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1. 概述
钢铁工业是国民经济重要基础产业，是建设现代化强国的重要支撑。 《关于推动钢铁工业高质量发展的指导意见》明确指出，“十四五”期间，供给侧钢铁材料质量大幅提升，健全产品质量评价体系。加快钢铁产品质量升级。 、能源装备、先进轨道交通和汽车、高性能机械、建筑等领域推进质量分级和分级评价；持续提高产品物理质量的稳定性和一致性，促进钢铁产品物理质量的提高。重点发展高品质特殊钢、高端装备用特殊合金钢、核心基础部件用钢等小批量、多品种重点钢铁产品，力争在若干重点领域实现钢铁新材料突破每年。从钢材到材料，提高钢铁产品和服务的附加值。钢铁产品在工业领域、经济建设和国防工业发展中具有举足轻重的作用。各种规格的连铸坯是钢铁工业生产的重要原材料。连铸坯轧制产品在国民经济发展中发挥着重要作用，被广泛应用。
钢材的强韧化是钢材的主要发展方向。提高钢材强度的主要途径有：固溶强化，即合金元素和间隙元素原子固溶在基体组织中；加工硬化，加工变形增加位错密度；晶粒细化阻止位错穿过晶界，从而实现细晶强化；第二相（一般为Mx(CN)y沉淀相或分散相）强化。细晶强化的强化效果最为明显，是唯一同时提高强度和韧性的强化机制。由于钢材的偏析（特别是中心偏析等宏观偏析）造成化学成分分布不均匀，导致钢材不同部位的性能不均匀，造成批次、规格、质量不一致。钢材的强韧化要求钢材具有较高的均匀性。定性的。连续铸造是将钢材制成成品的第一步。以高效连铸为基础的高端、均质、细晶板坯生产是高质量连铸工作的重点。连铸工艺是对抗不均匀性和铸坯缺陷的工艺，是一项技术性很强、善于对抗的工艺。稳定的质量控制和铸坯的均匀化是连铸工艺永恒的主题。铸坯的表面质量和内部均匀化程度决定轧制产品的性能和用途；连铸过程中钢水的流动和传热、凝固、结晶过程以及在外力场作用下熔体流动和凝固组织的演变和调节，是提高连铸机生产率和稳定控制的关键。铸坯的质量。连铸板坯表面质量和内部组织的稳定控制是钢铁企业关注的重点。通过材料的正向设计、精密工艺窗口的稳定控制以及连铸过程中外力场的应用，改善钢水的凝固和结晶过程，稳定钢产品的内部结构。质量、开发高端产品、占领高端钢材市场是务实高效的方法。
电磁冶金是超细晶粒钢凝固的基础。电磁感应现象的洛伦兹力作用于钢水的流动和凝固结晶过程。电磁力通过电磁场以非接触的方式将电能转化为钢水的动能，作用于组织结构。微观尺度上的力保证了铸坯的均匀性，改善了溶质的均匀分布，使铸态组织完全等轴化、细晶化。其优越性具有“五高”特点，即高能量密度、高清洁度、高可靠性、高可控性、高自动化。连铸电磁冶金技术及设备是改善微观偏析的常用方法。通过在枝晶之间施加非接触的外场力，从微观结构尺度上改善钢中元素和两相颗粒的分布，并控制凝固前沿的形状。核能波动，改善初生晶界形貌，增加形成亚晶界的价值。与机械压制无法有效控制垂直于压制方向的偏析（横向或板坯宽度方向偏析）相比，电磁力有很好的改善效果。通过电磁冶金过程模型和工业软件，可以将电磁力场和机械力场系统集成并联合应用在铸造机中。宏观机械挤压应力和微观电磁推力精密冶金工艺参数的结合使用，可以实现不同钢种和不同连铸条件。板坯凝固组织在线优化与外力场相结合，为稳定控制连铸板坯凝固结晶形核过程和铸态组织提供了可靠的工程实施途径。
图1 材料电磁冶金技术应用
图2 材料电磁冶金技术的冶金效果
图3 电磁材料技术在高端材料制备中的应用领域
2、电磁冶金过程专家系统简介
