CN111780550A - 变频感应熔炼和二区搅拌电源系统 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及真空熔炼炉领域，具体公开了一种变频感应熔炼和二区搅拌电源系统，包括,与总电源连接且用于电力引入，为电路提供正负接线端的进线电路；降压后连接感应熔炼炉感应线圈的终端用电电路；设置于所述进线电路与所述终端用电电路之间用于维持电路的稳定，起到整流滤波作用的滤波电路；其中，终端用电电路的感应线圈包括两个及两个以上线圈，感应线圈绕制在电炉外，且各线圈电压相位不同。本发明的有益效果是，本发明通过改变上下感应线圈的电压相位，使熔炉上下层的钢液电磁力不再平衡，从而实现钢液整体上下翻转搅拌。
Description
技术领域
本发明涉及真空熔炼炉领域，具体是一种变频感应熔炼和二区搅拌电源系统。
背景技术
利用中频感应加热炉感应加热金属时，中频电源经交直交变频后很大的电流经感应线圈产生很强的磁场，并由此产生很强的电磁力，被融化的金属受到电磁力的作用产生强烈搅拌。
根据电流通过两导体产生的邻近效应，感应中电流与熔化金属中的感应电流方向相反，线圈与铁液之间有斥力，线圈受到外力向外推力，熔化金属则受到坩埚中心的径向作用力，产生四区搅拌的效果。
但是这种搅拌方式存在一个问题，由于是四区搅拌，上下分层，熔化金属会因其存在密度悬殊的合金产生偏析，而且搅拌不完全还是影响金属脱气，导致最终的浇铸品成分分布不均匀，影响其品质。
发明内容
本发明的目的是为了解决现有电源配置产生的搅拌方式存在成品成分不均匀的问题，而设计了一种变频感应熔炼和二区搅拌电源系统。
实现上述目的本发明的技术方案为，变频感应熔炼和二区搅拌电源系统，包括,与总电源连接且用于电力引入，为电路提供正负接线端的进线电路；降压后连接感应熔炼炉感应线圈的终端用电电路；设置于所述进线电路与所述终端用电电路之间用于维持电路的稳定，起到整流滤波作用的滤波电路；其中，终端用电电路的感应线圈包括两个及两个以上线圈，感应线圈绕制在电炉外，且各线圈电压相位不同。
所述进线电路包括两路线，分别为后续电路提供正负极，所述进线电路包括正端进线电路和负端进线电路，两者之间连接有分流器。
滤波电路的电压并不符合实际使用要求，因此，所述滤波电路经变压器降压后到达所述终端用电电路，变压器与所述感应线圈之间设置有用于切换工作档位或电压强度的切换开关，所述感应线圈均为同向绕制。
这里提供一种具体的实施例，所述感应线圈有两个，分别为上线圈和下线圈，两者的电压相位相差90度，包括上线圈比下线圈电压相位提前90度，或者上线圈比下线圈电压相位滞后90度。
其有益效果在于，本发明通过改变上下感应线圈的电压相位，使熔炉上下层的钢液电磁力不再平衡，从而实现钢液整体上下翻转搅拌。感应线圈通电后，会在熔炉中激发出电磁场，常规的通电方式，上下线圈的电压相位相同，导致上下两层钢液受到的电磁力，在同一时间是等大的，这也就导致上下两层钢液始终处于动态平衡状态，也就出现了钢液“分层”；而本发明的两感应线圈电压相位相差90度，如此，对于上下层钢液而言，在同一时刻，其受到的电磁力不同，也就会使得钢液整体受到一个向上或向下的搅拌力，从而实现熔炼炉设备整体，在不添加任何附加机构，不需要额外功耗的前提下，实现钢液整体熔炼搅拌，进而使得钢液混合更加均匀，提高了熔铸成品的品质。
附图说明
图1是本发明所述熔炼炉熔炼时钢液受到的电磁力作用示意图，
其中，1-a是钢液中单一金属粒子的受力图，
1-b是不同高度钢液的电磁力大小示意图，
