电磁搅拌器

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电磁搅拌器(Electromagnetic stirring: EMS) 的实质是借助在铸坯液相穴中感生的电磁力,强化钢水的运动。具体地说,搅拌器激发的交变磁场渗透到铸坯的钢水内,就在其中感应起电流,该感应电流与当地磁场相互作用产生电磁力,电磁力是体积力,作用在钢水体积元上,从而能推动钢水运动。

电磁搅拌器的安装位置和搅拌器模式

根据电磁搅拌器在铸机冶金长度上的不同安装位置大致有以下几种模式

结晶器电磁搅拌:Mold Electromagnetic stirring: MEMS 搅拌器安装在结晶器铜管外面

二冷区电磁搅拌:Strand Electromagnetic Stirring: SEMS 搅拌器安装在铸坯外面

凝固末端电磁搅拌:Final Electromagnetic stirring:FEMS 用于方坯连铸 搅拌器安装在铸坯外面

电磁搅拌器的冶金效果

搅拌位置 冶金效果 适用钢种

MEMS 增加等轴晶率 低合金钢

减少表面和皮下的气孔和针孔

弹簧钢

减少表面和皮下的夹杂物

冷轧钢

坯壳均匀化

中高碳钢等

稍稍改善中心偏析

SEMS 扩大等轴晶率 不锈钢

减少内裂

改善中心偏析 工具钢

减少中心疏松

FEMS 细化等轴晶 弹簧钢

有效地改善中心偏析 轴承钢

有效地改善中心缩孔和疏松 特殊高碳钢  

一般结构

电磁搅拌器主要由产生电磁场的电磁感应器、保护电磁感应器的外壳体及冷却电磁感应器的冷却水路组成。从结构上来讲,电磁搅拌大致有以下三种结构形式:①“油—水”二次冷却结构形式、②外水直冷式结构形式、③空芯铜管内冷式结构形式。

第一种是“油一水”二次冷却结构形式其感应器浸泡在不导电的硅油中进行冷却,壳体设计成夹层结构,夹层中通水与硅油进行热交换以带走感应器的热量。由于冷却效率差,电磁搅拌器体积大,现已被淘汰。

第二种是以法国ROTELEC公司为代表的外水直冷式结构形式。其感应器直接浸泡在净化水中进行冷却,其最大的优点是冷却效果较好、体积小。因此电磁搅拌器单位体积产生的搅拌功率大,且结构简单、使用方便,可以制作成结晶器内置式结构;但由于感应器长期浸泡在水中其绕组绝缘很容易损坏,因此缺点也同样突出,就是使用寿命短,一般为1~2年。

第三种是以瑞典ABB公司为代表的空芯铜管内冷式结构形式。其感应器绕组由空芯铜管绕制而成,铜管内通纯水进行冷却。空心铜管内冷技术是一种比较复杂的电磁产品冷却技术。此项技术在电磁搅拌装置上的应用研究最开始主要用于大型板坯连铸电磁搅拌装置上,在国内也只有本公司研制成功过这种装置。方坯电磁搅拌装置与板坯电磁搅拌装置的最大不同在于:方坯电磁搅拌装置体积小,而空心铜管在同等导电截面下,比实心电磁线体积要大,因而铁芯采用常规的齿槽结构则无法装下采用空心铜管绕制的线圈,为此必须改变铁芯结构,采用不带齿槽的环形铁芯,采用克兰姆环形绕组环绕在铁芯上。空芯铜管内冷式电磁搅拌装置最大的优点是绝缘结构合理,性能稳定,使用寿命长(可达5~8年),同时冷却效率最高,使用维护方便;其缺点是结构较复杂,制作工艺讲究,体积稍大。

电磁搅拌技术及电磁搅拌装置概述

电磁搅拌技术是瑞典在1930年首先提出的,1939年电磁搅拌装置在瑞典钢厂的电弧炉上做了初步实验,在针对试验中出现的问题进行了多次改进后,世界上第一台能适应工业生产的装置——15吨电弧炉用电磁搅拌装置在1947年问世。

进入50年代初期,世界各国对电磁搅拌装置极为重视并开始广泛研究应用。原苏联在50年代中期研制成功并定型生产,配套使用在25吨电弧炉上。我国是在60年代中期开始研制,到70年代中期制成了40吨电弧炉配套使用的大型水冷电磁搅拌装置。目前,电磁搅拌技术已在黑色冶金领域得到了广泛的应用。

继瑞典在电弧炉上应用电磁搅拌装置之后,美国、日本等国家又相继研制了铝熔炉用电磁搅拌装置,取得了明显的工艺效果,并且发展很快,发展至今铝熔炉用电磁搅拌装置的设计制造技术均已成熟,可满足不同吨位铝熔炉的搅拌要求。

铝熔炉用电磁搅拌装置是我国“七五”期间的科技攻关项目,相关研制单位经过不断努力,成功研制了铝熔炉用平板式电磁搅拌装置,并于1987年12月28日通过了中国有色金属工业总公司组织的专家鉴定,获得了1991年部级科技进步二等奖,被列为国家“八五”重点新技术推广项目及中国有色金属工业“九五”重点新技术推广应用项目计划。

进入21世纪后,我国的铝工业发展很快。大容量铝熔炉不断涌现,同时对产品质量也提出了更高的要求,传统的人工及机械搅拌方法根本不能适应这一需要,而电磁搅拌技术以其实施搅拌方便、充分、能确保产品质量、不污染铝熔液等优势得到了快速的发展,有人评价电磁搅拌技术是目前国际铝合金熔炼搅拌工艺中最先进的技术,而电磁搅拌装置更成为了铝熔铸业的必备设备。

电磁搅拌装置主要由低频电源、感应器和水冷系统等几部分组成。

电磁搅拌装置在不同的应用场合有着不同的安装形式,根据安装形式和位置的不同,铝熔炉用电磁搅拌装置主要有“炉底感应式”和“侧壁感应式”两种。目前我国应用最多的还是以将感应器安装在炉底的为主,即炉底感应式电磁搅拌装置,因为这种形式为感应器安装在炉底,磁场穿透炉底的耐火材料作用于铝液,根据磁场在空间分布的情况和在金属熔液内部的作用规律也即磁流体力学的作用原理,靠近炉底的熔液受到较大磁场力的作用,熔体上部受到磁场力的作用则相对较小,这样一来,熔液内部越靠近炉底(感应器安装位置)的部分流速和流量越大,而且有较大的作用面积,大量的中、下部熔液强烈的涌动带动了整炉熔液按照磁场力的作用规律作有规律的流动,因而,搅拌效果比较明显,综合经济效益高。侧壁感应式电磁搅拌装置主要是针对一些特殊应用或旧炉改造(只能安装在炉子侧壁)的情况,其工作原理与炉底感应式电磁搅拌装置原理大同小异。

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