由于具有加热速率快、无接触、环保无污染等特点,感应加热技术在工业生产中得到了广泛应用,如金属熔炼^[1,2]、热处理^[3,4]、晶体生长^[5,6]等。在钢铁生产过程中也有感应加热的典型应用,如中间包感应加热^[7,8]、钢包电磁出钢技术^[9,10]等。其中,电磁出钢技术由于能够彻底避免钢铁生产过程中引流砂的使用,提高钢水洁净度,并提高钢包的自动开浇率至100%,因此备受关注^[11,12]。在利用电磁感应加热的出钢过程中,在高温钢液的作用下,替代引流砂而填充在座砖水口内的Fe-C合金颗粒会形成封堵层^[13]。电磁出钢技术就是利用封装在钢包底部水口座砖内的感应线圈产生的Joule热,使封堵层表面快速熔化或软化后完成出钢过程^[14,15,16]。感应线圈是电磁出钢系统的核心部分^[17,18]。感应线圈的加热效率^[19]和有效加热区域^[20]会直接影响电磁出钢技术的自动开浇效果。然而,安装电磁出钢系统后,钢包底部与感应线圈的距离较小,且钢包为铁磁性材料,会直接增大磁滞损失和涡流损失,且严重影响感应线圈周围的磁感应强度分布,从而降低感应线圈的加热效率并改变线圈的有效加热区域。除此之外,由于目前广泛使用偏心水口,因此距离线圈较近的钢包侧壁也会对线圈附近的磁感应强度分布产生一定的影响。因此,如何提高感应线圈的加热效率并确定线圈的有效加热区域是电磁出钢技术研究的重要内容^[21]。

在感应加热过程中,磁屏蔽技术的应用已经有了很多的研究^[22,23,24]。磁屏蔽的方法不仅能够减小感应加热的磁场损耗,而且能够影响或改变感应加热的有效加热区域^[25,26]。Sergeant等^[27]通过数值模拟的方法分析了磁屏蔽对悬浮熔炼的作用,发现磁屏蔽不仅能够有效降低感应加热设备的漏磁,也会影响到被加热工件的悬浮位置。所以,为提高电磁出钢系统中感应电源的加热效率,减小钢包结构所造成的涡流损耗,本工作首次将磁屏蔽技术应用到钢包电磁出钢技术中,通过数值模拟的方法分别研究了感应线圈底部或四周有无磁屏蔽时线圈周围的磁感应强度分布,并进行了对比分析,同时通过实验室搭建的大型实验平台验证数值模拟结果的准确性。确定了磁屏蔽能够降低钢包对电源功率损耗的影响后,分析并确定了最佳的磁屏蔽材料的结构尺寸。与此同时,分析了底部与四周磁屏蔽对感应线圈中心线上的最佳加热位置的影响规律,从而可在确定封堵层位置与厚度之后,指导电磁出钢系统中感应线圈安装位置。由于直接将屏蔽结构安装在水口座砖中会严重影响座砖强度,甚至会降低其使用寿命,因此设计了一种网状的新型磁屏蔽结构,在保证磁屏蔽效果和加热效率的同时,提高了座砖强度。

1 研究方法

1.1 数值模拟

一般情况下,当钢包侧壁距离线圈足够远时,钢包侧壁对于功率损耗的影响可以省略不计。而在连铸生产的实际钢包中,水口几乎均为偏心水口,这就导致一侧的钢包壁会靠近感应线圈,从而加剧电源的功率损耗。为了考察线圈底部与四周磁屏蔽材料的布置对于功率损耗的影响,建立计算模型如图1所示。将钢包结构简化,同时在感应线圈底部和四周分别布置磁屏蔽材料,并将其置于钢包底部。由于水口座砖并不会影响到磁场分布,因此在模型中并无体现。线圈空载时,作用在钢包结构上及线圈内部的磁感应强度越弱,则可以说明线圈的功率损耗越小。为了方便分析,取经过线圈中心的2个垂直截面分别为平面A和平面B。

