CN104096813A - 磁场发生器和采用磁场发生器的电磁搅拌装置 - Google Patents

Abstract

本发明是一种磁场发生器和采用磁场发生器的电磁搅拌装置，磁场发生器，包括具有封闭多边形截面的柱形铁芯、绕在铁芯外围的多股线圈以及设置在铁芯背侧的具有多边形截面的导电板；在线圈上通上交变电流后，铁芯、多股线圈导电板共同产生一个随时间变化的交变磁场。本发明的电磁搅拌装置呈辊形，包括本发明的磁场发生器、布置在磁场发生器外部的中空辊套及支承机械结构。本发明最大程度利用辊式搅拌器内部空间，改变搅拌器产生的空间磁力线走向，在同样的电参数条件下，可以取得比同类设备更高的电磁力，可适用于钢铁或有色金属的板坯连铸过程对等轴晶率有较高要求的产品，并可在同等的电源输出功率条件下产生最大的磁感应强度。

Description

磁场发生器和采用磁场发生器的电磁搅拌装置

技术领域

本发明涉及一种用于金属连续铸造中供给或处理熔融金属的装置，具体说有关一种用于金属连续铸造中现场对铸造坯料进行处理或加工的的装置。 

背景技术

磁场发生器上绕有多股线圈，线圈上通以交变电流后可以激发产生交变磁场，当其作用于导电流体如钢水时，由于磁场随着时间不断发生变化就会在其中感应产生涡流，该感应电流与当地磁场相互作用产生电磁力，电磁力是体积力，作用在导电流体体积元上，从而可以推动流体按照交变磁场的移动方向而运动。 

磁场发生器具有非接触、无污染的优点，可以不与被处理材料发生直接接触而发生作用，因而具有广泛的应用价值。其中一个最为典型的例子就是作为电磁搅拌装置而获得广泛使用。被广泛应用于各家钢铁生产厂家的连铸二冷区电磁搅拌装置（SEMS）的一个重要作用就是提高铸坯的等轴晶率。由于等轴晶率除了与浇注温度、拉坯速度、冷却强度等有关以外，电磁力的大小至关重要。这是由于电磁力的大小决定了电磁搅拌引起的钢液流速和流场范围。生产过程中需要根据不同企业的钢种范围、铸机类型、生产习惯以及改造或新建生产线的不同特点选择不同的SEMS，但现有技术下的SEMS各具有一定的缺点，具体说明如下： 

箱式SEMS安装在支撑辊的后面，要求靠近SEMS的支撑辊为非磁性不锈钢辊。搅拌器尺寸可以做得很大，搅拌区域和强度都很大。由于SEMS距离铸坯表面很远，要达到一定的搅拌强度，搅拌器的电消耗比较大。 

插入对极式搅拌器，必须去掉连铸机原有的2对支撑辊，换成2对小分节辊。靠近铸坯很近，是几种搅拌器中电磁力最大的一种。但同时也存在安装复杂、制造周期长、扇形段改造大、投资大的缺点。 

辊式SEMS的线圈被安装在非磁性耐热不锈钢的空心辊套内部，直接放置在铸坯表面。辊式搅拌器一方面起到支撑铸坯的作用，另一方面对铸坯内钢液产生搅拌。工作时辊套随着铸坯移动而转动。辊式搅拌器由于与铸坯直接接触， 可以在同等的电源输出功率条件下产生最大的电磁搅拌力，改善液穴温度均匀性和提高等轴晶率。但是由于受辊套空间的限制，最终的磁场强度往往偏小。 

在中国发明专利第20071008594.0中公开一种圆柱铁芯外加圆环屏蔽罩的辊式电磁搅拌，虽然也可以提高磁感应强度，但是由于圆柱形铁芯制造上存在较大困难，特别是受圆环屏蔽罩的综合影响，实际加工制造过程中对线圈的绕制带来很大的不便。 

近年来，辊式电磁搅拌器由于具有安装简便，不需太多改动扇形段，投资相对较小，制造周期短等优点，越来越受到各大钢厂关注。但是其最大的不足是由于受空间所限，特别是对于不锈钢连铸生产而言搅拌力相对较小，虽然现有技术一直对其做出了改进，但效果却一直不尽如人意，或存在电磁性能低，电磁力偏小、或存在本身占用了一定的搅拌辊内部有限空间，也同时在一定程度上影响了冷却水循环流动、或仅仅对搅拌器内部材料的选择以及搅拌器端部的密封做了改进，对于提高搅拌器的实际电磁性能意义不大。 