目前，EPM已广泛应用于黑色金属和有色金属（铝、镁材料）的生产，其冶金效果已得到国内外厂家的普遍认可。电磁冶金技术优势明显，硬件装备制造水平日益提高，为电磁冶金技术的应用铺平了道路。然而，仅有先进的设备是不够的。在钢铁企业的工业生产条件下，电磁冶金工艺设备很难稳定发挥。要做的工作还有很多，但也存在以下阵痛和困难：
图4 连铸电磁冶金过程动态精密测控系统背景
为了稳定和提高电磁冶金过程的应用现状，连铸电磁冶金过程动态精密测控系统（简称）基于连铸冶金过程和材料电磁处理过程窄工艺窗口生产控制、连铸钢坯表面质量和内部质量。稳定控制提供核心方法，优质连铸坯为钢材升级换代提供原料来源。深入研究和掌握连铸工艺和电磁材料处理工艺（EPM）相关产业机理，连铸工艺和电磁冶金工艺核心数学模型研发，电磁冶金工艺测量与工程集成部署控制系统具有伺服耦合功能。高等级船板、管线钢、硅钢等高等级钢材自给、稳定批量供货，为其机制、装备、工艺、质量提供保障。电磁冶金设备作为连铸机的耦合伺服系统，高速动态响应连铸工艺的变化；优质连铸板坯一体化生产工艺技术中的结晶器磁控流动模型，根据铸造条件实时动态调节电磁力和吹氩。该关系使结晶器内钢水的流动保持稳定的工艺状态，用于提高铸坯的表面质量；磁控结晶模型实时协调优化，精确利用低频电磁力和机械压下力，提高铸坯内部质量。扇形电磁搅拌和减光设备通过动态凝固过程和电磁冶金过程模型相得益彰。动态随动伺服调整电磁冶金设备及还原参数。匹配合理，充分发挥各自优势，为生产特殊高质量要求的连铸坯奠定了坚实的技术和实践基础。
该系统应用于黑色金属领域，主要包括扇形磁控结晶过程智能测控系统和结晶器磁控流动装置。该系统基于冶金原理和测控原理，深度应用DEP-MPAPC平台和通用架构模块进行系统集成。系统内置差温场凝固模型、材料EPM模型、钢种热物性模型、矢量磁控振荡模型、磁控主动流动控制模型、分布式双工通信系统。电磁冶金工艺模型根据实时采集的浇铸断面和浇速、二冷水量、钢种成分、中间包温度等入口条件，准确施加电磁力。动态跟随钢种、断面、拉速、浇注温度、氩气等连铸工艺条件的变化，自动调节所需的电磁冶金参数，实现冶金效果的稳定控制，为高品质提供核心钢铁生产和质量保证。方法。
电磁冶金过程动态精密测控系统采用标准网络化C/S架构；用户界面友好简洁，可实现“一键式”智能控制。模块化的设计理念使系统具有高度的通用性和便携性。工业通信采用基于TCP/IP协议的分布式工业以太网全数字化解决方案，数据吞吐量大、抗干扰能力强、实时性高。采用冗余安全设计理念，系统可在现场发生紧急情况时自动中断设备。同时，生产操作人员具有绝对优先权中断连铸电磁冶金设备，充分保证系统运行的安全性和高效性。
图5 电磁冶金基本原理
离线电磁冶金过程维护仿真系统（EPM-CAQA）旨在与.0在线测控系统配合使用，方便冶金工作者对电磁冶金过程进行离线研究不易变形稳定性好钢材，模拟电磁冶金过程，并输出仿真结果参数可导入冶金参数在线维护系统。冶金工业生产。 EPM-CAQA应用接口部分如下：
图6A 电磁冶金过程动态精密测控系统及CAQA系统工程背景
电磁冶金过程动态精密测控系统将复杂的电磁冶金过程集成到计算机控制系统中，是典型的高端工业过程控制系统。系统通过多总线网络双工数据通信系统，兼容多个厂家的连铸机和电磁冶金硬件设备，实现与连铸机系统的无缝集成。通过模型采集的连铸工况，实现电磁冶金参数的智能实时动态控制。
系统编码
系统名称
适用领域
DEP-EPM-CCFC5.1.3
常规板坯连铸结晶器电磁制动智能控制系统
