CN110252975B - 复合时变磁场的电磁搅拌生成装置、方法及应用 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种复合时变磁场的电磁搅拌生成装置、方法及应用，本装置为时变磁场生成装置复合旋转磁场电磁搅拌生成装置和/或行波磁场电磁搅拌生成装置；本方法及应用为在连铸、半连续铸造或者模铸过程中，将复合时变磁场的电磁搅拌生成装置作用于连铸或半连续铸造的结晶器、二冷区和末端中的任一处或多处，或者模铸生产中的冒口、液面等位置，从而通过改善铸坯的成分偏析和缩孔疏松来提升铸坯的力学性能。本发明相较于连铸、半连续铸造或者模铸生产过程中单独施加电磁搅拌或者时变磁场，显著改善铸坯心部缩孔疏松及成分偏析。

Description

复合时变磁场的电磁搅拌生成装置、方法及应用

技术领域

本发明涉及一种复合时变磁场的电磁搅拌生成装置、方法及应用，属于钢铁连铸设备技术领域。

背景技术

钢铁是应用最广泛的结构材料，是工业、农业、国防及国家综合实力的基础。随着资源、能源和环境理念的提升，人们对钢铁材料及其生产技术提出了更高的要求，高洁净化、高均质化、超细晶化和低消耗、低污染成为新一代钢铁生产技术的发展方向。近年来，随着冶金工业技术和装备水平的提高，冶炼过程中洁净化以及轧制和热处理过程中超细晶化水平都有了长足进步。但是，由于金属材料凝固过程中固有的选分结晶和体积收缩，造成金属材料不可避免地出现成分偏析和缩孔疏松等凝固缺陷，这些缺陷导致金属成分和组织上的不均匀，进而严重影响金属加工性能和使用性能。凝固过程中的均质化问题已成为钢铁产品质量提升的瓶颈。

目前，为解决连铸坯成分偏析及缩孔疏松等均质化问题，电磁搅拌和时变磁场技术广泛应用于连铸生产中。电磁搅拌技术主要分为结晶器电磁搅拌技术、二冷区及末端电磁搅拌技术，通过驱动连铸坯中钢液的运动，优化铸坯内的温度场和流场，进而提升铸坯的均质化程度。时变磁场技术主要运用在连铸的结晶器和二冷区段，通过促进固液界面前沿形核及优化温度场和流场来提升均质化程度。不管是电磁搅拌技术，还是时变磁场技术都对连铸均质化控制起到了有效的改善作用，但是尽管两种技术对连铸坯中心缩孔疏松和成分正偏析有一定的改善，但是改善效果远远未达到预期，从而导致一些特种钢性能无法提升。

专利号为：201910332351.5，专利名称为：一种复合式线圈结晶器电磁搅拌器，公开了将行波磁场和旋转磁场符合，应用于结晶器外部，用于实现搅拌，以及专利号为：201910332302.1，专利名称为：一种斜极式结晶器电磁搅拌器，是将旋转磁场和偏斜铁芯复合，应用于结晶器电磁搅拌，均实现了很好的搅拌效果，降低铸坯偏析，改善铸坯质量。但是，目前还没有公开的文献将时变磁场与电磁搅拌复合，本发明将时变磁场与电磁搅拌复合用于连铸和模铸的生产过程中，填补了时变磁场与电磁搅拌复合场在钢液连铸、模铸领域内没有公开应用的空白。

发明内容

为了解决上述技术问题，本发明提供一种复合时变磁场的电磁搅拌生成装置、方法及应用，其具体技术方案如下：

复合时变磁场的电磁搅拌生成装置，包括时变磁场生成装置，所述时变磁场生成装置复合旋转磁场电磁搅拌生成装置和/或行波磁场电磁搅拌生成装置。

进一步的，所述旋转磁场电磁搅拌生成装置包括环形轭铁、4个以上铁芯和旋转磁场线圈，所述环形轭铁呈圆管形状，铁芯圆周均匀固定环形轭铁的内壁，每个铁芯朝向环形轭铁中心的一端均固定有旋转磁场线圈，旋转磁场线圈所在平面与环形轭铁的中轴线平行。