另一方面，电磁搅拌装置一般功率因数都比较低，特别是行波磁场更低，因此使用电流都非常大，位于线圈中心的铁芯非常很容易达到磁饱和。 

现有磁场发生器的截面结构如图1a和图1b所示，包括铁芯3、非磁性导电材料1和线圈2，主要有两种基本类型。其中，图1a所示型式的结构由于铁芯所占截面积过小，因此所产生的电磁力很小，很难满足工业生产要求；图1b所示型式的结构可以适当提高电磁力，但由于铁芯由硅钢片叠加制造而成，要制造成圆形截面的铁芯非常困难。特别是在圆形铁芯上面绕制线圈过程中，走线和布线均存在较大难度，因此总体制造难度极大。 

因此，通过结构设计优化，改变铁芯结构，充分利用搅拌器的空间，最终提高电磁力是非常必要的。所以对这一问题的改进也是本领域研究难题之一。 

发明内容

本发明的目的是提供一种磁场发生器和采用磁场发生器的电磁搅拌装置，可充分利用搅拌器的空间并提高电磁性能和获得增强的电磁力。 

根据本发明一方面提供一种磁场发生器，其特征在于，包括具有封闭多边形截面的柱形铁芯、绕在所述铁芯外围的多股线圈以及设置在铁芯背侧的具有多边形截面的导电板；在所述线圈上通上交变电流后，所述铁芯、所述多股线圈所述导电板共同产生一个随时间变化的交变磁场。 

较佳地，所述磁场发生器的柱形铁芯的封闭多边形截面的周边包括弧形线 段部分和直线线段部分，所述弧形线段部分是由位于同一圆周上至少一条弧形线段组成，以及所述直线线段部分是由所述圆周内的至少一条弦直线线段构成。 

在一个实施例中，所述至少一条弧形线段包括一条大弧形线段、二条与圆中心左右对称的小弧形线段，所述至少一条弦直线线段包括位于所述二条小弧形线段之间的一条弦直线线段和位于所述大弧形线段和所述小弧形线段之间的二条弦直线线段。 

较佳地，位于所述二条小弧形线段之间的所述一条弦直线线段与所述二条小弧形线段的交点与所述同一圆周的圆中心的连线与所述一条弦直线线段的夹角α相等，并且38°<α<72°。 

在另一个实施例中，所述的至少一条弦直线线段包括相对平行并与圆中心对称的二条弦直线线段，所述至少一条弧线线段包括一条大弧形线段、与所述大弧形线段相对的位于所述二条弦直线线段之间的一条小弧形线段、位于所述弦直线线段和所述大弧形线段之间的二条弧形线段。 

较佳地，所述位于所述二条弦直线线段之间的所述一条小弧形线段与所述二条弦直线线段的交点与所述圆中心的连线与所述一条小弧形线段的弦直线的夹角α相等，38°<α<72°。 

在一个实施例中，所述铁芯的背侧的该截面为多边形的导电板由三个弧形线段及三个直线线段构成，所述三个弧形线段分别为第一、第二、第三弧形线段，所述第一弧形线段位于所述第二、第三弧形线段的外围，所述第二、第三弧形线段处于同一圆；所述三个直线线段分别为第一、第二、第三直线线段，所述第一直线线段连接于所述第二、第三弧形线段之间，所述第二、第三直线线段分别连接于所述第一弧形线段和第二、第三弧形线段之间。 

在所述实施例中，所述第一弧形线段所处圆的直径为第一直径，所述第二弧形线段所处圆的直径为第二直径，所述两圆内切于一点。 

在本发明的磁场发生器中，所述的铁芯材质为硅钢片；所述多股线圈沿所述铁芯轴线方向等间隔布置，所述多边形导电板材质为铜；线圈中通上交流电后，多边形导电板感应产生与线圈电流方向相反的涡流。 

根据本发明另一方面提供一种采用磁场发生器的电磁搅拌装置，其特征在于，包括上述的本发明的磁场发生器、布置在所述磁场发生器外部的中空辊套及支承机械结构，以便在所述磁场发生器的线圈上通上交变电流后，所述磁场发生器产生一个随时间变化的交变磁场。 

本发明的有益效果是：本发明的磁场发生器采用新型的铁芯结构，最大程度利用辊式搅拌器内部空间，改变搅拌器产生的空间磁力线走向，在同样的电参数条件下，可以取得比同类设备更高的电磁力。本发明磁场发生器适用于钢铁或有色金属的板坯连铸过程对等轴晶率有较高要求的产品，如硅钢、不锈钢等，该磁场发生器可以在同等的电源输出功率条件下产生最大的磁感应强度。 

