使用电磁连铸技术对连铸过程中的初期凝固组织，即在结晶器钢液面下方施加电磁场，可以控制初期凝固过程，提高铸坯的表面质量。以往，新日铁住金公司提出了间歇施加电磁场，来进一步提高铸坯质量的脉动电磁连铸（下称“脉动EMC”）技术，并用方坯连铸试验机和实际方坯连铸机进行了试验。结果表明，脉动电磁连铸技术可以显著提高铸坯质量，省去铸坯轧制前的表面修整工序。此外，使用板坯连铸试验机进行小断面板坯浇注时，铸坯质量得到明显的改善。根据这些试验结果，使用实际板坯连铸机进行了大断面板坯的浇铸试验，开发了大断面板坯电磁连铸技术。
本文将介绍脉动电磁连铸技术的原理、开发经过，尤其是使用实际板坯连铸机进行大断面板坯连铸试验的结果。另外，还介绍了“合理使用能源开发金属制造工艺”和“以节能与高品质为目的的高效板坯电磁连铸技术的开发”的研究成果。
1脉动电磁连铸技术的原理
在连铸过程中，需要对结晶器进行振动。当采用常规连铸时，结晶器保护渣的压力会周期性变化，在铸坯表面沿浇注方向会形成“振痕”。（沿浇注方向的振痕间隔数mm，深度数百）尤其是，在浇注低碳钢时，在振痕底部有时能看到被称作“钩状结构”（hook）的凝固组织，非金属夹杂物（以下简称“夹杂物”）和气泡被夹杂在钩状结构内，这有可能成为导致铸坯和产品发生缺陷的原因。
采用电磁连铸技术后，在钢液面的正下方附近安装了圆筒形线圈（将导线卷成螺旋状的圆筒形线圈，或卷成矩形状的线圈），并在圆筒形线圈中接通交流电源，使钢液和凝固坯产生感应磁场和感应电流，利用两者的相互作用，产生洛仑兹力，使电磁场对结晶器中的钢液流动产生影响。这样，可以减小作用于初期凝固坯壳中的钢液静压力，使钢液和结晶器之间的保护渣层的厚度扩大，形成钢液与结晶器之间的“软接触状态”。
在“软接触状态”下，可以抑制保护渣压力的周期性变化，使初期凝固坯壳形成缓冷状态，尽量使振痕和钩形结构消失，或明显减小振痕深度，并可以抑制缺陷的产生，从而显著提高铸坯质量。
但是，以往的电磁连铸技术还存在一些问题。其中之一是，因电磁场作用力使钢液流动速度变大，钢液上表面的形状会在时间上和空间上变得不稳定，无法使浇注方向或结晶器周向保持稳定的“软接触状态”。这会导致无法获得用电磁连铸技术改善铸坯质量的预期效果。
在此情况下，新日铁住金公司提出了脉动电磁连铸（EMC）技术。脉动电磁连铸技术以数个到数十个Hz的频率向圆筒形线圈间歇通上交流电源，并由此对初期凝固坯壳施加间歇电磁场。由此可以抑制钢液动能，从而减少钢液流动的速度。
使用水银进行基础实验，在注入水银的玻璃烧杯周围设置了圆筒形线圈，并间歇通上交流电源（频率：200Hz）。结果发现，使用下式定义的参数Duty会发生变化。Duty=ton/T×100（%）。式中，T：间歇施加周期（通电+非通电时间），ton：通电时间。
此外，试验对 “软接触状态”的指标，即因电磁场作用而产生的水银表面凸起高度和水银流动的速率进行测定后发现，水银的感应流动速率与Duty呈线性关系，而凸起高度与Duty呈非线性关系。即，如果间歇施加电磁场的Duty设定为50%，那么感应流动速率的抑制程度可达50%，钢液面凸起高度的抑制程度可达90%左右。这表明，它既可以使钢液上表面的形状保持持久，又可使“软接触状态”保持稳定。
本文还考虑线圈、结晶器内钢液、电磁场和自由表面的钢液流动，对脉动电磁场作用下的钢液流动和钢液面变化进行了数值模拟。解析结果表明，在连续施加电磁场的情况下，结晶器周向的钢液面形状不均匀，然而，在间歇施加电磁场（Duty=50%）的情况下结晶器周向的钢液面形状则保持均匀。
2小方坯连铸机试验
根据前面介绍的原理和数值解析结果，新日铁住金公司在室兰制铁所采用实际小方坯连铸机进行了脉动电磁连铸试验。在室兰制铁所的六流小方坯连铸机中的一流上安装了脉动电磁连铸用的圆筒形线圈和160mm方坯连铸时用的结晶器。开发了能确保电磁场作用到钢液上，并具有良好刚性的结晶器。该结晶器由4块铜板和不锈钢制的背板构成。
另外，由于在脉动电磁连铸时，钢液面附近会产生大的感应磁场，因此这种感应磁场本身会成为一种干扰源，而使用普通的涡流式传感器则难以控制钢液面。于是，开发了脉动同步涡流式传感器。脉动电磁连铸就是在圆筒形线圈不通交流电源期间，即在不施加电磁场期间，根据涡流式传感器发出的信号对钢液面进行抽样分析来控制钢液面到波动。
使用开发的脉动电磁连铸用的圆筒形线圈、结晶器和脉动同步涡流式传感器在小方坯上进行了实际试验。除了采用电磁场的间歇施加方法外，其他浇注条件均相同。图1示出有无间歇电磁场的情况下结晶器保护渣的消耗量。由图1可知，间歇施加电磁场后，保护渣的消耗量增大。可以认为，这是由于间歇施加电磁场后，结晶器和初期凝固坯壳的间隙扩大所致，这表明采用脉动电磁连铸技术可以改善凝固壳与结晶器的润滑性能。
