CN111025204B - 一种电磁中间包的磁场测量装置及其测量方法 - Google Patents

一种电磁中间包的磁场测量装置及其测量方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种电磁中间包的磁场测量装置及其测量方法，所述电磁中间包由耐材分隔为钢液冲击室和钢液浇铸室，耐材中设有用于连通钢液冲击室和钢液浇铸室的两条通道，所述的两条通道内分别设有第一水冷管和第二水冷管，第一水冷管和第二水冷管的两端分别通过第三水冷管和第四水冷管连通，从而形成一个闭合四边形的冷却水通路；所述第一水冷管和第二水冷管上均套有用于固定高斯计探头的固定环；所述冷却水通路上连通有进水口和出水口；所述第一水冷管、第二水冷管、第三水冷管和第四水冷管之间均通过突出板相连通。本发明用于电磁中间包的设计和应用评估。

Description

一种电磁中间包的磁场测量装置及其测量方法
技术领域
本发明涉及冶金行业的连铸过程，更具体地说，涉及一种电磁中间包的磁场测量装置及其测量方法。
背景技术
连铸过程中，钢水的浇铸温度(或过热度)对连铸坯的质量产生重要影响。若浇铸温度过高，即浇铸温度偏离金属凝固的液固线过多，势必造成连铸凝固过程中的柱状晶发达，晶粒粗大，等轴晶区小，从而形成连铸坯中心偏析、缩松缩孔等一系列质量缺陷，同时，浇铸温度过高，也加剧了钢包和中间包的耐材腐蚀，易于形成钢中二次夹杂物等造成的质量缺陷。当然，浇铸温度也不能太低，太低必然会造成钢水粘度的增大，降低了可浇铸性，也不利于生产组织和连铸稳定顺行，因此，现代连铸生产的基本原则和趋势是尽量选择低过热度浇铸，充分保证连铸坯的良好质量。
为解决低过热度浇铸问题，现代连铸的中间包，尤其是轴承钢、高合金钢、特钢等连铸，一般均需配置中间包加热功能，当前最常用的中间包加热方式有等离子加热和电磁感应加热两种。具有加热功能的中间包在生产上还具备恒温浇铸的作用，对连铸的连浇生产稳定顺行有重要意义，因此，越来越多的连铸开始倾向于采用具有加热功能的中间包。但等离子加热中间包的加热为顶面加热，具有加热不均匀和流动不足等缺点，且等离子设备存在功能复杂，噪声大等不足，连铸领域，尤其是特钢连铸等，越来越倾向于电磁感应加热中间包。
所谓电磁感应加热中间包，是在中间包内部设置一个带铁芯的电磁感应加热线圈，当电磁感应加热线圈通工频或中频交流电时，电磁线圈类似变压器的原边，而电磁感应线圈两侧的通道内的钢水相当于变压器的单匝副边。根据法拉第电磁感应定律可知，变压器原边的交变电磁场会在通道内的副边钢水内产生感应电流，从而达到加热钢水的目的。电磁中间包的工作原理如图1和图2所示，中间包1通过耐材分为两个区，分别为钢液冲击区5和连铸浇铸区6，两个区之间通过耐材中的通道4连通，当电磁感应线圈2通工频或中频交流电时，会在中间包通道4和两个区内的钢水中形成闭合的感应电流7，从而加热钢水。电磁感应加热线圈激发的工频或中频电磁场在闭合回路的铁芯3中形成闭合磁力线8。
众所周知，电磁中间包对钢水加热功能的好坏，即设计优良的电磁中间包除与电磁感应线圈的功率和结构有关以外，还与电磁中间包上通道4的长度、倾斜角度、截面形状等等均有密切关系。当前，设计优良的电磁中间包往往依靠经验或电磁场或磁热流耦合仿真来进行相关基本设计，但这些设计均需要基础测量数据来评估和验证。电磁场的测量是一个重要方法，但由于电磁中间包采用了闭合的铁芯和磁路系统，目前无法通过空载测量电磁中间包的磁场大小和分布。
发明内容
针对现有技术中存在的上述缺陷，本发明的目的是提供一种电磁中间包的磁场测量装置及其测量方法，用于电磁中间包的设计和应用评估。
为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
一方面，一种电磁中间包的磁场测量装置，所述电磁中间包由耐材分隔为钢液冲击室和钢液浇铸室，耐材中设有用于连通钢液冲击室和钢液浇铸室的两条通道，所述的两条通道内分别设有第一水冷管和第二水冷管，第一水冷管和第二水冷管的两端分别通过第三水冷管和第四水冷管连通，从而形成一个闭合四边形的冷却水通路；
所述第一水冷管和第二水冷管上均套有用于固定高斯计探头的固定环；
所述冷却水通路上连通有进水口和出水口；
所述第一水冷管、第二水冷管、第三水冷管和第四水冷管之间均通过突出板相连通。