1-c是熔池中钢液在电磁力作用下运动的示意图；
图2是本发明所述电源的连接框图；
图3是本发明所述电源的电路图；
图4是电炉电源改进前的熔炼方式效果示意图；
图5是电炉电源改进后的熔炼方式效果示意图；
具体实施方式
在熔炼金属或者调制合金时，为了实现成品成分的均一性，提高品质，需要对熔炉中的钢液进行翻转搅拌，本发明是通过对感应加热炉的电源进行调整，使熔炉中的溶化金属产生上下整体搅拌效果，为了是本领域技术人员能够清楚明白其原理，先对电磁力效应及其搅拌作用做以下说明：
当将一带电导体移入磁场中时，磁场对带电导体产生一种力，使它产生运动，这种力在物理上叫电磁力效应。电磁力方向服从左手定则：左手四指并拢伸直，大拇指与四指垂直伸开，手心对着磁场的反向，手掌心紧贴导体，让电流由掌心流向四指尖。这时大拇指所指的方向即为电磁力的方向，也即带电导体的运动方向。
感应炉中的熔融金属物料就是一带电导体(带感应电流)，它又置身于感应器所产生的强磁场中就构成产生电磁力效应的全部条件，因此必然会产生电磁力效应。关于这种电磁力效应及相应产生的搅拌作用，见附图1所示。
在熔融状态的金属物料中，由于受三种效应(集肤效应，邻近效应，圆环效应)的综合作用结果，感应电流集肤于外表层中，此时，可以把它近似看成是一带电圆环形导体，其感应电流方向始终与感应圈中电源电流方向相反，用左手定则判断出电磁力方向，它始终是指向坩埚轴线的，见图1-a。但由于感应圈是短线圈，两端有端部效应，感应圈两头相应的电动力变小，电磁力的分布为：两头小，中间大，见图1-b。受电磁力作用，液体金属产生运动，运动规律服从受力规律。由于中间力大，两头力小，金属首先从中部开始向坩埚轴线运动，到中心相汇后，分别向上和向下流去，后续金属液体推动，这种现象连续不断循环下去，便形成了液体金属的循环运动。在坩埚的垂直剖面内，可以看到液体金属运动所形成得4个区，如图1-c所示。很显然，只要感应器不停送电，金属物料又保持液体状态，这种运动就会永不停息。
上面说明了真空熔炼炉的作用原理，而下面将说明，那么电流从进线电路经整流滤波电路到达终端用电电路。
本发明所述感应电炉电源的最大作用就在于通过本发明可以实现电炉熔炼过程中的上下整体翻转搅拌，从而解决常规四区搅拌时发生因密度悬殊的合金产生成分偏析的问题，本发明是基于上面电磁力对钢液搅拌的原理，通过调整上下两线圈的电压相位角，使两者的相位相差90度，从而对应产生两个相差90度的电磁力，即上下线圈对应的电炉上下两段，在同一时间内溶液受到的电磁力无法抵消，从而产生一起向上或向下的推动作用，进而产生整体翻转搅拌的效果，为了使本领域技术人员能够清楚明白本发明的原理，下面将对上述内容做进一步详述：
参考附图2-5所示，常规电源设置方式为，上下线圈电压相位相同，这就导致两线圈产生的电磁力反向等大，反应到熔炉中，就会发现钢液被分为两层，处于上下搅拌的动态平衡状态，且这种状态会一直持续，也就是人们所说的两段四区搅拌方式；而本发明在常规基础上，将两线圈同向绕制，上下线圈电压相位调整为相差90度，这种调整虽然看似简单，但是对于本行业而言，在数十年的行业发展中却没有人会想到这种方式，人们总是通过外加设备或改变线圈方式来实现这种整体的搅拌(例如增加搅拌机构来改变钢液的搅拌状态)，相比于这种行业技术人员已经固化的研究改进方向，本发明则开创性的通过改变电压相位来达到整体搅拌目的，其方式虽然简单，但是相比于常规的熔炼设备，其设备体积能够明显缩小(不需要再外加其他机构)，同时能耗也会明显降低(不再需要为外加机构供电)，对于几千万一台的中型熔炼设备，其设备投入上能减少数百万的花费，这对企业乃至金属熔炼行业都具有明显的开创性意义。
