连铸电磁搅拌器设计

目录目录 (1)一、前言 (1)二、电磁搅拌的基本知识 (2)（一）、电磁搅拌技术的概述 (2)（二）、电磁搅拌器的组成与主要分类 (2)（三）、电磁搅拌器的工作原理 (3)（四）、电磁搅拌力的计算 (4)（五）、电磁场在铸坯中透入深度 (6)三、连铸电磁搅拌器设计过程 (7)（一）、电磁搅拌器电源的选择 (7)（二）、电磁搅拌器本体设计 (7)1、铁芯的设计 (7)2、线圈的设计 (11)（三）、电磁搅拌器控制系统的设计 (13)四、课程设计体会 (15)五、参考文献 (17)一、前言（一）、电磁冶金原理与工艺课程设计的目的：电磁冶金原理与工艺课程设计是高等工业学校材料专业方向学生第一次较全面的对电磁冶金的了解和对电磁搅拌器设计的训练，是电磁冶金原理与工艺课程的一个重要实践环节。

其主要目的在于：（1）进一步加深学生所学的理论知识，培养学生独立解决有关本课程实际问题的能力。

（2）通过课程设计，使学生将所学理论与生产实际相结合，将知识转化为分析和解决生产实际问题的能力。

（3）通过电磁冶金原理与工艺课程设计的训练，使学生对电磁连铸和电磁搅拌有一较完整的概念和全面的认识。

并初步掌握电磁搅拌器结构设计和工艺设计的方法，树立正确的工程设计观点。

（4）进一步提高学生运算、绘图、表达、运用计算机和查阅技术资料的能力。

（5）通过创新意识的教育，初步培养学生的革新、创造能力。

（二）、电磁冶金原理与工艺课程设计的任务：电磁冶金原理与工艺课程设计任务是对连铸电磁搅拌器的主组成（电源、电磁搅拌器本体、控制系统等）和电磁搅拌工艺进行分析和设计，并给出相关计算的过程、绘制部分结构的草图，画出连铸电磁搅拌器的总装图，最后编写说明书一份。

二、电磁搅拌的基本知识（一）、电磁搅拌技术的概述电磁搅拌技术应用于连续铸钢是连铸技术最重要的发展之一，应用电磁搅拌技术是提高铸坯质量，扩大连铸品种的有效手段。

电磁搅拌技术是利用不同形式的磁场发生装置，当连铸坯中的液态金属通过交变电磁场时，在液态金属中产生感生电流，感生电流与磁感应强度的作用产生电磁力。

通过电磁力来控制连铸过程中钢水的流动、传热甚至凝固，从而提高钢的清洁度，扩大铸坯的等轴晶区，降低成分偏析，减轻或消除中心疏松和中心缩孔，实现生产优质、高等级钢材的目的。

电磁搅拌可以扩大铸坯的等轴晶体区，细化晶粒，减少偏析及裂纹，消除疏松和中心缩孔，对于目前提出的钢材料实现超纯净度、超细化及超均质化的要求，电磁搅拌更为钢铁工业的发展提供了新的活力。

（二）、电磁搅拌器的组成与主要分类1、电磁搅拌器的基本组成一般来说，无论那种类型的电磁搅拌器，其基本结构都由三部分组成：电源系统、电磁搅拌器本体、控制系统。

其中，电磁搅拌器本体主要是有铁芯、线圈、水冷却系统组成。

2、电磁搅拌器的主要分类到目前为止，电磁搅拌已得到了迅速的发展，电磁搅拌器的形式也是多种多样：根据电磁搅拌器在连铸机上的安装位置不同，主要分：结晶器电磁搅拌器、二冷区电磁搅拌器、凝固末端电磁搅拌器。