进一步的，所述行波磁场电磁搅拌生成装置包括环形轭铁、若干个铁芯和行波磁场线圈，若干个行波磁场线圈圆周均匀设置在环形轭铁的内侧，每个铁芯均包括上片和下片，每个铁芯的上片的一端与行波磁场线圈的上表面固定，另一端与环形轭铁的内壁固定，每个铁芯的下片的一端与行波磁场线圈的下表面固定，另一端与环形轭铁的内壁固定，每个铁芯的上片和下片相互平行，均与环形轭铁的内壁垂直。

进一步的，所述行波磁场线圈和铁芯连接方式为套圈形连接、凸极形或迭绕式连接，行波磁场线圈的个数不少于4个。

进一步的，所述时变磁场生成装置包括多匝线圈，所述时变磁场多匝线圈为圆管形状、方管形状或其他形状的轴向贯通管，

所述时变磁场多匝线圈的匝数不少于5匝，

所述时变磁场多匝线圈中导入脉冲电流、交流电或各类随时间变化的时变电流时，能产生时变磁场。

进一步的，当时变磁场生成装置与旋转磁场电磁搅拌生成装置复合时，时变磁场线圈与旋转磁场电磁搅拌生成装置同轴设置，且时变磁场线圈位于旋转磁场电磁搅拌生成装置内；

当时变磁场生成装置与行波磁场电磁搅拌生成装置复合时，时变磁场线圈与行波磁场电磁搅拌生成装置同轴设置，且时变磁场线圈位于行波磁场电磁搅拌生成装置内。

进一步的，当所述时变磁场生成装置同时复合旋转磁场电磁搅拌生成装置和行波磁场电磁搅拌生成装置时，时变磁场线圈与旋转磁场电磁搅拌生成装置和行波磁场电磁搅拌生成装置均同轴设置，且时变磁场线圈位于中心，旋转磁场电磁搅拌生成装置包围在行波磁场电磁搅拌生成装置的轴向四周，或者行波磁场电磁搅拌生成装置包围在旋转磁场电磁搅拌生成装置的轴向四周。

复合多种磁场的电磁搅拌方法，该方法基于上述的复合时变磁场的电磁搅拌生成装置，

当时变磁场生成装置与旋转磁场电磁搅拌生成装置复合时，该方法的具体步骤如下：

步骤一：组装装置：将时变磁场线圈置于旋转磁场电磁搅拌生成装置内，确保两者同轴；

步骤二：安装装置：将组装的装置安装在连铸或半连铸的结晶器、二冷区及末端的其中一个或者多个位置，或者安装在模铸的冒口、液面、中部或者底部位置；

步骤三：开启电磁场：在连铸生产中，结晶器位置先倒入钢水再同时开启时变磁场和电磁搅拌，二冷区位置和末端位置先开启时变磁场和电磁搅拌；在模铸生产中，先将金属液加入模铸中，再同时开始时变磁场和电磁搅拌；

当时变磁场生成装置与行波磁场电磁搅拌生成装置复合时，该方法的具体步骤如下：

步骤（一）：组装装置：将时变磁场线圈置于行波磁场电磁搅拌生成装置内，确保两者同轴；

步骤（二）：安装装置：将组装的装置安装在连铸或半连铸的结晶器、二冷区及末端的其中一个或者多个位置，或者安装在模铸的冒口、液面、中部或者底部位置；

步骤（三）：开启电磁场：同时开启时变磁场生成装置与行波磁场电磁搅拌生成装置；

当时变磁场生成装置同时复合旋转磁场电磁搅拌生成装置和行波磁场电磁搅拌生成装置时，该方法的具体步骤如下：

步骤1：组装装置：将旋转磁场电磁搅拌生成装置和行波磁场电磁搅拌生成装置同轴套设，再将时变磁场线圈置于其中，确保三者同轴；

步骤2：安装装置：待加工的连续坯料从步骤一所得的装置的中心穿过，坯料在装置内时，坯料与装置同轴同心；

步骤3：开启电磁场：在连铸生产中，结晶器位置先倒入钢水再同时开启时变磁场和电磁搅拌，二冷区位置和末端位置先开启时变磁场和电磁搅拌；在模铸生产中，先将金属液加入模铸中，再同时开始时变磁场和电磁搅拌；

