（钢铁冶金专业论文）薄带双辊连铸电磁侧封物理模拟实验研究.pdf

上海大学硕士学位论文 摘要 电磁侧封是薄带双辊连铸中一项关键技术，可以实现辊端金属液的无接触侧 封。国内外都非常关注这项技术，相继提出了一些合理的设想和数值计算，但在 实验性研究及其规律方面，至今报道尚少。本文在分析了前人所提出的各种形式 电磁侧封装置的基础上，自行设计了有效的电磁侧封实验装置，并利用金属锡代 替钢液，用不锈钢容器或耐火水泥槽代替双辊结晶器进行了电磁侧封的物理模拟 实验。 本文主要工作如下。首先，采用变压器式电磁侧封装置，对其电磁场分布和 影响侧封效果的各种参数，如感应圈安匝数、磁极进入铸辊的深度、电源的频率 等，对金属液侧封高度和侧封表面形状等的影响进行实验研究。其次采用临近 感应式电磁侧封装置，研究了相应的参数对金属液侧封高度和金属液侧封的自由 表面形状等的影响规律。在本文的结尾，对侧封装置及过程中电磁场建立了数学 模型，并运用a n s y s 软件并进行了初步的数值分折；同时对铸辊和金属液的传 热和凝固问题的数学模型进行了分析，将其简化为一对耦联的平面和轴对称的相 变热传导问题。另外还根据本文实验和初步计算结果提出了一种电磁侧封装置的 设想和多种方式侧封的耦合作用问题，将在今后的工作中开展研究。 本文的实验研究结果表明：( 1 ) 变压器式电磁侧封装置和邻近感应式电磁侧 封装置对辊端金属液实现侧封都是可行的。运用变压器式电磁侧封装置时辊端设 计成突缘形式，侧封效果很好，但磁极深入辊端较深时金属液表面波动严重，侧 封高度随感应圈安匝数的增加呈线性增加。( 2 ) 采用临近感应时电磁侧封装置进 行模拟试验时，由于线圈中电流直接感应液态金属，可以采用普通形式的铸辊， 这种结构磁路相对缩短，漏磁减小，在磁极处产生得磁感应强度有所提高，在同 样的条件下侧封效果较好，且侧封高度随感应圈安匝数的增加而提高。同时，临 近感应式电磁侧封装置便于在辊端有限的空间内安装，接近实际生产。( 3 ) 比较 文中实验结果，电源频率对侧封效果有明显的影响，在频率为1 2 0 0 赫兹时，金 属液波动严重，甚至无法测定数据和稳定侧封，当电源频率升高到2 2 0 0 赫兹时， 金属液面稳定，边部被平稳侧封。( 4 ) 本文实验表明，电源如果能提供更大功率 上海大学硕士学位论文 且侧封系统满足其匹配条件，则完全可以达到生产状态下钢水的侧封高度，并实 现稳定的侧封。( 5 ) 本文结果显示，要实现钢水3 0 c m 的侧封高度，在不考虑铸 辊辊端的突缘结构的条件下，所需要的感应圈安匝数约在2 0 0 0 0 。 关键词：薄带，连铸，双辊连铸。电磁侧封，物理模拟。 i i 上海大学硕士学位论文 a b s t r a c t u s e o f e l e c t r o m a g n e t i c d a mp l a y sam a j o rr o l ef o rp r e v e n t i n gm o l t e nm e t a lf r o m l e a k i n go u tf r o map o u r i n gb a s i nb e t w e e nt h eu p p e rp o r t i o n so ft w or o l l si nt w i n r o l l c o n t i n u o u sc a s t e r v a r i o u sk i n d so fe l e c t r o m a g n e t i c d a m d e s i g n a n dn u m e r i c a l s i m u l a t i o nw a r ep u tf o r w a r da th o m ea n da b r o a d h o w e v e r , f e we x p e r i m e n td o n e a b o u te l e c t r o m a g n e t i c d a m ，a n dn o p e o p l e c a nt e l lt h ep r i n c i p l ea b o u ti t i nt h i st 1 1 e s i s w eb u i l ta ne x p e r i m e n t a la p p a r a t u so f e l e c t r o m a g n e t i cd a m ，a f t e ra n a l y z i n gv a r i o u s e l e c t r o m a g n e t i c d a m s e v e r a ls i m u l a t i o ne x p e r i m e n t sw e r ec a r r i e do u tt os t u d yt h e p a r a m e t e r s t h a ta f r e c tt h ec o n t a i n m e n t h e i g h to f m o l t e nm e t a l i nt h i ss i m u l a t i o n e x p e r i m e n t ，t i nw a s u s e da sa n a