|
摘要：何处是方坯连铸机搅拌器的最佳位置？本文作者通过对几种不同的搅拌器位置以及不同搅拌器的联合使用所取得的冶金效果作了分析对比，并提出几种有效的解决搅拌器位置的办法。
电磁搅拌器（EMS）依据其搅拌工艺的不同可分为：单式搅拌、双式搅拌、组合式搅拌；或依据其电磁原理分为：线电磁和旋转电磁；最近又依据其设计类型的不同分为：内置式和外置式或两相和三相搅拌型。
对于方坯连铸机电磁搅拌器的先驱，Rotelec公司就其冶金原理对电磁搅拌器的分类有了一个明确的划分，避免了概念的混淆。
最简单也是最便利的分类是依据其在连铸机上的安装位置分为以下三类。Ⅰ：结晶器电磁搅拌器（M-EMS），位于结晶器处；Ⅱ：铸流电磁搅拌器（S-MES），位于结晶器下方或二冷区内；Ⅲ：末端电磁搅拌器（F-EMS），位于铸坯凝固末端。表1给出最简单也是最便利的分类是依据其在连铸机上的安装位置分为以下三类。Ⅰ：结晶器电磁搅拌器（M-EMS），位于结晶器处；Ⅱ：铸流电磁搅拌器（S-MES），位于结晶器下方或二冷区内；Ⅲ：末端电磁搅拌器（F-EMS），位于铸坯凝固末端。表1给出了3种不同类型搅拌器的基本特点。 表1 3种不同类型搅拌器的基本特点
（图片）图1给出了现在最流行的几种EMS安装方式（图片） 现在，主要应用的电磁搅拌方式有两种，一为单独式搅拌（M-EMS），一为联合式搅拌（M+F-EMS）。表2列出各种搅拌方式的使用情况。我们认为这两种搅拌方式为最佳模式。表2 由Rotelec公司制造投产使用的搅拌器数量
（图片）为何此两种搅拌方式应用最成功和应用频率最高，有必要先了解一下EMS的发展变革史。最好的方法是先了解其冶金效果。
S-EMS对铸坯内部质量的改善
第一台工业实用型EMS是在1973年法国的四流方坯连铸机上投产使用的。它是一台S-EMS。而且此类型电磁搅拌器被广泛采纳使用了十年之久，究其原因主要有两个：一是它安装在连铸机的铸流区内，相对简单便利；二是它采用工频电磁搅拌，电气设备的投资费用低。它的主要冶金效果是可在铸坯的中心区形成等轴晶凝固结构，并减少了铸坯的中心疏松和偏析缺陷。
对某些钢种来说它对其铸坯内部质量的改善的同时，却在凝固前沿产生了负偏析的危害，即所谓的“白亮带”现象。
从流体原理上来解释。通过其对铸坯内部液态钢水的搅拌，破坏了凝固前沿的树枝晶结构，阻止了柱状晶的生成和凝固搭桥现象的发生，减少了中心疏松，小钢锭现象和中心偏析。
依据S-EMS的机械模式，它应在铸流区的最佳位置处，不宜太高而搅拌太早，进而影响了搅拌效果，使柱状晶再次生成，不宜太低而不能在凝固前沿打断树枝晶，而树枝晶一旦形成，就不能再通过搅拌来打断，事实上，因为M-EMS的使用，以上两种设计思路不得不有所改变。
M-EMS对铸坯表面质量的改善
因为在结晶器下方铸坯的表面已呈凝固态，所以要对铸坯表面质量进行改善，就不能选择铸流搅拌器。另一种方法就是将搅拌器置于结晶器的弯月面处，以起到对铸坯表面凝固开始前对其“清洗”的作用。
大约在1977年第一台工业型结晶器电磁搅拌器显示出它对铸坯表面质量改善的优越性，于是Rotelec公司就将其在冶金工艺领域里推广应用。
事实上，对结晶器弯月面处的液态钢水进行搅拌，使其产生旋转运动，有以下三个效果：
● 阻止了非金属夹杂物和气泡被最先凝固的铸坯壳所捕捉，从而使铸坯在凝固前沿得到“清洗”。
● 给非金属夹杂物和气泡产生一个离心力。在离心力和铸坯中心力的联合作用下，使其更易于上浮到弯月面处，从铸坯凝固壳处分离出来。
● “清洗”弯月面。将上浮夹杂物保持在弯月面的凹陷处，从而使其远离铸坯凝固壳。
上面这三个效果极大地减少了铸坯轧制前的表面处理费用。
M-EMS对铸坯内部质量的改善
M-EMS对铸坯内部质量的提高是人们未M-EMS对铸坯内部质量的提高是人们未曾想到的，而且至今仍有许多人对此不甚了解，它对铸坯内部质量的改善远远优于前面提到的S-EMS，由图2可看出此结果，它壮大了等轴晶区，细化了晶粒度，减少了中心疏松，降低了中心偏析，甚至在试样上未发现有白亮带现象。（图片） 理解此结果的要点是：搅拌器毕竟不是树枝晶破碎器，而且必须用温度模式的设计理念来代替传统的机械模式。