所述的第一水冷管和第二水冷管的外径需小于两条通道的内径。
所述的第一水冷管、第二水冷管、第三水冷管和第四水冷管为普通碳钢管，壁厚为5～20mm。
所述的固定环为耐高温的水泥、陶瓷、工程塑料或其他复合材料制成。
所述的高斯计探头为具有霍尔效应的高斯计探头。
另一方面，一种电磁中间包的磁场测量方法，包括：
在电磁中间包的通道内插入闭合四边形的冷却水通路，且在处于两条通道内的第一水冷管和第二水冷管外侧套入可前后移动的用于固定高斯计探头的固定环；
当电磁中间包的电磁感应线圈通工频或中频交流电后，会在闭合四边形的冷却水通路的表面感应出闭合的感应电流，进而冷却水通路的感应电流激发周边电磁场，利用套装于第一水冷管和第二水冷管外侧的固定环及高斯计探头，测量电磁中间包的感应电磁场的大小和分布；
感应电磁场的大小用公式
Figure GDA0003191692050000031
换算成电磁中间包通道内的钢水的感应电流大小，从而用于评估电磁中间包的电流分布和大小，公式中，Is为电磁中间包通道内钢水的感应电流，单位为A；r为高斯计探头距离钢质管道的中心距，单位为m；Bm为高斯计探头的磁感应强度测量值，单位为T；μ0为真空磁导率，取12.57*E-7T·m/A；ρs为钢水的电阻率，单位为Ω·m；ρp为钢质管道的电阻率单位为Ω·m；
通过设置于冷却水通路上的高斯计探头测量的磁场分量，利用公式
Figure GDA0003191692050000032
加和平均为电磁中间包通道内钢水的感应总电流，进而评估电磁中间包的总体加热功率，公式中I为电磁中间包通道中总的感应电流值，单位为A；n为钢质管道圆周测量点的数目或同时测量的高斯计探头数目。
所述的第一水冷管、第二水冷管、第三水冷管和第四水冷管的壁厚根据电流集肤层深度计算公式
Figure GDA0003191692050000033
确定，公式中，ρ为材料电阻率，单位为Ω·m；f为工频或中频频率，单位为Hz；μ为磁导率，μ＝μrμ0。
所述的高斯计探头可通过多个高斯计探头同时测量不同圆周位置的磁场分量，或是只固定一个高斯计探头，通过固定环的旋转测量不同的磁场分量。
在上述的技术方案中，本发明所提供的一种电磁中间包的磁场测量装置及其测量方法，现有电磁中间包的设计和评估缺乏实际测量手段，一般都是通过计算机模拟或通过浇铸条件下测温等手段评估，本发明提供了一种可直接在非浇铸状态下进行电磁中间包关键参数的测量方法，为电磁中间包的设计和应用参数评估提供了重要依据，具有较大应用价值。
附图说明
图1是现有电磁中间包的工作原理图；
图2是图1中现有电磁中间包的A-A示意图；
图3是本发明电磁中间包的磁场测量装置的示意图；
图4是本发明电磁中间包的磁场测量装置的示意图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例进一步说明本发明的技术方案。
请结合图3至图4所示，本发明所提供的一种电磁中间包的磁场测量装置，所述电磁中间包10由耐材分隔为钢液冲击室11和钢液浇铸室12，耐材中设有用于连通钢液冲击室11和钢液浇铸室12的两条倾斜的通道13，位于耐材中间的空腔内设置有电磁感应线圈，上述为现有技术部分，在此就不再赘述。与现有技术不同的是，在所述的两条通道13内分别插入第一水冷管15和第二水冷管16，第一水冷管15和第二水冷管16的两端分别通过第三水冷管17和第四水冷管18连通，从而形成一个闭合四边形的冷却水通路，所述冷却水通路上还连通有进水口19和出水口20，所述第一水冷管15、第二水冷管16、第三水冷管17和第四水冷管18之间均通过突出板21相连通，所述第一水冷管15和第二水冷管16上均套有用于固定高斯计探头22的固定环23，固定环23可设置在水冷管的两侧，也可仅设置一侧，高斯计探头22的数量可设置多个同时测量，也可通过用旋转固定环23至不同圆周位置测量，从而得到电磁场的大小和分布。
较佳的，所述的第一水冷管15和第二水冷管16的外径需小于两条通道13的内径。
较佳的，所述的第一水冷管15、第二水冷管16、第三水冷管17和第四水冷管18采用具有一定导磁性能的空心钢管，优选采用普通碳钢管，壁厚为5～20mm，四根空心水冷管相互的连接面为导电面，由螺栓压紧连接，构成闭合的感应电流回路。同时，每根水冷管均有两个水管接头，通过耐热软管相互连接构成冷却水的通路，在构成四边形回路一侧的两个水管接头分别为接冷却水的进水口19和出水口20。钢质管道的水冷由进水口19和出水口20形成冷却水通路，用闭合曲线25示意。