l o g u eo fs t e e l ，b e c a u s em e l t i n g p o i n t o ft i ni s1 0 w , a n dt h eo t h e r p h y s i c a lp r o p e r t i e so f t i n a r es i m i l a rt os t e e l s u c ha s d e n s i t y s t a i n l e s ss t e e la n df l a m er e s i s t a n tc e m e n tc o n t a i n e rw e r eu s e da sa n a l o g u eo f t w or o l l s t h ee x p e r i m e n t a lp r o c e d u r ei sa sf 0 1 1 0 w i n g ：f i r s t p h y s i c a ls i m u l a t i o nw a s c a r r i e do u to nt h et r a n s f o r m e rp r i n c i p l ee m dt o s t u d yp a r a m e t e r st h a ta r e c tt h e c o n t a i n m e n th e i g h to fl i q u i dt i n ，a n dt h eq u a l i t yo fc o n t a i n m e n t s e c o n d ，p h y s i c a l s i m u l a t i o nw a sc a r r i e do u to nt h ep r o x i m i t yp r i n c i p l ee 回t os t u d yp a r a m e t e r st h a t a f f c c tt h ec o n t a i n m e n th e i g h to fl i q u i dt i n t h ed i s t r i b u t i o no ft h em a g n e t i cf l u x d e n s i t yw a sm e a s u r e d ；t h ef l u c t u a t i o no f t h es u r f a c eo fm o l t e nm e t a lw a s i n v e s t i g a t e d t o o 1 1 1 i r d i no r d e rt o a l l a l y z e t h ed i s t r i b u t i o no fm a g n e t i cf i e l d w eb u i l d m a t h e m a t i c a lm o d e lt oc a l c u l a t et h ee l e c t r o m a g n e t i ca n dt h e r m a lf i e l d i nt h ee n do f t h i st h e s i s ，an e wa p p a r a t u s ，w h i c hh a ss o m ea d v a n t a g e so fe l e c t r o m a g n e t i c - d a m b e f o r em e n t i o n e d ，w a sd i s c o u r s e dt o o t h e p h y s i c a ls i m u l a t i o ne x p e r i m e n t s r e s u l t sd e m o n s t r a t e t h a t ：( 1 ) s a t i s f y i n gh e i g h t o fc o n t a i n m e n tw a so b t a i n e du n d e rt h et r a n s f o t i t t e rp r i n t i p l ee m da n dt h ep r o x i m i t y p r i n c i p l e e m d u n d e r a p p a r a t u s o ft h et r a n s f o r m e r p r i n c i p l ee m d ，h i g h e r c o n t a i n m e n tc a nb eo b t a i n e du s i n gp r o t r u d i n ge d g e dr o l l w i t hi n c r e a s eo ft h e d i s t a n c eo f i r o nc o r ei n t ot h er o l ir i m ，t h eh e i g h to f c o n t a i n m e n ti n c r e a s e dr a p i d l y , a n d t h ef l u c t u a t i o no fl i q u i dm e t a lb