CN111715859B - 一种嵌套式线圈结晶器电磁搅拌器 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种嵌套式线圈结晶器电磁搅拌器，包括环形轭铁和多个旋转磁场生成装置，在环形轭铁内壁上呈圆周状安装有三对旋转磁场生成装置，每对中的每个旋转磁场生成装置包括第一、第二、第三旋转磁场生成装置：第一旋转磁场生成装置的铁芯位于环形轭铁中部位置，第一旋转磁场线圈缠绕在第一旋转磁场铁芯的上下左右四个侧面；第二旋转磁场生成装置的铁芯由两个分别位于第一旋转磁场铁芯的上下两侧板式铁芯组成，与第一旋转磁场铁芯保持一定距离且宽于第一旋转磁场铁芯，第二旋转磁场线圈缠绕相应铁芯的四个侧面；第三旋转磁场生成装置依次类推进行设置。本发明利用多个旋转磁场的叠加，改善铸坯生产过程中由于夹杂物等造成的缺陷，提高钢坯质量。

Description

一种嵌套式线圈结晶器电磁搅拌器

技术领域

本发明涉及钢铁连铸设备技术领域，尤其是嵌套式线圈结晶器电磁搅拌器。

背景技术

随着现代工业的高速发展，各行业对钢材品质的要求越来越高，因而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电磁场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，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，进而改善铸坯质量。

有关铸坯连铸生产的设计研究很多，但各有侧重点：设置可移动线圈，实现多区域搅拌；设置稳液器，用于稳定弯月面波动等。在大方坯连铸生产过程中，易在方坯角部产生流动死区，使铸坯产生缺陷，浸入式水口的出流速度过大会冲击铸坯初始凝固坯壳，还会阻碍非金属夹杂物的上浮，严重影响铸坯的质量。

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

本发明需要解决的技术问题是提供一种嵌套式线圈结晶器电磁搅拌器，产生叠加磁场，对结晶器内钢液进行搅拌，在保证铸坯等轴晶率以及偏析标准的前提下，改善铸坯内夹杂物的上浮环境，提高钢液的洁净度。

为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是：

一种嵌套式线圈结晶器电磁搅拌器，包括位于结晶器外部的环形轭铁，在环形轭铁内壁和结晶器外壁之间安装有多对旋转磁场生成装置，所述多对旋转磁场生成装置围绕环形轭铁中轴线呈圆周状均匀安装在环形轭铁内壁上，所述每个旋转磁场生成装置包括相互嵌套的第一旋转磁场生成装置、第二旋转磁场生成装置和第三旋转磁场生成装置。

本发明技术方案的进一步改进在于：所述第一旋转磁场生成装置的第一旋转磁场铁芯位于环形轭铁中部位置，第一旋转磁场线圈缠绕在第一旋转磁场铁芯的上下左右四个侧面；第二旋转磁场生成装置的第二旋转磁场铁芯包括两个分别位于第一旋转磁场铁芯的上下两侧的板式铁芯，两个板式铁芯与第一旋转磁场铁芯保持一定距离且宽于第一旋转磁场铁芯，第二旋转磁场线圈缠绕在第二旋转磁场铁芯的上下左右四个侧面；第三旋转磁场生成装置的第三旋转磁场铁芯包括两个分别位于第二旋转磁场铁芯的上下两侧的板式铁芯组成，两个板式铁芯与第二旋转磁场铁芯保持一定距离且宽于第二旋转磁场铁芯，第三旋转磁场线圈缠绕在第三旋转磁场铁芯的上下左右四个侧面。

本发明技术方案的进一步改进在于：所述第三旋转磁场铁芯与环形轭铁等高。

本发明技术方案的进一步改进在于：环形轭铁内壁和结晶器外壁之间安装有2对或3对旋转磁场生成装置。

本发明技术方案的进一步改进在于：环形轭铁内壁和结晶器外壁之间安装有3对旋转磁场生成装置，将3对旋转磁场生成装置接入三相交流电，在结晶器区域形成由N极到S极的磁场区域。

本发明技术方案的进一步改进在于：所述旋转磁场生成装置通入的三相交流电可改变强度和频率。

本发明技术方案的进一步改进在于：三相交流电的计算方法如下所述：

i_a＝I·n·[sin(wt)+i cos(wt)]

i_b＝I·n·[sin(wt-2π/3)+icos(wt-2π/3)]

i_c＝I·n·[sin(wt+2π/3)+icos(wt+2π/3)]

其中，i_a、i_b、i_c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，i为虚部，通过改变通入交流电的强度和频率以及嵌套线圈的个数实现对不同钢种的搅拌要求。

本发明技术方案的进一步改进在于：第一旋转磁场铁芯、第二旋转磁场铁芯和第三旋转磁场铁芯采用硅钢磁芯。

本发明技术方案的进一步改进在于：所述每个旋转磁场生成装置中的第一旋转磁场生成装置、第二旋转磁场生成装置和第三旋转磁场生成装置单独使用或组合使用。

由于采用了上述技术方案，本发明取得的技术进步是：

1、本发明采用嵌套式线圈结晶器电磁搅拌器，使得搅拌器在同等电磁参数时，本发明产生的旋转磁场更强，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交流电，单独或组合使用旋转磁场线圈，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嵌套式线圈结晶器电磁搅拌器正等视图；

