結(jié)晶器內(nèi)磁感應(yīng)強(qiáng)度分布研究

馬忠存，熊洪進(jìn)，郭 鑫

(北滿(mǎn)特殊鋼有限責(zé)任公司，黑龍江 齊齊哈爾161041)

電磁攪拌技術(shù)具有高能量密度、非接觸性和易于自動(dòng)控制等優(yōu)點(diǎn)，能夠有效改善鑄坯的皮下質(zhì)量、鑄坯內(nèi)部組織結(jié)構(gòu)，擴(kuò)大等軸晶區(qū)、減少或消除偏析與中心縮孔等內(nèi)部缺陷，同時(shí)也能促進(jìn)坯殼生長(zhǎng)而且厚度均勻，在連鑄生產(chǎn)中得到了廣泛的應(yīng)用并取得良好的經(jīng)濟(jì)效益［1－5］，結(jié)晶器電磁攪拌改善鑄坯質(zhì)量的機(jī)理［6，7］是借助感應(yīng)產(chǎn)生的電磁力強(qiáng)化鋼液流動(dòng)、傳熱等過(guò)程，因此，生產(chǎn)中對(duì)電磁攪拌設(shè)備的電磁特性的檢測(cè)與分析是提高電磁攪拌冶金效果的前提［8，9］。

該連鑄機(jī)生產(chǎn)的大圓坯，根據(jù)不同鋼種特性，確定了不同鋼種的電磁攪拌參數(shù)，但是鑄坯中仍出現(xiàn)中心疏松、偏析、裂紋、皮下氣泡等缺陷，阻礙了企業(yè)產(chǎn)品質(zhì)量的提升，為了優(yōu)化結(jié)晶器電磁攪拌工藝參數(shù)，對(duì)圓坯連鑄機(jī)結(jié)晶器電磁攪拌內(nèi)感應(yīng)強(qiáng)度進(jìn)行了測(cè)試研究，對(duì)改善鑄坯質(zhì)量，品種開(kāi)發(fā)、研制等有重要的指導(dǎo)意義。

1 結(jié)晶器性能參數(shù)與研究方法

結(jié)晶器主要性能參數(shù)如表1所示。

表1 結(jié)晶器主要性能參數(shù)

結(jié)晶器電磁攪拌示意圖如圖1所示。

圖1 結(jié)晶器電磁攪拌示意圖

由于150℃的銅管的電導(dǎo)率要比鋼水的電導(dǎo)率約大60倍，在低頻情況下結(jié)晶器銅管內(nèi)有無(wú)鋼水對(duì)有載磁場(chǎng)分布影響不大，因此無(wú)鋼水工況可近似為有鋼水工況。

采用CST—11A型數(shù)字特斯拉計(jì)對(duì)連鋳機(jī)電磁攪拌的磁感應(yīng)特征進(jìn)行測(cè)量，在結(jié)晶器的中心線和電磁攪拌的中心位置(距結(jié)晶器上沿800mm)，分別測(cè)量不同頻率、不同電流的磁感應(yīng)強(qiáng)度。利用回歸分析，研究結(jié)晶器內(nèi)中心磁感應(yīng)強(qiáng)度與頻率和電流強(qiáng)度的關(guān)系。研究結(jié)晶器銅管內(nèi)磁感應(yīng)強(qiáng)度的軸向分布與徑向分布情況。

2 結(jié)果與分析

2.1 電流、頻率與磁感應(yīng)強(qiáng)度的關(guān)系

在頻率為2Hz下，結(jié)晶器內(nèi)各位置的磁感應(yīng)強(qiáng)度和電流強(qiáng)度關(guān)系如圖2所示;電流300A下，結(jié)晶器內(nèi)各位置的磁感應(yīng)強(qiáng)度和頻率關(guān)系如圖3所示。

圖2 磁感應(yīng)強(qiáng)度和電流強(qiáng)度關(guān)系

圖3 磁感應(yīng)強(qiáng)度和頻率關(guān)系

從圖2電流和磁感應(yīng)強(qiáng)度的關(guān)系可以看出，提大電流可以增強(qiáng)磁感應(yīng)強(qiáng)度，因此，在實(shí)際生產(chǎn)中可以提高電流強(qiáng)度和磁感應(yīng)強(qiáng)度，從而達(dá)到滿(mǎn)意的冶金效果。但是電流增加到一定程度后，鑄坯的等軸晶率趨于飽和，電磁感應(yīng)強(qiáng)度也趨近某個(gè)定值，繼續(xù)增加電流對(duì)等軸晶率、電磁感應(yīng)強(qiáng)度的作用都不大，反而電流過(guò)大會(huì)降低結(jié)晶器電磁攪拌本體的壽命，而且過(guò)大的電流容易使彎月面擾動(dòng)強(qiáng)烈而造成卷渣，為此在滿(mǎn)足冶金效果的條件下，盡可能降低電流強(qiáng)度。

