CN104759597A - 一种用于连铸凝固末端的电磁搅拌器及其动态控制方法 - Google Patents

Abstract

一种用于连铸凝固末端的电磁搅拌器及其动态控制方法，包括内筒，外筒，所述内筒内具有连铸坯，所述内筒与所述外筒之间设有直流电磁体，所述直流电磁体具有带凸极的环形铁芯及绕于所述环形铁芯的线圈，所述直流电磁体被传动装置驱动绕内筒旋转，在连铸坯内形成交变磁场，进而在铸坯内诱导产生感应电流，感应电流与磁场交互作用产生电磁力，驱动两相区的钢液流动，促进富集的溶质和枝晶的重新分布，改善连铸坯内部质量。且通过动态控制方法，保证当前搅拌参数与最佳搅拌参数相当，以获得最佳的搅拌效果，稳定连铸坯内部质量。

Description

一种用于连铸凝固末端的电磁搅拌器及其动态控制方法

技术领域

本发明涉及钢铁连铸生产领域，特别是用于连铸生产中大断面方(圆)坯的电磁搅拌器及其动态控制方法。

背景技术

在钢铁连铸生产过程中，由于溶质元素在固相和液相中溶解度的差异以及液相的扩散，溶质元素不断从固相中排除而富集于液相。连铸坯在凝固过程中受到热浮力、热收缩、辊间铸坯鼓肚变形等外力迫使液相的流动，造成富含偏析元素的液相聚集到铸坯中心，最终形成中心偏析和中心缩孔，在大断面铸坯上表现尤其严重。连铸坯的中心偏析和缩孔在后期的热处理和轧制过程中很难消除，对钢材的机械性能和产品质量的稳定性产生严重影响。

电磁搅拌是通过产生交变磁场，在连铸坯中诱导产生感应电流，感应电流与感应磁场交互作用产生电磁力，电磁力作为一种体积力直接作用于单元体上，强迫钢液流动，打断两相区内交错的枝晶搭接，促使富集的浓缩钢液和枝晶的重新分布，从根本上改善两相区钢液的凝固过程，消除铸坯中心偏析、中心疏松和V型偏析，从而达到改善铸坯内部质量的目的。目前电磁搅拌作为一种改善铸坯内部质量的有效手段，已广泛地应用于钢连铸生产过程。

对于大断面尺寸方(圆)坯连铸生产，现在采用的凝固末端电磁搅拌器中心磁感强度普遍较小，最大磁感强度仅为60～75mT，在铸坯中产生的感应电磁力很弱。而在连铸坯的凝固后期，铸坯表面已经形成一定厚度的固相坯壳，可搅拌的区域减小；在液相穴中枝晶不断形核并长大，生长的枝晶相互接触并搭接形成固体网络，枝晶间液体流动阻力急剧增大。因此在连铸坯凝固末端需要强大的电磁力驱动两相区钢液的流动，而目前的电磁搅拌器电磁力较弱无法有效地打破枝晶搭接、驱动两相区钢液的充分流动和溶质元素的重新分布，对连铸坯中心偏析和疏松的改善效果较差。在连铸生产过程的由于铸坯的非稳态传热，凝固末端电磁搅拌区内的连铸坯坯壳厚度和中心固相率时刻在变，这样给连铸电磁搅拌效果的稳定性带来很大影响，影响铸坯的成材率。

因此，有必要设计一种更好的电磁搅拌器，以解决上述问题。

发明内容

本发明的目的在于解决目前大断面连铸坯凝固末端电磁搅拌器搅拌能力不足的缺陷和连铸坯末端电磁搅拌效果不稳定的现象，提出一种强磁场、低能耗的电磁搅拌器及其动态调整方法，从而能够有效的驱动连铸坯两相区钢液的流动，促进枝晶和富集溶质元素钢液的重新分布，降低连铸坯的中心偏析，稳定铸坯内部质量。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种用于连铸凝固末端的电磁搅拌器，包括内筒，外筒，所述内筒内具有连铸坯，所述内筒与所述外筒之间设有直流电磁体，所述直流电磁体具有带凸极的环形铁芯及绕于所述环形铁芯的线圈，所述直流电磁体被传动装置驱动绕所述内筒旋转，在所述连铸坯内形成交变磁场。

