电磁冶金新技术的研究现状与发展趋势

王凯，何明，王强，刘铁，赫冀成

（东北大学材料电磁过程研究教育部重点实验室，辽宁 沈阳 110819）

电磁冶金是利用电磁场的力效应及热效应等来影响冶金过程中能量传输、流体运动和形状控制，进而达到优化冶金过程、提高生产效率、改善产品质量和性能的目的。很早以前人们就开始使用电能来冶炼金属。之后，人们发现了电场和磁场共同作用于液态金属产生的电磁流体力学现象，并将其应用于冶金生产，形成了电磁搅拌［1］、电磁悬浮熔炼［2］等一系列电磁冶金技术，随后扩展到材料制备的诸多过程中，称为材料电磁过程。

传统电磁冶金技术在国内外钢铁行业已经有30多年的应用历史，主要包括基于电磁场热效果的电磁感应加热技术，以及利用洛伦兹力而形成的电磁搅拌、电磁制动、电磁无模铸造技术等。这些技术显著提高了钢材产量和质量，优化了冶金工艺过程。

随着钢铁工业逐步向高效、连续、短流程的方向发展，电磁冶金技术的发展主要呈现以下两个趋势：一是随着电磁场相关技术以及电磁场、流场、温度场耦合的电磁流体现象的机理不断被揭示和冶金与材料工业发展需求，传统的电磁冶金技术不断更新换代，向自动化和智能化过程发展；二是一系列电磁冶金新技术不断涌现，如连铸过程中的钢包电磁感应加热出钢技术、电磁旋流水口技术、电磁防漩技术、电磁控流技术等正在不断开发研究中。电磁冶金技术的应用领域不断扩大，从最初的钢连铸的电磁搅拌、铝合金的电磁铸造不断延伸发展，现已贯穿几乎整个钢连铸的每个环节以及有色金属冶炼、铸造和非金属材料与新材料的制备等多个新兴领域。

1 钢包电磁感应出钢技术

随着工业的不断发展，用户对钢材性能的要求日益苛刻。为满足在高强度、耐腐蚀、长寿命等恶劣环境下工作的需要，便形成了以最大程度减少钢中夹杂物为目的的洁净钢冶炼技术。目前的炼钢生产中，滑动水口开浇系统采用的引流砂主要为二氧化硅、碱性长石、铬质耐火材料及其他添加成分，这些物质在自动开浇后会对钢液造成污染。另外，近年来人们发现铬质引流砂虽然比之前使用的硅质引流砂烧结性能优越，能够提高自动开浇率［3］，但是它作为外来夹杂物会污染钢水，而且具有高氧化物的特点，使钢液中的硅、铝等元素发生氧化反应，生成内生夹杂物。不仅如此，还会对环境造成严重的污染。因此有必要寻找一种能够代替引流砂的物质，既不会引入新的外来夹杂物污染钢水，同时也不会影响顺利开浇。

1.1 电磁感应出钢技术的原理及优势

钢包电磁感应出钢技术是一种全新的钢包开浇法［4-8］。图1为电磁感应出钢系统［4-8］，其原理是利用与钢液成分相同或相近的铁碳合金颗粒代替传统引流砂，并在钢包底部座砖内设置线圈，通过电磁感应加热，使钢包底部上水口内的铁碳合金封堵层全部或部分迅速熔化，在钢液静压力的作用下流出从而实现钢包自动开浇出钢。

电磁感应加热出钢方法避免了引流砂的使用，能够显著提高钢包的自动开浇率，减少钢液中的夹杂物，有效改善了钢水的洁净度，减少企业的外购成本，还能避免对环境的污染，可以有效降低钢铁生产所产生的固体和气体污染物，尤其可以降低毒性非常大的Cr6+的排放。

1.2 电磁感应出钢技术的可行性及效果分析

图2为热态实验装置示意图,该装置模拟了电磁感应出钢动态过程［9］。采用内径为130 mm、高为233 mm的MgO坩埚来模拟钢包，在坩埚底部留有直径为80 mm的圆孔，在孔中放入顶部内直径为40 mm、底部内直径为20 mm、材质为高铝质的上水口，其顶端与坩埚底部上表面持平并用细镁砂将结合处打结。利用含有碳纤维的石棉板模拟钢包滑板，在滑板下部放置石墨坩埚模拟盛装钢水的中间包。模拟实验证明了用铁碳合金颗粒代替引流砂，同时借助电磁感应加热技术可以实现顺利出钢。

