1、重鋼150mm x150mm方坯結(jié)晶器電磁攪拌磁場(chǎng)測(cè)試與參數(shù)優(yōu)化研究周亮二 唐萍'，文光華'，李永祥1周遠(yuǎn)華彳(1.重慶大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，重慶400030； 2.重慶鋼鐵股份有限公司，重慶400084)摘要：對(duì)巫鋼小方坯結(jié)晶器電磁攪拌磁場(chǎng)進(jìn)行了測(cè)試實(shí)驗(yàn)。分析了其磁場(chǎng)特性，總結(jié)了磁場(chǎng)隨電流與頻率的變化規(guī) 律及磁場(chǎng)的空間位置分布特點(diǎn)。并計(jì)算出工作溫度下理論最佳攪拌頻率為4脫。通過(guò)鑄坯質(zhì)量分析，認(rèn)為70鋼最 佳電流強(qiáng)度為360a。關(guān)鍵詞：結(jié)晶器電磁攪拌磁場(chǎng)特性電磁力 優(yōu)化research on magnetic field in m-ems and parametersopti

2、mization for 150mmx 150mm billets at cisczhou liang1, tang ping1, wen guang-huali yong-xiang2,zhou yuan-hua2(1.college of materials science and engineering, chongqing university, chongqing 400030; 2. chonnqing iron and steelco ltd, chonnqing 400084, china)abstract: the magnetic field of in-mold elec

3、tromagnetic stirrer(mems) was meatured in chongqing iron & steel company relation between magnetic field characteristic and current and, frequency and z direction in the mold was analyzed. and optimum frequency under working temperature was also figured out. depending on quality analysis of cast

4、ing billets, the optimum stirring intensity is 360a for 70 steelkey words: mold; electromagnetic stirring; magnetic field characteristic; electromagnetic force; optimization1引言電磁攪拌是改善鑄坯內(nèi)部組織和表面質(zhì)量的一種重要的方法，也是連鑄高拉速的一個(gè)重要保證。英原理就是在 連鑄結(jié)晶器內(nèi)安裝一套電磁感應(yīng)線圈，通過(guò)電磁感應(yīng)實(shí)現(xiàn)能量無(wú)接觸轉(zhuǎn)換，將電磁能轉(zhuǎn)換為鋼水的旋轉(zhuǎn)動(dòng)力，推動(dòng) 鋼水旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，改善鋼水凝固組織，提高連鑄坯質(zhì):f

5、t。重鋼煉鋼廠在1#、5#方坯連鑄機(jī)上雖已實(shí)現(xiàn)了結(jié)晶器電磁攪拌工藝技術(shù)，但隨著1#、5#鑄機(jī)品種數(shù)量增加， 產(chǎn)最擴(kuò)大，拉速進(jìn)一步提高，現(xiàn)有的電磁攪拌工藝參數(shù)能否滿足碳結(jié)鋼、合結(jié)鋼等鋼種鑄坯質(zhì)竜要求，在不同鋼種、 鋼液過(guò)熱度、拉速、鑄坯斷面條件下，電磁攪拌強(qiáng)度如何少鑄坯質(zhì)量良好配合，更好地滿足鑄坯質(zhì)量要求，都冇待 進(jìn)一步研究。本實(shí)驗(yàn)對(duì)結(jié)晶器電磁攪拌150m mx 150mm方坯的磁場(chǎng)進(jìn)行了測(cè)試，其目的是為電磁攪拌工藝參數(shù)的正確設(shè) 定，提供理論依據(jù)。2實(shí)驗(yàn)方法木次試驗(yàn)針對(duì)斷面150mmx 150mm的結(jié)晶期銅套中心軸線及銅套內(nèi)壁面中心線的磁感應(yīng)強(qiáng)度值進(jìn)行測(cè)量。重鋼 小方坯連鑄機(jī)電磁攪拌裝置安裝位置

6、如圖1所示。測(cè)試采用的主要儀器是kanetec tm- 601高斯計(jì)。其工作原理是 利用霍爾效應(yīng)將磁場(chǎng)轉(zhuǎn)換為電動(dòng)勢(shì)。本次實(shí)驗(yàn)還自制了帶刻度的探頭定位桿。參考電磁攪拌設(shè)備廠提供的攪拌工藝 數(shù)據(jù)以及重鋼現(xiàn)場(chǎng)電磁攪拌生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)，頻率和電流選取方案如表1所示。其中電流與頻率共28個(gè)組合水平。圖1重鋼方坯連鑄機(jī)電磁攪拌裝置安裝示意圖fig. 1 schematic of electromagnetic stirring device for bi ilets caster at cisc表1電流與頻率選取水平tabdifferent values of frequency and current dens

