專利名稱：連鑄坯縱向電磁攪拌裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及對連鑄坯內(nèi)部鋼水進(jìn)行縱向電磁攪拌的裝置。
背景技術(shù)：
目前，國際上因質(zhì)量要求，積極采用連鑄坯電磁攪拌技術(shù)，這種技術(shù)已成為連鑄技術(shù)研究的熱門話題。據(jù)不完全統(tǒng)計，我國現(xiàn)有連鑄設(shè)備1260流，其中，安裝了電磁攪拌設(shè)備的僅占8％，而在運行的電磁攪拌設(shè)備才只占4～5％左右。造成這種局面的原因有二一是大多數(shù)電磁攪拌設(shè)備為國外進(jìn)口，其價格昂貴，每流約20～30萬美元；二是絕大多數(shù)電磁攪拌設(shè)備為水平旋轉(zhuǎn)磁場式，改善連鑄鋼坯質(zhì)量的效果不甚明顯。具體表現(xiàn)在(1)當(dāng)對鋼水進(jìn)行旋轉(zhuǎn)式電磁攪拌時，水平旋轉(zhuǎn)的鋼水雖然可以攪亂橫向的柱狀晶的形成，但并不有利于縱向的等軸晶的生長；(2)鋼水橫向旋轉(zhuǎn)，產(chǎn)生離心力，加劇了鋼坯中間的疏松和縮孔；(3)鋼水橫向旋轉(zhuǎn)并不有利于夾渣的上??；(4)產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場的定子線圈的六個繞組的體積過大，發(fā)熱嚴(yán)重，必須浸泡在軟化水中，導(dǎo)致線圈壽命短(一般在一年左右)。加之水軟化設(shè)備昂貴，更增加了連鑄設(shè)備的成本；(5)無論是在旋轉(zhuǎn)磁場式電磁攪拌裝置還是行波式縱向電磁攪拌裝置中，都需要三相乃至更多相的超低頻交流逆變電源。這類電源的造價高昂(約幾十萬元人民幣至幾百萬元人民幣)，而且設(shè)備復(fù)雜，故障率高，更不易維修。

發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明目的是解決現(xiàn)有設(shè)備成本高、體積大、線圈壽命短、和連鑄坯質(zhì)量不可靠的問題，提供一種對連鑄坯內(nèi)部鋼水進(jìn)行環(huán)抱擠壓的縱向電磁攪拌裝置。
本發(fā)明提供的對連鑄坯內(nèi)部鋼水進(jìn)行環(huán)抱擠壓的縱向電磁攪拌裝置，主要由感應(yīng)線圈和交流電源兩部分構(gòu)成，感應(yīng)線圈由作為導(dǎo)線的金屬導(dǎo)電管纏繞在結(jié)晶器上形成螺線管感應(yīng)器，金屬導(dǎo)電管內(nèi)通入冷卻液，并接在交流電源上。
金屬導(dǎo)電管為銅管，冷卻液為水。
上述交流電源為超低頻交流電源，由整流電路I和控制電路II構(gòu)成；整流電路I由兩組反向并聯(lián)的正可控橋R和反可控橋N及平波電抗器Ld和電流傳感器H組成，平波電抗器Ld、電流傳感器H和感應(yīng)線圈L串聯(lián)后，連接在兩組反向并聯(lián)的正可控橋R和反可控橋N的輸出端7和輸出端8，正可控橋R和反可控橋N通過變壓器連接外部交流電源，其整流元件為功率半導(dǎo)體元件；控制電路II由波峰計數(shù)電路J、分配電路F、正橋觸發(fā)電路Rc、反橋觸發(fā)電路Nc和電流調(diào)整電路w組成，其中分配電路F決定正反可控橋的工作流程和超低頻電流的頻率；分配電路F對來自波峰計數(shù)電路J的信號以及由電流傳感器H檢測的線圈L的電流過零信號進(jìn)行處理，并分別通過反封鎖口1、正整流端口2、正移相口3、正封鎖口4、反整流端口5和反移相口6依次循環(huán)輸出反橋封鎖指令、正橋整流指令、正橋拉逆變指令、正橋封鎖指令、反橋整流指令和反橋拉逆變指令；這些指令經(jīng)正橋觸發(fā)電路Rc、反橋觸發(fā)電路Nc來控制兩個反向并聯(lián)的正可控橋R和反可控橋N的交替工作狀態(tài)；連接在正可控橋R和反可控橋N之間的電流調(diào)整電路W通過改變正、反橋觸發(fā)電路觸發(fā)脈沖的觸發(fā)角來控制整流電路I的輸出電流強度。
