CN105880497A - 一种连铸结晶器电磁搅拌器电磁力矩的测量方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明主要属于电磁力矩测量技术领域，具体涉及一种连铸结晶器电磁搅拌器电磁力矩的测量方法及装置。所述测量装置包括测量部分、支承部分和输出部分；支承部分，用于支承和固定整个测量装置、调节和标定测量装置的测量位置以及保证测量时测量装置的对中位置；测量部分，采用非磁性材料制备，所述测量部分包括扭矩传感器、传感器底座、扭矩传递轴、扭矩传递杆、联轴器、轴承和扭矩测量探头；输出部分为显示仪表。利用本发明所述测量方法以及测量装置测量获得的测量结果准确性和精确度高。

Description

一种连铸结晶器电磁搅拌器电磁力矩的测量方法及装置

技术领域

本发明主要属于结晶器电磁搅拌器电磁力矩测量技术领域，具体涉及一种测量连铸结晶器电磁搅拌器电磁力矩的测量方法及装置。

背景技术

电磁搅拌一方面通过交变磁场作用于铸坯中心的熔融钢水，产生的电磁推力搅动钢水，从而打碎凝固前沿的柱状晶，碎晶未融合部分作为等轴晶的晶核；另一方面是通过搅拌使钢水成分和温度均匀，降低凝固前沿的温度梯度。在连铸上采用结晶器电磁搅拌工艺，不但可以提高铸坯表面及皮下质量，促进夹杂物上浮，同时有效地改善铸坯的内部组织结构，抑制柱状晶生长，促进等轴晶生成，减少成分偏析，减轻中心疏松和中心缩孔。几十年来，国内外学者对电磁搅拌技术进行了大量的理论及实验研究，并应用于工业生产。电磁搅拌技术已经成为连铸过程中改善铸坯质量的最重要和最有效的手段之一，但不合适的搅拌参数不仅无法具有明显的冶金效果，还可能带来液面波动、夹渣等后果，不利于保证产品质量。

根据电磁搅拌理论及实际应用研究，衡量电磁搅拌强度的常用的指标有三个：磁场强度、搅拌力和搅拌速度。

由于容易测量，目前应用最多的是采用磁场强度为标准。现场一般是在铸机空载的情况下，采用高斯仪测量结晶器内不同搅拌电流和搅拌频率下的磁场分布，但由于磁场的可迭加性原理，在同一空间点上，各次谐波的磁感应强度可迭加成合成磁感应强度，而通常用高斯计测出的磁感应强度实际是合成磁感应强度而非需要的一次基波磁感应强度。当变频电源的高次谐波分量较大时，合成的磁感应强度很大，容易造成搅拌强度已足够大的假象。

电磁搅拌的实质是利用铸坯液相穴中感生的电磁力，强化钢液的运动，由此强化钢液的对流—传热和传质过程，从而控制铸坯的凝固过程，由此可见，钢液的搅拌运动与铸坯的凝固组织以及铸坯的冶金效果建立最直接的关系，但是，由于连铸高温钢液的搅拌速度不易测量，搅拌速度的计算依赖诸多的因素且不准确，因此，很难将搅拌速度作为搅拌强度的指标进行测量。

电磁力矩更接近电磁搅拌器的真实性能，电磁搅拌需要的是钢水中感生的电磁力矩；且电磁力矩能够更直观地判断电磁搅拌器的工作能力，即搅拌效果。磁感应强度只是联系搅拌器激磁电流和钢水中感生的电磁力矩之间的一个中间参数，钢水中感生的电磁力矩才是推动钢水运动的原动力。因此电磁力矩作为搅拌强度的指标更为合理。

电磁力矩作为评价搅拌效果的指标，通常是指凝固前沿的电磁力使钢水产生的电磁力矩。

在实际应用中，浇注过程中测量结晶器内钢液凝固前沿的电磁力矩较为困难，因此通常在停浇过程中铸机空载的情况下，测试原理是模拟连铸过程中结晶器钢液在交变磁场中受到的实际作用力矩的大小。一般采用自制的电磁扭矩测量仪测量不同搅拌电流和搅拌频率下的扭矩。

目前存在的电磁力矩测量仪器并没有统一的标准，导致同样的状况下，文献中采用不同的电磁力矩测量仪测定的数值相差甚大，且对于测量方法介绍不详，对于调整结晶器电磁搅拌参数无法提供可靠的依据。例如，现有技术中的手持式扭矩仪，虽然操作方便，但由于结晶器电磁搅拌器的电磁力矩相对较小，扭矩测量仪对电流变化的响应差且精度不高，测量的实际扭矩偏差较大。