根据电磁搅拌的原理或供电方式不同,主要分：感应式电磁搅拌器、传导式电磁搅拌器、永磁式电磁搅拌器。

根据电磁搅拌器本体产生磁场的特点或引起液态金属运动形式不同，主要分：旋转型电磁搅拌器、线型电磁搅拌器、螺旋型电磁搅拌器。

根据电磁搅拌器在连铸机上的配置不同，主要分：单面电磁搅拌器、双面电磁搅拌器。

根据电磁搅拌器供电频率不同，主要分：工频电磁搅拌器、低频电磁搅拌器。

根据电磁搅拌器本体线圈的绕线形式不同，主要分：集中绕组的电磁搅拌器、分散绕组的电磁搅拌器、克兰姆绕组的电磁搅拌器。

（三）、电磁搅拌器的工作原理电磁搅拌装置（Electromagnetic stirrer ：EMS ）的工作原理与三相异步电动机工作原理基本相同。

电磁搅拌是借助在铸坯的液相穴内感生的电磁力，强化液相穴钢水的运动。

具体地讲，电磁搅拌器激发的交变磁场渗透到铸坯的钢水内，就在其中产生感应电流，该感应电流与磁场相互作用产生电磁力，电磁力是体积力，作用在钢水体积元上，从而能推动钢水运动。

由此，强化钢水的对流、传热和传质过程，从而控制铸坯的凝固过程，有效地细化铸坯晶粒、扩大等轴晶区、减少中心偏析，改善铸坯表面和内在质量。

它遵循两个基本规律：①电磁感应:)(B V E j ⨯==σσ 它们遵循右手定则右手定则②感应电流与当地磁场的相互作用产生电磁力：B j F ⨯= 它们遵循左手定则电磁力是体积力，作用在钢水体积元上，从而驱动钢水运动。

左手定则（四）、电磁搅拌力的计算旋转型电磁搅拌器本体通以三相交流以后，产生旋转磁场。

当液态金属防于旋转磁场内,液态金属的每一截面都被旋转磁场的磁力线切割,将产生感应电动势。

810d E dtϕ--=⋅ 式中 BS ϕ= (磁通量) Wb ；B ——磁感应强度,2T m ；S ——垂直于磁力线切割磁场的面积，2m ；t ——时间, s ；假设被搅拌的液态金属为一个环,产生的感应电流为E I R = 式中 R ——液态金属环的电阻,ΩI ——感应电流, A 。

h R Sρ=⋅, 式中 ρ——液态金属的电阻率,m Ω;S ——液态金属的截面积,2m ;h ——液态金属环的高度, m ;因此 EI h S ρ=⋅这种简单情况下的电磁力由式: F I B =⨯决定.以上所述指的是旋转运动的电磁力,即旋转磁场在液态金属中产生的电磁力的周向的分量为F 。

正是由于液态金属在切线方向上受到的一个体积电磁力,这样液态金属在距离中心不同的位置上就受到一个力偶的作用,再由于液态金属内部的粘性,是液态金属进行运动。

然而，在实际的连铸机上应用的旋转型电磁搅拌器的电磁力的计算可就要复杂多了，液态金属受电磁力的周向分力经过严格的分析推导，得到:2(1)2200(2)4 sin ()2P r s P r P F H w t P R αϕμμ--=- 式中 P ——搅拌器的极数.0H ——旋转磁场的周向磁感应强度,2T m （周期变化的振幅的最大值）; R ——搅拌器的半径, m (内径);r ——液态金属的半径, m ;α——涡流常数, α=m s f w w w =-;s w ——涡流角频率,rad sm w :液态金属的角频率, rad s ;f w ——旋转磁场的角频率, rad s ; 4f w f P π=;t ——行波磁场的一个周期的时间, s ;f ——电源频率,Z H ;σ——液态金属的电导率;μ——导磁率,r o μμμ=⋅;r μ——非磁性材料的导磁率, 1r μ≈。

o μ——自由真空导磁率，61.2610 ,H m o μ-=⨯。

ϕ——相位角，rad 。

一般说来，在实际工程应用中，两极电磁搅拌器（2P =）最为常用，在一个周期内取磁感应强度的平均值B ，这样就把旋转磁场在液态金属中产生的电磁力的周向的分量F 简化为下式：212s F B r σω=（五）、电磁场在铸坯中透入深度根据法拉第电磁感应定律，交变磁通穿过导体时，导体中产生感应电流，该电流的流线呈闭合涡流状，简称涡流。

