CN104107891B - 板坯连铸结晶器电磁搅拌装置的电磁感应器 - Google Patents

Abstract

本发明为一种板坯连铸结晶器电磁搅拌装置的电磁感应器，属于板坯连铸结晶器电磁搅拌装置，解决其中铁芯漏磁的问题，本感应器包含：铁芯，由多个E字形铁芯串在一起叠加组成的柱状铁芯，每个E字形铁芯由高导磁E字形硅钢片叠加组成；多组线圈，分别绕在柱状铁芯的外面，各组线圈的匝数相同，每组线圈上各通有一定相位、频率和电流强度的交变电流；磁屏蔽罩，是一个开口罩，置于铁芯背侧，磁屏蔽罩的开口侧面向所述结晶器铜板。本发明是一种带有磁屏蔽罩结构的电磁感应器，改变了磁力线在空间中的走向，在同样输入电流条件下，能产生更高的磁感应强度，从而提高电磁力，提高了系统的效率，同时也大大减小了搅拌装置的磁场对周边设备仪表的干扰。

Description

板坯连铸结晶器电磁搅拌装置的电磁感应器

技术领域

本发明涉及板坯连铸结晶器电磁搅拌装置，尤其是指一种板坯连铸结晶器电磁搅拌装置中的电磁感应器结构。

背景技术

为了提高铸坯的表面质量和内部质量，除了在炼钢精炼过程中减少夹杂物含量、连铸过程中提高生产工艺参数的控制水平外，还可以使用电磁搅拌装置进行电磁搅拌的手段。也就是说铸坯的表面质量除了与浇注温度、拉坯速度、冷却强度、氩气流量等有关以外，电磁搅拌装置的使用也至关重要，这是由于电磁搅拌装置可以改变钢液流速和流场范围，提高凝固坯壳均匀性，减小了夹杂物和气泡在凝固前沿被捕获的机会。

电磁搅拌装置根据安装位置的不同，主要分为结晶器电磁搅拌（MEMS）、二冷区电磁搅拌（SEMS）及末端电磁搅拌（FEMS）三种类型。本发明是涉及结晶器电磁搅拌的技术。

如图1所示，板坯连铸生产过程中，钢液在结晶器1中开始冷却，经过连铸辊2形成特定截面的通道，并不断冷却而形成固态的铸坯3。其中结晶器电磁搅拌装置安装于结晶器1铜板的外侧，而结晶器1是整个连铸的心脏，其涉及到的液位检测、下渣检测、漏钢预报等检测装置众多，同时也涉及到短边调宽等其他连铸技术，因此结构最为复杂，制造难度最大。

电磁搅拌的基本原理是通过在搅拌器内部的电磁感应器中的线圈通以交流电后感应产生一个交变磁场，这一交变磁场在液态金属中又会感应产生电流，该感应产生的电流与交变磁场之间相互作用产生洛伦茨力。这一洛伦茨力作用于钢水后使其沿着一定方向做有规律的运动，从而起到改善结晶器内部钢液流场的作用，利于夹杂物、气泡等缺陷的去除，从而提高铸坯的质量。因此，电磁搅拌的使用效果与电磁力的大小与方向是密切相关的。

如图2-图3所示，对板坯连铸而言结晶器电磁搅拌装置（以下简称搅拌装置）的电磁感应器一般都成对使用，分别安装在结晶器1的宽面铜板101的外侧。搅拌装置的电磁感应器主要由铁芯4和绕在铁芯4外面的多组线圈5组成，铁芯4采用高导磁率的E字型硅钢片叠加而成，每组线圈上分别通有一定相位、频率和电流强度的交变电流。浇注过程中，钢水经过侵入式水口7，在结晶器内形成一个液态流场。通过搅拌器下方的冷却水箱8的冷却作用使液态金属转变为固态铸坯。搅拌器产生的磁场按一定方向6沿板坯宽面运动，两侧的运动方向相反（图3中双箭头方向），从而带动钢水产生类似旋转或其他形式的运动。由于结晶器的宽面铜板101对磁场有较大的衰减作用，通常情况下都需要作特殊设计以便于增加穿透磁场的强度，提高电磁搅拌装置的使用效果。结晶器盖板9对结晶器内的装置起到保护等作用。图中G为铁芯高度，L为铁芯长度。

