带复合磁场的连铸结晶器电磁搅拌器

摘要

本申请属于连铸设备技术领域，公开了一种带复合磁场的连铸结晶器电磁搅拌器，包括：环形轭铁、多个行波磁场生成装置和多个旋转磁场生成装置；环形轭铁位于结晶器外部，在环形轭铁内壁和结晶器外壁之间安装有行波磁场生成装置和旋转磁场生成装置；行波磁场生成装置包括C型磁芯和行波磁场线圈，行波磁场线圈的绕制方向与连铸结晶器的浸入式水口出口射流方向垂直；旋转磁场生成装置包括矩形铁芯和旋转磁场线圈，旋转磁场线圈缠绕方向平行于钢液流动方向。采用复合磁场，能够集旋转磁场与行波磁场各自优点于一体，改善铸坯凝固过程中夹杂物和气泡的上浮环境，提高钢液的洁净度。

说明书

技术领域

本发明属于钢铁连铸设备技术领域，具体地涉及一种带复合磁场的连铸结晶器电磁搅拌器。

背景技术

随着现代工业的高速发展，人们对优质钢制品的需求量越来越大，对品质要求逐步提高。目前电磁搅拌技术已被广泛应用于连铸生产中，对提高铸坯质量有着重要的影响，并已成为得到高品质铸坯必不可少的环节，电磁搅拌器已成为高效连铸的标配。

电磁搅拌的实质是借助电磁场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，进而控制铸坯凝固组织改善铸坯质量。

有关铸坯连铸生产的设计研究很多，各个的侧重点不同：线圈外侧加C行护罩，防止漏磁以及保证电磁搅拌效率；设置可移动线圈，保证多部位搅拌；可调节多搅拌区域搅拌器，等等。在方坯的连铸生产过程中，方坯角部存在搅拌死区，搅拌不均匀，影响铸坯整体质量，钢液在结晶器中开始冷却凝固，行成薄薄的一层凝固坯壳，浸入式水口出口射流速度过大，加大冲击深度，不利于夹杂物和气泡的上浮，且过高的射流速度会破坏刚刚凝固形成的铸坯坯壳，严重影响铸坯质量。

目前工业连铸生产中应用结晶器电磁搅拌普遍采用旋转电磁场，旋转电磁场对钢液进行横向搅拌，使结晶器内钢液温度分布更加均匀，破坏凝固组织柱状晶，增加等轴晶率，减少铸坯偏析程度，但是旋转磁场对结晶器内钢液非金属夹杂物和气泡的上浮效果甚微，行波磁场方向与水口射流方向相反，可以对结晶器内钢液进行纵向搅拌，对降低浸入式水口出口射流流速以及降低水口出口冲击深度有显著的影响。此外，行波磁场可以促进夹杂物和气泡的上浮，提高铸坯的纯净度，但是行波磁场在提高等轴晶率，减少铸坯偏析方面差强人意。

发明内容

采用复合磁场，能够集旋转磁场与行波磁场各自优点于一体，对结晶器内钢液进行搅拌，在保证铸坯等轴晶率以及偏析标准的前提下，改善铸坯凝固过程中夹杂物和气泡的上浮环境，提高钢液的洁净度。

为了保证铸坯等轴晶率以及较低的偏析程度同时兼顾促使结晶器内钢液非金属夹杂物和气泡的上浮，得到优质洁净钢坯，更好突出结晶器电磁搅拌器的效果，本申请提出了一种带复合磁场的结晶器电磁搅拌器，该复合磁场由行波磁场以及旋转磁场组成，行波磁场方向与浸入式水口出口射流方向相反，钢液在结晶器内开始冷却凝固，在结晶器壁面形成薄层坯壳，行波磁场的存在可以减少水口出口射流对壁面的冲刷，避免破坏刚刚凝固成的薄坯层，影响钢水洁净度，且降低出口钢液的冲击深度，而行波磁场对提高铸坯等轴晶率效果甚微，相反旋转磁场可以提高铸坯的等轴晶率但是不能保证很好的夹杂物以及气泡上浮条件。故取行波磁场以及旋转磁场各自优点，共同作用于结晶器，为得到优质洁净钢保驾护航，其具体结构包括：

环形轭铁、N个行波磁场生成装置和N个旋转磁场生成装置，N为大于等于4并且小于等于10的正整数；

环形轭铁位于结晶器外部，在环形轭铁内壁和结晶器外壁之间安装有行波磁场生成装置和旋转磁场生成装置，所述N个行波磁场生成装置围绕环形轭铁中轴线呈中心对称分布安装在环形轭铁内壁上，每个行波磁场生成装置的下部对应一个旋转磁场生成装置，所述N个旋转磁场生成装置也呈中心对称分布安装在环形轭铁内壁上；

行波磁场生成装置包括C型磁芯和行波磁场线圈，C型磁芯的第一横边和第二横边的开口端固定在环形轭铁的内壁上，行波磁场线圈位于C型磁芯的竖直边，行波磁场线圈的绕制方向与连铸结晶器的浸入式水口出口射流方向垂直；

