一種連鑄結晶器電磁攪拌器電磁力矩的測量裝置的制作方法

本實用新型主要屬于結晶器電磁攪拌器電磁力矩測量技術領域，具體涉及一種測量連鑄結晶器電磁攪拌器電磁力矩的測量裝置。

背景技術：

電磁攪拌一方面通過交變磁場作用于鑄坯中心的熔融鋼水，產生的電磁推力攪動鋼水，從而打碎凝固前沿的柱狀晶，碎晶未融合部分作為等軸晶的晶核；另一方面是通過攪拌使鋼水成分和溫度均勻，降低凝固前沿的溫度梯度。在連鑄上采用結晶器電磁攪拌工藝，不但可以提高鑄坯表面及皮下質量，促進夾雜物上浮，同時有效地改善鑄坯的內部組織結構，抑制柱狀晶生長，促進等軸晶生成，減少成分偏析，減輕中心疏松和中心縮孔。幾十年來，國內外學者對電磁攪拌技術進行了大量的理論及實驗研究，并應用于工業生產。電磁攪拌技術已經成為連鑄過程中改善鑄坯質量的最重要和最有效的手段之一，但不合適的攪拌參數不僅無法具有明顯的冶金效果，還可能帶來液面波動、夾渣等后果，不利于保證產品質量。

根據電磁攪拌理論及實際應用研究，衡量電磁攪拌強度的常用的指標有三個：磁場強度、攪拌力和攪拌速度。

由于容易測量，目前應用最多的是采用磁場強度為標準。現場一般是在鑄機空載的情況下，采用高斯儀測量結晶器內不同攪拌電流和攪拌頻率下的磁場分布，但由于磁場的可迭加性原理，在同一空間點上，各次諧波的磁感應強度可迭加成合成磁感應強度，而通常用高斯計測出的磁感應強度實際是合成磁感應強度而非需要的一次基波磁感應強度。當變頻電源的高次諧波分量較大時，合成的磁感應強度很大，容易造成攪拌強度已足夠大的假象。

電磁攪拌的實質是利用鑄坯液相穴中感生的電磁力，強化鋼液的運動，由此強化鋼液的對流—傳熱和傳質過程，從而控制鑄坯的凝固過程，由此可見，鋼液的攪拌運動與鑄坯的凝固組織以及鑄坯的冶金效果建立最直接的關系，但是，由于連鑄高溫鋼液的攪拌速度不易測量，攪拌速度的計算依賴諸多的因素且不準確，因此，很難將攪拌速度作為攪拌強度的指標進行測量。

電磁力矩更接近電磁攪拌器的真實性能，電磁攪拌需要的是鋼水中感生的電磁力矩；且電磁力矩能夠更直觀地判斷電磁攪拌器的工作能力，即攪拌效果。磁感應強度只是聯系攪拌器激磁電流和鋼水中感生的電磁力矩之間的一個中間參數，鋼水中感生的電磁力矩才是推動鋼水運動的原動力。因此電磁力矩作為攪拌強度的指標更為合理。

電磁力矩作為評價攪拌效果的指標，通常是指凝固前沿的電磁力使鋼水產生的電磁力矩。

在實際應用中，澆注過程中測量結晶器內鋼液凝固前沿的電磁力矩較為困難，因此通常在停澆過程中鑄機空載的情況下，測試原理是模擬連鑄過程中結晶器鋼液在交變磁場中受到的實際作用力矩的大小。一般采用自制的電磁扭矩測量儀測量不同攪拌電流和攪拌頻率下的扭矩。

目前存在的電磁力矩測量儀器并沒有統一的標準，導致同樣的狀況下，文獻中采用不同的電磁力矩測量儀測定的數值相差甚大，且對于調整結晶器電磁攪拌參數無法提供可靠的依據。例如，現有技術中的手持式扭矩儀，雖然操作方便，但由于結晶器電磁攪拌器的電磁力矩相對較小，扭矩測量儀對電流變化的響應差且精度不高，測量的實際扭矩偏差較大。

