連鑄三維結(jié)晶器磁場分布的影響因素

連鑄三維結(jié)晶器磁場分布的影響因素

本文的第一部分描述了閉合電鉻管的數(shù)學(xué)和物理模型。同時(shí)，將金元方法的數(shù)值解與實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了比較，驗(yàn)證了數(shù)值模型和過程方法的準(zhǔn)確性。它類似于傳統(tǒng)的方潘晶體和圓形顆粒它是用分瓣式圓碗體為對象的，對晶體中的三維磁性磁體進(jìn)行了理論分析，并討論了不同參數(shù)對晶體中磁體磁體分布的影響。本文和文獻(xiàn)的區(qū)別在于，首先，研究的對象是方潘晶體，而本文是圓形顆粒。與文獻(xiàn)不同的是，前者的實(shí)驗(yàn)對象不是低溶劑金屬錫，而另一些則是工業(yè)生產(chǎn)的鋼液，并且本文中的參數(shù)高于一般參數(shù)。1磁感應(yīng)強(qiáng)度和電磁力的分布1.1鋼液表面磁場隨熱壓的變化情況電磁場分布對彎月面變形和結(jié)晶器內(nèi)的鋼液流動(dòng)、凝固影響很大,因此了解結(jié)晶器內(nèi)電磁場分布情況十分重要·由于結(jié)晶器的分瓣結(jié)構(gòu),結(jié)晶器切縫處與非切縫處透磁性不同,造成作用在鋼液表面磁場的不均勻,切縫處磁場強(qiáng)于分瓣體中心處磁場·由于鋼液對磁場的屏蔽作用,磁場主要集中在鋼液外表面,即集膚層深度范圍內(nèi)·磁感應(yīng)強(qiáng)度由鋼液外表面向內(nèi)部迅速衰減直至接近于零·鋼液的屏蔽作用減小了鋼液內(nèi)部的磁感應(yīng)強(qiáng)度,因此電磁力對鋼液產(chǎn)生的攪拌作用也相對減小,便于保持彎月面的穩(wěn)定·而在鋼液外表面磁感應(yīng)強(qiáng)度增強(qiáng)有利于增加磁場對彎月面的約束作用,有利于實(shí)現(xiàn)軟接觸·1.2均勻電磁力電磁力方向指向鋼液內(nèi)部,在鋼液上表面所受電磁力較大,向內(nèi)部迅速衰減·切縫處的電磁力明顯大于分瓣體處的電磁力·這說明鋼液受到約束力的大小也各不相同·在切縫處的金屬受到相對較強(qiáng)的電磁力作用,易使鑄坯表面產(chǎn)生凹陷,出現(xiàn)縱向波折缺陷,因此應(yīng)合理控制磁感應(yīng)強(qiáng)度在分瓣體和切縫處之間差別,達(dá)到均勻電磁力的作用·該電磁力克服鋼液產(chǎn)生的靜壓力,使鋼液被推離結(jié)晶器內(nèi)壁,形成弧形彎月面,使渣道變寬,有利于保護(hù)渣的滲流,并能夠改善鑄坯初始凝固坯殼與結(jié)晶器之間的潤滑條件·2模擬條件及模擬條件層次化l本文主要研究磁感應(yīng)強(qiáng)度在不同結(jié)構(gòu)參數(shù)、鋼液液面高度和電源參數(shù)變化下的變化規(guī)律,從而通過磁感應(yīng)強(qiáng)度來為研究電磁力和彎月面變化情況打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)·下文中所取|Bz|均為切縫中心處A點(diǎn)縱向路徑所得,模擬條件除文獻(xiàn)中表1和表2所示以外,建模高度為280mm,電流強(qiáng)度1200A,頻率為30kHz·2.1結(jié)晶器的切縫長度圖1為結(jié)晶器的切縫長度變化對|Bz|的影響·圖2為結(jié)晶器切縫長度與|Bz|max的關(guān)系·圖1,圖2是在保證結(jié)晶器的切縫中心,感應(yīng)線圈中心和鋼液上表面同等高度情況下,增加結(jié)晶器的切?縫長度·隨著結(jié)晶器的切縫長度的增加,|Bz|max也相應(yīng)增加,磁感應(yīng)強(qiáng)度在鋼液作用范圍增大·當(dāng)切縫長度達(dá)到一定長度時(shí),位于結(jié)晶器切縫處縱向上的磁感應(yīng)強(qiáng)度分量增加迅速·但這將導(dǎo)致結(jié)晶器強(qiáng)度降低,易發(fā)生漏鋼等工藝問題,因此在實(shí)際生產(chǎn)和實(shí)驗(yàn)中應(yīng)盡量采用部分切縫的結(jié)晶器·2.2切縫寬度對于磁異?？棙?gòu)的影響圖3為切縫寬度對|Bz|分布的影響,研究的切縫寬度范圍在0.3～1.1mm之間·從圖4可以看出,切縫寬度對鑄坯表面磁感應(yīng)強(qiáng)度有較大影響,在切縫處|Bz|隨著切縫寬度的增加而增強(qiáng)·|Bz|從0.3mm切縫寬度的0.0579T增加到1.1mm切縫寬度的0.08906T,增幅為53.8%·但是,實(shí)際生產(chǎn)應(yīng)用中,切縫寬度過大可引起結(jié)晶器強(qiáng)度降低,易產(chǎn)生漏鋼的危險(xiǎn)·減小切縫寬度可使磁場分布趨于均勻化,但切縫過窄,磁場衰減程度過大,將造成磁場能量的過多損失·因此,考慮實(shí)際鋼液的表面張力等情況,建議切縫寬度控制在0.5～0.8mm·2.3結(jié)晶器切縫數(shù)對磁異?？