從圖3中可以看出，隨著頻率的升高，結(jié)晶器內(nèi)的磁感應(yīng)強(qiáng)度降低。其原因是由于磁場(chǎng)穿過(guò)銅管時(shí)，磁場(chǎng)的衰減造成的，磁場(chǎng)在鑄坯中透入深度:

式中:δ為集膚深度;σ為金屬導(dǎo)電率;μ為金屬導(dǎo)磁率;f電源頻率。

由公式(1)可以看出，頻率越大，集膚層厚度越小，磁場(chǎng)穿透銅板的能力越弱，磁感應(yīng)強(qiáng)度降低，從而頻率和磁感應(yīng)強(qiáng)度成反比關(guān)系。無(wú)論哪個(gè)電流強(qiáng)度下，頻率越高，相應(yīng)的磁感應(yīng)強(qiáng)度越小，這也表明高電導(dǎo)率的結(jié)晶器銅管對(duì)磁場(chǎng)的衰減作用。

2.2 結(jié)晶器銅管內(nèi)磁感應(yīng)強(qiáng)度的軸向分布

圖4為連鑄機(jī)1流，300A，2Hz下結(jié)晶器銅管內(nèi)磁感應(yīng)強(qiáng)度的軸向分布情況，由圖3可見(jiàn)，由于電磁攪拌跨結(jié)晶器和足輥段，造成電磁攪拌的最強(qiáng)磁感應(yīng)強(qiáng)度偏離了電磁攪拌本體的中心位置，其最大強(qiáng)度的位置在距結(jié)晶器上口900mm位置，同時(shí)磁感應(yīng)強(qiáng)度向上下兩端急劇衰減，這主要是因?yàn)閿嚢杵鞯挠邢揲L(zhǎng)度導(dǎo)致端部漏磁很?chē)?yán)重，軸向分布向兩側(cè)陡降，攪拌器的鐵芯長(zhǎng)度與其內(nèi)徑之比L/D，L/D越小，磁場(chǎng)分布越不均勻。

圖4 結(jié)晶器銅管內(nèi)磁感應(yīng)強(qiáng)度的軸向分布

圖5為連鑄機(jī)1流不同工藝下，磁感應(yīng)強(qiáng)度的分布情況，由圖5中可以看出，各不同電流和頻率下電磁攪拌的磁感應(yīng)強(qiáng)度的軸向分布，由圖中的軸向分布在彎月面處的量值可以看出攪拌位置是比較合理的，其彎月面附近的B值均小于最大值的1/5，則表明攪拌器的安裝位置比較合適，不會(huì)引起彎月面波動(dòng)而造成卷渣。同時(shí)可以看出隨電流強(qiáng)度的升高和頻率的降低，結(jié)晶器的軸線電磁攪拌的磁感應(yīng)強(qiáng)度是逐漸降低的。

2.3 結(jié)晶器銅管內(nèi)磁感應(yīng)強(qiáng)度的徑向分布

結(jié)晶器銅管內(nèi)磁感應(yīng)強(qiáng)度的徑向分布如表2、圖6所示。

表2 結(jié)晶器銅管內(nèi)磁感應(yīng)強(qiáng)度的徑向分布

圖5 不同工藝下結(jié)晶器銅管內(nèi)磁感應(yīng)強(qiáng)度的軸向分布

圖6 結(jié)晶器銅管內(nèi)磁感應(yīng)強(qiáng)度的徑向分布

從圖中可以看出電磁攪拌的強(qiáng)度由攪拌器內(nèi)表而向中心逐漸減小，即其徑向分布不均勻;高頻率經(jīng)結(jié)晶器銅管后衰減也更大。表明磁感應(yīng)強(qiáng)度經(jīng)高電導(dǎo)率銅管屏蔽后，高頻的電磁強(qiáng)度衰減更大，且空間分布均勻一些。

3 結(jié)論

通過(guò)對(duì)圓坯連鑄機(jī)結(jié)晶器銅管內(nèi)磁感應(yīng)強(qiáng)度進(jìn)行研究，可以得到以下結(jié)論:

(1)電磁攪拌過(guò)程中，電磁力與磁感應(yīng)強(qiáng)度的平方成正比關(guān)系，頻率和磁感應(yīng)強(qiáng)度成反比關(guān)系;實(shí)際生產(chǎn)中要選擇合適的電流強(qiáng)度，過(guò)大會(huì)增加電耗，降低線圈壽命，易發(fā)生卷渣，過(guò)小則不能滿(mǎn)足工藝要求;

(2)結(jié)晶器內(nèi)磁感應(yīng)強(qiáng)度軸向分布最大位置在距結(jié)晶器上口900mm位置，向兩側(cè)陡降;

(3)結(jié)晶器內(nèi)磁感應(yīng)強(qiáng)度徑向分布不均勻，由攪拌器內(nèi)表面向中心逐漸減小，

(4)結(jié)晶器銅管對(duì)磁場(chǎng)有衰減作用，高頻率經(jīng)結(jié)晶器銅管后衰減大。