高频电磁场下保护渣成分对流变性的影响

张彦辉，王杏娟，朱立光，张燕平

(1.华北理工大学 以升创新教育基地,河北 唐山063009；2.华北理工大学 冶金与能源学院,河北省现代冶金技术重点试验室,河北 唐山 063009)



高频电磁场下保护渣成分对流变性的影响

张彦辉1，王杏娟2，朱立光2，张燕平2

(1.华北理工大学 以升创新教育基地,河北 唐山063009；2.华北理工大学 冶金与能源学院,河北省现代冶金技术重点试验室,河北 唐山 063009)

高频电磁场；流变性；保护渣；黏流活化能；黏度

设计了正交试验,通过保护渣电磁特性测量装置测定了20 kHz高频电磁场作用下保护渣黏度随温度变化的曲线,并计算了保护渣的黏流活化能,研究了保护渣中碱度、Na2O、MgO、CaF2及BaO的成分变化与其流变性的关系,为软接触电磁连铸技术中保护渣的设计提供了理论依据。研究结果表明：在20 kHz高频电磁场下,随着碱度的升高,以及Na2O、MgO、CaF2、BaO含量的升高,均使保护渣黏度增大,黏流活化能增大,转折温度升高。

软接触电磁连铸技术(Soft-Contact Electromagnetic Continuous Casting)是在连铸结晶器外面弯月面区域施加高频电磁场(B),使金属液内诱发感应电流(J),两者交互作用在结晶器内铸坯的初始凝固区产生电磁压力(F=J×B),指向熔体内部用以抵消部分钢水静压力,从而降低液体金属与结晶器壁的接触压力和拉坯阻力,生产高质量铸坯的一种新的技术设想[1,2]。保护渣是一种能够在连铸过程中发挥重要作用的功能材料[3],能够发挥重要作用的原因是其在高温下具有流变性,减小了连铸过程中的阻力,使连铸过程得以顺利进行。

属于硅酸盐结构体系的结晶器保护渣在高温下呈一定程度的离子结构特征并具有导电性[4],此时对结晶器保护渣施加20 kHz的高频电磁场,电磁相互作用产生洛仑兹力,作用在流体质点上,搅拌保护渣,推动保护渣的自由流动,改变了保护渣的流动形态和流场的分布[5-7],有利于保护渣的熔融与流动,使流速增加,促进渣金反应。可见,在20 kHz高频电磁场下,保护渣的流变性会发生变化,而研究保护渣的流变性对提高连铸坯质量具有重要意义。该项研究设计了正交试验,从保护渣电磁特性、黏度特性等方面研究了20 kHz高频电磁场条件下保护渣成分变化对流变特性的影响,探明高频电磁场条件下保护渣成分变化对流变性的影响机理,为深入研究20 kHz高频电磁场条件下保护渣的性能、软接触电磁连铸技术中保护渣的设计提供了理论依据。

1 试验原理及方法

1.1试验原理

在高温条件下,保护渣为液态,具有一定程度的离子特性。离子具有导电性,导电离子在高频电磁场下诱发感应电流,感应电流与磁场相互作用产生洛仑兹力。液态保护渣在电磁力的驱动下流动,交变电磁场提高了粒子的碰撞频率,加快了渣金反应的进行。晶格的振动急剧增强,洛仑兹力有很强的各向异性,使保护渣熔体从有序转变为无序结构状态,说明硅氧四面体的类型发生变化,保护渣结构发生改变,使得各理化性能发生改变,流变性发生改变。

1.2试验方案

设计五因素四水平的正交试验,研究20 kHz高频电磁场下碱度、MgO、Na2O、BaO及CaF2的成分变化时,保护渣流变性的变化情况。通过保护渣电磁特性测量装置测定20 kHz高频电磁场下保护渣黏度随温度变化的情况,绘制黏度与温度关系曲线,并计算保护渣的黏流活化能,分析高频电磁场下保护渣成分变化对流变性的影响。保护渣成分变化情况如表1和表2所示。

