鄧安元，徐永義，王恩剛，張興武，赫冀成

(東北大學(xué) 材料電磁過(guò)程研究教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 沈陽(yáng) 110004)

為了提高鑄坯質(zhì)量，電磁軟接觸連鑄技術(shù)被逐漸引入到鋼連鑄過(guò)程中[1]，圍繞該技術(shù)，各國(guó)學(xué)者對(duì)與該技術(shù)相關(guān)的彎月面變形[2?4]、磁場(chǎng)分布[5?6]和冶金效果[7?9]等進(jìn)行大量的基礎(chǔ)研究。在該技術(shù)中，電磁力主要對(duì)金屬起約束成型作用，但另一方面，脈動(dòng)電磁力也能驅(qū)動(dòng)鋼液流動(dòng)，引起液面的波動(dòng)。如何在保證穩(wěn)定變形的同時(shí)，減小液面的波動(dòng)，對(duì)發(fā)揮該技術(shù)的冶金效果極為重要。該波動(dòng)也限制磁場(chǎng)的提高和頻率的范圍。目前，對(duì)電磁力的這種雙重作用的研究主要集中在液滴和自由液面變形行為的研究上[10?11]，雖然一些學(xué)者對(duì)交變磁場(chǎng)下的液面穩(wěn)定性或者波動(dòng)進(jìn)行了研究[4,12]，但對(duì)電磁場(chǎng)作用下維持一定液面變形時(shí)，液面波動(dòng)幅度大小規(guī)律直接測(cè)試的研究還相對(duì)較少，而波動(dòng)大小又與鑄坯表面卷渣和鑄坯質(zhì)量等密切相關(guān)。為此，本文作者采用低熔點(diǎn)Sn-32%Pb-52%Bi合金，研究交變磁場(chǎng)作用下金屬熔池表面的變形和波動(dòng)行為，為合理控制液面變形和波動(dòng)行為所需相關(guān)工藝參數(shù)的確定提供依據(jù)。

1 實(shí)驗(yàn)

本實(shí)驗(yàn)采用激光液位儀來(lái)測(cè)量液態(tài)金屬表面不同位置在交變電磁場(chǎng)作用下相對(duì)于初始液面的波動(dòng)，用浸鍍法和高速攝像機(jī)來(lái)記錄金屬在交變磁場(chǎng)中的變形，用“小線圈法”測(cè)量磁感應(yīng)強(qiáng)度的分布。實(shí)驗(yàn)裝置示意圖如圖1所示。采用Sn-32%Pb-52%Bi低熔點(diǎn)合金模擬鋼液，將其在熔融狀態(tài)下裝入石英容器中。合金物性參數(shù)如表1所示。感應(yīng)線圈為5匝，高度為66 mm，熔池直徑為46 mm。下文中波動(dòng)圖中，“0”位置表示沒(méi)有作用電磁場(chǎng)時(shí)，金屬液面的平衡位置，即初始位置。

2 結(jié)果與討論

2.1 電磁場(chǎng)作用下金屬液面變形及其不穩(wěn)定性

圖1 實(shí)驗(yàn)裝置示意圖Fig.1 Schematic diagram of experimental apparatus

圖2 鋼液內(nèi)的磁場(chǎng)、電磁力和流場(chǎng)分布(I=700 A，f=20 kHz)Fig.2 Distributions of magnetic field (a), magnetic force (b) and steel flow (c) of molten steel

