高頻電磁場(chǎng)改善連鑄坯質(zhì)量機(jī)理及其工業(yè)化應(yīng)用研究.pdf

1、電磁軟接觸連鑄技術(shù)是一項(xiàng)新型的高效連鑄技術(shù)，它可以大幅度地提高連鑄坯的表面質(zhì)量，使得連鑄坯不需經(jīng)過表面清理即可進(jìn)行軋制。采用該技術(shù)，可以縮短工序流程，節(jié)省能源，提高金屬收得率。本文研究了結(jié)晶器內(nèi)磁場(chǎng)分布、高頻電磁場(chǎng)作用下的彎月面行為、高頻電磁場(chǎng)對(duì)鋼液的作用效果及機(jī)理等若干關(guān)鍵問題，為電磁軟接觸連鑄工業(yè)實(shí)驗(yàn)的成功實(shí)施提供了有力保障;此外，本文還介紹了工業(yè)實(shí)驗(yàn)的部分結(jié)果。
　　首先，本文采用理論推導(dǎo)的方法，研究了空載線圈中的磁場(chǎng)分布和

2、時(shí)諧電磁場(chǎng)在鋼液中的傳播特性，提出三點(diǎn)假設(shè)，推導(dǎo)了結(jié)晶器內(nèi)鋼液受到的電磁力和電磁壓力的數(shù)學(xué)表達(dá)式。理論分析結(jié)果表明，空載線圈內(nèi)空間某點(diǎn)的磁感應(yīng)強(qiáng)度除了與該點(diǎn)的空間位置和線圈電流有關(guān)外，還與感應(yīng)線圈的結(jié)構(gòu)參數(shù)（半徑、螺距和匝數(shù)）有關(guān);時(shí)諧電磁波在鋼液中沿傳播方向呈指數(shù)關(guān)系衰減;鋼液受到的電磁體積力和電磁壓力由結(jié)晶器壁面向中心呈負(fù)指數(shù)衰減，磁場(chǎng)頻率越高，衰減得越快。對(duì)彎月面方程的分析表明，彎月面高度取決于三相點(diǎn)（鋼液、保護(hù)渣和結(jié)晶器壁三者的

3、交點(diǎn)）處的電磁壓力、鋼渣界面張力及兩者的密度差;彎月面的縱坐標(biāo)可以通過彎月面高度和橫坐標(biāo)計(jì)算求得;當(dāng)去除電磁壓力項(xiàng)時(shí)，彎月面方程可簡(jiǎn)化為Bikerman方程。通過修正積分范圍，推導(dǎo)出在電磁場(chǎng)作用范圍內(nèi)鋼液內(nèi)產(chǎn)生的焦耳熱的表達(dá)式。由焦耳熱的表達(dá)式可知，磁場(chǎng)頻率越高，焦耳熱越大。因此，在實(shí)際應(yīng)用中，磁場(chǎng)頻率不宜過高，否則可能導(dǎo)致焦耳熱過大，不利于等軸晶的形成。
　　其次，采用電磁感應(yīng)法（小線圈法）測(cè)量了電磁軟接觸結(jié)晶器內(nèi)磁場(chǎng)的分布。測(cè)

4、量結(jié)果表明:
　　(1)沿拉坯方向，結(jié)晶器內(nèi)磁場(chǎng)主要集中在感應(yīng)線圈與負(fù)載的共有區(qū)域，并呈現(xiàn)中間大兩頭小的分布規(guī)律，磁感應(yīng)強(qiáng)度的峰值位于線圈中心偏下10～15 mm處;沿結(jié)晶器周向，結(jié)晶器切縫處的磁感應(yīng)強(qiáng)度大于相鄰分瓣體中心處的磁感應(yīng)強(qiáng)度。
　　(2)電源功率增大，結(jié)晶器內(nèi)的磁感應(yīng)強(qiáng)度隨之增大，而結(jié)晶器周向的磁場(chǎng)均勻性變差。
　　(3)磁場(chǎng)頻率越大，結(jié)晶器內(nèi)各點(diǎn)的磁感應(yīng)強(qiáng)度越小;當(dāng)磁場(chǎng)頻率大于40 kHz時(shí)，磁場(chǎng)頻率對(duì)磁

