軟接觸電磁連鑄結(jié)晶器磁場分布的試驗(yàn)研究

在鋼的連續(xù)鑄造過程中，晶體裝置的振動(dòng)導(dǎo)致保護(hù)渣液的動(dòng)壓變化，導(dǎo)致初附殼中鋼液的靜壓、動(dòng)壓和表面張力失衡，導(dǎo)致鑄造表面的波浪狀振動(dòng)。振痕不但影響鑄坯表面質(zhì)量,而且引起偏析、橫裂等缺陷,嚴(yán)重影響鑄坯的整體質(zhì)量。為了減少表面振痕,人們通常采用提高結(jié)晶器振動(dòng)頻率、減小振幅和減小保護(hù)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(jié)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(dòng)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(dòng)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(dòng)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(hù)渣動(dòng)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(chǎn)的鑄坯較傳統(tǒng)連鑄的鑄坯在表面質(zhì)量上有明顯改善。軟接觸電磁連鑄可提高鑄件的表面質(zhì)量,但需在連鑄結(jié)晶器外施加交變電流才能在鑄件表面產(chǎn)生電磁力,這將消耗更多的電能。為了既改善鑄坯質(zhì)量又保證生產(chǎn)工藝的穩(wěn)定和降低電能消耗,許多學(xué)者對不同材質(zhì)和結(jié)構(gòu)的結(jié)晶器以及電參數(shù)進(jìn)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(chǎn)出表面質(zhì)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(zhì)量,而且大大節(jié)省電能。目前被認(rèn)為最具發(fā)展前途的一種電磁連鑄方法是在開縫的銅結(jié)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(gè)基本要求是高頻電磁場能進(jìn)入結(jié)晶器并作用于鋼液,但由于銅結(jié)晶器對外加高頻電磁場有很強(qiáng)的屏蔽作用,為此,采用結(jié)晶器上開縫的方法以減小結(jié)晶器的屏蔽作用。使得在消耗同樣電源功率條件下,結(jié)晶器內(nèi)的磁感應(yīng)強(qiáng)度更大,從而提高電磁壓力,減小潤滑動(dòng)壓,最終提高鑄坯的表面和內(nèi)部質(zhì)量。但是,開縫將降低結(jié)晶器強(qiáng)度,使冷卻系統(tǒng)復(fù)雜化,改變電磁場在結(jié)晶器內(nèi)的分布。要想把開縫的結(jié)晶器用于生產(chǎn),就必須保證其強(qiáng)度并弄清其內(nèi)部磁場的分布規(guī)律。為此,我們通過試驗(yàn)方法研究了開縫銅結(jié)晶器內(nèi)的磁場分布規(guī)律,考察了結(jié)晶器結(jié)構(gòu)對磁場的影響,為設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)簡單、強(qiáng)度高、透磁效果好、磁場分布合理的鋼液電磁連鑄結(jié)晶器,提供試驗(yàn)依據(jù)和指導(dǎo)性原則。1試驗(yàn)安裝和方法1.1應(yīng)力線圈開縫試驗(yàn)裝置如圖1所示。紫銅結(jié)晶器的外徑110mm,內(nèi)徑100mm,高度220mm;均勻平行的開縫高190mm,開縫寬度0.4mm;紫銅感應(yīng)線圈銅線外徑10mm,相互間距離5mm;感應(yīng)線圈與結(jié)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(yīng)圈、結(jié)晶器相對高度的磁場分布的影響將探頭置于空間測定點(diǎn)(z,r),可測得該點(diǎn)感應(yīng)電動(dòng)勢E,則該點(diǎn)磁感應(yīng)強(qiáng)度的Z向分量(BZ)為:BZ=E/(4.44fWS)(1)式中BZ——磁感應(yīng)強(qiáng)度,mTE——感應(yīng)電動(dòng)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(yīng)線圈與結(jié)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(yīng)線圈與結(jié)晶器相對高度(感應(yīng)線圈上端與結(jié)晶器上端的距離h=12mm,45mm,58mm)條件下(其它條件相同),結(jié)晶器內(nèi)磁場的分布。