电磁连铸系统磁场的数值模拟及试验研究

以电磁场理论为依据，建立了电磁连铸成型系统的物理和数学模型，用小线圈法实测了不同电源功率时系统内的磁场强度，得出了结晶器内磁场的分布规律；并且进行了铝合金电磁连铸的成型试验，研究了工艺参数对铸锭表面质量的影响；用有限元法数值模拟了感应线圈位置以及感应线圈与结晶器间距对成型系统内磁感应强度和分布的影响。结果表明：磁感应强度的最大值位于感应线圈的中心位置；感应线圈与结晶器间的距离增大，磁感应强度明显减小，5～10mm的间距对电磁连铸过程较为有利。研究结果表明合理设计电磁连铸系统有利于得到分布合理的磁场，提高电源效率，确定合理的工艺参数可以保证电磁连铸的顺利进行并有利于改善铸坯的内外部质量。     

励磁电流对结晶器内磁场和电磁力的影响

利用建立的软接触电磁连铸结晶器内三维电磁场计算数学物理模型,模拟分析了高频磁场励磁电流密度在2.2×106～1.32×10A/m2之间变化时,对结晶器内磁感应强度和钢液内电磁压力的影响.结果表明,提高励磁电流密度,可以有效地提高结晶器内初始凝固区域的磁感应强度和电磁压力,但同样会使钢液或铸坯表层的磁感应强度和电磁压力在同一高度的周向上分布的不均匀性增加,切缝附近明显高于分瓣体中心;同时励磁电流密度增加,电磁压力沿结晶器高度方向的变化梯度随之大幅度增加,均匀性下降.为保证铸坯质量,应控制励磁电流密度在合适范围内.     

圆坯电磁软接触连铸系统能耗和磁场特性的模拟

建立了电磁软接触连铸系统能耗分析模型,采用有限单元法,数值模拟了电磁软接触连铸结晶器内的磁场特性和系统功率分布,讨论了频率和线圈电流强度对磁场分布和系统功耗的影响。结果表明,在中间切缝结晶器连铸系统中有59%~65%的电能损失在了结晶器中;铸坯外表面纵向上的最大磁感应强度出现在液面以下5.5mm附近;结晶器内的磁感应强度与线圈电流成正比;在频率为10kHz~100kHz范围内,增加频率,结晶器内的磁感应强度逐渐降低;线圈电流强度不影响磁场的周向均匀性,在频率为20kHz时,磁场周向均匀性较好;系统能耗与线圈电流的平方成正比,频率增加,系统能耗显著增大,相同磁感应强度下,50kHz时所需系统功率为20kHz时的165%。对于178mm圆坯电磁软接触连铸系统,建议采用20kHz的频率。     

磁场均匀性对电磁软接触连铸坯表面质量的影响

针对圆坯电磁软接触连铸过程,建立了描述结晶器内三维电磁场分布的数学模型,研究了结晶器内磁场强度及其导出量的分布规律,并对高频磁场对铸坯表面质量的作用机理进行了初步分析。结果表明,由于结晶器上切缝的分布特点和金属集肤效应的影响,作用在软接触结晶器内部的磁感应强度沿径向、轴向和周向分布都不均匀。电磁力方向由钢液外表面指向液芯,线圈中心处电磁力最大,然后向两端迅速减小。焦耳热沿结晶器高度方向分布不均匀,在钢液自由表面附近,焦耳热最大并沿拉坯方向迅速减小。由于切缝周期对称的特点,电磁力、焦耳热在周向上也存在周期性对称的特点。     

切缝式软接触电磁连铸结晶器的冷却效果分析

模拟了切缝式软接触电磁连铸结晶器的冷却效果及内部钢液的凝固。结果表明：感应热在铸坯纵向上主要集中在切缝对应的位置。在径向上主要集中在约5mm厚的铸坯表层；施加感应热后，结晶器出口的凝固坯壳厚度减小约0．5mm，说明感应加热对铸坯冷却效果影响不大；高频磁场产生的感应热使结晶器热面温度提高了6K，结晶器冷面温度提高了3K，不会对结晶器的耐热强度造成较大的影响。     

磁场频率对软接触结晶器内磁感应强度分布的影响

采用ANSYS有限元软件对软接触电磁连铸结晶器内电磁场进行了三维数值模拟,分析了高频磁场频率在5～40 kHz变化对结晶器内磁感应强度分布的影响.结果表明,适当提高电磁场频率,可以提高结晶器内钢液的磁感应强度,但当频率高于20 kHz后,频率提高,磁感应强度提高不大;高频磁场频率变化对铸坯表面磁感应强度沿高度方向上的最大值所在位置影响不大,均出现在钢液面下5～6 mm处,但电磁场频率升高会使磁感应强度沿结晶器周向上的不均匀性增加,高频磁场频率以20 kHz为宜.     

