CN108723319B - 一种液态钢水电磁搅拌方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种液态钢水电磁搅拌方法，包括以下步骤：S1PLC控制器控制变频电源输出电流幅值和电流频率基于相同的基波函数同步变化的励磁电流，所述基波函数为1+κsinα，0≤κ≤1，0≤α≤2π；S2电磁搅拌器中的感应线圈在所述励磁电流的作用下生成旋转磁场，液态钢水在该旋转磁场中受到幅值和变化率同步变化的电磁力的作用而发生转动。简单、高效，易于实现，可以方便设定工作频率和工作电流的变化范围，由于采用的是变频变幅的电磁搅拌力作用，一方面能有效消除缩孔缩松和内裂，更均匀的成分分布，减少非金属物的夹杂偏析；另一方面降低工作电流，达到节能的目的。

Description

一种液态钢水电磁搅拌方法

技术领域

本发明涉及电磁搅拌技术领域，具体来说，涉及一种液态钢水电磁搅拌方法。

背景技术

随着连铸技术的应用和发展，连铸坯的质量越来越受到重视。近年来，超纯净钢的开发和应用对铸坯的质量、凝固组织和成分均匀化提出了更高的要求。电磁搅拌技术对提高铸坯的等轴晶率、细化凝固组织、降低夹杂物含量并促进成分均匀化具有重要作用。就电磁搅拌系统(EMS)而言，其工作原理与由定子和转子组成的感应电机的工作原理相同。当三相交流电流流过定子时，产生旋转磁场（RMF）。转子切割磁力线，从而在转子内产生流动的感应电流。感应电流的方向垂直于磁场的方向，因此可以产生洛伦兹力以驱动转子旋转。当固体转子用液柱替换时，液体可以被驱动旋转，从而可以启动EMS。从EMS系统工作原理可以发现EMS处理中包括几个参数，例如工作电流大小,工作电流的交流频率，施加EMS模式和时间。为了最大限度地发挥搅拌效果，有必要明确各个参数的作用并优化加工条件，以满足生产工艺对质量的要求。

针对相关技术中的问题，目前尚未提出有效的解决方案。

发明内容

针对相关技术中的上述技术问题，本发明提出一种液态钢水电磁搅拌方法，可对电磁搅拌系统中的电磁搅拌器的电流幅值和电流频率进行调控，从而实现电磁搅拌器的运行电流幅值和频率按照设定规律变化，有效解决了电磁搅拌工艺参数优化问题，对连铸钢坯内部质量的提高有明显作用，满足了生产工艺对质量的要求。

为实现上述技术目的，本发明的技术方案是这样实现的：

一种液态钢水电磁搅拌方法，包括以下步骤：

S1 PLC控制器控制变频电源输出电流幅值和电流频率基于相同的基波函数同步变化的励磁电流，所述基波函数为1+κsinα，0≤κ≤1，0≤α≤2π；

S2电磁搅拌器中的感应线圈在所述励磁电流的作用下生成旋转磁场，液态钢水在该旋转磁场中受到幅值和变化率同步变化的电磁力的作用而发生转动。

进一步地，还包括以下步骤：

S3 PLC控制器实时收集和监测所述电磁搅拌器的工作参数，通过所述工作参数判断所述电磁搅拌器的工作状态是否正常，并发送工作参数给工控机，所述工作参数包括所述电磁搅拌器实际工作电流频率和实际工作电流值。

进一步地，所述变频电源连接有三相交流电，并输出励磁电流。

进一步地，所述工控机和所述PLC控制器之间通过工业以太网络进行通信。

进一步地，所述PLC控制器和所述变频电源之间通过Profibus-DP控制电缆通讯连接。

进一步地，所述变频电源和电磁搅拌器之间通过控制电缆连接。

本发明的有益效果：简单、高效，易于实现，可以方便设定工作频率和工作电流的变化范围，由于采用的是变频变幅的电磁搅拌力作用，一方面能有效消除缩孔缩松和内裂，更均匀的成分分布，减少非金属物的夹杂偏析；另一方面降低工作电流，达到节能的目的，从而使电磁搅拌器既能满足提高钢坯内部质量的要求，又能达到节能的目的。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是根据本发明实施例所述的液态钢水电磁搅拌方法的流程框图；

