交變磁場作用下金屬液面的變形和波動行為

鄧安元，徐永義，王恩剛，張興武，赫冀成

(東北大學 材料電磁過程研究教育部重點實驗室, 沈陽 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程中[1]，圍繞該技術(shù)，各國學者對與該技術(shù)相關(guān)的彎月面變形[2?4]、磁場分布[5?6]和冶金效果[7?9]等進行大量的基礎研究。在該技術(shù)中，電磁力主要對金屬起約束成型作用，但另一方面，脈動電磁力也能驅(qū)動鋼液流動，引起液面的波動。如何在保證穩(wěn)定變形的同時，減小液面的波動，對發(fā)揮該技術(shù)的冶金效果極為重要。該波動也限制磁場的提高和頻率的范圍。目前，對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]，雖然一些學者對交變磁場下的液面穩(wěn)定性或者波動進行了研究[4,12]，但對電磁場作用下維持一定液面變形時，液面波動幅度大小規(guī)律直接測試的研究還相對較少，而波動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Sn-32%Pb-52%Bi合金，研究交變磁場作用下金屬熔池表面的變形和波動行為，為合理控制液面變形和波動行為所需相關(guān)工藝參數(shù)的確定提供依據(jù)。

1 實驗

本實驗采用激光液位儀來測量液態(tài)金屬表面不同位置在交變電磁場作用下相對于初始液面的波動，用浸鍍法和高速攝像機來記錄金屬在交變磁場中的變形，用“小線圈法”測量磁感應強度的分布。實驗裝置示意圖如圖1所示。采用Sn-32%Pb-52%Bi低熔點合金模擬鋼液，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。感應線圈為5匝，高度為66 mm，熔池直徑為46 mm。下文中波動圖中，“0”位置表示沒有作用電磁場時，金屬液面的平衡位置，即初始位置。

2 結(jié)果與討論

2.1 電磁場作用下金屬液面變形及其不穩(wěn)定性

圖1 實驗裝置示意圖Fig.1 Schematic diagram of experimental apparatus

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

當位于熔池外的線圈中通過交變電流時，熔池內(nèi)會產(chǎn)生交變磁場。在保持熔池形狀和尺寸不變的情況下，針對銅結(jié)晶器和內(nèi)部熔池為鋼液(物性見表1)的條件下，計算結(jié)晶器內(nèi)的電磁場、電磁力和鋼液流動，其計算結(jié)果如圖2所示。由圖2(a)和(b)可見，由于磁場集膚效應的影響，磁場和電磁力主要集中在鋼液外層一定厚度內(nèi)，沿徑向磁感應強度迅速衰減為零。且縱向上的磁場分布具有不均勻性，與線圈高度中心處平齊的熔池內(nèi)的磁場較強，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(見圖2(b))。由圖2(c)可看出，交變磁場除有約束成型作用外，其還有驅(qū)動鋼液流動的作用。在電磁力的驅(qū)動下，鋼液在熔池內(nèi)形成上下兩個明顯的漩渦回流區(qū)，鋼液在液面上形成從中心到壁面的流動，而熔液與容器交界點(三相點)下的鋼液則沿壁面向上流動，在三相點附近兩個流股發(fā)生匯聚撞擊，然后形成向熔池液芯的流動。在適當范圍內(nèi)，上部回流區(qū)有利于將保護渣帶入渣道中，加強潤滑，但由于兩種流股的匯聚撞擊，這具有增加液面波動，特別是三相點附近液面波動的趨勢，這不利于保持液面的穩(wěn)定，易于造成表面卷渣。且三相點處的波動易于破壞初始凝固點的穩(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，電磁場和電磁力的這種分布規(guī)律使得在施加交變磁場后，在電磁力的作用下，靠近器壁的金屬液會離開器壁，并向上凸起，三相點下降，自由表面形成弧形彎月面，彎月面的形狀是非常復雜的，有表面凹陷和隆起等結(jié)構(gòu)。實驗測試了熔池自由表面中心點、1/2半徑點和三相點附近液面的波動行為(見圖4)，自由液面在電磁場作用下一直處于波動狀態(tài)。綜上所述可知，這種波動與電磁力對金屬液的驅(qū)動作用有關(guān)。適當?shù)牟▌佑欣诒砻嬖鼘A雜和氣泡的吸收，但若波動強度過大，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)對液面的凸起形狀和波動狀態(tài)有不同程度的影響。

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

2.2 感應器電流強度的影響

圖5 不同電流強度下的磁感應強度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，不同線圈電流強度下熔池三相點和中心點處測得的磁感應強度。由圖5可看出，隨著感應器電流強度增加，熔池內(nèi)的磁感應強度增大，作用于熔池內(nèi)金屬液上的電磁力相應增強。圖6所示為不同電流強度下的彎曲高度。由圖6可看出，隨電流強度增加，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所示為不同電流強度下中心點的液面波動曲線。由圖 7可看出，隨電流強度增加，由于電磁力的雙重作用效果，電磁力對液態(tài)金屬的驅(qū)動作用也增大，因此，隨著電流強度的增加，自由液面的波動加劇。當熔池外壁面的磁感應強度達到約50 mT(I=656 A)時，液面中心點處的波動幅度達到約 ±3 mm。