激励线圈匝数对软接触结晶器内磁场和电磁压力的影响

通过建立软接触电磁连铸结晶器内电磁场计算的三维有限元数学模型,模拟分析了高频磁场激励线圈匝数在2～5匝变化,对切缝结晶器内磁感应强度和电磁压力分布的影响。结果表明,线圈匝数变化不会改变结晶器内磁感应强度和电磁压力的分布特征;沿结晶器高度方向上,磁感应强度和电磁压力都在钢液面下5～6 mm位置出现峰值;在周向上,切缝处的磁感应强度和电磁压力值高于分瓣体中心处。随线圈匝数增加,结晶器内磁感应强度和电磁压力的数值均明显增加,但其分布的不均匀性也随之加剧,因此线圈匝数存在最优值,取3匝或4匝是比较合理的。     

方坯软接触电磁连铸初始凝固区高频磁场的分布

通过实验检测和数值模拟方法研究结晶器切缝形式，弯月面位置以及感应线圈匝数等因素对坯软民磁连铸结晶器内高频磁场分布的影响，分析结果表明，采用通体切缝形式的结晶器具有比封闭切缝形式结晶器更好的透磁性，增加感应线圈匝数时，可增大高频磁场在铸坯初始凝固区的有效范围，当液态金属弯月面位于感应线圈上沿附近时，高频磁场地初始凝固区的有效作用范围较大，电磁压力分布的不均匀程度较大，有助于获得高表面质量的铸坯，通过拉坯实验获得了表面质量得到明显改善的Sn-10Pb合金铸坯。     

矩形软接触结晶器内磁场分布的实验研究

研究了不同条件下矩形软接触结晶器内的电磁场分布规律。结果表明，矩形软接触电磁连铸结晶器角部存在明显的磁场叠加现象；沿结晶器窄面的磁场分布比较均匀，而宽面上的磁场分布均匀性较差，通过合理布置切缝，可提高软接触结晶器内的磁感应强度和磁场分布的均匀性，宽面上的切缝应采用不均匀方式布置，可在宽面中心位置附近布置相对较多的切缝，在矩形软接触结晶器角部不布置切缝，磁感应强度的最大值出现在线圈中心偏上位置附近，随感应线圈上升，该最大值增大，其位置上移，将线圈靠近结晶器入口安装，有助于均匀周向磁场，在线圈中心位置附近的磁感应强度分布较均匀，实际浇铸过程中，应将液面控制在线圈高度中心与线圈顶端位置之间。     

两段式无缝软接触电磁连铸结晶器内的电磁场分布

通过有限元数值模拟,研究了两段式结晶器上半段长度、感应线圈的位置及液面位置对结晶器内部磁场的影响,分析了两段式结晶器的电磁场分布规律.结果表明:两段式结晶器的上半段越长或线圈位置越靠上,结晶器的透磁效果越好;液面位于线圈中心偏上20 mm时,内部磁场的作用效果最佳.在本研究条件下,两段式结晶器的透磁效果良好,磁感应强度主要集中在结晶器上半段钢液的弯月面区域.纵向磁场在结晶器上半段高度的范围内逐渐增强,在结晶器下半段高度的范围迅速衰减;周向磁场在钢液表面均匀分布;径向磁场由钢液表面向内部逐渐衰减.与切缝式结晶器比较,两段式结晶器内部磁场分布更均匀.     

高频电磁场对15CrMo连铸坯表面质量和等轴晶率的影响机理

采用小线圈法对结晶器内的磁场分布进行了测量,并对结晶器内磁场,电磁力和钢液流速分布进行了数值模拟.在实验室连铸机上进行了合金结构钢15CrMo的连铸实验,对连铸坯表面形貌进行了观察与分析.提出了高频电磁场对连铸坯质量影响的机理:施加高频电磁场后,保护渣通道拓宽,铸坯与结晶器壁间的渣道动压减小,有效地抑制了铸坯表面振痕的产生;受电磁场Joule热以及保护渣热阻增加的影响,已结晶同相的温度梯度减小,柱状晶生长受到抑制.此外,实验测量和数值模拟结果表明,由于磁场在拉坯方向分布不均匀,在弯月面区域形成上,下2个,,向相反的涡流,钢液环流造成固/液界面前沿液柑的温度梯度减小,有利于形成成分过冷而获得发达的等轴晶组织.     

