕组接线方式可以分别产生旋转、直线和螺旋磁场。以低熔点金属锡 ( S n) 作为钢的模拟物进行了多种电磁搅拌条件下的凝固实验。研究了电i磁搅拌对凝固组织及夹杂物行为的影响 , 并在小方坯连铸机二冷区进行了螺旋磁场搅拌的工业性试验 , 对螺旋搅拌的冶金效果进行了比较全面的评价。 1 金属锡电磁搅拌的热态模拟实验 1 。 1 实脸条件 ( 1) 实验装置 : 由多功能搅拌器、水冷结晶器和升降系统 3 部分组成。 (2 ) 实验参数的模拟依据 : 欲使模拟金属锡和钢水这两个磁流体过程相似 , 除了几何相似之外还必须动力相似 , 即下列的无量纲参数对应相等。 ①雷诺数 : R 。二。 L 加 , ②磁雷诺数 : R 二二声a t, L , ③哈特曼数 : H : = B L 亿司刀。根据 R 。二 R 二和 R m = R 孟可得到模拟物的物理条件为 : , / a ` = 夕 /夕 , 。据表 i 的数据〔 ’ 一 “ ’ , 可得『钢 l a s n = 0 . 3 7 6 , 夕s 。 /夕钢 = 0 . 3 8 8 , 可见以 S n 作为模拟物比较相似。 (3 ) 实验方法 : 实验分连铸结晶器电 }磁搅拌 ( M 一 E M s) 模拟和二冷区电磁搅拌 (S - E M )S 模拟两部分。根据金属凝固壳的厚度来确定开始搅拌的时间 , 从而实现上述模拟。搅拌的同时结晶器向下运动保证了金属各部位得到均匀的搅拌 , 搅拌时间为2 0 5 。 (4 ) 检验方法 : 由试验坯的头、中、尾切取试样 , 分别进行了凝固组织和夹杂物的分析表 1 摸拟实验今教 T a b l e 1 P a r a m e t e r s f o r s i m u l a t i n g e x p e r i m e n t 定性参数实型 ( 钢 ) 模型 (锡 ) 几何长度 L , 泣 0 . 1 5 0 。 0 8 动力粘度叮 , k g · 血一 1 · s 一 1 』 . 0 x z o 一 , i . 5 4 x z o 一 s 运动粘度 , , tn Z · s 一 1 5 . 7 2 x z o 一 1 2 。 2 2 x z o 一 , 电导串叮 , 口一卜功一 1 0 。 7 s x 10 . 2 。 0 x i o 6 拢动速度 v , m o s 一 1 。。 2 5 磁感强度 B , 丁。 . 01 一 0 . 03 真空导磁率拌。二 4二 x l 。一 H · m 一 l 11飞

检验及定量统计。 1 . 2 实验结果及分析 ( l) 凝固组织 : 模拟 S一 E M S 锡锭中的等轴晶率测量结果 , 在 B r 。 (结晶器内壁面处的磁感应强度) 相等的条件下 , 螺旋搅拌获得的等轴晶率最高 , 达 8 2 . 0 9 % , 而旋转搅拌为 4 6 . 6 1 % , 直线搅拌为2 8 . 9 2 % , 对比锭 ( 未搅拌 ) 为1 3 . 6 7 % 。图 1 为凝固组织形貌照片。 S一旋转搅拌 B r o = 0 . i 5 4 T S一螺旋搅拌 S一直线搅拌对比锭 , 无搅拌 B r o = 0 . 14 7 T B r o = 0 . 1 5 1 T 图 1 5 一 E M S锡锭的凝固组织 F 1 9 . 1 S o l i d i f i e d s t r u e t u r e o f s n bi l l e t s w i t h s 一 E M s 不同搅拌形式凝固组织的差别可用电磁力分布的不同来解释。图 2 为电磁力沿径向的分布图。可以看出 , 在 B r 。