連続鋳造プロセスにおける電磁攪拌

連続鋳造プロセスにおける電磁攪拌 EMSは、溶鋼の連続鋳造における凝固プロセスを制御するための直接的で強力な手法です。 EMSの唯一の利点ではありませんが、重要なのは、鋳造製品の中心線での構造と化学的性質の品質と均一性が向上することです。生産性の利点は、品質の向上を伴います。実験結果は、例えば等軸ゾーン幅を増やすことによって、鋼の微細構造に対するEMSからの有益な効果を示しています。

EMSは、溶鋼の連続鋳造における凝固プロセスを制御するための直接的で強力な手法です。 EMSの唯一の利点ではありませんが、重要なのは、鋳造製品の中心線での構造と化学的性質の品質と均一性が向上することです。生産性の利点は、品質の向上を伴います。実験結果は、例えば等軸ゾーン幅を増やすことによって、鋼の微細構造に対するEMSからの有益な効果を示しています。 EMSを適用することで、ストランドのいくつかのタイプの欠陥の大きさを効果的に減らすことができます。気泡や気孔率もEMSの影響を大きく受けると予想されます。さらに、EMSは連続鋳造プロセスの歩留まりと生産性を向上させることが報告されています。

連続鋳造プロセスへのEMSの適用は比較的長い歴史があり、EMSの最初の試行は1960年代にさかのぼります。 EMSは、連続鋳造プロセスが鋼の工業生産を開始してから約10年後に連続鋳造機に導入されました。 EMSも介在物と気泡に影響を与えることが示されています。ストランドEMSは、1970年代後半に連続鋳造機へのEMSの実際の適用の扉を開きました。ストランドEMSの目的は、中心偏析を抑制する目的で高い等軸ゾーン比を取得することです。その後、固化したシェルへの非金属介在物やアルゴン気泡の閉じ込めを抑制し、鋳鋼製品の表面品質を向上させるために、インモールドEMS（図1）が開発されました。

図1電磁攪拌機

連続鋳造プロセスの高い生産性を達成するために、EMBRは1980年代に開発され、連続鋳造金型内の溶鋼の流れを安定させました。最初のタイプのEMBRは、SENポートの近くに1対のDC（直流）磁石が取り付けられた局所磁場を作成することです。課されたフィールドは、SENからの排出された流れを直接「ブレーキ」します。 2番目のタイプのEMBRは、金型の幅方向に均一な磁場が磁場領域の下にプラグのような流れを発生させる水平磁場です。 EMBRの2番目のタイプの1つは、フロー制御（FC）金型です（連続鋳造金型の上部に一対の水平磁場を印加することで、金型の狭い面に沿ってメニスカスの流れと下降流を同時に安定させます。 ）。現在、EMSとEMBRの組み合わせも開発されています。

EMSの原則

図2EMSの原理

EMSシステムは、Bを誘導して回転する磁場を生成します。これにより、速度がvであるBに垂直な方向に渦電流jが誘導されます。誘導Bと電流jは、電磁力を生成します。この電磁力は、鋼の体積のすべての単位に作用します。溶鋼に攪拌運動を引き起こします。ベクトル積（v x B）は、電磁場と溶鋼の流れとの関係を示しています。 EMSによって引き起こされる溶鋼の速度は、毎秒0.1メートル（m / s）から1.0 m/sの範囲です。

表面Sで境界ボリュームVに閉じ込められた非圧縮性液体を考慮し、V+を外部領域とします。導体内では、Bとjはアンペールの法則（Mo）j =カールB、V x B =0によって関連付けられます。ここで、Mo =4（pi）x（10）-7（SI単位系）です。磁場はまた、外部ドメインV +のコイルに電流（ACまたはDC）などの外部ソースを持つことができます。考えられる通常の状況を図2bに示します。外部コイルC、C’の電流は、ファラデーの法則により、導体に電流分布を誘導します。この電流は、境界Sに埋め込まれた電極E、E’の間に電位差を直接印加することによって増大させることができます。したがって、電流は、時間依存磁場の印加、または電気的、あるいはその両方によって誘導できます。非常に広範囲の物理的条件と、特に冶金処理の分野での同様に広範囲のアプリケーションを検討できます。

EMSのカテゴリ

EMSは、鋳造機の設置場所に基づいて分類できます。セットアップ位置と冶金学的側面に応じて、すべての電磁攪拌機は3つのタイプに分類できます。鋳鋼製品の位置と必要な効果に応じて、これら3つの可能な攪拌機の用途は、（i）M-EMS、（ii）S-EMS）、および（iii）F-EMSです。 M-EMSは、その名前が示すように、金型内にあります。これは金型内攪拌です（一次EMSと呼ばれることもあります）。 S-EMSは、二次冷却領域の金型の下にあります。溶鋼の割合が高いのは、金型の下での攪拌です（二次EMSまたは金型下での攪拌と呼ばれることもあります）。 FEMSは、冶金学的長さの終わり（凝固が完了する直前）にあります。これは、最終凝固点（最終EMSと呼ばれる）の直前の攪拌です。図3は、3つの主要な攪拌タイプを示しています。

