CN114309509A - 一种立式连铸时空电磁搅拌模式控制方法及其装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种立式连铸时空电磁搅拌模式控制方法及其装置，通过调节活塞杆的运动速度和升降高度可实现长程跨区域和短程螺旋电磁搅拌。装置包括铸坯、结晶器、二冷区、凝固末端、足辊、电磁搅拌器、上底座、活塞杆、升降装置、位移传感器、下底座、计算机、磁轭和线圈。电磁搅拌器高度通过安装在其下部的若干个升降装置并辅以计算机进行动态调节，通过在线圈中施加交变电流使铸坯内产生交变磁场，同时在钢液中产生感生电流，该交变磁场与感生电流相互作用产生电磁力，以此驱动钢液运动。本发明仅需一套电磁搅拌装置，可有效代替原有的组合式电磁搅拌，较好地解决了电磁搅拌装置不能实时调节的难题，其结构简单，能源消耗低。
Description
技术领域
本发明涉及一种连铸电磁搅拌模式控制方法和装置，特别涉及一种立式连铸时空电磁搅拌模式控制方法和装置，主要应用于钢铁冶金连铸技术领域。
背景技术
连铸过程中，精炼过程中产生的Al2O3和MnS等尺寸较大的夹杂物会随钢液一起进入结晶器并上浮去除，而有些尺寸较小的夹杂物则会被凝固坯壳捕捉，进而影响铸坯的表面质量。同时，在铸坯凝固过程中，由于溶质元素在固液两相区中溶解度存在差异，使铸坯在凝固过程中发生溶质析出，并在枝晶间富集，从而形成微观偏析，而此类偏析在后期加热、轧制过程中难以消除，大大影响产品的机械性能和热加工性能。
电磁搅拌作为一种控制铸坯凝固组织和改善铸坯洁净度和质量的重要手段，已广泛应用于钢铁连铸生产过程，其按照安装位置的不同可以分为结晶器电磁搅拌(M-EMS)、二冷区电磁搅拌(S-EMS)和凝固末端电磁搅拌(F-EMS)，其中结晶器电磁搅拌主要用于改善结晶器内流场、消除钢水过热度和去除夹杂物，而二冷区电磁搅拌和凝固末端电磁搅拌主要用于消除铸坯中心偏析、中心疏松和V型偏析等质量缺陷。
通常，为了生产高质量铸坯，会采用M-EMS与S-EMS或F-EMS两两组合的方式，而这些方式的电磁搅拌器安装位置相对固定，不能随钢种、拉速、浇注温度和二冷配水等连铸工艺参数的改变而变化，仅通过调节搅拌电流、频率等来满足不同连铸工艺参数变化，不能充分发挥连铸电磁搅拌的冶金效果，且上述方式采用了两套电磁搅拌装置，能源消耗量大。为此，中国专利CN104690242A和CN111283153A等均公开了动态调节电磁搅拌位置的装置，滑动小车或滑轨来改变搅拌器的相对位置，这些装置和方法大大提高了电磁搅拌器的鲁棒性，但上述搅拌器仅针对凝固末端电磁搅拌，无法实现从结晶器到凝固末端的长程动态调节过程。同时，为加强铸坯轴向和周向上的溶质和热交换，增加等轴晶率，减少中心偏析，常采用螺旋搅拌的方式，中国专利CN87104014A和CN107116191B均公开了螺旋电磁搅拌的装置，在旋转磁场设备上下堆叠周向线圈，以此实现螺旋搅拌，但上述方法增加了制造成本且能源消耗大。因此，如何基于上述问题思考，针对大圆坯立式连铸或者大断面矩形坯立式连铸，实现立式连铸时空电磁搅拌模式控制，成为急需解决的技术问题。
发明内容