附图说明

图1a和图1b是现有磁场发生器的截面结构示意图； 

图2是本发明一个实施例的磁场发生器中的柱形铁芯的封闭多边形截面的面示意图； 

图3是本发明一个实施例的磁场发生器中铁芯背部导电板的多边形截面示意图； 

图4是本发明一个实施例的磁场发生器端面示意图； 

图5是本发明一个实施例的采用磁场发生器的立体图； 

图6是本发明的应用实例的安装示意图，本发明的电磁搅拌装置代替图中所示的连铸辊。 

具体实施方式

为让本发明的上述目的、特征和优点能更明显易懂，以下结合附图对本发明的具体实施方式作详细说明。首先需要说明的是，本发明并不限于下述具体实施方式，本领域的技术人员应该从下述实施方式所体现的精神来理解本发明，各技术术语可以基于本发明的精神实质来作最宽泛的理解。图中相同或相似的构件采用相同的附图标记表示。 

本发明的磁场发生器，特别是可构成一种用于板坯连铸二冷区的电磁搅拌装置，该电磁搅拌装置为辊形，包括磁场发生器器及外部的中空辊套及其它必要的支承和机械结构（未图示）。如图5所示，本发一个实施例的磁场发生器7由截面为多边形的铁芯6、导电板4及线圈5组成。线圈5上通上交变电流后，磁场发生器7将会产生一个随时间变化的交变磁场。 

本发明的磁场发生器7，其铁芯6的截面为多边形，多边形构成方式如图2所示，即由多条弧形线段及直线线段构成。铁芯截面的几何尺寸满足如下关系式：100mm<D1<180mm 

D1为圆心位于O1的圆的直径，单位为mm；铁芯6的截面弧线部分C6属于上 述圆的一部分；线段C2、C4可以为直线线段，也可以为弧形线段；一种较好的情况C2、C4为弧形线段且与上述圆同心； 

线段C1、C5可以为直线线段，也可以为弧形线段；一种较好的情况是C1、C5为二条线段相互平行，且C1、C5相对于圆心O1点对称布置； 

线段C3可以为弧形线段，也可以为直线线段，一种较好的情况是线段C3为直线线段。线段C3与弧形线段C2、C4分别相交于A点和B点，AO1、BO1与线段C3形成相同大小的夹角α，且满足：38°<α<72°。 

线段C1、C2、C3、C4、C5、C6共同组成一个封闭多边形，该多边形即为铁芯截面的形状。多边形形成面积S满足：7850mm²<S<20100mm²

本发明的磁场发生器7，铁芯6为截面为多边形的柱形，铁芯材质通常为硅钢片。铁芯6外围绕有多股线圈5，线圈5上通有交流电。多股线圈5沿铁芯6轴线方向等间隔布置。 

本发明的磁场发生器7，铁芯的背侧设置有一块多边形导电板4。如图3所示，该多边形导电板由三个弧形线段C7、C9、C11及三个直线线段C8、C10、C12构成。 

弧形线段C7所处圆圆心为O₃，弧形线段C9、C11所处圆圆心为O₂，O₂、O₃之间距离满足：2mm<|O₂O₃|<15mm 

弧形线段C7所处圆直径为D3，弧形线段C9、C11所处圆直径为D2，两圆内切于E点。直线线段C10与线段O₂O₃垂直。 

在磁场发生器7中，多边形导电板4为截面为多边形的柱形，导电板材质通常为铜。线圈3中通上交流电后，多边形导电板4感应产生与线圈电流方向相反的涡流。基于这一原理，可以减小铁芯6背部，即多边形导电板4侧的磁感应强度，提高正面的磁感应强度。 

本发明的磁场发生器7，由截面为多边形的铁芯6、铁芯6上绕有的多股线圈5以及铁芯6背部的截面为多边形的导电板4共同构成，如图5所示，当在线圈5上通上交变电流后，铁芯6、多股线圈5、导电板共同产生一个随时间变化的交变磁场。如图4所示，圆心O₁与圆心O₂重叠，且O₁O₃与线段C3垂直，且线段C3与内切点E相对于圆心O₃不同侧。 

综上所述，铁芯6截面的多边形至少包含一个直线线段和一个弧形线段，即不为圆形。 

在本发明的磁场发生器中，具有多边形截面的铁芯6含有1-3个沟槽（未图示），以便于线圈绕制过程中走线。铁芯6由硅钢片叠制而成。导电板4由铜机 械加工而成。线圈5共有4-6股例如5股。线圈5由实心铜线绕制而成，铜线外围包覆有绝缘材料。 

较佳地，磁场发生器总长度为1300mm～1600mm，例如为1450±5mm，D1为145±2mm、D2为164±2mm、D3为174±2mm、α为45±5°。 

本发明的磁场发生器7，可最大程度利用辊式搅拌器内部空间，改变搅拌器产生的空间磁力线走向，在同样的电参数条件下，可以取得比同类设备更高的电磁力。本发明磁场发生器适用于钢铁或有色金属的板坯连铸过程，一般用于对等轴晶率有较高要求的产品，如硅钢、不锈钢等。 