相等的情况下不同磁场产生的电磁力的大小和分布规律也不相同 , 螺旋磁场产生较大的搅拌力 , 而且沿径向衰减的幅度较小 , 可以在整个断面区域内形成搅拌 ; 直线磁场的搅拌力较小 , 如图 2 所示。在离开凝固面不远处搅拌力已失去作用 , 因此它的径向搅拌区域很小 ; 旋转搅拌磁场搅拌力的分布介于二者之间。洲性 . 么名\ 。óo J 一例匀。己比尸洲闯侧厂ó。20 实验发现 , 纵向搅拌力的方向性对凝固组织有较大的影响。这是因为向下的直线搅拌和向下的螺旋搅拌可以在铸坯中心部位形成强烈的紊流 , 从而降低了液相中的温度梯度。这种流动可以促进等轴晶的形成 , 图 3 表示了直线搅拌方向对凝固组织的影响。板坯连铸直线搅拌实验也表明〔。〕 , 在搅拌功率相同的条件下 , 向上搅拌时凝固前沿和铸坯心部流动速度仅达 1 c5 m / s , 而向下搅拌时流速则可达 4 5 o m Z “ 。 (2 ) 锡锭中的夹杂物 : 从图象分析仪获得的夹杂物分析结果可以明显看出 , 经钊磁搅拌 M o记 w a l l 1 0 2。 D i s t a n e e / m r n {3 0 州 e l飞t r e 图 2 电磁力沿径向的分布 9 . 2 D i s t r i b u t i o n o f e l e e t r o m a g n e t i e f o r e e a l o n g r a o i u s d r e e t i o n 1 1 2

的锡锭中夹杂物数量和面积都减少了。图4所示为M-EMS不同搅拌形式对锡锭中夹杂物污染度影响的比较结果。在Bro相等时，直线搅拌和螺旋搅拌夹杂物污染度较低，而旋转搅拌夹杂物污染度较高。 M EMSo Rotary 400 o Linear Helical 300 200 100 0.1000.200 10mm Bro/T 向上搅拌，Br0=0.149T 向下搅掉，B:0=0.151T 图4M-EMS锅能中夹杂物污染度图3S-直线拖拌方向对凝固组织的影响 Fig.4 Level of inclusion in Sn billets Fig.3 Effect of direction of S-Linear stirring on solidified structure 夹杂物不均匀度指数可以表示锡锭中夹杂物分布的规律性。M-EMS锡锭中夹杂物均匀性的检验结果，直线弱搅拌时夹杂物均匀性较好，搅拌强度提高夹杂物均匀性较差。在搅拌力基本相等的条件下，还对比了搅拌形式对夹杂物的影响。螺旋搅拌和直线搅拌锡锭中夹杂物的含量明显低于旋转搅拌时锡锭中夹杂物的含量，前者仅是后者的一半。 2螺旋磁场电磁搅拌的工业试验 2.1试验条件试验在立弯式小方坯连铸机上进行，铸机直线段长为1.2m,结晶器长度为0.7m,铸坯断面为0.15m×0.22m。试验用电磁搅拌器的结构与模拟实验用的相同。搅拌器安装于二冷区距结晶器液面3.46m处。试验钢种为45钢、40Cr钢和20Cr钢，试验采用一机二流对比试验法，在相同的位置切取了对比试样。 2,2试验结果与分析 (1)铸坯的低倍组织。图5为40Cr钢的低倍组织。可以看出，经电磁搅拌坯的内部缺陷明显减少，在试验的搅拌条件下没有发现明显的白亮带缺陷。 (2)铸坯的宏观偏析。表2是根据铸坯中60个分析点元素的分析结果计算的元素偏析率，搅拌坯的成分偏析率普遍低于无搅拌坯。表8为搅拌铸坯搅拌区与非搅拌区成分偏析率的对比。可以看出螺旋搅拌明显地改善了铸坯的宏观偏析。 (3)铸坯中夹杂物所占面积百分数的比较结果，搅拌坯夹杂物的含量有所降低，搅拌后夹杂物颗粒数普遍减少。 113