正可控橋R和反可控橋N中的功率半導(dǎo)體元件為可控硅、IGBT或GTO。
本發(fā)明的優(yōu)點和積極效果本發(fā)明的第一個特點是螺線管型縱向電磁攪拌方式，該方式的攪拌感應(yīng)線圈采用空心銅管制作，銅管內(nèi)通水冷卻，并以螺線管的形式纏繞在結(jié)晶器上。當(dāng)交變電流通過線圈時，線圈所包圍的空間內(nèi)產(chǎn)生縱向交變磁場，磁場方向與結(jié)晶器的軸向一致。根據(jù)電磁感應(yīng)原理，縱向交變磁場在連鑄坯的鋼水中感生出橫向環(huán)流。輸入的交變電流的頻率越低(0～50Hz)，其趨膚效應(yīng)越弱，也就會有更多的感生電流滲入到鋼水之中。由電磁感應(yīng)定律可知，環(huán)行橫向流動的感生電流與縱向交變磁場相互作用會產(chǎn)生指向連鑄坯軸心的力。鋼水在該力的環(huán)抱擠壓下流向表面，到達(dá)鋼水上表面后，再向下回流，從而形成上下行縱向環(huán)流。上下行環(huán)流都具有增加等軸晶和減少連鑄坯中間組織疏松和縮孔的良好作用。由于連鑄坯內(nèi)鋼水必先經(jīng)過上行環(huán)流后才進(jìn)入下行環(huán)流，鋼水經(jīng)過上行環(huán)流作用，大部分夾渣已被去除。
本發(fā)明之縱向攪拌方式較之傳統(tǒng)旋轉(zhuǎn)磁場式攪拌有如下五點顯著優(yōu)點(1)縱向流動的鋼水更有利于擴大等軸晶帶，增加鋼坯強度；(2)鋼水受到向心洛倫茲力的環(huán)抱擠壓，可明顯減小連鑄坯中間的疏松和縮孔；(3)上行環(huán)流鋼水中的夾渣在上行鋼水的裹挾下上浮，到達(dá)結(jié)晶器的上表面。由于夾渣比鋼水輕，所以，當(dāng)鋼水向下回流時，因浮力作用，使更多的夾渣擺脫了鋼水的裹挾而浮在結(jié)晶器的上表面，促進(jìn)了夾渣的去除；(4)螺線管感應(yīng)器的感應(yīng)線圈只有一個，其體積遠(yuǎn)比具有六個線圈的旋轉(zhuǎn)磁場式攪拌感應(yīng)器小很多。這樣一來，感應(yīng)線圈就可采用通水冷卻的空心銅管繞制，而不必將感應(yīng)器線圈浸泡在軟化水中，大大延長了感應(yīng)線圈的壽命，同時也省去了價格昂貴的水軟化裝置；(5)結(jié)構(gòu)簡單，成本低，維修容易。
總之，與傳統(tǒng)的旋轉(zhuǎn)磁場式電磁攪拌方式相比，本發(fā)明的縱向攪拌方式不僅提高了鋼坯質(zhì)量，而且相應(yīng)設(shè)備造價僅為同類設(shè)備的四分之一至十分之一，所以應(yīng)用前景十分廣闊。
本發(fā)明的第二個特點是提供了一種新型的超低頻電源，該電源由整流電路和主控電路構(gòu)成，結(jié)構(gòu)簡單、造價低廉、工作可靠。與傳統(tǒng)的三相或更多相的交流供電方式不同，本發(fā)明只有一個單相交流電源。為使電源盡可能簡單可靠，我們擯棄了傳統(tǒng)逆變器及調(diào)諧振蕩電路，而是采用了由兩組反并聯(lián)的可控橋構(gòu)成的整流電路。在主控電路指令控制下，其正可控橋向攪拌感應(yīng)線圈輸送正向電流，而反可控橋向攪拌感應(yīng)線圈輸送反向電流。這兩組可控橋交替工作，產(chǎn)生交變電流輸出，其頻率在0～50Hz范圍內(nèi)逐步可調(diào)。
這種獨特的交流供電方式與連鑄坯電磁攪拌所需要的超低頻率密切相關(guān)。根據(jù)可控橋的工作原理，這兩臺正反并聯(lián)可控橋的交替轉(zhuǎn)換頻率，即超低頻電源的輸出頻率必須小于每一臺可控橋所輸入的市電頻率(即小于50Hz)；另一方面，為使感生電流克服趨膚效應(yīng)而滲入到鋼水內(nèi)部，超低頻電源的頻率必須很低，一般應(yīng)在0～50Hz，甚而在0～10Hz范圍調(diào)整。這一點正好與正反并聯(lián)可控橋的輸出頻率特性相吻合。