有鑒于此，有必要提供一種標準化的可精確測量結晶器電磁攪拌器的電磁力矩的裝置克服以上缺陷。

技術實現要素：

為解決現有技術的不足之處，本實用新型了提供一種連鑄結晶器電磁攪拌器電磁力矩的測量裝置。利用本實用新型所述測量裝置，解決了現有結晶器電磁攪拌參數制定耗時且耗力不準確的問題，以及解決了現有的結晶器電磁攪拌器的電磁力矩測量裝置在測量過程中存在的測量精度差等問題。

本實用新型是通過以下技術方案實現的：

一種連鑄結晶器電磁攪拌器電磁力矩的測量裝置，所述測量裝置包括測量部分、支撐部分和輸出部分；

支撐部分：包括夾持裝置、支撐桿、標尺和支座，所述支撐桿垂直固定于所述支座上，所述夾持裝置能夠相對于所述支撐桿進行上下移動以及相對于所述支撐桿進行旋轉；

測量部分：采用非磁性材料制備，所述測量部分包括扭矩傳感器、傳感器底座、扭矩傳遞軸、扭矩傳遞桿、聯軸器、軸承和扭矩測量探頭；所述傳感器底座用于承接整個測量部分，并所述測量部分通過所述傳感器底座固定于所述支承部分；所述扭矩傳遞軸的一端斷面為方形，與所述扭矩傳感器連接，所述扭矩傳遞軸的另一端斷面為圓形，與所述聯軸器連接；

輸出部分：與所述測量部分電連接，所述輸出部分為顯示儀表。

進一步地，所述扭矩傳感器采用反作用力型扭矩傳感器。

進一步地，所述扭矩傳感器為數字式應變片扭矩傳感器。

進一步地，所述扭矩傳遞軸和所述扭矩傳遞桿是電磁力矩傳遞的中介；所述扭矩傳遞軸采用非磁不銹鋼材料。

進一步地，所述扭矩傳遞桿硬質的電木材料，所述扭矩傳遞桿的一端與所述聯軸器連接，另一端與所述扭矩測量探頭連接。

進一步地，所述軸承安裝于所述扭矩傳遞軸上，用于減小扭矩傳遞軸受到的摩擦力；所述聯軸器為彈性聯軸器，采用硬質鋁合金材料，用于連接所述扭矩傳遞軸和所述扭矩傳遞桿。

進一步地，所述扭矩測量探頭采用鋁合金材料，密度為2689kg/m³ ，為實心圓柱形，長度為70-90mm，直徑為40-50mm。

進一步地，所述標尺固定在支撐桿上，標尺的零位設置在支撐桿的底部，所述標尺用于標定測量所述夾持裝置相對于所述支座在豎直方向的位置以及所述扭矩測量探頭在結晶器內的位置。

進一步地，所述支承部分的夾持裝置能夠與所述傳感器底座連接，所述夾持裝置位于所述傳感器底座下方。

本實用新型的有益技術效果：

（1）本實用新型提供的測量裝置中的支承部分可是保證測量裝置對中性和測量位置準確性；

（2）本實用新型測量裝置采用高測量精度和敏感度的反作用力型扭矩傳感器，提高測量結果的準確性。

（3） 本實用新型采用高精度軸承，減小摩擦力的影響，采用彈性聯軸器，補償軸向及徑向的偏差，約束扭矩測量探頭的材料和尺寸，從而減小測量裝置的無關負載的影響，提高測量的準確性和精確度。

附圖說明

圖1是本實用新型所述的連鑄結晶器電磁攪拌器電磁力矩的測量裝置。

圖2是本實用新型所述的扭矩傳遞軸及軸承的安裝示意圖。

附圖標記為：1.扭矩測量探頭，2.扭矩傳遞桿，3.聯軸器，4.傳感器底座，5.扭矩傳感器，6.扭矩傳遞軸，7.顯示儀表，8.夾持裝置，9.支撐桿，10.支座，11.結晶器，12.軸承。

具體實施方式

為了使本實用新型的目的、技術方案及優點更加清楚明白，以下結合附圖及實施例，對本實用新型進行進一步詳細描述。應當理解，此處所描述的具體實施例僅僅用于解釋本實用新型，并不用于限定本實用新型。

相反，本實用新型涵蓋任何由權利要求定義的在本實用新型的精髓和范圍上做的替代、修改、等效方法以及方案。進一步，為了使公眾對本實用新型有更好的了解，在下文對本實用新型的細節描述中，詳盡描述了一些特定的細節部分。對本領域技術人員來說沒有這些細節部分的描述也可以完全理解本實用新型。