e c o m em o r es e r i o u s l y 1 1 1 eh e i g h to fc o n t a i n m e n t i n c r e a s e dl i n e a r l ya l o n gw i t hi n c r e a s i n gc u r r e n t ( 2 ) u n d e ra p p a r a t u so ft h ep r o x i m i t y p r i n c i p l ee m d g e n e r a lr o l l c a nb eu s e dt o g e tg o o d i s hh e i g h t o fc o n t a i n m e n t b e c a u s et h ee l e c t r o m a g n e t i cf l u xw a yb e c o m e ss h o r t e r , t l l e r ei sl e s sc l e a r a n c ei nt h e f l u xw a y , s ot h em a g n e t i cf l u xd e n s i t yi s s 拄o n g e r t h a nt h a to ft h el r a n s f o r m e r p r i n c i p l ee m d w i t l lt h ec o m p a c ts t r u c t u r e t h ep r o x i m i t yp r i n c i p l ee m d c a nb es e t i n1 i m i t e ds p a c e r 3 1b o t ho ft w o s i m u l a t i o ne x p e r i m e n t ss h o wt h a tt h ef r e q u e n c yo f p o w e rs u p p l yp l a y sa ni m p o r t a n t r o l ei ns h a p ec o n t r o l l i n go f m o l t e nm e t a l ，u n d e rt h e f r e q u e n c yo f1 2 0 0 h z ，c o m p l e t ec o n t a i n m e n tc a n n o tb eo b t a i n e d e n h a n c i n gt h e f r e q u e n c yt o2 2 0 0 h z ，s t e a d ys u r f a c e ，b o u n d a r yc a nb ea c h i e v e d i ft h ep o w e ri s i n c r e a s e d ，w ec a l lg e tc o n t a i n m e n th e i g h th i g h e re n o u g l lf o rt h ec o n t i n u o u sc a s t i n g ， t h ec o n t a i n m e n th e i 【g h to fm o l t e ns t e e lo f3 0 c m s u p p o s e db ye l e c t r o m a g n e t i c f o r c ei s p o s s i b l ef o rb o t ht y p eo f e m dw i t hap o w e r f u ls o u r c e 。w h i c hc a np r e s e n tt h ec o i l c u r r e n tw i t ha b o u t2 0 0 0 0 a m p e r e - t u r n s k e y w o r d s ：s t r i p ，t w i n - r o l lc o n t i n u o u sc a s t i n g ，e 1 e c t r o m a g n e t i cc o n t a i n m e n t f e l e c t r o m a g n e t i cd a m ) p h y s i c a ls i m u l a t i o n i i i 原创性声明 本人声明：所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究工作。 除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已发表 或撰写过的研究成果。参与同一工作的其他同志对本研究所做的任何 贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 签名：型 本论文使用授权说明 本人完全了解上海大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学 校有权保留论文及送交论文复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可 以公布论文的全部或部分内容。