搅拌区域可调的电磁搅拌装置及方法与流程

本发明涉及连铸电磁搅拌技术，特别涉及一种搅拌区域可调的电磁搅拌装置及方法。

背景技术：

为了提高连铸板坯的表面和内部质量，在连铸生产过程中往往会采用电磁搅拌工艺，即通过在搅拌器内部线圈中施加交流电感应产生一个交变磁场，该交变磁场会在液态金属中感生出感应电流，感应产生的电流与交变磁场相互作用产生洛仑兹力，洛仑兹力推动液态金属流动，达到搅拌金属液的目的。流动的金属液对凝固前的板坯进行冲刷，有利于枝晶间的夹杂物和气泡上浮，能有效改善铸坯的内部缺陷；另外，电磁搅拌使液态金属内部的温度和成分更加均匀，有利于细化晶粒，提高等轴晶率等。因此，人们对电磁搅拌进行了广泛的研究，提出了许多专利技术。

特别是针对板坯连铸，由于其宽厚比较大，往往采用行波电磁搅拌。

专利CN86101657、CN200910226351.3、US4582110、US5279351A提出的搅拌技术均为将旋转磁场发生装置用于方坯和圆坯的电磁搅拌，不适于板坯连铸过程的搅拌；专利CN87104014提出的电磁搅拌装置产生螺旋磁场，有利于气泡和夹杂物的上浮，可用于方坯和圆坯 的电磁搅拌，其搅拌形式和对流场的作用在板坯连铸中存在一定的局限性。

专利JP57017355A公开了一种针对板坯的行波电磁搅拌器，沿板坯结晶器宽边的两侧分别布置一个线性搅拌器，两个搅拌器的搅拌方向相反，因此能够在结晶器内形成一个完整的环流。这种搅拌方式能够有效改善板坯宽面的表面质量。其缺点是搅拌方式单一，无法对板坯的角部形成有效的搅拌，对于改善板坯搅拌裂纹等缺陷的效果不明显。

专利CN96121903.3提出沿板坯结晶器宽边的两侧各布置两个搅拌器，每侧的两个搅拌器分别覆盖1/2个结晶器宽面。可施加不同电流产生不同分布的磁场分布，从而能在传统的环形搅拌基础上增加了从结晶器中心向窄边以及从结晶器窄边向中心的搅拌方式，该方法具有一定的可调性，能够适应更多的工况条件。但还是无法对板坯的角部形成有效的搅拌。

专利CN200910302486.3提出将结晶器内至少分为4个磁场区域，通过组合，可实现单一旋转、电磁减速、电磁加速、两区旋转和四区旋转这五种搅拌模式的感应器。旋转搅拌一方面有利于气泡和夹杂物向中心聚集、去除；另一方面，旋转搅拌能够深入液芯，能向下增大搅拌区域。该专利中的四区旋转搅拌能够针对角部形成一定程度的搅拌，但是却将结晶器中部的主搅拌区域一分为二，不利于搅拌区域的深入。另外，该方法所述的4个磁场区域的磁场大小和方向可调节，但是磁场区域的大小却相对固定。针对连铸生产过程中不同规格的板坯，其宽度变化频繁，磁场区域相对固定的电磁搅拌方法无法兼容多规格的板坯生产。

技术实现要素：

鉴于以上描述，有必要开发一种既能在结晶器的中部主搅拌区域形成环形旋转搅拌，又能对板坯角部形成有效搅拌，还能兼容多规格、多宽度的板坯生产的电磁搅拌器及控制方法。对于稳定连铸生产工艺，有效改善板坯角裂缺陷、提高板坯质量，减少设备投入成本均有重要意义。

本发明提供了一种搅拌区域可调的电磁搅拌装置，用于板坯连铸机结晶器，包括磁场发生器和多个开关，所述磁场发生器包括对应设置于所述结晶器的两个宽面外侧的两个铁芯，各所述铁芯的长度不小于所述结晶器的宽面的长度，每个所述铁芯上分别设置位置对应的多个线圈(即两个铁芯上的线圈的位置相互对应)，各所述线圈的进线和出线通过所述开关连接到外部电源。

优选地，各所述开关为换相开关，所述换相开关的输入端连接到所述外部电源的三相线，其输出端连接到与其对应的所述线圈的进线和出线。

优选地，所述电磁搅拌装置还包括控制单元，所述控制单元控制所述开关的闭合和断开。

可选地，所述电磁搅拌装置还包括控制单元，所述控制单元控制所述换相开关的闭合、断开、以及输入端的相位。

优选地，所述铁芯为具有多个齿槽的硅钢片，各所述线圈缠绕在各所述齿槽内。

本发明还提供了一种搅拌区域可调的电磁搅拌方法，其上述的搅拌区域可调的电磁搅拌装置，其通过控制各所述开关的闭合和断开，来控制通电的所述线圈的个数，从而控制对板坯的搅拌区域的大小。进一步地，根据板坯的宽度来控制各所述开关的闭合和断开，使得所述搅拌区域的大小与所述板坯的宽度匹配。

