双辊薄带连铸电磁侧封磁场的计算与分析.pdfVIP

双辊薄带连铸电磁侧封磁场的计算与分析 温宏权 1 1 1 1 1 2 2 张永杰 乔国林 陆丽华 王隆寿 鲍培玮 邸洪双 (1宝钢股份公司 技术中心，上海 201900；2东北大学，沈阳 110006) 摘要：电磁侧封是双辊薄带连铸工艺中新兴的侧封技术，其关键是电磁装置的设计，以在 熔池侧部获得足够大而且分布合理的电磁场。文章利用 2D 模型计算了电磁侧封装置产生 的磁场，分析了电流、线圈、铁芯、辊环、气隙对磁场的影响规律。结果表明：影响磁场 的因素按从大到小排列依次为：辊环磁导率、线圈匝数、磁头间距（气隙宽度）、电流密 度、磁头宽度。除磁头间距外，各因素对磁场的影响基本呈线性。因此辊环的设计、线圈 匝数与电流是增大侧封磁场的主要途径。 关键词：双辊薄带连铸；电磁侧封；磁场计算 1 前言 熔池的侧封是双辊薄带钢铸轧工艺中重要问题之一。目前，国内外普遍采用的是石英类或氧化 铝等耐火材料的侧封板，即固体侧封。由于侧封板材质及这种机械侧封方式的限制，固体侧封常常 会存在侧封板使用寿命低、成本高，铸带质量不均匀，边部由于侧封不严而产生飞边、毛刺或被撕 裂等缺陷。 依靠电磁力封堵熔池端面，取代固体侧封板，即电磁侧封（Electromagnetic dams ，简称EMD ）， 是目前薄带钢铸轧工艺中一个重要的侧封技术发展方向。美国内陆钢公司 1989年开始独立开发EMD 技术，先后开发出多种 EMD 技术装置[1~3] 。1998 年该公司与日本日立造船厂合作，在工业双辊铸轧 机上试验了三种 EMD 装置：变压器式、邻近感应式、铁磁式，其侧封的熔池最大高度分别可达 28cm、 23cm、35cm，经过增加电源功率，可达到45cm ，率先证实了EMD 技术的可行性[4] 。 1999 年，宝钢研究院与东北大学合作，建立了电磁材料过程 EPM 实验室，展开了对电磁侧封 技术的研究。本文以电磁侧封电磁装置为对象，计算侧封装置产生的电磁场及各因素对磁场的影响， 分析改善侧封磁场的方法，以满足磁场强度足够大、且分布合理的电磁侧封要求。 2 计算模型 电磁侧封的基本原理是在铸辊熔池端部，施加交变电磁场B ，交变磁场在临近的钢水内产生感应 电流J ，磁场与感应电流相互作用产生电磁力F ，在熔池端面形成电磁侧压力P ，依靠这种电磁压力 约束封堵熔池。磁场 B 、感应电流J 、电磁力F ，磁压力P 之间的关系如下： ϖ ϖ ϖ J V ×B （1） ϖ ϖ ϖ F J ×B （2 ） B 2 P （3 ） 2µ0 式中µ 为钢水相对磁导率，V 为钢水切割磁力线的速度。这种电磁作用的力效应已广泛使 0 用在悬浮熔炼、冷坩埚熔炼、电磁搅拌等冶金方面。在侧封方面，作用在双辊式铸轧机的辊缝熔池 侧部任意一点的磁压力 P ，必须大于钢水自身的静压力及其他动压力才能实现侧封。显然，从式 （2 ）、 （3 ）可见，在铸轧对象确定时要实现侧封目标，必须设法提高熔池端部所处磁场的磁感应强度B 。 电磁场发生装置设计就成为提高磁场强度，并使强磁场部分靠近侧封熔池以产生大的电磁侧封力的 有效途径。电磁侧封装置有多种形式[4]，本文仅以铁芯+线圈式结构为计算对象。 2 ．1 几何模型 计算用几何模型如图 1 所示，按材料分包括水冷铜线圈、带开缝（气隙）的“C ”形高导磁性铁 芯、以及铁芯内部的空气和铁芯磁头之间的气隙等。图 1 中磁头宽度为 30mm、磁头间距为25mm， 其网格剖分如图 2 所示，采用非均匀网格剖分，共计 125 个单元。其他磁头宽度和间距变化、辊缝 内有辊环时的几何模型需要重新建立。 图 1几何模型 图 2 网格剖分 1