表1　五因素四水平正交试验表

1.3试验设备

研究采用的试验设备为自主设计开发的试验装置,如图1所示。目的是研究20 kHz高频电磁场下保护渣的高温流变行为。

图1　保护渣电磁特性测量装置及原理图

过程在MoSi2高温炉内进行,炉内刚玉管直径为80 mm,其恒温带长约60 mm,在炉管外侧施加了高频水冷铜感应线圈,直径为10 mm,匝数为5,Mo质测头旋转速度为12 r/min。MoSi2高温炉不仅起到加热的作用,并提供了高频感应磁场,振荡频率设定为20 kHz。为确保试验结果的可靠性,高频加热炉底部的测温元件与传统无磁场条件下的MoSi2高温炉为同一型号。

1.4试验过程

称取350 g渣料放入高温旋转MoSi2高温炉中熔化均匀,再放入电磁装置中待测。然后将电磁装置的高频加热炉调节频率至18 kHz,保护渣升温至1 300 ℃稳定并保温15 min。升高频率,降低功率使保护渣在电磁装置中处于降温过程,并启动变温测黏程序测定降温过程中的黏度变化,同时微机数据采集系统开始记录数据,直到黏度变化幅度突然增大,钢丝旋转困难时测黏停止。以温度(T)为横坐标,黏度(η)为纵坐标,作η-T曲线图,45°切线的切点所对应的温度就是电磁场条件下保护渣的转折温度。

2 结果与分析

2.120 kHz高频电磁场下碱度R对流变性的影响

在本试验条件下(如图2和表3所示),高频电磁场下,保护渣碱度升高,黏度、黏流活化能和转折温度均增大。

图2　电磁场下R对η-T曲线关系的影响

水平Arrhenius方程黏流活化能Eη/(kJ·mol-1)转折温度/℃R=0.9lnη=17169.363/T-11.783142.7461208R=1.0lnη=18042.727/T-12.307150.0071215R=1.1lnη=18594.614/T-12.631154.5961228R=1.2lnη=19078.821/T-12.905158.6211239

碱度升高,CaO含量相对增加,离解成为简单的阴阳离子的数量逐渐增多,高频磁场的作用使保护渣有序结构状态被打破,处于无序状态的离子团增加,受交流电磁力影响,这些离子团更容易聚合在一块,形成大结构的离子团。因此,施加高频交流电磁场后,在一定范围内碱度越大,熔融保护渣分解的SixOyz-越多,SixOyz-不断的聚合,随着时间延长,聚合越来越明显,黏度越来越大,黏流活化能也越大。

2.220 kHz高频电磁场下Na2O对流变性的影响

在本试验条件下(如图3和表4所示),高频电磁场下,Na2O含量升高,保护渣黏度增大,黏流活化能增大,转折温度升高。

图3　电磁场下Na2O对η-T曲线关系的影响

Na2O水平/%Arrhenius方程黏流活化能Eη/(kJ·mol-1)转折温度/℃6lnη=18637.916/T-12.745154.95612207lnη=19159.717/T-13.050159.29412258lnη=19683.606/T-13.346163.64912289lnη=20205.235/T-13.648167.9861232

熔融的保护渣中Na+和O2-可以使硅氧四面体的网络链断开,破坏硅氧四面体结构,使得离子团变小。在电磁力作用下,小的离子团更容易聚合在一起,形成大的离子团,离子移动时所受到的阻力相应增加,移动困难,使保护渣的黏流活化能增大。黏流活化能是黏度的内在量度,与黏度变化一致。而离子团的增大使流动越来越困难,黏度迅速发生突变,因此转折温度升高。

Na2O含量越高,提供Na+和O2-离子越多,电磁力的作用越明显,故Na2O含量升高,保护渣黏度增大,黏流活化能增大,转折温度升高。

2.320 kHz高频电磁场下MgO对流变性的影响

在本试验条件下(如图4和表5所示),高频电磁场下,MgO含量升高,保护渣黏度增大,黏流活化能增大,转折温度升高。

图4　电磁场下MgO对η-T曲线关系的影响

MgO水平/%Arrhenius方程黏流活化能Eη/(kJ·mol-1)转折点温度/℃4lnη=19277.788/T-13.104160.27612175lnη=19788.899/T-13.401164.52512236lnη=20260.586/T-13.665168.44712267lnη=20635.254/T-13.873171.5621230

