高頻電磁場下保護(hù)渣成分對流變性的影響

張彥輝，王杏娟，朱立光，張燕平

(1.華北理工大學(xué) 以升創(chuàng)新教育基地,河北 唐山063009；2.華北理工大學(xué) 冶金與能源學(xué)院,河北省現(xiàn)代冶金技術(shù)重點(diǎn)試驗(yàn)室,河北 唐山 063009)

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高頻電磁場下保護(hù)渣成分對流變性的影響

張彥輝1，王杏娟2，朱立光2，張燕平2

(1.華北理工大學(xué) 以升創(chuàng)新教育基地,河北 唐山063009；2.華北理工大學(xué) 冶金與能源學(xué)院,河北省現(xiàn)代冶金技術(shù)重點(diǎn)試驗(yàn)室,河北 唐山 063009)

高頻電磁場；流變性；保護(hù)渣；黏流活化能；黏度

設(shè)計(jì)了正交試驗(yàn),通過保護(hù)渣電磁特性測量裝置測定了20 kHz高頻電磁場作用下保護(hù)渣黏度隨溫度變化的曲線,并計(jì)算了保護(hù)渣的黏流活化能,研究了保護(hù)渣中堿度、Na2O、MgO、CaF2及BaO的成分變化與其流變性的關(guān)系,為軟接觸電磁連鑄技術(shù)中保護(hù)渣的設(shè)計(jì)提供了理論依據(jù)。研究結(jié)果表明：在20 kHz高頻電磁場下,隨著堿度的升高,以及Na2O、MgO、CaF2、BaO含量的升高,均使保護(hù)渣黏度增大,黏流活化能增大,轉(zhuǎn)折溫度升高。

軟接觸電磁連鑄技術(shù)(Soft-Contact Electromagnetic Continuous Casting)是在連鑄結(jié)晶器外面彎月面區(qū)域施加高頻電磁場(B),使金屬液內(nèi)誘發(fā)感應(yīng)電流(J),兩者交互作用在結(jié)晶器內(nèi)鑄坯的初始凝固區(qū)產(chǎn)生電磁壓力(F=J×B),指向熔體內(nèi)部用以抵消部分鋼水靜壓力,從而降低液體金屬與結(jié)晶器壁的接觸壓力和拉坯阻力,生產(chǎn)高質(zhì)量鑄坯的一種新的技術(shù)設(shè)想[1,2]。保護(hù)渣是一種能夠在連鑄過程中發(fā)揮重要作用的功能材料[3],能夠發(fā)揮重要作用的原因是其在高溫下具有流變性,減小了連鑄過程中的阻力,使連鑄過程得以順利進(jìn)行。

屬于硅酸鹽結(jié)構(gòu)體系的結(jié)晶器保護(hù)渣在高溫下呈一定程度的離子結(jié)構(gòu)特征并具有導(dǎo)電性[4],此時(shí)對結(jié)晶器保護(hù)渣施加20 kHz的高頻電磁場,電磁相互作用產(chǎn)生洛侖茲力,作用在流體質(zhì)點(diǎn)上,攪拌保護(hù)渣,推動(dòng)保護(hù)渣的自由流動(dòng),改變了保護(hù)渣的流動(dòng)形態(tài)和流場的分布[5-7],有利于保護(hù)渣的熔融與流動(dòng),使流速增加,促進(jìn)渣金反應(yīng)?？梢?在20 kHz高頻電磁場下,保護(hù)渣的流變性會(huì)發(fā)生變化,而研究保護(hù)渣的流變性對提高連鑄坯質(zhì)量具有重要意義。該項(xiàng)研究設(shè)計(jì)了正交試驗(yàn),從保護(hù)渣電磁特性、黏度特性等方面研究了20 kHz高頻電磁場條件下保護(hù)渣成分變化對流變特性的影響,探明高頻電磁場條件下保護(hù)渣成分變化對流變性的影響機(jī)理,為深入研究20 kHz高頻電磁場條件下保護(hù)渣的性能、軟接觸電磁連鑄技術(shù)中保護(hù)渣的設(shè)計(jì)提供了理論依據(jù)。

