CN110340319A - 一种条形绕组结晶器电磁搅拌器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种条形绕组结晶器电磁搅拌器，在电磁搅拌器旋转磁场的作用下，强化结晶器内钢液的流动，提高铸坯质量。其包括环形轭铁、三十六个旋转磁场铁芯和三十六个旋转磁场线圈。具体安装方式为：环形轭铁位于结晶器外部，并与结晶器有一定间隔，在环形轭铁内壁上呈圆周状安装有三十六个旋转磁场生成装置；每个旋转磁场生成装置包括一个旋转磁场铁芯和一个旋转磁场线圈，定义面向结晶器的一面为旋转磁场铁芯的前面，旋转磁场线圈的开头在旋转磁场铁芯的底部，并在线匝开头以左绕向方向缠绕在旋转磁场铁芯的顶面、底面和两个侧面。对旋转磁场生成装置通入交流电产生旋转磁场，使钢液旋转流动，加速过热耗散，促进钢液中夹杂物的上浮。

Description

一种条形绕组结晶器电磁搅拌器

技术领域

本发明属于钢铁连铸设备技术领域，具体地涉及一种条形绕组结晶器电磁搅拌器。

背景技术

随着现代工业的高速发展，对钢材的品质要求越来越高，电磁搅拌技术被广泛的应用于连铸生产，目前电磁搅拌器已经成为高效连铸，得到高品质铸坯必不可少的环节。

电磁搅拌的实质是借助在铸坯液相穴内感生的电磁力强化液相穴内钢液的运动，由此强化钢液的对流、传热和传质过程，该过程打破了凝固前沿的树状晶枝，促进了等轴晶的形成，使钢液成分均匀，促进夹杂物的上浮，进而改善铸坯质量。

大方坯连铸生产过程中普遍采用直水口浸入式水口结构，导致钢液在结晶器内的冲击深度较大，不利于夹杂物的上浮，造成铸坯内夹杂物含量较高，温度以及成分分布不均匀，对铸坯凝固组织影响较大，易产生缩孔等缺陷。目前工业连铸生产中的结晶器电磁搅拌器多为常规电磁搅拌器，其产生的旋转磁场对钢液进行横向搅拌，使结晶器内钢液的温度分布更加均匀，增加等轴晶率，减轻偏析，但目前采用的旋转磁场对方坯角部的搅拌依然不尽如人意，需要对结晶器电磁搅拌器进行改进。

发明内容

为了解决上述现有技术中提到的不足，本发明采用条形绕组结晶器电磁搅拌器，使同等电磁参数下产生的磁场更好的穿过方坯角部，对结晶器内钢液进行搅拌，在保证铸坯偏析标准的前提下，改善铸坯中夹杂物的含量，利用更大范围的旋转磁场更好的搅拌钢液，提高钢液的洁净度。

具体地，本发明提供一种条形绕组结晶器电磁搅拌器，其包括环形轭铁以及M个旋转磁场生成装置，M＝6*N，N为正整数；

所述环形轭铁呈环状围绕于结晶器的外部，所述环形轭铁的内壁与所述结晶器的外壁之间具有间隙，在环形轭铁内壁和结晶器外壁之间安装有旋转磁场生成装置，所述M个旋转磁场生成装置沿所述结晶器的中心轴呈圆周状均匀安装在所述环形轭铁的内壁上；

所述旋转磁场生成装置包括旋转磁场铁芯和旋转磁场线圈，所述旋转磁场铁芯为正六面体结构，所述旋转磁场铁芯面向结晶器的一面为旋转磁场铁芯的前面，所述旋转磁场铁芯的前面与所述结晶器相对设置，所述旋转磁场铁芯的背面安装在所述环形轭铁的内壁；所述旋转磁场铁芯的高度与所述环形轭铁的底部齐平并且高度相等；

所述旋转磁场线圈的首端设置在旋转磁场铁芯的底部，所述旋转磁场线圈的首端以旋转磁场铁芯靠近结晶器的一端开始向内逆时针方向缠绕在旋转磁场铁芯的顶面、底面和两个侧面。

优选的，所述旋转磁场铁芯为硅钢片叠制而成。

优选的，所述M等于36，给36个旋转磁场生成装置通入交流电，各个旋转磁场生成装置中交流电相位差为10°，在结晶器区域形成由N极到S极的磁场区域。

优选的，所述旋转磁场生成装置能够根据需要通入不同强度和频率的交流电，所述交流电由旋转磁场线圈的首端或尾端通入，通入交流电后，多个旋转磁场生成装置相互作用产生旋转磁场区域。

