連鑄電磁攪拌和電磁制動(dòng)的理論及實(shí)踐

《連鑄電磁攪拌和電磁制動(dòng)的理論及實(shí)踐》由冶金工業(yè)出版社出版。

1.1 國內(nèi)外連鑄技術(shù)的發(fā)展概況

1.1.1 國外連鑄技術(shù)發(fā)展簡要回顧

1.1.2 我國連鑄技術(shù)的發(fā)展概況

1.2 電磁冶金理論的研究

1.3 電磁技術(shù)在連鑄生產(chǎn)中的應(yīng)用

1.3.1 電磁攪拌技術(shù)

1.3.2 電磁制動(dòng)技術(shù)

2.1 電磁場控制方程的表述

2.1.1 電磁場的基本模型

2.1.2 單連通域渦?區(qū)求解模型建立

2.1.3 多連通域渦流區(qū)求解模型建立

2.2 流場分析模型的建立

2.2.1 流場基本方程

2.2.2 湍流模型

湍流模型，就是以雷諾平均運(yùn)動(dòng)方程與脈動(dòng)運(yùn)動(dòng)方程為基礎(chǔ)，依靠理論與經(jīng)驗(yàn)的結(jié)合，引進(jìn)一系列模型假設(shè)，而建立起的一組描寫湍流平均量的封閉方程組。

2.3 金屬熔體與電磁場之間的交互作用

2.3.1 磁流體力學(xué)近似

2.3.2 磁流體力學(xué)基本方程

參考文獻(xiàn)

3.1 結(jié)晶器電磁攪拌

3.1.1 結(jié)晶器電磁攪拌的作用

3.1.2 電磁攪拌的結(jié)構(gòu)形式

3.1.3 結(jié)晶器電磁攪拌存在的問題

3.2 方(圓)坯電磁攪拌工作原理

3.2.1 旋轉(zhuǎn)磁場的產(chǎn)生

磁感應(yīng)矢量在空間以固定頻率旋轉(zhuǎn)的一種磁場。是電能和轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)械能之間相互轉(zhuǎn)換的基本條件。廣泛應(yīng)用于交流電機(jī)、測量儀表等裝置中。

交流電機(jī)氣隙中的磁場。因其沿定、轉(zhuǎn)子鐵心圓柱面不斷旋轉(zhuǎn)而得名。旋轉(zhuǎn)磁場是電能和轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)械能之間互相轉(zhuǎn)換的基本條件。

通常三相交流電機(jī)的定子都有對稱的三相繞組(見電樞繞組)。任意一相繞組通以交流電流時(shí)產(chǎn)生的是脈振磁場。但若以平衡三相電流通入三相對稱繞組，就會(huì)產(chǎn)生一個(gè)在空間旋轉(zhuǎn)的磁場。磁場的對稱軸線φ隨時(shí)間而轉(zhuǎn)動(dòng)，其轉(zhuǎn)速ns由電流頻率f和磁極對數(shù)P決定

ns稱為同步轉(zhuǎn)速或同步速(以轉(zhuǎn)每分表示)。中國現(xiàn)在應(yīng)用的工業(yè)電源的頻率f為50赫,于是兩極電機(jī)(P=1)的ns=3000轉(zhuǎn)/分;四級電機(jī)(P=2)的ns=1500轉(zhuǎn)/分;余類推。

在一般情況下，電流變化一個(gè)周期，磁場軸線在空間就轉(zhuǎn)過一對極。

若近似地認(rèn)為磁場沿圓周作正弦形分布，并用磁場軸線處的空間矢量Ø來代表，用矢量長度表示磁場振幅，則理論分析證明，三相對稱繞組通以平衡的三相電流時(shí)，產(chǎn)生的是一個(gè)振幅不變的旋轉(zhuǎn)磁場。這時(shí)矢量Ø在旋轉(zhuǎn)過程中它的末端軌跡為一圓形，故名圓形旋轉(zhuǎn)磁場。這個(gè)結(jié)論可以推廣到一般的多相(包括兩相)系統(tǒng)。即多相電機(jī)對稱繞組通以平衡多相交流電流，則產(chǎn)生圓形旋轉(zhuǎn)磁場。

一般說來，旋轉(zhuǎn)磁場的轉(zhuǎn)向總是從電流超前的相移向電流滯后的相。如果將三相的 3個(gè)引出線任意兩個(gè)對調(diào)再接向電源，即通入三相繞組的電流相序相反，則旋轉(zhuǎn)磁場的轉(zhuǎn)向也跟著相反。

如果三相電流不平衡，可用對稱分量法把三相電流系統(tǒng)分解為正序電流系統(tǒng)和負(fù)序電流系統(tǒng)。正序電流系統(tǒng)產(chǎn)生一個(gè)正向圓形旋轉(zhuǎn)磁場，負(fù)序電流系統(tǒng)產(chǎn)生一個(gè)反向圓形旋轉(zhuǎn)磁場。一般情況，兩個(gè)磁場振幅大小不等，其合成磁場矢量的末端軌跡為一橢圓形，故名橢圓形旋轉(zhuǎn)磁場。這個(gè)結(jié)論也可以推廣到一般的多相(包括兩相)電機(jī)。