有鉴于此，有必要提供一种标准化的可精确测量结晶器电磁搅拌器的电磁力矩的方法及装置克服以上缺陷。

发明内容

为解决现有技术的不足之处， 本发明了提供一种连铸结晶器电磁搅拌器电磁力矩的测量方法以及装置。利用发明所述测量方法和装置，解决了现有结晶器电磁搅拌参数制定耗时且耗力不准确的问题，以及解决了现有的结晶器电磁搅拌器的电磁力矩测量装置在测量过程中存在的测量精度差、测量方法不尽详细等问题。通过对连铸过程结晶器电磁搅拌器电磁力矩进行精确测量，改善了现有结晶器电磁搅拌参数制定中存在的问题，可实现花费较小且简单快捷地对结晶器电磁搅拌参数的制定，对改善铸坯质量提供坚实可靠的依据。

本发明是通过以下技术方案实现的：

一种连铸结晶器电磁搅拌器电磁力矩的测量装置，所述测量装置包括测量部分、支撑部分和输出部分；

支撑部分：用于支撑和固定整个测量装置、调节和标定测量装置的测量位置以及保证测量时测量装置的对中位置，以提高测量准确性；

测量部分：采用非磁性材料制备，所述测量部分包括扭矩传感器、传感器底座、扭矩传递轴、扭矩传递杆、联轴器、轴承和扭矩测量探头；所述传感器底座用于承接整个测量部分，并所述测量部分通过所述传感器底座固定于所述支承部分；

输出部分：与所述测量部分电连接，所述输出部分为显示仪表。

进一步地，所述扭矩传感器采用反作用力型扭矩传感器。

进一步地，所述扭矩传感器为数字式应变片扭矩传感器。

进一步地，所述扭矩传递轴和所述扭矩传递杆是电磁力矩传递的中介；所述扭矩传递轴采用非磁不锈钢材料，所述扭矩传递轴的一端断面为方形，与所述扭矩传感器连接，所述扭矩传递轴的另一端断面为圆形，与所述联轴器连接。

进一步地，所述扭矩传递杆硬质的电木材料，所述扭矩传递杆的一端与所述联轴器连接，另一端与所述扭矩测量探头连接。

进一步地，所述轴承安装于所述扭矩传递轴上，用于减小扭矩传递轴受到的摩擦力；所述联轴器为弹性联轴器，采用硬质铝合金材料，用于连接所述扭矩传递轴和所述扭矩传递杆。

进一步地，所述扭矩测量探头为直接受电磁场的作用产生电磁力矩的部件，采用铝合金材料，密度为2689kg/m³ ，为实心圆柱形，长度为70-90mm，直径为40-50mm。

进一步地，所述支承部分包括夹持装置、支撑杆、标尺和支座，所述支撑杆垂直固定于所述支座上，所述夹持装置能够相对于所述支撑杆进行上下移动以及相对于所述支撑杆进行旋转；所述标尺固定在支撑杆上，标尺的零位设置在支撑杆的底部，所述标尺用于标定测量所述夹持装置相对于所述支座在竖直方向的位置，并通过夹持装置的位置换算出扭矩测量探头在结晶器内的位置。

进一步地，所述支承部分的夹持装置能够与所述传感器底座连接，所述夹持装置位于所述传感器底座下方。

一种连铸结晶器电磁搅拌器电磁力矩的测量方法，所述测量方法使用所述一种连铸结晶器电磁搅拌器电磁力矩的测量装置进行测量，其特征在于，所述测量方法包括以下步骤：

（1）将所述测量装置固定在结晶器周边，将显示仪表和扭矩传感器接通电源；

（2） 通过调整夹持装置的位置，使所述扭矩测量探头进入结晶器内需要测量的位置，并保证所述扭矩测量探头的中心位于所述电磁搅拌器的中心轴上；

（3）启动结晶器电磁搅拌器，调整结晶器电磁搅拌器的搅拌参数，产生磁场，扭矩测量探头在磁场的作用下发生旋转，产生扭矩，经过扭矩传递轴和所述扭矩传递杆的传动，最终在仪表上显示电磁力矩的值。