图3为采用填装料直径2.0 mm的球形铸铁，线圈顶端距坩埚底端h=60 mm的条件下，电源功率对出钢开浇时间的影响［9］。由图3可见，开浇时间随着电源功率的增大不断减少。电源功率从最低值（10 kW）向最高值（28 kW）变化时，对缩短开浇时间的作用效果呈非线性变化。可分为两个阶段，第一阶段内（10～20 kW），功率的提高对缩短开浇时间效果明显；第二阶段内（20～28 kW），虽然功率的提高也能够缩短开浇时间，但效果逐渐减弱。对曲线的两个阶段做切线（图3中虚线），与图中的水平线的夹角分别为α和β。则tanα和tanβ可认为是两个阶段功率对缩短开浇时间的作用效果。计算得出 tanα=6.3，tanβ=1.2。由此可知，第一阶段增加功率对缩短开浇时间的作用效果是第二阶段的5倍多。可见，当选用直径为2.0 mm的球形铸铁颗粒作为填装料，电源功率为20 kW，线圈顶端距坩埚底端60 mm时，电磁感应出钢时间可以达到较小值，与传统的引流砂开浇相比较，能有效缩短开浇时间，提高自动开浇率。同时，避免了有害杂质的引入，显著提高钢材质量，减少环境污染。因此，钢包电磁感应加热出钢技术有着无法比拟的优越性。

2 钢的电磁旋流水口连铸技术

浸入式水口连接中间包和结晶器，起到保护钢流、防止钢液二次氧化的作用，同时还可以改变钢液在结晶器内的流动形态。浸入式水口内偏流是影响结晶器内不稳定流动的重要因素之一，为了抑制水口内偏流，目前通常采用机械式旋流水口。但是，机械式旋流水口内固定的转子由耐火材料制作，成本较高且容易损毁；钢液中的夹杂物容易沉积在转子上造成堵塞，使浸入式水口内流道变小，最终需要更换水口；转子安放后，旋流状态无法随工艺条件进行调节和控制［10-12］，而采用电磁旋流的方法可以明显改善这些缺点。

2.1 电磁旋流水口连铸技术的基本原理及优势

电磁旋流水口即在浸入式水口外侧安装可移动的电磁旋流装置，通过旋转电磁场以非接触的方式使水口内钢液形成旋转流动，是一种新的浸入式水口内产生旋流的连铸工艺［13-18］。图4为电磁旋流水口连铸工艺示意图［16-18］。

虽然电磁旋流水口与机械式旋流水口产生旋流的方式不同，但同样可以产生一定强度的旋转流动，有效减轻或消除水口内钢液偏流，进而均匀水口出流，降低结晶器内液面波动，减少由于卷渣等原因而引入的非金属夹杂物，显著提高钢液的洁净度，大幅减少铸坯表面及内部缺陷，显著提高钢的品质。同时，应用电磁方式在水口内产生旋转流动可以避免由于夹杂物沉积在转子上而造成的水口堵塞，避免了水口的频繁更换，并且由于钢液旋转流动对水口内壁冲刷，可以减少夹杂物沉积在水口内壁上而形成结瘤的情况，使连铸得以顺畅运行。另外，应用电磁的方式在水口内产生旋转流动或者应用频率等方式随时调节旋流的强度，可以随工艺条件的变化控制和调节旋流状态，获得更好的连铸效果。

2.2 电磁旋流水口连铸技术的可行性及效果分析

在机械式旋流水口的基础上，将转子移去，并在相同位置替换为电磁旋流装置，旋流装置底部与转子底部保持在同一水平位置，其结构如图5（a）、（b）所示。图5（d）为 200 A、50 Hz条件下电磁旋流水口的模拟结果，与图5（c）采用机械式旋流水口出口处y=0纵截面流场的结果相比，两者比较类似［19］。因此，用电磁的方式代替机械式旋流水口是可行的。

