田鹏，朱立光，田微

(河北联合大学河北省现代冶金技术重点实验室，河北唐山 063009)

0 引言

1985年日本钢铁协会成立了“材料电磁过程(EPM)委员会”，1995年，日本通产省设立了“连铸中电磁压力利用和开发”国家科研计划，之后六年间共投资25亿日元对初期凝固控制技术、电磁铸造用结晶器、流动控制技术等进行开发和研究。日本的藤等［1］分别利用低熔点Sn-Pb合金和Ni系不锈钢进行拉坯试验，结果表明:施加60Hz的低频磁场后结晶器内保护渣的消耗量增加，铸坯质量得到明显改善。在频率为25kHz甚至到150kHz的高频磁场的作用下，铸坯的表面质量得到明显改善。浅井等［2］采用间歇式高频磁场代替结晶器的振动，实现了低熔点合金锡的拉坯实验，取得了良好的效果。

在空载条件下，Tanaka等［3］实验测试发现:在拉坯方向上，磁感应强度在线圈的中心处出现最大值。Nakata等［4］发现在结晶器内部方向上的磁感应强度在切缝处最强，然后是分瓣体中心，在结晶器中心的磁感应强度最弱。Iwai等［5］测试了在90kHz时圆形冷坩埚结晶器内的电磁场分布，表明在拉坯方向上磁感应强度的最大值会出现在线圈的中心位置上，与有无负载无关，对比不同切缝宽度的结晶器，发现增加切缝宽度可以增强结晶器内部的磁场，周向上的磁感应强度也更加均匀。

Park等［6］对方坯进行电磁软接触连铸实验，发现在20kHz时，铸坯表面质量得到改善，铸坯初始凝固壳厚度明显均匀，同时用锡锭来模拟载荷，研究方坯电磁软接触连铸结晶器内部的磁场分布。发现空载时，磁感应强度的最大值出现在感应线圈中心偏上的位置，有负载时，与Iwai等人的结论不同，最大磁感应强度点上移［7］。Cho等［8］利用Sn-Pb合金作为工作物质，进行了板坯电磁软接触连铸过程的实验，考察了在高频磁场的作用下液态金属的弯月面行为，分析了磁场频率、电源电流等因素对铸坯表面的影响作用。

1 电磁软接触原理

20世纪80年代，Vives等［8］提出了钢的电磁软接触连铸技术，钢的电磁软接触连铸技术是在常规结晶器的周围布置上感应线圈，在感应线圈内输入交流电，交变电场会在线圈周围产生交变磁场，从而在结晶器的分瓣体和结晶器内的钢液中感应出感生电流，该感生电流与交变磁场相互作用就会产生垂直于铸坯表面而指向液芯的电磁压力。该电磁压力会部分甚至全部抵消钢液产生的静压力，从而将自由表面上靠近结晶器内壁的钢液推离结晶器壁，形成弧形弯月面。这拓宽了坯壳和结晶器壁之间的渣道宽度，改善了润滑条件，使熔融金属和结晶器壁之间的摩擦力减小，同时，由于降低了坯壳和结晶器壁之间的接触压力和滑动摩擦力，使它们之间呈现出软接触(Soft—Contact)状态。

2 电磁场的基本方程

2.1 基本方程

根据Maxwell方程组在此问题中的简化，电磁软接触连铸工艺中的电磁场分布满足(1)至(4)式［9-11］:

式中，H为磁场强度，A/m;js、je分别为金属导体中的感生电流密度及感应线圈中的源电流密度，A/m。

式中，E为电场强度，V/m;B为磁感应强度，T;

式中，μ为磁导率，H/m;

在线圈内金属导体中有:

式中，σ为电导率，S/m。

根据Kirchhoff定律:

引入矢量磁势A，Wb·m－1及标量电势V，令:

根据库仑条件:

由式(1)～(9)得到三维交变电磁场方程:

写成复数形式为:

3 电磁场大小及分布规律的影响因素

3.1 电源频率的影响

研究表明，电源频率决定了电磁场对铸坯的渗透深度。电源频率越高，穿过结晶器的磁力线越集中于铸坯表面，使该处磁感应强度上升，电磁压力增大;而电源频率低时，穿过结晶器的电磁力能使钢液产生漩涡，达到钢液的搅拌作用。因此，低频电磁场则有利于液芯的电磁搅拌，而高频电磁场才有利于形成铸坯与结晶器的软接触。