本发明的有益技术效果：

（1）本发明提供的测量装置中的支承部分可是保证测量装置对中性和测量位置准确性；

（2）本发明测量装置采用高测量精度和敏感度的反作用力型扭矩传感器，提高测量结果的准确性。

（3） 本发明采用高精度轴承，减小摩擦力的影响，采用弹性联轴器，补偿轴向及径向的偏差，约束扭矩测量探头的材料和尺寸，从而减小测量装置的无关负载的影响，提高测量的准确性和精确度。

附图说明

图1是本发明所述的连铸结晶器电磁搅拌器电磁力矩的测量装置。

图2是本发明所述的扭矩传递轴及轴承的安装示意图。

附图标记为：1.扭矩测量探头，2.扭矩传递杆，3.联轴器，4.传感器底座，5.扭矩传感器，6.扭矩传递轴，7.显示仪表，8.夹持装置，9.支撑杆，10.支座，11.结晶器，12.轴承。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细描述。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本发明，并不用于限定本发明。

相反，本发明涵盖任何由权利要求定义的在本发明的精髓和范围上做的替代、修改、等效方法以及方案。进一步，为了使公众对本发明有更好的了解，在下文对本发明的细节描述中，详尽描述了一些特定的细节部分。对本领域技术人员来说没有这些细节部分的描述也可以完全理解本发明。

实施例 1

一种连铸结晶器电磁搅拌器电磁力矩的测量装置，所述测量装置包括测量部分、支承部分和输出部分；

1.支承部分，用于支承和固定整个测量装置、调节和标定测量装置的测量位置以及保证测量时测量装置的对中位置，避免出现测量时不对中、测量位置偏移等问题，提高了测量的准确性。

所述支承部分包括夹持装置、支撑杆、标尺和支座，所述支撑杆垂直固定于所述支座上，所述夹持装置能够相对于所述支撑杆进行上下移动以及相对于所述支撑杆进行旋转；所述标尺固定在支撑杆上，标尺的零位设置在支撑杆的底部，所述标尺用于标定测量所述夹持装置相对于所述支座在竖直方向的位置，即用于测量夹持装置的位置，并通过夹持装置的位置换算出扭矩测量探头在结晶器内的位置。

所述通过夹持装置的位置换算出扭矩测量探头在结晶器内的位置具体为：首先测量获得扭矩测量探头到扭矩传感器的距离，然后测量标尺的零位到扭矩传感器的距离，然后计算上述两个距离之差，计算获得的该距离差值即为扭矩测量探头在结晶器内竖直方向的距离，利用扭矩测量探头在结晶器内竖直方向的距离来表示扭矩测量探头在结晶器内的位置。

所述支承部分的夹持装置能够与所述传感器底座连接，所述夹持装置位于测量部分中传感器底座的下方。

2.测量部分，是测量电磁力矩的核心部分，该部分的材料均采用非磁性材料，所述测量部分包括扭矩传感器、传感器底座、扭矩传递轴、扭矩传递杆、联轴器、轴承和扭矩测量探头；所述传感器底座用于承接整个测量部分，并所述测量部分通过所述传感器底座固定于所述支承部分。

所述传感器底座上部为扭矩传感器，所述扭矩传递轴的一端位于所述扭矩传感器内部中轴位置，并且扭矩传递轴的这一端的断面为方形与所述扭矩传感器配合连接，所述扭矩传递轴的另一端断面为圆形，与所述联轴器的上端连接；从所述联轴器的下端与所述扭矩传递杆连接，所述扭矩传递杆的下顶端连接所述扭矩测量探头。

各部分具体为：

（1）扭矩传感器，所述扭矩传感器采用数字式应变片扭矩传感器。反作用力型(静态)扭矩传感器，它基于牛顿第三定律，是一种数字式应变片扭矩传感器，具有测量精度高、稳定性好、抗干扰性强的特点；所述扭矩传感器采用铝合金结构，具有体积小、重量轻，且易于安装使用的有点；不需要反复调零即可连续测量正反转扭矩；可以高转速长时间运行；测量弹性体强度可承受150%的过载。

（2）传感器底座，传感器底座固定在支承部分的夹持装置上，所述传感器底座用于承接整个测量部分，并所述测量部分通过所述传感器底座固定于所述支承部分。

（3）扭矩传递轴和扭矩传递杆，所述扭矩传递轴和所述扭矩传递杆是电磁力矩传递的中介；所述扭矩传递轴采用非磁不锈钢材料；所述扭矩传递杆采用硬质的电木材料，电木材料具有绝缘、不易变形的特点，避免测量过程中在传递杆上感生出电磁力矩，也减少了电磁力矩传递过程中的误差。