上面已经说明了本发明的改进点，下面将结合附图4-5定量的分析电压改变90度所带来的的实际作用。
改进前，上线圈为交流电，其激发出来的磁场为交变磁场，该磁场对钢液产生的搅拌力也是规律的交变应力，表示为Fs i nx1；下线圈为交流电，其激发出来的磁场为交变磁场，该磁场对钢液产生的搅拌力也是规律的交变应力，表示为Fsinx2，因为两线圈电压同相位，所以x1＝x2，根据上面的搅拌力分析可知，上下线圈对应的搅拌力反向，因此，对于熔炉中的钢液整体而言，其整体受力为Fsinx1-Fsinx2＝0,也就是整体状态不变(也就是无法实现钢液整体搅拌)。
改进后，上线圈为交流电，其激发出来的磁场为交变磁场，该磁场对钢液产生的搅拌力也是规律的交变应力，表示为Fsiny1；下线圈为交流电，其激发出来的磁场为交变磁场，该磁场对钢液产生的搅拌力也是规律的交变应力，表示为Fsiny2，因为两线圈电压相位差90度，所以y1-90＝y2或者y1＝y2-90(下面默认第一种)，根据上面的搅拌力分析可知，上下线圈对应的搅拌力反向，因此，对于熔炉中的钢液整体而言，其整体受力为：
显然，上式不始终为0，且其按照正弦分布规律改变，也就是说对于钢液整体而言，其整体受力是在不断变化的，反映到熔炼炉中，钢液搅拌的效果如图5所示，即钢液整体发生了上下搅拌。如此，在这种作用下，也就实现了将钢液中不同密度的合金充分搅拌的效果。
有了改进方法，就需要对应的电路结构作为将其实现的具体方式，参照附图2-3所示，电路结构包括三部分：进线电路、终端用电电路和滤波电路，进线电路用于从总电源处将电力引入，并为电路提供正负接线端，而为了维持电路的稳定，需要在其后连接滤波电路，起到整流滤波的作用，再后面就是感应线圈所在的终端用电电路，通过变压器降压的方式接入电路中，而为了实现电路档位的切换或者电压强度的控制，在感应线圈前设置了切换开关，切换开关还可以用于在熔炼-搅拌模式之间进行切换，方便了熔炼时的不同需求。
上述技术方案仅体现了本发明技术方案的优选技术方案，本技术领域的技术人员对其中某些部分所可能做出的一些变动均体现了本发明的原理，属于本发明的保护范围之内。
Claims (4)
1.变频感应熔炼和二区搅拌电源系统，其特征在于，包括,
进线电路，与总电源连接且用于电力引入，为电路提供正负接线端；
终端用电电路，降压后连接感应熔炼炉的感应线圈；
滤波电路，设置于所述进线电路与所述终端用电电路之间用于维持电路的稳定，起到整流滤波作用；
其中，终端用电电路的感应线圈包括两个及两个以上线圈，感应线圈绕制在电炉外，且各线圈电压相位不同。
2.根据权利要求1所述的变频感应熔炼和二区搅拌电源系统，其特征在于，所述进线电路包括正端进线电路和负端进线电路，两者之间连接有分流器。
3.根据权利要求1所述的变频感应熔炼和二区搅拌电源系统，其特征在于，所述滤波电路经变压器降压后到达所述终端用电电路，变压器与所述感应线圈之间设置有用于切换工作档位或电压强度的切换开关，所述感应线圈均为同向绕制。
4.根据权利要求1所述的变频感应熔炼和二区搅拌电源系统，其特征在于，所述感应线圈有两个，分别为上线圈和下线圈，两者的电压相位相差90度，包括上线圈比下线圈电压相位提前90度，或者上线圈比下线圈电压相位滞后90度。
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