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新日铁开发的板坯结晶器电磁搅拌装置 |
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| http://cn.newmaker.com
11/28/2007 11:13:00 AM
佳工机电网
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为了满足用户对稳定供应高质量板材的迫切需求，新日铁制定的目标是在连铸结晶器内的铸坯凝固界面直接捕捉钢液中的非金属夹杂物，以提高钢液清洁度和铸坯表面清洁性；同时还考虑控制结晶器内的钢液流动，均匀温度和初期坯壳厚度，以抑制表面纵裂等缺陷。
经过长期的研究开发，新日铁成功运用结晶器内电磁搅拌装置(In—Mold Electro—MagneticStirrer简称M—EMS)控制钢液流动，大幅度提高了板坯表面质量及合格率，减少了因纵裂而引发的拉漏(即跑火)事故。现在，新日铁的板坯铸机几乎全部采用了这类 M—EMS。下面概要介绍其使用效果和结构特点。
2M—EMS的原理及主要规格
其原理是在结晶器内板坯后方设置了直线运动感应式传感器(Linear indueto)，产生了能罩住整个铸坯宽度的平行稳定移动磁场，驱动结晶器内弯月面附近的钢水沿着水平方向旋转。
其主要规格(即技术参数)为：连铸板坯厚度150—400mm、宽度600～1600／900～ 2360mm；铸速0．5-2．5m／min；电磁线圈为线性感应电动机型，极距420-972m、极数2／4、容量300-600KVA；线圈采用内冷式水冷，重量约2500kg× 2／st，其对钢液形成的推力约 7-9×103KN／m2；结晶器长度800-1090mm。
3搅拌钢流的清洗机理及效果
M—EMS产生的电磁推力引起的搅拌钢流净化钢液和铸坯的机理可分解为以下三个过程：
a．将被铸坯中的柱状晶捕捉的非金属夹杂物(下简称夹杂物)清洗出来，防止其被初期凝(固)壳捕捉；
b．被钢流清洗出来的夹杂物在结晶器中心部的钢液中碰撞、凝聚、长大，易于在铸坯的液相中上浮；
c．夹杂物上浮到弯月面，被钢液面上的保护渣液渣层吸收即被从铸坯中除去。
另外，此搅拌钢流均匀了结晶器内钢液的温度分布；抑制了初期凝固坯壳的厚度不均，减少了延迟凝固和坯壳变形，从而防止了铸坯表面的纵裂。
4M—EMS对铸坯质量的影响
a．减少针孔缺陷：采用M—EMS时，铸坯的针孔密度指数(Number of pinholes index)大幅度地由未用M—EMS时的1．0降至0．05，即降为原来的1／20。
b．减少了夹杂物：在铸坯皮下(距表面 10mm以内)区域不仅夹杂物明显减少，且没有100mm以上的大型夹杂物；即便是对于尾浇坯或接缝坯等易聚集夹杂物的部位，也可以达到稳定浇铸部位的较清洁的水平。
c．减少表面纵裂：由于铸坯在结晶器内宽度方向的温度不均及初始坯壳厚度不均，坯表易产生纵裂，特别是含C量为0．10％～1％的低C钢更是如此。采用M—EMS均匀了弯月面部位的温度场，减少了延迟凝固部位，均匀了坯壳厚度，使板坯表面的纵裂指数降为原来的1／4。
d．稳定了连铸操作：采用M—EMS将警报拉漏的结晶器表面异常信号发生频率指数降为原来(不用M—EMS)时的1／9～1／10，从而实现了稳定的连铸操作。这是由于此时流经凝固坯壳界面的钢流稳定了铸坯初期凝固状态，减弱了来自水口的偏流的有害影响。
e．提高了钢材质量：
为了满足汽车外板用钢对轻量化(既薄又强度高)、流线型设计(加工性优良)要求，采用M—EMS能高效地生产表面清洁、少缺陷铸坯；将铸坯轧前火焰清理量减少40％，表面裂纹不合格晶减少50％；缩短尾坯切取长度，提高了成坯率。