2試驗(yàn)結(jié)果與分析2.1通過內(nèi)縫間的磁場分布圖2顯示了開縫數(shù)n=2時(shí),結(jié)晶器內(nèi)三個(gè)位置(A、B、C)磁感應(yīng)強(qiáng)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(shí),開縫處的磁感應(yīng)強(qiáng)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?yàn)榻Y(jié)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(shí),磁場在如圖2虛線所示平面內(nèi)沿結(jié)晶器內(nèi)壁的分布規(guī)律見圖3(橫坐標(biāo)代表角度α)。由圖可見:隨著α的增大,磁感應(yīng)強(qiáng)度先減小后增大,在兩縫中間處達(dá)最小值。2.2不同開縫數(shù)時(shí)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(shí)(n為開縫數(shù),n=∞表示沒有鑄型),磁感應(yīng)強(qiáng)度沿軸線、開縫處及兩縫間的分布。可見:不開縫時(shí)結(jié)晶器的屏蔽作用最大,結(jié)晶器內(nèi)的磁感應(yīng)強(qiáng)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(yīng)強(qiáng)度明顯增強(qiáng),同時(shí)磁場軸向均勻性變差;無結(jié)晶器時(shí)屏蔽作用消失,磁感應(yīng)強(qiáng)度達(dá)到最大。為減小結(jié)晶器的屏蔽作用,應(yīng)盡量增加開縫數(shù),然而增加開縫數(shù)將使結(jié)晶器結(jié)構(gòu)和冷卻系統(tǒng)復(fù)雜化,降低結(jié)晶器強(qiáng)度,提高結(jié)晶器成本,并且可能帶來漏鋼液等工藝問題。因此,應(yīng)在工藝條件允許的條件下,盡量增加結(jié)晶器開縫數(shù)。圖7為不同開縫數(shù)時(shí),磁場在如圖4虛線所在平面內(nèi)沿AB、AC(見圖1)的徑向分布?？梢?從中心到邊緣磁感應(yīng)強(qiáng)度逐漸增大;開縫數(shù)越多,磁場越強(qiáng),沿圓周的分布越均勻;離中心越遠(yuǎn),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(diǎn)和C點(diǎn)的磁感應(yīng)強(qiáng)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(yīng)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(shí),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?？梢?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(diǎn)的相對高度有關(guān)——在感應(yīng)線圈高度區(qū)域內(nèi)(ΔZ),開縫越寬,磁感應(yīng)強(qiáng)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(jié)晶器透磁性兩方面考慮,應(yīng)盡量減小開縫寬度。2.4感應(yīng)圈和結(jié)晶器之間的相對位置圖11顯示了感應(yīng)線圈與結(jié)晶器相對高度h對磁場分布的影響。由圖可見:磁感應(yīng)強(qiáng)度的最大值始終在感應(yīng)線圈高度的中間位置附近;感應(yīng)線圈上端與結(jié)晶器上端相距越近,軸線方向磁感應(yīng)強(qiáng)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(yīng)強(qiáng)度,應(yīng)盡量減小感應(yīng)線圈和結(jié)晶器間的相對高度;而要得到軸向方向均勻的磁場時(shí),應(yīng)盡量將感應(yīng)線圈置于結(jié)晶器的中間位置。3結(jié)晶器開縫/磁場分布均勻性(1)增加結(jié)晶器開縫數(shù)可提高結(jié)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(zhì)量。在保證結(jié)晶器強(qiáng)度及降低冷卻系統(tǒng)復(fù)雜性的前提下,應(yīng)增加結(jié)晶器開縫數(shù)。(2)結(jié)晶器的開逢寬度對開縫處磁場有一定影響,對其