本发明的目的在于提供一种立式连铸时空电磁搅拌模式控制方法及其装置，本发明既能实现搅拌器从结晶器到凝固末端的长程动态调节过程，又具有螺旋搅拌功能的电磁搅拌模式控制方法；本发明还提供该方法所用的装置。
为达到上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种立式连铸时空电磁搅拌模式控制方法，包括长程跨区域电磁搅拌和短程螺旋电磁搅拌两种调节模式；
对于长程跨区域电磁搅拌，包括以下步骤：
步骤1：建立铸坯凝固传热数学模型，计算不同连铸工艺参数下铸坯内温度场、固液相分数和凝固坯壳变化行为数据；
在步骤1中，所述连铸工艺参数主要包括钢种、拉速、结晶器冷却水量和二冷比水量；
步骤2：通过计算机输出信号，调节活塞杆，使电磁搅拌器到达凝固末端、二冷区和结晶器中的任一对应位置；
在步骤2中，所述凝固末端搅拌位置通过凝固传热计算模型获得；
步骤3：当电磁搅拌器到达指定位置后，在线圈中施加交变电流，使铸坯内产生交变磁场，同时在钢液中产生感生电流，该交变磁场与感生电流相互作用产生电磁力，用于驱动钢液运动；
步骤4：当对应区域的电磁搅拌趋于稳定后，继续调节活塞杆，使电磁搅拌器以设定运动速度v运动至搅拌区域以外的其他区域搅拌，进行长程跨区域电磁搅拌；
在步骤4中，所述电磁搅拌器的运动速度v为铸坯拉速的2～10倍；
对于短程螺旋电磁搅拌，包括以下步骤：
步骤a：建立铸坯凝固传热数学模型，计算不同连铸工艺参数下铸坯内温度场、固液相分数和凝固坯壳变化行为数据；
在步骤a中，所述连铸工艺参数主要包括钢种、拉速、结晶器冷却水量和二冷比水量；
步骤b：通过计算机预先调节活塞杆，使磁轭下沿与搅拌区域底部齐平；
在步骤b中，所述搅拌区域包括结晶器或二冷区或凝固末端；
步骤c：当电磁搅拌器到达指定位置后，在线圈中施加交变电流使铸坯内产生交变磁场，同时在钢液中产生感生电流，该交变磁场与感生电流相互作用产生电磁力，用于驱动钢液运动；
步骤d：当对应区域的电磁搅拌趋于稳定后，调节活塞杆，使电磁搅拌器在搅拌区域以设定运动速度v’运动，在电磁搅拌器运动过程中，考虑到未凝固液相穴钢水在不同高度方向依次受到旋转电磁力作用，在拉坯方向上坯壳厚度不同，搅拌区域电磁力大小不一致，使得在拉坯方向上存在电磁力梯度，实现螺旋电磁搅拌；
所述电磁搅拌器的运动速度v’不大于铸坯拉速。
优选地，铸坯拉速为0.1～2m/min。
一种实施本发明立式连铸时空电磁搅拌模式控制方法的立式连铸时空电磁搅拌装置，包括铸坯、结晶器、二冷区、凝固末端、足辊、电磁搅拌器、上底座、活塞杆、升降装置、位移传感器、下底座、计算机、磁轭和线圈；磁轭和线圈组成电磁搅拌器的主要部分；
所述电磁搅拌器固定安装在圆环形上底座上，上底座与若干个升降装置的活塞杆相连接，升降装置通过圆环形下底座与水泥基体固定；
所述升降装置内均带有位移传感器，用于检测和调节电磁搅拌器的高度；
所述计算机与位移传感器连接，用于同时动态地调节活塞杆的伸出或收缩长度，使电磁搅拌器到达凝固末端、二冷区和结晶器中的任一对应位置，在线圈中施加交变电流，使铸坯内产生交变磁场，同时在钢液中产生感生电流，该交变磁场与感生电流相互作用产生电磁力，驱动钢液运动。
优选地，升降装置采用气缸、液压缸、伺服缸或者丝杠机械系统。
优选地，升降装置的数量为1～12个。