图2是根据本发明实施例所述的电磁搅拌系统的原理框图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

如图1-2所示，根据本发明实施例所述的一种液态钢水电磁搅拌方法，包括以下步骤：

S1 PLC控制器控制变频电源输出电流幅值和电流频率基于相同的基波函数同步变化的励磁电流，所述基波函数为1+κsinα，0≤κ≤1，0≤α≤2π；

S2电磁搅拌器中的感应线圈在所述励磁电流的作用下生成旋转磁场，液态钢水在该旋转磁场中受到幅值和变化率同步变化的电磁力的作用而发生转动。

在本发明的一个具体实施例中，还包括以下步骤：

S3 PLC控制器实时收集和监测所述电磁搅拌器的工作参数，通过所述工作参数判断所述电磁搅拌器的工作状态是否正常，并发送工作参数给工控机，所述工作参数包括所述电磁搅拌器实际工作电流频率和实际工作电流值。

在本发明的一个具体实施例中，所述变频电源连接有三相交流电，并输出励磁电流。

在本发明的一个具体实施例中，所述工控机和所述PLC控制器之间通过工业以太网络进行通信。

在本发明的一个具体实施例中，所述PLC控制器和所述变频电源之间通过Profibus-DP控制电缆通讯连接。

在本发明的一个具体实施例中，所述变频电源和电磁搅拌器之间通过控制电缆连接。

为了方便理解本发明的上述技术方案，以下通过具体使用方式对本发明的上述技术方案进行详细说明。

本发明所述的液态钢水电磁搅拌方法（以下简称为本方法），是基于电磁搅拌的工作原理，在电磁搅拌系统中，对电磁线圈采用调频调幅的交变电流，即外加励磁电流幅值和电流频率同步变化，根据物理学电磁效应形成了幅值和变化率同步变化的电磁力，电磁力推动液态钢水进行特定地连续搅拌，达到最佳搅拌效果。本方法对降低非金属夹杂偏析、促进更加均匀化的温度和成分分布，改善铸坯内部、表面和次表面质量具有重要作用。本方法简单、高效，易于实现，与传动电磁搅拌工艺相比较，在提高搅拌效果的基础上，具有较好的节能效应。

电磁搅拌系统主要由工控机、作为主站的PLC控制器、作为从站的变频电源和电磁搅拌器组成，其中工控机与PLC控制器（或其他控制器）之间通过工业以太网络进行通讯，对PLC控制器（或其他控制器）进行数据采集及操作控制；其中PLC控制器（或其他外加控制器）和变频电源之间通过Profibus-DP控制电缆进行一对一通讯连接；其中变频电源和电磁搅拌器之间通过控制电缆连接。PLC控制器（或其他控制器）通过变频电源对置于水冷夹套壳体内的感应线圈提供频幅可变的励磁电流，励磁电流形成连续多频的旋转磁场，钢水在该旋转磁场中受到幅值和变化率（或叫做频率）同时变化的电磁力的作用从而产生特定旋转，实现特定的搅拌功能。本系统简单、高效，易于实现，对连铸钢坯内部质量的提高有较大作用，满足了生产工艺对质量的要求。

变频电源接通三相交流电，经过AC→DC→AC变换后变频电源输出给感应线圈的工作电流为幅频可变的励磁电流，其电流幅值和频率大小随时间同步变化。该变化基于相同的基波函数（如正弦函数）变化，以达到调制的目的。

励磁电流在感应线圈中产生连续多频的旋转磁场。旋转磁场使钢水受到变幅变频的电磁力的作用，从而使钢水产生特定旋转，实现特定的搅拌功能。

PLC控制器（或其他控制器）可选用西门子S7-300系列PLC，PLC控制器（或其他控制器）用于对电磁搅拌器进行工作频率和工作电流的设定以及实际工作电流频率和实际工作电流值的监测，PLC控制器或其他控制器可对以下内容进行控制：变频电源的启动、停止、正反转、故障复位、电磁搅拌工作频率和电流设定。

变频电源的特性不同于变频器，其可以工作在低频、大电流状态，其可采用矢量控制模式，并具有频率及电流单独可调功能，变频电源的工作频率和电流可以根据需要单独设定。

工控机的监控画面采用西门子Wincc编制的工作界面或组态软件编制的操作界面，其通过以太网通讯对PLC控制器（或其他控制器）进行数据采集及操作控制。

电磁搅拌器采用旋转式电磁搅拌器，其型号为DJMR-1717NC。其包括水冷夹套壳体、衔铁和感应线圈，衔铁的内壁上沿水冷夹套壳体的周向均布有六个凸起，凸起沿水冷夹套壳体的径向延伸，每个凸起上缠绕一个感应线圈，一个感应线圈形成一个磁极，六个磁极两两相对形成三对磁极；感应线圈接通变频电源，使每对磁极互为 N、S极。水冷夹套壳体用于盛装液态钢水，感应线圈与变频电源相连接。

