圆坯电磁软接触连铸结晶器内弯月面变化规律的研究

圆坯电磁软接触连铸结晶器内弯月面变化规律的研究

在连通式制造器外，应用交流磁体的闭合总裁制电流溶液是一种新的金属形成方法。Vives提出了电磁软接触连铸技术。软接触电磁连铸是利用交变磁场产生的电磁压力将钢液推离结晶器内壁,形成弯月面,实现钢液和结晶器的软接触状态,从而实施钢的电磁连铸的实用技术。近年来的一些研究已经表明,用这种新的连铸方法获得的铸坯较传统连铸得到的铸坯在表面质量和内部组织上有明显改善。目前,钢的电磁软接触技术研究主要集中在高频电磁场下的电磁软接触连铸研究,但是由于高频电磁场下的集肤效应显著,使高频电磁场的渗透能力较弱,难以克服结晶器的屏蔽而作用到钢液上,与此同时使磁场能绝大部分消耗在结晶器上,从而大大增加了能耗;此外高频磁场对铸机周边相关电子设备的干扰比较严重,严重时影响设备的正常工作。针对以上高频电磁场软接触连铸技术的不足,本文中提出了中频电磁软接触连铸技术,并对此项技术做了相关基础研究。电磁软接触连铸过程中,对冷坩埚式结晶器内部的磁场分布和弯月面行为的研究最为重要,这也是当前研究的热点,合理的控制结晶器内部的磁场分布和弯月面行为对提高铸坯质量十分重要,国内外许多学者对此做了大量的研究。由于钢的熔点高,实验难度大,所以用低熔点合金Sn-32%Pb-52%Bi作为钢液的模拟介质进行静态热模拟实验,对不同工艺参数和电参数下圆坯软接触分瓣体结晶器内的弯月面形状进行实验研究。1实验条件与参数实验采用通体切缝铜质结晶器,采用密度及其相关性质与钢液相差不大的低熔点合金Sn-32%Pb-52%Bi来模拟钢液对电磁软接触结晶器内弯月面行为进行实验研究,实验条件与参数见表1。测试弯月面的方法通常有四种,分别是:浸镀法、烧痕法、探针法和激光测位法。其中浸镀法简单易行,读取数据方便,因此,本实验采用浸镀法来记录相应参数下弯月面的形状。浸镀法是指将金属片浸入到交变磁场作用下的液态熔融金属中,高温液态合金和金属片之间发生轻微合金反应并且粘附其上,从而获得弯月面形状的方法。圆形结晶器为对称结构,故只取结晶器的任意一分瓣体和一切缝作为研究区域。如图1所示,分别选取结晶器分瓣体中心处和切缝处作为实验时的测试位置。2结果与分析2.1月面形状的变化图2是当工作频率为2500kHz、电源功率为30kW、低熔点合金自由表面与线圈中心高度位置平齐,即自由液面距离结晶器顶端距离h=-90mm(结晶器顶端位置规定为h=0,弯月面位置在结晶器顶端以下时规定为负)时分瓣体中心处与切缝处的弯月面形状。从图2中可以看出,圆坯中频电磁软接触结晶器内沿周向上弯月面的变形具有均匀性。在结晶器的分瓣体中心处和切缝处弯月面高度相当,分瓣体中心处弯月面高度较切缝处稍低,切缝处的弯月面最大高度为22.18mm,分瓣体中心的弯月面最大高度为21.47mm,这一高度足以满足软接触电磁连铸的要求,并且在此两处的弯月面形状轨迹基本相同,这与中频电磁场下结晶器内电磁场的此时结果是吻合的。在中频电磁场作用下,结晶器内周向上磁感应强度分布比较均匀,分瓣体中心处磁感应强度较切缝处稍弱,占切缝处的99%;由于磁场的均匀,因而沿结晶器周向上的电磁压力分布也比较均匀,从而使得弯月面在周向上的高度相当,切缝处与分瓣体中心处差别不大,当电磁参数发生改变时,该弯月面分布规律不变,因此,在下面分析中将都以分瓣体中心处的弯月面分布情况作为描述对象。2.2高频电源功率的影响图3所示为电源频率为2500Hz、自由液面位置位于线圈中心高度(-90mm)时弯月面随电源功率的变化而变化的情况。电源功率对弯月面高度的影响是较为明显的,从图3可以看出,结晶器内熔融低熔点合金弯月面随着功率变化具有一定规律。