优选地，升降装置的运动速度为0.1～3m/min，活塞杆升降高度为0.01～10m。
优选地，电磁搅拌器频率为1～10Hz。
优选地，铸坯拉速为0.1～2m/min。进一步优选所述铸坯拉速为0.1～0.5m/min。
优选地，铸坯为Φ300～Φ1600mm的大圆坯立式连铸或者大断面矩形坯。
本发明与现有技术相比较，具有如下显而易见的突出实质性特点和显著优点：
1.本发明装置可代替原有的组合式电磁搅拌，减少搅拌器的数量，达到节约能源的目的；
2.本发明可以实现搅拌器从结晶器到凝固末端的动态位置调节，可以实现多功能，多区域电磁搅拌；
3.本发明通过调节升降系统来调节搅拌器的运动，配合拉坯过程可实现利用一台搅拌器实现螺旋电磁搅拌的效果。
附图说明
图1为本发明优选实施例立式连铸时空电磁搅拌模式控制方法流程图。
图2为本发明优选实施例立式连铸时空电磁搅拌装置三维结构示意图。
图3为本发明优选实施例立式连铸凝固末端电磁搅拌示意图。
图4为本发明优选实施例时空电磁搅拌作用下流体速度流线图。
图5为本发明优选实施例立式连铸结晶器电磁搅拌示意图。
图中：1-铸坯，2-结晶器，3-二冷区，4-凝固末端，5-足辊，6-电磁搅拌装置，7-上底座，8-活塞杆，9-升降系统，10-位移传感器，11-下底座，12-计算机，13-磁轭，14-线圈。
具体实施方式
以下结合附图和具体实施例对上述方案做进一步说明，本发明的优选实施例详述如下：
参见图1，一种立式连铸时空电磁搅拌模式控制方法，包括长程跨区域电磁搅拌和短程螺旋电磁搅拌两种调节模式，其特征在于：
对于长程跨区域电磁搅拌，包括以下步骤：
步骤1：建立铸坯1凝固传热数学模型，计算不同连铸工艺参数下铸坯1内温度场、固液相分数和凝固坯壳变化行为数据；
在步骤1中，所述连铸工艺参数主要包括钢种、拉速、结晶器冷却水量和二冷比水量；
步骤2：通过计算机12输出信号，调节活塞杆8，使电磁搅拌器6到达凝固末端4)、二冷区3和结晶器2中的任一对应位置；
在步骤2中，所述凝固末端4搅拌位置通过凝固传热计算模型获得；
步骤3：当电磁搅拌器6到达指定位置后，在线圈14中施加交变电流，使铸坯1内产生交变磁场，同时在钢液中产生感生电流，该交变磁场与感生电流相互作用产生电磁力，用于驱动钢液运动；
步骤4：当对应区域的电磁搅拌趋于稳定后，继续调节活塞杆8，使电磁搅拌器6以设定运动速度v运动至搅拌区域以外的其他区域搅拌，进行长程跨区域电磁搅拌；
在步骤4中，所述电磁搅拌器6的运动速度v为铸坯拉速的2～10倍；
对于短程螺旋电磁搅拌，包括以下步骤：
步骤a：建立铸坯1凝固传热数学模型，计算不同连铸工艺参数下铸坯1内温度场、固液相分数和凝固坯壳变化行为数据；
在步骤a中，所述连铸工艺参数主要包括钢种、拉速、结晶器冷却水量和二冷比水量；
步骤b：通过计算机12预先调节活塞杆8，使磁轭13下沿与搅拌区域底部齐平；
在步骤b中，所述搅拌区域包括结晶器或二冷区或凝固末端；
步骤c：当电磁搅拌器6到达指定位置后，在线圈14中施加交变电流使铸坯1内产生交变磁场，同时在钢液中产生感生电流，该交变磁场与感生电流相互作用产生电磁力，用于驱动钢液运动；