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图1   磁屏蔽效果计算的数值模型

Fig.1   Numerical model of the calculation for magnetic shielding effect (h, l, w and t indicate the height, length, width and thickness of magnetic shielding material, respectively)

在计算过程中,主要的模型参数与电磁参数如表1所示。感应线圈封装在水口座砖内部,实际水口座砖的尺寸为550 mm×350 mm×420 mm。线圈匝数为6匝,高度为170 mm,内径为235 mm,由边长为20 mm、厚度为3 mm的方管绕制。在分析磁屏蔽结构参数对磁屏蔽效果影响的时候,由于座砖与线圈尺寸的限制,磁屏蔽材料的长、宽、高与厚度的选取如表1。由于实验条件的限制,实验与计算过程中均选取线圈的安匝数为2160 AN。在电磁出钢技术的实际应用中,线圈的安匝数为3600 AN,因此在分析磁屏蔽效果时选取3600 AN作为数值模拟的初始条件。

在电磁场的计算过程中,控制方程为Maxwell方程组,由Ampere环路定律、Faraday电磁感应定律、电场Gauss定律和磁场Gauss定律组成,具体可参考文献[28]。

由于实际工况的复杂性,根据电磁感应加热装置的特点,在计算过程中,进行如下假设：(1) 计算中所用到的材料参数均为理论值,且均为常数,而非实际测定的数值;(2) 与实际工况相比,在数值计算过程中,忽略了连接电源与线圈的线缆对感应线圈周围磁感应强度所造成的影响;(3) 所建立计算模型中的钢包和实验工作平台与真实的钢包结构具有一定差异,计算过程中忽略这些差异;(4) 忽略线圈发热对线圈工作状态的影响。

计算采用涡流场求解器。由于集肤效应的存在,在网格剖分过程中,对穿透深度区域进行了多层划分。施加的激励源为线圈的安匝数,数值为2160或3600 AN。在计算过程中,设置收敛误差为5%,每次更新的单元百分比为20%,即如果计算模型不满足收敛误差,就要在上次计算的网格单元基础之上再加密20%。计算中频率设置为37 kHz,与实际工业应用一致。

1.2 实验装置与方法

为了验证磁屏蔽的方法能够有效改变感应线圈所产生的磁场分布,并验证数值模拟结果的准确性,搭建了如图2所示的大型实验装置。实验操作平台与钢包底部结构相似,所用的水口座砖与某钢厂钢包中座砖(包含感应线圈)的尺寸及材质完全相同。感应线圈的尺寸与数值计算中的尺寸完全相同。感应线圈通过线缆与加热电源进行连接。测量磁感应强度的CH-1800型Tesla计探针通过夹持工具固定在水口中心线上,并可上下移动,以测定不同位置的磁感应强度,与数值模拟结果进行比较。

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图2   磁屏蔽测试实验装置

Fig.2   Experimental device of magnetic shielding effect test (1—induction coil, 2—upper nozzle, 3—cooling air, 4—collecting device, 5—nozzle brick, 6—Tesla meter, 7—magnetic shielding material, 8—experimental platform, 9—induction heating power supply)

实验过程中,首先将感应线圈与电源进行连接,将Tesla计的探针放置在指定位置。开启电源,当电源的输出电流与线圈匝数的乘积达到2160 AN时,开启Tesla计测量座砖水口中心线上的磁感应强度。通过调节探针的位置便可测出水口中心线上磁感应强度分布,从而验证数值计算结果的准确性。

2 结果与讨论

2.1 数值模拟正确性验证

为验证数值模拟结果的准确性,当感应线圈的安匝数为2160 AN时,采用所建立的模型计算了无磁屏蔽作用时水口中心线上不同位置磁感应强度的变化曲线。在同样线圈安匝数的实验中,利用Tesla计测量了座砖水口中心线不同位置上的磁感应强度。二者所得结果对比如图3所示。由图可知,与数值计算结果相比,实验所得结果偏低,这是因为,在实验中加热电源与感应线圈连接所用的线缆会造成部分功率损耗,而在数值计算中忽略了这部分损耗。因此,不考虑线缆损耗的情况下,实验结果与数值计算结果变化趋势一致,吻合较好。因此能够采用该模型进行进一步的计算。