7、ity selectedfrequency/iiz33.544.555.56currcnt/a2503003504003測(cè)試結(jié)果及分析3.1空間位置與磁場(chǎng)的關(guān)系2004006008001000距結(jié)晶器頂端距離/mm:(!200o)08(006004002()()()()000000距結(jié)晶器頂端距離/mml oo0 8 6 4 2圖2磁感應(yīng)強(qiáng)度沿結(jié)晶器中心軸線的分布規(guī)律圖3中心與壁面磁感應(yīng)強(qiáng)度對(duì)比f(wàn)ig.2 magnetic induetion dens ity a long mo id fig.3 compar i son of magnetic induct i on density bet

8、ween center and surface at z di rection在相同頻率(4hz),不同電流強(qiáng)度條件卞，中心及壁面磁感應(yīng)強(qiáng)度沿結(jié)晶器縱向的分布如圖2和圖3所示。由圖2 及圖3可知，屮心及壁面磁感應(yīng)強(qiáng)度在空間位置上的分布規(guī)律不隨電流的變化而變化。隨電流的增加，各點(diǎn)磁感應(yīng)強(qiáng) 度増大。在結(jié)晶器不同深度位置,離攪拌器中心位置附近處的磁感應(yīng)強(qiáng)度比兩端位置相應(yīng)處的磁感應(yīng)強(qiáng)度要大，即有“中 間大，兩頭小”的規(guī)律。磁場(chǎng)在結(jié)晶器中軸向的分布規(guī)律可以從公式(1)中得到解釋.在不同深度處結(jié)晶器壁而的 bo可以表達(dá)為z z o心二弘喰 exp（尸 in 2（1）1/2b0.max是磁感應(yīng)強(qiáng)度b在zma

9、x處的最大值，zmax是b為最大值時(shí)結(jié)晶器小的位置。如2為b等于目川涿的一半時(shí)高斯 輪廓線寬度。從圖2中還可以看到在距結(jié)晶器頂端loonrni高度以上及距底端100mm以下，磁感應(yīng)強(qiáng)度均小于100gs,僅為最大攪 拌區(qū)磁感應(yīng)強(qiáng)度的5%10亂從圖3屮看出，在同一電流強(qiáng)度條件下，在結(jié)晶器兩端及磁感應(yīng)強(qiáng)度較弱的區(qū)域，壁面處磁感應(yīng)強(qiáng)度值與中心處 的值幾乎相等。在磁感應(yīng)強(qiáng)度強(qiáng)的軸向中心區(qū)域壁面處磁感應(yīng)強(qiáng)度值比對(duì)應(yīng)中心處的略人，且隨著電流的增人，即 磁感應(yīng)強(qiáng)度的增大，壁面與中心的磁感應(yīng)強(qiáng)度之間的差值也在增大。3hz3.5hz120018006004004hz4.53.2電流強(qiáng)度與磁場(chǎng)的關(guān)系5.56hz0

10、250 300 350 400電流強(qiáng)度/a圖4電流強(qiáng)度對(duì)磁感應(yīng)強(qiáng)度的影響f i g.4magnetic induct i on dens i ty versus cur rent dens i ty由圖4可知，磁感應(yīng)強(qiáng)度隨電流強(qiáng)度的増大而増大.據(jù)資料報(bào)道“切在某一電流范圍內(nèi)，電流越大，攪拌力也越 大,等軸晶率也相應(yīng)增加。但是當(dāng)電流增加到某一值后，等軸晶率便趨于飽和，不再隨電流的增加而增加，此時(shí)即為電 磁攪拌所需的最佳電流。電流強(qiáng)度過(guò)小不能夠滿足攪拌工藝的要求，過(guò)大會(huì)使攪拌線圈使用壽命降低。所以要選擇合 適的電流強(qiáng)度。3.3頻率與磁場(chǎng)的關(guān)系圖5為電流頻率對(duì)磁感應(yīng)強(qiáng)度的影響。從圖5中可看出，隨電流

11、頻率的增加，磁感應(yīng)強(qiáng)度降低。這是因?yàn)榻Y(jié)晶 器銅套對(duì)交變磁場(chǎng)有強(qiáng)的屏蔽作用。電流越人，屏蔽效應(yīng)越強(qiáng)。所以結(jié)晶器電磁攪拌一般選用低頻電源。上0、«映<3®型l=250a1 1i二300+4.5iv5.56圖5頻率對(duì)磁場(chǎng)的影響fig.5 magnetic induction density versus frequency3. 4空間位置與電磁攪拌力的關(guān)系山圖6可知，電磁力的軸向大小分布特征與磁感應(yīng)強(qiáng)度沿結(jié)晶器中心軸線的分布規(guī)律大致相同。針對(duì)重鋼攪拌 器電流強(qiáng)度可調(diào)范圉而言，在主攪拌區(qū)域，當(dāng)電流強(qiáng)度大于350a后，隨著電流強(qiáng)度的增大，電磁力增加幅度明顯 降低。所以當(dāng)電流強(qiáng)度

