高頻電磁場改善連鑄坯質(zhì)量機理及其工業(yè)化應用研究.pdf

1、電磁軟接觸連鑄技術是一項新型的高效連鑄技術，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)過表面清理即可進行軋制。采用該技術，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)磁場分布、高頻電磁場作用下的彎月面行為、高頻電磁場對鋼液的作用效果及機理等若干關鍵問題，為電磁軟接觸連鑄工業(yè)實驗的成功實施提供了有力保障;此外，本文還介紹了工業(yè)實驗的部分結(jié)果。
　　首先，本文采用理論推導的方法，研究了空載線圈中的磁場分布和

2、時諧電磁場在鋼液中的傳播特性，提出三點假設，推導了結(jié)晶器內(nèi)鋼液受到的電磁力和電磁壓力的數(shù)學表達式。理論分析結(jié)果表明，空載線圈內(nèi)空間某點的磁感應強度除了與該點的空間位置和線圈電流有關外，還與感應線圈的結(jié)構(gòu)參數(shù)（半徑、螺距和匝數(shù)）有關;時諧電磁波在鋼液中沿傳播方向呈指數(shù)關系衰減;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指數(shù)衰減，磁場頻率越高，衰減得越快。對彎月面方程的分析表明，彎月面高度取決于三相點（鋼液、保護渣和結(jié)晶器壁三者的

3、交點）處的電磁壓力、鋼渣界面張力及兩者的密度差;彎月面的縱坐標可以通過彎月面高度和橫坐標計算求得;當去除電磁壓力項時，彎月面方程可簡化為Bikerman方程。通過修正積分范圍，推導出在電磁場作用范圍內(nèi)鋼液內(nèi)產(chǎn)生的焦耳熱的表達式。由焦耳熱的表達式可知，磁場頻率越高，焦耳熱越大。因此，在實際應用中，磁場頻率不宜過高，否則可能導致焦耳熱過大，不利于等軸晶的形成。
　　其次，采用電磁感應法（小線圈法）測量了電磁軟接觸結(jié)晶器內(nèi)磁場的分布。測

4、量結(jié)果表明:
　　(1)沿拉坯方向，結(jié)晶器內(nèi)磁場主要集中在感應線圈與負載的共有區(qū)域，并呈現(xiàn)中間大兩頭小的分布規(guī)律，磁感應強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強度大于相鄰分瓣體中心處的磁感應強度。
　　(2)電源功率增大，結(jié)晶器內(nèi)的磁感應強度隨之增大，而結(jié)晶器周向的磁場均勻性變差。
　　(3)磁場頻率越大，結(jié)晶器內(nèi)各點的磁感應強度越小;當磁場頻率大于40 kHz時，磁場頻率對磁

5、感應強度峰值的影響較小。
　　(4)感應線圈安裝位置改變，結(jié)晶器內(nèi)磁場分布曲線隨之同步移動;當感應線圈中心與結(jié)晶器切縫中心和負載表面處于同一高度時，磁感應強度峰值達到最大。在實際應用中，感應線圈中心、結(jié)晶器液位應該調(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低熔點合金為實驗材料替代鋼液，采用浸鍍法測量了高頻電磁場作用下彎月面的形狀。
　　測量結(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，三相點降低，彎月面與結(jié)晶器壁面的接觸角減小。
　　(2)感應線圈和合金液位控制在由磁場測量結(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行電磁軟接觸連鑄實驗。以鋼液為實驗材料進行對照實驗，觀察到類似的實驗現(xiàn)象。因此可以認為采用更安全、更易

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

8、鑄實驗。
　　實驗結(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，連鑄坯表面振痕減少;當電源功率為最佳值時，連鑄坯表面振痕完全消除;當繼續(xù)增加電源功率時，鑄坯表面出現(xiàn)波浪形振痕。
　　理論分析結(jié)果表明:
　　(1)高頻電磁場改善鑄坯表面質(zhì)量主要有兩個方面，其一為洛侖茲力效應，其二為焦耳熱效應。
　　(2)當電源功率過大時，電磁結(jié)

9、晶器內(nèi)周向磁場分布不均，導致初始凝固起始點沿結(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，在寶鋼連鑄機上成功實施了電磁軟接觸連鑄工業(yè)實驗。其中，實驗材料為低合金鋼（含碳量為0.18％），磁場頻率為16.6 kHz。采用激光位移傳感器測量了連鑄坯表面振痕的深度，并用冷酸蝕檢驗法檢驗了連鑄坯的低倍缺陷。實驗結(jié)果表明，采用