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 铆雒 日期 上海大学硕士学位论文 第一章文献综述 1 1 薄带双辊连铸技术及发展概况 薄带双辊连铸技术是以液态金属为原料，以反向旋转的两个水冷铸辊为结晶 器，将液态金属直接浇铸于转动的铸辊辊缝中结晶凝固，并施加轧制压力进行塑 性加工变形，使液态金属到薄板带材的成型过程次完成。薄带双辊连铸技术以 其短流程、高材料收得率、高能源利用率和低生产成本而为人瞩目，可望部分取 代传统的厚板坯连铸开坯热轧技术，成为钢铁工业中有技术和经济优势的项 新技术飞跃l 1 。 与传统的厚板坯连铸连轧技术相比，薄带双辊连铸技术有如下些技术优势 和特点： ( 1 )薄带双辊连铸所生产的薄带坯料的厚度通常只有2 - 4 r a m ，因而可 以省去整套带钢热轧机组，取消了热连轧及其相关的加热过程， 大幅度节省能源( 仅为传统工艺的2 5 5 1 ) ； ( 2 )省去了切头、开坯等一些常规工序，并对冷轧设备要求降低； ( 3 )将凝固与塑性成型合二为一，大幅度的缩减了钢铁薄带生产的工 艺流程 ”，从而减少了c 0 2 s 0 2 n 0 x 等有害气体的排放量，并降 低投资成本( 约为传统工艺的7 7 【5 】) ，且生产灵活； ( 4 )该技术适用于生产装潢、餐具、电器外壳等对机械性能要求相对 较低，但产品市场需求量大的不锈钢、铜、铝合金等薄板或薄带。 图l ，l 是薄带双辊连铸技术与传统的厚板连铸热轧工艺生产流程的t e 较 6 - 7 1 ，由图可见，薄带双辊连铸比传统的厚板连铸的生产线大大缩短，浇注速度 和冷却速度大幅度提高。薄带双辊连铸对于节省能源、快速生产，降低生产成本 具有重大意义。 由于上述技术优势，国内外自上世纪8 0 年代以来，纷纷开展此项技术实验 和开发研究( 冷却铸辊形式的设计，侧封板材料的选取及结构设计，侧封板顶紧 装置的实验研究，铸辊传热数学模型的建立等) ，部分国外大公司并进行了一些 上海大学硕士学位论文 规模性工业试验和试生产嗍，其中较著名的有 剖 鞋 冷却速度( x s e c ) 图1 1 潭带连铸于传统工艺的比较 设在新日铁光工厂的带钢连铸机，于1 9 9 7 年投产，现已浇注奥氏体不锈钢， 最大宽度为1 3 3 0 m m ，但最终还要将钢带边部去除1 0 m m 。带钢连铸机铸辊为不 锈钢制作的空心水冷辊，在铸轧辊的两侧用陶瓷侧挡板封闭。据新日铁的报告， 目前该连铸机生产3 0 4 不锈钢已达到最多可连浇4 个6 0 t 钢包的水平。但其连续 生产的成本要高于传统工艺。 设在欧洲克虏伯一蒂森不锈钢公司的e u r o s t r i p 连铸机，是蒂森克虏伯公司、 阿塞勒公司和奥钢连工程公司的合作项目，于1 9 9 9 年9 月开发。目前可以生产 3 0 4 不锈钢带，生产过程全部在惰性气体中进行，但生产成本也比传统工艺高。 建在美国纽柯公司克劳福兹维尔( c r a w f o r d s v i l l e ) 厂的c a s t r i p 设备，该设 备最初是澳大利亚b h p 公司和日本i h i 公司共同研制的，2 0 0 0 年纽柯公司加入 了此向开发，2 0 0 2 年5 月投入运行，但由于修边，还将裁剪2 5 m m ，此生产线尚 未达到试生产阶段。 国内上海钢铁研究所于1 9 9 8 年研究并设计了薄带双辊连铸机械侧封装置， 并在试验中生产了少量带钢。笔者在生产现场观察到带钢表面出现夹渣缺陷、边 部缺陷，尚不能稳定生产，原因可能是由于陶瓷侧封板的磨损及热变形剥落颗粒 融入钢液中。另外东北大学也开发了薄带双辊连铸实验机组，进行过一些实验研 究，但尚未达到工业试验水平。 从目前国内外对薄带双辊连铸的研究、试验和试生产的情况分析，该技术在 2 上海大学硕士学位论文 生产和应用方面尚存在几个难点问题有待突破，如： ( 1 ) 薄带的非平衡态凝固和铸态组织( 经常为对穿的柱状晶) ； ( 2 ) 金属液面的波动和搅动； ( 3 ) 连铸辊端的钢水侧封问题：侧封的方式、侧封档板材料、侧封板表面 耐磨和润滑处理工艺等； ( 4 ) 凝固带坯的卷渣问题。 在薄带连铸过程中，钢水通过浸入式水口进入由两个水冷辊和两个侧封坝围 成的熔池区，经过包括轻度轧制在内复杂凝固过程成为薄带，侧封工艺和技术能 否达到严密封住钢水，以及侧封板的材料、结构等因素，将直接影响薄带质量。 在发达国家的薄带连铸技术开发中，都投入了大量的人力、财力研究和试制各种 不同类型的侧封机构。目前研究较多的是采用固体式侧封板侧封和电磁侧封。 1 2 薄带双辊连铸固体侧封技术 1 2 1 薄带双辊连铸固体侧封原理 在薄带双辊连铸机中，为了防止钢水从双辊的两端溢漏，必须在双辊端部设 置密封装置。在薄带连铸过程中，钢水通过浸入式水口进入由两个水冷辊和两个 侧封板围成的熔池区，经过包括微轧制在内的复杂凝固过程成为薄带，侧封板是 否严密封住钢水以及侧封板的材料、结构等因素将直接影响薄带质量，目前国内 外薄带连铸研究开发中用得最多的是固体侧封板技术，固体侧封装置主要由侧封 板和顶紧装置组成，如图1 2 所示吼 图1 2 机械侧封原理图 1 挠口，2 铸辊，3 中间包，4 侧封当板，5 顶紧装置，6 调节装置 在浇注过程中，侧封板受到如下力的作用：在水平方向上，有熔池内钢水的 静压力竹，铸带的轧制展宽力岛，铸辊端面的反作用力乃，以及侧封装置的顶 3 上海大学硕士学位论文 紧力，；在垂直方向上，有重力g 、辊端面摩擦力， 一的作用。