產(chǎn)生的基本條件:兩個(gè)磁軛的幾何夾角與兩相激磁電流的相位差均不等于0度或180度。

3 2 2 旋轉(zhuǎn)磁場的方向

3.3 電磁攪拌器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及結(jié)構(gòu)參數(shù)對攪拌效率的影響

3.3.1 結(jié)構(gòu)對攪拌效率的影響

3.3.2 電流頻率對攪拌效率的影響

3.3.3 結(jié)晶器電導(dǎo)率對攪拌效率的影響

3.3.4 電磁攪拌效率高低的判斷

3.4 小方坯結(jié)晶器電磁攪拌的數(shù)值模擬

3.4.1 電磁攪拌的計(jì)算方法

3.4.2 模型的建立

3.4.3 兩相四極電磁攪拌的結(jié)果分析

3.4.4 三相六極電磁攪拌的結(jié)果分析

3.4.5 兩種形式電磁攪拌器攪拌速度對比

3.4.6 電流頻率對攪拌效果的影響

3.4.7 結(jié)晶器電磁攪拌器的工業(yè)實(shí)踐

3.5 大方坯結(jié)晶器電磁攪拌的數(shù)值模擬

3.5.1 大方坯結(jié)晶器電磁攪拌模型的建立

3.5.2 大方坯結(jié)晶器電磁攪拌的數(shù)值計(jì)算結(jié)果分析

3.6 圓坯結(jié)晶器電磁攪拌的數(shù)值模擬

3.6.1 圓坯結(jié)晶器電磁攪拌數(shù)學(xué)模型的建立

3.6.2 圓坯結(jié)晶器電磁攪拌的數(shù)值模擬結(jié)果討論

3.6.3 圓坯結(jié)晶器電磁攪拌的工業(yè)實(shí)踐

3.7 組合電磁攪拌一一結(jié)晶器和凝固末端組合電磁攪拌

3.7.1 最佳凝固末端攪拌器安裝位置的確定

3.7.2 結(jié)晶器和凝固末端組合攪拌參數(shù)的確定

3.7.3 結(jié)晶器和凝固末端組合攪拌的工業(yè)實(shí)踐

3.8 電磁攪拌器的設(shè)備設(shè)計(jì)

3.8.1 電磁攪拌器本體

3.8.2 電磁攪拌器電源

3.8.3 電磁攪拌器冷卻系統(tǒng)

3.8.4 電磁攪拌器自動(dòng)控制系統(tǒng)

參考文獻(xiàn)

4 板坯連鑄電磁攪拌技術(shù)

4.1 電磁攪拌技術(shù)概述

4.2 板坯電磁攪拌器的原理

4.2.1 兩相電流板坯電磁攪拌器的原理

4.2.2 三相電流板坯電磁攪拌器的原理

4.3 板坯電磁攪拌器的結(jié)構(gòu)

4.3.1 板坯連鑄二冷區(qū)電磁攪拌器的結(jié)構(gòu)

4.3.2 板坯結(jié)晶器電磁攪拌器

……

5 板坯連鑄電磁制動(dòng)技術(shù)

書中重點(diǎn)介紹了目前鋼鐵工業(yè)上比較成熟的連鑄電磁冶金技術(shù)，主要包括電磁攪拌技術(shù)和電磁制動(dòng)技術(shù)，模擬分析了各種技術(shù)在二冷區(qū)和結(jié)晶器中的應(yīng)用以及工業(yè)實(shí)踐。《連鑄電磁攪拌和電磁制動(dòng)的理論及實(shí)踐》是作者十幾年來對電磁理論及其在連鑄領(lǐng)域應(yīng)用研究的結(jié)晶，具有很強(qiáng)的參考價(jià)值。

王寶峰，1965年4月出生，內(nèi)蒙古科技大學(xué)教授。1988年畢、業(yè)于北京鋼鐵學(xué)院(現(xiàn)北京科技大學(xué))金屬壓力加工系，獲工學(xué)碩士學(xué)位。1997年留學(xué)于加拿大英屬哥倫比亞大學(xué)，師從國際著名的連鑄專家J.K.Brimacombe和I.V Samarasekera。2007年當(dāng)選中國金屬學(xué)會(huì)連鑄分會(huì)"連鑄理論與新技術(shù)委員會(huì)"主任委員。

歸國后從事鋼鐵連鑄關(guān)鍵技術(shù)及設(shè)備研究開發(fā)，與各鋼鐵企業(yè)進(jìn)行了廣泛的技術(shù)合作。將電磁冶金理論成功應(yīng)用于高端裝備制造，開發(fā)了擁有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的?磁攪拌成套設(shè)備，被列為科技部重點(diǎn)推廣新產(chǎn)品。成功開發(fā)了連鑄過程中各種結(jié)晶器錐度測試儀及保護(hù)渣自動(dòng)加入設(shè)備，填補(bǔ)了國內(nèi)空白。

