王凱，何明，王強，劉鐵，赫冀成

（東北大學材料電磁過程研究教育部重點實驗室，遼寧 沈陽 110819）

電磁冶金是利用電磁場的力效應(yīng)及熱效應(yīng)等來影響冶金過程中能量傳輸、流體運動和形狀控制，進而達到優(yōu)化冶金過程、提高生產(chǎn)效率、改善產(chǎn)品質(zhì)量和性能的目的。很早以前人們就開始使用電能來冶煉金屬。之后，人們發(fā)現(xiàn)了電場和磁場共同作用于液態(tài)金屬產(chǎn)生的電磁流體力學現(xiàn)象，并將其應(yīng)用于冶金生產(chǎn)，形成了電磁攪拌［1］、電磁懸浮熔煉［2］等一系列電磁冶金技術(shù)，隨后擴展到材料制備的諸多過程中，稱為材料電磁過程。

傳統(tǒng)電磁冶金技術(shù)在國內(nèi)外鋼鐵行業(yè)已經(jīng)有30多年的應(yīng)用歷史，主要包括基于電磁場熱效果的電磁感應(yīng)加熱技術(shù)，以及利用洛倫茲力而形成的電磁攪拌、電磁制動、電磁無模鑄造技術(shù)等。這些技術(shù)顯著提高了鋼材產(chǎn)量和質(zhì)量，優(yōu)化了冶金工藝過程。

隨著鋼鐵工業(yè)逐步向高效、連續(xù)、短流程的方向發(fā)展，電磁冶金技術(shù)的發(fā)展主要呈現(xiàn)以下兩個趨勢：一是隨著電磁場相關(guān)技術(shù)以及電磁場、流場、溫度場耦合的電磁流體現(xiàn)象的機理不斷被揭示和冶金與材料工業(yè)發(fā)展需求，傳統(tǒng)的電磁冶金技術(shù)不斷更新?lián)Q代，向自動化和智能化過程發(fā)展；二是一系列電磁冶金新技術(shù)不斷涌現(xiàn)，如連鑄過程中的鋼包電磁感應(yīng)加熱出鋼技術(shù)、電磁旋流水口技術(shù)、電磁防漩技術(shù)、電磁控流技術(shù)等正在不斷開發(fā)研究中。電磁冶金技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域不斷擴大，從最初的鋼連鑄的電磁攪拌、鋁合金的電磁鑄造不斷延伸發(fā)展，現(xiàn)已貫穿幾乎整個鋼連鑄的每個環(huán)節(jié)以及有色金屬冶煉、鑄造和非金屬材料與新材料的制備等多個新興領(lǐng)域。

1 鋼包電磁感應(yīng)出鋼技術(shù)

隨著工業(yè)的不斷發(fā)展，用戶對鋼材性能的要求日益苛刻。為滿足在高強度、耐腐蝕、長壽命等惡劣環(huán)境下工作的需要，便形成了以最大程度減少鋼中夾雜物為目的的潔凈鋼冶煉技術(shù)。目前的煉鋼生產(chǎn)中，滑動水口開澆系統(tǒng)采用的引流砂主要為二氧化硅、堿性長石、鉻質(zhì)耐火材料及其他添加成分，這些物質(zhì)在自動開澆后會對鋼液造成污染。另外，近年來人們發(fā)現(xiàn)鉻質(zhì)引流砂雖然比之前使用的硅質(zhì)引流砂燒結(jié)性能優(yōu)越，能夠提高自動開澆率［3］，但是它作為外來夾雜物會污染鋼水，而且具有高氧化物的特點，使鋼液中的硅、鋁等元素發(fā)生氧化反應(yīng)，生成內(nèi)生夾雜物。不僅如此，還會對環(huán)境造成嚴重的污染。因此有必要尋找一種能夠代替引流砂的物質(zhì)，既不會引入新的外來夾雜物污染鋼水，同時也不會影響順利開澆。

1.1 電磁感應(yīng)出鋼技術(shù)的原理及優(yōu)勢

鋼包電磁感應(yīng)出鋼技術(shù)是一種全新的鋼包開澆法［4-8］。圖1為電磁感應(yīng)出鋼系統(tǒng)［4-8］，其原理是利用與鋼液成分相同或相近的鐵碳合金顆粒代替?zhèn)鹘y(tǒng)引流砂，并在鋼包底部座磚內(nèi)設(shè)置線圈，通過電磁感應(yīng)加熱，使鋼包底部上水口內(nèi)的鐵碳合金封堵層全部或部分迅速熔化，在鋼液靜壓力的作用下流出從而實現(xiàn)鋼包自動開澆出鋼。