上述作用力的平衡关系式为： 只+ 最+ = f 以及侧封装置向上的托力 + g = e( 2 ) 由( 1 ) 式可知，当顶紧力f = 只+ 只时，侧封板处于无摩擦状态( 此时 f 2 = 0 ，即辊端面对侧封板无正压力，因而不存在摩擦力) ，这种理想状态在实 际操作中是很难做到的。而当鼻+ 只f 时，侧封板与铸辊端面之间就会因侧封 封板的退让而产生小的间隙，熔池中的钢水就可能进入此缝隙而在铸带边部产生 毛刺，随着双辊的转动，这些毛刺反过来会使侧封板磨损甚至拉伤，使缝隙越来 越大，毛刺也越来越多，结果封不住钢水，造成连铸中断。所以在实际的操作中， 顶紧力必须保持大于静压力和展宽力之和的状态，此时铸辊端谣对侧封板的压力 随顶紧力的增大而增大，侧封板所受的摩擦力也相应增大，侧封板易于磨损、剥 落。同时，顶紧力增大时，就要求侧封板具有相当的抗压性能，否则就有可能被 压碎。另外，侧封板一侧与高温的钢水接触，另侧暴露在空气中，因而具有很 大的温度梯度，钢水容易在侧封扳上形成凝固物，在侧封板的上部形成较大的凝 固块随着双辊转到较窄的咬合点时，具有较大的、不规则的变形量，容易造成边 缘缺损。当凝固块逐渐长大到侧封板不足以吸附住它时，凝固块就会从侧封板上 脱落下来形成冷块。随着双辊的转动，凝固块反复生成、脱落、挤压，结果造成 铸带边缘缺损和冷块周期性出现。这一部分有缺陷的边缘必须切除，这就大大降 低了此技术的成才率，增大了二次加工量。 以上分析表明，采用固体侧封技术必须配备能够精确自动控制的顶紧装置， 同时对侧封板的材料和性能也提出了较高的要求，比如：良好的耐热性、耐冲击 性，热变形量小，高温下仍具有良好的强度、耐磨性和韧性，良好的绝热性能， 对凝固物的剥落性能好，等等。 1 2 2 薄带双辊连铸固体侧封存在的问题 双辊薄带连铸自1 8 4 6 年h b e s s e m e r 提出以来，各国钢铁企业都为实现此 目标而奋斗。但与传统的连铸和薄板坯连铸相比，生产成本并没有明显降低，原 4 上海大学硕士学位论文 因是在全世界范围内，目前的带钢铸轧机所用的消耗件太贵。另外采用陶瓷材料 的机械侧封时，侧封板与双辊端部直接接触，侧封板就易于磨损、漏钢、侧封板 碎裂，水口损坏也有发生。如钢水量增多，铸机连续工作时间延长，上述问题会 更加突出，故在薄带连铸进入工业化生产前必须解决。由于连铸薄带主要考虑用 作为冷轧带坯，因而要求连铸获得外观和内在质量、宽度和厚度均符合冷轧要求 的铸带坯。事实上，连铸过程中铸带容易出现很多质量闯题，如下图所示： a 边缘毛刺b 边缘漏钢 c 边缘缺损d 铸带冷块 图1 - 3 固体侧封钢带边缘常见缺陷【1 0 】 1 铸带厚度不均匀，铸带厚度波动约为5 1 0 t 6 1 ，这不利于铸带冷轧： 2 铸带出现表面缺陷，如裂纹、冷隔、折叠( 重皮) 等； 3 铸带边缘缺损，该缺陷较多时会增加铸带的剪边量，使产品的收得率降 低： 4 铸带内部缺陷，如中心开裂、夹渣和偏析( 主要中心偏析) 、组织不均匀 和织构等。 在上述缺陷中，铸带裂纹、边部缺陷、冷隔和冷块等缺陷的不利影响大- 是 目前急待解决的主要技术问题。 1 3 薄带双辊连铸电磁侧封技术 自从薄带双辊连铸技术提出之后，针对固体侧封板问题这一关键技术做了大 量的研究工作，包括对各种顶紧装置( 如丝杆式，气动式和液压侧封板顶紧与移 动式) 的试验，侧封板耐火材料的选择，取得了一些成果，但仍不尽人意a 应注 意到，只要采用固体侧封技术，就必然存在侧封板的消耗与磨损。而基于各种技 s 一圭塑奎兰堡主堂堡堡兰 术基础上的研究，努力的方向都是围绕着尽量降低因侧封板消耗和磨损所发生的 成本。可以说，这是固体侧封板固有的缺陷，难以从根本上得到解决。鉴于此种 情况，2 0 世纪8 0 年代末，薄带双辊连铸电磁侧封方法的提出，为从根本上解决 此问题指出了一个新的思路。为了解决机械侧封中的种种问题，世界各国的钢铁 公司便致力于电磁侧封装置的研究。从电磁力( 超距性、非接触性) 的特点分析， 电磁场在理论上可实现熔池底部无漏钢的非接触侧封，因而可减少侧封对铸带边 缘的不良影响，提高铸带质量，还可以减少后续加工中的切边量，降低产品成本。 同时，电磁侧封又可以消除固体侧封中陶瓷侧封板与钢液接触所带来的种种问 题，不但能扩大浇注量，铸轧更长的薄带，减少铸轧机维修时间，并且有望使吨 钢的侧封成本降至l 美元以下【4 】。 1 3 1 薄带双辊连铸电磁侧封技术原理 所谓电磁侧封技术就是在双辊的两个端面上分别施加一个特定的电磁场，通 过作用于液态金属上的电磁感应力来达到侧封液态金属的目的。如果施加合适的 交变电磁场，就会在辊端的液态金属内部感生出相应的涡流，这个感生电流在电 磁场中就会形成始终指向液态金属内部的洛仑兹力。只要该力满足一定的条件 ( 电磁力等于静压力与其它力之和) ，就可以完全抵消液态金属的静压力和其它 作用力，达到在铸辊端面上封住液态金属的效果。