實施例1

一種連鑄結晶器電磁攪拌器電磁力矩的測量裝置，所述測量裝置包括測量部分、支承部分和輸出部分；

1.支承部分，用于支承和固定整個測量裝置、調節和標定測量裝置的測量位置以及保證測量時測量裝置的對中位置，避免出現測量時不對中、測量位置偏移等問題，提高了測量的準確性。

所述支承部分包括夾持裝置、支撐桿、標尺和支座，所述支撐桿垂直固定于所述支座上，所述夾持裝置能夠相對于所述支撐桿進行上下移動以及相對于所述支撐桿進行旋轉；所述標尺固定在支撐桿上，標尺的零位設置在支撐桿的底部，所述標尺用于標定測量所述夾持裝置相對于所述支座在豎直方向的位置，并通過夾持裝置的位置換算出探頭在結晶器內的位置。

所述通過夾持裝置的位置換算出扭矩測量探頭在結晶器內的位置具體為：首先測量獲得扭矩測量探頭到扭矩傳感器的距離，然后測量標尺的零位到扭矩傳感器的距離，然后計算上述兩個距離之差，計算獲得的該距離差值即為扭矩測量探頭在結晶器內豎直方向的距離，利用扭矩測量探頭在結晶器內豎直方向的距離來表示扭矩測量探頭在結晶器內的位置。

所述支承部分的夾持裝置能夠與所述傳感器底座連接，所述夾持裝置位于測量部分中傳感器底座的下方。

2.測量部分，是測量電磁力矩的核心部分，該部分的材料均采用非磁性材料，所述測量部分包括扭矩傳感器、傳感器底座、扭矩傳遞軸、扭矩傳遞桿、聯軸器、軸承和扭矩測量探頭；所述傳感器底座用于承接整個測量部分，并所述測量部分通過所述傳感器底座固定于所述支承部分。

所述傳感器底座上部為扭矩傳感器，所述扭矩傳遞軸的一端位于所述扭矩傳感器內部中軸位置，并且扭矩傳遞軸的這一端的斷面為方形與所述扭矩傳感器配合連接，所述扭矩傳遞軸的另一端斷面為圓形，與所述聯軸器的上端連接；從所述聯軸器的下端與所述扭矩傳遞桿連接，所述扭矩傳遞桿的下頂端連接所述扭矩測量探頭。

各部分具體為：

（1）扭矩傳感器，所述扭矩傳感器采用數字式應變片扭矩傳感器。反作用力型(靜態)扭矩傳感器，它基于牛頓第三定律，是一種數字式應變片扭矩傳感器，具有測量精度高、穩定性好、抗干擾性強的特點；所述扭矩傳感器采用鋁合金結構，具有體積小、重量輕，且易于安裝使用的有點；不需要反復調零即可連續測量正反轉扭矩；可以高轉速長時間運行；測量彈性體強度可承受150%的過載。

（2）傳感器底座，傳感器底座固定在支承部分的夾持裝置上，所述傳感器底座用于承接整個測量部分，并所述測量部分通過所述傳感器底座固定于所述支承部分。

（3）扭矩傳遞軸和扭矩傳遞桿，所述扭矩傳遞軸和所述扭矩傳遞桿是電磁力矩傳遞的中介；所述扭矩傳遞軸采用非磁不銹鋼材料；所述扭矩傳遞桿采用硬質的電木材料，電木材料具有絕緣、不易變形的特點，避免測量過程中在傳遞桿上感生出電磁力矩，也減少了電磁力矩傳遞過程中的誤差。

（4）聯軸器和軸承，是該部分的重要連接件，在測量旋轉扭矩時，扭矩傳感器需要支撐重要的無關負載，即扭矩測量探頭以及扭矩傳遞桿的重量，傳感器除對待測的反扭矩作出響應外，還可能會對這些負載引起的反扭矩作出響應，這就可能引起耦合誤差，還可能降低測量的靈敏度。

