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(duì)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(guó)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(jì)，我國(guó)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(yùn)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(guó)外進(jìn)口，其價(jià)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(chǎng)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(duì)鋼水進(jìn)行旋轉(zhuǎn)式電磁攪拌時(shí)，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(zhǎng)；(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浮；(4)產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的定子線圈的六個(gè)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(chǎng)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(jià)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(duì)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(duì)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(jì)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(duì)來自波峰計(jì)數(shù)電路J的信號(hào)以及由電流傳感器H檢測(cè)的線圈L的電流過零信號(hào)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(gè)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(qiáng)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(diǎn)和積極效果本發(fā)明的第一個(gè)特點(diǎn)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(shí)，線圈所包圍的空間內(nèi)產(chǎn)生縱向交變磁場(chǎng)，磁場(chǎng)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(chǎng)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(huì)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(dòng)的感生電流與縱向交變磁場(chǎng)相互作用會(huì)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(chǎng)式攪拌有如下五點(diǎn)顯著優(yōu)點(diǎn)(1)縱向流動(dòng)的鋼水更有利于擴(kuò)大等軸晶帶，增加鋼坯強(qiáng)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(shí)，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(gè)，其體積遠(yuǎn)比具有六個(gè)線圈的旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)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(zhǎng)了感應(yīng)線圈的壽命，同時(shí)也省去了價(jià)格昂貴的水軟化裝置；(5)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，成本低，維修容易。
總之，與傳統(tǒng)的旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)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(jià)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(gè)特點(diǎn)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(jiǎn)單、造價(jià)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(gè)單相交流電源。為使電源盡可能簡(jiǎn)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(dú)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(tái)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(tái)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(diǎn)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(shí)施例參考電路原理圖；圖5是各種指令脈沖波形圖。
具體實(shí)施例實(shí)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(chǎng)2和環(huán)行電流3?？v向交變磁場(chǎng)2與環(huán)行電流3相互作用，產(chǎn)生對(duì)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(shí)，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(shí)，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(gè)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(duì)連鑄坯內(nèi)部鋼水實(shí)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(gè)，也可以采用兩個(gè)或多個(gè)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(qiáng)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(gè)數(shù)計(jì)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(qiáng)度調(diào)整電路W組成，其中指令分配電路F與波包個(gè)數(shù)計(jì)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(gè)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(shí)，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(shí)，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(huì)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(gè)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(shí)，電流傳感器H1將輸出高電平信號(hào)，同時(shí)由于電流傳感器H2反套裝在饋線上，則輸出低電平信號(hào)。同理，當(dāng)螺線管感應(yīng)器線圈L上通有負(fù)半周電流時(shí)，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(hào)，H1將輸出低電平信號(hào)。H1和H2分別將檢測(cè)信號(hào)反饋到控制電路II的指令分配電路F中，以實(shí)現(xiàn)對(duì)這兩個(gè)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(shí)施例之圖4，對(duì)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(shí)，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(shí)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(dòng)電流。D型觸發(fā)器D1的Q＝1指令同時(shí)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(gè)數(shù)計(jì)數(shù)電路J，使其開始對(duì)三相電的波包個(gè)數(shù)計(jì)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(dòng)電流的波包個(gè)數(shù)。當(dāng)波包個(gè)數(shù)達(dá)到由本裝置輸出超低頻電流半個(gè)周期所要求的個(gè)數(shù)時(shí)，波包個(gè)數(shù)計(jì)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(shí)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(shí)，霍爾電流傳感器H輸出檢測(cè)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(shí)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(dòng)電流。
D型觸發(fā)器D1的Q＝1指令同時(shí)經(jīng)或門1接入波包個(gè)數(shù)計(jì)數(shù)電路J，使其對(duì)三相電的波包個(gè)數(shù)開始計(jì)數(shù)。當(dāng)波包個(gè)數(shù)達(dá)到由本裝置輸出的超低頻電流半個(gè)周期所要求的個(gè)數(shù)時(shí)，波包個(gè)數(shù)計(jì)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(shí)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(gè)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(gè)數(shù)計(jì)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?？刂齐娐稩I中的波包個(gè)數(shù)計(jì)數(shù)電路J也是采用標(biāo)準(zhǔn)的脈沖計(jì)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(qiáng)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(duì)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(jì)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(duì)來自波峰計(jì)數(shù)電路J的信號(hào)以及由電流傳感器H檢測(cè)的線圈L的電流過零信號(hào)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(gè)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(qiáng)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(duì)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(duì)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(zhǎng)了感應(yīng)線圈的壽命，同時(shí)也省去了價(jià)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(jiǎn)單，成本很低，維修容易。
文檔編號(hào)B22D11/114GK101032740SQ20061001325
公開日2007年9月12日 申請(qǐng)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(qǐng)人:南開大學(xué)