CN109967708B - 一种斜极式结晶器电磁搅拌器 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种斜极式结晶器电磁搅拌器，其包括环形轭铁以及磁场生成装置。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六个旋转磁场生成装置；每个旋转磁场生成装置由一个偏斜铁芯和一个旋转磁场线圈组成，旋转磁场线圈以平行于钢液流动的方向缠绕在偏斜铁芯上。本发明对旋转磁场生成装置通入三相交流电产生旋转磁场，在电磁力作用下使得钢液成分在结晶器中分布更均匀，减小温度梯度，降低铸坯偏析，改善铸坯质量。

Description

一种斜极式结晶器电磁搅拌器

技术领域

本发明属于钢铁连铸设备技术领域，具体地涉及一种斜极式结晶器电磁搅拌器。

背景技术

随着现代工业的高速发展，各行业对钢材的品质要求越来越高，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，该过程打破了铸坯凝固前沿的树状晶枝，促进了等轴晶的形成，减少了中心偏析、缩孔等缺陷，促进夹杂物的上浮，进而改善铸坯质量。

有关连铸坯生产的设计研究有很多，但各有侧重点：设置可移动线圈，实现多区域搅拌；采用复合磁场，实现螺旋搅拌等。在大方坯连铸生产过程中，易在方坯角部产生流动死区，造成铸坯缺陷，浸入式水口的出流速度过大会冲击铸坯初始凝固坯壳，还会阻碍夹杂物的上浮，严重影响连铸坯的质量。

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

采用斜极式结晶器电磁搅拌器，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，提高钢液的洁净度。

为了保证铸坯等轴晶率和较轻的偏析程度同时改善方坯角部的缺陷，得到高质量的钢坯，更好的突出结晶器电磁搅拌器的效果，本申请提出了一种斜极式结晶器电磁搅拌器，利用更大范围的旋转磁场得到更好的搅拌钢液。

具体地，本发明提供一种斜极式结晶器电磁搅拌器，其包括环形轭铁以及N个旋转磁场生成装置，其中，N等于4或6；

所述环形轭铁设置在结晶器外部，所述环形轭铁与所述结晶器之间具有间隙，在环形轭铁内壁和结晶器外壁之间安装有所述N个旋转磁场生成装置，所述N个旋转磁场生成装置沿所述结晶器的中心轴线呈圆周状均匀安装在环形轭铁的内壁上；

所述旋转磁场生成装置两两相对的分成两组或三组，每组相对的两个旋转磁场生成装置通入大小相等并且方向相同的三相交流电，

旋转磁场生成装置包括偏斜铁芯和旋转磁场线圈，所述偏斜铁芯为六面体结构，所述偏斜铁芯倾斜设置在所述环形轭铁的内壁上，所述偏斜铁芯的正面与结晶器相对，偏斜铁芯的背面安装在环形轭铁的内壁上，所述偏斜铁芯的高度与所述环形轭铁的高度相等，所述旋转磁场线圈环绕安装在偏斜铁芯的侧面、顶部和底部，旋转磁场线圈在所述偏斜铁芯上的缠绕方向平行于钢液流动方向。

优选的，所述偏斜铁芯为硅钢片磁芯。

优选的，所述磁场生成装置设置为6个，N等于6，6个旋转磁场生成装置分为三组，每组的两个旋转磁场生成装置通入大小相等、方向相同的三相交流电，在结晶器区域形成由N极到S极的磁场区域。

优选的，所述磁场的旋转方向由每组旋转磁场生成装置的三相交流电的施加位置确定。

优选的，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，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。

优选地，所述偏斜铁芯的倾斜角度为15°。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

1、本发明采用偏斜式的铁芯结构，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为本发明的剖面主视图；

图2为本发明的剖面左视图；

图3为本发明的剖面俯视图；

图4为不含结晶器与钢液的斜极式结晶器电磁搅拌器正视图；

图5为含结晶器与钢液的斜极式结晶器电磁搅拌器正视图；

图6为斜极式结晶器电磁搅拌器的俯视图；

图7为斜极式结晶器电磁搅拌器的电磁生成区域位置图；

图8为常规结晶器电磁搅拌器的俯视图；

图9A为常规结晶器电磁搅拌器中心横截面磁场强度；

图9B为斜极式结晶器电磁搅拌器中心横截面磁场强度；

图9C为两种结晶器电磁搅拌器中心横截面磁场强度比较；

图10A为常规结晶器电磁搅拌器出口横截面磁场强度；

图10B为斜极式结晶器电磁搅拌器出口横截面磁场强度；

图10C为两种结晶器电磁搅拌器出口横截面磁场强度比较；

图11A为常规结晶器电磁搅拌器中心横截面y方向电磁力分量(Fy)；

图11B为斜极式结晶器电磁搅拌器中心横截面y方向电磁力分量(Fy)；

图11C为两种结晶器电磁搅拌器中心横截面y方向电磁力比较(Fy)；

图12A为常规结晶器电磁搅拌器出口横截面y方向电磁力分量(Fy)；

图12B为斜极式结晶器电磁搅拌器出口横截面y方向电磁力分量(Fy)；以及

图12C为两种结晶器电磁搅拌器出口横截面y方向电磁力比较(Fy)。

附图标记说明：1-环形轭铁，2-旋转磁场生成装置，3-偏斜铁芯，4-旋转磁场线圈，5-结晶器，6-钢液，7-旋转磁场区域。

具体实施方式

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，本申请采用斜极式电磁搅拌器，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。