電磁感應(yīng)加熱出鋼方法避免了引流砂的使用，能夠顯著提高鋼包的自動開澆率，減少鋼液中的夾雜物，有效改善了鋼水的潔凈度，減少企業(yè)的外購成本，還能避免對環(huán)境的污染，可以有效降低鋼鐵生產(chǎn)所產(chǎn)生的固體和氣體污染物，尤其可以降低毒性非常大的Cr6+的排放。

1.2 電磁感應(yīng)出鋼技術(shù)的可行性及效果分析

圖2為熱態(tài)實驗裝置示意圖,該裝置模擬了電磁感應(yīng)出鋼動態(tài)過程［9］。采用內(nèi)徑為130 mm、高為233 mm的MgO坩堝來模擬鋼包，在坩堝底部留有直徑為80 mm的圓孔，在孔中放入頂部內(nèi)直徑為40 mm、底部內(nèi)直徑為20 mm、材質(zhì)為高鋁質(zhì)的上水口，其頂端與坩堝底部上表面持平并用細鎂砂將結(jié)合處打結(jié)。利用含有碳纖維的石棉板模擬鋼包滑板，在滑板下部放置石墨坩堝模擬盛裝鋼水的中間包。模擬實驗證明了用鐵碳合金顆粒代替引流砂，同時借助電磁感應(yīng)加熱技術(shù)可以實現(xiàn)順利出鋼。

圖3為采用填裝料直徑2.0 mm的球形鑄鐵，線圈頂端距坩堝底端h=60 mm的條件下，電源功率對出鋼開澆時間的影響［9］。由圖3可見，開澆時間隨著電源功率的增大不斷減少。電源功率從最低值（10 kW）向最高值（28 kW）變化時，對縮短開澆時間的作用效果呈非線性變化?？煞譃閮蓚€階段，第一階段內(nèi)（10～20 kW），功率的提高對縮短開澆時間效果明顯；第二階段內(nèi)（20～28 kW），雖然功率的提高也能夠縮短開澆時間，但效果逐漸減弱。對曲線的兩個階段做切線（圖3中虛線），與圖中的水平線的夾角分別為α和β。則tanα和tanβ可認為是兩個階段功率對縮短開澆時間的作用效果。計算得出 tanα=6.3，tanβ=1.2。由此可知，第一階段增加功率對縮短開澆時間的作用效果是第二階段的5倍多?？梢?，當選用直徑為2.0 mm的球形鑄鐵顆粒作為填裝料，電源功率為20 kW，線圈頂端距坩堝底端60 mm時，電磁感應(yīng)出鋼時間可以達到較小值，與傳統(tǒng)的引流砂開澆相比較，能有效縮短開澆時間，提高自動開澆率。同時，避免了有害雜質(zhì)的引入，顯著提高鋼材質(zhì)量，減少環(huán)境污染。因此，鋼包電磁感應(yīng)加熱出鋼技術(shù)有著無法比擬的優(yōu)越性。

2 鋼的電磁旋流水口連鑄技術(shù)

浸入式水口連接中間包和結(jié)晶器，起到保護鋼流、防止鋼液二次氧化的作用，同時還可以改變鋼液在結(jié)晶器內(nèi)的流動形態(tài)。浸入式水口內(nèi)偏流是影響結(jié)晶器內(nèi)不穩(wěn)定流動的重要因素之一，為了抑制水口內(nèi)偏流，目前通常采用機械式旋流水口。但是，機械式旋流水口內(nèi)固定的轉(zhuǎn)子由耐火材料制作，成本較高且容易損毀；鋼液中的夾雜物容易沉積在轉(zhuǎn)子上造成堵塞，使浸入式水口內(nèi)流道變小，最終需要更換水口；轉(zhuǎn)子安放后，旋流狀態(tài)無法隨工藝條件進行調(diào)節(jié)和控制［10-12］，而采用電磁旋流的方法可以明顯改善這些缺點。

2.1 電磁旋流水口連鑄技術(shù)的基本原理及優(yōu)勢

電磁旋流水口即在浸入式水口外側(cè)安裝可移動的電磁旋流裝置，通過旋轉(zhuǎn)電磁場以非接觸的方式使水口內(nèi)鋼液形成旋轉(zhuǎn)流動，是一種新的浸入式水口內(nèi)產(chǎn)生旋流的連鑄工藝［13-18］。圖4為電磁旋流水口連鑄工藝示意圖［16-18］。