1 試驗(yàn)原理及方法

1.1試驗(yàn)原理

在高溫條件下,保護(hù)渣為液態(tài),具有一定程度的離子特性。離子具有導(dǎo)電性,導(dǎo)電離子在高頻電磁場下誘發(fā)感應(yīng)電流,感應(yīng)電流與磁場相互作用產(chǎn)生洛侖茲力。液態(tài)保護(hù)渣在電磁力的驅(qū)動(dòng)下流動(dòng),交變電磁場提高了粒子的碰撞頻率,加快了渣金反應(yīng)的進(jìn)行。晶格的振動(dòng)急劇增強(qiáng),洛侖茲力有很強(qiáng)的各向異性,使保護(hù)渣熔體從有序轉(zhuǎn)變?yōu)闊o序結(jié)構(gòu)狀態(tài),說明硅氧四面體的類型發(fā)生變化,保護(hù)渣結(jié)構(gòu)發(fā)生改變,使得各理化性能發(fā)生改變,流變性發(fā)生改變。

1.2試驗(yàn)方案

設(shè)計(jì)五因素四水平的正交試驗(yàn),研究20 kHz高頻電磁場下堿度、MgO、Na2O、BaO及CaF2的成分變化時(shí),保護(hù)渣流變性的變化情況。通過保護(hù)渣電磁特性測量裝置測定20 kHz高頻電磁場下保護(hù)渣黏度隨溫度變化的情況,繪制黏度與溫度關(guān)系曲線,并計(jì)算保護(hù)渣的黏流活化能,分析高頻電磁場下保護(hù)渣成分變化對流變性的影響。保護(hù)渣成分變化情況如表1和表2所示。

表1　五因素四水平正交試驗(yàn)表

1.3試驗(yàn)設(shè)備

研究采用的試驗(yàn)設(shè)備為自主設(shè)計(jì)開發(fā)的試驗(yàn)裝置,如圖1所示。目的是研究20 kHz高頻電磁場下保護(hù)渣的高溫流變行為。

圖1　保護(hù)渣電磁特性測量裝置及原理圖

過程在MoSi2高溫爐內(nèi)進(jìn)行,爐內(nèi)剛玉管直徑為80 mm,其恒溫帶長約60 mm,在爐管外側(cè)施加了高頻水冷銅感應(yīng)線圈,直徑為10 mm,匝數(shù)為5,Mo質(zhì)測頭旋轉(zhuǎn)速度為12 r/min。MoSi2高溫爐不僅起到加熱的作用,并提供了高頻感應(yīng)磁場,振蕩頻率設(shè)定為20 kHz。為確保試驗(yàn)結(jié)果的可靠性,高頻加熱爐底部的測溫元件與傳統(tǒng)無磁場條件下的MoSi2高溫爐為同一型號。

1.4試驗(yàn)過程

稱取350 g渣料放入高溫旋轉(zhuǎn)MoSi2高溫爐中熔化均勻,再放入電磁裝置中待測。然后將電磁裝置的高頻加熱爐調(diào)節(jié)頻率至18 kHz,保護(hù)渣升溫至1 300 ℃穩(wěn)定并保溫15 min。升高頻率,降低功率使保護(hù)渣在電磁裝置中處于降溫過程,并啟動(dòng)變溫測黏程序測定降溫過程中的黏度變化,同時(shí)微機(jī)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)開始記錄數(shù)據(jù),直到黏度變化幅度突然增大,鋼絲旋轉(zhuǎn)困難時(shí)測黏停止。以溫度(T)為橫坐標(biāo),黏度(η)為縱坐標(biāo),作η-T曲線圖,45°切線的切點(diǎn)所對應(yīng)的溫度就是電磁場條件下保護(hù)渣的轉(zhuǎn)折溫度。

2 結(jié)果與分析

2.120 kHz高頻電磁場下堿度R對流變性的影響

在本試驗(yàn)條件下(如圖2和表3所示),高頻電磁場下,保護(hù)渣堿度升高,黏度、黏流活化能和轉(zhuǎn)折溫度均增大。

圖2　電磁場下R對η-T曲線關(guān)系的影響

水平Arrhenius方程黏流活化能Eη/(kJ·mol-1)轉(zhuǎn)折溫度/℃R=0.9lnη=17169.363/T-11.783142.7461208R=1.0lnη=18042.727/T-12.307150.0071215R=1.1lnη=18594.614/T-12.631154.5961228R=1.2lnη=19078.821/T-12.905158.6211239