电磁搅拌装置作为连铸过程中提高组织性能的一个重要设备，具有非接触、无污染的优点，能提高铸坯的表面质量，同时还可以适当提高等轴晶率。因而得到了广泛的应用。

上述板坯结晶器电磁搅拌装置通常如图2所示由E字型铁芯和多组线圈组成，线圈内通以三相交流电从而在结晶器内部产生沿板坯宽度方向移动的行波磁场，结晶器两侧磁场运动方向相反，从而带动钢水做旋转运动。E字型铁芯的电磁感应器存在的一个问题是背部漏磁问题，不仅会对周边的元器件或检测装置造成干扰，从而增加了实际生产过程中的操作难度和设备投入，同时还会降低整个系统的效率。

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很容易达到磁饱和。因此，通过电磁感应器设计优化，充分利用搅拌器的空间，最终提高电磁力是非常必要的。

为了进一步提高板坯质量，新日铁专利JPA1999226705“熔融金属的流动控制装置”发明了一种电磁搅拌及电磁制动复合装置，其在弯月面附近施加一个电磁制动，而在水口下方施加电磁搅拌，该技术虽具有一定的新颖性，但实用性不强。因为实践经验表明，在凝固初期施加电磁搅拌效果最佳。

专利JPB0003273105“熔融金属的流动控制装置”针对现有E字型铁芯存在的问题，为进一步提高电磁力，在三个方向分别增加了铁芯的体积。从技术角度讲，该方法也可以提高电磁力，但是其前提是使用过程中需进一步提高线圈上电流强度。

发明内容

本发明的目的是为了克服现有技术存在的问题，提供一种具有磁屏蔽结构的板坯连铸结晶器电磁搅拌装置的电磁感应器。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

一种板坯连铸结晶器电磁搅拌装置的电磁感应器，其包含：

铁芯，是由多个E字形铁芯串在一起叠加而成的柱状铁芯，每个E字形铁芯由高导磁的E字形硅钢片叠加组成，硅钢片之间及铁芯外侧绝缘；

多组线圈，分别绕在柱状铁芯的外面，各组线圈的匝数相同，每组线圈上各通有一定相位、频率和电流强度的交变电流；

磁屏蔽罩，是一个开口罩，置于所述铁芯背侧，磁屏蔽罩的开口侧面向所述结晶器铜板，磁屏蔽罩与线圈表层相距5mm-10mm。

所述铁芯的尺寸为：

宽度K满足：90mm<K<290mm；

高度G满足：90mm<G<200mm；

长度L满足：1500mm<L<2400mm。

所述多组线圈总数在24～30组之间。

所述每组线圈共有12～25匝线圈。

所述每组线圈上各通有一定相位的交变电流，其中的相位满足如下关系：

每一组线圈上分别通以不同相位的电流，并且保持相邻线圈之间所通电流的相位差相同，多组线圈之间形成一个相位周期，一个相位周期为一个磁极，一个搅拌器的总体长度上形成多个磁极。

所述每组线圈上各通有一定相位的交变电流，其中的相位满足如下关系：

以两组线圈为一个单元，一个单元的两组线圈相位相同，不同单元分别通以不同相位的电流，并且保持相邻单元所通电流的相位差相同，多组单元之间形成一个相位周期，一个相位周期为一个磁极，一个搅拌器的总体长度上形成多个磁极。

多组线圈的冷却结构，采用内水冷结构或外水冷结构；

所述内水冷结构，是通过在铜管内部通以冷却水，铜管绕制于所述铁芯上，并形成一个线包，此结构中所述线圈就是由该通以冷却水的铜管绕制而成的。

所述外水冷结构，是线圈直接浸泡在冷却水中。

所述磁屏蔽罩为一侧开口的C形磁屏蔽罩。

所述磁屏蔽罩为两侧开口的L形磁屏蔽罩。

所述磁屏蔽罩为一侧开口，一侧半开口的接近C形磁屏蔽罩。

本发明的有益效果：

板坯结晶器电磁搅拌是提高板坯表面质量的重要手段，在一些高质量板坯的生产过程中必须使用电磁搅拌装置。而搅拌力的大小和搅拌装置漏磁等问题会严重影响电磁搅拌的使用效果，并对工艺参数的调控会带来很多影响。现有结晶器电磁搅拌装置的电磁感应器是在E字型铁芯的齿槽内绕有线圈，采用这种结构，其背面的漏磁较大，造成很大的电能浪费，因而电磁效率低。同时由于漏磁也会对连铸平台周边敏感的电气元件带来一定的干扰，影响稳定生产。本发明通过改变搅拌器内部的电磁感应器结构，充分利用了搅拌器的内部空间，设计了一种带有磁屏蔽罩结构的电磁感应器，改变了磁力线在空间中的走向，实现了最终在同样输入电流条件下，产生更高的磁感应强度，从而提高电磁力，提高了系统的效率。同时由于本发明采用了磁屏蔽罩结构，大大减小了搅拌装置产生的磁场对周边设备仪表的干扰。