12、大于350a后，在電流頻率一定時(shí)，增加電流強(qiáng)度對(duì)電磁攪拌強(qiáng)度的影響微弱。電磁攪拌的實(shí)質(zhì)是借助在鑄坯液相穴中感應(yīng)生成的電磁力強(qiáng)化鋼水的運(yùn)動(dòng)，由此強(qiáng)化鋼水的對(duì)流、傳熱和傳質(zhì) 過(guò)程，從而控制鑄坯的凝固過(guò)程。決定攪拌效杲優(yōu)劣的不是磁感應(yīng)強(qiáng)度的大小，而是鋼液旋轉(zhuǎn)速度的大小。旋轉(zhuǎn)速度的大小乂和電磁力切向分量的大 小有關(guān)。由于電磁攪拌屮鋼水的流動(dòng)速度主要由電磁力決定，由此在設(shè)計(jì)攪拌器時(shí)，針對(duì)不同斷面和不同鋼種都是 以凝固前沿的電磁力為設(shè)計(jì)指標(biāo)。所以研究電磁力的大小和分布規(guī)律是電磁攪拌技術(shù)研究的一個(gè)非常巫要的方面。 根據(jù)電磁切向力計(jì)算公式1 ?fo = b()crcor(2)傷一電磁力切向分量,n/m；i;&

13、amp;一熔體表呦的磁感應(yīng)強(qiáng)度,t;o 鋼液電導(dǎo)率,s/m;u 一磁導(dǎo)率,h/m;3線圈電流角頻率，3二2兀£ ;r徑向位移,m;分析可得，在同一空間位置上，傷與成正比。所以可通過(guò)測(cè)量磁感應(yīng)強(qiáng)度值來(lái)計(jì)算電磁力以及攪拌強(qiáng)度的大7000600050004000300020001000015()35055075()950距結(jié)晶器頂端距離/nunl=250a興l=400al=300aa l=350a圖6電磁力的軸向大小分布fig.6 time-average lorentz force prof i ie along the mold3.5電磁攪拌力與電流頻率的關(guān)系圖7反映的是距結(jié)晶器頂端5

14、00i価處，即電磁攪拌力最人位置處電磁力與頻率的關(guān)系。由圖7可得，在一定的電流 強(qiáng)度下，電磁力隨頻率的增加，先增大后減小。這是因?yàn)榻Y(jié)晶器內(nèi)的磁感應(yīng)強(qiáng)度受電流頻率所制約。為了使結(jié)晶器 內(nèi)磁感應(yīng)強(qiáng)度增大，希望電流頻率變小，但當(dāng)頻率太小吋，電磁攪拌力不會(huì)出現(xiàn)最大值。所以最佳頻率的選擇是綜合考慮這兩方而因素的結(jié)果。在需相同電磁力吋，使用最佳頻率可使所耗電流強(qiáng)度降低，從而有利于降低攪拌所需 的功率。6.57(筆、n)、qm0 叵呂ksffi1250a300a35oa400a圖7電磁攪拌力與頻率的關(guān)系fig.7 time-average lorentz force versus frequency由此在一

15、定的電流強(qiáng)度下，要獲得最大的電磁攪拌力，需有-最佳頻率的選定。曲圖7可得，150x150斷面在 常溫下（25°c）的合適頻率為3.5hz。3. 6工作溫度下最佳頻率的選擇熔池形成攪拌強(qiáng)度的人小常用攪拌強(qiáng)度來(lái)反映。攪拌強(qiáng)度與磁感應(yīng)強(qiáng)度、頻率有公式（3）的關(guān)系。(3)b為熔體表面的磁感應(yīng)強(qiáng)度,t; f-為勵(lì)磁頻率,iiz;33.544.555.56頻率/hz圖8頻率與攪拌強(qiáng)度bf 的關(guān)系(h=500mm)fig.8 re lation between b f 0 5 and frequency (h二500mm)在實(shí)際生產(chǎn)中，熔體表回的磁感應(yīng)強(qiáng)度b,應(yīng)是工作溫度下的值。該研究測(cè)定的表血磁

