具有磁屏蔽和多模式的方圓坯連鑄彎月面電磁攪拌系統及方法
【技術領域】
[0001]本發明屬于一項熔融金屬連續鑄造(連鑄)用電磁控流技術，涉及一種具有磁屏蔽和多模式的方圓坯連鑄彎月面電磁攪拌系統及方法。本發明也適用于常規的結晶器電磁攪拌。
【背景技術】
[0002]連鑄實踐表明，結晶器內鋼水流動形貌不僅影響著鑄坯表面和內部夾雜物和氣泡的上浮、去除，而且會對結晶器內鋼一渣自由液面(簡稱自由面)行為和初生坯殼生長狀況產生影響。由于結晶器內自由面行為的復雜性和難控制性，使自由面處鋼水流動控制為結晶器內鋼水流動控制的重點和難點。一方面自由面附近的鋼水要保持一定的流動速度，這樣有利于增強熔融保護渣的潤滑作用以及吸收氣泡和夾雜物的能力，也可降低鋼水過熱度，減緩結晶器內鋼水的凝固速度，從而提高鑄坯的表面和皮下質量;另一方面自由面附近鋼水流動又不能太快，以避免造成彎月面變形和自由面波動而破壞結晶器潤滑、保護渣卷吸及水口的侵蝕，導致表面和皮下缺陷。在現有結晶器電磁控流技術中，板坯連鑄中具有代表性的有:基于行波磁場的結晶器電磁攪拌技術;基于直流的結晶器電磁制動技術，以及以行波磁場為基礎的多模式結晶器電磁攪拌技術。而在方圓坯連鑄中基本上只有旋轉磁場的結晶器電磁攪拌技術。
[0003]但現有結晶器電磁攪拌技術在冶金效果上存在某些不足:1、安裝空間有要求。現有電磁攪拌的安裝位置一般要求距離結晶器彎月面250?400mm，以滿足既攪拌彎月面處的鋼水又不引起彎月面變形和自由面波動的冶金效果。2、改善鑄坯的表面質量有限。現有結晶器電磁攪拌器雖針對大部分鋼種和斷面都能取得較好的冶金效果，但對于表面質量要求較高的品種鋼，由于其安裝位置靠下，對非金屬夾雜物的清洗和初期凝固坯殼的控制有限。
3、大斷面方圓坯的冶金效果有限。結晶器電磁攪拌器多采用一對極旋轉磁場設計，斷面越大，磁場在氣隙中衰減越嚴重，有效攪拌鋼水的作用力越小。4、易導致長寬比較大的方坯產生角部裂紋。由于結晶器電磁攪拌采用旋轉磁場一對極設計，方坯結晶器內的流動在中部，圍繞中心做旋轉運動，形成的流場為一個圓形，所以在四個角部呈現漩渦狀的二次回流，夾雜物一旦進入其中則無法去除，形成角部夾渣，嚴重的導致角部裂紋或漏鋼。
[0004]因此，有必要設計一種沒有安裝空間的限制，能改善鑄坯質量，適用性廣的電磁攪拌系統及方法。
【發明內容】
[0005]本發明所解決的技術問題是，針對【背景技術】中存在的缺點和問題，提供一種帶磁屏蔽和多種控流模式的方圓坯連鑄彎月面電磁攪拌系統及方法，該系繞顧名思義將電磁攪拌器安裝在結晶器彎月面處對鋼水實施多模式的電磁攪拌，既涵蓋已有功能，同時又能使攪拌器沒有安裝空間及安裝位置的限制，能有效地解決鑄坯表面和皮下質量問題，對任意斷面和鋼種都能取得較好的冶金效果。
[0006]為了實現上述技術目的，本發明采用如下技術方案:
[0007]一種具有磁屏蔽和多模式的方圓坯連鑄彎月面電磁攪拌系統，包括彎月面電磁攪拌器15和變頻電源控制系統16;
[0008]彎月面電磁攪拌器安裝在結晶器17的彎月面附近；
[0009]所述結晶器17的結構形式通常采用管式或者組合式，其采用高熱導率(λ>397￥/(m.°C))、低電導率(o<49000000S/m)的銅材制成。無論哪種結構形式都能方便彎月面電磁攪拌器安裝在彎月面附近，滿足結晶器內鋼水離攪拌器15內殼體8的距離L盡量小；
[0010]所述彎月面電磁攪拌器15包括鐵芯7、多組線圈4、外殼體5和內殼體8;多組線圈4均勻繞制在鐵芯7上，鐵芯7和多組線圈4設置在由外殼體和內殼體8組成的封閉殼體內；封閉殼體的形狀與鐵芯7匹配；
[0011]所述的變頻電源控制系統16含有兩個功能，一是實現對彎月面電磁攪拌器15的調控;二是實時顯示檢測的結晶器內鋼水液面13的位置(見下文所述)。
[0012]所述的變頻電源控制系統16連接彎月面電磁攪拌器15的線圈4的抽頭，為彎月面電磁攪拌器15提供三相或者兩相變頻電源;通過改變線圈4內電流的大小、頻率和相位，實現對彎月面電磁攪拌器15的調控；
[0013]所述的彎月面電磁攪拌器15的磁場區大小及磁場方向均可獨立通過變頻電源控制系統16實時調控；
[0014]通過改變線圈4內電流的相序及相位角，實現兩類電磁攪拌模式:彎月面電磁攪拌模式和常規的結晶器電磁攪拌模式，前者用于表面質量要求較高的鑄坯，后者用于內部質量要求較高的鑄坯；
[0015]所述的彎月面電磁攪拌模式包括多種子模式，可以讓鋼水形成單一環流區和多個環流區等；
