CN106914183A - 一种设置在金属熔池炉底的旋转电磁搅拌器 - Google Patents
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Abstract
本发明属于冶金熔炼技术领域，具体涉及一种设置在金属熔池炉底的旋转电磁搅拌器。本发明的技术方案如下：一种设置在金属熔池炉底的旋转电磁搅拌器，包括铁芯、线圈、不导磁底座或磁轭，所述不导磁底座或磁轭水平设置，所述铁芯竖直设置在所述不导磁底座或磁轭上，所述铁芯形成沿圆周方位均匀对称设置，所述铁芯的极性面向上朝向金属熔池炉底，交流电流过所述线圈产生的磁场通过所述铁芯进入金属熔池内部，在金属熔池内部形成旋转磁场。本发明提供的设置在金属熔池炉底的旋转电磁搅拌器，可产生具有竖直方向分量的旋转电磁力，驱动熔池内熔融金属形成螺旋运动，有利于充分搅拌熔融金属。
Description
技术领域
本发明属于冶金熔炼技术领域，具体涉及一种设置在金属熔池炉底的旋转电磁搅拌器。
背景技术
在冶金生产、材料加工过程中，在金属熔池中施加搅拌作用，对提高生产效率、提升产品质量有着重要意义。
在钢包精炼过程中，控制钢包不同阶段钢液的流动形态是精炼过程中至关重要的一环。加大钢液湍流强度，有利于减小钢液混匀时间，加快成分和温度的均匀化。渣金界面湍动能较大，有利于钢包脱硫以及渣层对夹杂物的吸收。现阶段工业生产中主要有吹氩搅拌和电磁搅拌两种方式，电磁搅拌以瑞典ABB公司发明的侧壁式线性搅拌为主，其特征为：搅拌器固定于钢包侧壁，在电磁力作用下，钢液于近搅拌器一端呈向上或向下运动，在钢包竖直截面上形成一个较大的环流，该环流向上的流股会冲击液面，使液面升高，有可能造成渣眼和卷渣。
在铝的熔炼过程中，主要以反射炉为主，由于反射炉无搅拌作用，导致铝液成分分布差异，温度分层严重。过去解决这一问题主要采取机械搅拌或减压式搅拌，这两种搅拌方式由于与熔液存在直接接触，因此易导致消耗品增加、铝液污染、操作和维护麻烦等缺点。对于这种现象，国内的学者也开发出适用于冶金熔炼过程中的炉包底电磁搅拌系统，例如专利ZL 200720065029.3和专利ZL200720065030.6，该专利磁轭为水平放置，铁芯朝上，线圈缠绕于铁芯或者磁轭，利用搅拌器产生的行波磁场驱动铝液线性运动。由于磁场的集肤效应，该电磁力主要作用于近搅拌器处的铝液，依靠铝液的粘滞力带动整个熔池运动。该线性搅拌易在熔池中形成多个环流，环流与环流之间相互作用导致能量减损，易在熔池远端形成死区，导致熔池温度和熔液组分分布不均匀，影响产品质量。
发明内容
本发明提供一种设置在金属熔池炉底的旋转电磁搅拌器，可产生具有竖直方向分量的旋转电磁力，驱动熔池内熔融金属形成螺旋运动，有利于充分搅拌熔融金属。
本发明的技术方案如下：
一种设置在金属熔池炉底的旋转电磁搅拌器，包括铁芯、线圈、不导磁底座或磁轭，所述不导磁底座或磁轭水平设置，所述铁芯竖直设置在所述不导磁底座或磁轭上，所述铁芯形成沿圆周方位均匀对称设置，所述铁芯的极性面向上朝向金属熔池炉底，交流电流过所述线圈产生的磁场通过所述铁芯进入金属熔池内部，在金属熔池内部形成旋转磁场。
所述的设置在金属熔池炉底的旋转电磁搅拌器，其中一个方案为：所述铁芯竖直设置在所述不导磁底座上，所述线圈缠绕在所述铁芯上，所述铁芯横截面为圆形或方形。其中所述铁芯数量为四个，采用四相四极方式施加交流电或者所述铁芯数量为六个，采用三相六极或六相六极方式施加交流电。
所述的设置在金属熔池炉底的旋转电磁搅拌器，其中另一个方案为：所述铁芯竖直设置在所述磁轭上，所述磁轭为圆环形，所述铁芯横截面为扇形，所述铁芯数量为六个，采用三相六极或六相六极方式施加交流电。其中所述线圈缠绕在所述铁芯上或所述线圈缠绕在所述磁轭上。
