CN115815549A

CN115815549A - 一种方圆坯连铸用行波线性电磁搅拌控流装置

Info

Publication number: CN115815549A
Application number: CN202211016859.2A
Authority: CN
Inventors: 罗森; 杨宇威; 王卫领; 朱苗勇
Original assignee: Northeastern University China
Current assignee: Northeastern University China
Priority date: 2022-08-24
Filing date: 2022-08-24
Publication date: 2023-03-21

Abstract

一种方圆坯连铸用行波线性电磁搅拌控流装置，属于炼钢‑连铸技术领域，包括铸坯以及由搅拌器磁轭和搅拌器感应线圈组成电磁搅拌器，所述搅拌器磁轭内壁沿轴向等间距设置有绝缘分隔片，且位于同一平面的绝缘分隔片沿周向等间距设置，搅拌器磁轭内安装有搅拌器感应线圈，且搅拌器感应线圈通过绝缘分隔片固定，所述搅拌器感应线圈内部安装有铸坯。本发明可以产生沿铸坯轴向方的向上或者向下的电磁力，这种类型的电磁力可促使钢液逆自然流动，从而加强热对流，且电磁力作用区间相比传统旋转型电磁搅拌器更深。在行波线性电磁搅拌控流装置作用下钢液的速度更有利于控制，这为连铸操作提供了充足的自由度，更有利于生产出优质铸坯。

Description

一种方圆坯连铸用行波线性电磁搅拌控流装置

技术领域

本发明属于炼钢-连铸技术领域，特别涉及一种方圆坯连铸用行波线性电磁搅拌控流装置。

背景技术

电磁冶金技术利用电磁场的热效应以及力效应等实现对冶金过程中能量传输和流体流动的控制，从而达到优化冶金过程，改善产品质量、提高生产效率和性能的目的。研究发现在磁场及电场共同作用于液态金属产生的电磁流体力学现象，并且将其应用到冶金生产中，形成了电磁制动，电磁搅拌和电磁软接触等一系列电磁冶金技术，称之为材料电磁过程，其中，电磁搅拌技术因其在连铸操作稳定，提高金属收得率，改善连铸坯质量，增加等轴晶率和减少中心偏析等方面具有不可替代的作用，而成为连铸过程中最为关键技术。

电磁搅拌的基本原理是通入交流电的电磁搅拌器激发产生交变的电磁场逐步渗透到铸坯内的钢液中，电磁感应和载流导体与磁场相互作用，因而在钢液中产生感应电流，该感应电流与当地磁场相互作用产生电磁力，从而推动钢液运动。由此可见，电磁搅拌技术改善铸坯缺陷的过程实质上是通过电磁力控制铸坯液相穴内钢水强流动，冲刷凝固前沿，促进夹杂物和气泡上浮，从而使连铸坯的表面质量及皮下质量等得到明显的改善，提高钢的清洁度，扩大铸坯的等轴晶区，降低通道偏析，减轻或消除中心疏松和中心缩孔与“针眼”缺陷，实现生产优质、高品种钢材的目的。

传统的圆坯或方坯电磁搅拌器都是旋转型电磁搅拌器。因此它仍存在以下几点不足：

(1)传统型电磁搅拌器结构虽然结构紧凑，便于安装固定，但不论是凸极式还是水平式都无法保证在同一连铸机上不同连铸浇注条件下获得最佳冶金效果；

(2)传统型旋转电磁搅拌器仅能产生作用于铸坯切向方向的电磁力。因此该电磁力作用区间有限，无法作用于整个铸坯内钢液，容易造成“白亮带”的形成。

(3)传统型旋转电磁搅拌器由于该搅拌线圈与铸坯平行布置，在铸坯内产生的电磁感应与相应电磁力衰减较快，产生中心死区，且使用时需要降低频率加大电流强度，造成能耗浪费。同时对铸坯中心处钢液作用能力有限，改善中心偏析能力有限，通道偏析加剧。

发明内容

本发明的目的在于提供一种方圆坯连铸用行波线性电磁搅拌控流装置，该装置由搅拌电磁铁与电流感应线圈构成，行波线性电磁搅拌器沿拉坯方向放置且安装位于铸坯中心固相率大于0.3处，搅拌线圈与铸坯垂直布置，接入三相交流电，沿拉坯方向产生上下移动的行波磁场，该磁场可覆盖整个凝固末端区域，产生与拉坯方向相反的电磁力。促进夹杂物和气泡上浮，从而使连铸坯的表面质量及皮下质量等得到明显的改善，提高钢的清洁度，扩大铸坯的等轴晶区，降低通道偏析。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种方圆坯连铸用行波线性电磁搅拌控流装置，包括铸坯以及由搅拌器磁轭和搅拌器感应线圈组成电磁搅拌器，所述搅拌器磁轭内壁沿轴向等间距设置有绝缘分隔片，且位于同一平面的绝缘分隔片沿周向等间距设置，搅拌器磁轭内安装有搅拌器感应线圈，且搅拌器感应线圈通过绝缘分隔片固定，所述搅拌器感应线圈内部安装有铸坯。