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

圖7 不同電流強度下中心點的液面波動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，通常將液位波動控制在±3 mm。若液面波動超過±3 mm，則易于造成表面卷渣和使鑄坯表面振痕加深，從而導致一系列鑄坯表面裂紋和皮下夾雜等缺陷[13?14]。本實驗屬于靜態(tài)實驗，并沒有考慮到實際熔體注流流股和結(jié)晶器振動對液面波動的影響，在實際的電磁連鑄過程中，若考慮到金屬液注流流股和結(jié)晶器振動的影響，這種波動必然進一步加劇，因此，這勢必影響到軟接觸電磁連鑄冶金效果的發(fā)揮。拉坯實驗結(jié)果表明，隨感應器電流強度或者施加磁感應強度的增加，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[15]。液面波動隨感應器電流強度增加而增大的結(jié)果清楚地說明造成該現(xiàn)象的原因，這是由于波動超過一定強度后的結(jié)果。這也說明有必要將電流強度控制在一定范圍內(nèi)。當然，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)。若為進一步提高彎月面變形，則還有必要采取相應的液面穩(wěn)定性措施。

2.3 磁場頻率的影響

圖8 頻率對熔池內(nèi)磁感應強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強度。由圖8可看出，在不同初始液面位置處，電源頻率為34 kHz時所對應的磁感應強度和彎月面變形高度均較頻率為23.3 kHz時的大，且在同一頻率下，金屬液面位于線圈中心附近時，磁感應強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說，這有助于渣道暢通，加強鑄坯潤滑和提高鑄坯質(zhì)量。圖 9所示為頻率分別為23.3和34 kHz時，液面不同位置(三相點、1/2半徑和中心點)處的液面波動曲線。由圖9可看出，隨著頻率的增大，液面波動幅度有所降低，在三相點處，頻率為34 kHz時，其波動幅度降到約±2 mm以內(nèi)，特別是在熔池中心處，波動幅度在±1 mm以下。這說明為保持液面的相對穩(wěn)定，有必要適當提高交變磁場頻率，而且在一定頻率范圍內(nèi)[16]，其還有助于提高磁感應強度和彎月面的變形高度。同時，從3個位置的波動值可見，頻率為23.3 kHz時，在1/2半徑處的波動幅度仍然為約±3 mm左右，與三相點差別不大。而頻率為34 kHz時，其在1/2半徑處的波動幅度已經(jīng)降到約1±m(xù)m，與中心處的波動幅度接近。這說明隨著頻率的增加，其對液面波動的影響范圍也縮小。這主要是由于磁場的集膚效應，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 液面與線圈相對位置的影響

初始液面與線圈相對位置對液面變形和波動有重要的影響。本實驗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。前面的磁場測試(見圖8)表明，在初始液面位于線圈高度中心偏下附近時，熔池表面所受的磁感應強度較大。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。這也說明當液面位于線圈中心高度位置附近時，在相同功率下，可獲得較大的磁感應強度，有利于通過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的液面波動。從圖11可見，在相同電流強度下，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 不同液面位置時的液面波動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，波動較激烈。從中心向上和向下移動液面位置波動劇烈程度都有減小趨勢。這說明當液面位于線圈中心高度附近時，雖能提高彎月面變形高度，但由于磁感應強度增大，電磁力對金屬熔池的擾動也相應增大。因此，通過合理控制液面位置，可以在一定程度上抑制和減弱液面的波動，但在提高液面變形的同時，還有必要采取其它措施來控制液面的波動。

3 結(jié)論

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

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

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

4) 當液面位于線圈中心高度附近時，雖能提高彎月面變形高度，但電磁力對金屬熔池的擾動也相應增大，液面波動劇烈。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。

[1] VIVES C. Electromagnetic refining of aluminum alloys by the CREM process: Part I. Working principle and metallurgical results [J]. Metall Trans B, 1989, 20(10): 623?629.

[2] ZHU X R, HARDING R A, CAMPBELL J. Calculation of the free surface shape in the electromagnetic processing of liquid metals[J]. Appl Math Modeling, 1997, 21: 207?214.

[3] 曾德鴻, 毛 斌, 鄂學全. 冷坩堝電磁連鑄彎月面形狀的數(shù)值模擬[J]. 金屬學報, 2000, 36(2): 162?166.

ZENG De-hong, MAO Bin, E Xue-quan. Numerical simulation of meniscus shape in cold crucible continuous casting[J]. Acta Metallurgica Sinica, 2000, 36(2): 162?166.