另一方面，同等大小电磁力条件下，采用本发明的电磁感应器，使用过程中所需的输入电流更小，因而可以降低电能损耗，这对于在冶炼过程中必须投入电磁搅拌装置的生产线来说，长时间使用大大节约了生产成本，也大大减少了钢铁企业的碳排放量，对环境保护具有积极的意义。

本电磁感应器结构简单，产生的电磁力高，实际加工、制造和实施难度不大，设备安装、更换方便，有利于推广使用。

为进一步说明本发明的上述目的、结构特点和效果，以下将结合附图对本发明进行详细说明。

附图说明

图1为板坯连铸中钢液经结晶器后形成固态铸坯的示意图；

图2为现有结晶器搅拌器电磁感应器的使用状态示意图；

图3为图2的A-A视图；

图4是本发明板坯连铸结晶器电磁搅拌装置的电磁感应器结构示意图；

图5是图4中线圈采用的一种接线方式示意图；

图6是图4中磁屏蔽罩结构的实施例之一；

图7是图4中磁屏蔽罩结构的实施例之二；

图8是图4中磁屏蔽罩结构的实施例之三；

图9是本发明板坯连铸结晶器电磁搅拌装置电磁感应器的使用状态示意图。

具体实施方式

下面结合实施例的附图对本发明的具体实施方式进行详细说明。

参见图9，本发明中的结晶器电磁搅拌装置的电磁感应器与图2所示的现有的结晶器电磁搅拌装置一样，成对使用并必须安装于结晶器铜板101外侧，结晶器电磁搅拌装置的电磁感应器主要由铁芯10和绕在铁芯外面的多组线圈12组成。

参见图4，本发明板坯连铸结晶器电磁搅拌装置的电磁感应器包含：

铁芯10，是由多个E字形铁芯串在一起叠加而成的柱状铁芯，即，是有多个齿槽的柱状铁芯，每个E字形铁芯由高导磁的E字形硅钢片叠加组成，硅钢片之间及铁芯10外侧绝缘。柱状铁芯的尺寸满足以下条件：

铁芯宽度K满足：90mm<K<290mm；

铁芯高度G满足：90mm<G<200mm；

铁芯长度L满足：1500mm<L<2400mm。

多组线圈12，分别绕在柱状铁芯10的外面，线圈表面与结晶器铜板101之间的距离在5～30mm之间；线圈总数在24～30组之间为佳，每组线圈共有12～25匝线圈，每组线圈的匝数相同。如图5所示，多组线圈12上各通有一定相位、频率和电流强度的交变电流，各组电流的相位满足如下关系：

每一组线圈上分别通以不同相位的电流（如图5所示，各组线圈在接线盒13内分别与X相或Y相或Z相连接，并且保持相邻线圈之间所通电流的相位差相同（如图5所示都相差60度），多组线圈之间形成一个相位周期即一个磁极，根据搅拌器的总体长度不同，可以形成多个磁极；

或者以两组线圈为一个单元，一个单元的两组线圈相位相同，不同单元分别通以不同相位的电流，并且保持相邻单元所通电流的相位差相同，多组单元之间形成一个相位周期即一个磁极，根据搅拌器的总体长度不同，可以形成多个磁极。

磁屏蔽罩11，采用铜质材料制成，是一个开口罩，置于铁芯10背侧，磁屏蔽罩的开口侧面向结晶器铜板，磁屏蔽罩与线圈表层相距5mm-10mm，磁屏蔽罩厚度在10～40mm之间；磁屏蔽罩11可以为如图6所示的两侧开口的C形磁屏蔽罩111，也可以为如图7所示的一侧开口的L形磁屏蔽罩112，或为如图8所示的介于C形与L形两者之间的一侧开口，一侧半开口的接近C形磁屏蔽罩113。

多组线圈12具有冷却结构，可以采用以下两种冷却结构：

1）内水冷结构，即通过在铜管内部通以冷却水冷却。该形式的线圈体积较大，接头较多，但使用寿命长，铜管绕制于所述铁芯的凹槽中，并形成一个线包，此结构中上述线圈12就是由通以冷却水的铜管绕制而成的。

