電磁軟接觸中電磁場的影響因素

田鵬，朱立光，田微

(河北聯合大學河北省現代冶金技術重點實驗室，河北唐山 063009)

0 引言

1985年日本鋼鐵協會成立了“材料電磁過程(EPM)委員會”，1995年，日本通產省設立了“連鑄中電磁壓力利用和開發”國家科研計劃，之后六年間共投資25億日元對初期凝固控制技術、電磁鑄造用結晶器、流動控制技術等進行開發和研究。日本的藤等［1］分別利用低熔點Sn-Pb合金和Ni系不銹鋼進行拉坯試驗，結果表明:施加60Hz的低頻磁場后結晶器內保護渣的消耗量增加，鑄坯質量得到明顯改善。在頻率為25kHz甚至到150kHz的高頻磁場的作用下，鑄坯的表面質量得到明顯改善。淺井等［2］采用間歇式高頻磁場代替結晶器的振動，實現了低熔點合金錫的拉坯實驗，取得了良好的效果。

在空載條件下，Tanaka等［3］實驗測試發現:在拉坯方向上，磁感應強度在線圈的中心處出現最大值。Nakata等［4］發現在結晶器內部方向上的磁感應強度在切縫處最強，然后是分瓣體中心，在結晶器中心的磁感應強度最弱。Iwai等［5］測試了在90kHz時圓形冷坩堝結晶器內的電磁場分布，表明在拉坯方向上磁感應強度的最大值會出現在線圈的中心位置上，與有無負載無關，對比不同切縫寬度的結晶器，發現增加切縫寬度可以增強結晶器內部的磁場，周向上的磁感應強度也更加均勻。

Park等［6］對方坯進行電磁軟接觸連鑄實驗，發現在20kHz時，鑄坯表面質量得到改善，鑄坯初始凝固殼厚度明顯均勻，同時用錫錠來模擬載荷，研究方坯電磁軟接觸連鑄結晶器內部的磁場分布。發現空載時，磁感應強度的最大值出現在感應線圈中心偏上的位置，有負載時，與Iwai等人的結論不同，最大磁感應強度點上移［7］。Cho等［8］利用Sn-Pb合金作為工作物質，進行了板坯電磁軟接觸連鑄過程的實驗，考察了在高頻磁場的作用下液態金屬的彎月面行為，分析了磁場頻率、電源電流等因素對鑄坯表面的影響作用。

1 電磁軟接觸原理

20世紀80年代，Vives等［8］提出了鋼的電磁軟接觸連鑄技術，鋼的電磁軟接觸連鑄技術是在常規結晶器的周圍布置上感應線圈，在感應線圈內輸入交流電，交變電場會在線圈周圍產生交變磁場，從而在結晶器的分瓣體和結晶器內的鋼液中感應出感生電流，該感生電流與交變磁場相互作用就會產生垂直于鑄坯表面而指向液芯的電磁壓力。該電磁壓力會部分甚至全部抵消鋼液產生的靜壓力，從而將自由表面上靠近結晶器內壁的鋼液推離結晶器壁，形成弧形彎月面。這拓寬了坯殼和結晶器壁之間的渣道寬度，改善了潤滑條件，使熔融金屬和結晶器壁之間的摩擦力減小，同時，由于降低了坯殼和結晶器壁之間的接觸壓力和滑動摩擦力，使它們之間呈現出軟接觸(Soft—Contact)狀態。

2 電磁場的基本方程

2.1 基本方程

根據Maxwell方程組在此問題中的簡化，電磁軟接觸連鑄工藝中的電磁場分布滿足(1)至(4)式［9-11］:

式中，H為磁場強度，A/m;js、je分別為金屬導體中的感生電流密度及感應線圈中的源電流密度，A/m。

式中，E為電場強度，V/m;B為磁感應強度，T;

式中，μ為磁導率，H/m;

在線圈內金屬導體中有:

式中，σ為電導率，S/m。

根據Kirchhoff定律:

引入矢量磁勢A，Wb·m－1及標量電勢V，令:

根據庫侖條件:

由式(1)～(9)得到三維交變電磁場方程:

寫成復數形式為:

3 電磁場大小及分布規律的影響因素

3.1 電源頻率的影響

研究表明，電源頻率決定了電磁場對鑄坯的滲透深度。電源頻率越高，穿過結晶器的磁力線越集中于鑄坯表面，使該處磁感應強度上升，電磁壓力增大;而電源頻率低時，穿過結晶器的電磁力能使鋼液產生漩渦，達到鋼液的攪拌作用。因此，低頻電磁場則有利于液芯的電磁攪拌，而高頻電磁場才有利于形成鑄坯與結晶器的軟接觸。