[4] 張 斌, 李廷舉, 賈 非, 季首華. 交流電磁場作用下液體金屬液面穩(wěn)定性的研究[J]. 鑄造技術(shù), 2002, 23(6): 388?389.

ZHANG Bin, LI Ting-ju, JIA Fei, JI Shou-hua. Research of surface stability of molten metal under alternative magnetic field[J]. Foundry Technology, 2002, 23(6): 388?389.

[5] 那賢昭, 張興中, 仇圣桃, 干 勇. 磁連鑄技術(shù)分析[J]. 金屬學報, 2002, 38(l): 105?108.

NA Xian-zhao, ZHANG Xing-zhong, QIU Sheng-tao, GAN Yong. Analysis of soft contact electromagnetic continuous casting technology[J]. Acta Metallurgical Sinica, 2002, 38(1):104?108.

[6] 夏小江, 王宏明, 戴起勛, 李桂榮, 趙玉濤. 電磁軟接觸連鑄高頻磁場的數(shù)值模擬[J]. 中國有色金屬學報, 2008, 18(3):529?534.

XIA Xiao-jiang, WANG Hong-ming, DAI Qi-xun, LI Gui-rong,ZHAO Yu-tao. Numerical simulation of high frequency magnetic field for electromagnetic soft-contact continuous casting[J]. The Chinese Journal of Nonferrous Metals, 2008, 18(3): 529?534.

[7] HE J C, WANG E G, DENG A Y, YU G W, WANG Q, ZHANG Y J, CHEN Z P, ZHOU Y M, FENG C B. Experiment of soft-contact electromagnetic continuous casting of steel[C]//4th International Conference on Electromagnetic Processing of Materials. Lylons: EPM Madylam, 2003, 195?199.

[8] NAKATA H, INOUE T, MORI H, AYATA K, MURAKAMI T,KOMINAMI T. Improvement of billet surface quality by ultra-high-frequency electromagnetic casting[J]. ISIJ International, 2002, 42 (3): 264?272.

[9] PARK J, KIM H, JEONG H, KIM G, CHO M J, CHUNG J S,YOON M, KIM K R, CHOI J. Continuous casting of steel billet with high frequency electromagnetic field[J]. ISIJ International,2003, 43(6): 813?819.

[10] FAUTRELLE Y, PERRIER D, ETAY J. Free surface controlled by magnetic fields[J]. ISIJ International, 2003, 43(6): 801?806.

[11] KARCHER C, MINCHENYA V. Control of free-surface instabilities during electromagnetic shaping of liquid metals[C]//International Scientific Colloquium Modeling for Electromagnetic Processing. Hannover: University of Hannover,2008: 143?149.

[12] 王宏明, 任忠鳴, 李桂榮. 軟接觸電磁連鑄高頻磁場的瞬態(tài)分析[J]. 中國有色金屬學報, 2009, 19(4): 701?707.

WANG Hong-ming, REN Zhong-ming1, LI Gui-rong. Transient analysis of high frequency electromagnetic field during electromagnetic soft contact continuous casting[J]. The Chinese Journal of Nonferrous Metals, 2009, 19(4): 701?707.

[13] 張海霞, 梁建國, 何慶文, 韓永剛. 液面自控在合金鋼連鑄機上的應用[J]. 萊鋼科技, 2007(4): 26?27.

ZHANG Hai-xia, LIANG Jian-guo, HE Qing-wen, HAN Yong-gang. The application of automatic steel level control on the alloy steel continuous caster[J]. Laigang Science &Technology, 2007(4): 26?27.

[14] 王文學, 王 雨, 遲景灝. 不銹鋼連鑄坯表面缺陷與對策[J].鋼鐵釩鈦, 2006, 27(3): 63?68.

WANG Wen-xue, WANG Yu, CHI Jing-hao. Surface defects and control measures of stainless steel billet[J]. Iron Steel Vanadium Titanium, 2006, 27(3): 63?68.

[15] 許秀杰, 鄧安元, 王恩剛, 張林濤, 張興武, 張永杰, 赫冀成.電磁軟接觸連鑄圓坯表面振痕演變機理[J]. 金屬學報, 2009,45(4): 464?469.

XU Xiu-jie, DENG An-yuan, WANG En-gang, ZHANG Lin-tao,ZHANG Xing-wu, ZHANG Yong-jie, HE Ji-cheng. Evolvement mechanism of surface oscillation marks on round billet during soft-contact electromagnetic continuous casting[J]. Acta Metallurgica Sinica, 2009, 45(4): 464?469.

[16] DENG An-yuan, JIA Guang-lin, HE Ji-cheng. Threedimensional characteristics and homogenization of electromagnetic field in soft-contact continuous casting mold[J].Acta Metallurgica Sinica, 2001, 14(2): 137?142.