本发明工作原理类似于普通异步电动机，设置在金属熔池炉底的旋转电磁搅拌器相当于异步电动机中的定子，熔融金属则相当于异步电动机中的转子。设置在金属熔池炉底的旋转电磁搅拌器置于金属熔池底部，铁芯极性面朝上面向金属熔池，线圈电流根据铁芯数量采用三相六极、六相六极或四相四极的方式施加载荷，交变电流产生的磁场通过铁芯进入金属熔池内部，形成旋转磁场。在该旋转磁场作用下，熔融金属内部产生感应电流，感应电流与旋转磁场相互作用产生具有水平分量和竖直分量的旋转电磁力，进而驱动熔融金属做旋转运动。
本发明的有益效果为：
1、本发明的设置在金属熔池炉底的旋转电磁搅拌器，可产生具有竖直分量的旋转电磁力，驱动熔融金属做螺旋运动，熔融金属在水平方向形成一个大环流，有利于减小熔融金属混匀时间，促进夹杂物上浮，均匀温度及组分，有利于减小熔池远端死区。
2、本发明在应用时可与钢包吹氩工艺相结合，在旋转电磁搅拌作用下，有利于延长氩气泡在钢液中的停留时间，扩大氩气泡在钢液中的分布范围，减小氩气泡上方对渣层的冲击，达到更好的冶金效果。
3、本发明的旋转电磁搅拌器相较于钢包冶金中的ABB公司发明的侧壁式行波搅拌，其搅拌效果对渣金界面影响较小，能有效防止渣眼的形成和卷渣现象的发生，提高金属收得率。
4、本发明操作简便，可改变电流施加方向，实现反向旋转搅拌。
附图说明
图1为旋转电磁搅拌器与钢包的结构示意图；
图2为四相四极旋转电磁搅拌器结构示意图；
图3为三相六极旋转电磁搅拌器结构示意图；
图4为采用克莱姆绕组的旋转电磁搅拌器结构示意图；
图5为采用集中式绕组的旋转电磁搅拌器结构示意图；
图6为采用四相四极旋转电磁搅拌器钢包底部电磁力分布图；
图7为采用三相六极旋转电磁搅拌器钢包底部电磁力分布图；
图8为采用克莱姆绕组的旋转电磁搅拌器钢包底部电磁力分布图；
图9为采用集中式绕组的旋转电磁搅拌器钢包底部电磁力分布图；
图10为钢包中心横截面处流场分布图；
图11为金属熔池纵截面的电磁力分布图；
图12为单使用钢包吹氩工艺时钢包内氩气体积分数为0.001的等值面图；
图13为使用钢包吹氩工艺与旋转电磁搅拌器结合时，钢包内氩气体积分数为0.001的等值面图；
图14为侧壁式线性搅拌器的铁芯与磁轭设置关系示意图。
具体实施方式
如图1所示，一种设置在金属熔池炉底的旋转电磁搅拌器，图中1为钢包，2为旋转电磁搅拌器。
实施例1
如图2所示，四相四极旋转电磁搅拌器，包括铁芯3、线圈4、不导磁底座5，所述不导磁底座5水平设置，所述铁芯3竖直设置在所述不导磁底座5上，其中所述铁芯3数量为四个，四个铁芯3在所述不导磁底座5上形成沿圆周方位均匀对称设置，所述铁芯3的极性面向上朝向金属熔池炉底，所述铁芯3横截面为方形，线圈4缠绕于铁芯3上，线圈4匝数固定为80匝；施加大小为400A，频率为20Hz的交流电；采用四相四极方式施加载荷，即：相邻线圈4施加电流密度依次为：J1＝J0sin(ωt)，J2＝J0sin(ωt+π/2)，J3＝J0sin(ωt+π)，J4＝J0sin(ωt+3π/2)。
如图6所示，采用四相四极旋转电磁搅拌器钢包底部电磁力分布图，可在钢包底部产生明显的旋转电磁力，该电磁力可驱动钢包内熔融金属旋转流动。
实施例2
如图3所示，三相六极旋转电磁搅拌器，包括铁芯3、线圈4、不导磁底座5，所述不导磁底座5水平设置，所述铁芯3竖直设置在所述不导磁底座5上，其中所述铁芯3数量为六个，六个铁芯3在所述不导磁底座5上形成沿圆周方位均匀对称设置，所述铁芯3的极性面向上朝向金属熔池炉底，所述铁芯3横截面为圆形，线圈4缠绕于铁芯3上，线圈4匝数固定为80匝；施加大小为400A，频率为10Hz的交流电；采用三相六极方式施加载荷，即：相邻线圈施加电流密度依次为：J1＝J0sin(ωt)，J2＝J0sin(ωt+2π/3)，J3＝J0sin(ωt+4π/3)。
如图7所示，采用三相六极旋转电磁搅拌器钢包底部电磁力分布图，可在钢包底部产生明显的旋转电磁力，该电磁力可驱动钢包内熔融金属旋转流动。
如图10所示，钢包中心横截面处流场分布图，在电磁力作用下流场呈水平大环流，可见三相六极旋转电磁搅拌器对钢包内部的金属液产生明显的旋转搅拌作用。
