CN104646643A - 一种直接约束控制导电金属流体液面波动的电磁控制方法 - Google Patents
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Abstract
一种直接约束控制导电金属流体液面波动的电磁控制方法，该方法为将磁压力施加于导电金属流体液面，使导电金属流体液面产生一个向下的推力以控制液面的波动，在需要控制液面波动的导电金属流体液面上水平布置一组平行直导线圈或盘形导线圈，并通入谐波交流电，使导电金属流体液面处于一个水平方向的交变磁场中，根据电磁感应作用，交变磁场在导电金属流体中产生感应电流，该感应电流与交变磁场相互作用，则在导电金属流体液面形成垂直于该液面的磁压力，该磁压力相当于对重力场的加强，从而控制导电金属流体液面的变形和波动。
Description
技术领域
本发明属于材料电磁加工成型领域，具体涉及一种直接约束控制导电金属流体液面波动的电磁控制方法。
背景技术
在材料加工过程中，金属液的液面波动对其凝固成型有着非常大的影响。在连铸过程中，用鱼雷罐车运输钢液，回转台旋转操作以及钢液在中间包中流动时，倘若钢液液面波动起伏较大，则容易造成钢液的二次氧化及保护渣的卷入，影响钢液的质量。
结晶器内金属液面波动的稳定性对连铸坯的质量有着很大的影响：铸坯表面的振痕起源于液面变形，而铸坯表面裂纹、角部裂纹主要发生在振痕的谷底处；液面区域金属波动的传播导致金属渣的铺展不均匀，易产生裂纹；金属液面波动的加剧造成保护渣的卷入和振痕的加深。
在钢包冶金中，钢液以射流的形式从钢包底冲向液面，如果流速过快，钢液射流冲击钢液表面，形成表面鼓包和渣眼，过大的波动和表面变形将引起卷渣和表面钢液氧化，影响钢液的质量。
另外，在电磁铸造过程中，液面的形状和波动对于铸坯的成型影响极大，电磁铸造过程中任何轻微的液面波动，都会在铸坯表面形成凹凸痕迹，金属液面的剧烈晃动，轻则使铸坯形状不规则，重则甚至会使铸造过程无法进行。
近年来，针对减缓导电金属流体液面波动，尤其是结晶器内液面波动，国内学者提出了多种新的方法，发表的专利包括：一种减缓结晶器液面波动的电磁控流方法(申请号：201310407936.1)、一种结晶器液面波动的控制方法(申请号：201310287655.7)。前者采用的方法是利用螺旋电磁搅拌产生逆于钢液上环流方向的力，控制减缓结晶器中钢液的上环流速度，从而减小上环流对钢液表面的冲击，达到减缓结晶器液面波动的效果；后者采用的方法是利用连铸液面测量系统、通讯控制系统以及液面波动分析系统等，分析出稳态及非稳态浇注条件下对结晶器卷渣产生的主要位置的液面波动频率范围，从而实时检测液面波动，通过控制塞棒来降低拉速，调整保护渣及水口出口角度来减小卷渣发生的可能性。由于造成结晶器内液面波动的原因主要有：钢液上环流对结晶器液面的冲击、水口吹氩，氩气上浮在结晶器表面破裂，对结晶器钢液表面扰动、结晶器自身正弦或非正弦震动对结晶器液面的影响，以上两种方法只在某些方面上提出应对措施，并没有针对液面波动的实质，从整体提出有效的方法达到控制结晶器液面波动的效果。此外，这两种方法都有局限性，仅适于在结晶器中使用，未能对控制约束导电金属流体液面波动提出更具有普适性的方法。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明提出一种直接约束控制导电金属流体液面波动的电磁控制方法。
本发明技术方案如下：
一种直接约束控制导电金属流体液面波动的电磁控制方法，将磁压力施加于导电金属流体液面，使导电金属流体液面产生一个向下的推力以控制液面的波动，具体方法为：
在需要控制液面波动的导电金属流体液面上水平布置一组平行直导线圈或盘形导线圈，并通入谐波交流电，使导电金属流体液面处于一个水平方向的交变磁场中，根据电磁感应作用，交变磁场在导电金属流体中产生感应电流，该感应电流与交变磁场相互作用，则在导电金属流体液面形成垂直于该液面的磁压力，该磁压力相当于对重力场的加强，从而控制导电金属流体液面的变形和波动。
所述的磁压力通过改变谐波交流电的电流大小和频率来调节。
所述的谐波交流电的电流大小为500A～10000A，频率为10kHz～150kHz。
所述的磁压力通过改变平行直导线圈或盘形导线圈的匝数来调节。
所述的平行直导线圈或盘形导线圈的匝数的范围为1～500匝。
所述的磁压力通过改变平行直导线圈或盘形导线圈距离导电金属流体液面的高度来调节。
所述的平行直导线圈或盘形导线圈距离导电金属流体液面的高度的范围为0～300mm。
本发明的有益效果：
本发明能有效的约束控制任何导电金属流体的液面波动，针对引起震动的不同原因都有约束控制的作用。可以应用于任何需要控制导电金属流体液面波动的地方，具有更为广泛适用性。
附图说明
图1为本发明具体实施方式中直接约束控制导电金属流体液面波动的电磁控制方法的平行直导线圈结构原理图；