的锡锭中夹杂物数量和面积都减少了。图 4 所示为 M 一 E M S 不同搅拌形式对锡锭中夹杂物污染度影响的比较结果。在 B r 。相等时 , 直线搅拌和螺旋搅拌夹杂物污染度较低 , 而旋转搅拌夹杂物污染度较高。 M E M SO “ 。。犷一言飞 - ~ — — R o t a r y . L I l l e a r I J e l i e a l \ 一飞少l 一渔丫卜~ 一Z n 八日 éUn 八JQ 曰n 一昌勺曰。冈四。ucou 0 . 1 0 0 0 . 2 0 0 B 叹。 / T 向上搅拌 , 图 3 F 19 . 3 B r o = 0 . 2搜g T 向下搅拌 , B r 。二 o . 1 5 l T S 一直线搅拌方向对凝固组织的影响 E f f e e t o f d i r e e t i o n o f s 一 L i n e a r 5 t i r r i n g o n s o l i d i f i e d s t r u e t u r e 图 4 M 一 E M S 锡锭中夹杂物污染度 F 19 . 4 L e v e l o f i n e l u s i o n i n s n b i l l e t s 夹杂物不均匀度指数可以表示锡锭中夹杂物分布的规律性。 M 一 E M S 锡锭中夹杂物均匀性的检验结果 , 直线弱搅拌时夹杂物均匀性较好 , 搅拌强度提高夹杂物均匀性较差。在搅拌力基本相等的条件下 , 还对比了搅拌形式对夹杂物的影响。螺旋搅拌和直线搅拌锡锭中夹杂物的含量明显低于旋转搅拌时锡锭中夹杂物的含量 , 前者仅是后者的一半。 2 螺旋磁场电磁搅拌的工业试验 2 . 1 试验条件试验在立弯式小方坯连铸机上进行 , 铸机直线段长为 1 . 2 m , 结晶器长度为 o . 7 m , 铸坯断面为。 . 15 m 火 o . 2 m 。试验用电磁搅拌器的结构与模拟实验用的相同。搅拌器安装于二冷区距结晶器液面 3 . 4 6 m 处。试验钢种为 45 钢、理o C r 钢和 2 0 C r 钢 , 试验采用一机二流对比试验法 , 在相同的位置切取了对比试样。 2 . 2 试验结果与分析 ( 1) 铸坯的低倍组织。图 5 为4 o C r 钢的低倍组织。可以看出 , 经电磁搅拌坯的内部缺陷明显减少 , 在试验的搅拌条件下没有发现明显的白亮带缺陷。 (2 ) 铸坯的宏观偏析。表 2 是根据铸坯中 60 个分析点元素的分析结果计算的元素偏析率 , 搅拌坯的成分偏析率普遍低于无搅拌坯。表 3 为搅拌铸坯搅拌区与非搅拌区成分偏析率的对比。可以看出螺旋搅拌明显地改善了铸坯的宏观偏析。 ( 3) 铸坯中夹杂物所占面积百分数的比较结果 , 搅拌坯夹杂物的含量有所降低 , 搅拌后夹杂物颗粒数普遍减少。率1 3

匀搅拌，对形成等轴品有明显促进作用。 (2)在M-EMS搅拌力相等的条件下，向上的直线搅拌和螺旋搅拌有利于夹杂物的去除和提高夹杂分布的均匀性。其夹杂物含量明显低于旋转搅拌。 (3)工业性试验表明，螺旋搅拌不但可以获得一般搅拌方法的冶金效果，根据凝固前沿钢液运动的特点还可减轻白亮带。参考文献 1昆明工学院编。锡治金。北京：冶金工业出版社，1977,1~14 2钱增源。低熔点合金的热物性。北京：科学出版社，1985 3岩田齐芳等.铁上钢，1975,61：S2972 4铃木功夫等。制铁研究，1978,294：21 5饭田义治等。川崎制铁技报，1980,12(3)：24 6卢静轩。国外钢铁，1980，(10)：27~31 鞍钢大型转炉炉龄攻关为了使鞍钢炼钢生产技术向国际先进水平发展，必须不断提高转炉炉龄，实现转炉三吹二以至阶段性三吹三作业，把转炉炉龄稳定在1000次以.上，以便使转炉稳产、高产，保证炼钢生产技术向高水平迈进。国家《七五》重点科技攻关项目中，把大型转炉炉龄攻关列为主要课题之一。