如图11所示，金属熔池纵截面的电磁力分布图，可见电磁力具有竖直向上的分量。
实施例3
如图4所示，采用克莱姆绕组的旋转电磁搅拌器，包括铁芯3、线圈4、磁轭6，所述磁轭6为圆环形，磁轭6水平设置，所述铁芯3竖直设置在所述磁轭6上，所述铁芯3横截面为扇形，所述铁芯3数量为六个，所述铁芯3形成沿圆周方位均匀对称设置，所述铁芯3的极性面向上朝向金属熔池炉底；所述线圈4缠绕在所述铁芯3上，线圈4匝数固定60匝；采用六相六极方式施加大小为400A，频率为10Hz交流电，相邻线圈施加电流密度依次为：J1＝J0sin(ωt)，J2＝J0sin(ωt+π/3)，J3＝J0sin(ωt+2π/3)，J4＝J0sin(ωt+π)，J5＝J0sin(ωt+4π/3)，J6＝J0sin(ωt+5π/3)。
如图8所示，采用克莱姆绕组的旋转电磁搅拌器，采用六相六极方式施加交流电，钢包底部电磁力分布图显示，可在钢包底部产生明显的旋转电磁力，该电磁力可驱动钢包内熔融金属旋转流动。
实施例4
如图5所示，采用集中式绕组的旋转电磁搅拌器，包括铁芯3、线圈4、磁轭6，所述磁轭6为圆环形，磁轭6水平设置，所述铁芯3竖直设置在所述磁轭6上，所述铁芯3横截面为扇形，所述铁芯3数量为六个，所述铁芯3形成沿圆周方位均匀对称设置，所述铁芯3的极性面向上朝向金属熔池炉底；所述线圈4缠绕在所述磁轭6上，线圈4匝数固定60匝；采用三相六极方式施加大小为200A，频率为20Hz的交流电，相邻线圈施加电流密度依次为：J1＝J0sin(ωt)，J2＝J0sin(ωt+2π/3)，J3＝J0sin(ωt+4π/3)。
如图9所示，采用集中式绕组的旋转电磁搅拌器，采用三相六极方式施加交流电，钢包底部电磁力分布图显示，可在钢包底部产生明显的旋转电磁力，该电磁力可驱动钢包内熔融金属旋转流动。
实施例5
如图12所示，单使用钢包吹氩工艺时钢包内氩气体积分数为0.001的等值面图，可见形成的氩气柱形状细小；
如图13所示，使用钢包吹氩工艺与旋转电磁搅拌器结合时，钢包内氩气体积分数为0.001的等值面图，可见旋转电磁搅拌器使钢液做旋转运动，氩气柱在水平环流的作用下发生偏转，增加了氩气在钢包中的体积分数，延长氩气停留时间，有利于非金属夹杂物的去除，提高产品质量。
对比例
如图14所示，侧壁式线性搅拌器的铁芯3设置在磁轭6的一侧，铁芯3呈线性排列，只能产生固定方向的电磁力，无法形成旋转电磁力。
Claims (7)
1.一种设置在金属熔池炉底的旋转电磁搅拌器，其特征在于，包括铁芯、线圈、不导磁底座或磁轭，所述不导磁底座或磁轭水平设置，所述铁芯竖直设置在所述不导磁底座或磁轭上，所述铁芯形成沿圆周方位均匀对称设置，所述铁芯的极性面向上朝向金属熔池炉底，交流电流过所述线圈产生的磁场通过所述铁芯进入金属熔池内部，在金属熔池内部形成旋转磁场。
2.根据权利要求1所述的设置在金属熔池炉底的旋转电磁搅拌器，其特征在于，所述铁芯竖直设置在所述不导磁底座上，所述线圈缠绕在所述铁芯上，所述铁芯横截面为圆形或方形。
3.根据权利要求2所述的设置在金属熔池炉底的旋转电磁搅拌器，其特征在于，所述铁芯数量为四个，采用四相四极方式施加交流电。
4.根据权利要求2所述的设置在金属熔池炉底的旋转电磁搅拌器，其特征在于，所述铁芯数量为六个，采用三相六极或六相六极方式施加交流电。
5.根据权利要求1所述的设置在金属熔池炉底的旋转电磁搅拌器，其特征在于，所述铁芯竖直设置在所述磁轭上，所述磁轭为圆环形，所述铁芯横截面为扇形，所述铁芯数量为六个，采用三相六极或六相六极方式施加交流电。
6.根据权利要求5所述的设置在金属熔池炉底的旋转电磁搅拌器，其特征在于，所述线圈缠绕在所述铁芯上。
7.根据权利要求5所述的设置在金属熔池炉底的旋转电磁搅拌器，其特征在于，所述线圈缠绕在所述磁轭上。
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