堿度升高,CaO含量相對增加,離解成為簡單的陰陽離子的數(shù)量逐漸增多,高頻磁場的作用使保護(hù)渣有序結(jié)構(gòu)狀態(tài)被打破,處于無序狀態(tài)的離子團(tuán)增加,受交流電磁力影響,這些離子團(tuán)更容易聚合在一塊,形成大結(jié)構(gòu)的離子團(tuán)。因此,施加高頻交流電磁場后,在一定范圍內(nèi)堿度越大,熔融保護(hù)渣分解的SixOyz-越多,SixOyz-不斷的聚合,隨著時(shí)間延長,聚合越來越明顯,黏度越來越大,黏流活化能也越大。

2.220 kHz高頻電磁場下Na2O對流變性的影響

在本試驗(yàn)條件下(如圖3和表4所示),高頻電磁場下,Na2O含量升高,保護(hù)渣黏度增大,黏流活化能增大,轉(zhuǎn)折溫度升高。

圖3　電磁場下Na2O對η-T曲線關(guān)系的影響

Na2O水平/%Arrhenius方程黏流活化能Eη/(kJ·mol-1)轉(zhuǎn)折溫度/℃6lnη=18637.916/T-12.745154.95612207lnη=19159.717/T-13.050159.29412258lnη=19683.606/T-13.346163.64912289lnη=20205.235/T-13.648167.9861232

熔融的保護(hù)渣中Na+和O2-可以使硅氧四面體的網(wǎng)絡(luò)鏈斷開,破壞硅氧四面體結(jié)構(gòu),使得離子團(tuán)變小。在電磁力作用下,小的離子團(tuán)更容易聚合在一起,形成大的離子團(tuán),離子移動(dòng)時(shí)所受到的阻力相應(yīng)增加,移動(dòng)困難,使保護(hù)渣的黏流活化能增大。黏流活化能是黏度的內(nèi)在量度,與黏度變化一致。而離子團(tuán)的增大使流動(dòng)越來越困難,黏度迅速發(fā)生突變,因此轉(zhuǎn)折溫度升高。

Na2O含量越高,提供Na+和O2-離子越多,電磁力的作用越明顯,故Na2O含量升高,保護(hù)渣黏度增大,黏流活化能增大,轉(zhuǎn)折溫度升高。

2.320 kHz高頻電磁場下MgO對流變性的影響

在本試驗(yàn)條件下(如圖4和表5所示),高頻電磁場下,MgO含量升高,保護(hù)渣黏度增大,黏流活化能增大,轉(zhuǎn)折溫度升高。

圖4　電磁場下MgO對η-T曲線關(guān)系的影響

MgO水平/%Arrhenius方程黏流活化能Eη/(kJ·mol-1)轉(zhuǎn)折點(diǎn)溫度/℃4lnη=19277.788/T-13.104160.27612175lnη=19788.899/T-13.401164.52512236lnη=20260.586/T-13.665168.44712267lnη=20635.254/T-13.873171.5621230

高頻電磁場會(huì)通過改變電勢和電子或離子的擴(kuò)散對保護(hù)渣結(jié)構(gòu)產(chǎn)生影響[8,9]。熔融狀態(tài)的保護(hù)渣中的MgO含量升高,在熔渣中帶入較多的O2-,破壞Si-O四面體網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu),減小陰離子團(tuán)的聚合度。電磁場條件下,電磁力使得這些離子團(tuán)更容易聚合在一塊,形成大結(jié)構(gòu)的離子團(tuán),熔渣中的空位數(shù)減少,離子質(zhì)點(diǎn)的遷移能力減小,黏流活化能升高,黏度增大,轉(zhuǎn)折溫度升高。