當(dāng)位于熔池外的線圈中通過(guò)交變電流時(shí)，熔池內(nèi)會(huì)產(chǎn)生交變磁場(chǎng)。在保持熔池形狀和尺寸不變的情況下，針對(duì)銅結(jié)晶器和內(nèi)部熔池為鋼液(物性見(jiàn)表1)的條件下，計(jì)算結(jié)晶器內(nèi)的電磁場(chǎng)、電磁力和鋼液流動(dòng)，其計(jì)算結(jié)果如圖2所示。由圖2(a)和(b)可見(jiàn)，由于磁場(chǎng)集膚效應(yīng)的影響，磁場(chǎng)和電磁力主要集中在鋼液外層一定厚度內(nèi)，沿徑向磁感應(yīng)強(qiáng)度迅速衰減為零。且縱向上的磁場(chǎng)分布具有不均勻性，與線圈高度中心處平齊的熔池內(nèi)的磁場(chǎng)較強(qiáng)，而沿鑄坯表面向上、下迅速衰減。電磁力除有垂直于鑄坯表面的分力外，還有切向分力(見(jiàn)圖2(b))。由圖2(c)可看出，交變磁場(chǎng)除有約束成型作用外，其還有驅(qū)動(dòng)鋼液流動(dòng)的作用。在電磁力的驅(qū)動(dòng)下，鋼液在熔池內(nèi)形成上下兩個(gè)明顯的漩渦回流區(qū)，鋼液在液面上形成從中心到壁面的流動(dòng)，而熔液與容器交界點(diǎn)(三相點(diǎn))下的鋼液則沿壁面向上流動(dòng)，在三相點(diǎn)附近兩個(gè)流股發(fā)生匯聚撞擊，然后形成向熔池液芯的流動(dòng)。在適當(dāng)范圍內(nèi)，上部回流區(qū)有利于將保護(hù)渣帶入渣道中，加強(qiáng)潤(rùn)滑，但由于兩種流股的匯聚撞擊，這具有增加液面波動(dòng)，特別是三相點(diǎn)附近液面波動(dòng)的趨勢(shì)，這不利于保持液面的穩(wěn)定，易于造成表面卷渣。且三相點(diǎn)處的波動(dòng)易于破壞初始凝固點(diǎn)的穩(wěn)定狀態(tài)，不利于電磁軟接觸效果的發(fā)揮，也限制電參數(shù)的可操作范圍。

圖3 金屬液面的變形Fig.3 Deformation of meniscus (f=34 kHz, I=530 A)

圖3所示為金屬液面的變形。由圖3可看出，電磁場(chǎng)和電磁力的這種分布規(guī)律使得在施加交變磁場(chǎng)后，在電磁力的作用下，靠近器壁的金屬液會(huì)離開器壁，并向上凸起，三相點(diǎn)下降，自由表面形成弧形彎月面，彎月面的形狀是非常復(fù)雜的，有表面凹陷和隆起等結(jié)構(gòu)。實(shí)驗(yàn)測(cè)試了熔池自由表面中心點(diǎn)、1/2半徑點(diǎn)和三相點(diǎn)附近液面的波動(dòng)行為(見(jiàn)圖4)，自由液面在電磁場(chǎng)作用下一直處于波動(dòng)狀態(tài)。綜上所述可知，這種波動(dòng)與電磁力對(duì)金屬液的驅(qū)動(dòng)作用有關(guān)。適當(dāng)?shù)牟▌?dòng)有利于表面渣對(duì)夾雜和氣泡的吸收，但若波動(dòng)強(qiáng)度過(guò)大，則有可能破壞液面變形的穩(wěn)定性，從而可能造成表面卷渣，不利于提高鑄坯質(zhì)量。而且不同工藝參數(shù)對(duì)液面的凸起形狀和波動(dòng)狀態(tài)有不同程度的影響。

圖4 金液液面上不同位置處的波動(dòng)行為Fig.4 Fluctuation behaviors on meniscus (f=23.3 kHz)

2.2 感應(yīng)器電流強(qiáng)度的影響

圖5 不同電流強(qiáng)度下的磁感應(yīng)強(qiáng)度Fig.5 Magnetic flux density at different current intensities

圖 5所示為液面與線圈中心平齊，頻率為 23.3 kHz時(shí)，不同線圈電流強(qiáng)度下熔池三相點(diǎn)和中心點(diǎn)處測(cè)得的磁感應(yīng)強(qiáng)度。由圖5可看出，隨著感應(yīng)器電流強(qiáng)度增加，熔池內(nèi)的磁感應(yīng)強(qiáng)度增大，作用于熔池內(nèi)金屬液上的電磁力相應(yīng)增強(qiáng)。圖6所示為不同電流強(qiáng)度下的彎曲高度。由圖6可看出，隨電流強(qiáng)度增加，彎月面變形增大。這有利于拓寬渣道寬度，減小拉坯阻力，從而有利于提高和改善鑄坯表面質(zhì)量。圖7所示為不同電流強(qiáng)度下中心點(diǎn)的液面波動(dòng)曲線。由圖 7可看出，隨電流強(qiáng)度增加，由于電磁力的雙重作用效果，電磁力對(duì)液態(tài)金屬的驅(qū)動(dòng)作用也增大，因此，隨著電流強(qiáng)度的增加，自由液面的波動(dòng)加劇。當(dāng)熔池外壁面的磁感應(yīng)強(qiáng)度達(dá)到約50 mT(I=656 A)時(shí)，液面中心點(diǎn)處的波動(dòng)幅度達(dá)到約 ±3 mm。