图5含结晶器与钢液的嵌套式线圈结晶器电磁搅拌器正等视图；

图6嵌套式线圈结晶器电磁搅拌器的俯视图；

图7嵌套式线圈结晶器电磁搅拌器的电磁生成区域位置图；

图8常规结晶器电磁场搅拌器的俯视图；

图9A常规结晶器电磁搅拌器出口横截面磁场强度；

图9B嵌套式线圈结晶器电磁搅拌器出口横截面磁场强度；

图10A常规结晶器电磁搅拌器出口横截面电磁力；

图10B嵌套式线圈结晶器电磁搅拌器出口横截面电磁力；

其中，1、环形轭铁，2、第一旋转磁场生成装置，3、第二旋转磁场生成装置，4、第三旋转磁场生成装置，5、第一旋转磁场铁芯，6、第二旋转磁场铁芯，7、第三旋转磁场铁芯，8、第一旋转磁场线圈，9、第二旋转磁场线圈，10、第三旋转磁场线圈，11、结晶器，12、钢液，13、旋转磁场生成区。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明做进一步详细说明：

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，本申请采用嵌套式结晶器电磁搅拌器，利用旋转磁场的叠加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。

本申请提供嵌套式线圈结晶器电磁搅拌器，包括环形轭铁1和N对旋转磁场生成装置，N等于2或3。

环形轭铁1位于结晶器11外部，环形围绕在结晶器11的外壁，与结晶器11的外壁间隔有一定距离，N对旋转磁场生成装置沿结晶器11的中心轴线呈圆周状安装在环形轭铁1的内壁上。N对旋转磁场生成装置中的每个旋转磁场生成装置由第一旋转磁场生成装置2、第二旋转磁场生成装置3和第三旋转磁场生成装置4嵌套组成。第一旋转磁场生成装置2的第一旋转磁场铁芯5位于环形轭铁1的中部位置，第一旋转磁场线圈8缠绕在第一旋转磁场铁芯5的上下左右四个侧面；第二旋转磁场生成装置3的第二旋转磁场铁芯6包括两个板式铁芯，这两个铁芯分别位于第一旋转磁场铁芯5的上下两侧，并与第一旋转磁场铁芯5保持一定距离且宽于第一旋转磁场铁芯5，第二旋转磁场线圈9缠绕在第二旋转磁场铁芯6的上下左右四个侧面；第三旋转磁场生成装置4的第三旋转磁场铁芯7也包括两个板式铁芯，这两个铁芯分别位于第二旋转磁场铁芯6的上下两侧，并与第二旋转磁场铁芯6保持一定距离且宽于第二旋转磁场铁芯6，第三旋转磁场线圈10缠绕在第三旋转磁场铁芯7的上下左右四个侧面。第三旋转磁场铁芯7与环形轭铁1等高。

对旋转磁场生成装置接入三相交流电产生旋转磁场，运动的钢液12在感应磁场的作用下产生感应电磁力，强化钢液12的流动，促使钢液12温度分布均匀。三相交流电的计算方法如下所述：

i_a＝I·n·[sin(wt)+icos(wt)]

i_b＝I·n·[sin(wt-2π/3)+icos(wt-2π/3)]

i_c＝I·n·[sin(wt+2π/3)+icos(wt+2π/3)]

其中，i_a、i_b、i_c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，i为虚部，通过改变通入交流电的强度和频率以及嵌套线圈的个数实现对不同钢种的搅拌要求。

在本实施例中，N等于3，即有三对旋转磁场生成装置。对同一对旋转磁场生成装置中的第一旋转磁场生成装置2、第二旋转磁场生成装置3和第三旋转磁场生成装置4分别对应接入大小相等、方向相同的三相交流电，在结晶器11区域形成由N极到S极的磁场区域13，旋转磁场方向顺时针或逆时针，由每对旋转磁场生成装置的三相交流电的施加位置决定，运动的钢液12在感应旋转磁场的作用下产生旋转感应电磁力，强化钢液12的流动，增加等轴晶率，减少缺陷。

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，所述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360mm×300mm，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800mm，钢液高度为700mm，并反向延长400mm，共长1100mm，嵌套式线圈结晶器电磁搅拌器环形轭铁距离连铸结晶器顶端350mm，嵌套式结晶器电磁搅拌器高664mm，旋转磁场线圈宽为30mm，厚为50mm，第三旋转磁场铁芯7与环形轭铁1等高，所有铁芯均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，选择对嵌套式线圈结晶器电磁搅拌器三对旋转磁场生成装置中的第一旋转磁场生成装置和第三旋转磁场生成装置通入三相交流电，电流强度和电流频率分别为350A、1Hz；对常规结晶器电磁搅拌器相通入350A、1Hz的三相交流电。