雖然電磁旋流水口與機械式旋流水口產(chǎn)生旋流的方式不同，但同樣可以產(chǎn)生一定強度的旋轉(zhuǎn)流動，有效減輕或消除水口內(nèi)鋼液偏流，進而均勻水口出流，降低結(jié)晶器內(nèi)液面波動，減少由于卷渣等原因而引入的非金屬夾雜物，顯著提高鋼液的潔凈度，大幅減少鑄坯表面及內(nèi)部缺陷，顯著提高鋼的品質(zhì)。同時，應(yīng)用電磁方式在水口內(nèi)產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)流動可以避免由于夾雜物沉積在轉(zhuǎn)子上而造成的水口堵塞，避免了水口的頻繁更換，并且由于鋼液旋轉(zhuǎn)流動對水口內(nèi)壁沖刷，可以減少夾雜物沉積在水口內(nèi)壁上而形成結(jié)瘤的情況，使連鑄得以順暢運行。另外，應(yīng)用電磁的方式在水口內(nèi)產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)流動或者應(yīng)用頻率等方式隨時調(diào)節(jié)旋流的強度，可以隨工藝條件的變化控制和調(diào)節(jié)旋流狀態(tài)，獲得更好的連鑄效果。

2.2 電磁旋流水口連鑄技術(shù)的可行性及效果分析

在機械式旋流水口的基礎(chǔ)上，將轉(zhuǎn)子移去，并在相同位置替換為電磁旋流裝置，旋流裝置底部與轉(zhuǎn)子底部保持在同一水平位置，其結(jié)構(gòu)如圖5（a）、（b）所示。圖5（d）為 200 A、50 Hz條件下電磁旋流水口的模擬結(jié)果，與圖5（c）采用機械式旋流水口出口處y=0縱截面流場的結(jié)果相比，兩者比較類似［19］。因此，用電磁的方式代替機械式旋流水口是可行的。

以圓坯連鑄為例［20-22］，參照圓坯連鑄機中浸入式水口及結(jié)晶器的實際尺寸引入滑動水口，模擬由滑動水口半開而引起的水口內(nèi)偏流，以及電磁旋流對該偏流的抑制作用。圖6分別為有、無電磁旋流時，結(jié)晶器內(nèi)縱截面流場、溫度場分布［20-22］。由圖6可以看出，無電磁旋流時，由于水口內(nèi)偏流的影響，水口出流主流不是垂直向下進入結(jié)晶器，而是偏向結(jié)晶器一側(cè)，造成結(jié)晶器內(nèi)流場的不對稱，對結(jié)晶器內(nèi)流場、溫度場造成不良影響。有電磁旋流時，結(jié)晶器內(nèi)的偏流現(xiàn)象有所改善，結(jié)晶器內(nèi)流場、溫度場較無旋流時均勻很多。

從以上對比結(jié)果可以得出，浸入式水口內(nèi)旋流可以均勻水口內(nèi)流場，有利于抑制水口內(nèi)偏流的產(chǎn)生，并獲得穩(wěn)定均勻的水口出流，進而降低由于偏流而引起的結(jié)晶器內(nèi)彎月面波動。還可以減少鋼液對水口底部的沖擊，對水口出流的提升有一定幫助。因此，應(yīng)用電磁的方式在水口內(nèi)產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)流動不僅可以顯著提高連鑄的生產(chǎn)率，實現(xiàn)電磁連鑄的順暢運行，還可以減少結(jié)晶器內(nèi)流動控制設(shè)備的投入，實現(xiàn)電磁連鑄工藝的簡化，減少能源和資源的消耗，顯著提高鋼材的品質(zhì)。

3 其他電磁冶金新技術(shù)

隨著現(xiàn)代科技的發(fā)展，電磁場以及電磁流體力學理論不斷完善，非接觸的電磁場控制手段在冶金領(lǐng)域的應(yīng)用將會越來越廣泛。下面主要介紹一些重要的具有發(fā)展前景的電磁冶金新技術(shù)，這些技術(shù)絕大部分還處在研發(fā)和推廣階段，但不久它們會在實際工業(yè)生產(chǎn)中發(fā)揮重要的作用。

3.1 磁偏析布料技術(shù)

以釩鈦磁鐵精礦（磁性鐵礦石）為主要含鐵原料的燒結(jié)混合料粘性較大，使用常規(guī)的布料器會存在嚴重的粘結(jié)現(xiàn)象。磁偏析布料器既解決了傳統(tǒng)溜槽式布料器易粘料和崩料的問題，又克服了輥式布料器沿料層高度方向混合料粒度及固定碳偏析效果差的缺點，使燒結(jié)各項指標得到改善，尤其是對富磁性的混合布料有著重要的作用。