优选的，各个所述旋转磁场生成装置的交流电的计算方法如下：

i₁＝I·n·[sin(wt)+icos(wt)]

i₂＝I·n·[sin(wt+π/18)+icos(wt+π/18)]

i₃＝I·n·[sin(wt+2π/18)+icos(wt+2π/18)]

i₃₆＝I·n·[sin(wt+2π)+icos(wt+2π)]

其中，i₁、i₂、i₃……i₃₆为各相电流大小，I为电流强度，n为线圈匝数，t为时间，w为角频率。

优选的，每一个所述旋转磁场线圈的首端和尾端均能够通入交流电，所述磁场区域的旋转方向由旋转磁场线圈接入交流电的位置决定。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

1、本发明采用条形绕组结构，使得搅拌器在同等电磁参数时，本发明产生的旋转磁场覆盖更广的范围，对结晶器内钢液进行更加充分的搅拌，使钢液中的化学成分在结晶器内分布更加均匀，降低了出现偏析等缺陷的可能，由于电磁力的作用，不断打破铸坯前沿先形成的柱状晶枝，增加等轴晶率。

2、本发明根据不同钢种，可以选用不同频率及强度的电流，加减旋转磁场线圈的匝数，以适应各钢种对搅拌强度的不同要求，由于水平方向旋转运动的存在，延长了钢液在结晶器中的停留时间，有利于夹杂物的充分去除，减小了钢液温度梯度。

附图说明

图1本发明的剖面主视图；

图2本发明的剖面左视图；

图3本发明的剖面俯视图；

图4不含结晶器与钢液的条形绕组结晶器电磁搅拌器正等视图；

图5含结晶器与钢液的条形绕组结晶器电磁搅拌器正等视图；

图6条形绕组结晶器电磁搅拌器的俯视图；

图7条形绕组结晶器电磁搅拌器的电磁生成区域位置图；

图8常规结晶器电磁搅拌器的俯视图；

图9A常规结晶器电磁搅拌器中心横截面磁场强度；

图9B条形绕组结晶器电磁搅拌器中心横截面磁场强度；

图10A常规结晶器电磁搅拌器出口横截面磁场强度；

图10B条形绕组结晶器电磁搅拌器出口横截面磁场强度；

图11A常规结晶器电磁搅拌器中心横截面节点电磁力分布；

图11B条形绕组结晶器电磁搅拌器中心横截面节点电磁力分布；

图12A常规结晶器电磁搅拌器出口横截面节点电磁力分布；以及

图12B条形绕组结晶器电磁搅拌器出口横截面节点电磁力分布。

部分附图标记如下：

1-环形轭铁，2-旋转磁场生成装置，3-旋转磁场铁芯，4-旋转磁场线圈，5-结晶器，6-钢液，7-旋转磁场生成区。

具体实施方式

以下将参考附图详细说明本发明的示例性实施例、特征和方面。附图中相同的附图标记表示功能相同或相似的元件。尽管在附图中示出了实施例的各种方面，但是除非特别指出，不必按比例绘制附图。

目前工业上普遍采用的结晶器电磁搅拌器产生的都是旋转磁场，电磁搅拌的实质是借助电磁场在铸坯液相穴内部感生的电磁力强化液相穴内钢液的运动，由此强化钢液的对流、传热和传质过程，产生抑制柱状晶发展、促进成分均匀、夹杂物上浮细化、分布均匀的热力学和动力学条件，进而控制铸坯凝固组织，改善铸坯质量。但是常规结晶器电磁搅拌器的旋转磁场产生的电磁力依旧不能很好的对方坯角部进行搅拌，本申请采用条形绕组结晶器电磁搅拌器，利用更大范围的磁场对结晶器内的钢液起到搅拌作用，改善方坯角部问题，为生产高质量钢坯提供保障。

具体的，本申请中提供一种条形绕组结晶器电磁搅拌器，如图1至图8所示，其包括环形轭铁1以及M个旋转磁场生成装置2，其中，M＝6*N，N为正整数。在本实施例中，M等于36，即设置有三十六个旋转磁场生成装置。

环形轭铁1位于结晶器5的外部，并且环形围绕在结晶器的外壁上，环形轭铁1的内壁与结晶器的外壁间隔有一定距离，旋转磁场生成装置2沿结晶器中心轴线呈圆周状安装在环形轭铁1的内壁上。

每个旋转磁场生成装置2包括旋转磁场铁芯3和旋转磁场线圈4，旋转磁场铁芯3为正六面体结构，定义面向结晶器5的一面为旋转磁场铁芯3的前面，旋转磁场铁芯3的前面与结晶器5相对设置，旋转磁场铁芯3的背面安装在环形轭铁1的内壁，旋转磁场铁芯3与环形轭铁1的底部齐平且高度相等，旋转磁场线圈4的首端设置在旋转磁场铁芯3的底部，并在线匝开头以左绕向方向缠绕在旋转磁场铁芯3的顶面、底面和两个侧面。左绕向方向指旋转磁场线圈4的首端以旋转磁场铁芯3靠近结晶器5的一端开始向内逆时针方向缠绕在旋转磁场铁芯3的顶面、底面和两个侧面。