将本发明的磁场发生器应用于辊式电磁搅拌装置，磁场发生器外部配置有辊套、轴承等部件并安装于如图6所示的连铸机上，代替连铸辊8，一方面对连铸坯9起到支撑作用，另一方面对内部钢水进行搅拌。设计磁场发生器总长度为1450mm、D1为145mm、D2为164mm、D3为174mm、α为45°，弧形线段C6弧度为136°。如图5所示，铁芯上沿轴线方向共绕有5股线圈，线圈之间间隔相等；第1、3、5股线圈匝数之和为140～160匝之间，第2、4股线圈匝数之和介于130～150匝之间，但大于130匝。5股线圈之间相位间隔90度，即分别为0、90、180、270、360。为了保证使用过程中的相平衡，第1、5股线圈的匝数为第3股线圈匝数的一半，第2、4股线圈匝数相同。利用本发明的新型结构，当线圈中通有400A、5Hz的电流时，辊式搅拌器表面最大可以产生1200Gs左右的磁感应强度。辊式电磁搅拌装置适用于板坯连铸，一般用于对等轴晶率有较高要求的钢种，如硅钢、不锈钢等。利用本发明设计的磁场发生装置可以大大提高连铸板坯的等轴晶率。 

应理解，在阅读了本发明的上述讲授内容之后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定的范围。 

Claims (10)

1.一种磁场发生器，其特征在于，包括具有封闭多边形截面的柱形铁芯、绕在所述铁芯外围的多股线圈以及设置在铁芯背侧的具有多边形截面的导电板；在所述线圈上通上交变电流后，所述铁芯、所述多股线圈所述导电板共同产生一个随时间变化的交变磁场。

2.根据权利要求1所述的磁场发生器，其特征在于，所述磁场发生器的柱形铁芯的封闭多边形截面的周边包括弧形线段部分和直线线段部分，所述弧形线段部分是由位于同一圆周上至少一条弧形线段组成，以及所述直线线段部分是由所述圆周内的至少一条弦直线线段构成。

3.根据权利要求2所述的磁场发生器，其特征在于，所述至少一条弧形线段包括一条大弧形线段、二条与圆中心左右对称的小弧形线段，所述至少一条弦直线线段包括位于所述二条小弧形线段之间的一条弦直线线段和位于所述大弧形线段和所述小弧形线段之间的二条弦直线线段。

4.根据权利要求3所述的磁场发生器，其特征在于，位于所述二条小弧形线段之间的所述一条弦直线线段与所述二条小弧形线段的交点与所述同一圆周的圆中心的连线与所述一条弦直线线段的夹角α相等，并且38°<α<72°。

5.根据权利要求2所述的磁场发生器，其特征在于，所述的至少一条弦直线线段包括相对平行并与圆中心对称的二条弦直线线段，所述至少一条弧线线段包括一条大弧形线段、与所述大弧形线段相对的位于所述二条弦直线线段之间的一条小弧形线段、位于所述弦直线线段和所述大弧形线段之间的二条弧形线段。

6.根据权利要求5所述的磁场发生器，其特征在于，所述位于所述二条弦直线线段之间的所述一条小弧形线段与所述二条弦直线线段的交点与所述圆中心的连线与所述一条小弧形线段的弦直线的夹角α相等，38°<α<72°。

7.根据权利要求2所述的磁场发生器，其特征在于，所述铁芯的背侧的该截面为多边形的导电板由三个弧形线段及三个直线线段构成，所述三个弧形线段分别为第一、第二、第三弧形线段，所述第一弧形线段位于所述第二、第三弧形线段的外围，所述第二、第三弧形线段处于同一圆；所述三个直线线段分别为第一、第二、第三直线线段，所述第一直线线段连接于所述第二、第三弧形线段之间，所述第二、第三直线线段分别连接于所述第一弧形线段和第二、第三弧形线段之间。

8.根据权利要求7所述的磁场发生器，其特征在于，所述第一弧形线段所处圆的直径为第一直径，所述第二弧形线段所处圆的直径为第二直径，所述两圆内切于一点。

9.根据权利要求1所述的磁场发生器，其特征在于，所述的铁芯材质为硅钢片；所述多股线圈沿所述铁芯轴线方向等间隔布置，所述多边形导电板材质为铜；线圈中通上交流电后，多边形导电板感应产生与线圈电流方向相反的涡流。

10.一种电磁搅拌装置，所述电磁搅拌装置呈辊形，其特征在于，包括权利要求1至8之任一项所述的磁场发生器、布置在所述磁场发生器外部的中空辊套及支承机械结构，以便在所述磁场发生器的线圈上通上交变电流后，所述磁场发生器产生一个随时间变化的交变磁场。