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图3   无磁屏蔽作用时水口中心线上不同位置磁感应强度的数值模拟结果与实验结果对比

Fig.3   Comparisons between numerical simulation results and experimental results of magnetic flux density (B) at different positions on the center line of nozzle without magnetic shielding material

2.2 线圈底部磁屏蔽的影响

为了考察磁屏蔽能否降低加热电源作用在钢包结构上的损耗,在线圈底部布置磁屏蔽材料,分别计算了有无磁屏蔽材料时线圈周围的磁感应强度分布。图4a为无底部磁屏蔽时平面A的磁感应强度分布。可以看出,无磁屏蔽时钢包底壳与侧壁的磁感应强度极高,这主要是因为大量的磁力线被集聚在磁阻较小的钢包结构中,在钢包底壳或侧壁中产生涡电流,从而对钢包进行加热,这种现象的存在会严重降低感应线圈的加热效率^[29]。也就是说,钢包结构会大幅降低电磁出钢系统中感应线圈对Fe-C合金颗粒的加热效果。图4b是有磁屏蔽时平面A的磁感应强度分布。可以明显地看到,钢包结构上的磁感应强度大幅降低。在用Cu作为磁屏蔽材料时,因为Cu的磁阻大,磁力线无法穿过Cu板而作用在钢包结构上。因此,通过磁屏蔽的方法能够显著提高感应线圈的加热效率。

另外,由图4也可以看出,布置磁屏蔽材料之后,线圈内部的磁感应强度分布也发生了一些变化。作用在钢包结构上的磁感应强度减弱的同时,线圈内部的磁感应强度也有一定程度地减弱,并且线圈中心线上最佳的加热位置发生了明显的上移。为了便于比较,以钢包底壳上表面位置为起点,分别取无磁屏蔽与有磁屏蔽时线圈中心线上200 mm长度分析磁感应强度的大小和变化,如图5所示。可以看出,线圈空载的情况下,有磁屏蔽时中心线的磁感应强度明显降低,并且磁感应强度峰值位置发生了变化。因此,磁屏蔽能够使线圈的最佳加热位置上移。产生这种现象的原因是,无磁屏蔽和钢包结构时,感应线圈内部的感应强度呈对称分布,中心线上的磁感应强度最大值应该位于中心位置;无磁屏蔽有钢包结构时,由于钢包结构的磁阻较小,很大一部分磁场会作用在钢包底部或侧壁,这就导致线圈内部磁感应强度分布下移,并且中心线上磁感应强度的最大值在线圈中心的下侧,这对于线圈的布置也是非常不利的;而在施加磁屏蔽之后,磁场很难穿过磁屏蔽材料作用到钢包底部,因此线圈的最佳的加热位置会上移。

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图4   有无底部磁屏蔽材料时平面A的磁感应强度分布

Fig.4   Distributions of B in plane A without (a) and with (b) bottom magnetic shielding material

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图5   有无底部磁屏蔽材料时线圈中心线上的磁感应强度分布

Fig.5   Distributions of B at center line of induction coil with or without bottom magnetic shielding material

2.3 线圈四周磁屏蔽的影响

在感应线圈下侧布置磁屏蔽材料的基础上,首先考察了线圈四周布置磁屏蔽材料是否能够降低电源的功率损耗。线圈四周有无磁屏蔽材料时平面A和B的磁感应强度分布如图6所示。其中四周磁屏蔽材料高度为200 mm,长度和宽度均为350 mm,厚度为2 mm。可以明显看到,无论线圈四周是否布置磁屏蔽材料,最靠近线圈的钢包侧壁对功率损耗的影响最大,这也证实了远离线圈的钢包壁对功率损耗的影响可以忽略。布置磁屏蔽材料后,钢包壁上的磁感应强度明显降低,且线圈周围的磁场全部分布于磁屏蔽材料的内侧。因此,在线圈四周布置磁屏蔽材料是必要的。

