研究电磁搅拌技术在冶金方面的应用

兰 芳

（湖南中科电气股份有限公司，湖南 岳阳 414000）

现阶段，我国工业产业的整体发展速度不断加快，冶金工作领域当中对更多先进的生产技术应用程度越来越高，大大提高了冶金生产工作的整体效率和稳定性。其中电磁搅拌技术在冶金行业内部应用效果非常明显，受到业内人士的广泛关注和重视，基于电磁热流体力学理论作为研究工作基础，针对电磁搅拌技术在冶金生产工作中的应用要点进行了深入探索。

1 电磁搅拌技术介绍

1.1 电磁冶金概念

电磁冶金也称之为EPM 为金属材料进行必要的电磁处理，该项工艺流程主要是借助电流和磁场所产生的电磁力和安培力，对基础材料加工生产工作中表面的形态内部流动形式等进行影响，以此来有效掌控金属材料内部产生的变化以及反应过程，有效改变金属材料的表面分子分布形式以及内部的基础组织结构。

1.2 电磁流体学

电磁流体学也称之为MHD，属于电磁冶金理论的重要基础，该项技术的发展带动着电磁连铸技术，在整个冶金工业产业当中的应用和全面发展。电磁流体学在冶金行业内部得到普遍应用，主要是因为熔体金属属于一种良好的导电体，在电场和磁场的双向纵向金属熔体内部会产生相应的电磁力，如图1 所示，通过使用电磁力可以有效实现对熔融状态下的金属，实现非直接接触性搅拌，对金属熔体状态下的传输形式和形体状态进行进一步控制。电磁冶金技术的应用具有更高的能量密度以及清洁性能，同时还具有良好的响应性以及可控制性，在整个自动化控制程度较高，并且能量使用率较高在我国各大冶金产业、金属铸造以及钢水检测等多条领域内部应用非常普遍[1]。

图1 电磁流体学原理

2 电磁搅拌技术的工作原理分析

2.1 电磁搅拌技术的工作原理

电磁搅拌技术属于磁流体力学当中的一个重要分支结构，最早出现于上世纪30 年代初，在瑞典首次制作出，世界上第一台15t 电弧炉用电磁搅拌装置。电磁搅拌技术在工作当中，主要是运用不同类型的磁场发生装置，在外部环境磁场的影响条件下，保证液态状态下的金属在流过作用磁场范围的条件下，在液态金属当中会生成相应的感生电流，而这种感生电流在电磁场的环境这种条件下会产生相应的电磁力，这种电磁力可以在金属液体当中产生作用，对金属连铸工作中的金属液体的流动性传热性能，以及凝固过程等进行实质性控制，如图2 所示，电磁搅拌技术具有交流感应和直流感应两种形式，直流感应在钢水当中产生磁力方向和金属液体的流动方向相反，同时可以对钢水起到了一定的制动性作用效果，因此这种搅拌形式也被称之为电磁制动形式。

图2 电磁搅拌技术的工作原理

2.2 电磁搅拌工作特征

电磁冶金属于一门新兴的工程学科，在针对各种金属材料的处理和生产工作中，电磁冶金主要基于金属所受到的洛伦兹力影响金属组织结构的具体形态，让金属内部处于一种流动状态，同时电磁力可以在封闭的工作条件下，通过非接触式的方式直接传递到金属材料内部，以此来有效防止金属材料的二次氧化问题，提高冶金生产的整体工作质量效果，同时可以进一步提高金属材料的内部组织性能。在后续的研究工作中，人们相继发现电磁流体力学现象，并且将其运用在冶金生产工作当中，形成一种电磁搅拌以及电磁悬浮熔炼等多项电磁冶金技术，在我国各大冶金企业内部得到了广泛应用，可以全面降低金属助推产生的缺陷问题，有效提高金属材料的生产稳定性。在冶金工作广中电磁搅拌技术的应用，可以全面提高金属产品的清洁程度，同时还可以进一步扩大金属内部的晶体区范围，有效控制成分偏析问题，降低或者全面消除金属液体的中心位置产生疏松以及中心点产生缩孔等不良状况，以此来全面提高冶金产品的生产质量。

2.3 电磁连铸技术

将电磁搅拌技术有效应用于连铸工作方面，是电磁冶金技术当中非常重要的工作环节，同时连铸技术已经慢慢发展成为电磁冶金技术领域当中最为活跃的部分。随着磁场技术在连铸工作中的有效应用，先后产生了利用实时性变化磁场、脉冲磁场稳定、恒磁场的电磁搅拌方法，对电磁制动和软接触电磁连铸技术进行同步使用，有效形成三者之间有机衔接的更加先进的电磁连铸技术。