3.2 結晶器結構的影響

根據結晶器結構對電磁場大小和分布規律的影響，近年來，人們提出了不同結構的結晶器形式，包括切縫式結晶器和兩段式結晶器。

3.2.1 切縫式結晶器

切縫式結晶器的切縫有通體切縫和部分切縫兩種形式。它們主要的區別在于使磁通量滲入量不同，從而影響鑄坯的表面質量。當采用部分切縫結構結晶器時，切縫處以外的部分處于導通狀態，對高頻磁場的屏蔽性增加。因此，在其它條件相同的情況下，結晶器內的磁感應強度要小于通體切縫的磁感應強度，但該種結晶器的整體強度較高。通體切縫和部分切縫都屬于直切縫，在電磁連鑄過程中鑄坯表面都會因磁場分布不均而產生的縱向皺折。為了解決這一問題，任忠鳴提出了一種斜向切縫式軟接觸結晶器［12］。

影響結晶器內電磁場分布的因數主要有:分瓣數、分瓣體寬度、切縫寬度、感應器的位置以及外磁場頻率等。研究表明:隨著切縫數的增加，結晶器的磁場屏蔽作用逐漸減弱，磁感應強度明顯增強，且磁場分布趨于均勻。但是，當切縫數達到一定數量時，透過結晶器的磁感應強度趨于飽和，繼續增加切縫數，透磁效果并無明顯改觀。因此，切縫式電磁軟接觸結晶器存在最佳的切縫數。切縫寬度對磁場影響同樣明顯，隨著切縫寬度的增加，雖然鑄坯表面的磁感應強度上升，電磁壓力增大，但造成結晶器內磁場分布不均勻。

3.2.1 兩段式結晶器

Suzuki T等［13］對復合材料無切縫軟接觸電磁連鑄結晶器進行了初步開發，其結構特點是上部采用高電阻率不銹鋼或銅基復合材料，下部高電導率和高導熱率的銅合金材料。研究表明，由于兩段式結晶器上半段材料的集膚層厚度要遠大于下半段材料的集膚層厚度，因此，作用到內部鋼液上的磁場主要由結晶器上半段材料透過。隨著結晶器上半段長度的增大，感應線圈產生的磁場更容易透過結晶器作用到內部鋼水上。在感應線圈高度一定的情況下，上半段越長，從上半段進入結晶器內部的磁場越多，磁場的有效作用范圍增大，同時，磁感應強度的峰值也增大。

隨著電源頻率增大，結晶器內磁感應強度明顯減小。因為兩段式結晶器的結構是一個整體，交變電磁場主要由結晶器壁穿透過去，而結晶器壁對交變電磁場有很強的屏蔽作用，頻率越高屏蔽作用越強，結晶器內部鋼液磁感應強度越小。因而降低頻率能增大兩段式結晶器的透磁效果，使結晶器內部磁感應強度增大，從而提高鑄坯表面的電磁壓力，有利于彎月面高度的增加。

3.3 感應線圈的影響

3.3.1 感應線圈位置對磁場的影響

在軟接觸電磁連鑄中，感應線圈所產生的是高頻磁場，其磁感應強度及其在空間的分布特性與磁場作用范圍內金屬導體的位置、形狀等因素密切相關。為獲得變形較大的彎月面，鋼液面位置應在磁感應強度較大處。但線圈安裝位置不同又影響結晶器內的磁場分布，進而影響到液態金屬彎月面的形變特征。

隨著線圈位置上移，磁感應強度的峰值增大，且其位置也隨之上移，彎月面高度也逐漸增大。在線圈頂部附近，結晶器內磁感應強度和彎月面高度隨線圈的上移而增加。在線圈中心以下，隨著線圈的上移，縱向磁場的衰減加快。這是由于結晶器內的電磁場主要由切縫式結晶器上半段滲透的磁場，而線圈中心下方的磁場受到結晶器的屏蔽而迅速衰減。由此可見，線圈位置上移有利于磁感應強度在彎月面區域有效作用范圍的增大。而對于無切縫式的結晶器的電磁場目前研究的很少，還待于進一步研究。綜合考慮線圈位置對磁場分布的影響，線圈應該有一個優化的位置，在實際應用中，應盡量將線圈靠近結晶器入口安裝。

感應線圈的中心位置處的電磁場最大，然而線圈高度變化將改變電流密度的量值，因而對產生磁場的強度和分布有一定程度的影響。經過很多實驗得到:①降低線圈高度對磁場分布的規律基本無影響;②降低線圈高度大大增強了系統內的磁感應強度。這與線圈高度減小，電流密度增大，磁感應強度增大的理論分析相一致。