自1986年以来，鞍钢以提高转炉护龄为中心开展了全面的技术攻关活动，研究的主要技术有：在材质上采用镁碳砖：在修筑炉技术上实行综合砌炉、综合炉体维护技术、操作上改进治炼操作技术以及现场实行科学管理。这样，使鞍钢转炉(150)炉龄稳步地提高，由改关前(1985年)不足600次提高到1000次以上，最高炉龄突破2000次大关，炉村砖单耗比1985年降低了1倍。由于炉龄的提高，使3座转炉生产实现2.5以上。钢产量由改造后的设计产量285×10t/a提高到302×104t/a,创造了巨大的经济效益。在这次攻关中，我校作了以下的工作：镁碳砖气相脱碳动力学，用有限元法计算底部供气风眼砖热应力，这在国内尚属首次。同时作了复吹转炉底枪附近温度场及“蘑菇头”生长 4 的研究，以及氧化性气氛、氧化性炉渣对镁碳砖侵蚀速度的对比，镁碳砖用后显微分析等。这些工作对促进鞍钢在复吹转炉如何精选材质（如风眼砖颗粒配比），改造转炉炉前造渣制度，指导鞍钢炉龄攻关起了有益的作用，提供了理论依据。 115

匀搅拌 , 对形成等轴晶有明显促进作用。 (2 ) 在 M 一 E M S搅拌力相等的条件下 , 向上的直线搅拌和螺旋搅拌有利于夹杂物的去除和提高夹杂分布的均匀性。其夹杂物含量明显低于旋转搅拌。 ( 3) 工业性试验表明 , 螺旋搅拌不但可以获得一般搅拌方法的冶金效果 , 根据凝固前沿钢液运动的特点还可减轻白亮带。今考文欲 1 昆明工学院编。锡冶金。北京 : 冶金工业出版社 , 1 9 7 7 , 1 ~ 14 2 钱增源 . 低熔点合金的热物性 . 北京 : 科学出版社 , 1 9 8 5 3 岩田齐芳等 . 铁七钢 , 1 9 7 5 , 6 1 : 5 2 9 7 2 4 铃木功夫等 . 制铁研究 , 1 9 7 8 , 2 9 4 : 21 5 饭田义治等。 J一I崎制铁技报 , 19 5 0 , 1 2 ( 3 ) : 2 4 6 卢静轩。国外钢铁 , 1 9 5 0 , ( 1 0 ) : 2 7 ~ 3 1 鞍钢大型转炉炉龄攻关为了使鞍钢炼钢生产技术向国际先进水乎发展 , 必须不断提高转护炉龄 , 实现转炉三吹二以至阶段性三吹三作业 , 把转炉炉龄稳定在 1。。。次以 . 上 , 以便使转炉稳产、高产 , 保证炼钢生产技术向高水平迈进。国家《七五》重点科技攻关项目中 , 把大型转护护龄攻关列为主要课题之一。自1 9 8 6年以来 , 鞍钢以提高转炉炉龄为中心开展了全面的技术攻关活动 , 研究的主要技术有 : 在材质上采用镁碳砖; 在修筑炉技术上实行综合砌护、综合护体维护技术、操作上改进冶炼操作技术以及现场实行科学管理。这样 , 使鞍钢转护 ( 1 5 0t ) 护龄稳步地提高 , 由攻关前 ( 1 9 8 5年 ) 不足 6 0 次提高到 1 0 0。次以上 , 最高炉龄突破 2 0 0 0次大关 , 炉衬砖单耗比 1 9 8 5年降低了 1 倍。由于炉龄的提高 , 使 3 座转护生产实现 2 . 5 以上。钢产量由改造后的设计产量 2 5 5 x 1 0 ` t / a 提高到 3 0 2 x i o 4 t / a , 创造 T 巨大的经济效益。在这次攻关中 , 我校作了以下的工作 : 镁碳砖气相脱碳动力学 , 用有限元法计算底部供气风眼砖热应力 , 这在国内尚属首次。同时作了复吹转炉底枪附近温度场及 “ 蘑菇头 ” 生长的研究 , 以及氧化性气氛、氧化性炉渣对镁碳砖侵蚀速度的对比 , 镁碳砖用后显微分析等。这些工作对促进鞍钢在复吹转炉如何精选材质 (如风眼砖颗粒配比 ) , 改造转护护前造渣制度 , 指导鞍钢炉龄攻关起了有益的作用 , 提供了理论依据。 1 1 5