高频电磁场会通过改变电势和电子或离子的扩散对保护渣结构产生影响[8,9]。熔融状态的保护渣中的MgO含量升高,在熔渣中带入较多的O2-,破坏Si-O四面体网络结构,减小阴离子团的聚合度。电磁场条件下,电磁力使得这些离子团更容易聚合在一块,形成大结构的离子团,熔渣中的空位数减少,离子质点的迁移能力减小,黏流活化能升高,黏度增大,转折温度升高。

2.420 kHz高频电磁场下CaF2对流变性的影响

在本试验条件下(如图5和表6所示),高频电磁场下，CaF2含量升高,保护渣黏度增大,黏流活化能增大,转折温度升高。

图5　电磁场下CaF2对η-T曲线关系的影响

CaF2水平/%Arrhenius方程黏流活化能Eη/(kJ·mol-1)转折点温度/℃4lnη=21264.107/T-14.351176.79012365lnη=21751.652/T-14.613180.84312406lnη=22275.786/T-14.921185.20112447lnη=22861.275/T-15.249190.0691249

熔融状态的保护渣中CaF2引入静电势较小而数量较多的F-,既能促进CaO的熔解,还可以替代O2-破坏Si-O四面体网络结构,减小阴离子团的聚合度。CaF2含量升高,阴离子团的聚合度度越低,离子团越小,受到电磁力的作用,容易形成大结构离子团,使黏度增加,黏流活化能增大,转折温度升高。

2.520 kHz高频电磁场下BaO对流变性的影响

在本试验条件下(如图6和表7所示),高频电磁场下,BaO含量升高,保护渣黏度增大,黏流活化能增大,转折温度升高。

图6　电磁场下BaO对η-T曲线关系的影响

BaO水平/%Arrhenius方程黏流活化能Eη/(kJ·mol-1)转折点温度/℃1lnη=18699.470/T-12.809155.46712192lnη=18933.913/T-12.897157.41712223lnη=19133.336/T-12.944159.07512254lnη=19427.285/T-13.140161.5181227

熔融状态的保护渣中的Ba2+相比Ca2+,静电势小,离子状态增加,对O2-的束缚力小,离解出的O2-活度更大,O2-较易破坏硅氧离子团,电磁场条件下,受到电磁力作用的离子团更容易聚合在一起,形成更大离子团,加剧网络结构的复杂程度,使黏流活化能增大,黏度增大,转折温度升高。

3 结论

(1)在20 kHz高频电磁场条件下,随着本渣系中碱度、Na2O、MgO、CaF2及BaO的升高,保护渣黏度增大,黏流活化能增大,转折温度升高。

(2)黏度的变化与黏流活化能的变化一致,即黏度随温度的变化试际是黏流活化能随温度变化的宏观表现。

(3)无论是Na2O、MgO、CaF2、BaO还是碱度的变化,都是通过改变其熔融状态下的结构,破坏其硅酸盐的网络结构,改变黏度和黏流活化能,从而达到改变流变性的作用。

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Influence of Compositions of Casting Powder on Its Rheological Property Under High-frequency Electromagnetic Field

ZHANG Yan-hui1, WANG Xing-juan2, ZHU Li-guang2, ZHANG Yan-ping2

(1.Yisheng College,North China University of Science and Technology,Tangshan Hebei 063009,China;2.Hebei Province Key Laboratory for Advanced Metallurgy Technology,College of Metallurgy & Energy,North China University of Science and Technology,Tangshan Hebei 063009,China)

high-frequency electromagnetic field; rheological property; casting powder; viscous flow activation energy; viscosity

The orthogonal experiment was designed. Through the casting powder electromagnetic characteristic measurement device, under the 20 kHz high-frequency electromagnetic field, the variation curves of viscosity of casting powder with temperature were measured. The viscous flow activation energy was also calculated and the relationship between the rheological property and the basicity and composition change of Na2O, MgO, CaF2and BaO was researched. It provides theoretical basis for the design of the casting powder of soft-contact electromagnetic continuous casting. The research results show that, under the 20 kHz high-frequency electromagnetic field, with the increase of basicity, and the increase of Na2O, MgO, CaF2and BaO content, the viscosity of casting powder increases, the viscous flow activation energy increases, the transition temperature rises.

2095-2716(2016)03-0031-07

TF777

A