较佳的，所述的固定环23采用耐高温的水泥、陶瓷、工程塑料或其他复合材料制成，且在电磁中间包10两个通道13中均可按需要设置，固定环23的内径略大于水冷管的外径，可预先套装于水冷管外，并可沿水冷管前后自由滑动，固定环23的外径略小于通道13点内径，可沿通道13自由滑动。
较佳的，所述的高斯计探头22采用具有霍尔效应的高斯计探头。
当电磁感应线圈通工频或中频交流电时，闭合的铁芯内产生闭合磁力线，进而在闭合四边形的冷却水通路的水冷管表面形成闭合的感应电流24，感应电流24的焦耳热作用从而加热钢水，电磁感应线圈激发的工频或中频电磁场在闭合回路的铁芯中形成闭合磁力线，根据法拉第电磁感应定律可知，此时的冷却水通路的水冷管内的感应电流会在管道周围激发电磁场，通过固定于冷却水通路的水冷管上的固定环23及高斯计探头22即可精确测量冷却水通路的感应电磁场大小和分布。
本发明还提供的一种电磁中间包的磁场测量方法，包括：
在电磁中间包10的通道13内插入闭合四边形的冷却水通路，且在处于两条通道13内的第一水冷管15和第二水冷管16外侧套入可前后移动的用于固定高斯计探头22的固定环23。
当电磁中间包10的电磁感应线圈通工频或中频交流电后，会在闭合四边形的冷却水通路的表面感应出闭合的感应电流24，进而冷却水通路的感应电流激发周边电磁场，利用套装于第一水冷管15和第二水冷管16外侧的固定环23及高斯计探头22，测量电磁中间包10的感应电磁场的大小和分布。
根据毕奥-萨戈定律，钢质管道的磁场测量点尺度远小于管道长度，钢质管道的感应电力近似于无限长载流导线，因此测量点的实际磁场测量值和感应电流的对应公式可用毕奥-萨戈定律推导出来并用于电磁中间包感应电流的评估，同时考虑钢管材质和高温钢水不同的导电特性，推导出用于评估电磁中间包钢水中的感应电磁场的大小用公式
Figure GDA0003191692050000061
换算成电磁中间包通道内的钢水的感应电流大小，从而用于评估电磁中间包的电流分布和大小，公式中，Is为电磁中间包通道内钢水的感应电流，单位为A；r为高斯计探头距离钢质管道的中心距，单位为m；Bm为高斯计探头的磁感应强度测量值，单位为T；μ0为真空磁导率，取12.57*E-7T·m/A；ρs为钢水的电阻率，单位为Ω·m；ρp为钢质管道的电阻率单位为Ω·m。
进而，通过设置于冷却水通路上的高斯计探头22的数目和位置进行测量的磁场分量，利用公式
Figure GDA0003191692050000062
加和平均为电磁中间包通道内钢水的感应总电流，进而评估电磁中间包的总体加热功率，公式中I为电磁中间包通道中总的感应电流值，单位为A；n为钢质管道圆周测量点的数目或同时测量的高斯计探头数目。
所述的第一水冷管、第二水冷管、第三水冷管和第四水冷管的壁厚根据电流集肤层深度计算公式
Figure GDA0003191692050000063
确定，公式中，ρ为材料电阻率，单位为Ω·m；f为工频或中频频率，单位为Hz；μ为磁导率，μ＝μrμ0，对于工频条件下的电磁中间包，其钢水冷管的壁厚需大于电流集肤层深度的2倍以上(d/Δ，d为钢管壁厚，Δ为电流集肤层深度)，优选d/Δ为3～8，壁厚为8-20mm之间。
实施例对比表如下：
Figure GDA0003191692050000064
Figure GDA0003191692050000071
如上表对比可知：
实施例1为管道直径与实际电磁中间包一致，材质完全与钢水一致，假设测量的磁感应强度值为0.1T，则可根据
Figure GDA0003191692050000072
计算出通道感应电流约25000A。
实施例2为本发明的测量状态下，采用的测量管道直径略小于实际电磁中间包通道直径，其冷态电阻率取为0.13*E-0.6Ω﹒m，管道壁厚8mm，电流集肤深度约2.6mm，其d/Δ值为3，同样根据
Figure GDA0003191692050000073
可计算出通道感应电流，在同样测量磁感应强度0.1T条件下，测量条件下的通道感应电流略小于实际电磁中间包的通道电流，但误差不大，完全可以用于评估电磁中间包的关键功率参数。
