专利名称：一种钢锭冒口感应加热及电磁搅拌装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及冶金和机械制造业，具体说是一种适用于大型钢锭生产中用于钢锭冒口感应加热及电磁搅拌的装置，通过调节输入到电磁感应线圈的电功率，可对不同尺寸钢锭的冒口金属液进行感应加热及电磁搅拌，减小冒口尺寸，提高钢锭锭身的纯净度。
背景技术：
随着我国重型装备、冶金、火电、核电事业的发展，对大型锻件质量要求越来越严格，大型钢锭作为锻件的原料，其质量直接影响和决定着锻件的质量，这就要求锻件用钢锭向优质化发展，要生产优质大型钢锭首先要解决钢锭中的缩孔、缩松、疏松等铸造缺陷问题，还要减少钢锭中的夹杂物，提高钢锭的纯净度，而解决上述问题的关键在于提高冒口补缩能力和促使夹杂物充分上浮。目前，工业铸锭领域已有电热冒口等技术，这些现有技术通过电弧、等离子或化学加热等方法对冒口加热保温，补偿冒口热量损失，提高冒口的补缩能力，但上述技术存在不足之处，输入的热量主要集中在加热体附近，存在加热面积小、热效率低和污染钢液等问题。中国专利(CN102350485A)公开了一种中频电加热钢胚铸造补缩孔装置及工艺。该专利适用范围不是针对钢锭生产过程，不适用铸锭场合，该专利采用单相绕组线圈对钢胚冒口感应加热，在感应加热过程中，线圈周围就会产生磁场，在磁场作用下，中心部位的金属液受到挤压向上、下流动，形成分段的环流，其中向下的液流不仅会阻碍夹杂物的上浮，还容易将正在上浮的夹杂物重新卷入到锭身内部，降低钢锭的纯净度。同时还应该注意到:该专利所用的中频电加热装置套在冒口外部，存在漏磁现象，降低感应加热效率，而且发散的磁力线通过铁模时会对铁模感应加热，降低铁模的冷却能力。
发明内容
为了克服现有铸锭技术存在的不足和缺陷，本发明提供一种钢锭冒口感应加热及电磁搅拌装置，该发明采用多组线圈形成磁场，不仅能对钢锭冒口进行感应加热，降低冒口的凝固速度，提高冒口的补缩能力，同时还能改善金属液的流动状态，促使夹杂物充分上浮，提高钢锭的纯净度。本发明解决其技术问题所采用的技术方案是:所述钢锭冒口感应加热及电磁搅拌装置，包括底座、支撑臂和多组感应线圈，底座侧壁的外表面对称设置吊耳。其特征是:所述底座上用耐火保温材料砌筑成冒口保温套，在冒口保温套外部垂直放置多组感应线圈，多组感应线圈通过水冷电缆连接三相工频电源柜，多组感应线圈与电源的接线方式采用三相六组或两相四组接法，多组感应线圈外部沿圆周方向上均布磁轭，磁轭外侧用不锈钢板进行夹持和紧固，不锈钢板焊接在支撑臂上，支撑臂固定在底座的凹槽内，冷却水系统与多组感应线圈相连接，由冷却水对多组感应线圈进行冷却。本发明中，所述多组感应线圈的结构相同，由异形截面纯铜管盘成螺旋状，靠近冒口侧的管壁厚度d=10-20mm，所述多组感应线圈外表面包有云母带，并涂有绝缘漆。本发明中，所述的钢锭冒口感应加热及电磁搅拌装置，电源频率为工频，电磁搅拌强烈，在电磁搅拌作用下，上平面的钢水翻滚会产生驼峰，将漂浮的夹杂物带入钢液中，为减少驼峰高度，使得上平面的钢水翻滚较为平稳，应降低线圈高度，要求多组感应线圈的总高度与冒口金属液的高度比为0.5-0.9之间。本发明中，所述磁轭由硅钢片垒叠而成，磁轭的截面形状为“匚”形，其封面不锈钢板与硅钢片接触部分用云母板隔开，磁轭与线圈之间用云母板紧实，以减少线圈振动，避免损坏感应线圈的绝缘层。磁轭主要起磁屏蔽作用，约束感应线圈的磁力线向外发散，既提高了感应加热效率，又可防止锭身铁模被感应加热而升温。本发明中，所述的底座材质为不锈钢，磁轭与底座之间留有间隙，且在间隙中填充绝热绝缘材料进行绝缘处理。本发明中，所述冒口保温套由耐火砖和绝热板组装而成，冒口保温套的壁厚为80-200mm,冒口保温套紧固在支撑结构上，以保证冒口保温套有足够强度抵抗冒口钢液的静水压力，同时保证冒口保温套与感应线圈之间无铁磁性材料。