适用于常规板坯连铸工艺，吹氩动平衡模块，动态磁控流量
DEP-EPM-CCEC5.1.6
CSP-ESP板坯连铸结晶器电磁制动智能控制系统
适用于CSP和ESP板坯连铸工艺，吹氩动平衡模块
DEP-EPM-CCSS5.1.9
板坯连铸工段电磁搅拌通用智能控制系统
通用板坯连铸工艺，动态磁晶功能
DEP-EPM-CCSM5.0.3
板坯连铸结晶器电磁搅拌智能控制系统
适用于常规板坯连铸工艺，吹氩及动平衡模块
DEP-EPM-CCBM5.2.5
方圆坯连铸结晶器电磁搅拌智能控制系统
适用于钢铁及有色金属领域，吹氩动平衡模块
DEP-EPM-CCBS5.1.6
方圆坯连铸二冷段电磁搅拌智能控制系统
动态磁控晶化功能不易变形稳定性好钢材，适用于钢铁、有色金属领域
DEP-EPM-CCBF5.1.6
方圆坯连铸凝固端电磁搅拌智能控制系统
动态磁控晶化功能，适用于钢铁、有色金属领域
DEP-ICS-.1.6
工业智能数据路由器（网络双工10ms）
系统分布式网络实时双工通信标准配置
* 连铸机电磁冶金工艺专家系统版本功能说明：
1).3.1.***B，基本工艺版本，电磁冶金工艺模型
2).3.1.***P，矢量磁场版本，电磁冶金过程模型+MPO矢量磁场，
3).3.1.***M，材料技术版，电磁冶金过程模型+MPO矢量磁场模块+高温材料科学模块。
表1 连铸电磁冶金工艺专家系统选型
图6B 电磁冶金过程专家系统工程应用部分HMI界面
3 子系统组成及冶金效果
1、关于.0系统及部分工程应用场景
DEP-.0电磁冶金过程动态精密测控系统为标准/结构，数据服务器为INCIC工业级网络双工数据通信系统。无数据测控架构的应用，实现了不同厂家电磁冶金设备和厂控设备之间的实时工厂数据通信，并兼容第三方网关。有关工业通讯系统的详细信息，请参阅相关的用户手册。工业数据通信系统是基于工业过程控制国际标准OPC协议的工业级通信组件。主要用于过程控制系统与基础自动化系统之间的通信，方便过程控制系统的应用集成。支持超过195种业界主流工业总线协议和PLC设备，实现冶金过程模型的动态精密测控系统应用系统。分布式、网络化、符合TSN的新一代智能测控架构，满足用户连铸冶金自主研发、集成部署等需求。工艺模型、连铸机状态数字化实时监控，以及连铸电磁冶金过程实时、准确、高稳定的测控要求。
图7 基于DEP-DADCS分布式网络实时测控架构的冶金过程在线测控系统
图8 数字双工测控数据通信系统与冶金模型精密测控系统集成部署
图9DEP-.0结晶器动态磁流子系统
图10DEP-.0动态磁流与电磁净化
图11DEP-.0凝固过程磁控结晶子系统
图12 DEP-磁结晶子系统
2. DEP-.0冶金效果
长度/毫米
直径/毫米
屈服力/N
拉力/N
屈服强度/Mpa
拉伸强度/Mpa
面积收缩率/%
电磁冶金
50
10.03
78750
91700
995
1160
64.0
常规电磁冶金
50
10.04
76400
85650
965
1080
68.5
图13 连铸坯等轴晶率的提高
图14 连铸坯中心偏析的改善
图15 磁控管晶体结构优化（上图为板坯，下图为坯料）
图0 磁控晶化优化与改进
图17 磁流和电磁净化改善铸坯内部质量
4..0系统典型应用场景
1、高牌号电工钢铸态凝固组织在线控制