図3EMSの種類

M-EMS –ビレット/ブルーム攪拌装置を選択する場合、通常、ロータリータイプのM-EMSが最初の選択肢です。生成された回転磁界は、溶鋼内で円運動を起こします（図3）。回転流が柱状デンドライトの先端の破壊を促進し、それが中央ゾーンでの等軸結晶形成の核として機能するため、中央の等軸ゾーンが拡大されます。さらに、回転流が凝固前線を洗い流し、介在物や気泡が閉じ込められるのを防ぎます。さらに、発生した遠心力により、相が軽くなります（つまり、介在物と気泡が凝固前線から離れてストランドの中心に向かって移動します。

M-EMSは通常、金型内の溶鋼を攪拌するために金型下部に設置されます。表面、表面下、および内側のストランドの品質を向上させます。 M-EMSを適用すると、鋳造製品のピンホール、中心気孔率、および偏析が減少します。凝固構造を改善し、表面粗さを低減し、熱伝達率を高めます。 M-EMSは円形または正方形の設計であり、内部または外部に設置できます。金型メニスカスの攪拌速度を柔軟に制御するために、デュアルコイルM-EMS（図6）が開発されました。デュアルコイルM-EMSは、2つの独立したEMSで構成されています。上部のEMSはメニスカスのフロー制御を目的としており、下部のEMSは金型内の主要金属の攪拌を実行します。メニスカス内の溶鋼速度の低下は、上部EMS磁場を下部EMSの磁場と反対方向に回転させることによって達成されます。このようなデュアルM-EMSの設計により、鋼の連続鋳造のさまざまな条件下でEMS技術を使用する機会が広がります。

S-EMS –リニアS-EMSでは、電磁コイルがストランドの片側に沿って取り付けられ、ストランド内に垂直循環液体金属フローパターンを生成します（図3）。スターラーはストランドの片側に沿って配置されているため、非常に異なるストランドサイズに使用できます。中央の等軸結晶ゾーンの増加は、ロータリースターラーと同じメカニズムで得られます。湾曲型連続鋳造機では通常上面近くの帯に集中する介在物もより均一に分布します。金型の下の高い位置に配置されたロータリーS-EMSは、ブレイクアウトの影響を受けやすくなっています。

S-EMSは、溶鋼を鋳造品の幅に沿って水平に押し出す攪拌力を発生させ、溶鋼にバタフライ型のフローパターンを生成します。 S-EMSをサポートローラーの後ろに配置できる場合（図4）、サポートローラーの最小直径に依存しないため、この場合、冶金学的観点からストランドに沿って最適に配置できます。 S-EMSをサポートローラーに組み込む場合、鉄心と巻線を含めるために最小ローラー直径が必要です。この場合、スターラーはメニスカスから離れた場所に配置されているため、効果が低くなります。 S-EMSは低周波数で動作し、ストランドを介したスターラー力の良好な浸透を保証します。その結果、溶鋼は図3に示すように横方向に攪拌されます。通常、S-EMSはM-EMSと組み合わせて使用​​されます。 S-EMSは、リニアタイプまたはロータリータイプのスターラーのいずれかです。最も一般的なのはリニアスターラーです。これは設置が簡単で、熱放射や発生の可能性から保護します。 S-EMSは等軸構造の形成を促進します。鋳造製品の結晶粒微細化を促進し、収縮キャビティ、中心偏析、および内部亀裂を低減します。また、過熱を効果的に除去します。

図4S-EMSの場所

F-EMS – EMSを使用して、連続鋳造ストランドの最終凝固ゾーンで金型のはるか下で攪拌することにも同様に強い関心があります。ただし、従来のEMSシステムは、この地域に適用するとやや効果がないことが証明されています。潜在的な解決策として、最近、変調されたローレンツ力を適用して、最終ゾーンで広く分布した激しい攪拌を開発することに大きな関心が寄せられています。 F-EMSは通常、M-EMSまたはS-EMSと組み合わせてインストールされ、中心分離のピークを低減およびカットします。 F-EMSは、高炭素鋼または高合金鋼のグレードを鋳造する場合に特に効率的です。また、F-EMSを使用することにより、鋳造品の凝固構造が改善され、等軸構造と内部気孔率の比率が増加することがわかります。収縮が減少し、中心炭素偏析の比率が減少します。さらに、二次デンドライトアーム間隔（SDAS）が改善され、中央の等軸粒子の比率が大幅に増加し、その結果、粒子が細かくなります。したがって、キャスト製品の品質はF-EMSで向上します。