2）外水冷结构，即线圈直接浸泡在冷却水中进行冷却。该形式的线圈体积小，接头少，但是线圈直接浸泡在去离子冷却水中，使用寿命相对校短，需要定期对线圈进行绝缘处理。

本电磁感应器的板坯结晶器电磁搅拌装置适用于中低拉速（拉速小于2.0m/s）连铸时的生产，一般用于对板坯表面质量有较高要求的钢种，如汽车外板等。在使用过程中将搅拌器安装于结晶器弯月面及水口出口之间位置，生产过程中根据工艺要求选择搅拌力的大小和搅拌模式。例：铁芯截面尺寸110mm×200mm，长度1800mm；外面绕有30组线圈，每组线圈各有16匝线圈。线圈采用内水冷构件，线圈外侧包覆有多层绝缘材料。每两组线圈为一单元，各单元分别通以不同相位的电流，并且保持相邻单元所通电流的相位差都为60度，即从铁芯的一侧到另一侧的线圈上分别按0度、0度、60度、60度、120度、120度、180度、180度、240度、240度、300度、300度等等的相位顺序施加电流。柱形铁芯外侧安装C形磁屏蔽罩，厚度在25mm，磁屏蔽罩与线圈表层相距5mm。C形磁屏蔽罩的开口侧面向结晶器铜板，线圈表面与结晶器铜板之间的距离在10mm。

使用过程中，将一对搅拌器安装于结晶器宽面两侧，并严格控制两个搅拌器之间的相位角连续对应关系，使其形成一个类似旋转的运动。利用本发明的电磁感应器，当线圈中通有600A、5Hz的电流时，搅拌器穿过结晶器铜板后表面可以产生1000Gs左右的磁感应强度。

本技术领域中的普通技术人员应当认识到，以上的实施例仅是用来说明本发明的目的，而并非用作对本发明的限定，只要在本发明的实质范围内，对以上所述实施例的变化、变型都将落在本发明的权利要求的范围内。

Claims (9)

1.一种板坯连铸结晶器电磁搅拌装置的电磁感应器，其特征在于包含：

铁芯，是由多个E字形铁芯串在一起叠加而成的柱状铁芯，每个E字形铁芯由高导磁的E字形硅钢片叠加组成，硅钢片之间及铁芯外侧绝缘；

多组线圈，分别绕在柱状铁芯的外面，各组线圈的匝数相同，每组线圈上各通有一定相位、频率和电流强度的交变电流；

磁屏蔽罩，是一个开口罩，置于所述铁芯背侧，磁屏蔽罩的开口侧面向所述结晶器铜板，磁屏蔽罩与线圈表层相距5mm-10mm；

所述铁芯的尺寸为：宽度K满足：90mm<K<290mm；高度G满足：90mm<G<200mm；长度L满足：1500mm<L<2400mm。

2.如权利要求1所述的板坯连铸结晶器电磁搅拌装置的电磁感应器，其特征在于：

所述多组线圈总数在24～30组之间。

3.如权利要求1所述的板坯连铸结晶器电磁搅拌装置的电磁感应器，其特征在于：

所述每组线圈各有12～25匝线圈。

4.如权利要求1所述的板坯连铸结晶器电磁搅拌装置的电磁感应器，其特征在于：

所述每组线圈上各通有一定相位的交变电流，其中的相位满足如下关系：

每一组线圈上分别通以不同相位的电流，并且保持相邻线圈之间所通电流的相位差相同，多组线圈之间形成一个相位周期，一个相位周期为一个磁极，一个搅拌器的总体长度上形成多个磁极。

5.如权利要求1所述的板坯连铸结晶器电磁搅拌装置的电磁感应器，其特征在于：

所述每组线圈上各通有一定相位的交变电流，其中的相位满足如下关系：

以两组线圈为一个单元，一个单元的两组线圈相位相同，不同单元分别通以不同相位的电流，并且保持相邻单元所通电流的相位差相同，多组单元之间形成一个相位周期，一个相位周期为一个磁极，一个搅拌器的总体长度上形成多个磁极。

6.如权利要求1所述的板坯连铸结晶器电磁搅拌装置的电磁感应器，其特征在于还包含：

多组线圈的冷却结构，采用内水冷结构或外水冷结构；

所述内水冷结构，是通过在铜管内部通以冷却水，铜管绕制于所述铁芯上，并形成一个线包，此结构中所述线圈就是由该通以冷却水的铜管绕制而成的；

所述外水冷结构，是线圈直接浸泡在冷却水中。

7.如权利要求1所述的板坯连铸结晶器电磁搅拌装置的电磁感应器，其特征在于还包含：

所述磁屏蔽罩为一侧开口的C形磁屏蔽罩。

8.如权利要求1所述的板坯连铸结晶器电磁搅拌装置的电磁感应器，其特征在于：

所述磁屏蔽罩为两侧开口的L形磁屏蔽罩。

9.如权利要求1所述的板坯连铸结晶器电磁搅拌装置的电磁感应器，其特征在于：

所述磁屏蔽罩为一侧开口，一侧半开口的接近C形磁屏蔽罩。