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图6   有无四周磁屏蔽材料时平面A与平面B的磁感应强度分布

Fig.6   Distributions of B in plane A (a, c) and plane B (b, d) without (a, b) or with (c, d) sides magnetic shielding materials

确定了磁屏蔽能够降低线圈在钢包底壳及侧壁上的功率损耗之后,分析了磁屏蔽结构参数对屏蔽效果的影响。取磁屏蔽材料长度和宽度均为350 mm、厚度为2 mm时,不同磁屏蔽材料高度时平面A的磁感应强度分布如图7所示。可以看出,随着磁屏蔽材料高度的逐渐增加,作用在钢包侧壁与底壳的磁感应强度逐渐减小,线圈内部的磁感应强度也逐渐减弱。但是对比图7d~f可知,当磁屏蔽材料的高度超出线圈高度之后,磁感应强度的变化不再明显。

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图7   不同磁屏蔽材料高度时平面A的磁感应强度分布

Fig.7   Distributions of B in plane A with sides magnetic shielding material heights of 0 mm (a), 50 mm (b), 100 mm (c), 150 mm (d), 200 mm (e) and 250 mm (f)

为了分析磁屏蔽材料高度的最佳值,取线圈中心线的磁感应强度分布,结果如图8所示。可以得出,当磁屏蔽材料高度小于150 mm时,随着磁屏蔽材料高度的增加,磁感应强度几乎同等幅度地降低。当磁屏蔽材料高度由150 mm变为200 mm时,磁感应强度变化的幅度变小。高度大于200 mm之后,作用在钢包上的磁感应强度及线圈内部的磁感应强度几乎不再发生变化。另外,取不同磁屏蔽材料高度时线圈中心线上的磁感应强度最大值的位置进行分析,可以发现随着磁屏蔽材料高度的增加,线圈中心最佳的加热位置先升高后降低。当磁屏蔽材料高度为200 mm时,线圈中心最佳加热位置达到最高位置。从图8还可以看出,随着磁屏蔽材料高度的增加,线圈中心线上的磁感应强度的最大值逐渐减小。当高度大于200 mm后,磁感应强度基本不再发生变化。因此,综合考虑选择磁屏蔽材料的高度为200 mm。

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图8   不同磁屏蔽材料高度时线圈中心线上的磁感应强度变化

Fig.8   Changes of B at center line of induction coil with different magnetic shielding material heights

同理,不同磁屏蔽材料宽度时线圈中心线上的磁感应强度变化趋势如图9a所示。可见,随着磁屏蔽材料宽度的增加,磁感应强度逐渐增强,因此为了最大限度地降低电源的功率损耗,选取宽度最小值为290 mm。值得注意的是,随着磁屏蔽材料宽度的变化,线圈中心线上的最佳加热位置并无任何变化,因此磁屏蔽材料宽度的变化不会对线圈最佳加热位置产生影响。当磁屏蔽材料宽度确定为290 mm时,同样考察了磁屏蔽材料长度分别为290、310、330和350 mm时线圈中心线上磁感应强度的变化,如图9b所示。可见,随着磁屏蔽材料长度逐渐减小,磁感应强度也逐渐减小。磁屏蔽材料长度也不会对线圈的最佳加热位置产生影响。因此,当磁屏蔽材料长度为290 mm时,磁屏蔽效果最佳。

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图9   不同磁屏蔽材料宽度或长度时线圈中心线上的磁感应强度变化

Fig.9   Changes of B at center line of induction coil with different sides magnetic shielding material widths (l=350 mm, h=200 mm, t=2 mm) (a) and lengths (w=290 mm, h=200 mm, t=2 mm) (b)