5、感應(yīng)強(qiáng)度峰值的影響較小。
　　(4)感應(yīng)線圈安裝位置改變，結(jié)晶器內(nèi)磁場(chǎng)分布曲線隨之同步移動(dòng);當(dāng)感應(yīng)線圈中心與結(jié)晶器切縫中心和負(fù)載表面處于同一高度時(shí)，磁感應(yīng)強(qiáng)度峰值達(dá)到最大。在實(shí)際應(yīng)用中，感應(yīng)線圈中心、結(jié)晶器液位應(yīng)該調(diào)整到結(jié)晶器切縫中心高度處，可獲得較好的冶金效果。
　　再次，以Sn-Pb-Bi低熔點(diǎn)合金為實(shí)驗(yàn)材料替代鋼液，采用浸鍍法測(cè)量了高頻電磁場(chǎng)作用下彎月面的形狀。
　　測(cè)量結(jié)果表明:
　　(1)增加電源功率，

6、彎月面曲率半徑和彎月面高度均增大，三相點(diǎn)降低，彎月面與結(jié)晶器壁面的接觸角減小。
　　(2)感應(yīng)線圈和合金液位控制在由磁場(chǎng)測(cè)量結(jié)果推薦的位置處，彎月面變形最大，有利于拓寬結(jié)晶器與初始凝固殼之間的保護(hù)渣通道。
　　(3)在線圈電流相同的條件下，在20～30 kHz范圍內(nèi)增加磁場(chǎng)頻率可以顯著地增加彎月面高度，因此建議選擇該頻率段進(jìn)行電磁軟接觸連鑄實(shí)驗(yàn)。以鋼液為實(shí)驗(yàn)材料進(jìn)行對(duì)照實(shí)驗(yàn)，觀察到類似的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象。因此可以認(rèn)為采用更安全、更易

7、控制的Sn-Pb-Bi低熔點(diǎn)合金熔液，完全可以模擬鋼液的彎月面行為，所獲得的實(shí)驗(yàn)規(guī)律對(duì)于開發(fā)鋼液的電磁軟接觸技術(shù)具有普遍指導(dǎo)意義。此外，采用激光位移傳感器測(cè)量了高頻電磁場(chǎng)作用下Sn-Pb-Bi液面波動(dòng)大小。結(jié)果表明，液面波動(dòng)幅度與線圈電流和磁場(chǎng)頻率有關(guān);線圈電流增大，液面波動(dòng)幅度增大，而與磁場(chǎng)頻率的關(guān)系則相反。
　　基于上述研究結(jié)果，在實(shí)驗(yàn)室多功能連鑄機(jī)上分別以普碳鋼Q235B和珠光體耐熱鋼15CrMo為實(shí)驗(yàn)材料進(jìn)行了電磁軟接觸連

8、鑄實(shí)驗(yàn)。
　　實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明:
　　(1)在常規(guī)連鑄條件下，鑄坯表面容易產(chǎn)生振痕、凹陷、裂紋等缺陷。
　　(2)在初始凝固區(qū)域施加高頻電磁場(chǎng)，連鑄坯表面振痕減少;當(dāng)電源功率為最佳值時(shí)，連鑄坯表面振痕完全消除;當(dāng)繼續(xù)增加電源功率時(shí)，鑄坯表面出現(xiàn)波浪形振痕。
　　理論分析結(jié)果表明:
　　(1)高頻電磁場(chǎng)改善鑄坯表面質(zhì)量主要有兩個(gè)方面，其一為洛侖茲力效應(yīng)，其二為焦耳熱效應(yīng)。
　　(2)當(dāng)電源功率過大時(shí)，電磁結(jié)

9、晶器內(nèi)周向磁場(chǎng)分布不均，導(dǎo)致初始凝固起始點(diǎn)沿結(jié)晶器周向呈波浪形分布;另一方面，由于電源功率過大，鋼水自由液面波動(dòng)劇烈，彎月面不穩(wěn)定，在這兩種因素的共同作用下，在鑄坯表面產(chǎn)生波浪形振痕。
　　2008年3月，在寶鋼連鑄機(jī)上成功實(shí)施了電磁軟接觸連鑄工業(yè)實(shí)驗(yàn)。其中，實(shí)驗(yàn)材料為低合金鋼（含碳量為0.18％），磁場(chǎng)頻率為16.6 kHz。采用激光位移傳感器測(cè)量了連鑄坯表面振痕的深度，并用冷酸蝕檢驗(yàn)法檢驗(yàn)了連鑄坯的低倍缺陷。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，采用