对比嵌套式线圈结晶器电磁搅拌器和常规电磁搅拌器的电磁场分布，在两种电磁搅拌器的出口处各截取一平面，由图9A、9B可以看出，两种电磁搅拌器出口平面处的磁场分布大致相同，但嵌套式线圈结晶器电磁搅拌器在横截面处的磁场强度要远大于常规电磁搅拌器，约提高4倍，嵌套式线圈结晶器电磁搅拌器在铸坯角部有更大的磁场强度；

对比嵌套式线圈结晶器电磁搅拌器和常规电磁搅拌器的电磁力分布，在两种电磁搅拌器的出口处各截取一平面，由图10A、10B可以看出，在两种电磁搅拌器出口平面处电磁力分布也大致相同，呈对称分布，即电磁力由铸坯中心到铸坯边缘递增，在铸坯边缘处达到最大，但是嵌套式线圈结晶器电磁搅拌器在横截面处的电磁力要远大于常规电磁搅拌器，经计算约大88000N/m3，嵌套式线圈结晶器电磁搅拌器在铸坯角部产生更大的电磁力，有助于方坯角部的搅拌，减少了产生缺陷的可能。

本申请与目前连铸工业上普遍采用的电磁搅拌器相比，采用嵌套式线圈结晶器电磁搅拌器，能够在更小的电参数下，产生更大的磁场强度和电磁力，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。本申请由多个旋转磁场生成装置组成，根据不同钢种要求可以施加不同频率和强度的交流电，单独或组合使用第一旋转磁场生成装置、第二旋转磁场生成装置和三旋转磁场生成装置，以适应不同钢种的需求。

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 (8)

1.一种嵌套式线圈结晶器电磁搅拌器，其特征在于：包括位于结晶器(11)外部的环形轭铁(1)，在环形轭铁(1)内壁和结晶器(11)外壁之间安装有多对旋转磁场生成装置，所述多对旋转磁场生成装置围绕环形轭铁(1)中轴线呈圆周状均匀安装在环形轭铁(1)内壁上，所述每个旋转磁场生成装置包括相互嵌套的第一旋转磁场生成装置(2)、第二旋转磁场生成装置(3)和第三旋转磁场生成装置(4)；

所述第一旋转磁场生成装置(2)的第一旋转磁场铁芯(5)位于环形轭铁(1)中部位置，第一旋转磁场线圈(8)缠绕在第一旋转磁场铁芯(5)的上下左右四个侧面；第二旋转磁场生成装置的第二旋转磁场铁芯(6)包括两个分别位于第一旋转磁场铁芯的上下两侧的板式铁芯，两个板式铁芯与第一旋转磁场铁芯(5)保持一定距离且宽于第一旋转磁场铁芯(5)，第二旋转磁场线圈(9)缠绕在第二旋转磁场铁芯(6)的上下左右四个侧面；第三旋转磁场生成装置(4)的第三旋转磁场铁芯(7)包括两个分别位于第二旋转磁场铁芯的上下两侧的板式铁芯组成，两个板式铁芯与第二旋转磁场铁芯(6)保持一定距离且宽于第二旋转磁场铁芯，第三旋转磁场线圈(10)缠绕在第三旋转磁场铁芯(7)的上下左右四个侧面。

2.根据权利要求1所述的一种嵌套式线圈结晶器电磁搅拌器，其特征在于：所述第三旋转磁场铁芯(7)与环形轭铁(1)等高。

3.根据权利要求1所述的一种嵌套式线圈结晶器电磁搅拌器，其特征在于：环形轭铁(1)内壁和结晶器(11)外壁之间安装有2对或3对旋转磁场生成装置。

4.根据权利要求3所述的一种嵌套式线圈结晶器电磁搅拌器，其特征在于：环形轭铁(1)内壁和结晶器(11)外壁之间安装有3对旋转磁场生成装置，将3对旋转磁场生成装置接入三相交流电，在结晶器区域形成由N极到S极的磁场区域。

5.根据权利要求4所述的一种嵌套式线圈结晶器电磁搅拌器，其特征在于：所述旋转磁场生成装置通入的三相交流电可改变强度和频率。

6.根据权利要求5所述的一种嵌套式线圈结晶器电磁搅拌器，其特征在于：三相交流电的计算方法如下所述：

i_a＝I·n·[sin(wt)+icos(wt)]

i_b＝I·n·[sin(wt-2π/3)+icos(wt-2π/3)]

i_c＝I·n·[sin(wt+2π/3)+icos(wt+2π/3)]

其中，i_a、i_b、i_c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，i为虚部，通过改变通入交流电的强度和频率以及嵌套线圈的个数实现对不同钢种的搅拌要求。

7.根据权利要求1所述的一种嵌套式线圈结晶器电磁搅拌器，其特征在于：第一旋转磁场铁芯(5)、第二旋转磁场铁芯(6)和第三旋转磁场铁芯(7)采用硅钢磁芯。

8.根据权利要求1所述的一种嵌套式线圈结晶器电磁搅拌器，其特征在于：所述每个旋转磁场生成装置中的第一旋转磁场生成装置(2)、第二旋转磁场生成装置(3)和第三旋转磁场生成装置(4)单独使用或组合使用。

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