軟接觸電磁連鑄結晶器磁場分布的試驗研究

軟接觸電磁連鑄結晶器磁場分布的試驗研究

在鋼的連續(xù)鑄造過程中，晶體裝置的振動導致保護渣液的動壓變化，導致初附殼中鋼液的靜壓、動壓和表面張力失衡，導致鑄造表面的波浪狀振動。振痕不但影響鑄坯表面質量,而且引起偏析、橫裂等缺陷,嚴重影響鑄坯的整體質量。為了減少表面振痕,人們通常采用提高結晶器振動頻率、減小振幅和減小保護渣粘度等方法,但是都不能從根本上消除表面振痕。Vives等人提出了在連鑄結晶器外加交變電磁場的新鑄造方法(軟接觸電磁連鑄)。它利用潤滑劑的動壓(Pr)、電磁壓力(Pd)和鋼液的表面張力(Pb)共同平衡鋼液的靜壓力(Pj),即Pr+Pd+Pb=Pj;傳統(tǒng)連鑄僅利用潤滑劑的動壓(Pr)和鋼液的表面張力(Pb)平衡鋼液的靜壓力(Pj),即Pr+Pb=Pj。因此,連鑄新方法中潤滑劑的動壓(Pr)將因電磁壓力(Pd)的引入而減小,直至為零,從而從根本上解決由保護渣動壓的周期性變化而引起的振痕問題。近年來,一些研究表明:用這種新連鑄方法生產的鑄坯較傳統(tǒng)連鑄的鑄坯在表面質量上有明顯改善。軟接觸電磁連鑄可提高鑄件的表面質量,但需在連鑄結晶器外施加交變電流才能在鑄件表面產生電磁力,這將消耗更多的電能。為了既改善鑄坯質量又保證生產工藝的穩(wěn)定和降低電能消耗,許多學者對不同材質和結構的結晶器以及電參數(shù)進行了研究。淺井滋生等采用在石墨鑄型外加電磁場的方法生產出表面質量較傳統(tǒng)方法有明顯改善的錫鑄坯。李廷舉等提出鑄型外加間斷高頻交流磁場的鑄造方法,此方法不但提高鑄件質量,而且大大節(jié)省電能。目前被認為最具發(fā)展前途的一種電磁連鑄方法是在開縫的銅結晶器外施加高頻電磁場的連鑄方法(又稱冷坩堝電磁連鑄)。此方法的一個基本要求是高頻電磁場能進入結晶器并作用于鋼液,但由于銅結晶器對外加高頻電磁場有很強的屏蔽作用,為此,采用結晶器上開縫的方法以減小結晶器的屏蔽作用。使得在消耗同樣電源功率條件下,結晶器內的磁感應強度更大,從而提高電磁壓力,減小潤滑動壓,最終提高鑄坯的表面和內部質量。但是,開縫將降低結晶器強度,使冷卻系統(tǒng)復雜化,改變電磁場在結晶器內的分布。要想把開縫的結晶器用于生產,就必須保證其強度并弄清其內部磁場的分布規(guī)律。為此,我們通過試驗方法研究了開縫銅結晶器內的磁場分布規(guī)律,考察了結晶器結構對磁場的影響,為設計結構簡單、強度高、透磁效果好、磁場分布合理的鋼液電磁連鑄結晶器,提供試驗依據(jù)和指導性原則。1試驗安裝和方法1.1應力線圈開縫試驗裝置如圖1所示。紫銅結晶器的外徑110mm,內徑100mm,高度220mm;均勻平行的開縫高190mm,開縫寬度0.4mm;紫銅感應線圈銅線外徑10mm,相互間距離5mm;感應線圈與結晶器外壁相隔10mm;電源頻率為33000Hz,功率為5kW。1.2開縫數(shù)、感應圈、結晶器相對高度的磁場分布的影響將探頭置于空間測定點(z,r),可測得該點感應電動勢E,則該點磁感應強度的Z向分量(BZ)為:BZ=E/(4.44fWS)(1)式中BZ——磁感應強度,mTE——感應電動勢,mVf——電磁場的頻率,HzW——小線圈的匝數(shù)S——小線圈的有效面積,m2為了考察開縫數(shù)、開縫寬度及感應線圈與結晶器相對高度對磁場分布的影響,我們測試了不同開縫數(shù)(n=0,2,6,8,∞)、開縫寬度(t=0.4mm,0.8mm,1.2mm)及感應線圈與結晶器相對高度(感應線圈上端與結晶器上端的距離h=12mm,45mm,58mm)條件下(其它條件相同),結晶器內磁場的分布。