在本實施例中，所述軸承安裝于所述扭矩傳遞軸上，所述軸承為高精度軸承，能夠減小扭矩傳遞軸受到的摩擦力；所述聯軸器為彈性聯軸器，采用硬質鋁合金材料，用于連接所述扭矩傳遞軸和所述扭矩傳遞桿；在扭矩傳遞軸和扭矩傳遞桿的連接處采用彈性聯軸器，由于彈性聯軸器是一體成型的金屬彈性體，材料為硬質鋁合金，可吸收振動，其彈性作用補償徑向、角向和軸向偏差，同時彈性元件也具有緩沖和減振性能，具有零回轉間隙，順時針和逆時針回轉特性完全相同等特點；從而，將無關負載對電磁力矩測量的影響降至最低。

（5）扭矩測量探頭，直接受電磁場的作用產生電磁力矩的部件，采用鋁合金材料，根據電磁力矩的計算公式可知，探頭受到的電磁力矩值與探頭的電導率和直徑有關，為保證測得數值的有效性，需對探頭的材料和尺寸作出約束。

由于結晶器電磁攪拌器的電磁力矩較小，通過大量的試驗，確定了探頭的材質和尺寸。對比不銹鋼材質以及其他合金材質的探頭，最終確定扭矩測量探頭需要采用電導率較大的鋁合金材料，另外，鋁合金材料密度為2689 kg/ m³，能夠減小測量裝置的無關負載，從而提高測量結果的精確度和準確性。此外，由于探頭所受電磁力矩為探頭所在位置各處電磁力矩的疊加值，因此探頭的長度不宜過長，長度在70-90mm，否則所測得的電磁力矩缺乏代表性，探頭的直徑在40-50mm。

其中，所述電磁力矩的計算可以由下式計算得到：

其中，T為電磁力矩；為銅管內磁感應強度；為電源角頻率；為鋼水的電導率；為攪拌器有效作用長度；為鑄坯（或液芯）等效半徑。

3. 輸出部分，與所述測量部分電連接，所述輸出部分為顯示儀表。

本實施例中，所述測量裝置的使用方法為：

（1）將所述測量裝置固定在結晶器周邊，將顯示儀表和扭矩傳感器接通電源；

（2） 通過調整夾持裝置的位置，使所述扭矩測量探頭進入結晶器內需要測量的位置，并保證所述扭矩測量探頭的中心位于所述電磁攪拌器的中心軸上；

（3）啟動結晶器電磁攪拌器，調整結晶器電磁攪拌器的攪拌參數，產生磁場，扭矩測量探頭在磁場的作用下發生旋轉，產生扭矩，經過扭矩傳遞軸和所述扭矩傳遞桿的傳動，最終在儀表上顯示電磁力矩的值；具體為：扭矩測量探頭受到電磁場的作用在其內部產生感應電流，又在電磁場的作用下感生出電磁力矩；扭矩傳遞桿與扭矩傳遞軸之間通過聯軸器連接，扭矩傳遞軸與扭矩傳感器之間通過高精度的軸承連接；所述電磁力矩經過扭矩傳遞桿及扭矩傳遞軸傳遞給扭矩傳感器，在扭矩傳感器中，測扭應變片產生微小變形后引起應變敏感的電橋電阻值變化，從而扭矩傳感器將將力信號轉變為電信號，所述電信號經過放大電路得到放大，再經過V/F變換電路，最終產生電磁力矩值，經由所述顯示儀表顯示。

通過利用本實用新型所述測量裝置對連鑄過程結晶器電磁攪拌器電磁力矩進行精確測量，改善了現有結晶器電磁攪拌參數制定中存在的問題，可實現花費較小且簡單快捷地對結晶器電磁攪拌參數的制定，對改善鑄坯質量提供堅實可靠的依據。

實施例2

本實施例采用的連鑄結晶器電磁攪拌器電磁力矩測量裝置的安裝示意圖如圖1所示。圖中支座10的放置位置為示意位置，在結晶器11上方的平臺。顯示儀表7還需連接電源，電源在此沒有畫出。扭矩傳遞軸及軸承的安裝如圖2所示。

本實施例采用電磁力矩測量裝置包括測量部分、支承部分和顯示儀表三部分，其中測量部分由扭矩測量探頭1、扭矩傳遞桿2、聯軸器3、傳感器底座4、扭矩傳感器5和扭矩傳遞軸6、軸承12組成，支承部分由夾持裝置8、支撐桿9和支座10組成。