CN109909467B - 分层式线圈结晶器电磁搅拌器 - Google Patents

Abstract

本申请提供一种分层式线圈结晶器电磁搅拌器，包括：环形轭铁、M个内层旋转磁场生成装置和M个外层旋转磁场生成装置；环形轭铁环形围绕结晶器的外壁，在环形轭铁内壁和结晶器外壁之间安装有M个内层旋转磁场生成装置和M个外层旋转磁场生成装置；在环形轭铁内壁和结晶器外壁之间有3M个旋转磁场铁芯，由内层旋转磁场生成装置和外层旋转磁场生成装置共同使用，每个内层旋转磁场生成装置包括一个内层旋转磁场线圈和一组内层旋转磁场铁芯，每个外层旋转磁场生成装置包括一个外层旋转磁场线圈和一组外层旋转磁场铁芯。本发明强化了结晶器内部流动，使得钢液成分在结晶器中分布更均匀，降低铸坯中夹杂物的含量，提高铸坯质量。

Description

分层式线圈结晶器电磁搅拌器

技术领域

本发明属于钢铁连铸设备技术领域，具体地涉及一种分层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，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，方坯角部存在流动死区，容易产生缺陷，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

采用分层式线圈结晶器电磁搅拌器，线圈层数至少两层，以达到理想的搅拌效果，利用两层线圈产生的磁场与钢相互作用产生旋转电磁力，共同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，本申请提出了一种分层式线圈结晶器电磁搅拌器，利用叠加的旋转磁场更好的搅拌钢液，得到高质量钢坯，其具体结构包括：环形轭铁、M个内层旋转磁场生成装置和M个外层旋转磁场生成装置，其中M为3的正整数倍数，M的具体取值可根据实际生产需要进行选择；所述环形轭铁位于结晶器外部，环形围绕结晶器的外壁并与结晶器的外壁之间存在间隔距离，在所述环形轭铁内壁和结晶器外壁之间以圆周状安装有M个所述内层旋转磁场生成装置和M个所述外层旋转磁场生成装置；在所述环形轭铁内壁和结晶器外壁之间有3M个旋转磁场铁芯，均匀分布在所述环形轭铁内壁和结晶器外壁之间，每个所述旋转磁场铁芯都为长方体结构，所述旋转磁场铁芯和所述环形轭铁等高,所述旋转磁场铁芯的正面面向结晶器，所述旋转磁场铁芯的正面与结晶器外壁之间存在间隔，所述旋转磁场铁芯的背面安装在所述环形轭铁的内壁上；3M个所述旋转磁场铁芯由所述内层旋转磁场生成装置和所述外层旋转磁场生成装置共同使用，将3M个所述旋转磁场铁芯按长度方向定义为两层，靠近所述环形轭铁内壁的3M个所述旋转磁场铁芯部分，每三个相邻的分为一组，共三组，称为内层旋转磁场铁芯；将靠近结晶器外壁的3M个所述旋转磁场铁芯部分，每三个相邻的分为一组，共三组，称为外层旋转磁场铁芯，每组所述内层旋转磁场铁芯和所述外层旋转磁场铁芯不能完全相同；每个所述内层旋转磁场生成装置包括一个内层旋转磁场线圈和一组内层旋转磁场铁芯，所述内层旋转磁场线圈以平行于连铸结晶器内钢液流动的方向跨绕在所述内层旋转磁场铁芯所包括的三个旋转磁场铁芯的侧面、顶部和底部；每个所述外层旋转磁场生成装置包括一个外层旋转磁场线圈和一组外层旋转磁场铁芯，所述外层旋转磁场线圈以平行于连铸结晶器外钢液流动的方向跨绕在外层旋转磁场铁芯所包括的三个旋转磁场铁芯的侧面、顶部和底部。

优选的，所述内层旋转磁场线圈和所述环形轭铁内壁之间存在间隔，所述内层旋转磁场线圈和所述外层旋转磁场线圈之间也存在间隔。

优选的，每个所述旋转磁场铁芯均采用硅钢磁芯，由硅钢片叠制而成。

优选的，M等于3，所述内层旋转磁场生成装置和所述外层旋转磁场生成装置都通入三相交流电，在结晶器区域形成由N极到S极的磁场区域。

优选的，所述通入的三相交流电的电流强度和频率是可变的。

优选的，所述内层旋转磁场线圈和所述外层旋转磁场线圈通入的三相交流电相同，三组所述内层旋转磁场线圈通入三相交流电的各相相位差为120°，三组所述外层旋转磁场线圈通入三相交流电的各相相位差为120°，并且公用两个所述旋转磁场铁芯的内层线圈和外层线圈中电流的相位对应相同。

