電磁攪拌器

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電磁攪拌器(Electromagnetic stirring: EMS) 的實質是藉助在鑄坯液相穴中感生的電磁力,強化鋼水的運動。具體地說,攪拌器激發的交變磁場滲透到鑄坯的鋼水內,就在其中感應起電流,該感應電流與當地磁場相互作用產生電磁力,電磁力是體積力,作用在鋼水體積元上,從而能推動鋼水運動。

電磁攪拌器的安裝位置和攪拌器模式

根據電磁攪拌器在鑄機冶金長度上的不同安裝位置大致有以下幾種模式

結晶器電磁攪拌:Mold Electromagnetic stirring: MEMS 攪拌器安裝在結晶器銅管外面

二冷區電磁攪拌:Strand Electromagnetic Stirring: SEMS 攪拌器安裝在鑄坯外面

凝固末端電磁攪拌:Final Electromagnetic stirring:FEMS 用於方坯連鑄 攪拌器安裝在鑄坯外面

電磁攪拌器的冶金效果

攪拌位置 冶金效果 適用鋼種

MEMS 增加等軸晶率 低合金鋼

減少表面和皮下的氣孔和針孔

彈簧鋼

減少表面和皮下的夾雜物

冷軋鋼

坯殼均勻化

中高碳鋼等

稍稍改善中心偏析

SEMS 擴大等軸晶率 不鏽鋼

減少內裂

改善中心偏析 工具鋼

減少中心疏鬆

FEMS 細化等軸晶 彈簧鋼

有效地改善中心偏析 軸承鋼

有效地改善中心縮孔和疏鬆 特殊高碳鋼  

一般結構

電磁攪拌器主要由產生電磁場的電磁感應器、保護電磁感應器的外殼體及冷卻電磁感應器的冷卻水路組成。從結構上來講,電磁攪拌大致有以下三種結構形式:①「油—水」二次冷卻結構形式、②外水直冷式結構形式、③空芯銅管內冷式結構形式。

第一種是「油一水」二次冷卻結構形式其感應器浸泡在不導電的矽油中進行冷卻,殼體設計成夾層結構,夾層中通水與矽油進行熱交換以帶走感應器的熱量。由於冷卻效率差,電磁攪拌器體積大,現已被淘汰。

第二種是以法國ROTELEC公司為代表的外水直冷式結構形式。其感應器直接浸泡在淨化水中進行冷卻,其最大的優點是冷卻效果較好、體積小。因此電磁攪拌器單位體積產生的攪拌功率大,且結構簡單、使用方便,可以製作成結晶器內置式結構;但由於感應器長期浸泡在水中其繞組絕緣很容易損壞,因此缺點也同樣突出,就是使用壽命短,一般為1~2年。

第三種是以瑞典ABB公司為代表的空芯銅管內冷式結構形式。其感應器繞組由空芯銅管繞制而成,銅管內通純水進行冷卻。空心銅管內冷技術是一種比較複雜的電磁產品冷卻技術。此項技術在電磁攪拌裝置上的應用研究最開始主要用於大型板坯連鑄電磁攪拌裝置上,在國內也只有本公司研製成功過這種裝置。方坯電磁攪拌裝置與板坯電磁攪拌裝置的最大不同在於:方坯電磁攪拌裝置體積小,而空心銅管在同等導電截面下,比實心電磁線體積要大,因而鐵芯採用常規的齒槽結構則無法裝下採用空心銅管繞制的線圈,為此必須改變鐵芯結構,採用不帶齒槽的環形鐵芯,採用克蘭姆環形繞組環繞在鐵芯上。空芯銅管內冷式電磁攪拌裝置最大的優點是絕緣結構合理,性能穩定,使用壽命長(可達5~8年),同時冷卻效率最高,使用維護方便;其缺點是結構較複雜,製作工藝講究,體積稍大。

電磁攪拌技術及電磁攪拌裝置概述

電磁攪拌技術是瑞典在1930年首先提出的,1939年電磁攪拌裝置在瑞典鋼廠的電弧爐上做了初步實驗,在針對試驗中出現的問題進行了多次改進後,世界上第一台能適應工業生產的裝置——15噸電弧爐用電磁攪拌裝置在1947年問世。

進入50年代初期,世界各國對電磁攪拌裝置極為重視並開始廣泛研究應用。原蘇聯在50年代中期研製成功並定型生產,配套使用在25噸電弧爐上。我國是在60年代中期開始研製,到70年代中期製成了40噸電弧爐配套使用的大型水冷電磁攪拌裝置。目前,電磁攪拌技術已在黑色冶金領域得到了廣泛的應用。

繼瑞典在電弧爐上應用電磁攪拌裝置之後,美國、日本等國家又相繼研製了鋁熔爐用電磁攪拌裝置,取得了明顯的工藝效果,並且發展很快,發展至今鋁熔爐用電磁攪拌裝置的設計製造技術均已成熟,可滿足不同噸位鋁熔爐的攪拌要求。

鋁熔爐用電磁攪拌裝置是我國「七五」期間的科技攻關項目,相關研製單位經過不斷努力,成功研製了鋁熔爐用平板式電磁攪拌裝置,並於1987年12月28日通過了中國有色金屬工業總公司組織的專家鑒定,獲得了1991年部級科技進步二等獎,被列為國家「八五」重點新技術推廣項目及中國有色金屬工業「九五」重點新技術推廣應用項目計劃。

進入21世紀後,我國的鋁工業發展很快。大容量鋁熔爐不斷湧現,同時對產品質量也提出了更高的要求,傳統的人工及機械攪拌方法根本不能適應這一需要,而電磁攪拌技術以其實施攪拌方便、充分、能確保產品質量、不污染鋁熔液等優勢得到了快速的發展,有人評價電磁攪拌技術是目前國際鋁合金熔煉攪拌工藝中最先進的技術,而電磁攪拌裝置更成為了鋁熔鑄業的必備設備。

電磁攪拌裝置主要由低頻電源、感應器和水冷系統等幾部分組成。

電磁攪拌裝置在不同的應用場合有著不同的安裝形式,根據安裝形式和位置的不同,鋁熔爐用電磁攪拌裝置主要有「爐底感應式」和「側壁感應式」兩種。目前我國應用最多的還是以將感應器安裝在爐底的為主,即爐底感應式電磁攪拌裝置,因為這種形式為感應器安裝在爐底,磁場穿透爐底的耐火材料作用於鋁液,根據磁場在空間分布的情況和在金屬熔液內部的作用規律也即磁流體力學的作用原理,靠近爐底的熔液受到較大磁場力的作用,熔體上部受到磁場力的作用則相對較小,這樣一來,熔液內部越靠近爐底(感應器安裝位置)的部分流速和流量越大,而且有較大的作用面積,大量的中、下部熔液強烈的涌動帶動了整爐熔液按照磁場力的作用規律作有規律的流動,因而,攪拌效果比較明顯,綜合經濟效益高。側壁感應式電磁攪拌裝置主要是針對一些特殊應用或舊爐改造(只能安裝在爐子側壁)的情況,其工作原理與爐底感應式電磁攪拌裝置原理大同小異。

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