弯月面靠近结晶器内壁有一个特殊的三相界面称之为三相点,三相分别是金属液、保护渣和结晶器铜壁,随着电源功率增大,弯月面高度增大,熔融金属被推离结晶器内壁的程度增大,三相点位置逐渐下移,导致保护渣渣道变宽,同时提高了保护渣的消耗量,改善了铸坯的初始凝固过程,提高了铸坯质量。这主要是由于功率的增大引起了激励电流的增大,最终导致电磁压力的增大,提高了弯月面的高度,但是实验发现随着电源输出功率的逐渐增大,弯月面波动加剧,弯月面的稳定性变差,使三相点的初始凝固环境恶化,不利于获得表面质量良好的连铸坯,这与高频电磁软接触连铸结晶器内弯月面形状变化规律是一致的。因此,在实际的生产中,要获得表面质量良好的连铸坯就必须选择合适的高频电源的输出功率。同时,当功率过大时,还会引起吨钢综合能耗的增大,不利于节能。从弯月面的变形来看,在保证适宜高度的情况下,相对于频率为2500Hz可将功率控制在30kW左右,当频率增加时,需要适当的增加功率。2.3初始市场在圈中心和底端中心h图4所示为频率为2500Hz、功率为30kW时,初始液面位置分别位于结晶器内5个不同位置时在结晶器器内分瓣体中心处测得的弯月面分布情况,这5个位置分别是自由液面平行线圈:顶端(h=-30mm);上部中心(h=-60mm);中心(h=-90mm);下部中心(h=-120mm)和底端(h=-150mm)。在实验过程中其他参数保持不变的情况下,当初始液面在线圈中心位置时(-90mm),弯月面的高度最高(见图4)。在该位置上,从结晶器切缝处进入结晶器内的磁场、从结晶器口部进入结晶器内的磁场、以及结晶器内熔融金属感应出的磁场的综合效果最佳。此时,熔融金属被推离结晶器内壁的程度最大,保护渣渣道最宽,软接触效果最好。因此,在实际的实验中,对于中频圆坯电磁软接触连铸,钢液面的初始位置应该控制在线圈中心附近位置,此时,可获得较大的电磁力,同时使磁场得到充分利用,从而在获得良好铸坯表面质量的同时,实现节能目的,因此在做拉坯实验时应当将自由液面控制在感应线圈中心高度附近。2.4hz和1.2hz时,三相点分布随频率变化的特征当高频电源的频率发生变化时,弯月面的形状相应发生变化。图5为在电源功率为30kW、自由液位位于感应线圈中心高度位置(-90mm)时不同电源频率时的弯月面高度。当频率分别为5000Hz、3500Hz、2500Hz和1000Hz时,其弯月面最大高度几乎成线性关系减小,见图6。这说明对于实验使用的可调频电源而言,当频率提高其他工艺参数不变时,弯月面高度减小,三相点位置升高,接触角减小,其保护渣渣道变小。这是由于当高频电源频率增大时,等效于系统的总感抗发生了变化。通过对线圈电流的测试表明,这引起了感应线圈内激励电流的变化,从而影响到熔融金属弯月面的变化。随着频率的增加,弯月面区域的波动减小,这是因为随着频率的增加集肤层厚度随着减小,电磁搅拌力量减弱,电磁压力增大,弯月面就越趋于稳定。因此,针对本实验中使用的中频电源而言,在综合考虑弯月面高度和弯月面的稳定性前提下,在本研究中选择频率2500Hz时较为合适,在达到软接触效果的同时,起到了节约能源的作用。3电源功率的影响(1)圆坯中频电磁软接触结晶器内沿周向上弯月面的变形具有均匀性。在结晶器的分瓣体中心处和切缝处弯月面高度相当,分瓣体中心处弯月面高度较切缝处稍低。(2)随着电源功率增大,弯月面高度增大,但是随着电源输出功率的逐渐增大,弯月面波动加剧,弯月面的稳定性变差,使三相点的初始凝固环境恶化,不利于获得表面质量良好的连铸坯,在保证适宜高度的情况下,相对于频率为2500Hz,在本研究的工况下将功