以圆坯连铸为例［20-22］，参照圆坯连铸机中浸入式水口及结晶器的实际尺寸引入滑动水口，模拟由滑动水口半开而引起的水口内偏流，以及电磁旋流对该偏流的抑制作用。图6分别为有、无电磁旋流时，结晶器内纵截面流场、温度场分布［20-22］。由图6可以看出，无电磁旋流时，由于水口内偏流的影响，水口出流主流不是垂直向下进入结晶器，而是偏向结晶器一侧，造成结晶器内流场的不对称，对结晶器内流场、温度场造成不良影响。有电磁旋流时，结晶器内的偏流现象有所改善，结晶器内流场、温度场较无旋流时均匀很多。

从以上对比结果可以得出，浸入式水口内旋流可以均匀水口内流场，有利于抑制水口内偏流的产生，并获得稳定均匀的水口出流，进而降低由于偏流而引起的结晶器内弯月面波动。还可以减少钢液对水口底部的冲击，对水口出流的提升有一定帮助。因此，应用电磁的方式在水口内产生旋转流动不仅可以显著提高连铸的生产率，实现电磁连铸的顺畅运行，还可以减少结晶器内流动控制设备的投入，实现电磁连铸工艺的简化，减少能源和资源的消耗，显著提高钢材的品质。

3 其他电磁冶金新技术

随着现代科技的发展，电磁场以及电磁流体力学理论不断完善，非接触的电磁场控制手段在冶金领域的应用将会越来越广泛。下面主要介绍一些重要的具有发展前景的电磁冶金新技术，这些技术绝大部分还处在研发和推广阶段，但不久它们会在实际工业生产中发挥重要的作用。

3.1 磁偏析布料技术

以钒钛磁铁精矿（磁性铁矿石）为主要含铁原料的烧结混合料粘性较大，使用常规的布料器会存在严重的粘结现象。磁偏析布料器既解决了传统溜槽式布料器易粘料和崩料的问题，又克服了辊式布料器沿料层高度方向混合料粒度及固定碳偏析效果差的缺点，使烧结各项指标得到改善，尤其是对富磁性的混合布料有着重要的作用。

烧结磁偏析布料装置是炼铁领域应用于烧结工序的新型偏析布料器，基于磁场下不同粒径和不同磁性的物料颗粒所受到的磁化力不同，在烧结布料过程中利用梯度磁场的作用，对大小颗粒实施不同的磁化力进行制动，非接触地改变料层的颗粒和成分组成分布，实现偏析布料［23］。图7为宝山钢铁公司磁偏析布料装置示意图［24］。

该装置设置于烧结台车上方，包括反射板、滑轮组和磁场装置。磁场装置位于反射板背面，滑轮组分别设置于磁场装置两侧。两滑轨分别通过一个连接板固定于磁场装置，并与滑轮组相配合；两齿条分别固定连接于连接板的另一侧；两齿轮固定在一个轴承座上，与齿条配合；蜗轮蜗杆的两端分别固定于两齿轮；调节手轮通过连杆和蜗轮相联结。这种新型磁偏析布料装置可满足现场安装条件，实现烧结磁偏析布料及对大型工业磁场装置的精确调节，工作稳定可靠。

3.2 电磁测速技术

洛伦兹力测速仪［25］是一种非接触式流体流速测量技术，适用于液态金属，如冶金工业中钢液、铝液等。当导电流体流经永磁体产生的磁场时，将在液体金属中产生感应电流。感应电流与磁场相互作用进而产生电磁力，即洛伦兹力，其作用相当于阻碍液体金属流动。根据牛顿第三定律，会有大小相等方向相反的力作用在永磁体上，该力与流体的速度和电导率成正比。

图8是固定洛伦兹力流速计示意图及作用在洛伦兹力流速计的力随管道中液态金属平均速度的变化结果［26］。图8中的磁铁体系采用U型形式，包含两个永磁体并且用铁轭相连接。该磁铁体系连接到一个平衡物并且它们都连接在一个钟摆上。流速计可以通过测量钟摆倾斜的角度或固定钟摆测量磁铁体系的受力来确定流体流速。图8中，曲线1、2和3为磁铁距离与管道内径的比值，依次为1.14、1.28和1.43。可以看出，作用在磁铁体系上的力随流体流速的增加而增大。洛伦兹力测速是唯一非接触电磁流速测量的方法，即使管道壁采用导电性能好的金属材料，依然可以应用。因此该方法在冶金行业有很好的发展前景。