所述铸坯的中心磁感应强度最大值不低于0.08T。

所述电磁搅拌器分为整体式和环抱式，整体式所述电磁搅拌器的搅拌器磁轭和搅拌器感应线圈的截面均为圆环形，环抱式所述电磁搅拌器的搅拌器磁轭和搅拌器感应线圈的截面均为半圆形，且环抱式由两个半圆柱形电磁搅拌器组成，且两个半圆柱形电磁搅拌器单独进行调控。

当电磁搅拌器为整体式时，搅拌器磁轭为1个，所述搅拌器感应线圈的个数为0～12个，具有0～12个电流激励面，搅拌器感应线圈水平置于搅拌电磁轭上；当搅拌器磁轭为环抱式时，半圆柱形搅拌器磁轭为2个，所述搅拌器感应线圈的个数为0～24个，具有0～24个电流激励面，搅拌器感应线圈水平置于搅拌电磁轭上。

整体式和环抱式所述搅拌器磁轭高度均为800mm～1500mm，当采用环抱式时，两个搅拌器磁轭的相对安装距离为100mm～300mm。

每一个所述搅拌器感应线圈为0～88匝，采用圆形或扁形铜制导线制成。

所述搅拌器感应线圈内径由铸坯断面形状当量直径的1.4倍确定，搅拌器磁轭内径由铸坯断面形状当量直径的1.8倍确定。

所述搅拌器感应线圈的磁极分布类型分为A型和B型两种，其中A型为单个线圈的N极和S极交替布置；B型为多个搅拌器线圈组成N极与S极，组成N极的多个搅拌器线圈和组成S极的多个搅拌器线圈沿搅拌器磁轭的轴向整体布置。

本发明的技术效果为：

电磁搅拌工艺是有关冶金效果的关键技术，凝固末端是铸坯生产成型的最终环节，对钢材的质量起到至关重要的作用。本发明的行波线性电磁搅拌控流装置可以产生沿铸坯轴向方的向上或者向下的电磁力，这种类型的电磁力可促使钢液逆自然流动，从而加强热对流，且电磁力作用区间相比传统旋转型电磁搅拌器更深。从冶金效果而言，线性电磁搅拌器更有利于生产出优质铸坯。因为，在行波线性电磁搅拌控流装置作用下钢液的速度更有利于控制，这为连铸操作提供了充足的自由度。

本发明的行波线性电磁搅拌控流装置漏钢的危险被最小化，产生的电磁感应强度可以更好的覆盖与穿透铸坯固相，更有效的作用于内部钢液。而不会像旋转型电磁搅拌器一样迫使电磁感应强度仅能富集于凝固坯壳表面。本发明产生的这种轴向搅拌方式可以使得来自顶部的温度较高的钢液很快被带到凝固末端，这会在一定程度上减少凝固坯壳的厚度，并在糊状区域保持较高的温度梯度。上述两种效果都增强了热流，这有助于提高连铸机的生产率。且使用本发明可以修改凝固末端形貌，形成圆底末端形貌，降低中心线收缩和通道偏析，特别是V形偏析。