步骤d：当对应区域的电磁搅拌趋于稳定后，调节活塞杆8，使电磁搅拌器6在搅拌区域以设定运动速度v’运动，在电磁搅拌器运动过程中，考虑到未凝固液相穴钢水在不同高度方向依次受到旋转电磁力作用，在拉坯方向上坯壳厚度不同，搅拌区域电磁力大小不一致，使得在拉坯方向上存在电磁力梯度，实现螺旋电磁搅拌；
所述电磁搅拌器6的运动速度v’不大于铸坯拉速。
一种实施本发明立式连铸时空电磁搅拌模式控制方法的立式连铸时空电磁搅拌装置，包括铸坯1、结晶器2、二冷区3、凝固末端4、足辊5、电磁搅拌器6、上底座7、活塞杆8、升降装置9、位移传感器10、下底座11、计算机12、磁轭13和线圈14；磁轭13和线圈14组成电磁搅拌器6的主要部分；
所述电磁搅拌器6固定安装在圆环形上底座7上，上底座7与若干个升降装置9的活塞杆8相连接，升降装置9通过圆环形下底座11与水泥基体固定；
所述升降装置9内均带有位移传感器10，用于检测和调节电磁搅拌器6的高度；
所述计算机12与位移传感器10连接，用于同时动态地调节活塞杆8的伸出或收缩长度，使电磁搅拌器6到达凝固末端4、二冷区3和结晶器2中的任一对应位置，在线圈14中施加交变电流，使铸坯1内产生交变磁场，同时在钢液中产生感生电流，该交变磁场与感生电流相互作用产生电磁力，驱动钢液运动。升降装置的数量为1～12个，其运动速度为0.1～2m/min，活塞杆升降高度为0.01～10m，铸坯为Φ300～Φ1600mm的大圆坯，电磁搅拌器频率为1～10Hz。参见图5。
实施例一
本实施例中，参见图1和图4所示，铸坯1尺寸为Φ1200mm的大圆坯，拉速为0.1m/min，电磁搅拌器6固定安装在圆环形上底座7上，采用螺栓固定，上底座11与8个伺服缸相连接，伺服缸通过圆环形下底座11与水泥基体固定，每个伺服缸内均带有位移传感器10，计算机12与位移传感器10连接，以此动态地调节活塞杆8的伸出长度；为实现长程跨区域电磁搅拌，具体步骤如下：
步骤1：建立基于现场工况下的大圆坯凝固传热数学模型，得到铸坯1内温度场、固液相分数和凝固坯壳变化行为数据；
步骤2：通过计算机12输出信号调节活塞杆8，使电磁搅拌器6到达液相率为20％的凝固末端作为初始搅拌位置；
步骤3：当电磁搅拌器6到达初始搅拌位置后，在线圈14中施加8000安匝，频率为2Hz的三相交流电，使铸坯1内产生交变磁场，同时产生感生电流，该交变磁场与感生电流相互作用产生电磁力，进而驱动钢液旋转运动；
步骤4：当该区域搅拌趋于稳定后，继续调节活塞杆8，使搅拌器以1m/min的速度运动至结晶器区域，驱动结晶器区域钢液流动，从而实现长程跨区域电磁搅拌。
本实施例实现从凝固末端到结晶器的跨区域电磁搅拌立式连铸时空电磁搅拌器，其结构简单，易于操作，能源消耗低。
实施例二
本实施例中，参见图1-3所示，铸坯尺寸为Φ1200mm的大圆坯，拉速为0.1m/min，电磁搅拌器6固定安装在圆环形上底座7上，采用螺栓固定，上底座7与8个伺服缸相连接，伺服缸通过圆环形下底座11与水泥基体固定，每个伺服缸内均带有位移传感器10，计算机12与位移传感器10连接，以此动态地调节活塞杆8的伸出长度。为实现凝固末端螺旋电磁搅拌，具体步骤如下：
步骤1：建立基于现场工况下的大圆坯凝固传热数学模型，得到铸坯1内温度场、固液相分数和凝固坯壳变化行为数据；
