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| 电磁搅拌器 | |
| 岳阳中科电气有限公司 殷利民 | |
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1、总述
连铸电磁搅拌器是一种工作在高温高湿度及高尘渣等恶劣环境下的电气设备。为了达到必要的电磁推力，同时又要尽量减小电磁搅拌器的体积，往往设计成工作在大电流、低电压、低频率状态下。因此，无论对电磁搅拌器本体还是对其配套逆变电源系统，都提出了比较苛刻的要求。电磁搅拌器的有效可靠冷却，逆变电源的性能及可靠性，各种保护功能的灵敏度及可靠性等等，都变得至关重要。这些首先得从参数及结构设计上进行精细及科学的设计计算。其次，比设计更重要的是怎样从制造工艺上保证设计的可行性及先进性。
2、参数设计
连铸电磁搅拌的实质在于借助电磁力的作用来强化铸坯中末凝固钢液的运动，从而改变钢水凝固过程中的流动，传热和迁移过程，达到改善铸坯质量的目的。影响连铸电磁搅拌的冶金效果的主要因素在于：a.电磁搅拌器能否提供足够大的电磁推力。b.不同钢种的末凝固钢液需要多大的电磁推力。c.电磁搅拌的作用区域是否足够大。d.电磁搅拌的安装位置是否得当。第1、第3个因素取决于电磁搅拌器的参数及结构设计水平，而第2、第4个因素则取决于电磁搅拌器的运行工艺。因此，一套电磁搅拌装置要达到最佳的冶金效果，除了要求其本身性能优良外，还要求使用操作者有一定的实践经验，这些要在以后的使用操作过程中不断的积累和丰富。对电磁搅拌器本身而言其设计性能的高低就体现在对电磁推力的合理设计上，从理论模型加以适当简化可得电磁推力的表达式为：
fe≈1/2σVsBo2KsKe …… ①
式中： σ—钢液的电导率
Vs—电磁搅拌器磁场的运行速度（Vs =2τf ，f频率，τ极距）
Bo—电磁搅拌器表面磁场强度
1/Ks—磁场的衰减系数（变量）
Ke—磁场的漏磁系数
由此可见，电磁推力与很多因素有关，是一个很复杂的变量。但也不难发现，影响电磁推力大小的主要因素为：
a.电磁搅拌器的表面磁场（Bo）
b.电磁搅拌器磁场的运行速度（Vs）
c.电磁搅拌器的固有特征系数（Ks·Ke）
d.钢液的电导率（σ）
上述第1、2、3、个因素取决于电磁搅拌器的结构及电磁参数，第4个因素则取决于被搅拌钢液的成份。一般来讲在搅拌区域内，电磁推力必须使钢液的流动速度达到0.5～1m/s，太小无法使钢液流动起来，太大又易产生负偏析、同时运行也不经济。因此在设计时应考虑以下几个方面：
1.1.1.电磁功率
从上面①式可知对电磁推力影响最大的是电磁搅拌器的表面磁场（Bo），而Bo是与电磁搅拌器的线圈安匝数（N·I）成正比的。通常，由于受安装空间的限制同时也为了降低电磁功率，线圈匝数(N)不能加得太多，因此，怎样最大限度的提高电流强度（I）就成为提高电磁推力的最有效途径。当然电流强度的提高也会受到很多限制，比如，线圈的发热如何带走，低频电源的成本如何控制等等。因此应合理分配电流及匝数,通常的原则是：平衡考虑设备成本，适当增加电流强度,以期用最小的电磁功率达到最大的电磁推力。
1.1.2.最佳频率
从上面①式可知增加频率（f）可增加电磁推力，但另一方面，增加频率会引起磁场衰减系数（1/ks）变大，从而又减小电磁推力，因此电磁推力随频率的变化不是单调的，而是有一个最大值。同时频率的增加，还会引起感应电压的增加，从而引起电磁功率的增加，关系较复杂。要精确定位是不现实的也没有必要，最佳频率可通过理论分析及实际测试进行确定，原则是：在同等电磁功率下，尽可能达到最大的电磁推力。
1.1.3.钢水导电率
不同钢种，其钢液导电率（σ）是不同的，但相差不是很大，因此一般情况下，可以不予考虑。
1.1.4.钢液粘度
从力学原理上来讲，电磁搅拌的过程，实质上就是电磁力克服钢水粘性力从而使钢液产生运动的一种过程，不同钢种，其粘性系数相差很大，因此所需电磁推力也是不同的，对碳结构钢而言，主要取决于含C量，含C量越高所需电磁推力就越大，不锈钢所需电磁推力比碳钢要大1倍以上。具体应根据钢种和铸坯截面及安装位置进行确定。
1.1.5.合金元素的影响
合金元素的加入改变了凝固组织结构，不同化学成份的钢水其柱状晶发展程度也不一样，一般来讲合金元素的成份越多，其柱状晶就越发达，所需电磁力也越大。
3、结构设计
电磁搅拌器主要由产生电磁场的电磁感应器、保护电磁感应器的外壳体及冷却电磁感应器的冷却水路组成。从结构上来讲，电磁搅拌大致有以下三种结构形式：“油—水”二次冷却结构形式、外水直冷式结构形式、空芯铜管内冷式结构形式。
“油一水”二次冷却结构形式其感应器浸泡在不导电的硅油中进行冷却，壳体设计成夹层结构，夹层中通水与硅油进行热交换以带走感应器的热量。由于冷却效率差，电磁搅拌器体积大，现已被淘汰。
第二种是以法国ROTELEC公司为代表的外水直冷式结构形式。其感应器直接浸泡在净化水中进行冷却，其最大的优点是冷却效果较好、体积小。因此电磁搅拌器单位体积产生的搅拌功率大，且结构简单、使用方便，可以制作成结晶器内置式结构；但由于感应器长期浸泡在水中其绕组绝缘很容易损坏，因此缺点也同样突出，就是使用寿命短，一般为1~2年。
第三种是以瑞典ABB公司为代表的空芯铜管内冷式结构形式。其感应器绕组由空芯铜管绕制而成，铜管内通纯水进行冷却。空心铜管内冷技术是一种比较复杂的电磁产品冷却技术。此项技术在电磁搅拌装置上的应用研究最开始主要用于大型板坯连铸电磁搅拌装置上，在国内也只有本公司研制成功过这种装置。方坯电磁搅拌装置与板坯电磁搅拌装置的最大不同在于：方坯电磁搅拌装置体积小，而空心铜管在同等导电截面下，比实心电磁线体积要大，因而铁芯采用常规的齿槽结构则无法装下采用空心铜管绕制的线圈，为此必须改变铁芯结构，采用不带齿槽的环形铁芯，采用克兰姆环形绕组环绕在铁芯上。空芯铜管内冷式电磁搅拌装置最大的优点是绝缘结构合理，性能稳定，使用寿命长（可达5~8年），同时冷却效率最高，使用维护方便；其缺点是结构较复杂，制作工艺讲究，体积稍大。
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1/20/2007 | |
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