方圓坯多模式電磁攪拌器的設計與應用

陽 清,張 凱

(1. 湖南理工學院 機械工程學院,湖南 岳陽 414006; 2. 湖南科美達電氣股份有限公司,湖南 岳陽 414000)

0 引言

連鑄過程是將液態鋼水轉變為固態鋼坯的過程. 在鑄坯的凝固過程中,不可避免地會出現一些中心疏松、偏析以及夾雜物等缺陷[1]. 方圓坯電磁攪拌技術是改善連鑄坯凝固組織,提高鑄坯質量的有效外場手段之一[2]. 國內連鑄電磁攪拌技術經過三十多年的發展,進入了世界先進行列[3]. 電磁攪拌器已成方圓坯連鑄機的標配冶金設備. 傳統方圓坯電磁攪拌器的攪拌模式單一,對于方圓坯連鑄機冶金質量的調控手段有限. 如圖1 所示,方圓坯多模式電磁攪拌器具有兩組線圈繞組. 一組為旋轉線圈繞組,一組為行波線圈繞組,均設置在同一個鐵芯上. 當旋轉線圈和行波線圈同時通入勵磁電流時,通過旋轉磁場和行波磁場的疊加,形成復合的螺旋磁場,且螺旋磁場的角度、方向可以改變,具有多種攪拌模式. 方圓坯多模式電磁攪拌器對鑄坯的中心偏析、中心疏松等具有很好的外場作用.

圖1 多模式電磁攪拌器的鐵芯及繞組

1 多模式電磁攪拌器的設計

1.1 多模式電磁攪拌器的結構與原理

多模式電磁攪拌器主要由非磁性筒體、鐵芯、旋轉線圈繞組、行波線圈繞組、引出線、接線端子和保護罩組成. 多模式電磁攪拌器共有十二個線圈,其中六個線圈圓周布置,為旋轉線圈繞組,接入U、V、W 三相變頻器1,每相兩個線圈相對布置,尾尾串聯,通過勵磁電流時,使用磁場穿過攪拌器中心; 另外六個線圈垂直布置在鐵芯上,為行波線圈繞組,接入U、V、W 三相變頻器2,每相兩個線圈尾尾串聯,通過勵磁電流時,形成攪拌器中心上下方向的行波磁場.

運動的磁場使鋼液產生了感應電流,鋼液變成了載流導體,并在運動磁場的作用下運動起來,即對鋼液進行無接觸攪拌.

多模式電磁攪拌器的旋轉線圈繞組單獨通入勵磁電流時,產生旋轉磁場,其旋轉磁場的大小和速度由勵磁電流的大小和頻率決定. 改變線圈U、V、W 電流的相序,可以改變攪拌器旋轉磁場的方向. 行波線圈繞組單獨通入勵磁電流時,產生行波磁場,行波磁場的大小、速度、方向同樣可以通過勵磁電流的參數來改變. 旋轉、行波線圈繞組同時通入勵磁電流時,旋轉磁場和行波磁場復合成螺旋磁場,螺旋磁場具有一定的螺旋角度、速度和方向,由旋轉線圈、行波線圈的勵磁電流的大小、頻率和方向共同決定.

1.2 多模式電磁攪拌器的仿真

1.2.1 控制方程

多模式電磁攪拌器的控制方程為麥克斯韋方程組,描述電場、磁場與電流密度之間的關系,通過該方程組可以找出電磁場的相關規律[4]:

其中B為磁感應強度,J為電流密度,μ0為真空磁導率,μr為相對磁導率,E為電場強度,σ為電導率,t為時間.

螺旋線圈繞組和行波線圈繞組均采用三相正弦交流電,相位差為120 度. 多模式電磁攪拌器的電磁力以及磁感應強度均隨時間變化. 在仿真模型的后處理計算中,電磁力為時均力.

1.2.2 相關計算條件和參數

多模式電磁攪拌器相關參數見表1,額定電流400 A,頻率5～9 Hz,外水直冷型,內徑為φ320 mm,適應于鑄坯規格150 mm×150 mm 的方坯或直徑為φ200 mm 的圓坯.

表1 多模式電磁攪拌器的相關參數

多模式電磁攪拌器的線圈繞組、鋼液和空氣的相對磁導率為各向同性,且均為定值,其物理屬性參數見表2. 牌號為50W315 的無取向硅鋼片作為攪拌器的鐵芯材料.