本申请的优点是：

1、本发明采用分层式线圈电磁搅拌系统，两层线圈都产生旋转磁场，磁场的叠加强化了方坯内部的流动，对结晶器内钢液进行更加充分的搅拌，使钢液中的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，不断打破先形成的柱状晶枝，增加等轴晶率。

2、根据不同钢种要求可以选用不同频率及强度的电流，加减旋转磁场线圈的层数，改变通电时间，以适应于各种钢对搅拌强度的不同要求。

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分层式线圈结晶器电磁搅拌器正等视图；

图5含结晶器与钢液的分层式线圈结晶器电磁搅拌器正等视图；

图6分层式线圈结晶器电磁搅拌器的俯视图；

图7分层式线圈结晶器电磁搅拌器的磁场生成区域位置示意图；

图8常规结晶器电磁搅拌器的俯视图；

图9A常规电磁搅拌器中心横截面磁场；

图9B分层式线圈电磁搅拌器中心横截面磁场；

图10A常规电磁搅拌器出口横截面磁场；

图10B分层式线圈电磁搅拌器出口横截面磁场；

图11A常规电磁搅拌器中心横截面电磁力；

图11B分层式线圈电磁搅拌器中心横截面电磁力；

图12A常规电磁搅拌器出口横截面电磁力；以及

图12B分层式线圈电磁搅拌器出口横截面电磁力；

附图标记说明：

1环形轭铁 2内层旋转磁场生成装置 3外层旋转磁场生成装置

4内层旋转磁场线圈 5外层旋转磁场线圈

8连铸结晶器 9钢液

10旋转磁场生成区 11旋转磁场铁芯

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，本申请采用分层式线圈结晶器电磁搅拌器，利用叠加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。

本申请中分层式线圈结晶器电磁搅拌器，包括环形轭铁1、M个内层旋转磁场生成装置2和M个外层旋转磁场生成装置3，M等于3的正整数倍数，即M为正整数且为3的倍数。在本实施例中，M等于3，即有3个内层旋转磁场生成装置2和3个外层旋转磁场生成装置3，如图1-图6所示。

环形轭铁1位于结晶器外部，环形围绕结晶器的外壁并于结晶器的外壁之间间隔有一定距离，在环形轭铁1内壁和结晶器外壁之间以圆周状安装有内层旋转磁场生成装置2和外层旋转磁场生成装置3。

本实施例中，在环形轭铁1内壁和结晶器外壁之间有九个旋转磁场铁芯11，均匀分布在环形轭铁1内壁和结晶器外壁之间，每个旋转磁场铁芯11都为长方体结构，由硅钢片叠制而成，叠制方向与环形轭铁1内壁平行，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)，采用硅钢片作为旋转磁场铁芯11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。旋转磁场铁芯11和环形轭铁1等高,旋转磁场铁芯11的正面面向结晶器并且不与结晶器接触，即旋转磁场铁芯11的正面与结晶器有一定间隔距离，旋转磁场铁芯11的背面安装在环形轭铁1的内壁上。

九个旋转磁场铁芯11由内层旋转磁场生成装置2和外层旋转磁场生成装置3共同使用，因此为便于区分和描述，将九个旋转磁场铁芯11按长度方向分为两层，但结构上仍为一个整体，将靠近环形轭铁1内壁的九个旋转磁场铁芯11部分，每三个相邻的分为一组，共三组，称为内层旋转磁场铁芯；将靠近结晶器外壁的九个旋转磁场铁芯11部分，每三个相邻的分为一组，共三组，称为外层旋转磁场铁芯。其中，要求每组内层旋转磁场铁芯和外层旋转磁场铁芯不能完全相同，具体实施时，每组内层旋转磁场铁芯和外层旋转磁场铁芯会错位一个旋转磁场铁芯。内层旋转磁场线圈4和环形轭铁1内壁之间间隔有一定距离，内层旋转磁场线圈4和外层旋转磁场线圈5之间也间隔有一定距离，外层旋转磁场线圈5与外层旋转磁场铁芯的端部平齐或者小于外层旋转磁场铁芯的长度。本实施例中，只包括两层旋转磁场线圈，外层旋转磁场线圈5小于外层旋转磁场铁芯的长度。