如果施加的电磁场是稳衡电磁 场，则需要另外的手段给液态金属内通入与此电磁场相垂直的电流，从而使液态 金属受到指向液态金属内部的电磁力的作用，同样也可以达到侧封的目的。 在电磁侧封技术中，由于电磁力的超距作用，无需与液态金属接触就可以对 液态金属施加以约束控制力，从而实现对液态金属的侧封。这样一来就避免了机 械侧封挡板的磨损和消耗。因而电磁侧封技术具有固体侧封板无法比拟的优越 性。图1 - 4 为电磁侧封的原理图【i i - 1 6 l ，该装置以一对特定形状的磁极代替了固体 侧封板，通过合理的放置磁极的位置，使两个磁极间产生如图中虚线所示的交变 磁场( 频率般为几十到几千赫兹) 或恒定磁场。若采用交变电磁场，铸辊间浇 注钢液之后就会在其中感生出如图所示的电流：若采用直流电磁场就用另一电源 通入如图所示的电流，最终在金属液内部形成电磁力。对于交变电磁场来说，由 于集肤效应，电磁场在金属中只能透过有限的深度：并且，随透入深度增加，磁 场强度随之迅速衰减。因而，在双辊边缘处的磁感应强度将最强，液态金属所受 6 的电磁力乃大于内部液态金属的静压力局，两者抵消后得到一个指向液态金属 内部的净电磁力，当这个电磁力与液态金属所受的轧制展宽力相平衡时，便能够 实现对液态金属的侧封。 图1 4电磁侧封原理图 l 铸辊，2 磁极，3 磁力，4 格池，5 铸带 1 3 2 稳恒电磁场+ 直流电的电磁侧封装置 稳恒磁场+ 直流电的电磁侧封装置的原理图 1 7 - 2 1 】，如图i 5 所示，它的电磁 侧封力是由恒电磁场与直流电之间相互作用而产生的。该装置在双辊的两端加上 一对导电环，并用绝缘材料使之与铸辊的主体保持绝缘。当铸辊间充满金属液时， 由于直流电源和电极的存在，就会在其中产生如图所示的电流，。同时，有另外 一套设备产生个如图所示的磁场曰。此时根据左手定则，就会产生一个指向液 态金属内部的电磁力，进而达到侧封的目的。稳恒电磁场+ 直流电的电磁侧封 装置避免了侧封板与铸辊的直接接触，从而减少了铸辊的磨损与消耗，降低了成 本。但这套装置需要两套大功率的直流电源，一套产生稳恒磁场，一套提供直流 电流。同时，辊端的导电环与直流电极也需要特殊的处理，增加了设备的复杂性， 也存在侧封板的腐蚀、消耗和更换的问题。 1 水冷铸辊2 绝缘材料 3 导电环4 直流电极 5 钢水熔池6 侧面耐材挡板 7 直流电源 图1 5 直流电+ 静磁场电磁侧封装置 7 上海大学硕士学位论文 1 3 3 交流电磁场电磁发生装置 交变电磁场的发生装置有三种不同形式【2 2 】：变压器式f r r a n s f o r m e rp r m c l p l e e m d ) 、附加电流增强式( a u g m e n t a t i o np r i n c i p l ee m d ) 、f 临近感应式( p r o x i m i t y p r i n c i p l ee m d ) ，它们的设计原理分别如图1 - 6 ( a ) ，( b ) ，( c ) 所示。 变压器式交流电磁场发生装置( 图1 - 6 a ) 是在一个具有高磁化率的铁芯上缠 绕上线圈，就好像一个变压器。当线圈中通入交变电流时，铁芯中就产生一个交 变电磁场，该磁场传到铁心的两极，形成一个水平方向的电磁场，辊缝中的液态 金属受到电磁感应，产生电磁侧封力。该装置结构简单，易于理解，但也存在 个很大的问题，即铁芯在交变电磁场的作用下必然会感应发热，使辊端被加热， 造成钢带边部有重熔现象，不但影响磁轭效率还影响带钢质量。而线圈中的铁芯 又不方便布置冷却设施，因而其功率的提高幅度有限，侧封高度受到限制。如果 采用高磁导率、低导电的材料制成磁轭，发热状况会改善。 附加电流增强式和临近感应式就是针对上述问题所提出的改进措施。在邻近 感应式电磁场发生装置中，直接用一个线圈产生磁场，布置在外面的铁芯起引导 磁力线的作用，以让更多的磁力线作用于液态金属上，提高了侧封的效率。这种 结构中的铁芯便于冷却。但它也存在缺点，即漏磁率高，如果不用铁芯引导磁力 线，线圈直接靠近熔态钢液，其工作环境会极其恶劣。在附加电流增强式磁场发 生装置中仍采用变压器式的结构产生交变电磁场，但在金属液中外加一交变电 流，这样就使感生电流和附加电流之和在电磁场中感生电磁力。在变压器供电功 率相同的情况下，附加电流增强式所产生的电磁力要大，因而能提高侧封高度。 ( a ) 变压器式 扣耐， j l 图l - 6 几种类型的交变电磁场发生原理装置图 1 3 4 交流电磁侧封装置 前文介绍了交流电磁场发生装置的基本形式与原理【1 7 - 2 1 ，但并不是任何一种 8 上海大学硕士学位论文 形式随意装配就可以用于双辊端部的电磁侧封，它必须以合适的组合形式、特殊 的结构和适当的定位，才可以有效的实现对双辊端部的液态金属侧封。这是因为 由双辊构成的熔池较特殊，钢液中静压力随钢液深度的增加而呈线性上升，而电 磁侧封力很难做到随金属液深度的增加呈线性递增，这就需要电磁侧封装置不但 要提供足够的电磁侧封力，还要保证电磁侧封力沿金属深度而线性增加。常见的 电磁侧封装置有蚍下几种形式( 如图1 7 和1 - 8 ) ，其中，前两种电磁侧封装置如 图1 7 ( a ) ，( b ) 所示。 ( a ) 水平磁场( b ) 垂直磁场 1 交流电流，2 铁芯，3 导电线圈，4 磁极1 交流电流，2 铁芯，3 导电线圈，4 磁极 图1 7 带铁芯的电磁侧封装置 这两种电磁侧封装置都是带铁芯的交流磁场发生装置，但两者在改变金属 液深度上的电磁力的原理不同。第一种，图1 7 a 所示的水平磁场的磁极做成弧 形，其轮廓大致与双辊边缘轮廓相同，这样磁场磁极之间的距离便随着钢液深度 的增加而减小，两极之间的磁阻也随之减小，因而，当通交流电时，产生水平的 电磁场，其电磁侧封力便随金属液深度增加而加大。该方法是靠改变磁阻来实现 电磁力随深度的变化。第二种，图l 。7 b 中，垂直电磁场电磁侧封装置的两个磁 极大小不同，上边磁极的横截面面积大，下边磁极的横截面面积小，而通过磁极 的磁通量相同，由公式= b s 可知，截面面积小的磁极处磁流密度大，n n 产 生的电磁力大。这样垂直方向的电磁场便能满足侧封力随金属液深度增加而加大 的要求。该方法是通过改变磁流密度来改变电磁力的大小。上述装景结构简单， 易于理解和制造，但都带有铁芯，存在着磁饱和特性( 电流较大时，铁芯进入饱 和状态，磁通增加一点，电流就必须增加很多) 、磁滞现象( 磁通波形的过零时 9 上海大学硕士学位论文 刻滞后于电流波形的过零时刻) 和涡流现象( 铁芯感应出漩涡似的感应电流) ， 且损耗随频率的上升而增加1 1 1 1 2 】。这些特性都会使电磁场发生装置效率降低，侧 封高度只能有限提高。这里，涡流使铁芯能量损失最大，可通过使用高电阻率导 磁材料或将铁芯沿磁场方向分割成许多相互绝缘的薄片来减弱涡流损耗。 后两种侧封装置如图1 8 ( a ) ，( b ) 所示，是利用线圈直接产生电磁场，一定程 度上避免了上述缺点。由图1 - 8 ( a ) 可见其左右线圈的结构特殊。其上部为矩形， 下部成圆弧形，与双辊的轮廓大致相同，且上部线圈截面积大，下部线圈截面积 小。当通交变电时，下部电流密度大于上部，因而下边的磁感应强度比上部大， 产生的电磁力大。在图1 - 8 f b ) 中，线圈是前后放置，后部线圈呈矩形方框把前部 线圈包围其中，前部线圈结构复杂，上部呈矩形，下部呈圆弧形，其内侧和下部 的左右两侧都有特殊的鳍状结构，有利于磁场分布。当通交流电时，也产生由上 到下逐渐增强的电磁力。但直接用该线圈产生磁场时，线圈必须离液态金属很近， 这样就会使线圈所处的工作环境恶劣，须用适当耐火材料保护，如图1 - 8 ( a ) ，并 进行水冷却。另外，由于没有铁芯，磁力线方向难以控制，必须用一些非磁性材 料作为附加屏蔽物，并且其内部结构复杂，电磁力难以用理论公式计算，需通过 大量的实验和数值模拟才可确定。但其结构紧凑，设计后效率会很高，研究前景 诱人。 ( a ) 左右线圈式 前后线圈式 1 左右线圈，2 冷却水通道，3 耐材挡板 1 前后线圈，2 冷却水通道 图i - 8 单匝线圈电磁侧封装置 国外大钢铁公司先后利用这些电磁侧封装置进行试验，并试生产了一些 带钢，在试验中也发现了一些问题，如： ( 1 ) 带钢边部厚度比其它邪位嗥，妨碍卷取机的正常卷取。 1 0 上海大学硕士学位论文 ( 2 ) 有效功率中有一半作用到铸辊的边缘加热，这部分功率没能有效用来 侧封液态金属。 ( 3 ) 带钢边缘有折皱现象。 综合上述结果，由国内外电磁侧封方面的研究现状，可以得到如下结论： ( 1 ) 侧封技术是薄带双辊连铸的关键技术之一，有效的侧封技术会使铸 带成本大大降低，有利于推动薄带连铸技术的产业化。 ( 2 )电磁侧封是一项全新的侧封技术，因为电磁力的超距作用，理论上 可利用电磁力实现高温金属液的非接触式侧封，有独特的优越性。 ( 3 ) 根据所施加电磁场的差异，可以将电磁侧封装置分为交变磁场式、 交变磁场组合式、恒定磁场+ 直流电式等几类，其各有优缺点，有待 进一步研究。 ( 4 )电磁侧封装置己初具规模，各种形式的磁场发生装置和电磁侧封装 置都已相继出现，其改进的目的是围绕着有效和节能来进行的。 ( 5 ) 现在研究的重点是怎样控制电磁力：一方面有效地利用电磁场，一 方面使电磁力满足铸带边界的要求；这里，包括以下几个方面：( a ) 电流和感应圈匝数与金属液侧封高度的关系；( b ) 电源频率对侧封 高度和金属液侧封表面的影响；( c ) 电流、匝数、频率与辊端区域 金属液的搅拌、波动，以及带边形状的关系，并确保电磁压力沿辊 边金属液的深度呈线性增加。 1 4 本论文研究的内容及目的 根据上述情况分析，电磁侧封中出现的问题及其关键技术，本课题相应的研 究内容主要有以下几个方面： f 1 ) 物理模拟实验：采用变压器式电磁侧封装置，利用底部封闭的不锈钢 槽代替由铸辊组成的熔池，利用金属锡( 熔点低，和钢的密度相差不大) 代替钢，进行电磁侧封试验，使锡液的侧封高度满足薄带连铸的需要 ( p = p l 曲。一p ：珈：) 。具体操作：( a ) 线圈匝数不变，改变电源功率和 频率，测定侧封高度；( b ) 选定电源功率和频率，改变线圈匝数，测定 侧封高度。 上海大学硕士学位论文 ( 1 ) 物理模拟实验：采用变压器式电磁侧封装置，利用底部封闭的不锈钢 槽代替由铸辊组成的熔池，利用金属锡( 熔点低，和钢的密度相差不大) 代替钢，进行电磁侧封试验，使锡液的侧封高度满足薄带连铸的需要 ( p = 角g h 。= p ：砒) 。