（4）联轴器和轴承，是该部分的重要连接件，在测量旋转扭矩时，扭矩传感器需要支撑重要的无关负载，即扭矩测量探头以及扭矩传递杆的重量，传感器除对待测的反扭矩作出响应外，还可能会对这些负载引起的反扭矩作出响应，这就可能引起耦合误差，还可能降低测量的灵敏度。

在本实施例中，所述轴承安装于所述扭矩传递轴上，所述轴承为高精度轴承，能够减小扭矩传递轴受到的摩擦力；所述联轴器为弹性联轴器，采用硬质铝合金材料，用于连接所述扭矩传递轴和所述扭矩传递杆；在扭矩传递轴和扭矩传递杆的连接处采用弹性联轴器，由于弹性联轴器是一体成型的金属弹性体，材料为硬质铝合金，可吸收振动，其弹性作用补偿径向、角向和轴向偏差，同时弹性元件也具有缓冲和减振性能，具有零回转间隙，顺时针和逆时针回转特性完全相同等特点；从而，将无关负载对电磁力矩测量的影响降至最低。

（5）扭矩测量探头，直接受电磁场的作用产生电磁力矩的部件，采用铝合金材料，根据电磁力矩的计算公式可知，探头受到的电磁力矩值与探头的电导率和直径有关，为保证测得数值的有效性，需对探头的材料和尺寸作出约束。

由于结晶器电磁搅拌器的电磁力矩较小，通过大量的试验，确定了探头的材质和尺寸。对比不锈钢材质以及其他合金材质的探头，最终确定扭矩测量探头需要采用电导率较大的铝合金材料，另外，铝合金材料密度为2689 kg/ m³，能够减小测量装置的无关负载，从而提高测量结果的精确度和准确性。此外，由于探头所受电磁力矩为探头所在位置各处电磁力矩的叠加值，因此探头的长度不宜过长，长度在70-90mm，否则所测得的电磁力矩缺乏代表性，探头的直径在40-50mm。

其中，所述电磁力矩的计算可以由下式计算得到：

其中，T为电磁力矩；为铜管内磁感应强度；为电源角频率；为钢水的电导率；为搅拌器有效作用长度；为铸坯（或液芯）等效半径。

3. 输出部分，与所述测量部分电连接，所述输出部分为显示仪表。

一种连铸结晶器电磁搅拌器电磁力矩的测量方法，所述测量方法使用所述一种连铸结晶器电磁搅拌器电磁力矩的测量装置进行测量，所述测量方法包括以下步骤：

（1）将所述测量装置固定在结晶器周边，将显示仪表和扭矩传感器接通电源；

（2） 通过调整夹持装置的位置，使所述扭矩测量探头进入结晶器内需要测量的位置，并保证所述扭矩测量探头的中心位于所述电磁搅拌器的中心轴上；

（3）启动结晶器电磁搅拌器，调整结晶器电磁搅拌器的搅拌参数，产生磁场，扭矩测量探头在磁场的作用下发生旋转，产生扭矩，经过扭矩传递轴和所述扭矩传递杆的传动，最终在仪表上显示电磁力矩的值；具体为：扭矩测量探头受到电磁场的作用在其内部产生感应电流，又在电磁场的作用下感生出电磁力矩；扭矩传递杆与扭矩传递轴之间通过联轴器连接，扭矩传递轴与扭矩传感器之间通过高精度的轴承连接；所述电磁力矩经过扭矩传递杆及扭矩传递轴传递给扭矩传感器，在扭矩传感器中，测扭应变片产生微小变形后引起应变敏感的电桥电阻值变化，从而扭矩传感器将将力信号转变为电信号，所述电信号经过放大电路得到放大，再经过V/F变换电路，最终产生电磁力矩值，经由所述显示仪表显示。

实施例 2

本实施例采用的连铸结晶器电磁搅拌器电磁力矩测量装置的安装示意图如图1所示。图中支座10的放置位置为示意位置，在结晶器11上方的平台。显示仪表7还需连接电源，电源在此没有画出。扭矩传递轴及轴承的安装如图2所示。