圖6 不同電流強(qiáng)度下的彎月面高度Fig.6 Meniscus heights at different current intensities

圖7 不同電流強(qiáng)度下中心點(diǎn)的液面波動(dòng)Fig.7 Free surface fluctuations of center point at different current intensities

在常規(guī)連鑄中，為提高連鑄坯質(zhì)量，通常將液位波動(dòng)控制在±3 mm。若液面波動(dòng)超過(guò)±3 mm，則易于造成表面卷渣和使鑄坯表面振痕加深，從而導(dǎo)致一系列鑄坯表面裂紋和皮下夾雜等缺陷[13?14]。本實(shí)驗(yàn)屬于靜態(tài)實(shí)驗(yàn)，并沒(méi)有考慮到實(shí)際熔體注流流股和結(jié)晶器振動(dòng)對(duì)液面波動(dòng)的影響，在實(shí)際的電磁連鑄過(guò)程中，若考慮到金屬液注流流股和結(jié)晶器振動(dòng)的影響，這種波動(dòng)必然進(jìn)一步加劇，因此，這勢(shì)必影響到軟接觸電磁連鑄冶金效果的發(fā)揮。拉坯實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，隨感應(yīng)器電流強(qiáng)度或者施加磁感應(yīng)強(qiáng)度的增加，鑄坯表面振痕深度有從深變淺，甚至消失，然后又逐漸變深的趨勢(shì)[15]。液面波動(dòng)隨感應(yīng)器電流強(qiáng)度增加而增大的結(jié)果清楚地說(shuō)明造成該現(xiàn)象的原因，這是由于波動(dòng)超過(guò)一定強(qiáng)度后的結(jié)果。這也說(shuō)明有必要將電流強(qiáng)度控制在一定范圍內(nèi)。當(dāng)然，該電流范圍與結(jié)晶器大小、結(jié)構(gòu)等參數(shù)密切相關(guān)。若為進(jìn)一步提高彎月面變形，則還有必要采取相應(yīng)的液面穩(wěn)定性措施。

2.3 磁場(chǎng)頻率的影響

圖8 頻率對(duì)熔池內(nèi)磁感應(yīng)強(qiáng)度和彎月面高度的影響Fig.8 Effects of frequency on magnetic flux density and meniscus height: (a) Magnetic flux density; (b) Meniscus height

圖8所示為兩種頻率下彎月面高度和熔池外表面液面位置處的磁感應(yīng)強(qiáng)度。由圖8可看出，在不同初始液面位置處，電源頻率為34 kHz時(shí)所對(duì)應(yīng)的磁感應(yīng)強(qiáng)度和彎月面變形高度均較頻率為23.3 kHz時(shí)的大，且在同一頻率下，金屬液面位于線圈中心附近時(shí)，磁感應(yīng)強(qiáng)度和彎月面變形高度較大。從保證軟接觸效果所需要的彎月面變形來(lái)說(shuō)，這有助于渣道暢通，加強(qiáng)鑄坯潤(rùn)滑和提高鑄坯質(zhì)量。圖 9所示為頻率分別為23.3和34 kHz時(shí)，液面不同位置(三相點(diǎn)、1/2半徑和中心點(diǎn))處的液面波動(dòng)曲線。由圖9可看出，隨著頻率的增大，液面波動(dòng)幅度有所降低，在三相點(diǎn)處，頻率為34 kHz時(shí)，其波動(dòng)幅度降到約±2 mm以內(nèi)，特別是在熔池中心處，波動(dòng)幅度在±1 mm以下。這說(shuō)明為保持液面的相對(duì)穩(wěn)定，有必要適當(dāng)提高交變磁場(chǎng)頻率，而且在一定頻率范圍內(nèi)[16]，其還有助于提高磁感應(yīng)強(qiáng)度和彎月面的變形高度。同時(shí)，從3個(gè)位置的波動(dòng)值可見(jiàn)，頻率為23.3 kHz時(shí)，在1/2半徑處的波動(dòng)幅度仍然為約±3 mm左右，與三相點(diǎn)差別不大。而頻率為34 kHz時(shí)，其在1/2半徑處的波動(dòng)幅度已經(jīng)降到約1±m(xù)m，與中心處的波動(dòng)幅度接近。這說(shuō)明隨著頻率的增加，其對(duì)液面波動(dòng)的影響范圍也縮小。這主要是由于磁場(chǎng)的集膚效應(yīng)，使得電磁力向金屬熔池表面集中所致。因此，從彎月面變形大小和波動(dòng)幅度看，頻率控制在30 kHz左右是較適宜的。