其中，1-平行直导线圈，2-平行直导线圈周围磁场，3-平行直导线圈条件下导电金属流体液面感应电流，4-平行直导线圈条件下导电金属流体液面磁压力；
图2为本发明具体实施方式中的平行直导线圈俯视图；
图3为本发明具体实施方式中平行直导线圈作用下不同谐波交流电控制导电金属流体液面波动的示意图；
图4为本发明具体实施方式中直接约束控制导电金属流体液面波动的电磁控制方法的盘型导线圈结构原理图；
其中，5-盘型导线圈，6-盘型导线圈周围磁场，7-盘型导线圈条件下导电金属流体液面感应电流，8-盘型导线圈条件下导电金属流体液面磁压力；
图5为本发明具体实施方式中的盘型导线圈俯视图；
图6为本发明具体实施方式中盘型导线圈作用下不同谐波交流电控制导电金属流体液面波动的示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明具体实施方式加以详细的说明。
一种直接约束控制导电金属流体液面波动的电磁控制方法，将磁压力施加于导电金属流体液面，使导电金属流体液面产生一个向下的推力以控制液面的波动，具体方法为：
本实施方式中，为模拟导电金属流体在交变磁场下的波动情况，采用ANSYS商业软件，钢液作为导电金属流体，设计带有挡坝的水槽，钢液通过水槽产生波动。模拟钢液的具体参数如表1所示。
表1模拟钢液的具体参数
| 钢液 | 参数 |
| 密度 | 7200kg/m-3 |
| 电导率 | 0.74×106S/m |
| 动力粘度 | 0.006Pa·s |
| 表面张力 | 1.5N/m-2 |
| 相对磁导率 | 1 |
实施例1：
以铜质直导线圈作为平行直导线圈，铜质直导线圈的具体参数如表2所示：
表2铜质直导线圈的具体参数
| 铜线圈 | 参数 |
| 电导率 | 6.94×106S/m |
| 相对磁导率 | 1 |
如图1所示，在需要控制液面波动的导电金属流体液面上水平布置匝数为11的平行直导线圈1，平行直导线圈俯视图如图2所示。
通入电流大小为2000A、频率为20kHz的谐波交流和3500A、频率为20kHz的谐波交流电，平行直导线圈距离导电金属流体液面的高度为10mm，使导电金属流体液面处于一个水平方向的交变磁场2中，根据电磁感应作用，交变磁场在导电金属流体中产生感应电流3，该感应电流与交变磁场相互作用，则在导电金属流体液面形成垂直于该液面的磁压力4，该磁压力相当于对重力场的加强，控制了导电金属流体液面的变形和波动，如图3所示。
实施例2：
以铜质盘形导线圈作为盘形导线圈。如图4所示，在需要控制液面波动的导电金属流体液面上水平布置匝数为10的盘形导线圈5，盘型导线圈俯视图如图5所示。
通入电流大小为2000A、频率为20kHz的谐波交流和3500A、频率为50kHz的谐波交流电，盘形导线圈距离导电金属流体液面的高度为10mm，使导电金属流体液面处于一个水平方向的交变磁场6中，根据电磁感应作用，交变磁场在导电金属流体中产生感应电流7，该感应电流与交变磁场相互作用，则在导电金属流体液面形成垂直于该液面的磁压力8，该磁压力相当于对重力场的加强，控制了导电金属流体液面的变形和波动，如图6所示。
Claims (7)
1.一种直接约束控制导电金属流体液面波动的电磁控制方法，其特征在于，将磁压力施加于导电金属流体液面，使导电金属流体液面产生一个向下的推力以控制液面的波动，具体方法为：
在需要控制液面波动的导电金属流体液面上水平布置一组平行直导线圈或盘形导线圈，并通入谐波交流电，使导电金属流体液面处于一个水平方向的交变磁场中，根据电磁感应作用，交变磁场在导电金属流体中产生感应电流，该感应电流与交变磁场相互作用，则在导电金属流体液面形成垂直于该液面的磁压力，该磁压力相当于对重力场的加强，从而控制导电金属流体液面的变形和波动。
2.根据权利要求1所述的直接约束控制导电金属流体液面波动的电磁控制方法，其特征在于，所述的磁压力通过改变谐波交流电的电流大小和频率来调节。
3.根据权利要求1所述的直接约束控制导电金属流体液面波动的电磁控制方法，其特征在于，所述的磁压力通过改变平行直导线圈或盘形导线圈的匝数来调节。
4.根据权利要求1所述的直接约束控制导电金属流体液面波动的电磁控制方法，其特征在于，所述的磁压力通过改变平行直导线圈或盘形导线圈距离导电金属流体液面的高度来调节。
5.根据权利要求1或权利要求2所述的直接约束控制导电金属流体液面波动的电磁控制方法，其特征在于，所述的谐波交流电的电流大小为500A～10000A，频率为10kHz～150kHz。
6.根据权利要求3所述的直接约束控制导电金属流体液面波动的电磁控制方法，其特征在于，所述的平行直导线圈或盘形导线圈的匝数的范围为1～500匝。
7.根据权利要求4所述的直接约束控制导电金属流体液面波动的电磁控制方法，其特征在于，所述的平行直导线圈或盘形导线圈距离导电金属流体液面的高度的范围为0～300mm。
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