3.3 电磁输运技术

液态金属的传输是冶金工业中必不可少的重要环节。传统的冶金物料传输方式有机械输送和气流输送。机械输送存在重量大、磨损及维修工作量大，设备密闭性差及输送不耐高温等缺点；气流输送，不论是压送、吸送或螺旋空气泵及仓式输送泵等，都存在着能耗大、易磨损及后续气固分离设备庞大等缺点。基于电磁流体传输原理而发展起来的电磁输送装置（电磁泵）构造简单、密闭性好、设备运行平稳，适合熔体的输送工作。电磁泵是利用磁场和导电流体中电流的相互作用，使流体在电磁力作用下产生流动的装置［27］。根据工作环境的差异和输送介质所要求的压差、流量的不同，电磁泵发展成多种类型。冶金、铸造等工业中，由于工作条件比较苛刻，要求电磁泵的结构简单、工作可靠，因而大部分都采用平面感应式电磁泵［28］。

图9为平面线性感应泵示意图［29］。平面线性感应泵主要用于输送高温液态金属。感应器绕组通电后会产生行波磁场，在行波磁场的作用下泵沟中的液态金属中产生感生电流，感生电流与行波磁场相互作用产生的电磁力驱动泵沟中的液态金属流动。平面线性电磁泵具有不需特殊电源、结构简单、维修容易等优点，应用较广泛，在铸铁、铝等金属的浇铸作业中使用的电磁流槽就是一种泵沟敞开的平面线性感应泵。

3.4 电磁稳流和电磁加速技术

结晶器内钢水流动控制技术对实现连铸机的高生产率和高品质铸坯具有重大影响［30］。基于行波磁场方式的结晶器电磁稳流和电磁加速技术是保证高速连铸时铸坯质量和浇注稳定性的不可缺少的技术。电磁稳流和电磁加速技术采用4个线性搅拌器，位于浸入式水口的两边，两两并排安装在结晶器宽面支撑板的后面。它们对通过水口的钢液进行减速或增速，将结晶器内的钢液流动特别是将弯月面附近的流动控制在一个恰当的范围内，以满足不同拉速和规格的板坯生产。为了产生这样的移动磁场，沿结晶器前后的长边板面配置了线性马达型磁场发生装置，图10为电磁水平稳定器和电磁水平加速器磁场放置方式［31］。

采用电磁控流装置，结晶器内弯月面附近的流动可以被控制在一个最佳范围内，从而大大减少铸坯表面和皮下的夹杂物含量，达到减少铸坯表面和内部缺陷的目的［32］。

3.5 薄板坯电磁侧封技术

侧封技术是制约薄板坯连铸技术发展的因素之一［33］。侧封是为了能在两铸辊间形成液态金属熔池而在铸辊两端添加防漏装置，起到约束金属液体，促进薄带成型，保证薄带边缘质量等作用。电磁侧封技术是在双辊的两个端面上施加电磁场，通过作用于液态金属上的电磁力达到侧封的目的。图11为电磁侧封简图［34］。

如图11所示，当铸辊间充满金属液时，通过直流电源产生图中所示的电流J，该电流与图中所示的磁场B相互作用，产生指向液态金属内部的电磁力F，从而达到密封住侧封板与铸辊缝隙间液态金属的目的。显然，由于电磁场的超距作用，无需与液态金属相接触就可以实现金属液的侧封，具有固体侧封板所无法比拟的优越性。

4 结论

电磁冶金技术已成为冶金和材料领域改善生产工艺、提高材料质量、节能减排、改善环境的重要技术之一。传统电磁冶金技术的逐步应用有效提高了钢材的质量和产量，对我国钢铁工业的发展起到了至关重要的作用。为满足现代工业高品质、高效率和环境友好的需求，一系列电磁冶金新技术应运而生。其中，钢包电磁感应出钢技术可以有效缩短开浇时间，提高自动开浇率，避免引入杂质，从而提高钢材产量；电磁旋流水口连铸技术不仅可以提高连铸生产率，还可以实现工艺的简化，减少能源和资源的消耗。另外，其他几种电磁冶金新技术也都具有许多无法比拟的优越性，这些必将推动钢铁工业进一步健康快速发展。

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