具体操作：( a ) 线圈匝数不变，改变电源功率和 频率，测定侧封高度；( b ) 选定电源功率和频率，改变线圈匝数，测定 侧封高度。 ( 2 ) 磁极形状与结构优化：由于初步设计的磁极虽然满足一定的侧封高度 的要求，并不能保证磁场强度沿高度方向线性增强，使锡液边部不齐， 呈锯齿状。在模拟实验中，根据试验结果逐步改变磁轭的形式以适应侧 封要求。 ( 3 ) 铸辊辊端形状和结构优化：实验中，电磁感应的热效应使铸辊端部被剧 烈加热，必须降低铸辊端部的热效应和降低漏磁。通过改进铸辊端部的 形状和结构提高磁场效率，降低铸辊内产生的感应涡流和发热。优化方 法：( a ) 在铸辊的端部开上合适的槽。( b ) 选择低磁材料作为铸辊的端 部。 1 2 上海大学硕士学位论文 第二章薄带双辊连铸e m d 电磁理论原理 2 1 侧封电磁力的理论推导 薄带双辊连铸电磁侧封技术是利用特殊的电磁侧封装置，产生出交变的电磁 场。并在金属液中感生出交变电流，磁场和电流场相互作用产生电磁力，从而实 现对双辊端部金属液的有效约束。该电磁力即要求有足够的强度，又要满足一定 的分布才符合要求。因此，需要借助麦克斯韦方程，欧姆定律等进行电磁侧封过 程的电磁场分析。 首先，本问题中，麦克斯韦方程式写为： v x e = 一 ( 2 一1 ) v b = ( 2 2 ) v b = 0( 2 3 ) 在金属流体流动时，欧姆方程表示为： j = o - ( e + v 口) ( 2 4 ) 对方程( 2 2 ) 两边同时取旋度，并代入欧姆方程( 2 4 ) 得 v v b = 工刀j = ，叮盯( e 十v b ) = 一盯( ) + 2 0 - v ( 矿曰) ( 2 - 5 ) 运用矢量乘法规则： v x v b = v ( v b 1 一v 2 b ( 2 6 ) 把式( 2 - 6 ) ，( 2 3 ) 代入式( 2 - 5 ) 得 v 2 b + z 盯v ( 矿占) = 盯( ) ( 2 - 7 ) 令u 2 形仃，为磁扩散系数。由此，式( 2 - 7 变形为 a = v ( y x b ) + o v 2b(2-8) 上式可以理解为磁感应强度b 随时间的变化率，是由其对流传输项 v ( 矿口) 和扩散传递项闪2 b 组成。把方程无量纲化可导出一个无量纲的磁雷 1 3 一一一一 圭鲞奎兰堕主兰垡丝苎 诺数r ：等，式中u 和三分别为电磁场的特征速度和电磁系统的几何特征尺 寸( 如直径，宽度或高度等) 。当系统的特征尺寸远小于电磁波的波长“ ( = u f ，其中u 为电磁场传播速度，厂为电磁场频率) 时，r 。远远小于1 。 届时，式( 2 - 8 ) 简化为： v 2 b = l v c r o b o t ( 2 - 9 ) 为方便推导公式，建立如图( 2 1 ) 所示的坐标系，其中x - y 平面代表双辊 端部的金属液表面，z 方向是垂直于金属液表面向内且平行于双辊轴线的方向， 高频交流电磁场沿x 方向，在金属液表面作正弦变化，该电磁场由式( 2 9 ) 描 述。忽略电磁场在x 和y 方向上的梯度变化，只研究磁感应强度在z 方向的变 化，则式( 2 - 9 ) 可以写为： 凹= 叩扩b 澎：( 叩= 去) ( 2 - l o ) b x x 金属液 z 7 图2 - 1半无限平面内磁场分布模型示意图 令 b x = 础j ( z ) e x p ( 2 n j f l ) ( 2 - 1 1 ) 代入式( 2 1 0 ) ，得 1 4 上海大学硕士学位论文 其边界条件为； 2 n y f h ，= 叩d 2 ： z = 0 时h j = h o ( 2 - 1 2 ) ( 2 - 1 3 ) z = 时h j = 0( 2 1 4 ) 联立方程和边界条件求解得： 毋= 舰e x p ( 一z ) c x p 【斤z 厕万+ 2 删 ( 2 - 1 5 ) 再代入方程式( 2 2 ) ，可得y 方向上的感应电流密度 = 一刁i ( 1 一j ) h oe x p ( 一z 孑7 _ ) e x p j ( 一z 拓瓦+ 2 斫) 】 ( 2 1 6 ) 至此，由洛伦兹力公式 f = j b( 2 - 1 7 ) 并，= ( 0 ，j ，o ) ，b = ( 如，0 ，o ) ，且b = ，可得出 f = u j 日= ( 0 , 0 ，r h z ) ( 2 - 1 8 ) 将式( 2 1 5 ) ( 2 1 6 ) 代入上式，并在一个交变周期内进行时间积分，求得 电磁力的时间平均值 兄= 专r 一，：出= 詈；洋) e x p ( 一z 厮) = 寺硪e x p ( - 2 z a ) ( 2 - 1 9 ) 其中，d = 刁孑= 1 & o - f 为交变电磁场的集肤深度，t = 1 f 为电磁场的交 变周期。 再对电磁力f 7 进行z ：0 到z = 。的空间积分，得下式【2 3 2 4 ： 巴：r 兄出：f ( 朋：2 啦4 形出= 胆彳= 彳 ( 2 2 0 ) 式中总是h o 的有效值，h 。= h 。至；p m 为液态金属表面所受到的电磁压力。 由上式可见，电磁压力与金属表面处电磁场强度日的平方成正比( 即，卅恒 为正值) ，这说明电磁力的方向是从金属液的表面指向金属液内部，只要合理设 计电磁侧封装置，使磁感应强度分布满足条件，并且电磁场有足够的强度，实现 1 5