controllo ELETTROMAGNETICo dElla forma del menisco

nella colata continua dell’acciaio

 In cooperazione con il Process Technology Research Laboratories,
Nippon Steel Corporation, (Dr. E. Takeuchi and Dr. T.Toh)

La crescente richiesta di materiali ad alte prestazioni ha portato, negli ultimi anni, all’utilizzo di forze e campi elettromagnetici per la lavorazione ed il trattamento dei materiali. Il cosiddetto “Electromagnetic Processing of Materials (EMP)”, che è basato sia sulla Magnetofluidodinamica sia sulla metallurgia tradizionale, sta diventando una pratica sempre più diffusa nell’industria dei metalli ed in particolare in quella dell’acciaio e dei materiali avanzati. L’utilizzo della forza elettromagnetica si è rivelato essenziale per migliorare la tecnologia metallurgica tradizionale e per creare nuovi processi ad elevata efficienza. Gli Stirrers Elettromagnetici, disponibili commercialmente per le leghe di alluminio, zinco, magnesio, rame, ecc., sono un esempio della validità dell’EPM.

Il miglioramento della qualità superficiale degli acciai prodotti per colata continua (Continuously Cast Steel) è importante perché permette di passare direttamente il prodotto della fusione in colata continua (piastre di acciaio) alla linea di laminazione a caldo ottenendo un notevole risparmio energetico. Poiché i difetti superficiali sono prodotti all’interfaccia tra il metallo liquido e la lingottiera, una possibile soluzione è la sostituzione della lingottiera, del tutto o in parte, con una “bottiglia magnetica”. Tale processo, detto Electromagnetic Casting (EMC), permette una fusione in colata continua senza stampo (Moldless).

Nell’ambito delle collaborazioni esistenti con il Dipartimento di Ingegneria Elettrica dell’Università di Tokyo e con la Nippon Steel Corporation, la ricerca si è proposta di studiare la riduzione della pressione ferrostatica dovuta alla pressione magnetica e la stabilizzazione della forma del menisco (Electro-magnetic Shaping) che sono i fattori cruciali per ottenere una buona qualità superficiale degli acciai prodotti per colata continua. Per la sperimentazione, che si è svolta nei laboratori NSC di Futtsu (J), si è utilizzato un crogiolo freddo (Cold Crucible). Tale dispositivo è composto di tre parti: una carica da fondere (Sn-10%Pb), un crogiolo di rame a segmenti raffreddati ed un induttore esterno. La carica può essere fatta levitare utilizzando la pressione magnetica, il che permette di evitarne la contaminazione.

La frequenza è stata variata nel range 5 - 20 kHz. Le oscillazioni del menisco sull’asse del dispositivo sono state misurate con un sensore laser. Il menisco è decisamente più stabile ad alta frequenza (20 kHz). Inoltre si è osservata una forte instabilità che è stata chiamata Dancing Motion. La causa di questo fenomeno, che si osserva solo a bassa frequenza (5 kHz) e per valori ridotti di corrente di alimentazione, è probabilmente connessa ad un effetto di risonanza. Infatti l’analisi FFT delle oscillazioni del menisco sull’asse mostra un picco isolato ad una frequenza di circa 3 Hz.

La forma del menisco è stata calcolata numericamente risolvendo l’equazione per l’equilibrio del menisco. L’errore tra le forme calcolate e quelle ottenute sperimentalmente è minore del 10%. La forma del menisco varia notevolmente e non linearmente al variare della frequenza e della corrente nell’induttore.