棙?gòu)的影響由圖5可見,在所模擬的切縫數(shù)目范圍(8～60)內(nèi),相同的電源頻率和電流強(qiáng)度下,切縫處|Bz|隨切縫數(shù)目的增加而明顯增加,但是隨著切縫數(shù)目的增加其增幅逐漸減少·從圖6可以看出在結(jié)晶器切縫數(shù)少于32時(shí)增幅相對較大,在結(jié)晶器切縫數(shù)多于32個(gè)后增幅相對較小·繼續(xù)通過增加切縫數(shù)來提高結(jié)晶器的透磁性,效果不再明顯·增加切縫數(shù)可以減小結(jié)晶器壁對磁場的屏蔽效果,有利于磁場分布的均勻化,但是,結(jié)晶器切縫數(shù)目的增加還會(huì)使結(jié)晶器結(jié)構(gòu)和冷卻系統(tǒng)復(fù)雜化,降低結(jié)晶器強(qiáng)度,且增加了鑄坯表面的縱向波折數(shù),所以從增加透磁性和保證結(jié)晶器強(qiáng)度兩方面考慮,切縫數(shù)應(yīng)有一個(gè)最佳值,視具體工藝條件而定·在本模型中認(rèn)為控制在32縫時(shí)效果較好·2.4結(jié)晶器壁厚的影響圖7,圖8為結(jié)晶器壁厚對|Bz|影響的示意圖·所研究的結(jié)晶器壁厚的變化范圍為10～19mm·從圖7,圖8可看出,隨著結(jié)晶器壁厚的增加,|Bz|在切縫處的值相應(yīng)減小·當(dāng)結(jié)晶器壁厚為19mm時(shí),|Bz|max為0.04384T;當(dāng)結(jié)晶器壁厚為10mm時(shí),|Bz|max為0.06131T·在所研究范圍內(nèi),結(jié)晶器壁厚每增加1mm,|Bz|減小約0.0019T·結(jié)晶器壁厚增加不利于磁場進(jìn)入結(jié)晶器內(nèi)部,因此,在保證結(jié)晶器強(qiáng)度基礎(chǔ)上應(yīng)盡量減小結(jié)晶器的壁厚·3感應(yīng)線圈中心位置的影響模擬條件為感應(yīng)線圈中心位置、結(jié)晶器切縫縱向中心位置在同一水平高度上進(jìn)行鋼液液面高度比較·圖9的液面高度標(biāo)注為鋼液自由液面距離結(jié)晶器頂部距離·如圖10所示,在感應(yīng)線圈中心位置(-165mm分布)的電流產(chǎn)生的磁場最強(qiáng),中心偏上位置(-125mm到-155mm分布)和偏下位置(-175mm分布)磁場都會(huì)有所衰減·當(dāng)鋼液位于線圈中心上方時(shí),|Bz|在鋼液上方的作用范圍隨著鋼液距離線圈中心位置的增大而相對增大·當(dāng)鋼液位于線圈中心下方時(shí),在研究范圍內(nèi)其磁感應(yīng)強(qiáng)度在縱向分量|Bz|磁場作用范圍最小·因此,應(yīng)使鋼液液面位于感應(yīng)線圈中心位置從而節(jié)約能量,提高生產(chǎn)效率·4感應(yīng)線圈內(nèi)電流強(qiáng)度的影響從圖11可以看出切縫處|Bz|隨感應(yīng)線圈內(nèi)電流強(qiáng)度的增加而增加·而|Bz|與感應(yīng)線圈內(nèi)安匝數(shù)呈線性增加,安匝數(shù)為線圈匝數(shù)與單線圈電流強(qiáng)度的乘積·隨著感應(yīng)線圈內(nèi)電流強(qiáng)度的增加,相應(yīng)產(chǎn)生的電磁場和鋼液內(nèi)部由于集膚效應(yīng)產(chǎn)生的感應(yīng)電流強(qiáng)度也將增加,進(jìn)而在結(jié)晶器內(nèi)部鋼液表面受到的電磁力也將隨著感應(yīng)線圈電流強(qiáng)度的增加而增加·電磁力的加強(qiáng),對結(jié)晶器內(nèi)壁的鋼液的推離作用增強(qiáng),彎月面高度增加,三相點(diǎn)位置下移,渣道變寬,這有利于保護(hù)渣的滲流和改善初始凝固坯殼的潤滑條件·然而,隨著電流強(qiáng)度的增加,使得電磁力對內(nèi)部鋼液的攪拌作用增強(qiáng),易造成彎月面的波動(dòng)增強(qiáng),不利于鑄坯表面質(zhì)量的改善·因此,在實(shí)際生產(chǎn)中應(yīng)合理施加感應(yīng)線圈的電流強(qiáng)度·5結(jié)構(gòu)參數(shù)的影響以實(shí)際鋼液作為介質(zhì),系統(tǒng)地?cái)?shù)值模擬了電磁軟接觸電磁連鑄圓坯結(jié)晶器內(nèi)的磁