每个内层旋转磁场生成装置2包括内层旋转磁场线圈4和内层旋转磁场铁芯，内层旋转磁场线圈4以平行于连铸结晶器8内钢液9流动的方向跨绕在内层旋转磁场铁芯所包括的三个旋转磁场铁芯的侧面、顶部和底部，图4、5中内层线圈的开口只是为了示意此处为接入三相交流电的接口，实际上内层旋转磁场线圈4为封闭的环形结构。对三组内层旋转磁场线圈4通入三相交流电，各相相位差为120°，线圈中的交变电流产生旋转磁场，运动的钢液9在感应磁场的作用下产生感应电磁力，强化钢液9流动，促使钢液9温度分布均匀。

外层旋转磁场生成装置3包括外层旋转磁场线圈5和外层旋转磁场铁芯，外层旋转磁场线圈5以平行于连铸结晶器8外钢液9流动的方向跨绕在外层旋转磁场铁芯所包括的三个旋转磁场铁芯的侧面、顶部和底部，图4、5中外层线圈的开口只是为了示意此处为接入三相交流电的接口，实际上外层旋转磁场线圈5为封闭的环形结构。对三组外层旋转磁场线圈5通入三相交流电，各相相位差为120°，线圈中的交变电流产生旋转磁场，运动的钢液9在感应磁场的作用下产生感应电磁力，作用在钢液9体积单元上，充分搅拌钢液9。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。

内层旋转磁场线圈4和外层旋转磁场线圈5可以选择通入完全相同的三相交流电，可以改变各层线圈通入交流电的时间，也可以改变通入三相交流电的频率和强度，同时，公用两个旋转磁场铁芯的内层旋转磁场线圈4和外层旋转磁场线圈5中电流的相位也可以不用对应相同。本实施例中，对内外层线圈通入相同强度和频率的交流电，但改变各层通入三相交流电的时间，同时令公用两个旋转磁场铁芯的内层线圈和外层线圈中交流电的相位对应相同，并令M等于3，对三个内层旋转磁场生成装置和三个外层磁场生成装置通入三相交流电，在结晶器区域形成由N极到S极的磁场区域，通入三相交流电后每组旋转磁场生成装置相互作用产生旋转磁场区域，磁场旋转方向顺时针或逆时针，由每组旋转磁场生成装置的三相交流电的施加位置决定，运动的钢液在感应旋转磁场的作用下产生旋转感应电磁力，强化钢液流动，增加等轴晶率，减少偏析，电磁搅拌器的磁场生成区域相对钢液的位置如图7所示。

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，本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，分层式线圈结晶器电磁搅拌器底部与连铸结晶器底部平齐，高度为379mm，内层旋转磁场线圈4和外层磁场线圈5宽厚均为40mm，内层旋转磁场铁芯和外层旋转磁场铁芯都与环形轭铁1等高，内层旋转磁场铁芯和外层旋转磁场铁芯都采用硅钢片叠制而成。

工作时，分层式线圈结晶器电磁搅拌器的内层旋转磁场生成装置2和外层旋转磁场生成装置3通入与传统结晶器电磁搅拌器相同的电流强度和电流频率，即通入500A、5Hz的三相交流电。在t＝0时刻，对本发明内层线圈通入三相交流电，电流强度为500A、各线圈匝数为100匝，电流相位差为120°，频率为5Hz，外层线圈不通电；在t＝1时刻，对本发明外层线圈通入三相交流电，电流强度为500A、各线圈匝数为100匝，电流相位差为120°，频率为5Hz。同时，本实施例令公用两个旋转磁场铁芯的内层线圈和外层线圈中电流的相位对应相同，即内层旋转磁场生成装置2中通入0°电流的线圈与外层旋转磁场生成装置3中通入0°电流的线圈对应，且这两个线圈公用两个旋转磁场铁芯11，其余两相以此类推。所得结晶器中心横截面和出口横截面磁场强度和电磁力分布如图9A、9B、10A、10B、11A、11B、12A、12B所示。

