CN102019385A - 一种连铸电磁搅拌磁场发生器调制方式 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种连铸电磁搅拌磁场发生器调制方式。本调制方式是对置于水冷夹套壳体内的感应线圈进行调制来实现的：感应线圈中通以幅/频/相可独立调制或联合调制的电流，从而在感应线圈控制范围内的金属液内产生的幅/频/相可独立调制或联合调制磁场，使得金属液受到的电磁力的大小、作用点、方向可相应的独立或联合调节，从而可精确控制液态金属的流动，进而控制连铸金属的凝固过程，达到改善铸坯质量的目的。

Description

一种连铸电磁搅拌磁场发生器调制方式

技术领域

本发明涉及一种连铸电磁搅拌磁场发生器调制方式，作用于结晶器到凝固末端任意区域，该装置产生磁场的幅值、频率和相位可单独调制或联合调制。属金属连铸工艺技术领域。

背景技术

电磁搅拌技术是一项传统的能有效改善铸坯表面及内部质量、提高等轴晶比率、细化晶粒的手段。在连铸过程中，从结晶器开始到二冷段，最后到凝固末端所有带液芯的区域都可采用电磁搅拌技术来达到改善铸坯表面及内部质量、提高等轴晶比率、细化晶粒的目的。在该技术的运用过程中，施加的磁场都是幅/频/相恒定的磁场，或者幅值和频率可调的磁场。这样的情况下，随着搅拌强度的增强，虽然能起到提高等轴晶比率、细化晶粒的作用，但是由于金属液流动的传质作用，使得凝固后的铸坯产生了严重的偏析问题，典型表现为“白亮带”的产生，这是由于液态金属流动对凝固的影响。要较好的控制连铸过程，必须灵活调节幅/频/相三个参数，以控制作用在液态金属内的电磁力的大小，作用点及方向，从而精确控制液态金属的流动，进而较好的控制金属液的凝固，达到改善铸坯质量，提高生产率的目的。

发明内容

本发明的目的在于金属连铸电磁搅拌过程中，针对已有技术存在的缺陷，提供一种连铸电磁搅拌磁场发生器调制方式，以提高铸坯的表面及内部质量、提高等轴晶比率、细化晶粒。

为达到上述目的，本发明的构思是：根据电磁感应原理，当交变电磁场作用于导电金属时，电磁场的幅值决定了电磁力的大小；由于集肤效应，电磁场的频率决定了电磁力的分布(频率高则集肤深度小，频率低则渗透深度大)，而电磁场的相位则决定了电磁力的方向。即数学表达为B＝B₀cos(2πωt+φ)的交变磁场，其三个特征参数，幅值B₀、频率ω和相位φ决定了感应电磁力的大小、作用点和作用方向。现通过控制电磁力的三个参数，动态地调节其中的一个或多个参数，达到控制液态金属流动的目的，从而控制液态金属的凝固，进而达到改善铸坯质量的目的。

根据上述发明思路，本发明采用下述技术方案：

一种连铸电磁搅拌磁场发生器调制方式，其特征在于对置于水冷夹套壳体内的感应线圈进行调制实现磁场发生器调制：所述的感应线圈中通以幅值、频率、相位可单独调制或联合调制的电流，因电磁感应而产生的磁场按照B＝B₀cos(2πωt+φ)变化，其中幅值B₀、频率ω和相位φ这三个参数可以单独或者联合调制。

上述电流的调制方式，采用函数发生器——基于PWM技术的幅/频调节——移相器的流程。首先通过函数发生器获得想要的正弦函数波形；然后采用脉宽调制技术(Pulse WidthModulation-PWM)，控制方式就是对逆变电路开关器件的通断进行控制，使输出得到一系列幅值相等而宽度不等的脉冲，用这些脉冲来代替函数发生器产生的正弦波形，也就是在输出波形的半个周期中产生多个脉冲，使各脉冲的等值电压为正弦波形。通过控制脉冲宽度对电压的幅值进行调制；通过控制脉冲的调制周期对电压输出频率进行调制。如图2所示，控制整流电路以改变输出电压，控制逆变电路来改变输出频率。这一步具体采用数字电路的正弦波脉宽调制(SPWM)逆变器，使用以软件为基础的控制模式。最后将幅值和频率调制好后的电流通入移相器移相，对电流的相位进行调制。函数发生器、SPWM专用微处理器及移相器在市场上均有成品供选择。

上述的线圈输入电流，其特征在于：经调制后的电流大小为0～10⁵A；频率调制范围为0～10⁸Hz；相位调制范围为0～360°；相位调制的频率为0～10³Hz。

与现有技术相比较，本发明具有如下显而易见的突出特点和显著优点：

本发明装置的感应线圈中通以幅值，频率，相位可独立调制或者联合调制的电流，即形如I(t)＝I₀(t)cos(2πω(t)t+φ(t))的电流；从而在金属液中产生幅值、频率、相位也可以独立或者联合变化的磁场，即形如B(t)＝B₀(t)cos(2πω(t)t+φ(t))的电磁场，其中幅值B₀、频率ω和相位φ都是时间t的函数；所以，可以通过改变输入电流的大小调制B₀，通过改变电流的频率调制ω，通过改变电流的相位调制φ。幅值代表了电磁力的大小；由于集肤效应，频率决定了电磁力的分布，相位则决定了电磁力的方向。通过控制电磁力的这三个要素，就可以精确地控制液态金属的流动，由于液态金属的流动与铸坯的凝固组织有着密切的联系，因此，控制了液态金属的流动，就能有效地控制液态金属的凝固行为，从而达到在现有技术的基础上进一步减少铸坯缺陷，改善铸坯质量的目的。