进一步，在所述内筒与所述外筒之间通入冷却水以对所述直流电磁体进行冷却。

进一步，所述直流电磁体的上下两端分别设有上隔板和下隔板，两者分别安装有导轮与所述内筒上的导轨接合，限制所述直流电磁体沿着所述内筒壁面移动。

进一步，安装于所述下隔板的导轮呈锥形，其与所述内筒底部锥形的导轨接合。

进一步，所述传动装置包括安装于上隔板的锥形齿槽，所述锥形齿槽与安装在变频电动机上的锥形齿轮相互作用，驱动所述直流电磁体旋转。

进一步，所述线圈包括引导线圈和励磁线圈，所述引导线圈缠绕于所述环形铁芯的臂部，所述励磁线圈缠绕于所述凸极上。

进一步，带所述凸极的所述环形铁芯采用高磁导率的硅钢片叠加而成，所述凸极端面采用半圆弧设计。

一种采用上述电磁搅拌器的动态控制方法，包括：

a.采集连铸工艺参数，获取搅拌位置处连铸坯坯壳厚度和中心固相率；

b.对比当前搅拌参数与最佳搅拌参数，若无差值，则保持所述电磁搅拌器内的所述直流电磁体的电流和所述变频电动机的转速不变，若有差值，则调整所述所述直流电磁体的电流及/或所述变频电动机的转速。

进一步，步骤a中，在连铸机上读取钢种、拉速、水量、过热度等参数，在线计算连铸坯凝固传热模型，进而获取搅拌位置处连铸坯坯壳厚度和中心固相率。

进一步，步骤a中的参数可直接由连铸机控制系统读取。

本发明与传统的末端电磁搅拌器相比有显著的优点：

1.耗电量低，效率高：传统末端电磁搅拌器大多是通过在克兰母绕组或凸极型绕组上施加三相交流电产生交变磁场，因此在铁芯中不可避免存在磁滞损耗和涡流损耗，此外，线圈中的交变电流同时受到导线的电阻和线圈的电抗。采用直流电励磁后，当线圈中的直流电达到稳定水平后，铁芯内部磁场稳定，不存在磁滞损耗、涡流损耗和线圈的电抗，直流电仅受到导线的自身电阻的阻碍，而线圈普遍采用的铜制导线，电阻很小，耗电量较小。变频电动机驱动直流电磁体旋转时，需克服阻力为电磁发生器旋转的阻力，阻力很小。因此电磁搅拌器的耗能小，效率高。

2.磁场强度大：直流励磁仅需要克服线圈电阻，线圈的稳态电流较大，且采用环形铁芯后内部空间较大，安装线圈较多，从而产生磁场强度较大。在环形铁芯凸极端部采用半圆形型端口，将磁场集中于连铸坯。

3.操作性强：传统电磁搅拌器的采用变频器将工频电降为低频电输入搅拌器，由于线圈电抗受频率影响，电流频率变化时，电流强度受到一定程度的影响。采用直流电磁搅拌器后，铸坯内磁场强度和磁场变化频率可以单独调节，互不干扰。

附图说明

图1为本发明连铸过程示意图；

图2为本发明连铸凝固末端的电磁搅拌器纵截面示意图；

图3为本发明连铸凝固末端的电磁搅拌器横截面示意图；

图4为本发明连铸凝固末端的电磁搅拌器的动态控制方法流程图。

图中，1—浸入式水口、2—结晶器、3—连铸坯、31—液相区、32—两相区、33—坯壳、4—电磁搅拌器、41—内筒、411—导轨、42—外筒、43—直流电磁体、431—环形铁芯、432—凸极、433—引导线圈、434—励磁线圈、44—进水口、45—出水口、46—上隔板、461—导轮、462—锥形齿槽、47—下隔板、48—变频电动机、481—锥形齿轮、5—喷嘴。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步的详细说明。