复合时变磁场的电磁搅拌生成装置的应用，连铸生产过程中，在结晶器、二冷区和末端中任一位置或者任意两个位置或者同时施加上述的复合时变磁场的电磁搅拌生成装置；

在模铸生产过程中，在模铸冒口、液面和铸型周围中任一位置或者任意两个位置或者同时施加复合时变磁场的电磁搅拌生成装置。

复合时变磁场的电磁搅拌生成装置的应用，上述的复合时变磁场的电磁搅拌生成装置应用在圆坯、方坯及板坯的连续和半连续连铸生产过程中，以及铸锭生产过程中。

本发明具有以下有益效果：

（1）连铸过程中单独施加电磁搅拌或时变磁场会产生明显的负偏析区，而本发明技术不会产生负偏析区。消除负偏析区后，产品的疲劳性能会显著增加，原因是负偏析区由于成分分布不均匀，导致产品的不同位置硬度、强度和韧性不同，从而在产品使用过程中，很容易产生裂纹源，显著降低铸坯的力学性能；

（2）单独施加电磁搅拌或时变磁场对连铸坯心部缩孔疏松和成分正偏析改善效果远远未到达预期，本发明复合磁场会引起熔体内的流动强度增大和产生更多的形核核心，从而使熔体内温度场分布更加均匀和凝固组织更加的细化，而均匀温度场和细化金属凝固组织是改善铸坯心部缩孔疏松和心部正偏析的主要方法之一，进而显著改善铸坯心部缩孔疏松和成分正偏析。

附图说明

图1是环形线圈时变磁场复合旋转磁场电磁搅拌生成装置的立体结构示意图；

图2是图1的俯视图；

图3是方形线圈时变磁场复合旋转磁场电磁搅拌生成装置结构示意图；

图4 是环形线圈时变磁场复合行波磁场电磁搅拌生成装置结构示意图；

图5 是图4的俯视图；

图6是时变磁场复合旋转磁场电磁搅拌和行波磁场电磁搅拌生成装置结构示意图（行波磁场在外）；

图7是图6的俯视图；

图8 是时变磁场复合行波磁场电磁搅拌和旋转磁场电磁搅拌生成装置结构示意图（旋转磁场在外）；

图9 是图8的俯视图；

图10 是时变磁场复合旋转磁场电磁搅拌生成装置用于连铸结晶器的状态图；

图11 是时变磁场复合旋转磁场电磁搅拌生成装置用于圆坯连铸二冷区的状态图；

图12 是时变磁场复合行波磁场电磁搅拌生成装置用于方坯连铸二冷区的状态图；

图13 是时变磁场复合旋转磁场及行波磁场电磁搅拌生成装置用于板坯连铸末端的状态图；

图中标号说明：a—旋转磁场电磁搅拌生成装置；b—行波磁场电磁搅拌生成装置；1—环形轭铁；2—铁芯；3—旋转磁场线圈；4—环形时变磁场线圈；5—方形时变磁场线圈；6—行波磁场线圈；7—钢液；8—连铸结晶器；9—圆坯；10—方坯；11—板坯。