观察小方坯连铸试验中碳含量0.08%的方坯表面照片发现，在脉动电磁连铸过程中沿浇注方向的振痕明显消失。图2示出用激光位移计测定的铸坯表面粗糙度。结果可见，采用脉动电磁连铸后铸坯的表面性状得到了改善。
图3示出采用脉动电磁连铸和没有施加电磁场连铸的铸坯在轧制后缺陷的发生率。图3的中轴表示没有施加电磁场浇注，也没有进行火焰清理的铸坯缺陷发生率。由图可知，施加脉动电磁连铸的铸坯，即使没有火焰清理，其轧制后的产品质量也比没有施加电磁场却进行火焰清理的轧制产品的质量高。因此，可以认为，采用脉动电磁连铸技术能省去铸坯的火焰清理工序。
3小断面板坯连铸机试验
由于已确立了小方坯电磁连铸技术的基础，接下来开始开发板坯电磁连铸技术。新日铁住金公司在君津制铁所的连铸试验机上进行了小断面板坯的连铸试验。具体做法是，在机长8m的立式连铸试验机上安装了脉动电磁连铸用的圆筒形线圈和板坯结晶器。该结晶器的尺寸为400mm×100mm和800mm×100mm，采用脉动同步涡流式传感器对钢液面进行控制。
试验后，观察浇注的低碳铝镇静钢的表面照片发现，在脉动电磁连铸时沿浇注方向的振痕明显消失。观察板坯表层下的凝固组织发现，采用脉动电磁连铸后的铸坯表面振痕深度和铸坯表层下的钩形结构深度明显减小。测定板坯的表面粗糙度后发现，即使对于截面面积更大的板坯，通过间歇施加电磁场后，板坯的表面质量可以改善到与小方坯基本相同。
图4示出采用塔形车削后距离铸坯表面10mm处大于100的夹杂物个数。由图4可知，采用脉动电磁连铸后铸坯表层的夹杂物数量明显减少。根据铸坯表层下的枝晶臂间隔，计算初期凝固坯壳的冷却速度发现，采用脉动电磁连铸时冷却速度可以减小70%-80%。一般认为由于电磁场作用使凝固壳与结晶器的距离扩大，初期凝固部的热阻会增大导致缓慢冷却。
4实际板坯连铸机的连铸试验
由于在小断面板坯的连铸试验中已确认铸坯的表面质量得到了改善，因此新日铁住金公司在八幡制铁所板坯连铸机上进行了脉动电磁连铸试验。在考虑圆筒形线圈、钢液和结晶器的电磁场的基础上，对钢液流动和钢/渣界面进行了数值模拟，还对浇注过程中结晶器内结构进行了解析。在此基础上开发了能确保结晶器刚性的脉动电磁连铸用的电源、圆筒形线圈和尺寸为（1200-1600）mm×250mm的结晶器。即使在实机尺寸的大断面板坯浇注中，也能对钢液施加间歇电磁场，使钢液面和钢液流动状态保持稳定，形成“软接触状态”的电磁连铸。
根据结晶器内钢液流动和钢/渣界面的数值模拟结果，即使对1280mm×250mm的大断面板坯进行脉动电磁连铸时，沿结晶器宽面方向的钢液面形状也能保持均匀。根据连铸过程中结晶器结构的解析结果可知，浇注过程中脉动电磁连铸用的结晶器的变形量低于普通结晶器的变形量。另外，分析施加电磁场时结晶器垂直方向磁通密度的解析结果和实测结果发现，在1280mm×250mm大断面板坯结晶器中，在结晶器宽面方向获得均匀的磁场分布。
随后，在实际板坯连铸机中配置新日铁住金公司开发的脉动电磁连铸用的电源、圆筒形线圈和结晶器，然后将SnPb系的低熔点合金在熔融状态下注入，并间歇施加电磁场，对钢液面的稳定性进行了评价。观察间歇施加电磁场过程中低熔点合金的液面后发现，结晶器宽面方向的钢液面均匀稳定。另外，当初对间歇施加电磁场过程中的感应磁场会导致结晶器及周围结构件发生感应发热和温度上升的担忧，在实际中也没有发生。
采用前面介绍的脉动电磁连铸用的电源、圆筒形线圈和结晶器，浇注尺寸为1200mm×250mm和1600mm×250mm的低碳铝镇静钢。采用脉动同步涡流式传感器测定了钢液面，自动控制钢液的注入量。另外，即使在间歇施加电磁场时，也能稳定控制钢液面和钢液注入量，关于其他的操作性能，也与普通浇注相同，均能时间长时间稳定浇注。同时，对整个板坯的振痕深度进行了测定。图5示出有无EMC情况下板坯的振痕深度。可见，在大断面板坯的实机连铸中，由于采用了脉动电磁连铸，则可与小方坯和小断面板坯一样能明显改善铸坯表面质量。
5结语
使用小方坯连铸机和小断面板坯连铸试验机进行了实际试验，结果表明能提高铸坯表面质量，由此确立了与脉动电磁连铸有关的基础技术。在此基础上，开发了采用脉动电磁连铸技术浇注大断面板坯所需的电源、圆筒形线圈和结晶器，并进行了实机连铸试验。结果表明，可以明显改善大断面板坯的表面质量。
信息来源：《世界金属导报》