2.4 电磁搅拌的冶金机理分析

电磁搅拌装置冶金机理，主要表现在生产过程中金属的机械效应和热效应两个方面，主要表现出的作用包含以下几个方面：第一，由于电磁搅拌装置在工作过程中，采用的是旋转搅拌形式，当金属液体的旋转速率达到特定值条件下，可以获取足够大的离心力作用，因此会造成金属液体内部存在的各种杂物和气泡，会逐渐朝着中心聚集同时快速上浮，然后在融融状态下被保护渣所吸收，可以保证金属铸坯表面和内部的杂质气泡量进一步降低，以此来有效提高金属材料的整体质量和纯度[2]。第二，因为旋转搅拌过程中产生切向电磁力的作用，可以有效保证金属外壳的质地更加均匀，同时进一步降低金属液体外漏的可能性。第三，因为旋转搅拌会产生强大的径向电磁力的作用效果，因此有效抑制竖直晶体形成结晶，同时更有利于等轴晶体的生长。在快速旋转搅拌的条件下，水体的流动方向会处于垂直向下的状态，使其由深变浅并且会保证轴向的温度快速下降，径向所产生的温度会不断上升，因此在整个温度梯度变化上相对较大，有利于热效应的传导。

3 电磁搅拌装置工作分析

3.1 电磁搅拌装置的分配与设备特性

该装置可以将其分为水平旋转搅拌设备和线性搅拌设备两种形式，而其中线性搅拌设备又可以将其细化分为垂直和水平性搅拌器设备，水平搅拌器设备主要围绕铸流进行设置，可以将其想象成一种旋转电机的定子，通过驱动钢业的水平来实现旋转，多用于圆坯、方坯和小矩形坯的生产工作中。垂直线性搅拌器设备靠近金属流体的一侧，在运转过程中会保证一种线性的运转条件，金属液体会沿着垂直的方向旋转和运动，因此更加适用于大断面的矩形坯，使用水平线性搅拌器设备直接安装在铸坯的一侧，可以将其视作成平行定子结构，在板坯内弧侧熔池内会产生水平方向的电磁场，以此推动金属液体的快速运动[3]。

3.2 电磁搅拌装置的主要类型

第一，结晶器电磁搅拌。金属液体在结晶器内部，搅拌器直接设置在结晶器的外部区域，搅拌器内部的铁芯所释放出的磁场，会通过结晶器直接渗入到金属液体内部，并且通过电磁感应所生成的强大磁场力作用，会促使钢水产生快速旋转运动或者上架垂直运动。因为，精细的铜板具有较高的导电性，因此可以使用公平50Hz的电源，因为肌肤效应的影响，磁场在同城内部穿透深度只有几毫米，同时会小于铜板的厚度，结晶器的铜壁屏蔽不能充分渗入钢水内部，此在冶金工作过程中通常选用的是2～10Hz的低频率，有效保证磁场可以直接穿过铜壁对钢水进行搅拌。

第二，通过结晶器电磁搅拌技术的应用，金属液体的运动可以有效清理凝固壳表面的气泡以及所掺杂的杂物，可以有效提高金属构件的表面质量，同时金属液体的运动有利于过热问题的控制，可以去除内部产生的各种杂质，全面提高金属构件的清洁程度。金属液体的运动可以将竖直晶体直接打碎，可以有效提高等轴晶体的质量，同时完善铸坯内部的晶体结构，有利于保护渣吸收上浮的夹杂物[4]。

3.3 二冷区电磁搅拌技术

在板坯连铸二次冷却区域范围内，因为金属液体内部晶体的排列不同给安装搅拌器的工作造成了一定的困难和阻碍。为了有效缓解这一问题，当前在生产实践工作当中主要的排列形式分为以下两种，第一平面搅拌方式，在内外部各安装一台和支撑轴相平行的搅拌机设备，或者在内湖一侧的支撑轴后方区域安装搅拌器设备，或者将感应器设备的铁芯直接插入到搅拌器的内弧之间，外形类似于支撑辊结构辊子内部，如图3 所示：

图3 二冷区电磁搅拌

有相应的感应器设备，在支撑结构的作用下整体的工作稳定性得到了保障，搅拌器安装在二次冷却区的位置，大约相当于凝固和厚度的1/3 或1/4。在工作过程中主要的作用是击碎金属液体，内部产生的竖直晶体结构，同时消除铸坯内部的中心输送孔以及压缩孔作为等轴晶体核心区域，可以有效扩大金属铸坯件等轴晶区，消除中心偏析问题，有效保证铸坯内部的杂物快速上浮，有效防止大量的杂物堆积[5]。

电磁冶金技术在未来的发展过程中，将会不断朝着多模式、多功能、复合型以及定制磁场的方向上不断发展。同时通过高强磁场的运用，对整个冶金工作过程有着更加多样化的影响和转变，甚至会直接影响到原子的排列层次，对冶金行业所产生的影响和意义非常深远。当前正在研究的工作显示，强磁场在热力学与动力学方面都会影响到整个冶金工作的过程，并且在冶金工作当中也研发出了全新的发展方向。随着超导技术等不断研发和应用，高强磁场的获取将会变得更加的简单和高效，在整个冶金行业当中的运用将会带来质的变化，将会推动我国冶金行业不断朝着更高端的方向上发展。

4 结语

电磁冶金技术经历了数10 年的技术研发和应用，已经慢慢发展成为高品质钢材料生产的必备基础，可以有效提高连铸生产工艺质量和效率，对推动我国钢铁制造行业的长远稳定发展打下了良好的基础。随着更加先进的合金钢等连铸技术的开发和应用，钢连铸生产工作效率和质量将会不断提高，对推动我国冶金行业的长远稳定发展有着重要的意义。