具体实施方式

现在结合附图对本发明作进一步详细的说明。这些附图均为简化的示意图，仅以示意方式说明本发明的基本结构，因此其仅显示与本发明有关的构成。

下面给出本发明装置的3个具体实施例：

装置实施例1：时变磁场生成装置与旋转磁场电磁搅拌生成装置a复合

参见图1和图2，时变磁场生成装置为环形时变磁场线圈4，置于旋转磁场电磁搅拌生成装置a内，环形时变磁场线圈4中心用于坯料从其中穿过，将磁场作用于坯料，坯料发生对应的性能改变。两种磁场同时作用于熔体时，熔体内会感应出电流，电流又和磁场相互作用产生电磁力，电磁力会导致强烈的对流，从而使熔体内溶质分布和温度分布更加的均匀，从而减轻熔体心部的成分偏析和缩孔疏松。且两种磁场作用于熔体时更容易促进形核，从而细化凝固组织。

旋转磁场电磁搅拌生成装置a包括一个环形轭铁1，每个环形轭铁1内设置有4个以上铁芯2和旋转磁场线圈3，环形轭铁1呈圆管形状，铁芯2圆周均匀固定环形轭铁1的内壁，旋转磁场线圈3固定于铁芯2朝向环形轭铁1中心的一端，旋转磁场线圈3所在平面与环形轭铁1的中轴线平行。

参见图3，时变磁场生成装置为方形时变磁场线圈5，可作为横截面为方形的坯料从其中穿过使用。

同时，为了满足更多不同形状的坯料，时变磁场生成装置可以设置成各种对应的形状，且时变磁场生成装置的规格可以设置成对应不同坯料的规格。

装置实施例2：时变磁场生成装置与行波磁场电磁搅拌生成装置b复合

参见图4和图5，图中以环形时变磁场线圈4为例示意，展示了时变磁场生成装置同轴套设在行波磁场电磁搅拌生成装置b内。

行波磁场电磁搅拌生成装置b包括环形轭铁1，每个环形轭铁1内设置有4个以上铁芯2和行波磁场线圈6，行波磁场线圈6圆周均匀设置在环形轭铁1的内侧，每个铁芯2均包括上片和下片，每个铁芯2的上片的一端与行波磁场线圈6的上表面固定，另一端与环形轭铁1的内壁固定，每个铁芯2的下片的一端与行波磁场线圈6的下表面固定，另一端与环形轭铁1的内壁固定，每个铁芯2的上片和下片相互平行，均与环形轭铁1的内壁垂直。

与实施例1相同，时变磁场生成装置的形状和规格根据待加工坯料的形状和规格，对应设置。

装置实施例3：时变磁场生成装置同时与旋转磁场电磁搅拌生成装置a和行波磁场电磁搅拌生成装置b复合

本实施例有两种实现形式，其中一种参见图6和图7，旋转磁场电磁搅拌生成装置a套设在行波磁场电磁搅拌生成装置b内，时变磁场生成装置置于旋转磁场电磁搅拌生成装置a内；另外一种参见图8和图9，时变磁场生成装置、旋转磁场电磁搅拌生成装置a和行波磁场电磁搅拌生成装置b同轴套设，且从内到外依次为时变磁场生成装置、行波磁场电磁搅拌生成装置b和旋转磁场电磁搅拌生成装置a。

图6-9中以环形时变磁场线圈4为例示意，使用过程中，根据坯料的形状和规格，时变磁场生成装置设置成对应的形状和规格。

本发明的应用实施例：

应用实施例1：

参见图10，装置实施例1应用于连铸结晶器8，复合磁场作用于结晶器时，有两种目的：一是均匀温度场，从而使钢液从结晶器到二冷区时钢液温度分布更加的均匀；二是使夹杂物上浮，改善铸坯质量。连铸结晶器8内盛放有钢液7，此时，时变磁场生成装置选用方形时变磁场线圈5，连铸结晶器8置于方形时变磁场线圈5内。

应用实施例2：

参见图11，装置实施例1应用于圆坯9连铸二冷区，能带来三种作用：一是促进形核；二是均匀温度场；三是使成分分布更加的均匀，从而减轻或者消除成分偏析。此时，时变磁场生成装置选用环形时变磁场线圈4，圆坯从环形时变磁场线圈4的中心穿过。