为了解决生产厚板和钢管的高级钢铸坯存在的角部微裂和夹杂物较多的问题，采用 M—EMS稳定了拉速和温度变化，减少了铸坯纵裂；将高质量材用的坯尾切取长度由原来的1．5m缩短至0．6m，成分混合的接缝坯切取长度由原来的2m缩短至1m；将铸坯轧材前的无清理比率提高到了99％的高水平 (即基本无须清理)。
5 M—EMS的设备特点
a．EMS线圈构造：为了将线圈装入结晶器内有限的空间内并产生强的搅拌推动力，故本线圈须绕组末端间隙小、安装位置高度接近结晶器弯月面；须有高的安匝负载(am-pere conductor)。为此，将其导电部作成铜管，直接通水吸收线圈产生的焦耳热；流向线圈的部分水管为尼龙材质，确保了与地面的绝缘；采用方形断面铜管，减少了槽沟空隙而可填充高密度线圈，从而实现了高的安匝负载。
b．电源和控制装置的最佳构成：EMS线圈产生的磁通量是通过铜板而搅拌钢液的，因铜板产生的涡流而衰减，且频率越高衰减越大，故EMS的搅拌推力峰值在低频范围。为此，电源装置采用了可在低频范围运转的换流器，在控制盘设定的频率和电流基础上独立进行换流器控制，在设定产生最大推力的频率数和适应必要搅拌强度的电流条件下，可以进行最佳EMS运转。
c．铜板的材质与构造：M—EMS结晶器铜板的设计原则为须对电磁力的衰减作用小、能保持结晶器原来冷却钢水的功能、使M—EMS结晶器寿命不低于一般结晶器的水平。
为了防止铸坯与结晶器铜板粘结、提高铜板使用寿命、增大铜板重复使用次数，在试
验研究的基础上，决定采用导电系数在40％～60％的铜板；其厚度须能确保必要的刚性，以防止其变形而恶化铸坯质量并引发漏钢事故，同时须确保其表面温度最高≯350℃，以防止粘结铸坯。另外，新日铁还在进行实际的结晶器铜板设计中，利用FEM(有限要素法)复合解析求出了抑制铜板变形的最佳螺栓安装问题。
d．M—EMS结晶器构造为了产生对弯月面部位钢液的高搅拌推力，将产生平行移动磁场的线圈置于结晶器长边的冷却箱内，确保了线圈对铸坯的就近设置，即在冷却箱上部设置了线圈容纳室，在其下方设置了结晶器冷却水的排水室。此结晶器外形尺寸与一般结晶器相同；而且，本结构对结晶器宽度变动和电制动装置都不造成干扰。
e．易于拆卸的线圈和电缆线圈由法兰、螺栓连接于冷却箱背面，故维修结晶器和再加工铜板时，拆卸线圈也方便。如采用简易拆卸装置，可在保持结晶器整体状态下更换线圈；即使在发生拉漏或上溢事故而须更换结晶器时，也可仅将线圈换装到备用结晶器上，从而减少了备件数量和费用。更换结晶器时，须拆卸M—EMS线圈配线。为此设置了专用自动拆卸装置，使其更换时间与一般结晶器相同。
6结论
新日铁开发的板坯用M—EMS因其固有的功能和作用，大幅度减少了连铸板坯的针孔、表面非金属夹杂物和纵裂等缺陷；均匀了结晶器内钢液温度分布及初始坯壳厚度，避免了拉漏等事故，稳定了连铸操作。
用M—EMS连铸汽车外板用钢时，可减少热轧前铸坯火焰清理量的40％，裂纹不合格材的50％；在连铸中、厚板和钢管用高级钢时，基本上实现了热轧前铸坯的无清理化。
在M—EMS设备方面，其EMS线圈结构紧凑、体积小、效率高；电源控制装置可方便地控制M—EMS对钢液的搅拌力；结晶器冷却箱结构使线圈尽可能靠近结晶器内的钢水弯月面；结晶器铜板的选材和结构设计能确保线圈磁场对钢液的有效搅拌，连铸操作稳定、铸坯质量良好及结晶器必要的寿命；EMS线圈拆卸结构简易，线圈配线具有方便的自动拆卸装置。
因此，新日铁的这项开发是成功的。
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