低频电磁场下熔融保护渣电导率及其焦耳热效应的研究

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随着电磁技术与连铸工艺的深入结合,结晶器电磁连铸技术在改善连铸坯质量方面有显著成效,已成为高效连铸的重要保障。而结晶器保护渣作为连铸工艺过程中重要的功能性材料,起着控制传热、吸收夹杂、润滑、防止钢液二次氧化以及绝热保温的作用。随着保护渣理论的发展,高碱度保护渣不断开发,熔渣离子化率和导电性相应提高,电磁场对其物化性能的影响凸显,对连铸保护渣研究提出了新内容和新要求。目前,国内外关于保护渣导电性能及电磁场作用下熔渣性能变化规律的研究较少,不能适应连铸工艺及保护渣发展的要求。开展熔融保护渣电导率及在电磁场作用下熔渣焦耳热效应研究,是电磁场作用下的保护渣物化性能研究的基础,对于认识电磁场对熔融保护渣性能的影响,丰富保护渣设计理论与性能调控方法,具有重要的科学意义和应用前景。本文基于交流四电极法原理,建立高温熔渣电导率测试实验平台,对Ca O-Si O2-Al2O3-Mg O-Ca F2-Na2O系熔融保护渣的电导率进行测量,分析熔融保护渣电导率的影响因素及变化规律。定量分析熔渣电导率与组分、温度之间的关系,应用熔渣几何模型理论,结合实验结果探讨熔渣电导率预测方法。采用COMSOL软件对低频电磁场作用下,磁致保护渣焦耳热效应进行数值模拟和分析。主要研究结果如下:(1)在本文研究渣组成和测试温度范围(1473K~1623K)内,熔融保护渣的电导率大致在0.026~0.810Ω-1·cm-1。保护渣电导率随熔剂Na2O、Ca F2和碱度的增加而提高。其中,Na2O含量每增加1%,电导率平均增加约17.6%;Ca F2含量每增加1%,电导率平均增加约18.6%;Λcorr每增加0.1,电导率平均增加约58.7%。温度每增加25K,电导率平均增加约27.2%。各碱性组分对保护渣电导率的影响程度依次为Ca F2>Ca O>Na2O>Mg O,Si O2是降低熔渣导电性的组分。(2)基于Arrehnius方程和本研究电导率实验数据,得到了Ca O-Si O2-Al2O3-Mg O-Ca F2-Na2O系保护渣电导率计算模型,模型为:lnκ=lnA-E/RTlnA=6.838×10-5E+0.276E=-3.687×10 ~6(Λcorr)~3+4.849×10~6(Λcorr)~2-2.126×10~6Λcorr+9.356×10~5(3)应用熔渣几何模型理论,结合本研究电导率实验数据,探讨了熔渣电导率的预测方法及相应权重因子的优化选择方案。应用表明,当预测点与实验点成分平均差在0.017~0.026,碱度比为1.04~1.17时,在考虑所有权重因子的贡献下,其模型预测偏差小于9.6%。(4)在低频电磁场作用下,熔渣中感应电流与磁感应强度随激励电流、电导率的增大而增强,磁致焦耳热也随之增大。研究表明,在本文条件下,磁致焦耳热大致在0.97×10~3~6.29×10~3J·m-3。焦耳热随着与磁场作用中心距离减小而增大,在距模拟结晶器内表面向中心方向25~60mm,每增加10mm熔渣焦耳热平均增加约11.8%,且电导率越大,焦耳热随距离的变化越显著。
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