应用实施例3：

参见图12，装置实施例2应用于方坯10连铸二冷区，此时，时变磁场生成装置选用方形时变磁场线圈5，方坯从环形时变磁场线圈4的中心穿过。

应用实施例4：

参见图13，装置实施例3应用于板坯11连铸末端，此时，时变磁场生成装置的形状与板坯适配。

除了上述应用实施例，本发明的任一装置实施例均可以应用于连铸结晶器、二冷区及末端。

本技术领域技术人员可以理解，除非另外定义，这里使用的所有术语（包括技术术语和科学术语）具有与本申请所属领域中的普通技术人员的一般理解相同的意义。还应该理解的是，诸如通用字典中定义的那些术语应该被理解为具有与现有技术的上下文中的意义一致的意义，并且除非像这里一样定义，不会用理想化或过于正式的含义来解释。

本申请中所述的“和/或”的含义指的是各自单独存在或两者同时存在的情况均包括在内。

本申请中所述的“连接”的含义可以是部件之间的直接连接也可以是部件间通过其它部件的间接连接。

以上述依据本发明的理想实施例为启示，通过上述的说明内容，相关工作人员完全可以在不偏离本项发明技术思想的范围内，进行多样的变更以及修改。本项发明的技术性范围并不局限于说明书上的内容，必须要根据权利要求范围来确定其技术性范围。

Claims (7)

1.复合时变磁场的电磁搅拌生成装置，包括时变磁场生成装置，其特征在于：所述时变磁场生成装置复合旋转磁场电磁搅拌生成装置（a）和/或行波磁场电磁搅拌生成装置（b）；

所述旋转磁场电磁搅拌生成装置（a）包括环形轭铁（1）、4个以上铁芯（2）和旋转磁场线圈（3），所述环形轭铁（1）呈圆管形状，铁芯（2）圆周均匀固定环形轭铁（1）的内壁，每个铁芯（2）朝向环形轭铁（1）中心的一端均固定有旋转磁场线圈（3），旋转磁场线圈（3）所在平面与环形轭铁（1）的中轴线平行；

所述行波磁场电磁搅拌生成装置包括环形轭铁（1）、若干个铁芯（2）和行波磁场线圈（6），若干个行波磁场线圈（6）圆周均匀设置在环形轭铁（1）的内侧，每个铁芯（2）均包括上片和下片，每个铁芯（2）的上片的一端与行波磁场线圈（6）的上表面固定，另一端与环形轭铁（1）的内壁固定，每个铁芯（2）的下片的一端与行波磁场线圈（6）的下表面固定，另一端与环形轭铁（1）的内壁固定，每个铁芯（2）的上片和下片相互平行，均与环形轭铁（1）的内壁垂直；

所述时变磁场生成装置包括多匝线圈，所述时变磁场生成装置为圆管形状、方管形状或其他形状的轴向贯通管，

所述时变磁场生成装置的匝数不少于5匝，

所述时变磁场生成装置中导入脉冲电流、交流电或各类随时间变化的时变电流时，能产生时变磁场。

2.根据权利要求1所述的复合时变磁场的电磁搅拌生成装置，其特征在于：所述行波磁场线圈（6）和铁芯（2）连接方式为套圈形连接、凸极形或迭绕式连接，行波磁场线圈（6）的个数不少于4个。

3.根据权利要求1所述的复合时变磁场的电磁搅拌生成装置，其特征在于：当时变磁场生成装置与旋转磁场电磁搅拌生成装置（a）复合时，时变磁场生成装置与旋转磁场电磁搅拌生成装置同轴设置，且时变磁场生成装置位于旋转磁场电磁搅拌生成装置内；

当时变磁场生成装置与行波磁场电磁搅拌生成装置（b）复合时，时变磁场生成装置与行波磁场电磁搅拌生成装置（b）同轴设置，且时变磁场生成装置位于行波磁场电磁搅拌生成装置（b）内。