近5年來承擔(dān)國家科技支撐計(jì)劃2項(xiàng)，內(nèi)蒙古科技創(chuàng)新引導(dǎo)獎(jiǎng)勵(lì)計(jì)劃項(xiàng)目2項(xiàng)及內(nèi)蒙古自然基金項(xiàng)目多項(xiàng)，獲得專利3項(xiàng)，發(fā)表文章200余篇。獲國家科技進(jìn)步二等獎(jiǎng)、內(nèi)蒙古自治區(qū)科技進(jìn)步一等獎(jiǎng)及冶金科技進(jìn)步三等獎(jiǎng)各1項(xiàng)。

李建超，1970年6月出生，內(nèi)蒙古科技大學(xué)副教授。2006年畢業(yè)于東北大學(xué)材料加工工程專業(yè)，獲得博士學(xué)位。2007年當(dāng)選中國金屬學(xué)會(huì)連鑄分會(huì)"連鑄理論與新技術(shù)委員會(huì)"委員兼秘書。從事鋼鐵高效連鑄及電磁冶金技術(shù)的研究工作，近些年來與各鋼鐵企業(yè)進(jìn)行了廣泛的技術(shù)合作。近5年來參加國家科技支撐計(jì)劃2項(xiàng)，內(nèi)蒙古科技創(chuàng)新引導(dǎo)獎(jiǎng)勵(lì)計(jì)劃項(xiàng)目2項(xiàng)，承擔(dān)教育部"春暉計(jì)劃"項(xiàng)目1項(xiàng)，內(nèi)蒙古自然基金項(xiàng)目2項(xiàng)，發(fā)表文章30余篇。

根據(jù)攪拌位置的不同，電磁攪拌分為結(jié)晶器電磁攪拌(MEMS)、二冷電磁攪拌(SEMS)以及凝固末端電磁攪拌(FEMS)。

由于MEMS在改善鑄坯的表面質(zhì)量和內(nèi)部質(zhì)量方面都有出色的實(shí)績，因此近年來倍受一些方坯連鑄機(jī)的青睞。實(shí)踐證實(shí)，MEMS對于促進(jìn)"結(jié)晶雨"的形成、增加等軸晶區(qū)域、減少中心宏觀偏析有著明顯的作用。有人對比了使用和不使用MEMS的效果，不使用MEMS時(shí)，凝固組織僅有柱狀晶區(qū)且V偏析形式是"小鋼錠"模式下的單個(gè)大型V偏析，V偏析之間的間隔通常超過120mm;使用MEMS時(shí)，柱狀晶區(qū)長度減小，V偏析的間隙距縮短至20~30mm，等軸晶區(qū)比例增加，占10%~50%，同時(shí)，V偏析的形式也由單個(gè)大型轉(zhuǎn)變?yōu)榻咏诿懿夹蚚1]。圖1反映了MEMS對進(jìn)步等軸晶率的明顯作用[2]。

SEMS的攪拌恰好在柱狀晶強(qiáng)勁生長的區(qū)域，對均勻液芯成分與溫度、破碎或抑制柱狀晶的生長也有一定的作用，特別是在與MEMS或/和FEMS聯(lián)合使用的情況下[2~4]。圖2對比了在大方坯連鑄高碳鋼的情況下，沒有EMS、只有SEMS以及SEMS+FEMS時(shí)鑄坯中心C偏析程度。由于SEMS工作條件比較惡劣，設(shè)備維護(hù)困難，加之使用效果也不夠穩(wěn)定，有時(shí)甚至還會(huì)出現(xiàn)負(fù)面效果，因此其投進(jìn)率受到了影響。在新建的方坯連鑄機(jī)中，SEMS較少采用。

FEMS的攪拌發(fā)生在凝固末真?zhèn)€糊狀區(qū)，通常對均勻殘余液相的成分與溫度、抑制"搭橋"現(xiàn)象的產(chǎn)生有明顯的作用。FEMS位置的選擇十分關(guān)鍵，直接影響到其使用效果，一般設(shè)置在固相率fs為0.4~0.7區(qū)間內(nèi)。假如凝固末端位置計(jì)算正確、FEMS位置選定合適加上連鑄工藝條件穩(wěn)定，F(xiàn)EMS能夠有效地減少V型偏析和縮孔的產(chǎn)生[3、4]。假如FEMS與MEMS或/和SEMS聯(lián)合使用，對減少中心偏析的作用將更加明顯。有國外EMS廠商推薦，在寶鋼方坯連鑄機(jī)所用鋼種的條件下，MEMS+FEMS是比較理想的配置。

關(guān)于EMS的作用目前尚有不同的熟悉，在某些情況下EMS效果欠佳，甚至還有一些關(guān)于EMS負(fù)面作用的文獻(xiàn)報(bào)道。可以說，EMS在方坯連鑄應(yīng)用方面的研究還有很長的路要走，目前單純依靠EMS尚難將中心偏析控制在一個(gè)理想的水平上。