附图说明

图1为本发明实施例1整体式行波线性电磁搅拌器安装在圆坯连铸机示意图。

图2为本发明实施例1整体式行波线性电磁搅拌器结构图一；

图3为本发明实施例1整体式行波线性电磁搅拌器结构图二；

图4为本发明实施例1整体式行波线性电磁搅拌器A型磁极分布示意图；

图5为本发明实施例1整体式行波线性电磁搅拌器B型磁极分布示意图；

图6为本发明实施例1整体式行波线性电磁搅拌器圆坯电磁力分布示意图；

图7为本发明实施例1整体式行波线性电磁搅拌器下铸坯内电磁力分布图；

图8为本发明实施例1整体式行波线性电磁搅拌器下铸坯内磁感应分布图；

图9为本发明实施例1整体式行波线性电磁搅拌器工作模式示意图；图9(a)为逆钢液流动搅拌模式；(b)为顺钢液流动搅拌模式；

图10为本发明实施例2整体式行波线性电磁搅拌器安装在方坯连铸机示意图。

图11为本发明实施例2整体式行波线性电磁搅拌器方坯电磁力分布示意图；

图12为本发明实施例3环抱式行波线性电磁搅拌器安装在圆坯连铸机示意图；

图13为本发明实施例3环抱式行波线性电磁搅拌器结构图一；

图14为本发明实施例3环抱式行波线性电磁搅拌器结构图二；

图15为本发明实施例3环抱式行波线性电磁搅拌器A型磁极分布示意图；

图16为本发明实施例3环抱式行波线性电磁搅拌器B型磁极分布示意图；

图17为本发明实施例3环抱式行波线性电磁搅拌器单开工作模式示意图；图17(a)为逆钢液流动搅拌模式；图17(b)为顺钢液流动搅拌模式；

图18为本发明实施例3环抱式行波线性电磁搅拌器双开工作模式示意图；图18(a)为逆钢液流动搅拌模式；图18(b)为顺钢液流动搅拌模式；

图19为本发明实施例4环抱式行波线性电磁搅拌器安装在方坯连铸机示意图。

1-搅拌器磁轭，2-搅拌器感应线圈，3-铸坯，4-绝缘分隔片。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。

实施例1

本实施例中采用整体式电磁搅拌器。

如图1至图9所示，一种方圆坯连铸用行波线性电磁搅拌控流装置，包括铸坯3以及由搅拌器磁轭1与搅拌器感应线圈2组成的电磁搅拌器，所述搅拌器磁轭1内壁沿轴向等间距设置有绝缘分隔片4，且位于同一平面的绝缘分隔片4沿周向等间距设置，搅拌器磁轭1内安装有搅拌器感应线圈2，且搅拌器感应线圈2通过绝缘分隔片4固定，所述搅拌器感应线圈2内部安装有铸坯3。

所述铸坯3为圆坯，适用于圆坯连铸机。

所述铸坯3的中心磁感应强度最大值不低于0.08T。

所述电磁搅拌器为整体式，整体式所述电磁搅拌器的搅拌器磁轭1和搅拌器感应线圈2的截面均为圆环形。

所述搅拌器磁轭为1个，搅拌器感应线圈2的个数为0～12个，具有0～12个电流激励面，搅拌器感应线圈2水平置于搅拌电磁轭上。

整体式所述搅拌器磁轭1高度均为800mm～1500mm。

每一个所述搅拌器感应线圈2为0～88匝，采用圆形或扁形铜制导线制成。

所述搅拌器感应线圈2内径由铸坯3断面形状当量直径的1.4倍确定，搅拌器磁轭1内径由铸坯3断面形状当量直径的1.8倍确定。

所述搅拌器感应线圈2的磁极分布类型分为A型和B型两种，其中A型为单个线圈的N极和S极交替布置；B型为多个搅拌器线圈组成N极与S极，组成N极的多个搅拌器线圈和组成S极的多个搅拌器线圈沿搅拌器磁轭1的轴向整体布置。

行波线性电磁搅拌控流装置沿拉坯方向放置，且安装位于铸坯3中心固相率大于0.3处，接入U、V、W三相交流电，接入交流电相位角为45°～120°，电流数为0～800A，频率为0～8Hz，沿拉坯方向产生上下移动的行波磁场，激发产生交变的电磁场逐步渗透到铸坯3内的钢液中，电磁感应和载流导体与磁场相互作用，因而在钢液中产生感应电流，该感应电流与当地磁场相互作用产生电磁力，通过电磁力推动钢液运动。该行波磁场可覆盖整个凝固末端区域，产生与拉坯方向相反的电磁力，改变电流相序既可产生与拉坯方向相同的电磁力；所述行波线性电磁搅拌控流装置具有两种工作模式：a、逆钢液流动方向搅拌；b、顺钢液流动方向搅拌，通过PLC控制器改变电流相序即可改变工作模式。

一种方圆坯连铸用整体式行波线性电磁搅拌控流装置安装于圆坯连铸机上，行波线性电磁搅拌控流装置沿拉坯方向放置，且安装位于铸坯3中心固相率大于0.3处，行波线性电磁搅拌控流装置由一个整体式圆形搅拌器磁轭1、十二个搅拌器感应线圈2和四十八个绝缘分隔片4构成；搅拌器磁轭1高度为1200mm，搅拌器磁轭1的内外径分别为1150mm和1340mm；搅拌器感应线圈2内外径分别为1100mm和1130mm，搅拌器感应线圈2的磁极分布类型为B型；搅拌器感应线圈2由PLC控制器的三相电源的三相电U、V、W接入，通入电流500A、频率6Hz及相位角120°的三相交流电，沿拉坯方向产生上下移动的行波磁场，该行波磁场可覆盖整个凝固末端区域，产生与拉坯方向相反的电磁力，本实施例中铸坯3中心处最大磁感应强度值为0.83T。