4.根据权利要求1所述的复合时变磁场的电磁搅拌生成装置，其特征在于：当所述时变磁场生成装置同时复合旋转磁场电磁搅拌生成装置（a）和行波磁场电磁搅拌生成装置（b）时，时变磁场生成装置与旋转磁场电磁搅拌生成装置（a）和行波磁场电磁搅拌生成装置（b）均同轴设置，且时变磁场生成装置位于中心，旋转磁场电磁搅拌生成装置（a）包围在行波磁场电磁搅拌生成装置（b）的轴向四周，或者行波磁场电磁搅拌生成装置（b）包围在旋转磁场电磁搅拌生成装置（a）的轴向四周。

5.复合时变磁场的电磁搅拌方法，其特征在于：该方法基于上述任一权利要求所述的复合时变磁场的电磁搅拌生成装置，

当时变磁场生成装置与旋转磁场电磁搅拌生成装置（a）复合时，该方法的具体步骤如下：

步骤一：组装装置：将时变磁场生成装置置于旋转磁场电磁搅拌生成装置内，确保两者同轴；

步骤二：安装装置：将组装的装置安装在连铸或半连铸的结晶器、二冷区及末端的其中一个或者多个位置，或者安装在模铸的冒口、液面、中部或者底部位置；

步骤三：开启电磁场：在连铸或半连铸生产中，结晶器位置先倒入钢水再同时开启时变磁场和电磁搅拌，二冷区位置和末端位置先开启时变磁场和电磁搅拌；在模铸生产中，先将金属液加入模铸中，再同时开始时变磁场和电磁搅拌；

当时变磁场生成装置与行波磁场电磁搅拌生成装置（b）复合时，该方法的具体步骤如下：

步骤（一）：组装装置：将时变磁场生成装置置于行波磁场电磁搅拌生成装置（b）内，确保两者同轴；

步骤（二）：安装装置：将组装的装置安装在连铸或半连铸的结晶器、二冷区及末端的其中一个或者多个位置，或者安装在模铸的冒口、液面、中部或者底部位置；

步骤（三）：开启电磁场：在连铸或半连铸生产中，结晶器位置先倒入钢水再同时开启时变磁场和电磁搅拌，二冷区位置和末端位置先开启时变磁场和电磁搅拌；在模铸生产中，先将金属液加入模铸中，再同时开始时变磁场和电磁搅拌；

当时变磁场生成装置同时复合旋转磁场电磁搅拌生成装置（a）和行波磁场电磁搅拌生成装置（b）时，该方法的具体步骤如下：

步骤1：组装装置：将旋转磁场电磁搅拌生成装置（a）和行波磁场电磁搅拌生成装置（b）同轴套设，再将时变磁场生成装置置于其中，确保三者同轴；

步骤2：安装装置：将组装的装置安装在连铸或半连铸的结晶器、二冷区及末端的其中一个或者多个位置，或者安装在模铸的冒口、液面、中部或者底部位置；

步骤3：开启电磁场：在连铸或半连铸生产中，结晶器位置先倒入钢水再同时开启时变磁场和电磁搅拌，二冷区位置和末端位置先开启时变磁场和电磁搅拌；在模铸生产中，先将金属液加入模铸中，再同时开始时变磁场和电磁搅拌。

6.复合时变磁场的电磁搅拌生成装置的应用，其特征在于：连铸生产过程中，在结晶器、二冷区和末端中任一位置或者任意两个位置或者同时施加如权利要求1所述的复合时变磁场的电磁搅拌生成装置；

在模铸生产过程中，在模铸冒口、液面、中部或底部中任一位置或者任意两个位置或者同时施加如权利要求1所述的复合时变磁场的电磁搅拌生成装置。

7.复合时变磁场的电磁搅拌生成装置的应用，其特征在于：上述权利要求1-4所述的复合时变磁场的电磁搅拌生成装置应用在圆坯（9）、方坯（10）及板坯（11）的连续和半连续连铸生产过程中，以及铸锭生产过程中。

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