对旋转磁场线圈4通入交流电产生旋转磁场，生成的旋转磁场区域为旋转磁场生成区7。运动的钢液6在感应磁场的作用下产生感应电磁力，强化钢液的流动，促使钢液温度分布均匀。交流电的计算方法如下：

i₁＝I·n·[sin(wt)+icos(wt)]

i₂＝I·n·[sin(wt+π/18)+icos(wt+π/18)]

i₃＝I·n·[sin(wt+2π/18)+icos(wt+2π/18)]

i₃₆＝I·n·[sin(wt+2π)+icos(wt+2π)]

以此类推，其中，i₁、i₂、i₃……i₃₆为各相电流大小，I为电流强度，n为线圈匝数，t为时间，w为角频率。可以通过改变通入交流电的强度和频率以及线圈匝数实现对不同钢种的搅拌要求。本实施例中，M等于36，对每个旋转磁场生成装置通入交流电，各旋转磁场生成装置中电流相位差为10°，在结晶器区域形成由N极到S极的磁场区域，线圈中缺口为线匝开头，即交流电接口，通入交流电后旋转磁场生成装置相互作用产生旋转磁场区域，磁场旋转方向顺时针或逆时针，由旋转磁场生成装置的交流电的施加位置决定，运动的钢液在感应旋转磁场的作用下产生旋转感应电磁力，强化钢液流动，增加等轴晶率，减少偏析。

每一个旋转磁场线圈的首端和尾端均能够通入交流电，磁场区域的旋转方向由旋转磁场线圈接入交流电的位置决定。例如，本发明有36个线圈，每个线圈由于需要开口接入交流电，所以旋转磁场线圈在首端和尾端均设置有开口，通交流电时只会对其中一个开口施加电流，所以选择不同的开口加载电流会造成磁场的旋转方向不同。

为了更加清晰、明白、完整地阐述本发明的目的、实施方案和优点，下面将结合专利附图，给出一个具体实施例，实施例是本发明的一部分实例，并不代表全部实施例。

本实施例中，钢坯尺寸为325mm×280mm，以连铸结晶器底部端面中心为坐标原点，铸坯窄面方向为x方向，铸坯宽面为y方向，沿连铸结晶器高度方向为z方向，连铸结晶器高度为850mm，钢液高度为800mm，并反向延长500mm，共长1300mm，条形绕组结晶器电磁搅拌器底部与连铸结晶器底部平齐，高度为379mm，旋转磁场线圈4宽厚均为20mm，旋转磁场铁芯3与环形轭铁1等高，旋转磁场铁芯3采用硅钢片叠制而成。硅钢具有常用软磁材料中最高的饱和磁感应强度(2.0T以上)，采用硅钢片作为线圈绕组定子具有较好的导磁率，可以降低磁滞损耗，并且由于硅元素的加入可以增强定子的电阻率，降低绕组定子的涡流损耗，大大减少了由于损耗产生的热量，有利于结晶器电磁搅拌器的散热。

工作时，条形绕组结晶器电磁搅拌器的旋转磁场生成装置通入与常规结晶器电磁搅拌器相同的电流强度和电流频率，即500A、5Hz的交流电。

结合上述电磁搅拌原理，在t＝0时刻，对本发明的所有线圈通入电流，电流强度为500A，各线圈匝数为100匝，电流相位差为10°，频率为5Hz。从图9A、9B、10A、10B可以看出，两种搅拌器产生的磁场分布相似，磁场由侧面穿入结晶器，主要沿对角线方向穿出，其中，常规电磁搅拌器中心横截面的磁场强度为0.00569-0.06015T,出口横截面的磁场强度为0.01007-0.07408T；条形绕组电磁搅拌器的中心横截面磁场强度为0.01734-0.1165T，出口横截面的磁场强度为0.08381-0.2237T。