改變感應線圈的位置，最大磁感應強度仍然在線圈中心位置處，逐漸向線圈兩端減小。因此，在電磁連鑄中，我們可以根據最大磁感應強度的位置來控制彎月面的高度，使初期凝固點位于線圈的中心位置。

3.3.2 線圈與結晶器的間距對磁場的影響

當線圈與結晶器間距增大時，結晶器內磁場分布規律基本相似，但磁感應強度有所減小。因此，感應線圈的設計應盡量減小與結晶器的間隙來減少系統漏磁，使結晶器內獲得較大的電磁場。研究表明，5 mm～10 mm左右的間距可以有效的利用電源效率，保證有較強的磁場，對電磁連鑄過程較為有利，因此，線圈要與結晶器有一定的距離。

4 電磁場對彎月面的影響

電磁連鑄過程中鋼水彎月面形狀是鋼水和保護渣界面能、鋼水靜壓力、電磁力、渣膜流動壓力以及由于結晶器振動和鋼液內部流動形成的壓力等諸多因素相互作用平衡的結果。

在電磁力作用下，磁場強度越大，金屬向中心拱起的高度越大，彎月面與器壁的接觸點下降越多。這是因為液態金屬所受電磁力與磁場強度成正比，磁場強度越高，由于集膚效應造成金屬向中心拱起的高度越大，彎月面與結晶器壁的接觸點下降越大。另外過熱度越高，電磁力對彎月面形狀的影響也越小，這是因為隨溫度的升高，金屬的電阻率增大，熔融金屬中產生的感生電流降低，導致作用于彎月面處的電磁力降低，彎月面高度下降的幅度減小［14］。李廷舉等人［15，16］直接觀察了高頻和間歇高頻電磁場作用下的彎月面行為。他們發現，彎月面與結晶器壁之間具有間歇接觸現象，同時在彎月面上存在靜振波和橫波;磁場越強彎月面波動越大，周期性接觸速度也增大。他們還發現，由于結晶器的振動，彎月面將發生變形，電磁軟接觸結晶器內的鋼液面始終保持為拋物線形狀和與結晶器壁的不完全接觸狀態，沒有觀測到常規結晶器內發生的橫紋波動，渣液的流入深度隨磁感應強度的增大而增大。鄧安元等人［17］還對軟接觸電磁場對彎月面處鋼水流動問題進行了模擬計算，結果表明，電磁場減小了鋼水股流沖擊，可提高彎月面穩定性。

增加電源功率時，可以增大高頻磁場在鑄坯初始凝固區域的強度及作用范圍，有利于彎月面的形成;線圈位置越靠上，越有利于磁感應強度透過結晶器，有助于彎月面高度的增大;當金屬液面位于感應線圈高度中心與線圈頂端位置之間時，高頻磁場作用于初始凝固區域的有效作用較強，可產生較大的電磁壓力，有助于獲得高表面質量的鑄坯。

隨著電源輸出功率的增加，彎月面高度隨之增高，波動加劇。當感應線圈靠近結晶器上沿時，彎月面變形顯著。在保證電源輸出功率一定的條件下，高頻電源輸出頻率越低，彎月面高度越高。當低熔點合金自由表面位于線圈上沿附近時，彎月面最高。生產中熔融金屬的初始凝固位置應該位于線圈上沿附近，有助于獲得高表面質量的鑄坯。

5 結論

(1)頻率越高，穿過結晶器的磁力線越集中于鑄坯表面，使該處磁感應強度上升、電磁壓力增大。因此，高頻電磁場有利于形成鑄坯與結晶器的軟接觸;

(2)軟接觸結晶器的電磁特性與頻率密切相關，兩段式結晶器內的磁感應強度隨著頻率的增大而減小，切縫式結晶器內的磁感應強度隨著頻率的增大而增大，為充分發揮交變磁場的軟接觸效果創造條件;

(3)改變感應線圈的位置，最大磁感應強度仍然在線圈中心位置處，逐漸向線圈兩端減小。在電磁連鑄中，可以根據最大磁感應強度的位置來控制彎月面的高度，使初期凝固點位于線圈的中心位置;

(4)在電磁力作用下，磁場強度越大，金屬向中心拱起的高度越大，彎月面與器壁的接觸點下降越多。高頻磁場作用于初始凝固區域的有效作用較強，可產生較大的電磁壓力，有助于獲得高表面質量的鑄坯。

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