机械原理的主导思想是搅拌所产生的钢水运动提高了铸坯中心到坯壳的热传递，比起简单的热对流传热方式，它促使了钢水过热度（液态钢水的温度高于其凝固时的温度差）的消失。冶金工作者都知道金属的凝固都是以树枝晶的形式沿着温度梯度的方向开始。
一旦过热度消失，液态钢水的温度下降到凝固时的温度，微小的等轴晶粒就开始形成，并留在余下的液态钢水里，然后以快于冷却的速度生成，依靠其自身重力沉淀下来，填充在铸坯的液态溶池里，柱状晶结构不再朝着铸坯中心处生长，凝固搭桥、小钢锭和收缩缩孔现象不再存在，铸坯凝固的内部结构为微小的细晶粒等轴晶结构。
搅拌器（实际上是一种冷却工具）在连铸机上的位置是最重要的。在结晶器的上方液态钢水的冷却速度最快，因为在这里它与结晶器铜管壁有一个良好的热传递，而且在这里坯壳是最薄的。从结晶器上方到下方，钢水冷却速度会随之下降，在结晶器下方的铸流区冷却速度更小，因此如果将搅拌器放置于结晶器上方，钢水的冷却效果最佳。
因为在结晶器钢水弯月面处的搅拌对铸坯内部质量的改善优于将搅拌器放置于结晶器下方，同理它也将优于铸流搅拌器。
图3显示出大方坯的温度随浇注时间的变化，在无搅拌的情况下，钢水的温度下降到其由液态到固态变化时的温度需14min，而S-EMS需9min，当M-EMS放置于结晶器上方时，温度几乎立即下降下来。（图片） F-EMS对高碳钢和高合金钢铸坯质量的改善
对于高碳钢和高合金钢铸坯来说，尽管在其中心处为等轴晶凝固结构，但偏析仍然是其主要的质量缺陷，甚至出现一种新的“V”型低倍偏析，铸坯样在纵向硫印试片上能很明显的看到一道黑线，即为这种偏析。
对这种现象的解释是：钢水碳含量或合金元素的含量愈高，其液相线温度与固相线温度的差值愈大，凝固时间就愈长，即沿着铸坯中心轴方向，从开始凝固到最终全部凝固的时间愈长。在这段时间里，先凝固的部分不断聚集直至铸坯全部凝固，而液态部分就富集了大量的碳元素和合金元素，而且金属的凝固收缩产生一种驱动力，使铸坯的液态部分与固态部分产生一个相对运动。偏析的液态部分朝着铸坯中心聚集，并在铸坯的糊状区结束处生成“V”型偏析痕迹。
要想解决这种偏析，最好的办法是在铸坯糊状区完全凝固前使用一种长的强有力的搅拌器（F-EMS）搅拌铸坯糊状区。在20世纪八十年代Rotelec公司和Kobe钢厂联合发展了这种工艺，并将其命名为Kosmostir-Magnetogyr工艺。为了达到最佳效果，使用F-EMS必须满足以下3个条件：
● 末端电磁搅拌器必须搅拌一个由细小晶粒组成的巨大等轴晶区。这就意味着它必须和一个强有效的结晶器电磁搅拌器结合起来使用，单独使用末端电磁搅拌器是无意义的。
● 末端电磁搅拌器必须依照铸坯的凝固曲线来确定其正确的安装位置。因此拉速必须在控制范围内，而且在浇注过程中保持稳定。
● 末端电磁搅拌器必须被设计成有足够的长度和功率，以便其能够搅拌小直径高黏度的铸坯模糊区。如果它的功率不够大，就必须将其上移到连铸机的更上方，这样它就变成了铸流搅拌器，而铸流搅拌器对“V”型偏析是没有效果的。
首先强调这三个条件是因为通过几种M+F-EMS与S+F-EMS的试验，如缺少其中之一，就得不出一个令人满意的结论。
图4通过M-EMS、M+F-EMS、无搅拌对铸坯中心偏析的影响，作了对比，可以明显看出M+F-EMS的优越性。（图片） 图5显示出在一个稳定的功率下F-EMS情况下，铸坯的碳偏析指数与M-EMS搅拌器的功率成反比。这正说明了高功率的M-EMS对联合式M+F-EMS的重要性，同时也证明了选择M+F-EMS要优于S+F-EMS。
洪常海、周民 译自《Advanced steel》，
(1998-1999):70～72页
庄亚昆 校
4/30/2006
|