实施例3为本发明的测量方法中，采用的管道壁厚为20mm，对应的d/Δ值为8。
实施例4为本发明的测量方法中，采用的管道壁厚为10mm，磁场测量点共4点(通过4个测量探头同时测量，或通过1个探头旋转后测量得到)，取4个测量点的磁感应强度平均值，再根据
Figure GDA0003191692050000081
计算出通道感应电流，多个测量点比单一测量更能准确反映磁场在通道圆周的不均匀特性。
综上所述，本发明磁场测量装置通过在电磁中间包的通道内设置能组装成四边形回路的空心水冷钢质管道，通过测量非浇铸状态下钢质管道周围的磁场大小和分布，并通过换算公式得出实际电磁中间包浇铸状态下的相应参数和功率，为电磁中间包的设计和评估提供测量依据。
本技术领域中的普通技术人员应当认识到，以上的实施例仅是用来说明本发明，而并非用作为对本发明的限定，只要在本发明的实质精神范围内，对以上所述实施例的变化、变型都将落在本发明的权利要求书范围内。

Claims (8)

1.一种电磁中间包的磁场测量装置，所述电磁中间包由耐材分隔为钢液冲击室和钢液浇铸室，耐材中设有用于连通钢液冲击室和钢液浇铸室的两条通道，其特征在于：所述的两条通道内分别设有第一水冷管和第二水冷管，第一水冷管和第二水冷管的两端分别通过第三水冷管和第四水冷管连通，从而形成一个闭合四边形的冷却水通路；
所述第一水冷管和第二水冷管上均套有用于固定高斯计探头的固定环；
所述冷却水通路上连通有进水口和出水口；
所述第一水冷管、第二水冷管、第三水冷管和第四水冷管之间均通过突出板相连通。
2.如权利要求1所述的一种电磁中间包的磁场测量装置，其特征在于：所述的第一水冷管和第二水冷管的外径需小于两条通道的内径。
3.如权利要求1所述的一种电磁中间包的磁场测量装置，其特征在于：所述的第一水冷管、第二水冷管、第三水冷管和第四水冷管为普通碳钢管，壁厚为5～20mm。
4.如权利要求1所述的一种电磁中间包的磁场测量装置，其特征在于：所述的固定环为耐高温的水泥、陶瓷、工程塑料或其他复合材料制成。
5.如权利要求1所述的一种电磁中间包的磁场测量装置，其特征在于：所述的高斯计探头为具有霍尔效应的高斯计探头。
6.一种用于如权利要求1-5任一项所述的电磁中间包的磁场测量装置的磁场测量方法，其特征在于，包括：
在电磁中间包的通道内插入闭合四边形的冷却水通路，且在处于两条通道内的第一水冷管和第二水冷管外侧套入可前后移动的用于固定高斯计探头的固定环；
当电磁中间包的电磁感应线圈通工频或中频交流电后，会在闭合四边形的冷却水通路的表面感应出闭合的感应电流，进而冷却水通路的感应电流激发周边电磁场，利用套装于第一水冷管和第二水冷管外侧的固定环及高斯计探头，测量电磁中间包的感应电磁场的大小和分布；
感应电磁场的大小用公式
Figure FDA0003191692040000021
换算成电磁中间包通道内的钢水的感应电流大小，从而用于评估电磁中间包的电流分布和大小，公式中，Is为电磁中间包通道内钢水的感应电流，单位为A；r为高斯计探头距离第一水冷管或第二水冷管的中心距，单位为m；Bm为高斯计探头的磁感应强度测量值，单位为T；μ0为真空磁导率，取12.57*E-7T·m/A；ρs为钢水的电阻率，单位为Ω·m；ρp为水冷管材料的电阻率单位为Ω·m；
通过设置于冷却水通路上的高斯计探头测量的磁场分量，利用公式
Figure FDA0003191692040000022
为电磁中间包通道内钢水的感应总电流，进而评估电磁中间包的总体加热功率，公式中I为电磁中间包通道中总的感应电流值，单位为A；n为钢质管道圆周测量点的数目或同时测量的高斯计探头数目。
7.如权利要求6所述的磁场测量方法，其特征在于：所述的第一水冷管、第二水冷管、第三水冷管和第四水冷管的壁厚根据电流集肤层深度计算公式
Figure FDA0003191692040000023
确定，公式中，ρ为水冷管材料的电阻率，单位为Ω·m；f为工频或中频频率，单位为Hz；μ为磁导率。
8.如权利要求6所述的磁场测量方法，其特征在于：所述的高斯计探头可通过多个高斯计探头同时测量不同圆周位置的磁场分量，或是只固定一个高斯计探头，通过固定环的旋转测量不同的磁场分量。
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