实施例2

如图10和图11所示，实施例2与实施例1的区别在于，铸坯3为方坯，适用于方坯连铸机。

实施例3

本实施例中采用环抱式电磁搅拌器。

如图12至图16所示，一种方圆坯连铸用行波线性电磁搅拌控流装置，包括铸坯3以及由搅拌器磁轭1和搅拌器感应线圈2组成的电磁搅拌器，所述搅拌器磁轭1内壁沿轴向等间距设置有绝缘分隔片4，且位于同一平面的绝缘分隔片4沿周向等间距设置，搅拌器磁轭1内安装有搅拌器感应线圈2，且搅拌器感应线圈2通过绝缘分隔片4固定，所述搅拌器感应线圈2内部安装有铸坯3，铸坯3进入凝固末端之后，根据铸坯3中心固相率确定线性电磁搅拌器安装位置。随着铸坯3断面尺寸的增大，柱状晶发达且等轴晶愈加粗大，这将导致铸坯3心部熔体流动性变差甚至阻塞钢液的补缩通道，形成缩孔、偏析等冶金缺陷。本发明旨在利用行波线性电磁搅拌器通入高电流和频率搅拌凝固末端铸坯3内部的高粘度熔融液相，改变凝固末端溶质传输行为并改善铸坯3偏析等缺陷。

如图17和图18所示，两个电磁搅拌器由独立控制器进行调控即可单侧电磁搅拌器开启使用；两侧电磁搅拌器可同时产生方向相同的电磁力也可产生方向相反的电磁。引起铸坯3中心偏析的主要原因是由于连铸凝固末端铸坯3心部富集溶质液相的加速运动造成，因此对铸坯3施加线性行波磁场，增强心部金属熔体流动行为，则可以有效的改善铸坯3中心偏析缺陷，细化等轴晶，提高金属熔液清洁度。

当单开电磁搅拌器时，可逆钢液流动方向搅拌，也可以顺钢液流动方向搅拌，通过PLC控制器改变电流相序即可改变工作模式。

当两个电磁搅拌器同时打开时，其中一个电磁搅拌器逆钢液流动方向搅拌，另一个搅拌器可以逆钢液流动方向搅拌，也可以顺钢液流动方向搅拌；其中一个电磁搅拌器顺钢液流动方向搅拌，另一个搅拌器可以逆钢液流动方向搅拌，也可以顺钢液流动方向搅拌，通过PLC控制器改变电流相序即可改变工作模式。引起铸坯中心偏析的主要原因是由于连铸凝固末端铸坯心部富集溶质液相的加速运动造成，因此对铸坯施加线性行波磁场，增强心部金属熔体流动行为，则可以有效的改善铸坯中心偏析缺陷，细化等轴晶，提高金属熔液清洁度。

所述铸坯3为方坯或圆坯，适用于方坯与圆坯连铸机。

所述铸坯3的中心磁感应强度最大值不低于0.08T。

环抱式所述电磁搅拌器的搅拌器磁轭1和搅拌器感应线圈2的截面为半圆形，环抱式由两个半圆柱形电磁搅拌器组成，且两个半圆柱形电磁搅拌器单独进行调控。

所述搅拌器磁轭1为1个，所述搅拌器感应线圈2的个数为0～24个，具有0～24个电流激励面，搅拌器感应线圈2水平置于搅拌电磁轭上。

环抱式所述搅拌器磁轭1高度为800mm～1500mm，两个搅拌器磁轭1的相对安装距离为100mm～300mm。

行波线性电磁搅拌控流装置沿拉坯方向放置，且安装位于铸坯3中心固相率大于0.3处，两个半圆柱形电磁搅拌器分别接入U、V、W三相交流电，接入交流电相位角为45°～120°，电流数为0～800A，频率为0～8Hz，两个半圆柱形电磁搅拌器分别通过不同的控制器单独进行调控，沿拉坯方向产生上下移动的行波磁场，激发产生交变的电磁场逐步渗透到铸坯3内的钢液中，电磁感应和载流导体与磁场相互作用，因而在钢液中产生感应电流，该感应电流与当地磁场相互作用产生电磁力，通过电磁力推动钢液运动。该行波磁场可覆盖整个凝固末端区域，两个半圆形搅拌器磁轭1都能产生与拉坯方向相反的电磁力，改变电流相序既可产生与拉坯方向相同的电磁力。