与常规电磁搅拌器相比，本发明的中心横截面磁场强度最小值提高了0.01165T。从图11A、11B、12A、12B可以看出，两种搅拌器所产生的电磁力分布也相似，都呈旋转型，其中，常规电磁搅拌器中心横截面的电磁力为34.92-59748N/m3,常规电磁搅拌器出口横截面的电磁力为522.55-63749.7N/m3；条形绕组电磁搅拌器中心横截面的电磁力为183.076-3037.75N/m3，条形绕组电磁搅拌器出口横截面的电磁力为6126.51-52948.2N/m3，本发明的中心横截面上的最小电磁力提高了148.156N/m3。结合上述等值线图可以看出，虽然本发明中心横截面产生的最大电磁力较常规电磁搅拌器小，但分布更加均匀，而且常规电磁搅拌器起主要作用的电磁力依然为最小值，因此，本发明能够对结晶器内的钢液产生较强的水平搅动作用，强化结晶器内钢液的流动，促进等轴晶形核和过热的耗散，使初始凝固坯壳的厚度更加均匀，同时，由于旋转电磁力的作用，也使钢液中各成分分布更均匀，减少了偏析和缩孔等缺陷的形成，改善了铸坯的表面和皮下质量。

本申请与目前连铸工业上普遍采用的电磁搅拌器相比，采用条形绕组结构，能够使钢液在结晶器内混合更均匀，增加了等轴晶率，改善铸坯的性能，提高铸坯品质。本申请由旋转磁场发生装置组成，根据不同钢种要求可以施加不同频率和强度的交流电，以适应不同钢种的需求。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

1、本发明采用条形绕组结构，使得搅拌器在同等电磁参数时，本发明产生的旋转磁场覆盖更广的范围，对结晶器内钢液进行更加充分的搅拌，使钢液中的化学成分在结晶器内分布更加均匀，降低了出现偏析等缺陷的可能，由于电磁力的作用，不断打破铸坯前沿先形成的柱状晶枝，增加等轴晶率。

2、本发明根据不同钢种，可以选用不同频率及强度的电流，加减旋转磁场线圈的匝数，以适应各钢种对搅拌强度的不同要求，由于水平方向旋转运动的存在，延长了钢液在结晶器中的停留时间，有利于夹杂物的充分去除，减小了钢液温度梯度。

最后应说明的是：以上所述的各实施例仅用于说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或全部技术特征进行等同替换；而这些修改或替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

Claims (6)

1.一种条形绕组结晶器电磁搅拌器，其特征在于：其包括环形轭铁以及M个旋转磁场生成装置，M＝6*N，N为正整数；

所述环形轭铁呈环状围绕于结晶器的外部，所述环形轭铁的内壁与所述结晶器的外壁之间具有间隙，在环形轭铁内壁和结晶器外壁之间安装有旋转磁场生成装置，所述M个旋转磁场生成装置沿所述结晶器的中心轴呈圆周状均匀安装在所述环形轭铁的内壁上；

所述旋转磁场生成装置包括旋转磁场铁芯和旋转磁场线圈，所述旋转磁场铁芯为正六面体结构，所述旋转磁场铁芯面向结晶器的一面为旋转磁场铁芯的前面，所述旋转磁场铁芯的前面与所述结晶器相对设置，所述旋转磁场铁芯的背面安装在所述环形轭铁的内壁；所述旋转磁场铁芯的高度与所述环形轭铁的底部齐平并且高度相等；

所述旋转磁场线圈的首端设置在旋转磁场铁芯的底部，所述旋转磁场线圈的首端以旋转磁场铁芯靠近结晶器的一端开始向内逆时针方向缠绕在旋转磁场铁芯的顶面、底面和两个侧面。

2.根据权利要求1所述的条形绕组结晶器电磁搅拌器，其特征在于：所述旋转磁场铁芯为硅钢片叠制而成。

3.根据权利要求1所述的条形绕组结晶器电磁搅拌器，其特征在于：所述M等于36，给36个旋转磁场生成装置通入交流电，各个旋转磁场生成装置中交流电相位差为10°，在结晶器区域形成由N极到S极的磁场区域。

4.根据权利要求3所述的条形绕组结晶器电磁搅拌器，其特征在于：所述旋转磁场生成装置能够根据需要通入不同强度和频率的交流电，所述交流电由旋转磁场线圈的首端或尾端通入，通入交流电后，多个旋转磁场生成装置相互作用产生旋转磁场区域。

5.根据权利要求3所述的条形绕组结晶器电磁搅拌器，其特征在于：各个所述旋转磁场生成装置的交流电的计算方法如下：

i₁＝I·n·[sin(wt)+icos(wt)]

i₂＝I·n·[sin(wt+π/18)+icos(wt+π/18)]

i₃＝I·n·[sin(wt+2π/18)+icos(wt+2π/18)]

i₃₆＝I·n·[sin(wt+2π)+icos(wt+2π)]

其中，i₁、i₂、i₃……i₃₆为各相电流大小，I为电流强度，n为线圈匝数，t为时间，w为角频率。

6.根据权利要求4所述的条形绕组结晶器电磁搅拌器，其特征在于：每一个所述旋转磁场线圈的首端和尾端均能够通入交流电，所述磁场区域的旋转方向由旋转磁场线圈接入交流电的位置决定。