优选地，通过控制各所述换相开关的输入端的相位，来控制各所述线圈的磁场方向，从而控制与各所述线圈的对应的各搅拌单元的搅拌方向。进一步地，控制各所述搅拌单元的搅拌方向，使得与板坯的两个角部位置对应的多个所述搅拌单元的搅拌方向为第一方向，与板坯的中部位置对应的多个所述搅拌单元的搅拌方向为第二方向，所述第一方向与所述第二方向相反。

优选地，通过控制所述外部电源的电流大小，来控制所述线圈的磁场强度，从而控制电磁搅拌的搅拌强度。

本发明提出了一种搅拌区域可调的电磁搅拌装置及方法，该装置由磁场发生器、换相开关和控制单元构成。

其中，磁场发生器分布在结晶器的宽面的两侧，其长度与结晶器的宽面的长度相等(可以理解的是，也可以大于结晶器的宽面的长度)。磁场发生器的内部线圈绕在具有齿槽的硅钢片上，每一个线圈的进线和出线均引出，与外部的换相开关连接，然后连接在外部电源上。换相开关的闭合、断开、以及相位选择可以由人工控制，也可以由控制单元控制。通过控制接入线圈的数量来实现磁场区域的可调节，通过控制输入电流的大小控制磁场大小，通过控制换相开关的选择对磁场搅拌方向进行调节。

为实现既能在结晶器的中部主搅拌区域形成环形旋转搅拌，又能对板坯角部形成有效搅拌的目的，可以通过控制换相开关的相位选择，使得板坯的两个角部的旋转搅拌方向与主搅拌区的旋转搅拌方向相反。

根据不同的板坯规格，计算出需要接入的线圈数量。当板坯宽度变窄时，减少接入的线圈数量；调整接入线圈的相位，将相应的搅拌区域成比例的缩小，维持主搅拌区域与角部搅拌区域的搅拌形态不变。当板坯宽度变宽时，增加接入的线圈数量；调整接入线圈的相位，将相应的搅拌区域成比例的扩大，维持主搅拌区域与角部搅拌区域的搅拌形态不变。

根据不同的工况，可以分别调整主搅拌线圈和角部搅拌线圈的电流大小。可分别实现主搅拌区域、角部搅拌区域强度控制，形成不同的搅拌模式。

附图说明

图1为板坯结晶器电磁搅拌结构示意图；

图2为实施宽板坯结晶器电磁搅拌结构示意图；

图3为实施窄板坯结晶器电磁搅拌结构示意图。

附图标记说明：

1-电源，2-换相开关，3-线圈，4-铁芯，5-结晶器的宽面，6-结晶器的窄面，7-钢液，8-主搅拌区域，9-角部搅拌区域。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明的搅拌区域可调的电磁搅拌装置及方法作进一步的详细描述，但不作为对本发明的限定。

如图1所述，线圈3绕制在带有齿槽的铁芯4上构成了磁场发生器，每三个线圈为一组，其引出线与对应的换相开关2连接，由电源1进行供电。这样，通过控制各换相开关2的闭合和断开，来控制通电的线圈的个数，从而控制对板坯的搅拌区域的大小。

例如，将结晶器的宽面5的一侧的铁芯4上的靠近一端的1～3号线圈所连接的换相开关2与电源1断开、并且将靠近另一端的28～30号线圈所连接的换相开关2与电源1断开，其他的换相开关2均闭合。将结晶器的宽面5的另一侧的铁芯4上的线圈3的通电情况与与之位置相对应的线圈3的通电情况做相同的处理。如此，使得电磁搅拌的搅拌区域的宽度与4号线圈到27号线圈的距离大致相同，此时的搅拌区域的宽度小于结晶器的宽面的长度。

因此，通过以上方式，可以根据板坯的宽度来控制各个换相开关2的闭合和断开，使得搅拌区域的大小与板坯的宽度相匹配。

另一方面，还可以通过控制各个换相开关2的输入端的相位，来控制各线圈3的磁场方向，从而控制与各线圈3对应的各个搅拌单元的搅拌方向。搅拌单元是指两侧的铁芯4上位置对应的两个线圈3之间的一块钢液7的子搅拌区域。