旋转磁场生成装置包括矩形铁芯和旋转磁场线圈，矩形铁芯为长方体结构，矩形铁芯的正面面向结晶器，矩形铁芯的背面安装在环形轭铁的内壁下部，矩形铁芯底部与结晶器底部位于同一平面，旋转磁场线圈环绕安装在旋转磁场铁芯的侧面、顶部和底部，旋转磁场线圈缠绕方向平行于钢液流动方向。

优选的，行波磁场线圈由第一线圈和第二线圈组成，第一线圈在C型磁芯竖直边的上部，第二线圈在C型磁芯6竖直边的下部，第一线圈与第二线圈之间有间隔距离，第一线圈与第二线圈的绕制方向都与连铸结晶器的浸入式水口出口射流方向垂直，所述连铸结晶器的浸入式水口出口位于第一线圈与第二线圈的中间位置。

优选的，C型磁芯和矩形铁芯都采用硅钢铁磁芯。

优选的，N为6，将6个旋转磁场生成装置分为三组，每组旋转磁场生成装置以结晶器中轴线呈中心对称，给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，行波磁场生成装置和旋转磁场生成装置都通入三相交流电。

优选的，行波磁场生成装置和所述旋转磁场生成装置通入的三相交流电，频率与强度都不同。

本申请的优点是：

1、在旋转磁场和行波磁场相互作用下，钢液中的夹杂物和气泡等更容易上浮，减少钢液中非金属夹杂物含量，提高铸坯的洁净度。

2、减小钢液的冲击深度，促进结晶器内钢液杂质的上浮，减小对结晶器壁面刚刚凝固成的坯壳产生冲刷。

3、相应提高拉坯速度，提高铸坯连铸效率，增加钢坯产量。

4、复合磁场更容易打破钢液凝固前沿的树状晶枝，促进了等轴晶的形成，提高了等轴晶率，减少偏析程度，改善铸坯质量。

5、采用复合式线圈，可以通入不通强度与频率的电流，产生不同大小的电磁搅拌力，适用多种铸坯类型。

6、避免结晶器表面卷渣的出现。

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复合磁场连铸结晶器正等视图；

图5含结晶器与钢液的复合磁场连铸结晶器正等视图；

图6复合磁场连铸结晶器俯视图；

图7复合磁场连铸结晶器的电磁生成区域位置图；

图8A旋转磁场电磁搅拌器的结晶器出口处钢液电磁场强度分布；

图8B复合磁场电磁搅拌器的晶器出口处钢液电磁场强度分布；

图9A旋转磁场电磁搅拌器的拉坯方向中心截面磁场强度分布；

图9B复合磁场电磁搅拌器的拉坯方向中心截面磁场强度分布。

图中标号说明：

1环形轭铁2行波磁场生成装置 3旋转磁场生成装置

4行波磁场线圈41第一线圈42第二线圈

5旋转磁场线圈6C型铁芯7钢液

8连铸结晶器9矩形铁芯 10行波磁场生成区

11旋转磁场生成区

具体实施方式

目前工业上普遍应用的结晶器电磁搅拌器普遍采用旋转磁场，电磁搅拌的实质是借助电磁场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，进而控制铸坯凝固组织改善铸坯质量。为防止旋转磁场产生的搅拌力过强引起卷渣，结晶器电磁搅拌器一般安装在连铸结晶器底部，在结晶器的上部存在着搅拌空白区，不能起到很好地搅拌效果，本申请采用行波磁场以及旋转磁场相复合的混合磁场共同对结晶器内钢液起到搅拌作用。行波磁场促使钢液内非金属夹杂物以及气泡的上浮，提高钢液洁净度，旋转磁场提高钢液的等轴晶率，减少铸坯的偏析，采用复合磁场为优质洁净钢的生产提供保障。

本申请中带复合磁场的连铸结晶器电磁搅拌器，包括环形轭铁、N个行波磁场生成装置和N个旋转磁场生成装置，N是大于等于4并且小于等于10的正整数。在本实施例中，N为6，即有6个行波磁场生成装置和6个旋转磁场生成装置。

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间隔一定距离，在环形轭铁内壁和结晶器外壁之间安装有行波磁场生成装置和旋转磁场生成装置，行波磁场生成装置和旋转磁场生成装置固定在环形轭铁内壁上。N个行波磁场生成装置围绕环形轭铁中轴线呈中心对称分布安装在环形轭铁内壁上，每个行波磁场生成装置的下部对应一个旋转磁场生成装置，旋转磁场生成装置也呈中心对称分布安装在环形轭铁内壁上。