圖1是螺線管感應(yīng)器；圖2是圖1的縱向剖面圖；圖3是連鑄坯內(nèi)部鋼水縱向電磁攪拌裝置控制電路方框圖；圖4是連鑄坯內(nèi)部鋼水縱向電磁攪拌裝置實施例參考電路原理圖；圖5是各種指令脈沖波形圖。
具體實施例實施例1如圖1和圖2所示，螺線管感應(yīng)器是由線圈L纏繞在結(jié)晶器1上構(gòu)成，工作中為減少線圈發(fā)熱，線圈采用銅管繞制，銅管內(nèi)通冷卻水。將超低頻交變電流輸入到螺線管感應(yīng)器的線圈L上，于是在結(jié)晶器1的鋼水中感應(yīng)出縱向交變磁場2和環(huán)行電流3?？v向交變磁場2與環(huán)行電流3相互作用，產(chǎn)生對鋼水的環(huán)抱擠壓作用力，最終形成鋼水縱向上環(huán)流4和下環(huán)流5。
圖3是連鑄坯內(nèi)部鋼水環(huán)抱擠壓縱向電磁攪拌裝置的電路原理框圖。它由螺線管感應(yīng)器線圈L和與其連接的超低頻交流電源兩部分構(gòu)成，而超低頻交流電源由整流電路I和控制電路II構(gòu)成。
整流電路I包括兩組反向并聯(lián)的正可控整流橋R、反可控整流橋N和平波電抗器Ld。正可控整流橋R向螺線管感應(yīng)器線圈L提供正半周電流(此時，反可控整流橋N關(guān)閉)，而反可控整流橋N則提供負(fù)半周電流(此時，正可控整流橋R關(guān)閉)。由于螺線管感應(yīng)器線圈L兩端并接到反向并聯(lián)的可控整流橋R和N上，因此，通過這兩個正反可控整流橋的交替工作，于是在線圈L上就產(chǎn)生了超低頻交變電流?；陔姶鸥袘?yīng)原理，本裝置可對連鑄坯內(nèi)部鋼水實施縱向電磁攪拌。平波電抗器Ld起限制可控整流橋輸出電流的上升率的作用，其電感值為0～100mH左右。平波電抗器可以采用一個，也可以采用兩個或多個以更有效的限制電流的上升率。
控制電路II控制整流電路I的整流、拉逆變及輸出的超低頻交流電的強度和頻率。如圖3所示，控制電路II由霍爾電流傳感器H、波包個數(shù)計數(shù)電路J、指令分配電路F、正橋觸發(fā)電路Rc、反橋觸發(fā)電路Nc和輸出電流強度調(diào)整電路W組成，其中指令分配電路F與波包個數(shù)計數(shù)電路J決定正反可控整流橋的工作順序和超低頻交流電的頻率。
由于螺線管感應(yīng)器線圈L兩端并接到反向并聯(lián)的可控整流橋R和N上，因此，控制電路必須保證這兩個正反可控整流橋可靠地處于交替工作狀態(tài)，即當(dāng)正可控整流橋R處于整流或拉逆變狀態(tài)向螺線管感應(yīng)器線圈L提供正半周電流時，必須保證反可控整流橋N處于關(guān)閉狀態(tài)；反之，當(dāng)反可控整流橋N處于整流或拉逆變狀態(tài)輸出負(fù)半周電流時，則必須保證正可控整流橋R可靠的關(guān)閉。否則，反向并聯(lián)的可控整流橋R和N將會發(fā)生短路，造成事故。為此在超低頻交流電饋線上安裝了兩個霍爾電流傳感器H1和H2，其中H1正套裝在饋線上，而H2反套裝在饋線上。當(dāng)螺線管感應(yīng)器線圈L上通有正半周電流時，電流傳感器H1將輸出高電平信號，同時由于電流傳感器H2反套裝在饋線上，則輸出低電平信號。同理，當(dāng)螺線管感應(yīng)器線圈L上通有負(fù)半周電流時，由于電流傳感器H2反套裝在饋線上，故而將輸出高電平信號，H1將輸出低電平信號。H1和H2分別將檢測信號反饋到控制電路II的指令分配電路F中，以實現(xiàn)對這兩個正反可控整流橋的交替工作狀態(tài)進(jìn)行控制。