当磁屏蔽材料高度为200 mm,长度和宽度均为290 mm时,考察了磁屏蔽材料厚度对其效果的影响。图10是不同厚度时线圈中心线上磁感应强度的变化曲线。可以看出,随着厚度的变化,中心线上磁感应强度变化不明显。说明磁屏蔽材料厚度对于功率损耗的影响较小。从图10还可以看出,当磁屏蔽材料厚度为1 mm时,磁感应强度的最大值最小。因此,选择最佳的磁屏蔽材料厚度为1 mm。

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图10   不同磁屏蔽材料厚度时线圈中心线上磁感应强度变化

Fig.10   Changes of B at center line of induction coil with different magnetic shielding material thicknesses

综上,有底部和四周磁屏蔽并且磁屏蔽结构参数优化后,线圈中心线上的磁感应强度与无磁屏蔽时线圈中心线上的磁感应强度对比如图11所示。可以看出,当线圈底部和四周安装磁屏蔽材料,且磁屏蔽材料的高度为200 mm、长和宽均为290 mm、厚度为1 mm时,线圈中心线上磁感应强度大幅降低,中心线上磁感应强度的最大值降低54.9%。同时,线圈的最佳加热位置明显向上移动,移动距离为20.2 mm。也就是说,当封堵层的位置一定时,布置磁屏蔽材料后,线圈的安装位置可以降低20.2 mm,这对于降低线圈工作的环境温度、提高线圈的使用寿命具有重要意义。

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图11   有无底部和四周磁屏蔽材料时线圈中心线上的磁感应强度分布

Fig.11   Distributions of B at center line of induction coil with or without bottom and sides magnetic shielding materials

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图12   不同磁屏蔽结构时平面A的磁感应强度分布

Fig.12   Distributions of B in plane A with different magnetic shielding structures (l=290 mm, w=290 mm, h=200 mm, t=1 mm)
(a) traditional structure
(b) new structure

3 磁屏蔽结构改进

如果将板状的磁屏蔽材料直接浇注在座砖内部,会大幅降低座砖强度,甚至会影响到座砖和线圈的使用寿命。为了解决该问题,参考Sergeant等^[30]设计的网状磁屏蔽结构对电磁出钢系统用磁屏蔽材料的结构进行优化,在四周磁屏蔽材料上等距打孔,小孔为直径24 mm圆形,2个小孔圆心距离为40 mm。在四周磁屏蔽材料上均匀分布圆形小孔,在浇注过程中,座砖浇注材料能够穿过小孔整体成型,这会大幅提高座砖的整体强度。为保证改进后结构的磁屏蔽效果,分别计算了结构改进前后平面A的磁感应强度分布,如图12所示。可以看出,改进后结构的磁感应强度略有增加,但增加幅度较小。同样取中心线上磁感应强度进行分析,如图13所示。可以看出,结构变化前后线圈中心的磁感应强度变化不大。新的结构会对磁屏蔽效果有微弱的削减作用,但是能够提高座砖的强度和寿命,因此该新型磁屏蔽结构能够运用于电磁出钢系统中。

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图13   不同磁屏蔽结构时线圈中心线上磁感应强度的变化曲线

Fig.13   Distributions of B at center line with different magnetic shielding structures

4 结论

(1) 线圈底部放置磁屏蔽材料能够显著降低钢包结构对电磁出钢系统中电源加热效率的影响。同时,磁屏蔽能够使线圈的最佳加热位置上移。

(2) 线圈四周磁屏蔽材料的最佳尺寸为：高度200 mm、长度290 mm、宽度290 mm、厚度1 mm。此时感应线圈中心线上磁感应强度的最大值降低54.9%,大幅降低电源的功率损耗。线圈的最佳加热位置上移20.2 mm,这有利于降低线圈工作的环境温度,从而提高线圈的使用寿命。

(3) 网状磁屏蔽结构能够有效提高座砖的强度。同时,改变磁屏蔽结构对线圈中心线上的磁感应强度分布影响较小。因此,新结构磁屏蔽能够适用于电磁出钢系统。

The authors have declared that no competing interests exist.