表2 物理模型單元的物性參數

1.2.3 多模式電磁攪拌器的仿真結果和分析

對多模式電磁攪拌器進行數值模擬仿真,對旋轉線圈繞組、行波線圈繞組同時通電,旋轉線圈繞組電流為curR,行波線圈繞組電流為curT. 仿真計算電流為200 A、300 A、400 A,頻率為5 Hz 時中心復合磁場的感應強度,仿真結果得出：電流越大,電磁感應強度越大,curR、curT 為400 A 時,可達1200 Gs,是常規只有旋轉線圈的電磁攪拌器的1.18 倍. 150 mm×150 mm 的方坯和φ200 mm 的圓坯受到的多模式電磁攪拌器的螺旋電磁力矢量圖如圖2～4 所示.

圖2 150 mm×150 mm 的方坯所受電磁力矢量

圖3 φ200 mm 的圓坯所受電磁力矢量

圖4 改變電流方向后的φ200 mm 圓坯電磁力矢量

150 mm×150 mm 的方坯和φ200 mm 的圓坯,在旋轉線圈繞組電流curR 和行波線圈繞組電流curT 大小不同時,方圓坯所受的電磁力數據和形態不同,可以看出隨著旋轉線圈繞組和行波線圈繞組的電流值增大,鑄坯所受電磁力增大; 隨著行波線圈繞組的電流增大,螺旋角度會增大; 通過旋轉線圈繞組電流方向的改變,可以使螺旋方向在順時針和逆時針方向切換; 通過行波線圈繞組電流方向的改變,可以使螺旋方向在向上和向下方向切換. 多模式電磁攪拌器具有多種攪拌模式,更有益于電磁冶金攪拌參數的調整.

2 多模式電磁攪拌的應用

2.1 多模式電磁攪拌系統

多模式電磁攪拌電控系統包括主電力變壓器、進線配電柜、PLC 柜、變頻柜和遠程監控系統等. 每個多模式電磁攪拌器配置兩個變頻柜,分別控制旋轉線圈繞組和行波線圈繞組,每臺變頻柜可以單獨控制,調節頻率為0.3～16 Hz,步長為0.1 Hz 并連續可調,輸出電流的波形畸變率小于2%[5].

多模式電磁攪拌器采用外水直冷方式,冷卻水主要帶走線圈的發熱以及鑄坯的輻射熱. 冷卻水循環系統主要由純凈水箱、水泵、熱交換器、過濾器、監控儀表、管道和閥門等組成. 水系統對多模式電磁攪拌器的壓力、流量、溫度,水箱的水位,冷卻水的質量等進行監控,并具有遠傳檢測和就地顯示功能.

2.2 多模式電磁攪拌器的安裝位置

該鑄機主要生產中碳鋼、高碳鋼,為改善鑄坯的中心偏析和疏松問題,多模式電磁攪拌器安裝在鑄坯線性熔芯比為30%左右的位置. 該連鑄機的主要參數見表3.

表3 連鑄機的主要參數

2.3 多模式電磁攪拌器的冶金效果

經過現場連鑄工藝的多次調整,確定多模式電磁攪拌器在旋轉線圈電流為300 A,行波線圈電流為250 A,螺旋方向與鑄流方向相反時,順時針方向攪拌15 s,1.5 s 滯后,逆時針方向攪拌15 s,頻率5 Hz 時為最佳攪拌參數.

圖5 為鑄坯低倍照片. 可以看出,40Cr 鋼在多模式電磁攪拌器作用下,鑄坯的中心偏析、疏松都得到了改善. 鑄坯的中心偏析和疏松由2 級提高至0.5 級,鑄坯的中心縮孔由1 級提高至0 級.

圖5 40Cr 鋼鑄坯低倍照片

3 結束語

多模式電磁攪拌器可以獲得旋轉磁場、行波磁場和多種模式的螺旋磁場,螺旋磁場的角度和方向可以通過電流調整,攪拌模式豐富.多模式電磁攪拌器在中高碳鋼中的應用表明,它可以有效改善中心偏析、中心疏松和縮孔等問題.

鋼水的過熱度、鑄機拉速及鑄坯的二冷強度等工藝參數對鑄坯的等軸晶率、偏析、疏松等有較大的影響,多模式電磁攪拌對鑄坯的作用還需進一步研究和實踐.