燒結(jié)磁偏析布料裝置是煉鐵領(lǐng)域應(yīng)用于燒結(jié)工序的新型偏析布料器，基于磁場下不同粒徑和不同磁性的物料顆粒所受到的磁化力不同，在燒結(jié)布料過程中利用梯度磁場的作用，對大小顆粒實施不同的磁化力進行制動，非接觸地改變料層的顆粒和成分組成分布，實現(xiàn)偏析布料［23］。圖7為寶山鋼鐵公司磁偏析布料裝置示意圖［24］。

該裝置設(shè)置于燒結(jié)臺車上方，包括反射板、滑輪組和磁場裝置。磁場裝置位于反射板背面，滑輪組分別設(shè)置于磁場裝置兩側(cè)。兩滑軌分別通過一個連接板固定于磁場裝置，并與滑輪組相配合；兩齒條分別固定連接于連接板的另一側(cè)；兩齒輪固定在一個軸承座上，與齒條配合；蝸輪蝸桿的兩端分別固定于兩齒輪；調(diào)節(jié)手輪通過連桿和蝸輪相聯(lián)結(jié)。這種新型磁偏析布料裝置可滿足現(xiàn)場安裝條件，實現(xiàn)燒結(jié)磁偏析布料及對大型工業(yè)磁場裝置的精確調(diào)節(jié)，工作穩(wěn)定可靠。

3.2 電磁測速技術(shù)

洛倫茲力測速儀［25］是一種非接觸式流體流速測量技術(shù)，適用于液態(tài)金屬，如冶金工業(yè)中鋼液、鋁液等。當導電流體流經(jīng)永磁體產(chǎn)生的磁場時，將在液體金屬中產(chǎn)生感應(yīng)電流。感應(yīng)電流與磁場相互作用進而產(chǎn)生電磁力，即洛倫茲力，其作用相當于阻礙液體金屬流動。根據(jù)牛頓第三定律，會有大小相等方向相反的力作用在永磁體上，該力與流體的速度和電導率成正比。

圖8是固定洛倫茲力流速計示意圖及作用在洛倫茲力流速計的力隨管道中液態(tài)金屬平均速度的變化結(jié)果［26］。圖8中的磁鐵體系采用U型形式，包含兩個永磁體并且用鐵軛相連接。該磁鐵體系連接到一個平衡物并且它們都連接在一個鐘擺上。流速計可以通過測量鐘擺傾斜的角度或固定鐘擺測量磁鐵體系的受力來確定流體流速。圖8中，曲線1、2和3為磁鐵距離與管道內(nèi)徑的比值，依次為1.14、1.28和1.43。可以看出，作用在磁鐵體系上的力隨流體流速的增加而增大。洛倫茲力測速是唯一非接觸電磁流速測量的方法，即使管道壁采用導電性能好的金屬材料，依然可以應(yīng)用。因此該方法在冶金行業(yè)有很好的發(fā)展前景。

3.3 電磁輸運技術(shù)

液態(tài)金屬的傳輸是冶金工業(yè)中必不可少的重要環(huán)節(jié)。傳統(tǒng)的冶金物料傳輸方式有機械輸送和氣流輸送。機械輸送存在重量大、磨損及維修工作量大，設(shè)備密閉性差及輸送不耐高溫等缺點；氣流輸送，不論是壓送、吸送或螺旋空氣泵及倉式輸送泵等，都存在著能耗大、易磨損及后續(xù)氣固分離設(shè)備龐大等缺點?；陔姶帕黧w傳輸原理而發(fā)展起來的電磁輸送裝置（電磁泵）構(gòu)造簡單、密閉性好、設(shè)備運行平穩(wěn)，適合熔體的輸送工作。電磁泵是利用磁場和導電流體中電流的相互作用，使流體在電磁力作用下產(chǎn)生流動的裝置［27］。根據(jù)工作環(huán)境的差異和輸送介質(zhì)所要求的壓差、流量的不同，電磁泵發(fā)展成多種類型。冶金、鑄造等工業(yè)中，由于工作條件比較苛刻，要求電磁泵的結(jié)構(gòu)簡單、工作可靠，因而大部分都采用平面感應(yīng)式電磁泵［28］。