3.2 结晶器结构的影响

根据结晶器结构对电磁场大小和分布规律的影响，近年来，人们提出了不同结构的结晶器形式，包括切缝式结晶器和两段式结晶器。

3.2.1 切缝式结晶器

切缝式结晶器的切缝有通体切缝和部分切缝两种形式。它们主要的区别在于使磁通量渗入量不同，从而影响铸坯的表面质量。当采用部分切缝结构结晶器时，切缝处以外的部分处于导通状态，对高频磁场的屏蔽性增加。因此，在其它条件相同的情况下，结晶器内的磁感应强度要小于通体切缝的磁感应强度，但该种结晶器的整体强度较高。通体切缝和部分切缝都属于直切缝，在电磁连铸过程中铸坯表面都会因磁场分布不均而产生的纵向皱折。为了解决这一问题，任忠鸣提出了一种斜向切缝式软接触结晶器［12］。

影响结晶器内电磁场分布的因数主要有:分瓣数、分瓣体宽度、切缝宽度、感应器的位置以及外磁场频率等。研究表明:随着切缝数的增加，结晶器的磁场屏蔽作用逐渐减弱，磁感应强度明显增强，且磁场分布趋于均匀。但是，当切缝数达到一定数量时，透过结晶器的磁感应强度趋于饱和，继续增加切缝数，透磁效果并无明显改观。因此，切缝式电磁软接触结晶器存在最佳的切缝数。切缝宽度对磁场影响同样明显，随着切缝宽度的增加，虽然铸坯表面的磁感应强度上升，电磁压力增大，但造成结晶器内磁场分布不均匀。

3.2.1 两段式结晶器

Suzuki T等［13］对复合材料无切缝软接触电磁连铸结晶器进行了初步开发，其结构特点是上部采用高电阻率不锈钢或铜基复合材料，下部高电导率和高导热率的铜合金材料。研究表明，由于两段式结晶器上半段材料的集肤层厚度要远大于下半段材料的集肤层厚度，因此，作用到内部钢液上的磁场主要由结晶器上半段材料透过。随着结晶器上半段长度的增大，感应线圈产生的磁场更容易透过结晶器作用到内部钢水上。在感应线圈高度一定的情况下，上半段越长，从上半段进入结晶器内部的磁场越多，磁场的有效作用范围增大，同时，磁感应强度的峰值也增大。

随着电源频率增大，结晶器内磁感应强度明显减小。因为两段式结晶器的结构是一个整体，交变电磁场主要由结晶器壁穿透过去，而结晶器壁对交变电磁场有很强的屏蔽作用，频率越高屏蔽作用越强，结晶器内部钢液磁感应强度越小。因而降低频率能增大两段式结晶器的透磁效果，使结晶器内部磁感应强度增大，从而提高铸坯表面的电磁压力，有利于弯月面高度的增加。

3.3 感应线圈的影响

3.3.1 感应线圈位置对磁场的影响

在软接触电磁连铸中，感应线圈所产生的是高频磁场，其磁感应强度及其在空间的分布特性与磁场作用范围内金属导体的位置、形状等因素密切相关。为获得变形较大的弯月面，钢液面位置应在磁感应强度较大处。但线圈安装位置不同又影响结晶器内的磁场分布，进而影响到液态金属弯月面的形变特征。

随着线圈位置上移，磁感应强度的峰值增大，且其位置也随之上移，弯月面高度也逐渐增大。在线圈顶部附近，结晶器内磁感应强度和弯月面高度随线圈的上移而增加。在线圈中心以下，随着线圈的上移，纵向磁场的衰减加快。这是由于结晶器内的电磁场主要由切缝式结晶器上半段渗透的磁场，而线圈中心下方的磁场受到结晶器的屏蔽而迅速衰减。由此可见，线圈位置上移有利于磁感应强度在弯月面区域有效作用范围的增大。而对于无切缝式的结晶器的电磁场目前研究的很少，还待于进一步研究。综合考虑线圈位置对磁场分布的影响，线圈应该有一个优化的位置，在实际应用中，应尽量将线圈靠近结晶器入口安装。

感应线圈的中心位置处的电磁场最大，然而线圈高度变化将改变电流密度的量值，因而对产生磁场的强度和分布有一定程度的影响。经过很多实验得到:①降低线圈高度对磁场分布的规律基本无影响;②降低线圈高度大大增强了系统内的磁感应强度。这与线圈高度减小，电流密度增大，磁感应强度增大的理论分析相一致。

