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中频电磁软接触连铸技术的研究

王朝阳  
【摘要】:钢的电磁软接触连铸技术是通过在结晶器外施加交变电磁场来控制钢液的初始凝固过程来提高铸坯的表面质量,近年来该技术得到了广泛的研究,研究的焦点主要集中在高频电磁场下的软接触连铸技术。但是,由于高频电磁软接触电源和结晶器的制造难度大、造价高,高频交变磁场的致穿透性差,能量损耗高,对铸机电子设备的干扰大,工业推广困难等问题,提出了以中频电磁场代替高频磁场的电磁软接触连铸技术。研究和探讨电参数、结晶器结构参数和工艺参数条件下中频电磁软接触连铸结晶器内的磁场、流场、传热和凝固和弯月面行为变化规律,为后续工业用中频电磁软接触连铸技术的应用提供理论和技术支持。 本文在理论分析的基础上建立了中频电磁软接触连铸结晶器内的三维电磁场有限元模型,揭示了不同参数下结晶器内磁感应强度、电磁体积力、感生电流和焦耳热的三维分布规律。结果表明:在中频电磁场作用下,结晶器内沿拉坯方向上的磁场分量远大于铸坯径向和周向上的分量,铸坯中沿径向上电磁压力的分量要远大于其它两个方向上的分量,表明施加中频磁场具有与高频磁场相同的以电磁压力为主的磁场特性;沿拉坯方向上的磁场作用范围主要集中在线圈高度范围内,在线圈中心高度附近出现磁感应强度峰值,向结晶器两端迅速减小;当频率为2500Hz,电流强度为800A时,结晶器内最大磁感应强度达0.07261T,满足软接触技术的要求;结晶器切缝中心与分瓣体中心两处的磁感应强度分布趋势相同,分瓣体中心处的磁感应强度峰值相对较小;结晶器内磁感应强度随线圈电流强度的增加线性增加;随电源频率的提高,最大磁感应强度增加,增幅却在减小,结晶器内周向上磁感应强度的均匀性会逐渐变差;切缝宽度对结晶器内拉坯方向上的磁感应强度的分布影响不大,建议切缝宽度选择0.5~0.8mm;随着切缝数的增加,结晶器对中频磁场的屏蔽减小,钢液外表面的磁感应强度增大,但增幅逐渐减小;当分瓣数为8时,中频(2500Hz)电磁软接触连铸结晶器内周向上磁场的均匀度与高频磁场(20.5kHz)下分瓣数为12的结晶器内周向上的磁场均匀度相当;金属液面高度自线圈顶端向下移动时,钢液表面磁感应强度先增大后减小,在自由液面位于感应线圈中心高度位置时获得的磁感应强度最大,随着自由液面高度的下降沿拉坯方向上磁场分布不均匀性加大;随着线圈相对位置的下降,结晶器内沿拉坯方向上的磁场分布规律不变,但磁场作用的有效区域整体随之下降,最大磁感应强度也随之有所减小。 在连续介质模型基础上,建立了中频电磁软接触连铸结晶器内钢液流动、传热和凝固的耦合计算模型,揭示了不同参数下结晶器内钢液的流动和温度分布规律,结果表明:中频电磁场主要对弯月面区域的钢液有明显力的作用,使弯月面区域的流速加快,温度升高,初始凝固点位置略微下降,初始凝固壳厚度变薄,结晶器下端几乎不受电磁场的影响;自由表面上钢液流动速度按切缝、分瓣体中心反向对称分布,使自由表面产生凸凹变形;钢液纵截面内流动呈现双回流,较常规连铸结晶器在弯月面区域多产生一个由电磁力作用而产生的回流区;随电流强度的增大,结晶器内上部熔池的流体速度和温度增大,电源频率改变会影响钢液上部涡流区域速度的大小和方向,弯月面趋于平稳,自由表面三相点附近钢液的温度略有升高,提高电源频率有抑制自由表面波动的作用。 在数值计算的基础上,对φ100mm圆坯中频电磁软接触连铸结晶器内的电磁场分布、弯月面行为进行了实验研究,实验结果表明:圆坯中频电磁软接触结晶器内沿周向上的弯月面变形较均匀;在结晶器的分瓣体中心处和切缝处弯月面高度相当,分瓣体中心处的弯月面高度较切缝处稍低;随着电源功率增大,弯月面高度增大,但是弯月面波动逐渐加剧,初始凝固三相点的稳定性变差,不利于获得表面质量良好的连铸坯;在保证适宜弯月面高度的情况下,在2500Hz、30kW条件下,只需高频电磁软接触近一半的功率就能获得与之相当的弯月面高度,大幅节约能源;当初始液面在线圈中心位置时,弯月面的高度最大;当自由液位平行感应线圈顶端和底端时,弯月面的波动都相对较弱,液位越靠近感应线圈中心高度时波动越剧烈,偏离线圈中心高度后波动都会有所减弱;在拉坯过程中,采用合适功率时应将自由液面控制在线圈中心高度偏下附近,以在保障软接触效果的前提下达到节能的效果;随着频率的增加,弯月面的高度几乎成线性关系减小,但弯月面的波动减小,趋于稳定;且随着频率的增加,波动方差的衰减幅度减小。综合考虑结晶器内磁场强度的分布情况、弯月面高度和弯月面波动等情况,中频电磁软接触连铸适宜的频率为2500Hz。


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