2.4 液面與線圈相對(duì)位置的影響

初始液面與線圈相對(duì)位置對(duì)液面變形和波動(dòng)有重要的影響。本實(shí)驗(yàn)主要研究初始液面位于線圈上沿、1/4高度、中心、3/4高度和下沿等處位置的情況。前面的磁場(chǎng)測(cè)試(見(jiàn)圖8)表明，在初始液面位于線圈高度中心偏下附近時(shí)，熔池表面所受的磁感應(yīng)強(qiáng)度較大。圖10所示為不同液面位置下的彎月面照片。因此，由圖8(b)和10可看出，彎月面高度在液面位于線圈高度中心附近時(shí)較大，初始液面上移或者下移，彎月面變形和高度均逐漸減小。這也說(shuō)明當(dāng)液面位于線圈中心高度位置附近時(shí)，在相同功率下，可獲得較大的磁感應(yīng)強(qiáng)度，有利于通過(guò)較小的功率獲得相同的液面變形行為。

圖 11所示為不同液面位置時(shí)的液面波動(dòng)。從圖11可見(jiàn)，在相同電流強(qiáng)度下，金屬液面與線圈中心位

圖9 不同頻率自由液面的波動(dòng)Fig.9 Fluctuations of free surfaces at different frequencies(I=530 A): (a) Center; (b) Half position of radius;(c) Triple-phase point

圖10 不同液面位置下的彎月面照片F(xiàn)ig.10 Photos of meniscuses at different metal levels (I=656 A): (a) Bottom of coil; (b) 1/4 coil height; (c) Center of coil height;(d) 3/4 coil height; (e) Top of coil

圖11 不同液面位置時(shí)的液面波動(dòng)Fig.11 Free surface fluctuations at different metal levels (I=656 A): (a) Bottom of coil; (b) 1/4 coil height; (c) Center of coil height; (d) 3/4 coil height; (e) Top of coil

置平齊時(shí)，波動(dòng)較激烈。從中心向上和向下移動(dòng)液面位置波動(dòng)劇烈程度都有減小趨勢(shì)。這說(shuō)明當(dāng)液面位于線圈中心高度附近時(shí)，雖能提高彎月面變形高度，但由于磁感應(yīng)強(qiáng)度增大，電磁力對(duì)金屬熔池的擾動(dòng)也相應(yīng)增大。因此，通過(guò)合理控制液面位置，可以在一定程度上抑制和減弱液面的波動(dòng)，但在提高液面變形的同時(shí)，還有必要采取其它措施來(lái)控制液面的波動(dòng)。

3 結(jié)論

1) 交變磁場(chǎng)作用下，金屬自由表面發(fā)生弧形變形，液面一直處于波動(dòng)狀態(tài)；交變電磁力使金屬熔池在三相點(diǎn)上下形成兩個(gè)回流區(qū)；自由表面的下返流與沿熔池壁的上返流在三相點(diǎn)附近發(fā)生撞擊，增加三相點(diǎn)附近液面的波動(dòng)，不利于液面的穩(wěn)定，易造成表面卷渣。

2) 隨著感應(yīng)器電流強(qiáng)度增加，電磁力的雙重作用效果越明顯，彎月面變形增大，液面波動(dòng)也加劇。當(dāng)熔池外壁面的磁感應(yīng)強(qiáng)度達(dá)到約50 mT時(shí)，金屬熔池液面的波動(dòng)幅度將達(dá)到約±3 mm，三相點(diǎn)附近的波動(dòng)較劇烈。這解釋電磁軟接觸連鑄過(guò)程中鑄坯表面振痕隨電流強(qiáng)度大小的變化規(guī)律。電流強(qiáng)度應(yīng)有一個(gè)合理的控制范圍。

3) 在一定范圍內(nèi)適當(dāng)提高磁場(chǎng)頻率，有利于在增大彎月面變形的同時(shí)，減小液面的波動(dòng)。隨著頻率增大，電磁力對(duì)自由表面波動(dòng)的影響范圍也有所減小，頻率控制在30 kHz左右是適宜的。

4) 當(dāng)液面位于線圈中心高度附近時(shí)，雖能提高彎月面變形高度，但電磁力對(duì)金屬熔池的擾動(dòng)也相應(yīng)增大，液面波動(dòng)劇烈。在獲得相同變形大小的情況下，將初始液面控制在線圈高度中心有利于系統(tǒng)節(jié)能。

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