[0016]彎月面電磁攪拌模式中，讓鋼水形成單一環流區的子模式對應的線圈4布置及供電方式為:線圈4包括對稱繞制在鐵芯7上的4組線圈，共需要4n(n 2 I)組線圈，η為每一組線圈包括的相鄰線圈個數；以η = 3為例，即每一組包括相鄰的三個線圈，12個線圈根據在鐵芯7上的排布位置，按順時針方向依次分別命名為線圈3、13、(3、(1、6、匕8、11、1^、1^、1;通過調整變頻電源控制系統16或者接線方式將線圈a、b、c與線圈g、h、i均分別通以三相電源U、V、W;線圈d、e、f與線圈j、k、l均分別通以三相電源-U、-V、-W;
[0017]彎月面電磁攪拌模式中，讓鋼水形成單二環流區的子模式對應的線圈4布置及供電方式為:線圈4包括對稱繞制在鐵芯7上的6組線圈，共需要6n(n 2 I)組線圈，η為每一組線圈包括的相鄰線圈個數；以η = 3為例，即每一組包括相鄰的三個線圈，18個線圈根據在鐵芯7上的排布位置，按順時針方向依次分別命名為線圈a、b、c、d、e、f、g、h、1、g、k、l、m、n、o、p、q、s;通過調整變頻電源控制系統16或者接線方式將線圈d、e、f、線圈l、k、j與線圈p、q、s均分別通以三相電源U、V、W;線圈a、b、c、線圈1、h、g和線圈o、n、m均分別通以三相電源-U、-V、_ff；
[0018]所述的彎月面電磁攪拌模式中采用多對磁極11的模式，其磁場設計特點是:磁路短，磁力線12不穿透鑄坯，主要集中在凝固前沿附近，所以產生的電磁力不穿過鑄坯中心，主要作用于鑄坯凝固前沿。在磁場運行10下，可以使電磁力主要集中在凝固前沿附近，使其中的鋼水作旋轉流動，其流場特點:使結晶器內鋼水2形成多個小的環流區域，凝固前沿附近流速快，向中心逐漸變慢，中心為零。流場形態9是一個方坯或矩形坯電磁攪拌形成的一個矩形環流或多個矩形環流。
[0019]所述的常規的結晶器電磁攪拌模式中，線圈4布置及供電方式為:線圈4包括對稱繞制在鐵芯7上的4組線圈，共需要4n(n 2 I)組線圈，η為每一組線圈包括的相鄰線圈個數；以η = 3為例，即每一組包括相鄰的三個線圈，12個線圈根據在鐵芯7上的排布位置，按順時針方向依次分別命名為線圈a、b、c、d、e、f、g、h、1、g、k、l;通過調整變頻電源控制系統16或者接線方式將線圈a、b、c與線圈d、e、f均分別通以三相電源U、V、W;線圈g、h、i與線圈j、k、l均分別通以三相電源-U、-V、-W。
[0020]所述的常規的結晶器攪拌模式中，磁場為一對磁極11，磁力線12穿透鋼水2內部。在磁場運行10下，使其激發的電磁力在鋼水2內部產生旋轉流動。流場形態9是一個類圓形(方坯、圓坯都是類圓形流場)。
[0021]在連鑄生產過程中，根據不同鋼種冶金效果需要，通過調整變頻電源控制系統16或者接線方式選擇所需要的攪拌模式。如果是對鑄坯內部質量要求較高的鋼種，例如要求提高等軸晶、減少中心偏析、疏松，可以選擇結晶器攪拌模式。如果主要是對鑄坯表面和皮下質量要求較高的鋼種，例如要減少鑄坯非金屬夾雜物，減少鑄坯表面針孔數量以及鑄坯表面縱向裂紋可以優先考慮彎月面電磁攪拌模式:例如對300立方米以下的鑄坯，一般采用單一攪拌區的彎月面電磁攪拌模式，對300立方米以上的鑄坯，一般采用多攪拌區的彎月面電磁攪拌模式。特別指出的是，對于方坯或矩形坯，推薦使用彎月面電磁攪拌模式，因為方坯、矩形坯采用結晶器攪拌模式鑄坯四個角部呈現漩渦狀的二次回流，容易形成角部夾渣。而彎月面電磁攪拌模式一定程度上具備結晶器攪拌提高等軸晶、降低中心偏析、疏松問題的功能，還可以大幅度提高鑄坯表面和皮下質量。在選擇好攪拌模式后，可以通過調整變頻電源控制系統16電流、頻率等參數形成最佳的流場，達到最佳冶金效果，滿足不同生產的需求。
[0022]所述具有磁屏蔽和多模式的方圓坯連鑄彎月面電磁攪拌系統，還包括自主研發的結晶器電磁液面檢測系統，可以實時檢測和顯示鋼水液面(13)的實際位置，該系統包括傳感器14、前端放大裝置和數據處理單元;傳感器14安裝在結晶器銅板I的內側，能實時檢測結晶器內鋼水液面13的位置;傳感器將測量到的液面位置信號傳送至前端放大裝置，信號經放大后，傳送至數據處理單元，繼而輸出至變頻電源控制系統16。
[0023]所述傳感器14安裝在結晶器17內的任意一側，并位于該側銅板中心位置并與其平行布置，傳感器的前端與結晶器銅板的立面平行。以便于傳感器能實時檢測結晶器內鋼液的波高及位置。
[0024]所述傳感器14為電磁式傳感器或渦流式傳感器;其冷卻方式為水冷；