下面結(jié)合具體實施例之圖4，對連鑄坯內(nèi)部鋼水進(jìn)行縱向電磁攪拌裝置的原理詳述如下
如圖4所示，當(dāng)電感線圈L上的反向電流過零后，霍爾電流傳感器H1輸出高電平，該電平經(jīng)由三極管T1、T2、T3組成的整形放大電路整形放大后，輸入到D型觸發(fā)器D1的R端，使D型觸發(fā)器D1的R=1。與此同時，霍爾電流傳感器H2輸出低電平，該脈沖經(jīng)由三極管T4、T5、T6組成的整形放大電路整形放大后，輸入到D型觸發(fā)器D1的S端，使D型觸發(fā)器D1的S＝0，于是D型觸發(fā)器D1的Q＝0、Q＝1，該指令分別送至反橋觸發(fā)電路Nc的封鎖端口1和正橋觸發(fā)電路Rc的封鎖端口2。Q＝0指令使反橋觸發(fā)電路Nc關(guān)斷反可控整流橋N，同時Q＝1指令使正橋觸發(fā)電路Rc產(chǎn)生整流觸發(fā)脈沖，控制正可控整流橋R開始整流，于是線圈L上將產(chǎn)生正向脈動電流。D型觸發(fā)器D1的Q＝1指令同時輸入到D型觸發(fā)器D3的R端，使R＝1又因S端接地而S＝0，于是D型觸發(fā)器D3的Q＝0、Q＝1，又因D與Q相連從而D＝1。D型觸發(fā)器D1的Q＝1指令還經(jīng)或門1接入波包個數(shù)計數(shù)電路J，使其開始對三相電的波包個數(shù)計數(shù)，該波包數(shù)也就是正可控整流橋R整流輸出的正向脈動電流的波包個數(shù)。當(dāng)波包個數(shù)達(dá)到由本裝置輸出超低頻電流半個周期所要求的個數(shù)時，波包個數(shù)計數(shù)電路J發(fā)出一正脈沖，通過與門2輸入D型觸發(fā)器D2的cp端，因D型觸發(fā)器D2的R＝S＝0，使Q復(fù)制D(此時D＝1)而置1，該指令經(jīng)與非門4輸入正橋觸發(fā)電路Rc移相端口3，使正可控整流橋R處于拉逆變狀態(tài)，于是線圈L的電流逐漸降低為零。
當(dāng)電感線圈L正向電流過零時，霍爾電流傳感器H輸出檢測脈沖，該脈沖經(jīng)整形放大后輸入到D型觸發(fā)器D1的R和S端，使D型觸發(fā)器D1的R＝0、S＝1，則D型觸發(fā)器D1的Q＝0、Q＝1。該指令分別送至正橋觸發(fā)電路Rc的封鎖端口2和反橋觸發(fā)電路Nc的封鎖端口1，使正橋觸發(fā)電路Rc關(guān)斷正可控整流橋R，同時使反橋觸發(fā)電路Nc產(chǎn)生整流觸發(fā)脈沖，控制反可控整流橋N開始整流，于是線圈L上將產(chǎn)生反向脈動電流。
D型觸發(fā)器D1的Q＝1指令同時經(jīng)或門1接入波包個數(shù)計數(shù)電路J，使其對三相電的波包個數(shù)開始計數(shù)。當(dāng)波包個數(shù)達(dá)到由本裝置輸出的超低頻電流半個周期所要求的個數(shù)時，波包個數(shù)計數(shù)電路J發(fā)出一正脈沖。該脈沖通過與門3輸入D型觸發(fā)器D3的cp端，因D型觸發(fā)器D3的R＝S＝0，使得Q復(fù)制D(此時D＝1)而置1。該指令經(jīng)與非門5輸入反橋觸發(fā)電路Rc移相端口4，使反可控整流橋N處于拉逆變狀態(tài)，于是線圈L的反向電流逐漸降低為零，完成一個超低頻交流電流周期。如此循環(huán)上述過程，本裝置即可在電感線圈L上產(chǎn)生超低頻交流電輸出，超低頻交流電的頻率可通過預(yù)先設(shè)定波包個數(shù)計數(shù)電路J來調(diào)整。
控制電路II中的正橋觸發(fā)電路Rc和反橋觸發(fā)電路Nc采用標(biāo)準(zhǔn)的三相全波可控硅整流觸發(fā)電路。控制電路II中的波包個數(shù)計數(shù)電路J也是采用標(biāo)準(zhǔn)的脈沖計數(shù)電路。
電流調(diào)整電路W是通過改變正、反橋觸發(fā)電路觸發(fā)脈沖的觸發(fā)角來控制整流電路I輸出的電流強度。