每个行波磁场生成装置2由C型磁芯6和行波磁场线圈4组成，C型磁芯6包括第一横边、第二横边和竖直边，三条边构成“]”形，第一横边和第二横边的开口端固定在环形轭铁的内壁上，行波磁场线圈4位于C型磁芯6的竖直边上，行波磁场线圈4的绕制方向与连铸结晶器的浸入式水口出口射流方向垂直，线圈通入三相交流电产生感应磁场，形成方向与水口出口射流方向相反的行波磁场。上下线圈均产生一个行波磁场，其运动方向相同，当两片EMS内部结构相同而内部绕组连线处于某种相关状态下时，其产生的行波磁场正好能合成一个垂直穿过铸坯方向分量最大的行波磁场，而只有垂直穿过铸坯的磁场才是推动钢液运动所必须的。垂直穿过铸坯的交变磁场必然会在铸坯中感应起感生电流，而此感生电流与当地磁场相互作用产生电磁力且电磁力的方向与行波磁场一致。突出行波磁场优势，减小收口出口射流的冲击深度，减缓对结晶器壁的冲刷以及改善结晶器内钢液非金属夹杂物和气泡的上浮环境。行波磁场线圈4可以由第一线圈和第二线圈组成，第一线圈在C型磁芯6竖直边的上部，第二线圈在C型磁芯6竖直边的下部，第一线圈与第二线圈之间有间隔距离，第一线圈与第二线圈的绕制方向都与连铸结晶器的浸入式水口出口射流方向垂直，水口出口位于第一线圈与第二线圈的中间位置，处在行波磁场最强位置。

每个旋转磁场生成装置3包括矩形铁芯9和旋转磁场线圈5，矩形铁芯9为长方体结构，矩形铁芯9的正面面向结晶器，矩形铁芯9的背面安装在环形轭铁的内壁下部，矩形铁芯9底部与结晶器底部位于同一平面，旋转磁场线圈5安装在矩形铁芯9的侧面、顶部和底部，旋转磁场线圈5缠绕方向平行于钢液流动方向，在矩形铁芯9的侧面、顶部和底部，并与三相交流电相连。对旋转磁场线圈5通入交流电产生旋转磁场，运动的钢液在感应磁场的作用下产生旋转感应电磁力，强化钢液的流动，使钢液温度分布更加均匀。N个旋转磁场生成装置3以结晶器中轴线呈中心对称分布，与N个行波磁场生成区的C型磁芯6一一对齐。本实施例中将6个旋转磁场生成装置3分为三组，每组旋转磁场生成装置以结晶器中轴线呈中心对称，给每组旋转磁场生成装置3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，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电流的施加位置有关，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，强化钢液的流动，使钢液温度分布更加均匀，增加钢坯等轴晶率减少铸坯偏析。

本实施例中，连铸生产结晶器高度一般800mm，复合磁场结晶器电磁搅拌器高度与结晶器齐平，因此由6个行波磁场生成装置产生的行波磁场生成区10在上，与结晶器顶部对齐，行波磁场生成区高度为340mm，由6个旋转磁场生成装置产生的旋转磁场生成区11在下，与结晶器底部对齐，旋转磁场生成区高度为460mm。C型磁芯6和矩形铁芯9皆采用硅钢片叠加而成。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。第一线圈与第二线圈之间距离为100mm，因为工业用连铸浸入式水口一般的浸入深度为80～120mm，这样使得水口出口位于轭铁上两线圈的中间位置，处在行波磁场最强位置，使行波磁场发挥出最大的效果，减小收口出口射流的冲击深度，减缓对结晶器壁的冲刷以及改善结晶器内钢液非金属夹杂物和气泡的上浮环境。

运行时，旋转磁场生成装置通入与传统结晶器电磁搅拌器相同的电流强度与电流频率，即通入500A、5Hz的电流；由于行波磁场生成区位置距结晶器弯月面较近，为避免弯月面波动过于剧烈造成卷渣，因此对行波磁场生成装置通入低频、弱电流强度的交流电，即通入300A、3Hz的电流。

对比旋转磁场搅拌器以及复合磁场搅拌器的电磁场分布，在结晶器出口处截取一平面，由图8A和8B可以看出，由于两种搅拌器在复合磁场区域施加电流强度及频率大小相同，故两者在结晶器出口处电磁场分布大致相同；

由于行波磁场生成区域的存在，在结晶器钢液上部存在着拉坯方向的电磁场，由图9A和图9B中旋转磁场电磁搅拌器和复合磁场电磁搅拌器的拉坯方向中心截面磁场强度分布可知，复合磁场电磁搅拌器在中间区域与旋转磁场产生叠加产生复合磁场作用于结晶器钢液，可以达到促进钢液中夹杂物的上浮，减缓钢液的冲击深度的目的。

本申请与目前连铸工业上普遍应用的三相两极结晶器电磁搅拌器相比，采用复合磁场电磁搅拌系统，集行波磁场以及旋转磁场各自的优点，全方面的对结晶器内钢液实施搅拌效果，使钢液在结晶器内混合更加均匀，增加等铸坯轴晶器，减少偏析，降低夹杂物含量提高铸坯的洁净度，以得到高品质铸坯。本申请由行波磁场发生装置以及旋转磁场发生装置两部分组成，根据不同钢种要求可以施加不同频率及强度的交流电，以适应于不同特种钢对搅拌强度的不同要求。

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。