本发明中，热电偶包裹在刚玉保护管内，插入到冒口的金属液中，通过导线连接到无纸记录仪，检测记录冒口钢液的温度，反馈冒口部位的降温过程，根据反馈的信息调节工频电源的输入功率控制冒口凝固过程。本发明中，采用六组感应线圈垂直放置在冒口耐火保温材料外部，六组感应线圈，每两组线圈串联，通过水冷电缆接到三相工频电源柜，六组感应线圈的接线方式采用三相六组线圈接法。也可采用四组感应线圈垂直放置在冒口耐火保温材料外部，每两组线圈串联，通过水冷电缆接到三相工频电源柜，四组感应线圈的接线方式采用两相四组线圈接法。本发明中，冷却水系统为感应线圈提供冷却水，由冷却水对多组感应线圈进行冷却，在出水口设有测温装置 ，要求出水温度不高于55°C。本发明采用工频电源，在感应加热过程中所产生的热量基本上是由“热态涡流透入深度”内的金属液产生，而内部金属液的热量主要依靠热传导方式获得，“热态涡流透入深度”越大，感应加热的体积也就越大，而“热态涡流透入深度”与输入到线圈频率的1/2次方成反比，工频较中频相比，频率低，“热态涡流透入深度”深，加热的体积大，以1550°C碳钢为例，工频“热态涡流透入深度”为90mm，中频500Hz “热态涡流透入深度”为28mm，因此工频适用于钢锭大直径冒口的感应加热。本发明由于采用多相绕组线圈接到三相工频电源，接通电源后线圈会形成磁场，此磁场类型与中频感应加热的单相线圈绕组形成的磁场类型不同，钢水在此磁场作用下，中心部位金属液向上运动，外部金属液向下运动，使得金属熔体内部形成整体的环流，在钢液中心的上升流的带动下夹杂物充分上浮，这样有利于减少锭身内部的夹杂物，提高钢锭质量。本发明在感应加热过程中的加热、搅拌的强度和钢水的升温速率完全可以由输入感应圈的工频电源的功率来进行控制。本发明具有如下有益效果:本发明属于感应加热，在感应加热过程中，热量是由“热态涡流透入深度”内金属液直接生成的体积热，加热体积大，热效率高。通过感应线圈对冒口钢液感应加热，补偿钢锭凝固过程中冒口的热量损失，延长冒口钢液的凝固时间，保证冒口有足够的钢液对钢淀的淀身补缩，有利于减少冒口所占比例，提闻钢淀利用率。钢液中的电磁搅拌力和电源频率的平方根成反比，频率越低搅拌力越大，因此采用工频形成大的电磁搅拌力加速和改变熔体的运动状态，这种运动一方面有利于中心区域的高温熔体冲刷结晶前沿，促使结晶前沿枝晶的重新熔化，另一方面所产生的电磁搅拌力对生长的枝晶产生机械剪切力，使枝晶折断，这样防止了枝晶臂相互交错、跨接，保证了补缩通道的通畅，有效地免了二次缩孔的形成。采用感应加热，降低冒口钢液的温度下降的速度，为夹杂物上浮的提供了有利的温度条件，同时，本发明采用多组感应线圈连接到三相工频电源，在接通电源后，线圈形成磁场，钢液在此磁场作用下产生电磁搅拌效果，使得中心部位金属液向上运动，外部金属液向下运动，形成整体环流，在中心钢液上升流的带动下，促使熔体中的气体和夹杂物颗粒的充分上浮，减少钢液中的夹杂物，提高钢锭质量。本发明采用工频电源，设备简单容易实现，无需变频电源，可适应于不同吨位的钢锭冒口的保温加热。
图1为钢锭冒口感应加热及电磁搅拌装置结构示意图之主视 图2为钢锭冒口感应加热及电磁搅拌装置结构示意图之俯视图；· 图3为钢锭冒口感应加热及电磁搅拌装置(三相六组线圈)结构示意图 图4为钢锭冒口感应加热及电磁搅拌装置(两相四组线圈)结构示意 图5为钢锭冒口感应加热及电磁搅拌装置“匚”形磁轭结构示意 图6为钢锭冒口感应加热及电磁搅拌装置线圈的截面 图7为钢锭冒口感应加热及电磁搅拌装置三相六组线圈的电路接法示意 图8为钢锭冒口感应加热及电磁搅拌装置两相四组线圈的电路接法示意图。在上述附图中，1.钢锭冒口，2.冒口保温套，3.底座，4.支撑臂5.多组感应线圈，5a.六组感应线圈，5b.四组感应线圈，6.吊耳，7.工频电源柜，8.保温剂，9.冷却水系统，10.磁轭，11.热电偶，12.无纸记录仪。