高牌号电工硅钢在国民经济发展和国家能源战略中发挥着非常重要的作用。高磁感取向电工钢和高档无取向电工钢广泛应用于小浪底工程、三峡工程、青藏铁路工程、北京正负电子对撞机工程、神六、神七载人飞船工程、高铁、机器人、新能源汽车等国家重点工程和领域。 2008年之前，仍需要一定份额的进口。但从2017年我国高端电工钢产量来看，高端产品占比不高，无法完全满足用户需求；必须提高生产控制水平，提高原始等级合格率，减少不合格或缺陷产品的数量。 、提高管理水平和产品综合质量；面向国内大型发电设备、节能变压器、高效节能电机，满足交通驱动电机、新能源电动汽车电机、无人机、高端家电等下游行业的新需求重点发展低噪声变压器用取向电工钢、三维线圈铁芯用耐热取向电工钢、薄规格无取向电工钢。钢、高端高效电机用无取向电工钢、中频高效电机用无取向电工钢、高强度无取向电工钢制备技术。初始铸造凝固组织是形成成品目标织构和硅钢片优良磁性能的保证。是影响电工钢磁感应强度B25、B50的因素之一。理想的无取向晶体织构是（100）面织构。各向同性、难磁化方向[111]不在滚动面上；取硅钢的磁感应强度仅与（110）[001]晶粒取向或（110）[001]取向偏离角有关。为了提高电工钢的磁性能，在生产过程中采用优化的在线磁场来控制铸造。促进有利织构形成的动态组织已成为关键核心技术之一。
2、高端厚板复合应力场作用下连铸方坯凝固组织在线优化
在可预见的未来，钢铁产品仍将是经济建设和发展的首选或必需材料。厚板产品在国民经济和军事工业的发展中发挥着重要作用，被广泛应用。连铸坯内部质量问题制约了高端厚板产品的发展。由于成品厚板产品厚度较大，轧制压缩比较小，连铸坯的中心气孔和中心偏析是造成厚板产品质量缺陷的主要原因。 。因此，有效抑制中心偏析、中心气孔、元素偏析是连铸生产中均匀化优质板坯的关键，是高端厚板产品的起源和关键核心。高端厚板材料中的低碳当量合金钢因其优异的焊接方便性而在工程中得到广泛应用。由于添加了强化合金元素，偏析不限于C、S元素偏析。强化合金元素的偏析程度远高于碳、硫偏析，其危害也远高于碳、硫偏析。合金元素的偏析很难或不可能通过传统的低放大倍数检测来捕获，并且很容易被忽视。然而，合金元素的偏析和高温相变产物是高等级钢材生产的绊脚石。
钢中合金元素的作用及偏析对钢的危害
仅依靠宏观机械应力无法改善大原子量合金元素的偏析。必须从初始结晶和分子间力的角度来考虑。电磁推力是目前改善中心偏析和元件偏析的理想技术，而机械压紧力则用于有效控制中心松动。深入研究连铸过程中钢水凝固过程及其在轻压机械压力和电磁推力外应力场作用下凝固组织的演化与控制，可为铸机稳定控制提供坚实的基础。铸坯的生产率和内部质量。 ，为钢铁产品升级换代提供优质均质毛坯。
为了获得优良的铸坯内部质量，需要在连铸过程中控制铸坯的表面温度，以满足钢材凝固过程的需要。动态二次冷却是一种在线配水模型。该模型由基本水量、钢坯目标表面温度控制水量、水量修正计算等部分组成。通过采集中间包内实际冷却回路水流量、钢坯拉速、钢种成分和钢水过热度来确定连铸坯在线温度分布。将钢种的目标表面温度与目标表面温度进行比较进行修正，最终设定各冷却区的水量值。对于二冷系统的执行器来说，系统的主要冶金功能： （1）根据铸造条件动态分配二冷回路中的水量 （2）输出板坯的热力学状态和板坯的固相率液体到板坯锥度自动控制系统和电磁冶金S-EMS系统。
铸坯在轻压下的机械应力场产生的应变ε按下式1计算：
式中：c-常数/m·mm-1； δ：鼓腹量，单位mm； ɑ-毛坯壳厚度/m； l-辊距/m。
当扇形断面受压时，坯壳的变形量超过坯壳的许用应变值，连铸时凝固的坯壳破裂时会产生初生裂纹。当进一步受压时，压力传递到板坯内部，导致板坯内部出现裂纹。凝固前沿的液固界面是零强度脆性区。还原率要求为：ε