例如，将结晶器的宽面5的一侧的铁芯4上的4～6号线圈和25～27号线圈连接的换相开关2的相序设置为U、V、W，结晶器另一侧 的铁芯4上的4～6号线圈和25～27号线圈连接的换相开关2的相序设置为与之相反的W、V、U，使得4～6号线圈和25～27号线圈所对应的搅拌单元的搅拌方向为逆时针方向，即形成角部搅拌区域9。同时，将一侧的铁芯4上的7～24号线圈连接的换相开关2的相序设置为W、V、U，另一侧的铁芯4上的7～24号线圈连接的换相开关2的相序设置为U、V、W，使得7～24号线圈所对应的搅拌单元的搅拌方向为顺时针方向，即形成主搅拌区域8。

因此，可以通过控制各换相开关的相序，从而搅拌单元的搅拌方向，使得与板坯的两个角部位置对应的多个搅拌单元的搅拌方向为第一方向，形成角部搅拌区域9，与板坯的中部位置对应的多个搅拌单元的搅拌方向为第二方向，形成主搅拌区域8。其中，第一方向与第二方向相反，角部搅拌区域9能对板坯的角部形成有效的搅拌，主搅拌区域8能深入液芯，起到较好的搅拌效果。

当然，本领域技术人员可以理解的是，板坯的搅拌区域也可以不区分主搅拌区域8和角部搅拌区域9，即所有的换相开关2的相序均相同，整个搅拌区域的搅拌方向一致。

其中，形成角部搅拌区域9的线圈和形成主搅拌区域8的线圈可以由电源A和电源B分别供电。电源A和电源B采用同步技术，能够保证两个电源同时启动、换相和停止。进而确保结晶器内流场状态的稳定。

由于形成角部搅拌区域9的线圈由电源A供电，形成主搅拌区域8的线圈由电源B供电，因此，可以通过分别调整电源A和B的输入电流大小，来分别调整角部搅拌区域9和主搅拌区域8的搅拌强度。

实施例1：

当生产板坯为宽规格时，如图2所示，结晶器的窄边6分别向结晶器两端移动，板坯的宽度增加，将板坯两侧的1～3号线圈和28～30号线圈与换相开关连接。

将结晶器一侧的1～3号线圈和28～30号线圈分别连接在两端的换相开关上，由智能控制单元将换相开关的相序设置为U、V、W；结晶器另一侧的线圈1～3号线圈和28～30号线圈分别连接在两端的换相开关上，由智能控制单元将换相开关相序设置为W、V、U；所述的线圈由电源A供电。

将结晶器一侧的4～27号线圈每三个线圈为一组分别连接在相对应的换相开关上，由智能控制单元将换相开关的相序设置为W、V、U；结晶器另一侧的4～27号线圈每三个线圈为一组分别连接在相对应的换相开关上，由智能控制单元将换相开关的相序设置为U、V、W所述的线圈由电源B供电。

设置电流参数，开启电源1，获得所需要的搅拌模式。

实施例2：

当生产板坯为窄规格时，如图3所示，结晶器的窄边6分别向结晶器中心移动，板坯的宽度减小。将板坯两侧的1～6号线圈和25～30号线圈分别与换相开关断开连接。

将结晶器一侧的7～9号线圈和22～24号线圈分别连接在两端的换相开关上，由智能控制单元将换相开关的相序设置为U、V、W；结晶器另一侧的线圈7～9号线圈和22～24号线圈分别连接在两端的换相开关上，由智能控制单元将换相开关相序设置为W、V、U；所述的线圈由电源A供电。

将结晶器一侧的10～21号线圈每三个线圈为一组分别连接在相对应的换相开关上，由智能控制单元将换相开关的相序设置为W、V、U；结晶器另一侧的10～21号线圈每三个线圈为一组分别连接在相对应的换相开关上，由智能控制单元将换相开关的相序设置为U、V、W所述的线圈由电源B供电。

设置电流参数，开启电源1，获得所需要的搅拌模式。

本发明搅拌区域可调的电磁搅拌装置及控制方法，一方面，能在结晶器的中部主搅拌区域形成环形旋转搅拌，又能对板坯角部形成有效搅拌；另一方面，通过调节电流大小，可以对角部加强搅拌模式和/或中心加强模式可以选择；最主要的是能兼容多规格、多宽度的板坯生产。在板坯宽度发生变化时，仍能保持最佳的流场状态。当板坯的宽度小于结晶器的宽度时，搅拌器两端多余的线圈处于断开状态，能大大的减少能耗。因此采用本发明提出的搅拌区域可调节的电磁搅拌装置及控制方法，有效解决板坯搅拌裂纹缺陷。

以上具体实施方式仅为本发明的示例性实施方式，不能用于限定本发明，本发明的保护范围由权利要求书限定。本领域技术人员可以在本发明的实质和保护范围内，对本发明做出各种修改或等同替换，这些修改或等同替换也应视为落在本发明的保护范围内。