改变感应线圈的位置，最大磁感应强度仍然在线圈中心位置处，逐渐向线圈两端减小。因此，在电磁连铸中，我们可以根据最大磁感应强度的位置来控制弯月面的高度，使初期凝固点位于线圈的中心位置。

3.3.2 线圈与结晶器的间距对磁场的影响

当线圈与结晶器间距增大时，结晶器内磁场分布规律基本相似，但磁感应强度有所减小。因此，感应线圈的设计应尽量减小与结晶器的间隙来减少系统漏磁，使结晶器内获得较大的电磁场。研究表明，5 mm～10 mm左右的间距可以有效的利用电源效率，保证有较强的磁场，对电磁连铸过程较为有利，因此，线圈要与结晶器有一定的距离。

4 电磁场对弯月面的影响

电磁连铸过程中钢水弯月面形状是钢水和保护渣界面能、钢水静压力、电磁力、渣膜流动压力以及由于结晶器振动和钢液内部流动形成的压力等诸多因素相互作用平衡的结果。

在电磁力作用下，磁场强度越大，金属向中心拱起的高度越大，弯月面与器壁的接触点下降越多。这是因为液态金属所受电磁力与磁场强度成正比，磁场强度越高，由于集肤效应造成金属向中心拱起的高度越大，弯月面与结晶器壁的接触点下降越大。另外过热度越高，电磁力对弯月面形状的影响也越小，这是因为随温度的升高，金属的电阻率增大，熔融金属中产生的感生电流降低，导致作用于弯月面处的电磁力降低，弯月面高度下降的幅度减小［14］。李廷举等人［15，16］直接观察了高频和间歇高频电磁场作用下的弯月面行为。他们发现，弯月面与结晶器壁之间具有间歇接触现象，同时在弯月面上存在静振波和横波;磁场越强弯月面波动越大，周期性接触速度也增大。他们还发现，由于结晶器的振动，弯月面将发生变形，电磁软接触结晶器内的钢液面始终保持为抛物线形状和与结晶器壁的不完全接触状态，没有观测到常规结晶器内发生的横纹波动，渣液的流入深度随磁感应强度的增大而增大。邓安元等人［17］还对软接触电磁场对弯月面处钢水流动问题进行了模拟计算，结果表明，电磁场减小了钢水股流冲击，可提高弯月面稳定性。

增加电源功率时，可以增大高频磁场在铸坯初始凝固区域的强度及作用范围，有利于弯月面的形成;线圈位置越靠上，越有利于磁感应强度透过结晶器，有助于弯月面高度的增大;当金属液面位于感应线圈高度中心与线圈顶端位置之间时，高频磁场作用于初始凝固区域的有效作用较强，可产生较大的电磁压力，有助于获得高表面质量的铸坯。

随着电源输出功率的增加，弯月面高度随之增高，波动加剧。当感应线圈靠近结晶器上沿时，弯月面变形显著。在保证电源输出功率一定的条件下，高频电源输出频率越低，弯月面高度越高。当低熔点合金自由表面位于线圈上沿附近时，弯月面最高。生产中熔融金属的初始凝固位置应该位于线圈上沿附近，有助于获得高表面质量的铸坯。

5 结论

(1)频率越高，穿过结晶器的磁力线越集中于铸坯表面，使该处磁感应强度上升、电磁压力增大。因此，高频电磁场有利于形成铸坯与结晶器的软接触;

(2)软接触结晶器的电磁特性与频率密切相关，两段式结晶器内的磁感应强度随着频率的增大而减小，切缝式结晶器内的磁感应强度随着频率的增大而增大，为充分发挥交变磁场的软接触效果创造条件;

(3)改变感应线圈的位置，最大磁感应强度仍然在线圈中心位置处，逐渐向线圈两端减小。在电磁连铸中，可以根据最大磁感应强度的位置来控制弯月面的高度，使初期凝固点位于线圈的中心位置;

(4)在电磁力作用下，磁场强度越大，金属向中心拱起的高度越大，弯月面与器壁的接触点下降越多。高频磁场作用于初始凝固区域的有效作用较强，可产生较大的电磁压力，有助于获得高表面质量的铸坯。

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