步骤2：通过计算机12输出信号预先调节活塞杆8，使电磁搅拌器6到达液相率为20％的凝固末端作为初始搅拌位置；
步骤3：当电磁搅拌器6到达初始搅拌位置后，在线圈14中施加8000安匝，频率为2Hz的三相交流电，使铸坯1内产生交变磁场，同时产生感生电流，该交变磁场与感生电流相互作用产生电磁力，进而驱动钢液旋转运动；
步骤4：当该区域搅拌趋于稳定后，继续调节活塞杆8，使电磁搅拌器6以0.05m/min的速度运动2m，由于在电磁搅拌器6运动过程中，未凝固液相穴钢水在不同高度方向依次受到旋转电磁力作用，也由于在拉坯方向上坯壳厚度不同，搅拌区域电磁力大小不一致，使得在拉坯方向上存在电磁力梯度，由此实现螺旋电磁搅拌。电磁搅拌器6在匀速上升过程中钢液运动流线如图3所示，由图可知，在电磁搅拌器6上升过程中，钢液呈现螺旋上升的趋势。
本实施例能产生螺旋搅拌的立式连铸时空电磁搅拌器，其结构简单，能源消耗低。
综上所述，上述实施例立式连铸时空电磁搅拌模式控制方法和装置，通过调节活塞杆的运动速度和升降高度可实现长程跨区域和短程螺旋电磁搅拌。装置包括铸坯、结晶器、二冷区、凝固末端、足辊、电磁搅拌器、上底座、活塞杆、升降装置、位移传感器、下底座、计算机、磁轭和线圈。电磁搅拌器高度通过安装在其下部的若干个升降装置并辅以计算机进行动态调节，通过在线圈中施加交变电流使铸坯内产生交变磁场，同时在钢液中产生感生电流，该交变磁场与感生电流相互作用产生电磁力，以此驱动钢液运动。本发明上述实施例仅需一套电磁搅拌装置，可有效代替原有的组合式电磁搅拌，较好地解决了电磁搅拌装置不能实时调节的难题，其结构简单，能源消耗低。
上面对本发明实施例结合附图进行了说明，但本发明不限于上述实施例，还可以根据本发明的发明创造的目的做出多种变化，凡依据本发明技术方案的精神实质和原理下做的改变、修饰、替代、组合或简化，均应为等效的置换方式，只要符合本发明的发明目的，只要不背离本发明立式连铸时空电磁搅拌模式控制方法和装置的技术原理和发明构思，都属于本发明的保护范围。
Claims (9)
1.一种立式连铸时空电磁搅拌模式控制方法，包括长程跨区域电磁搅拌和短程螺旋电磁搅拌两种调节模式，其特征在于：
对于长程跨区域电磁搅拌，包括以下步骤：
步骤1：建立铸坯(1)凝固传热数学模型，计算不同连铸工艺参数下铸坯(1)内温度场、固液相分数和凝固坯壳变化行为数据；
在步骤1中，所述连铸工艺参数主要包括钢种、拉速、结晶器冷却水量和二冷比水量；
步骤2：通过计算机(12)输出信号，调节活塞杆(8)，使电磁搅拌器(6)到达凝固末端(4)、二冷区(3)和结晶器(2)中的任一对应位置；
在步骤2中，所述凝固末端(4)搅拌位置通过凝固传热计算模型获得；
步骤3：当电磁搅拌器(6)到达指定位置后，在线圈(14)中施加交变电流，使铸坯(1)内产生交变磁场，同时在钢液中产生感生电流，该交变磁场与感生电流相互作用产生电磁力，用于驱动钢液运动；
步骤4：当对应区域的电磁搅拌趋于稳定后，继续调节活塞杆(8)，使电磁搅拌器(6)以设定运动速度v运动至搅拌区域以外的其他区域搅拌，进行长程跨区域电磁搅拌；
在步骤4中，所述电磁搅拌器(6)的运动速度v为铸坯拉速的2～10倍；