圖5示出了上述流程的D型觸發(fā)器D1的R和S端輸入波形、反橋封鎖指令1、正橋封鎖指令2、正橋拉逆變指令3、和反橋拉逆變指令4的脈沖波形圖。
權(quán)利要求
1.一種對連鑄坯內(nèi)部鋼水進(jìn)行環(huán)抱擠壓的縱向電磁攪拌裝置，主要由感應(yīng)線圈和交流電源兩部分構(gòu)成，其特征是感應(yīng)線圈由作為導(dǎo)線的金屬導(dǎo)電管纏繞在結(jié)晶器上形成螺線管感應(yīng)器，金屬導(dǎo)電管內(nèi)通入冷卻液，并接在交流電源上。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的縱向電磁攪拌裝置，其特征是金屬導(dǎo)電管為銅管，冷卻液為水。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的縱向電磁攪拌裝置，其特征是所述的交流電源為超低頻交流電源，由整流電路I和控制電路II構(gòu)成；整流電路I由兩組反向并聯(lián)的正可控橋R和反可控橋N及平波電抗器Ld和電流傳感器H組成，平波電抗器Ld、電流傳感器H和感應(yīng)線圈L串聯(lián)后，連接在兩組反向并聯(lián)的正可控橋R和反可控橋N的輸出端7和輸出端8，正可控橋R和反可控橋N通過變壓器連接外部交流電源，其中整流元件為功率半導(dǎo)體元件；控制電路II由波峰計數(shù)電路J、分配電路F、正橋觸發(fā)電路Rc、反橋觸發(fā)電路Nc和電流調(diào)整電路w組成，其中分配電路F決定正反可控橋的工作流程和超低頻電流的頻率；分配電路F對來自波峰計數(shù)電路J的信號以及由電流傳感器H檢測的線圈L的電流過零信號進(jìn)行處理，并分別通過反封鎖口1、正整流端口2、正移相口3、正封鎖口4、反整流端口5和反移相口6依次循環(huán)輸出反橋封鎖指令、正橋整流指令、正橋拉逆變指令、正橋封鎖指令、反橋整流指令和反橋拉逆變指令；這些指令經(jīng)正橋觸發(fā)電路Rc、反橋觸發(fā)電路Nc來控制兩個反向并聯(lián)的正可控橋R和反可控橋N的交替工作狀態(tài)；連接在正可控橋R和反可控橋N之間的電流調(diào)整電路W通過改變正、反橋觸發(fā)電路觸發(fā)脈沖的觸發(fā)角來控制整流電路I的輸出電流強度。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的縱向電磁攪拌裝置，其特征在于正可控橋R和反可控橋N中的功率半導(dǎo)體元件為可控硅、IGBT或GTO。
全文摘要
一種對連鑄坯內(nèi)部鋼水進(jìn)行環(huán)抱擠壓的縱向電磁攪拌裝置。它由螺線管感應(yīng)器和與其連接的超低頻交流電源兩部分構(gòu)成。作為導(dǎo)線的銅管纏繞在結(jié)晶器上，構(gòu)成螺線管感應(yīng)器，銅管內(nèi)通水冷卻。超低頻交流電源由整流電路和控制電路兩部分組成，整流電路包括兩組反向并聯(lián)的可控橋，在控制電路控制下，這兩組可控橋交替工作產(chǎn)生的超低頻交流電流饋送到螺線管感應(yīng)器的線圈中，基于電磁感應(yīng)原理，對連鑄坯內(nèi)部鋼水進(jìn)行縱向電磁攪拌。本發(fā)明感應(yīng)線圈采用空心銅管繞制并通水冷卻，而不必浸泡在軟化水中，大大延長了感應(yīng)線圈的壽命，同時也省去了價格昂貴的水軟化裝置；本發(fā)明不僅能提高鋼坯質(zhì)量，而且結(jié)構(gòu)簡單，成本很低，維修容易。
文檔編號B22D11/114GK101032740SQ20061001325
公開日2007年9月12日 申請日期2006年3月7日 優(yōu)先權(quán)日2006年3月7日
發(fā)明者羅馬, 文小青, 劉海燕, 高成群, 楊艷 申請人:南開大學(xué)