一种方圆坯连铸用环抱式行波线性电磁搅拌控流装置安装于圆坯连铸机上，行波线性电磁搅拌控流装置沿拉坯方向放置，且安装位于铸坯3中心固相率大于0.3处，行波线性电磁搅拌控流装置由两个半圆柱形搅拌器磁轭1、24个搅拌器感应线圈2和四十八个绝缘分隔片4构成；搅拌器磁轭1高度为1200mm，搅拌器磁轭1的内外径分别为1150mm和1340mm，两个独立的半圆形搅拌器磁轭1的相对安装距离为100mm；搅拌器感应线圈2内外径分别为1100mm和1130mm，搅拌器感应线圈2的磁极分布类型为B型；两个搅拌器感应线圈2由PLC控制器的三相电源的三相电U、V、W接入，通入电流500A、频率6Hz及相位角120°的三相交流电，沿拉坯方向产生上下移动的行波磁场，该行波磁场可覆盖整个凝固末端区域，产生与拉坯方向相反的电磁力，本实施例中铸坯3中心处最大磁感应强度值为0.83T。

实施例4

如图19所示，实施例4与实施例3的区别在于，铸坯3为方坯，适用于方坯连铸机。

Claims

1.一种方圆坯连铸用行波线性电磁搅拌控流装置，其特征在于，包括铸坯以及由搅拌器磁轭和搅拌器感应线圈组成电磁搅拌器，所述搅拌器磁轭内壁沿轴向等间距设置有绝缘分隔片，且位于同一平面的绝缘分隔片沿周向等间距设置，搅拌器磁轭内安装有搅拌器感应线圈，且搅拌器感应线圈通过绝缘分隔片固定，所述搅拌器感应线圈内部安装有铸坯。

2.根据权利要求1所述的一种方圆坯连铸用行波线性电磁搅拌控流装置，其特征在于：所述铸坯的中心磁感应强度最大值不低于0.08T。

3.根据权利要求1所述的一种方圆坯连铸用行波线性电磁搅拌控流装置，其特征在于：所述电磁搅拌器分为整体式和环抱式，整体式所述电磁搅拌器的搅拌器磁轭和搅拌器感应线圈的截面均为圆环形，环抱式所述电磁搅拌器的搅拌器磁轭和搅拌器感应线圈的截面均为半圆形，且环抱式由两个半圆柱形电磁搅拌器组成，且两个半圆柱形电磁搅拌器单独进行调控。

4.根据权利要求3所述的一种方圆坯连铸用行波线性电磁搅拌控流装置，其特征在于：当电磁搅拌器为整体式时，搅拌器磁轭为1个，所述搅拌器感应线圈的个数为0～12个，具有0～12个电流激励面，搅拌器感应线圈水平置于搅拌电磁轭上；当搅拌器磁轭为环抱式时，半圆柱形搅拌器磁轭为2个，所述搅拌器感应线圈的个数为0～24个，具有0～24个电流激励面，搅拌器感应线圈水平置于搅拌电磁轭上。

5.根据权利要求3所述的一种方圆坯连铸用行波线性电磁搅拌控流装置，其特征在于：整体式和环抱式所述搅拌器磁轭高度均为800mm～1500mm，当采用环抱式时，两个搅拌器磁轭的相对安装距离为100mm～300mm。

6.根据权利要求1所述的一种方圆坯连铸用行波线性电磁搅拌控流装置，其特征在于：每一个所述搅拌器感应线圈为0～88匝，采用圆形或扁形铜制导线制成。

7.根据权利要求1所述的一种方圆坯连铸用行波线性电磁搅拌控流装置，其特征在于：所述搅拌器感应线圈内径由铸坯断面形状当量直径的1.4倍确定，搅拌器磁轭内径由铸坯断面形状当量直径的1.8倍确定。

8.根据权利要求1所述的一种方圆坯连铸用行波线性电磁搅拌控流装置，其特征在于：所述搅拌器感应线圈的磁极分布类型分为A型和B型两种，其中A型为单个线圈的N极和S极交替布置；B型为多个搅拌器线圈组成N极与S极，组成N极的多个搅拌器线圈和组成S极的多个搅拌器线圈沿搅拌器磁轭的轴向整体布置。