本实施例采用电磁力矩测量装置包括测量部分、支承部分和显示仪表三部分，其中测量部分由扭矩测量探头1、扭矩传递杆2、联轴器3、传感器底座4、扭矩传感器5和扭矩传递轴6、轴承12组成，支承部分由夹持装置8、支撑杆9和支座10组成。

Claims (10)

1.一种连铸结晶器电磁搅拌器电磁力矩的测量装置，其特征在于，所述测量装置包括测量部分、支撑部分和输出部分；

支撑部分：用于支撑和固定整个测量装置、调节和标定测量装置的测量位置以及保证测量时测量装置的对中位置，以提高测量准确性；

测量部分：采用非磁性材料制备，所述测量部分包括扭矩传感器、传感器底座、扭矩传递轴、扭矩传递杆、联轴器、轴承和扭矩测量探头；所述传感器底座用于承接整个测量部分，并所述测量部分通过所述传感器底座固定于所述支承部分；

输出部分：与所述测量部分电连接，所述输出部分为显示仪表。

2.根据权利要求1所述一种连铸结晶器电磁搅拌器电磁力矩的测量装置，其特征在于，所述扭矩传感器采用反作用力型扭矩传感器。

3.根据权利要求1所述一种连铸结晶器电磁搅拌器电磁力矩的测量装置，其特征在于，所述扭矩传感器为数字式应变片扭矩传感器。

4.根据权利要求1所述一种连铸结晶器电磁搅拌器电磁力矩的测量装置，其特征在于，所述扭矩传递轴和所述扭矩传递杆是电磁力矩传递的中介；所述扭矩传递轴采用非磁不锈钢材料，所述扭矩传递轴的一端断面为方形，与所述扭矩传感器连接，所述扭矩传递轴的另一端断面为圆形，与所述联轴器连接。

5.根据权利要求4所述一种连铸结晶器电磁搅拌器电磁力矩的测量装置，其特征在于，所述扭矩传递杆硬质的电木材料，所述扭矩传递杆的一端与所述联轴器连接，另一端与所述扭矩测量探头连接。

6.根据权利要求1所述一种连铸结晶器电磁搅拌器电磁力矩的测量装置，其特征在于，所述轴承安装于所述扭矩传递轴上，用于减小扭矩传递轴受到的摩擦力；所述联轴器为弹性联轴器，采用硬质铝合金材料，用于连接所述扭矩传递轴和所述扭矩传递杆。

7.根据权利要求1所述一种连铸结晶器电磁搅拌器电磁力矩的测量装置，其特征在于，所述扭矩测量探头为直接受电磁场的作用产生电磁力矩的部件，采用铝合金材料，密度为2689kg/m³ ，为实心圆柱形，长度为70-90mm，直径为40-50mm。

8.根据权利要求1所述一种连铸结晶器电磁搅拌器电磁力矩的测量装置，其特征在于，所述支承部分包括夹持装置、支撑杆、标尺和支座，所述支撑杆垂直固定于所述支座上，所述夹持装置能够相对于所述支撑杆进行上下移动以及相对于所述支撑杆进行旋转；所述标尺固定在支撑杆上，标尺的零位设置在支撑杆的底部，所述标尺用于标定测量所述夹持装置相对于所述支座在竖直方向的位置，并通过夹持装置的位置换算出扭矩测量探头在结晶器内的位置。

9.根据权利要求8所述一种连铸结晶器电磁搅拌器电磁力矩的测量装置，其特征在于，所述支承部分的夹持装置能够与所述传感器底座连接，所述夹持装置位于所述传感器底座下方。

10.一种连铸结晶器电磁搅拌器电磁力矩的测量方法，所述测量方法使用权利要求1-9之一所述一种连铸结晶器电磁搅拌器电磁力矩的测量装置进行测量，其特征在于，所述测量方法包括以下步骤：

（1）将所述测量装置固定在结晶器周边，将显示仪表和扭矩传感器接通电源；

（2） 通过调整夹持装置的位置，使所述扭矩测量探头进入结晶器内需要测量的位置，并保证所述扭矩测量探头的中心位于所述电磁搅拌器的中心轴上；

（3）启动结晶器电磁搅拌器，调整结晶器电磁搅拌器的搅拌参数，产生磁场，扭矩测量探头在磁场的作用下发生旋转，产生扭矩，经过扭矩传递轴和所述扭矩传递杆的传动，最终在仪表上显示电磁力矩的值。