图1是本发明大方坯连铸过程示意图，高温液态钢水通过浸入式水口1进入结晶器2中进行一次冷却，此时处于液相区31，冷却后表面形成一定厚度的坯壳33从结晶器2拉出进入二冷区，在喷嘴5喷水的作用下进行二次冷却，连铸坯3坯壳33不断增厚，液芯中的液相逐渐消失，液相穴为两相区32。具有一定厚度坯壳33的铸坯穿过凝固末端电磁搅拌器4，在交变磁场的作用下产生感应电磁力，强迫两相区钢液的流动和溶质元素的重新分布，改善铸坯内部的凝固过程，降低中心偏析和疏松。

图2是连铸凝固末端的电磁搅拌器4的内部结构示意图，电磁搅拌器4包括内筒41，外筒42和位于两者之间的直流电磁体43，其中连铸坯3从内筒41中穿过，电磁搅拌器4顶端和底端的分别设有进水口44和出水口45，进、出冷却水对直流电磁体43进行冷却，直流电磁体43的上端和下端分别栓接上隔板46和下隔板47，上隔板46和下隔板47均安装有滚动的导轮461，导轮461与安装在内筒41上导轨411接合，使得直流电磁体43绕导轨411沿内筒41壁面移动，进而约束直流电磁体43沿内筒41旋转，下隔板47安装的导轮461是锥形的与内筒41底部的锥形导轨411接触，锥型的导轮461受到倾斜向上的力，不仅承受整个直流电磁体43的重力，而且严格约束直流电磁体43沿内筒41壁面的移动。上隔板46外侧固定有锥形齿槽462，与安装于变频电动机48上的锥形齿轮481相互作用，锥形齿轮481驱动锥形齿槽462运动使直流电磁体43绕内筒41旋转，通过锥形齿轮481的精确传动可以保证直流电磁体43的准确旋转。

如图3所示，直流电磁体43包括带凸极432的环形铁芯431、引导线圈433和励磁线圈434。环形铁芯431是由导磁率很高的硅钢片叠加而成，引导线圈433缠绕于环形铁芯431的两臂用以引导磁力线在铁芯中通过，增强铁芯的磁场强度，减少漏磁现象。凸极432引导环形铁芯431内的磁力线穿过铸坯，凸极432上缠绕励磁线圈434增加铸坯的磁场强度，凸极432端部采用半圆形设计以约束磁力线在铸坯中心穿过，在直流电作用下，两个凸极432分别成为磁场的南(S)、北(N)极，在铸坯内形成强而集中的磁场。

在电磁搅拌过程中，变频电动机48通过锥形齿轮481驱动锥形齿槽462运动，进而驱动直流电磁体43绕内筒41壁面旋转，在连铸坯3内获得磁感强度为B＝B₀cos(2πft)的变化磁场，其中B₀是直流电磁体43的静磁场的磁感强度，通过调节电流大小而改变，静磁场的变化频率f是直流电磁体43的旋转频率，通过调节变频电动机48的转速改变。产生的交变磁场在铸坯内诱导产生感应电流，感应电流与磁场交互作用产生电磁力，驱动两相区的钢液流动，促进富集的溶质和枝晶的重新分布，改善连铸坯3内部质量。

在连铸过程中，末端电磁搅拌器4的位置相对固定，而连铸工艺条件时刻变化，连铸坯3的凝固传热过程处于非稳态，因此需对凝固末端电磁搅拌强度进行动态控制，以稳定铸坯的搅拌效果，动态控制流程图如图4所示，主要步骤包括：a.采集连铸工艺参数，获取搅拌位置处连铸坯3坯壳厚度和中心固相率；b.对比当前参数与最佳搅拌参数，若无差值，则保持电磁搅拌器4内的直流电磁体43的电流和变频电动机48的转速不变，若有差值，则调整所述直流电磁体43的电流及/或所述变频电动机48的转速。在本实施例中，步骤a可根据连铸生产条件，实时采集连铸工艺参数信息，采用在线凝固传热模型，计算出凝固末端电磁搅拌位置处的连铸坯3坯壳厚度和中心固相率，在其他实施例中，步骤a中工艺参数及搅拌位置处的连铸坯3坯壳厚度和中心固相率是从连铸机控制系统直接读取的。然后对比当前搅拌参数与最佳搅拌参数差值，若无差值，即差值为零，则直流电磁体43的电流和变频电动机48转速保持不变；若存在差值，即差值不为零，则实时调整末端电磁搅拌器4的电流强度及/或变频电动机48的转动速度，直至达到最佳搅拌参数，稳定连铸坯3内部质量。其中最佳的凝固末端搅拌参数是通过电磁搅拌的理论计算和工业实验对铸坯内部质量分析获得。