软接触电磁连铸技术分析

运用数学解析的方法，对连铸软接触技术中若干电磁参数进行了理论分析，通过对电磁波在铜，钢水和充满钢水的铜结晶器内的衰减的分析，以及对电磁体积力的数学推导，确认了电磁力的大小取决于磁感庆强度沿径向衰减的快慢，即Bz对r的导数，当频率增加时，铸坯表面的电磁力增加，并向铸坯中心迅速衰减，电磁压力沿径向的分布弯月面的形状，一定结构的结晶器应选一个最佳频率，才能得到最大的电磁约束力。     

方坯软接触电磁连铸结晶器内钢液弯月面行为的热模拟

以低熔点Ｐｂ－Ｓｎ－Ｂｉ合金作为钢液模拟工质,对谐波高频磁场作用下,方坯软接触电磁连铸结晶器内钢液的弯月面行为进行热模拟的实验研究,通过录像手段记录高频磁场作用下非导电石英玻璃容器内液态金属的弯月面行为,并采用“浸镀法”测得不同实验条件下的弯月面形状,掌握了高频磁场作用下液态金属弯月面的波动特性及不同感应线圈实验参数对弯月面行为特征的影响效果,研究表明：方坯结晶器内高频磁场沿结晶器周向的不均匀分布     

软接触结晶器电磁连铸保护渣道的动态压力

通过模型实验，测量了在不同强度高频电磁场作用下液态金属弯月面形状，计算了保护渣道宽度及在结晶器振动一个周期内保护渣道动态压力变化情况．结果表明，高频电磁场能够显著减小保护渣道内动态压力的变化，这是软接触结晶器电磁连铸技术改善铸坯表面质量的一个可能机理．计算还表明，磁场强度的增加并不能无限制地减小保护渣道内动态压力，为获得最佳的铸坯表面质量，存在一个最合适的磁感应强度．     

软接触电磁连铸结晶器内磁场分布与弯月面行为

通过实验测试和数值模拟的方法研究两段式软接触电磁连铸无缝结晶器结构、线圈位置、电源功率以及弯月面位置等因素对结晶器内高频磁场分布的影响。并采用Sn作为钢液的模拟工质测量了不同实验条件下两段式结晶器内的弯月面高度。研究结果表明:两段式结晶器的透磁效果随着结晶器上半段厚度的减薄而提高;增加电源功率时,可以增大高频磁场在铸坯初始凝固区域的强度及作用范围,有利于弯月面的形成;线圈位置越靠上,越有利于磁感应强度透过结晶器,有助于弯月面高度的增大;当金属液面位于感应线圈高度中心与线圈顶端位置之间时,高频磁场作用于初始凝固区域的有效作用较强,可产生较大的电磁压力,有助于获得高表面质量的铸坯。     

EVOLVEMENT MECHANISM OF SURFACE OSCILLA- TION MARKS ON ROUND BILLET DURING SOFT–CONTACT ELECTROMAGNETIC CONTINUOUS CASTING

在实验室立式连铸机上对碳素结构钢Q235B进行了电磁软接触连铸实验,测量了结晶器内磁场分布和Sn--Pb--Bi合金熔体弯月面形状. 结果表明,采用电磁软接触连铸技术, 可以显著改善铸坯表面质量; 当电源功率达到最佳值时, 振痕完全受到抑制, 铸坯表面光洁; 但当电源功率过大时,铸坯表面出现波浪形振痕. 分析认为, 铸坯表面质量得到改善是高频电磁场的Lorentz力效应和Joule热效应共同作用的结果;当电源功率过大时, 分瓣结晶器 内的磁场分布不均匀,沿结晶器周向呈波浪形分布, 加之钢水液面波动也更加剧烈,因此在铸坯表面产生波浪形振痕.     

工业实验用电磁软接触结晶器结构参数研究

本文从工程应用的角度讨论了工业实验电磁软接触连铸结晶器结构参数对结晶器内部磁场的影响规律,进而确定工业实验结晶器结构参数范围:当分瓣数大于40时,最大磁感应强度随分瓣数增加的幅度不大;切缝宽大于0.8mm时,切缝宽度对磁感应强度影响不明显;缝长长于线圈两端各40 mm,就可解决结晶器铜管磁屏蔽问题.本文还发现若线圈外部存在良导电体部件,将会降低钢液表面磁感应强度达50%.