具体实施例方式下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。实施例1
图3是本发明公开的钢锭冒口感应加热及电磁搅拌装置(三相六组线圈)的结构示意图，钢锭的质量137吨，材质为0Crl3Ni4Mo不锈钢，浇注温度1550°C。钢锭冒口重量为28吨，冒口下端面直径2550mm，冒口上端面2300mm，冒口高度1200mm。冒口保温套2壁厚为120mm,冒口保温套2由耐火砖和绝热板组装而成，冒口保温套紧固在支撑结构上，底座3侧壁外表面对称设置吊耳6。在底座3上放置冒口保温套2，在冒口保温套2的外部放置六组感应线圈5a，冒口保温套2与六组感应线圈5a之间无铁磁性材料，六组感应线圈5a由异形截面纯铜管盘成螺旋状，靠近冒口侧的管壁厚度d为20mm，其外表面包有云母带，并涂有绝缘漆，六组感应线圈5a中每两组线圈串联，再通过水冷电缆接到三相工频电源柜7。六组感应线圈5a与电源的接线方式为图7所示的三相六组线圈的电路接法，线圈内径均为2850mm,线圈总高度为950mm，线圈总高度与冒口金属液高度比为0.8，每组线圈之间的间距为20mm，并且用石棉板夹紧，感应线圈额定输入功率1300kW，感应器额定电压750V，变压器一次电压10000V，变压器二次电压750V。采用12组“匚”形磁轭10均布感应线圈周围。沿六组感应线圈5a圆周方向均布磁轭10，其中磁轭10与底座3之间留有间隙，在间隙之间填充绝热绝缘材料。磁轭10由硅钢片垒叠而成，磁轭10的截面形状为“匚”形，其封面不锈钢板与硅钢片接触部分用云母板隔开外侧用不锈钢板夹持紧固，通过焊接形式固定在4支撑臂上，支撑臂4通过凹槽与底座3连接。冷却水系统9与六组感应线圈5a连接，热电偶11外面包裹刚玉保护管，插入到冒口的金属液中，通过导线连接到无纸记录仪12，可对钢锭凝固过程中冒口的温度进行测定。在钢锭浇注前，通过吊耳6，将钢锭冒口感应加热及电磁搅拌装置放置在钢锭模上部，然后浇注钢锭。浇注完毕后，加入保温剂8，接着开通冷却水系统9为本装置提供冷却水，再接通工频电源柜7，使得六组感应线圈5a对冒口钢液进行感应加热补偿钢锭凝固过程中冒口的热量损失，并为冒口钢液电磁搅拌，改善了冒口钢液流动状态，促进夹杂物上浮。测温热电偶11包裹在壁厚为5_的刚玉保护管内，插入到钢锭冒口钢液之中，在感应加热过程中通过热电偶11和无纸记录仪12反馈钢锭冒口的温度，通过工频电源柜7调节输入到六组感应线圈5a的功率控制冒口凝固过程。钢锭凝固结束后，关闭电源，10分钟后再关闭冷却水系统9，通过吊耳6起吊钢锭冒口感应加热及电磁搅拌装置，再按照正常步骤完成钢锭的起吊和脱模工作。
实施例2
图4是本发明公开的钢锭冒口感应加热及电磁搅拌装置(两相四组线圈)结构示意图，钢锭的质量3吨，材质为0Crl3Ni4Mo不锈钢，浇注温度1550°C。钢锭冒口重量为0.5吨，冒口下端面直径550mm，冒口上端面500mm，冒口高度320mm。冒口保温套2壁厚为80mm，冒口保温套2由耐火砖制成，紧固在支撑结构上，底座3侧壁外表面对称设置吊耳6。在底座3上放置冒口保温套2，在冒口保温套2的外部放置四组感应线圈5b，冒口保温套2与四组感应线圈5b之间无铁磁性材料，四组感应线圈5b由异形截面纯铜管盘成螺旋状，靠近冒口侧的管壁厚度d为15mm，其外表面包有云母带，铜管之间涂有绝缘漆，四组感应线圈5b中每两组线圈串联，通过水冷电缆接到三相工频电源柜7。四组感应线圈5b与电源的接线方式为图8所示的两相四组线圈的电路接法，线圈内径均为750mm，线圈总高度为285mm，线圈高度与冒口金属液高度比为0.9，每组线圈之间的间距为25mm，感应线圈额定输入功率100kW，感应器额定电压380V。采用12组“匚”形磁轭10均布感应线圈5b周围。实施例2的其它部分与实施例1相同。
