永磁搅拌技术的现状与未来发展趋势

目录

• 发展过程

• 电磁搅拌

• 永磁搅拌

• 总结与展望

发展过程

电磁搅拌技术已成为改善铸坯质量的重要技术手段。相对于传统的三相交流电磁搅拌(EMS)，基于烧结钕铁硼材料的旋转永磁体搅拌(PMS)具有磁感应强度较大、电能消耗低、结构简单等优点。本文主要比较了电磁搅拌和永磁搅拌的技术特点，并介绍了永磁搅拌在方坯连铸结晶器和凝固末端的应用现状。试验结果表明，在结晶器内使用永磁搅拌器能够有效地提高铸坯的表面和内部质量，减少表面小孔缺陷的数量，并有效改善铸坯中心的疏松情况和碳偏析问题。此外，在高碳钢连铸凝固末端进行应用时，随着永磁搅拌器转速的增加，铸坯中心的碳偏析指数明显降低，同时吨钢电能消耗仅约为传统电磁搅拌的15%。

在过去的十几年中，随着电磁理论的发展和经验的积累以及钢铁产品凝固质量的提升，连铸电磁搅拌应用变得越来越常见。浸水式电磁线材的质量改进、电子器件和变频控制技术的快速发展为电磁搅拌提供了良好的硬件基础，因此，连铸企业在这方面设备购置成本和维护成本大大降低。因此，电磁搅拌技术得到了快速的发展，逐渐成为一种十分有效且成本低廉，可以控制铸坯质量的标准配置。为了保证铸坯的质量，大部分连铸机都已经安装、使用了电磁搅拌器，以引进设备、进行技术改造和实现国产化。

相较于传统的三相交流电磁搅拌，永磁搅拌具有耗电少、磁感应强度高、结构简单等明显优点。与交流电磁搅拌器不同，永磁搅拌器不需要大功率的变频电源，只需要电机驱动永磁体旋转，因此能量的消耗要比交流电磁搅拌器低得多。此外，永磁搅拌器结构相对简单，不需要使用线圈，对冷却水的水质要求不高，并且不存在电磁搅拌器线圈因绝缘损坏而出现故障的问题。近年来，永磁搅拌在铝行业中引起了搅拌工艺的技术革命，旨在均匀合金熔体的成分和温度。在相同条件下，永磁搅拌的能耗远低于电磁搅拌，具有明显的节能优势。因此，永磁搅拌广泛应用于各类有色合金熔炼加热炉的搅拌上。然而，在钢铁连铸工业中，旋转永磁体搅拌的应用报道相对较少。本文主要对比了电磁搅拌和永磁搅拌的技术特点。同时，结合作者在连铸永磁搅拌方面的研究基础，对永磁搅拌在方坯连铸结晶器和凝固末端的应用现状进行了分析总结和展望。

电磁搅拌

目前，最广泛应用的搅拌器是传统的三相交流电磁搅拌器，其设备结构如图1所示。电磁搅拌的机理是：通过在线圈绕组通入三相对称交流电，在搅拌器内腔中产生一个沿着圆周分布的旋转磁场，该磁场会随电流变化而变化。这种变化的磁场会在钢水中激发感应电流，于是在感应电流与磁场的相互作用下，钢水中会产生洛伦兹力，使铸坯内的钢水流动起来。电磁搅拌可调节的变量包括搅拌电流和频率，主要通过改变电流强度来控制磁感应强度大小，以此来控制钢水的运动。电磁搅拌器几乎成为方坯连铸质量控制的标准配置，特别是在结晶器或末端使用电磁搅拌。

结晶器电磁搅拌通过加速钢水的运动，增加等轴晶比例，有利于消除气泡和夹杂物，改善铸坯表面和内部质量。同时，二冷区和凝固末端电磁搅拌可以打断柱状晶，防止搭桥，扩大等轴晶区，改善中心偏析；凝固末端电磁搅拌被广泛应用，能有效改善铸坯的中心偏析并减轻疏松。以高碳钢方坯连铸机为例，通常采用结晶器电磁搅拌联合凝固末端电磁搅拌来协同改善铸坯质量，效果显著。

为了使钢水旋转，电磁搅拌器一般采用三相交流方式，为了获得足够强的磁场，搅拌器通常使用少匝数、大电流的线圈结构。搅拌器线圈内的导线电流密度可高达12~15 A/mm2，因此需要使用带有一定压力流动的水冷却搅拌器，通常需要配置高纯度水的制备、循环和冷却系统。考虑到线圈长时间浸泡在水中，即使使用高质量的冷却水，线圈在线连续运行寿命仍然相对较短。

永磁搅拌

在铝工业中，永磁搅拌技术得到了广泛应用，但在钢铁行业方面的研究却相对较少。图2展示了永磁搅拌器的结构，主要分为三个部分：永磁体、驱动永磁体旋转的机械部分以及用于确保永磁体不会因温升而失磁的冷却系统。永磁搅拌器的磁体采用高温抗性强的钕铁硼永磁块制成，该永磁体在搅拌器的中心产生一个特殊形状的强静态磁场，中心的磁感应强度由永磁体的材料决定。相比其他搅拌技术，永磁搅拌器的结构较为简单，无需使用线圈，因此对冷却水的质量要求也比较低。永磁搅拌器具有磁场强度高和结构简单等优点。

永磁搅拌器属于交流感应式，原理上和三相交流电磁搅拌器相似。永磁搅拌器的工作原理在于：利用电机带动永磁体做旋转运动，从而产生一个旋转运动的强磁场；旋转磁场和铸坯液芯感生磁场相互作用产生电磁力，从而推动金属液芯做旋转运动，起到搅拌的作用。液压装置不同的入口油压对应不同的转速，不同的磁场转速对应不同的搅拌频率。永磁体搅拌器安置前可通过选用不同磁场强度的永磁体或调节永磁体安装距离来控制磁场强度，安置完毕后只能机械调节转速即相当于交流感应式的频率改变电磁力大小。

总结与展望

1. 与传统的三相交流电磁搅拌器相比，永磁搅拌器只需电动机带动永磁体旋转，磁场强度更强且能耗较低；同时，它不需要使用线圈，对冷却水质量要求不高，拥有简单的结构。因此，旋转式永磁搅拌器具有许多优点，例如磁感应强度大、能耗低、结构简单等。

2. 连铸机环境恶劣，因此永磁体需要对温度敏感。随着磁性材料的快速发展，钕铁硼永磁体的高温抗性得到了提升，这有利于推动永磁搅拌器的进一步发展。此外，在设计搅拌器的磁体运动方式时，需要充分考虑电动机的长期稳定可靠运行性。

3. 现场试验结果表明，在结晶器内使用永磁搅拌器能够有效地提高铸坯的表面和内部质量，减少表面小孔缺陷的数量，并有效改善铸坯中心的疏松情况和碳偏析问题。此外，在高碳钢连铸凝固末端进行应用时，随着永磁搅拌器转速的增加，铸坯中心的碳偏析指数明显降低。