对于短程螺旋电磁搅拌，包括以下步骤：
步骤a：建立铸坯(1)凝固传热数学模型，计算不同连铸工艺参数下铸坯(1)内温度场、固液相分数和凝固坯壳变化行为数据；
在步骤a中，所述连铸工艺参数主要包括钢种、拉速、结晶器冷却水量和二冷比水量；
步骤b：通过计算机(12)预先调节活塞杆(8)，使磁轭(13)下沿与搅拌区域底部齐平；
在步骤b中，所述搅拌区域包括结晶器或二冷区或凝固末端；
步骤c：当电磁搅拌器(6)到达指定位置后，在线圈(14)中施加交变电流使铸坯(1)内产生交变磁场，同时在钢液中产生感生电流，该交变磁场与感生电流相互作用产生电磁力，用于驱动钢液运动；
步骤d：当对应区域的电磁搅拌趋于稳定后，调节活塞杆(8)，使电磁搅拌器(6)在搅拌区域以设定运动速度v’运动，在电磁搅拌器运动过程中，考虑到未凝固液相穴钢水在不同高度方向依次受到旋转电磁力作用，在拉坯方向上坯壳厚度不同，搅拌区域电磁力大小不一致，使得在拉坯方向上存在电磁力梯度，实现螺旋电磁搅拌；
所述电磁搅拌器(6)的运动速度v’不大于铸坯拉速。
2.根据权利要求1所述立式连铸时空电磁搅拌模式控制方法，其特征在于：铸坯拉速为0.1～2m/min。
3.一种实施权利要求1所述立式连铸时空电磁搅拌模式控制方法的立式连铸时空电磁搅拌装置，其特征在于：包括铸坯(1)、结晶器(2)、二冷区(3)、凝固末端(4)、足辊(5)、电磁搅拌器(6)、上底座(7)、活塞杆(8)、升降装置(9)、位移传感器(10)、下底座(11)、计算机(12)、磁轭(13)和线圈(14)；磁轭(13)和线圈(14)组成电磁搅拌器(6)的主要部分；
所述电磁搅拌器(6)固定安装在圆环形上底座(7)上，上底座(7)与若干个升降装置(9)的活塞杆(8)相连接，升降装置(9)通过圆环形下底座(11)与水泥基体固定；
所述升降装置(9)内均带有位移传感器(10)，用于检测和调节电磁搅拌器(6)的高度；
所述计算机(12)与位移传感器(10)连接，用于同时动态地调节活塞杆(8)的伸出或收缩长度，使电磁搅拌器(6)到达凝固末端(4)、二冷区(3)和结晶器(2)中的任一对应位置，在线圈(14)中施加交变电流，使铸坯(1)内产生交变磁场，同时在钢液中产生感生电流，该交变磁场与感生电流相互作用产生电磁力，驱动钢液运动。
4.根据权利要求3所述立式连铸时空电磁搅拌装置，其特征在于：升降装置(9)采用气缸、液压缸、伺服缸或者丝杠机械系统。
5.根据权利要求3所述立式连铸时空电磁搅拌装置，其特征在于：升降装置(9)的数量为1～12个。
6.根据权利要求3所述立式连铸时空电磁搅拌装置，其特征在于：升降装置(9)的运动速度为0.1～3m/min，活塞杆(8)升降高度为0.01～10m。
7.根据权利要求3所述立式连铸时空电磁搅拌装置，其特征在于：电磁搅拌器(6)频率为1～10Hz。
8.根据权利要求3所述立式连铸时空电磁搅拌装置，其特征在于：铸坯(1)拉速为0.1～2m/min。
9.根据权利要求3所述立式连铸时空电磁搅拌装置，其特征在于：所述铸坯(1)为Φ300～Φ1600mm的大圆坯立式连铸或者大断面矩形坯。
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