电磁连铸系统磁场的数值模拟及试验研究

以电磁场理论为依据，建立了电磁连铸成型系统的物理和数学模型，用小线圈法实测了不同电源功率时系统内的磁场强度，得出了结晶器内磁场的分布规律；并且进行了铝合金电磁连铸的成型试验，研究了工艺参数对铸锭表面质量的影响；用有限元法数值模拟了感应线圈位置以及感应线圈与结晶器间距对成型系统内磁感应强度和分布的影响。结果表明：磁感应强度的最大值位于感应线圈的中心位置；感应线圈与结晶器间的距离增大，磁感应强度明显减小，5～10mm的间距对电磁连铸过程较为有利。研究结果表明合理设计电磁连铸系统有利于得到分布合理的磁场，提高电源效率，确定合理的工艺参数可以保证电磁连铸的顺利进行并有利于改善铸坯的内外部质量。     

铝合金扁锭电磁连铸结晶器内磁感应强度的分布

用特斯拉计测量了电磁连铸铝合金扁锭结晶器内的磁感应强度.实验结果表明,结晶器内同一高度平面上磁感应强度在角部处最大,短边中心次之,长边中心磁场较短边中心处稍弱,平面中心处最小;沿高度方向上各点磁感应强度在感应线圈高度的1/2处附近达到最大值.感应线圈上表面的磁场较小,中心平面内的磁场较大,磁感应强度的大小和分布情况能够满足软接触电磁连铸的要求.中心平面的磁场分布规律较好而且磁场分布均匀,这样更有利于软接触的实现.各点的磁感应强度均随电流的增大而增大.     

圆坯电磁软接触连铸系统能耗和磁场特性的模拟

建立了电磁软接触连铸系统能耗分析模型,采用有限单元法,数值模拟了电磁软接触连铸结晶器内的磁场特性和系统功率分布,讨论了频率和线圈电流强度对磁场分布和系统功耗的影响。结果表明,在中间切缝结晶器连铸系统中有59%~65%的电能损失在了结晶器中;铸坯外表面纵向上的最大磁感应强度出现在液面以下5.5mm附近;结晶器内的磁感应强度与线圈电流成正比;在频率为10kHz~100kHz范围内,增加频率,结晶器内的磁感应强度逐渐降低;线圈电流强度不影响磁场的周向均匀性,在频率为20kHz时,磁场周向均匀性较好;系统能耗与线圈电流的平方成正比,频率增加,系统能耗显著增大,相同磁感应强度下,50kHz时所需系统功率为20kHz时的165%。对于178mm圆坯电磁软接触连铸系统,建议采用20kHz的频率。     

电磁软接触连铸高频磁场的数值模拟

以经典电磁场理论为依据,利用有限元软件ANSYS建立了电磁软接触连铸高频磁场计算的数学物理模型。用小线圈法实测了线圈内磁感应强度的分布,并将实测值与计算值进行比较,验证了模型的有效性。通过计算,分析了割缝结晶器内磁感应强度分布的不均匀性以及感应线圈匝间距对结晶器内磁感应强度分布的影响。结果表明：切缝对结晶器中半径小于25mm范围的影响很小,使接近结晶器壁处圆周上磁感应强度分布的不均匀性较大;减小线圈匝间距可以提高结晶器内磁感应强度,线圈匝间距以5～10mm为宜。     

硬铝合金软接触电磁连铸矩形结晶器透磁性能模拟

以经典电磁场理论为依据,利用有限元软件ANSYS,系统地研究了三维矩形坯连铸结晶器内磁场分布规律。结果表明:矩形软接触电磁连铸结晶器角部存在明显的磁场叠加现象;硬铝合金液面处于线圈中心位置时可获得最大磁感应强度;当线圈与耐火材料的距离为5~10mm时,能获得最佳磁感应强度;采用不锈钢结晶器能获得更大的磁感强度,是5052铝结晶器的1.5~2.0倍。     

矩形软接触结晶器内磁场分布的实验研究

研究了不同条件下矩形软接触结晶器内的电磁场分布规律。结果表明，矩形软接触电磁连铸结晶器角部存在明显的磁场叠加现象；沿结晶器窄面的磁场分布比较均匀，而宽面上的磁场分布均匀性较差，通过合理布置切缝，可提高软接触结晶器内的磁感应强度和磁场分布的均匀性，宽面上的切缝应采用不均匀方式布置，可在宽面中心位置附近布置相对较多的切缝，在矩形软接触结晶器角部不布置切缝，磁感应强度的最大值出现在线圈中心偏上位置附近，随感应线圈上升，该最大值增大，其位置上移，将线圈靠近结晶器入口安装，有助于均匀周向磁场，在线圈中心位置附近的磁感应强度分布较均匀，实际浇铸过程中，应将液面控制在线圈高度中心与线圈顶端位置之间。     

激励线圈匝数对软接触结晶器内磁场和电磁压力的影响

通过建立软接触电磁连铸结晶器内电磁场计算的三维有限元数学模型,模拟分析了高频磁场激励线圈匝数在2～5匝变化,对切缝结晶器内磁感应强度和电磁压力分布的影响。结果表明,线圈匝数变化不会改变结晶器内磁感应强度和电磁压力的分布特征;沿结晶器高度方向上,磁感应强度和电磁压力都在钢液面下5～6 mm位置出现峰值;在周向上,切缝处的磁感应强度和电磁压力值高于分瓣体中心处。随线圈匝数增加,结晶器内磁感应强度和电磁压力的数值均明显增加,但其分布的不均匀性也随之加剧,因此线圈匝数存在最优值,取3匝或4匝是比较合理的。     

板坯结晶器电磁制动三维电磁场的数值模拟

建立了板坯连铸结晶器电磁制动的电磁场的计算模型,分析在恒定电流作用条件下,结晶器内磁感应强度的分布情况,并与实测数据进行了对比。在不同电流作用下,讨论了结晶器内不同截面上磁感应强度的变化情况。结果表明：板坯结晶器电磁制动的磁场在铁芯处最大,并且在上下轭铁间形成了完整、封闭的磁回路,磁感应强度沿着结晶器高度方向呈现出类正弦分布的特征。在制动电流为300～700 A的工艺条件下,在距离结晶器上口约400～450 mm处,磁感应强度接近于0,此处的上部和下部区域内的磁感应强度的方向相反。电流大小的变化只会改变磁感应强度的大小,不会改变其分布,结晶器内磁场主要集中在水平方向,其它方向的分量较小。     

软接触电磁连铸结晶器内磁场分布与弯月面行为

通过实验测试和数值模拟的方法研究两段式软接触电磁连铸无缝结晶器结构、线圈位置、电源功率以及弯月面位置等因素对结晶器内高频磁场分布的影响。并采用Sn作为钢液的模拟工质测量了不同实验条件下两段式结晶器内的弯月面高度。研究结果表明:两段式结晶器的透磁效果随着结晶器上半段厚度的减薄而提高;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。     

工业实验用电磁软接触结晶器结构参数研究

本文从工程应用的角度讨论了工业实验电磁软接触连铸结晶器结构参数对结晶器内部磁场的影响规律,进而确定工业实验结晶器结构参数范围:当分瓣数大于40时,最大磁感应强度随分瓣数增加的幅度不大;切缝宽大于0.8mm时,切缝宽度对磁感应强度影响不明显;缝长长于线圈两端各40 mm,就可解决结晶器铜管磁屏蔽问题.本文还发现若线圈外部存在良导电体部件,将会降低钢液表面磁感应强度达50%.