2.420 kHz高頻電磁場下CaF2對流變性的影響

在本試驗(yàn)條件下(如圖5和表6所示),高頻電磁場下，CaF2含量升高,保護(hù)渣黏度增大,黏流活化能增大,轉(zhuǎn)折溫度升高。

圖5　電磁場下CaF2對η-T曲線關(guān)系的影響

CaF2水平/%Arrhenius方程黏流活化能Eη/(kJ·mol-1)轉(zhuǎn)折點(diǎn)溫度/℃4lnη=21264.107/T-14.351176.79012365lnη=21751.652/T-14.613180.84312406lnη=22275.786/T-14.921185.20112447lnη=22861.275/T-15.249190.0691249

熔融狀態(tài)的保護(hù)渣中CaF2引入靜電勢較小而數(shù)量較多的F-,既能促進(jìn)CaO的熔解,還可以替代O2-破壞Si-O四面體網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu),減小陰離子團(tuán)的聚合度。CaF2含量升高,陰離子團(tuán)的聚合度度越低,離子團(tuán)越小,受到電磁力的作用,容易形成大結(jié)構(gòu)離子團(tuán),使黏度增加,黏流活化能增大,轉(zhuǎn)折溫度升高。

2.520 kHz高頻電磁場下BaO對流變性的影響

在本試驗(yàn)條件下(如圖6和表7所示),高頻電磁場下,BaO含量升高,保護(hù)渣黏度增大,黏流活化能增大,轉(zhuǎn)折溫度升高。

圖6　電磁場下BaO對η-T曲線關(guān)系的影響

BaO水平/%Arrhenius方程黏流活化能Eη/(kJ·mol-1)轉(zhuǎn)折點(diǎn)溫度/℃1lnη=18699.470/T-12.809155.46712192lnη=18933.913/T-12.897157.41712223lnη=19133.336/T-12.944159.07512254lnη=19427.285/T-13.140161.5181227

熔融狀態(tài)的保護(hù)渣中的Ba2+相比Ca2+,靜電勢小,離子狀態(tài)增加,對O2-的束縛力小,離解出的O2-活度更大,O2-較易破壞硅氧離子團(tuán),電磁場條件下,受到電磁力作用的離子團(tuán)更容易聚合在一起,形成更大離子團(tuán),加劇網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的復(fù)雜程度,使黏流活化能增大,黏度增大,轉(zhuǎn)折溫度升高。

3 結(jié)論

(1)在20 kHz高頻電磁場條件下,隨著本渣系中堿度、Na2O、MgO、CaF2及BaO的升高,保護(hù)渣黏度增大,黏流活化能增大,轉(zhuǎn)折溫度升高。

(2)黏度的變化與黏流活化能的變化一致,即黏度隨溫度的變化試際是黏流活化能隨溫度變化的宏觀表現(xiàn)。

(3)無論是Na2O、MgO、CaF2、BaO還是堿度的變化,都是通過改變其熔融狀態(tài)下的結(jié)構(gòu),破壞其硅酸鹽的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu),改變黏度和黏流活化能,從而達(dá)到改變流變性的作用。

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Influence of Compositions of Casting Powder on Its Rheological Property Under High-frequency Electromagnetic Field

ZHANG Yan-hui1, WANG Xing-juan2, ZHU Li-guang2, ZHANG Yan-ping2

(1.Yisheng College,North China University of Science and Technology,Tangshan Hebei 063009,China;2.Hebei Province Key Laboratory for Advanced Metallurgy Technology,College of Metallurgy & Energy,North China University of Science and Technology,Tangshan Hebei 063009,China)

high-frequency electromagnetic field; rheological property; casting powder; viscous flow activation energy; viscosity

The orthogonal experiment was designed. Through the casting powder electromagnetic characteristic measurement device, under the 20 kHz high-frequency electromagnetic field, the variation curves of viscosity of casting powder with temperature were measured. The viscous flow activation energy was also calculated and the relationship between the rheological property and the basicity and composition change of Na2O, MgO, CaF2and BaO was researched. It provides theoretical basis for the design of the casting powder of soft-contact electromagnetic continuous casting. The research results show that, under the 20 kHz high-frequency electromagnetic field, with the increase of basicity, and the increase of Na2O, MgO, CaF2and BaO content, the viscosity of casting powder increases, the viscous flow activation energy increases, the transition temperature rises.

2095-2716(2016)03-0031-07

TF777

A