综上所述，本发明用于连铸凝固末端的电磁搅拌器及其动态控制方法具有以下有益效果：

(1)采用直流电磁体43在内筒41与外筒42之间做旋转运动，可产生交变磁场在铸坯内诱导产生感应电流，感应电流与磁场交互作用产生电磁力，驱动两相区的钢液流动，促进富集的溶质和枝晶的重新分布，改善连铸坯3内部质量。

(2)直流电磁体43包括带凸极432的环形铁芯431、引导线圈433和励磁线圈434，其中引导线圈433缠绕于环形铁芯431的两臂用以引导磁力线在铁芯中通过，增强铁芯的磁场强度，减少漏磁现象，凸极432引导环形铁芯431内的磁力线穿过铸坯，凸极432上缠绕励磁线圈434增加铸坯的磁场强度。通过上述直流电磁体43的设置，满足大断面连铸坯3生产过程的使用。

(3)通过动态控制方法对连铸凝固末端的电磁搅拌器4的磁场强度进行动态控制，保证当前搅拌参数与最佳搅拌参数相当，以获得最佳的搅拌效果，稳定连铸坯3内部质量。

以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围内。

Claims (10)

1.一种用于连铸凝固末端的电磁搅拌器，其特征在于，包括：内筒，外筒，所述内筒内具有连铸坯，所述内筒与所述外筒之间设有直流电磁体，所述直流电磁体具有带凸极的环形铁芯及绕于所述环形铁芯的线圈，所述直流电磁体被传动装置驱动绕所述内筒旋转，在所述连铸坯内形成交变磁场。

2.根据权利要求1所述的用于连铸凝固末端的电磁搅拌器,其特征在于：在所述内筒与所述外筒之间通入冷却水以对所述直流电磁体进行冷却。

3.根据权利要求1所述的用于连铸凝固末端的电磁搅拌器,其特征在于：所述直流电磁体的上下两端分别设有上隔板和下隔板，两者分别安装有导轮与所述内筒上的导轨接合，限制所述直流电磁体沿着所述内筒壁面移动。

4.根据权利要求3所述的用于连铸凝固末端的电磁搅拌器,其特征在于：安装于所述下隔板的导轮呈锥形，其与所述内筒底部锥形的导轨接合。

5.根据权利要求3所述的用于连铸凝固末端的电磁搅拌器,其特征在于：所述传动装置包括安装于上隔板的锥形齿槽，所述锥形齿槽与安装在变频电动机上的锥形齿轮相互作用，驱动所述直流电磁体旋转。

6.根据权利要求1所述的用于连铸凝固末端的电磁搅拌器,其特征在于：所述线圈包括引导线圈和励磁线圈，所述引导线圈缠绕于所述环形铁芯的臂部，所述励磁线圈缠绕于所述凸极上。

7.根据权利要求1所述的用于连铸凝固末端的电磁搅拌器,其特征在于：带所述凸极的所述环形铁芯采用高磁导率的硅钢片叠加而成，所述凸极端面采用半圆弧设计。

8.一种采用权利要求1所述的电磁搅拌器的动态控制方法，其特征在于，包括：

a.采集连铸工艺参数，获取搅拌位置处连铸坯坯壳厚度和中心固相率；

b.对比当前搅拌参数与最佳搅拌参数，若无差值，则保持所述电磁搅拌器内的所述直流电磁体的电流和所述变频电动机的转速不变，若有差值，则调整所述直流电磁体的电流及/或所述变频电动机的转速。

9.根据权利要求8所述的用于连铸凝固末端电磁搅拌器的动态控制方法,其特征在于：步骤a中，在连铸机上读取钢种、拉速、水量、过热度等参数，在线计算连铸坯凝固传热模型，进而获取搅拌位置处连铸坯坯壳厚度和中心固相率。

10.根据权利要求8所述的用于连铸凝固末端电磁搅拌器的动态控制方法,其特征在于：步骤a中的参数可直接由连铸机控制系统读取。