2試驗結果與分析2.1通過內縫間的磁場分布圖2顯示了開縫數(shù)n=2時,結晶器內三個位置(A、B、C)磁感應強度隨高度的變化規(guī)律。其中A、B、C分別表示沿軸線、開縫和兩縫之間的軸向磁場分布?？梢钥闯?磁場沿軸線分布最均勻,沿兩縫之間次之,開縫處最差;同一高度時,開縫處的磁感應強度明顯大于兩逢之間,即磁場沿圓周方向分布不均勻。這是因為結晶器開縫處磁場的屏蔽作用小于同一圓周上兩縫間的屏蔽作用。開縫數(shù)n=2時,磁場在如圖2虛線所示平面內沿結晶器內壁的分布規(guī)律見圖3(橫坐標代表角度α)。由圖可見:隨著α的增大,磁感應強度先減小后增大,在兩縫中間處達最小值。2.2不同開縫數(shù)時磁場分布均勻性的變化圖4、5、6分別顯示了不同開縫數(shù)時(n為開縫數(shù),n=∞表示沒有鑄型),磁感應強度沿軸線、開縫處及兩縫間的分布。可見:不開縫時結晶器的屏蔽作用最大,結晶器內的磁感應強度幾乎為零;隨著開縫數(shù)的增加,屏蔽作用逐漸減弱,磁感應強度明顯增強,同時磁場軸向均勻性變差;無結晶器時屏蔽作用消失,磁感應強度達到最大。為減小結晶器的屏蔽作用,應盡量增加開縫數(shù),然而增加開縫數(shù)將使結晶器結構和冷卻系統(tǒng)復雜化,降低結晶器強度,提高結晶器成本,并且可能帶來漏鋼液等工藝問題。因此,應在工藝條件允許的條件下,盡量增加結晶器開縫數(shù)。圖7為不同開縫數(shù)時,磁場在如圖4虛線所在平面內沿AB、AC(見圖1)的徑向分布。可見:從中心到邊緣磁感應強度逐漸增大;開縫數(shù)越多,磁場越強,沿圓周的分布越均勻;離中心越遠,磁場分布均勻性越差。開縫數(shù)對磁場沿圓周方向分布均勻性的影響如圖8所示。其中,R=(BB-BC)/(BB+BC),BB、BC分別為B點和C點的磁感應強度?？梢钥闯?磁場沿圓周方向的均勻性隨高度變化而變化,感應線圈高度中間位置附近的磁場分布均勻性最差;增加開縫數(shù)可提高磁場沿圓周方向的均勻性。2.3開縫寬度對于磁場開縫數(shù)n=8時,開縫寬度對兩縫間和開縫處磁場分布的影響見圖9和圖10。可見:開縫寬度對兩縫間磁場的影響不大,對開縫處的影響則與考察點的相對高度有關——在感應線圈高度區(qū)域內(ΔZ),開縫越寬,磁感應強度越大,但相差不大;在其它位置,開縫寬度對磁場的影響很小。因此,從保證工藝和提高結晶器透磁性兩方面考慮,應盡量減小開縫寬度。2.4感應圈和結晶器之間的相對位置圖11顯示了感應線圈與結晶器相對高度h對磁場分布的影響。由圖可見:磁感應強度的最大值始終在感應線圈高度的中間位置附近;感應線圈上端與結晶器上端相距越近,軸線方向磁感應強度的最大值就越大,并且分布越不均勻。因此,為了獲得較大的磁感應強度,應盡量減小感應線圈和結晶器間的相對高度;而要得到軸向方向均勻的磁場時,應盡量將感應線圈置于結晶器的中間位置。3結晶器開縫/磁場分布均勻性(1)增加結晶器開縫數(shù)可提高結晶器透磁性,減小由于開縫引起的磁場沿圓周分布的不均勻性,從而提高鑄坯質量。在保證結晶器強度及降低冷卻系統(tǒng)復雜性的前提下,應增加結晶器開縫數(shù)。(2)結晶器的開逢寬度對開縫處磁場有一定影響,對其