結晶器內磁感應強度分布研究

馬忠存，熊洪進，郭 鑫

(北滿特殊鋼有限責任公司，黑龍江 齊齊哈爾161041)

電磁攪拌技術具有高能量密度、非接觸性和易于自動控制等優點，能夠有效改善鑄坯的皮下質量、鑄坯內部組織結構，擴大等軸晶區、減少或消除偏析與中心縮孔等內部缺陷，同時也能促進坯殼生長而且厚度均勻，在連鑄生產中得到了廣泛的應用并取得良好的經濟效益［1－5］，結晶器電磁攪拌改善鑄坯質量的機理［6，7］是借助感應產生的電磁力強化鋼液流動、傳熱等過程，因此，生產中對電磁攪拌設備的電磁特性的檢測與分析是提高電磁攪拌冶金效果的前提［8，9］。

該連鑄機生產的大圓坯，根據不同鋼種特性，確定了不同鋼種的電磁攪拌參數，但是鑄坯中仍出現中心疏松、偏析、裂紋、皮下氣泡等缺陷，阻礙了企業產品質量的提升，為了優化結晶器電磁攪拌工藝參數，對圓坯連鑄機結晶器電磁攪拌內感應強度進行了測試研究，對改善鑄坯質量，品種開發、研制等有重要的指導意義。

1 結晶器性能參數與研究方法

結晶器主要性能參數如表1所示。

表1 結晶器主要性能參數

結晶器電磁攪拌示意圖如圖1所示。

圖1 結晶器電磁攪拌示意圖

由于150℃的銅管的電導率要比鋼水的電導率約大60倍，在低頻情況下結晶器銅管內有無鋼水對有載磁場分布影響不大，因此無鋼水工況可近似為有鋼水工況。

采用CST—11A型數字特斯拉計對連鋳機電磁攪拌的磁感應特征進行測量，在結晶器的中心線和電磁攪拌的中心位置(距結晶器上沿800mm)，分別測量不同頻率、不同電流的磁感應強度。利用回歸分析，研究結晶器內中心磁感應強度與頻率和電流強度的關系。研究結晶器銅管內磁感應強度的軸向分布與徑向分布情況。

2 結果與分析

2.1 電流、頻率與磁感應強度的關系

在頻率為2Hz下，結晶器內各位置的磁感應強度和電流強度關系如圖2所示;電流300A下，結晶器內各位置的磁感應強度和頻率關系如圖3所示。

圖2 磁感應強度和電流強度關系

圖3 磁感應強度和頻率關系

從圖2電流和磁感應強度的關系可以看出，提大電流可以增強磁感應強度，因此，在實際生產中可以提高電流強度和磁感應強度，從而達到滿意的冶金效果。但是電流增加到一定程度后，鑄坯的等軸晶率趨于飽和，電磁感應強度也趨近某個定值，繼續增加電流對等軸晶率、電磁感應強度的作用都不大，反而電流過大會降低結晶器電磁攪拌本體的壽命，而且過大的電流容易使彎月面擾動強烈而造成卷渣，為此在滿足冶金效果的條件下，盡可能降低電流強度。

從圖3中可以看出，隨著頻率的升高，結晶器內的磁感應強度降低。其原因是由于磁場穿過銅管時，磁場的衰減造成的，磁場在鑄坯中透入深度:

式中:δ為集膚深度;σ為金屬導電率;μ為金屬導磁率;f電源頻率。

由公式(1)可以看出，頻率越大，集膚層厚度越小，磁場穿透銅板的能力越弱，磁感應強度降低，從而頻率和磁感應強度成反比關系。無論哪個電流強度下，頻率越高，相應的磁感應強度越小，這也表明高電導率的結晶器銅管對磁場的衰減作用。

2.2 結晶器銅管內磁感應強度的軸向分布

圖4為連鑄機1流，300A，2Hz下結晶器銅管內磁感應強度的軸向分布情況，由圖3可見，由于電磁攪拌跨結晶器和足輥段，造成電磁攪拌的最強磁感應強度偏離了電磁攪拌本體的中心位置，其最大強度的位置在距結晶器上口900mm位置，同時磁感應強度向上下兩端急劇衰減，這主要是因為攪拌器的有限長度導致端部漏磁很嚴重，軸向分布向兩側陡降，攪拌器的鐵芯長度與其內徑之比L/D，L/D越小，磁場分布越不均勻。

圖4 結晶器銅管內磁感應強度的軸向分布

圖5為連鑄機1流不同工藝下，磁感應強度的分布情況，由圖5中可以看出，各不同電流和頻率下電磁攪拌的磁感應強度的軸向分布，由圖中的軸向分布在彎月面處的量值可以看出攪拌位置是比較合理的，其彎月面附近的B值均小于最大值的1/5，則表明攪拌器的安裝位置比較合適，不會引起彎月面波動而造成卷渣。同時可以看出隨電流強度的升高和頻率的降低，結晶器的軸線電磁攪拌的磁感應強度是逐漸降低的。

2.3 結晶器銅管內磁感應強度的徑向分布

結晶器銅管內磁感應強度的徑向分布如表2、圖6所示。

表2 結晶器銅管內磁感應強度的徑向分布

圖5 不同工藝下結晶器銅管內磁感應強度的軸向分布

圖6 結晶器銅管內磁感應強度的徑向分布

從圖中可以看出電磁攪拌的強度由攪拌器內表而向中心逐漸減小，即其徑向分布不均勻;高頻率經結晶器銅管后衰減也更大。表明磁感應強度經高電導率銅管屏蔽后，高頻的電磁強度衰減更大，且空間分布均勻一些。

3 結論

通過對圓坯連鑄機結晶器銅管內磁感應強度進行研究，可以得到以下結論:

(1)電磁攪拌過程中，電磁力與磁感應強度的平方成正比關系，頻率和磁感應強度成反比關系;實際生產中要選擇合適的電流強度，過大會增加電耗，降低線圈壽命，易發生卷渣，過小則不能滿足工藝要求;

(2)結晶器內磁感應強度軸向分布最大位置在距結晶器上口900mm位置，向兩側陡降;

(3)結晶器內磁感應強度徑向分布不均勻，由攪拌器內表面向中心逐漸減小，

(4)結晶器銅管對磁場有衰減作用，高頻率經結晶器銅管后衰減大。