本申请提供斜极式结晶器电磁搅拌器，包括环形轭铁1以及N个旋转磁场生成装置2，N等于4或6。

环形轭铁1位于结晶器5外部，环形围绕在结晶器5的外壁，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5的中心轴线呈圆周状安装在环形轭铁1内壁上。每个旋转磁场生成装置2包括偏斜铁芯3和旋转磁场线圈4，偏斜铁芯3为斜六面体结构，偏斜铁芯3的正面面向结晶器5，偏斜铁芯3的背面安装在环形轭铁1的内壁，偏斜铁芯3和环形轭铁1等高，旋转磁场线圈4以平行于钢液流动的方向缠绕在偏斜铁芯3的侧面、顶部和底部。

在本实施例中，N等于6，即设置有六个旋转磁场生成装置2。

环形轭铁1位于结晶器5外部，环形围绕在结晶器5的外壁，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5的中心轴线呈圆周状安装在环形轭铁1内壁上。

每个旋转磁场生成装置2包括偏斜铁芯3和旋转磁场线圈4，偏斜铁芯3为斜六面体结构，偏斜铁芯3的正面面向结晶器5，偏斜铁芯3的背面安装在环形轭铁1的内壁，偏斜铁芯3和环形轭铁1等高，旋转磁场线圈4以平行于钢液流动的方向缠绕在偏斜铁芯3的侧面、顶部和底部。

对旋转磁场线圈4通入三相交流电产生旋转磁场，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6的流动，促使钢液6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。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。

优选地，偏斜铁芯的倾斜角度为15°

本实施例中，N等于6，将六个旋转磁场生成装置2分成三组，每相对的两个旋转磁场生成装置2为一组，给每组旋转磁场生成装置2通入大小相等、方向相同的三相交流电，在结晶器5区域形成由N极到S极的磁场区域，通入三相交流电后每组旋转磁场生成装置2相互作用产生旋转磁场区域7，磁场旋转方向顺时针或逆时针，由每组旋转磁场生成装置2的三相交流电的施加位置决定，运动的钢液6在感应旋转磁场的作用下产生旋转感应电磁力，强化钢液6流动，增加等轴晶率，减少偏析。

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施例，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，斜极式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40mm，偏斜铁芯3与环形轭铁1等高，偏斜铁芯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，斜极式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，即通入500A、3Hz的三相交流电。

对比斜极式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中心处和出口处各截取一平面，由图9A、9B、9C和图10A、10B、10C可以看出，对两种搅拌器施加相同的电流强度及频率后，两种电磁搅拌器中心和出口平面处的磁场分布基本相同，都呈“两头大，中间小”的状态，即磁场强度由铸坯边缘到铸坯中心递减，虽然斜极式电磁搅拌器在中心横截面处的磁场强度要略低于常规电磁搅拌器，但是在出口横截面的边缘处要比常规电磁搅拌器高，约高0.0015T；

对比斜极式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中心处和出口处各截取一平面，由图11A、11B、11C和图12A、12B、12C可以看出，对两种搅拌器施加相同的电流强度及频率后，在两种电磁搅拌器中心和出口平面处y方向电磁力分量(Fy)分布也基本相同，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，且电磁力大小相等，方向相反，由上述所知，虽然斜极式电磁搅拌器在中心横截面处的磁场强度要略低于常规电磁搅拌器，但是两截面处的电磁力大小几乎相同。

本申请与目前连铸工业上普遍采用的电磁搅拌器相比，采用偏斜式的铁芯结构，能够在较小的磁场强度下达到常规电磁搅拌器的搅拌效果，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。

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 (5)

1.一种斜极式结晶器电磁搅拌器，其特征在于：其包括环形轭铁以及N个旋转磁场生成装置，其中，N等于4或6；

所述环形轭铁设置在结晶器外部，所述环形轭铁与所述结晶器之间具有间隙，在环形轭铁内壁和结晶器外壁之间安装有所述N个旋转磁场生成装置，所述N个旋转磁场生成装置沿所述结晶器的中心轴线呈圆周状均匀安装在环形轭铁的内壁上；

所述旋转磁场生成装置两两相对的分成两组或三组，每组相对的两个旋转磁场生成装置通入大小相等并且方向相同的三相交流电，

旋转磁场生成装置包括偏斜铁芯和旋转磁场线圈，所述偏斜铁芯为六面体结构，所述偏斜铁芯均沿同一方向倾斜设置在所述环形轭铁的内壁上，所述偏斜铁芯的正面与结晶器相对，偏斜铁芯的背面安装在环形轭铁的内壁上，所述偏斜铁芯的高度与所述环形轭铁的高度相等，所述旋转磁场线圈环绕安装在偏斜铁芯的侧面、顶部和底部，旋转磁场线圈在所述偏斜铁芯上的缠绕方向平行于钢液流动方向。

2.根据权利要求1所述的斜极式结晶器电磁搅拌器，其特征在于：所述偏斜铁芯为硅钢片磁芯。

3.根据权利要求1所述的斜极式结晶器电磁搅拌器，其特征在于：当N等于6时，6个旋转磁场生成装置分为三组，每组的两个旋转磁场生成装置通入大小相等且方向相同的三相交流电，相位差为60°，在结晶器区域形成由N极到S极的磁场区域；

当N等于4时，4个旋转磁场生成装置分为两组，每组的两个旋转磁场生成装置通入大小相等且方向相同的三相交流电，相位差为90°，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所述的斜极式结晶器电磁搅拌器，其特征在于：所述磁场的旋转方向由每组旋转磁场生成装置的三相交流电的施加位置确定，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。

5.根据权利要求3所述的斜极式结晶器电磁搅拌器，其特征在于：所述偏斜铁芯的倾斜角度为15°。

Images