圖9為平面線性感應(yīng)泵示意圖［29］。平面線性感應(yīng)泵主要用于輸送高溫液態(tài)金屬。感應(yīng)器繞組通電后會產(chǎn)生行波磁場，在行波磁場的作用下泵溝中的液態(tài)金屬中產(chǎn)生感生電流，感生電流與行波磁場相互作用產(chǎn)生的電磁力驅(qū)動泵溝中的液態(tài)金屬流動。平面線性電磁泵具有不需特殊電源、結(jié)構(gòu)簡單、維修容易等優(yōu)點，應(yīng)用較廣泛，在鑄鐵、鋁等金屬的澆鑄作業(yè)中使用的電磁流槽就是一種泵溝敞開的平面線性感應(yīng)泵。

3.4 電磁穩(wěn)流和電磁加速技術(shù)

結(jié)晶器內(nèi)鋼水流動控制技術(shù)對實現(xiàn)連鑄機的高生產(chǎn)率和高品質(zhì)鑄坯具有重大影響［30］?；谛胁ù艌龇绞降慕Y(jié)晶器電磁穩(wěn)流和電磁加速技術(shù)是保證高速連鑄時鑄坯質(zhì)量和澆注穩(wěn)定性的不可缺少的技術(shù)。電磁穩(wěn)流和電磁加速技術(shù)采用4個線性攪拌器，位于浸入式水口的兩邊，兩兩并排安裝在結(jié)晶器寬面支撐板的后面。它們對通過水口的鋼液進行減速或增速，將結(jié)晶器內(nèi)的鋼液流動特別是將彎月面附近的流動控制在一個恰當?shù)姆秶鷥?nèi)，以滿足不同拉速和規(guī)格的板坯生產(chǎn)。為了產(chǎn)生這樣的移動磁場，沿結(jié)晶器前后的長邊板面配置了線性馬達型磁場發(fā)生裝置，圖10為電磁水平穩(wěn)定器和電磁水平加速器磁場放置方式［31］。

采用電磁控流裝置，結(jié)晶器內(nèi)彎月面附近的流動可以被控制在一個最佳范圍內(nèi)，從而大大減少鑄坯表面和皮下的夾雜物含量，達到減少鑄坯表面和內(nèi)部缺陷的目的［32］。

3.5 薄板坯電磁側(cè)封技術(shù)

側(cè)封技術(shù)是制約薄板坯連鑄技術(shù)發(fā)展的因素之一［33］。側(cè)封是為了能在兩鑄輥間形成液態(tài)金屬熔池而在鑄輥兩端添加防漏裝置，起到約束金屬液體，促進薄帶成型，保證薄帶邊緣質(zhì)量等作用。電磁側(cè)封技術(shù)是在雙輥的兩個端面上施加電磁場，通過作用于液態(tài)金屬上的電磁力達到側(cè)封的目的。圖11為電磁側(cè)封簡圖［34］。

如圖11所示，當鑄輥間充滿金屬液時，通過直流電源產(chǎn)生圖中所示的電流J，該電流與圖中所示的磁場B相互作用，產(chǎn)生指向液態(tài)金屬內(nèi)部的電磁力F，從而達到密封住側(cè)封板與鑄輥縫隙間液態(tài)金屬的目的。顯然，由于電磁場的超距作用，無需與液態(tài)金屬相接觸就可以實現(xiàn)金屬液的側(cè)封，具有固體側(cè)封板所無法比擬的優(yōu)越性。

4 結(jié)論

電磁冶金技術(shù)已成為冶金和材料領(lǐng)域改善生產(chǎn)工藝、提高材料質(zhì)量、節(jié)能減排、改善環(huán)境的重要技術(shù)之一。傳統(tǒng)電磁冶金技術(shù)的逐步應(yīng)用有效提高了鋼材的質(zhì)量和產(chǎn)量，對我國鋼鐵工業(yè)的發(fā)展起到了至關(guān)重要的作用。為滿足現(xiàn)代工業(yè)高品質(zhì)、高效率和環(huán)境友好的需求，一系列電磁冶金新技術(shù)應(yīng)運而生。其中，鋼包電磁感應(yīng)出鋼技術(shù)可以有效縮短開澆時間，提高自動開澆率，避免引入雜質(zhì)，從而提高鋼材產(chǎn)量；電磁旋流水口連鑄技術(shù)不僅可以提高連鑄生產(chǎn)率，還可以實現(xiàn)工藝的簡化，減少能源和資源的消耗。另外，其他幾種電磁冶金新技術(shù)也都具有許多無法比擬的優(yōu)越性，這些必將推動鋼鐵工業(yè)進一步健康快速發(fā)展。

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