变频电源连接三相交流电使感应线圈内的电流呈现交变特征，使得电磁搅拌器内形成旋转磁场，进而与钢水产生相对运动并发生电磁感应；钢水作为载流体在旋转磁场中受到电磁力的作用进而跟随旋转磁场产生旋转。重要的是，在其他参数一定的情况下如位置参数和拉速一定时，电磁搅拌优势是可根据钢种的不同进行设定不同的搅拌工作频率和电流，是保证铸坯搅拌质量的关键。

本方法在进行调频控制时，PLC控制器将励磁电流的电流频率设定某一频率，以此为基础按正弦规律变化；同样的本方法在进行调幅控制时，PLC控制器将励磁电流的电流幅值设定在某一幅值，以此为基础按相同的正弦规律变化；为使频率和幅值在一定范围变化，采用变量函数1+κsinα，其中k在0~1的范围内根据需要选定，α在0~2π之间变化。由于基于相同的变量函数，所以电流频率和电流幅值同步变化，进而使电磁搅拌器的工作电流频率（或叫工作频率）和工作电流值（或叫工作电流）同步变化。

PLC控制器控制参数设定如电磁搅拌器的工作频率设定，可以根据工艺需要设定一基准值（如5 Hz），以基准频率值为中心，在基准频率值的一定范围内的调整（如30%、40%、50%等不等系数），对电磁搅拌器的工作电流的设定也可以如同工作频率类似调整，同样根据工艺需要设定一基准值（如100A），以基准电流值为中心，在基准电流值的一定范围内的调整（如30%、40%、50%等不等系数），这样就会使工作频率和工作电流在设定范围变化。

本发明所述的电磁搅拌系统控制方便，易于实现，其利用的是现有的PLC控制器（或其他控制器）、变频电源、工控机等设备，对电磁搅拌器的工作电流和工作频率进行优化，还可以利用西门子Wincc工作界面或组态软件编制的操作界面并通过以太网通讯实现数据采集及操作控制。并且该电磁搅拌系统主要是针对工作电流、工作频率的调整和工作模式的变化，硬件投入不大，但控制效果明显，能显著提高产品的质量。

综上所述，借助于本发明的上述技术方案，简单、高效，易于实现，可以方便设定工作频率和工作电流的变化范围，由于采用的是变频变幅的电磁搅拌力作用，一方面能有效消除缩孔缩松和内裂，更均匀的成分分布，减少非金属物的夹杂偏析；另一方面降低工作电流，达到节能的目的，从而使电磁搅拌器既能满足提高钢坯内部质量的要求，又能达到节能的目的。

以上仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种液态钢水电磁搅拌方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1 PLC控制器控制变频电源输出电流幅值和电流频率基于相同的基波函数同步变化的励磁电流，所述基波函数为1+κsinα，0≤κ≤1，0≤α≤2π；

S2电磁搅拌器中的感应线圈在所述励磁电流的作用下生成旋转磁场，液态钢水在该旋转磁场中受到幅值和频率同步变化的电磁力的作用而发生转动；

S3 PLC控制器实时收集和监测所述电磁搅拌器的工作参数，通过所述工作参数判断所述电磁搅拌器的工作状态是否正常，并发送工作参数给工控机，所述工作参数包括所述电磁搅拌器实际工作电流频率和实际工作电流值。

2.根据权利要求1所述的液态钢水电磁搅拌方法，其特征在于，所述变频电源连接有三相交流电，并输出励磁电流。

3.根据权利要求1所述的液态钢水电磁搅拌方法，其特征在于，所述工控机和所述PLC控制器之间通过工业以太网络进行通信。

4.根据权利要求1所述的液态钢水电磁搅拌方法，其特征在于，所述PLC控制器和所述变频电源之间通过Profibus-DP控制电缆通讯连接。

5.根据权利要求1所述的液态钢水电磁搅拌方法，其特征在于，所述变频电源和电磁搅拌器之间通过控制电缆连接。