16、感應(yīng)強(qiáng)度為常溫條件。 研究表明，當(dāng)結(jié)晶器材質(zhì)的電導(dǎo)率雖溫度升高而增加時(shí)，磁感應(yīng)強(qiáng)度的衰減減少。因此在工作溫度下的最佳攪拌 頻率將向較高的值變化。磁感應(yīng)強(qiáng)度按指數(shù)函數(shù)衰減，如公式（4）所示b =jt屮b磁感應(yīng)強(qiáng)度弘一磁極芯部磁感應(yīng)強(qiáng)度“一真空導(dǎo)磁系數(shù)0電導(dǎo)率f 電流變化頻率x衰減位移該研究利用測(cè)定常溫時(shí)的磁感應(yīng)強(qiáng)度，通過(guò)（4）式溫度對(duì)電導(dǎo)率的影響值，則可得出實(shí)際工作溫度（150°c） 下的磁感應(yīng)強(qiáng)度值。由公式（3）、（4）可得出，工作溫度（150*0條件下的頻率與攪拌強(qiáng)度的關(guān)系如圖8所示。通過(guò)利用磁場(chǎng)隨溫度變化的衰減規(guī)律，根據(jù)實(shí)測(cè)磁場(chǎng)數(shù)據(jù)可計(jì)算出工作溫度下頻率與磁場(chǎng)衰減的關(guān)系。由圖8

17、分析可得，最佳頻率應(yīng)在4脫附近。4結(jié)晶器電磁攪拌對(duì)連鑄坯質(zhì)量的影響圖9為70鋼碳偏析鉆樣位置示意圖。圖中標(biāo)號(hào)4為鑄坯中心位置。70鋼鑄坯碳偏析計(jì)算結(jié)果如表2所示。當(dāng) 澆注溫度和拉速基本控制在正常工作條件下，針對(duì)70鋼，在不同電磁攪拌電流強(qiáng)度條件下，每爐每流均在第4或5 支連鑄壞上取樣。用于鉆樣分析碳含屋檢驗(yàn)實(shí)驗(yàn)。共試騎3爐鋼。每流攪拌參數(shù)如表3所示。150圖9 70鋼碳偏析分析鉆樣取樣示意圖fig.9 schematic of samp ie pos i tion of central segregation for 70 steei表270鋼鑄坯碳偏析分析結(jié)果centrai segregat

18、ion in continuous casting bi i iet for 70 steei爐號(hào)流號(hào)/23456789x屮心 碳偏 析度10.710.740.730.770.720.730.700.710.730.7231.0620.700.740.730.850.710.740.700.700.710.73116644749930.700.710.730.840.750.740.690.730.700.7321540.700.730.700.760.740.740.690.720.710.7211.0550.690.730.720.690.7()0.720.700.730.700.7090

19、.9710.700.720.730.750.760.730.690.700.720.7221.0620.710.730.740.800.710.730.700.720.710.72816644750030.690.730.700.800.7 i0.730.710.730.700.7221540.700.700.740.700.700.740.700.740.690.7121.0550.700.710.710.830.720.740.700.730.700.7270.9710.690.700.730.670.690.730.690.710.700.7010.9620.700.740.730.69

20、0.720.700.700.710.720.7120.97644750130.700.730.720.760.730.700.700.720.720.720l0640.700.730.700.740.740.720.700.720.690.7161.0350.700.700.730.730.700.710.700.730.680.7090.98表3電流與頻率選取水平tab1 d i fferent vaiues of frequency and current dens ity seiectedstrand12345erequency/llz44444current/a300320340360

21、380取樣位過(guò)圖10不同電磁攪拌強(qiáng)度下鑄坯橫斷面各點(diǎn)碳偏析比較fig. 10 compar i son of carbon segregation in different pos it ionof cross section with diverse ems current1.1208®£3bqm06040211280300320340360380400電流強(qiáng)度(a)圖門70鋼中心碳偏析與電流強(qiáng)度的關(guān)系fig.11 reation between central segregation and stirring intens i ty for 70 steei圖10所示為在不同電磁攪拌強(qiáng)度下，鑄壞橫斷面各取樣位置點(diǎn)的碳偏析度的情況。從圖10中可以看出在邊角 部出現(xiàn)負(fù)偏析，中心位置彳處出現(xiàn)止偏析最大值。圖11所示為70鋼小心碳偏析與電流強(qiáng)度的關(guān)系。從圖11中可知 中心碳偏析度不是電流的單調(diào)函數(shù)。在電流為360a時(shí)，中心碳偏析度達(dá)到最住值。5結(jié)論在實(shí)驗(yàn)測(cè)定的基礎(chǔ)上，通過(guò)理論分析計(jì)算與工業(yè)試驗(yàn)，得到如下結(jié)論：(1) 磁感應(yīng)強(qiáng)度在結(jié)晶器高度方向上冇“中間大，兩頭小”的規(guī)律；在距結(jié)晶器頂端500mm處，磁感應(yīng)強(qiáng)度出 現(xiàn)最大值。(2) 磁感應(yīng)強(qiáng)度隨電流強(qiáng)度增大而增大，隨電源頻率增大而減小；(3) 當(dāng)電流強(qiáng)度大于350a后，在電流頻率一定時(shí)，增加電