附图说明

附图1为常规连铸机电磁搅拌的结构示意图。

附图2为电压型脉宽调制变频电路原理图。

附图3为本发明线圈所产生频率进行单独调制磁场时的电流示意图。

附图4和附图5为本发明线圈所产生频率和幅值进行联合调制磁场时的电流示意图。

附图6为本发明线圈所产生幅/频/相联合调制磁场时的电流示意图。

具体实施方式

本发明的优选实施例结合附图说明如下：参见附图1。常规连铸机主要包括结晶器1，具有冷却水进口2和出口3的水冷夹套壳体8，感应线圈4，引锭杆5和振动装置6；内置感应线圈4的设有冷却水进口2和出口3的水冷夹套壳体8可在包括结晶器1到凝固末端所有带液芯的任意区域设置一个或多个，感应线圈4在不同的区域采用不同的电流参数；在结晶器1底部设有振动装置6，以便坯壳的顺利脱模。

本发明连铸电磁搅拌的磁场发生器的核心在于感应线圈4。图2给出其电压型脉宽调制变频电路。

本连铸电磁搅拌磁场发生器调制方式是对置于水冷夹套壳体8内的感应线圈4进行调制实现磁场发生器调制：所述感应线圈4中通以幅值、频率、相位可单独调制或联合调制的电流，由电磁感应效应而在金属液内产生按照B＝B₀cos(2πωt+φ)变化的磁场，其中磁场幅值B₀、频率ω和相位φ这三个参数可单独或者联合调制。

本实施案例中的感应线圈4中的电流采用如下方式进行调制：函数发生器(PIC16C67)产生正弦波信号通入SPWM专用微处理器(80C196MC控制的IGBT-SPWM变频调速系统)进行幅/频调节，最后通过移相器(XZY-II型)移相。在其控制范围内的金属液中可以产生频率单独变化的磁场，如图3所示；可以产生幅值和频率联合变化的磁场，如图4和图5所示；也可以产生幅值、频率、相位联合变化的磁场，如图6所示。即可以在其控制的金属液内产生幅值、频率、相位单独变化，两两联合变化和三个参数一起变化的磁场。

本实施案例中，输入的电流大小为0～10⁵A；频率调制范围为0～10⁸Hz；相位调制范围为0～360°；相位调制的频率为0～10³Hz。

本实施例中，连铸过程的具体操作过程简述如下：利用本装置在连铸过程中，浇注的金属在结晶器1(或其他设有线圈处)受到线圈4提供的电磁场变化的电磁力的作用，并同时受冷却水的冷却作用，金属液被冷却凝固，并受到振动装置6的振动作用形成较好的晶相构组织(结晶器处受振动作用，其他设有线圈处不受振动作用)；铸坯7通过拉锭杆5不断拉出结晶器1，形成连铸过程。

Claims (5)

1.一种连铸电磁搅拌磁场发生器调制方式，其特征在于对置于水冷夹套壳体(8)内的感应线圈(4)进行调制实现磁场发生器调制；所述感应线圈(4)中通以幅值、频率、相位可单独调制或联合调制的电流，由电磁感应效应而在金属液内产生按照B＝B₀cos(2πωt+φ)变化的磁场，其中磁场幅值B₀、频率ω和相位φ这三个参数可单独或者联合调制。

2.根据权利要求1所述的连铸电磁搅拌磁场发生器调制方式，其特征在于所述幅值调制的方式，采用脉宽调制(PWM)技术，通过控制脉冲宽度来控制输出电压的幅值，进而调节电流的幅值，通过电磁感应效应调制磁场的幅值B₀。

3.根据权利要求1所述的连铸电磁搅拌磁场发生器调制方式，其特征在于所述频率调制的方式：采用脉宽调制(PWM)技术，通过控制脉冲的调制周期来控制电压的频率，进而调节电流的频率，通过电磁感应效应调制磁场的频率ω。

4.根据权利要求1所述的连铸电磁搅拌磁场发生器调制方式，其特征在于所述相位调制的方式：将经过脉宽调制的电流经移相器进行移相，调节电流的相位，进而通过电磁感应效应调制磁场的相位φ。

5.根据权利要求1所述的连铸电磁搅拌磁场发生器调制方式，其特征在于所述感应线圈(4)的输入电流，经调制后的电流大小为0～10⁵A；频率调制范围为0～10⁸Hz；相位调制范围为0～360°；所述不同相位调制的频率为0～10³Hz。

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