図5回転および軸方向の攪拌

回転攪拌 –回転攪拌に関する最初の作業は、オーストリアの研究者グループによって行われました。丸型で鋳造されたビレットは、型レベルまたは型のすぐ下で攪拌されました。確かに、金型は回転攪拌が理にかなっているかもしれない唯一の領域です。金型の下で回転式に実質的に攪拌すると、解決できるよりも多くの問題が発生する可能性があります。述べたように、型内のラウンドの回転攪拌にはいくつかのメリットがあります。鋳造物の表面から固体介在物が除去され、ストランドの固体スキンを金型とよりよく接触させることによって熱伝達が強化されます。金型内で回転攪拌して皮膚が破裂する心配はありません。しかし、回転攪拌の主な利点は、装置の設計が容易なことです。電気技師は、現在使用されているほぼすべての電気モーターと同じであるため、このタイプの電磁誘導運動に非常に精通しています。

回転攪拌には別の欠点があります。初期のデータは、EMSによって鋼の介在物のサイズと含有量を大幅に減らすために、液体の速度が特定の下限を超えることを示しています。たとえば、AISI 4335鋼種の場合、この制限は0.5 m / sを超えることが示されています。これは、きれいなスキンも生成される大きなインゴットのリミング動作中に発生する速度に匹敵します。安全な回転液体運動のための前述の上限が、介在物低減のための高速要件と矛盾することはほぼ確実です。同じことが、新しい凝固構造、すなわち繊維構造および流動修飾またはタムナイト構造を生成するためにも当てはまり、これらもまた高速を必要とする。品質全般、および誘導攪拌の新しい開発を積極的に追求してきた鉄鋼業界のセグメントは、すぐに高速攪拌によってこれらの構造を追求することができます。

軸方向の攪拌 –攪拌の軸方向または「上下」バージョンは、凝固ストランドの液体部分をストランドの軸に平行な方向に移動させるために提供されます。このタイプの誘導運動は、自然に発生する熱誘導された、対流パターン。金型領域では、自然な流れを逆転させる理由があります。鋼の連続鋳造では、金型領域は液体プールの小さな部分を構成し、15 m以上の深さになる可能性があります（機械の速度とサイズによって異なります）。型の下では、流れは固体スキンに隣接して「下」になり、ストランドの中央で「上」になります。

断続的に攪拌を逆転させる –もともと一部の日本人研究者によって、回転攪拌モードのバリエーションが提案されました。この技術は、流れの方向を断続的に逆転させることを可能にし、それは、等軸ゾーンのサイズを改善すると主張されている。回転攪拌に関する上記の議論は、ここでも当てはまりますが、さらにいくつかの資格があります。断続的な動きはエネルギーを浪費しますが、EMSの1つの目的、つまり柱状の成長を妨げるという目的を達成することにはメリットがあります。攪拌中の流れを逆にすると、局所的な乱流セルでのせん断によってデンドライトが小さな断片に分解されるだけでなく、柱状デンドライトが常に流れ（上流）に成長しようとするため、柱状デンドライトの一方向の成長を妨げる可能性があります。ただし、この手法でEMSの他の可能な利点を引き出すことができるかどうかは疑わしいです。

鋳鋼製品の品質に対する電磁攪拌の影響

For improving the surface, subsurface, and inner strand quality, the liquid steel stirring has to take place in the mould. M-EMS is either of round or square design and it can be installed internally or externally. The result of applying M-EMS is a reduction in centre porosity and segregation in the cast product. To provide flexible control of stirring speed in the mould meniscus, the dual-coil M-EMS (Fig 6) has been developed. It consists of two independent EMS. The upper EMS is intended for flow control in the meniscus. The lower EMS performs the main metal stirring in the mould. The reduction in metal speed in the meniscus is achieved by rotating the upper EMS magnetic field in the opposite direction to that of the lower EMS. Such an M-EMS design widens the opportunities for using the technique under various conditions of continuous casting of liquid steel.

Fig 6 Quality of strand without stirring, with SMS, and dual coil M-EMS

The application of electromagnetic stirring of steels promotes the formation of an equiaxed crystallic zone in the strand. The stirring improves strand quality, even in steel casting with overheating. To further reduce and cut peaks in centre segregation, F-EMS, in combination with M-EMS or S-EMS, has to be used. F-EMS is particularly efficient when casting high carbon or high alloy steel grades. F-EMS and M-EMS combinations reduce the areas with the highest carbon content, where cementite and martensite otherwise can form. It has been found that stainless steels, solidifying with primary ferrite, have a sound centre at a reduction ratio of 3.6 when using S-EMS and F-EMS. The application of S-EMS increases the equiaxed crystallic zone instead of columnar structure and reduces cracks in the steel strand. The benefits available by using one or more EMS in combination are listed in Tab 1.