由图9A、9B、10A、10B可见，两种搅拌器产生的磁场分布相似，磁场由侧面穿入结晶器，主要沿对角线方向穿出，其中，常规电磁搅拌器中心横截面的磁场强度为0.00569-0.06015T，出口横截面的磁场强度为0.01007-0.07408T；分层式线圈电磁搅拌器中心横截面的磁场强度为0.01-0.1759T，出口横截面的磁场强度为0.09-0.25T，与常规电磁搅拌器相比，本申请实施例的中心横截面磁场强度最小值提高了0.00431T；由图11A、11B、12A、12B可见，两种搅拌器所产生的电磁力分布也相似，都呈旋转型，其中，常规电磁搅拌器中心横截面的电磁力为34.9-59748N/m³，出口横截面的电磁力为522.55-63748.7N/m³；分层式线圈电磁搅拌器中心横截面的电磁力为381.32-4019.82N/m³，出口横截面的电磁力为8367.88-107871N/m³，本申请实施例的中心横截面上的最小电磁力提高了346.4N/m³。结合等值线图可以看出，虽然本申请实施例中心横截面产生的最大电磁力较常规电磁搅拌器小，但分布更加均匀，而且常规电磁搅拌器起主要作用的电磁力依然为最小值，因此，本申请实施例能够对结晶器外的钢液产生较强的水平搅动作用，强化结晶器外钢液的流动，促进等轴晶形核和过热的耗散，使初始凝固坯壳的厚度更加均匀，同时，由于旋转电磁力的作用，也使钢液中各成分分布更均匀，减少了偏析和缩孔等缺陷的形成，改善了铸坯的表面和皮下质量。

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 (6)

1.一种分层式线圈结晶器电磁搅拌器，其特征在于：其包括：环形轭铁、M个内层旋转磁场生成装置和M个外层旋转磁场生成装置，其中M为3的正整数倍数；

所述环形轭铁位于所述结晶器外部，环形围绕所述结晶器的外壁并与所述结晶器的外壁之间存在间隔距离，在所述环形轭铁内壁和所述结晶器外壁之间以圆周状安装有M个所述内层旋转磁场生成装置和M个所述外层旋转磁场生成装置；

在所述环形轭铁内壁和所述结晶器外壁之间有3M个旋转磁场铁芯，均匀分布在所述环形轭铁内壁和所述结晶器外壁之间，每个所述旋转磁场铁芯都为长方体结构，所述旋转磁场铁芯和所述环形轭铁等高,所述旋转磁场铁芯的正面面向所述结晶器，所述旋转磁场铁芯的正面与所述结晶器外壁之间存在间隔，所述旋转磁场铁芯的背面安装在所述环形轭铁的内壁上；

3M个所述旋转磁场铁芯由所述内层旋转磁场生成装置和所述外层旋转磁场生成装置共同使用，将3M个所述旋转磁场铁芯按长度方向定义为两层，靠近所述环形轭铁内壁的3M个所述旋转磁场铁芯部分，每三个相邻的分为一组，共三组，称为内层旋转磁场铁芯；将靠近结晶器外壁的3M个所述旋转磁场铁芯部分，每三个相邻的分为一组，共三组，称为外层旋转磁场铁芯，每组所述内层旋转磁场铁芯和所述外层旋转磁场铁芯不完全相同，但结构上仍为一个整体；

每个所述内层旋转磁场生成装置包括一个内层旋转磁场线圈和一组内层旋转磁场铁芯，所述内层旋转磁场线圈以平行于连铸结晶器内钢液流动的方向跨绕在所述内层旋转磁场铁芯所包括的三个旋转磁场铁芯的侧面、顶部和底部；

每个所述外层旋转磁场生成装置包括一个外层旋转磁场线圈和一组外层旋转磁场铁芯，所述外层旋转磁场线圈以平行于连铸结晶器外钢液流动的方向跨绕在外层旋转磁场铁芯所包括的三个旋转磁场铁芯的侧面、顶部和底部。

2.根据权利要求1所述的分层式线圈结晶器电磁搅拌器，其特征在于：

所述内层旋转磁场线圈和所述环形轭铁内壁之间存在间隔，所述内层旋转磁场线圈和所述外层旋转磁场线圈之间也存在间隔。

3.根据权利要求1所述的分层式线圈结晶器电磁搅拌器，其特征在于：

每个所述旋转磁场铁芯均采用硅钢磁芯，由硅钢片叠制而成。

4.根据权利要求1所述的分层式线圈结晶器电磁搅拌器，其特征在于：

M等于3，所述内层旋转磁场生成装置和所述外层旋转磁场生成装置都通入三相交流电，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所述的分层式线圈结晶器电磁搅拌器，其特征在于：

所述通入的三相交流电的电流强度和频率是可变的。

6.根据权利要求4所述的分层式线圈结晶器电磁搅拌器，其特征在于：

所述内层旋转磁场线圈和所述外层旋转磁场线圈通入的三相交流电相同，三组所述内层旋转磁场线圈通入三相交流电的各相相位差为120°，三组所述外层旋转磁场线圈通入三相交流电的各相相位差为120°，并且公用两个所述旋转磁场铁芯的内层线圈和外层线圈中电流的相位对应相同。

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