权利要求
1.一种钢锭冒口感应加热及电磁搅拌装置，包括底座(3)、支撑臂(4)、多组感应线圈(5)、热电偶(11)和无纸记录仪(12)，所述底座(3)侧壁的外表面对称设置吊耳(6)，其特征是:所述底座上用耐火保温材料砌筑成冒口保温套(2)，保温套(2)外部垂直放置多组感应线圈(5)，多组感应线圈(5)通过水冷电缆连接到三相工频电源柜(7)，多组感应线圈(5)与电源的接线方式采用三相六组或两相四组接法，在多组感应线圈(5)外部沿圆周方向上均布磁轭(10)，磁轭(10)外侧使用不锈钢板来夹持和紧固，将所述的不锈钢板焊接在支撑臂(4)上，支撑臂(4)固定在底座(3)的凹槽内，冷却水系统(9)与多组感应线圈(5)连接，由冷却水对多组感应线圈(5)进行冷却。
2.根据权利要求1所述的钢锭冒口感应加热及电磁搅拌装置，其特征是:所述多组感应线圈(5)的结构相同，由异形截面纯铜管盘成螺旋状，靠近冒口侧的管壁厚度d=10-20mm，所述多组感应线圈(5)外表面包有云母带，且涂有绝缘漆。
3.根据权利要求1或2所述的钢锭冒口感应加热及电磁搅拌装置，其特征是:所述多组感应线圈(5)总高度与冒口金属液的高度比在0.5-0.9之间。
4.根据权利要求1所述的钢锭冒口感应加热及电磁搅拌装置，其特征是:所述磁轭(10)由硅钢片垒叠而成，磁轭的截面形状为“匚”形，其封面不锈钢板与硅钢片接触部分用云母板隔开，磁轭(10)与多组感应线圈(5)之间用云母板紧实，以减少线圈振动，避免损坏感应线圈的绝缘层。
5.根据权利要求1或4所述的钢锭冒口感应加热及电磁搅拌装置，其特征是:所述底座(3)的材质为不锈钢，磁轭(10)与底座(3)之间留有间隙，且在间隙之间填充绝热绝缘材料。
6.根据权利要求1所述的钢锭冒口感应加热及电磁搅拌装置，其特征是:所述冒口保温套(2)由耐火 砖和绝热板组装而成紧固在支撑结构上，冒口保温套(2)的壁厚为80-200mm,与多组感应线圈(5)之间无铁磁性材料。
7.根据权利要求1所述的钢锭冒口感应加热及电磁搅拌装置，其特征是:所述热电偶(11)包裹在刚玉保护管内，插入到冒口的金属液中，通过导线连接无纸记录仪(12)记录冒口钢液的温度。
8.根据权利要求1或2所述的钢锭冒口感应加热及电磁搅拌装置，其特征是:所述多组感应线圈(5)可采用六组感应线圈垂直放置在冒口保温套(2)外部，六组感应线圈每两组线圈串联，通过水冷电缆接到三相工频电源柜(7)，六组感应线圈的接线方式采用三相六组线圈接法；也可采用四组感应线圈垂直放置在冒口保温套(2)外部，每两组线圈串联，通过水冷电缆接到三相工频电源柜(7)，四组感应线圈的接线方式采用两相四组线圈接法。
9.根据权利要求1所述的钢锭冒口感应加热及电磁搅拌装置，其特征是:所述冷却水系统(9)为多组感应线圈(5)提供冷却水，在出水口设有测温装置，要求出水温度不高于55。。。
全文摘要
本发明公开了一种钢锭冒口感应加热及电磁搅拌装置，可用于黑色及有色金属材料铸锭冒口部位的加热保温及电磁搅拌。该装置在钢锭的冒口保温套(2)外部垂直放置多组感应线圈(5)，通过水冷电缆连接三相工频电源柜(7)，多组感应线圈(5)外部沿圆周方向上均布磁轭(10)。接通电源后，在钢锭冒口周围形成磁场，对冒口钢液进行感应加热，补偿钢锭凝固过程中冒口的热量损失，延缓冒口的凝固进程，提高冒口补缩能力。同时，金属熔体在此磁场作用下产生电磁搅拌的效果，形成钢锭中心部位金属液向上运动，外部金属液向下运动的环流，有利于排除熔体中的气体和夹杂物。两种物理过程交互作用，减少钢锭中心疏松和偏析现象，提高钢锭质量。
文档编号B22D7/10GK103212675SQ20131015884
公开日2013年7月24日 申请日期2013年5月3日 优先权日2013年5月3日
发明者王明家, 顾涛, 周宣, 马千, 黄晶, 刘玉明, 许元涛 申请人:燕山大学