涡流在导体内又产生磁场，由于磁场间相互作用便表现为磁的集映现象，称为集映效应。

固集映效应的影响使电磁行波透入铸坯表面后逐渐衰减，搅拌时的电磁力仅在电磁波达到的范围内产生，这是电搅的理论依据。

当搅拌器的极矩τ≥π时，透入深度h 可以写成下式：h ==式中 S ——滑差率，i i V V S V -=i V ——行波磁场的速度，2i v f τ=，m/s ；τ——极矩，n ； (1)V S ωα=-液态金属流动的平均速度；μ——磁导率，h/m ；σ——电导率，s/m ；对于某一种结构和电磁参数的搅拌器，液态金属的性能相对稳定时，σ值一定，u 和s 的值变化也很小，因此只有改变f 值才能使透入深度h 值发生变化。

三、连铸电磁搅拌器设计过程（一）、电磁搅拌器电源的选择电磁搅拌器的通常是采用专用电源，经过多年来的试验、应用、，不断有所改进，现在基本上已经规范化、标准化了。

电磁搅拌器的电源多是低电压高电流的供电器。

而电磁搅拌器的电源频率则为低频，主要是为了获得较高的磁场透入深度，除了个别的工况条件下，像二冷区电磁搅拌器是工频电源供电，其他一般是50Hz 以下的低频电源。

（二）、电磁搅拌器本体设计1、铁芯的设计铁芯在搅拌器中所起的作用主要是增加磁导率、构成磁路以及固定线圈的，它在本设计中主要是采用若干个硅钢片叠加起来构成的。

本设计之所以采用叠加的硅钢片主要是为了减少铁芯中的涡流损耗，同时在各个硅钢片之间要涂刷绝缘漆。

铁芯型式决定了电磁搅拌器的磁场性能与冶金效果。

尤其对凝固末端电磁搅拌而言这方面尤其重要。

下面从芯型式、磁场的空间分布和磁路的有限元分析等三个方面对凝固末端电磁搅拌器的选型作一分析：（1）电磁搅拌器根据铁芯结构的不同可分为: 齿槽型铁芯和环形铁芯, 其结构分别如图1和图2所示:图 1 齿槽型铁芯结构图图 2 环形铁芯结构图齿槽型铁芯结构紧凑,齿部靠近铸坯,这样磁场气隙较小,利用率高;环形铁芯离铸坯较远, 磁场气隙较大, 但此结构线圈产生的磁场相对较为均匀.(2) 电磁搅拌器根据冷却方式的不同, 可分为外水直冷式和铜管内冷式两种结构(见图3和图4). 即俗称的扁铜线结构和铜管式结构.图 3 外水直冷式导线冷却图图 4 铜管式冷却图扁铜线结线结构冷却水在杜邦膜外对铜线进行冷却, 一般冷却水的温升控制5℃以内; 此结构绝缘材料为杜邦膜, 冷却水中导电离子对膜的分解会影响产品使用寿命. 铜管式结构冷却水在铜管内对铜管进行冷却, 冷却效率高, 但铜管内通过水的截面积有限, 一般冷却水的温升控制在 30～35℃左右; 此结构在冷却时水电是直接接触的, 这样冷却水要求不能导电, 需采用纯水, 同时电磁搅拌器的水、电在与外部供水、供电设备连接前需要分开, 这会增加产品的故障点.(3)结晶区电磁搅拌器根据与结晶器的关系不同, 可分为外置式和内置式两种(见图 5和图 6).图 5 外置式电磁搅拌器图 6 内置式电磁搅拌器结晶区电磁搅拌器采用外置式备件较少，在更换时不需要拆换搅拌器，生产效率更高，相对内置式而言耗电多；内置式电磁搅拌器耗电较少，但备件较多，而且内置式电磁搅拌器安装在结晶器内随结晶器一起振动，增加振动机构的负荷。

（4）电磁搅拌器铁芯结构不同，则其磁路结构不同，磁场分布不同，下面采用Maxwell磁场分析软件对齿槽铁芯和克兰姆绕组铁芯的瞬态磁场进行分析对比，图 7 齿槽型铁芯结构瞬态磁场分布图图 8 环形铁芯结构瞬态磁场分布图齿槽型铁芯结构的电磁搅拌器外围基本无漏磁, 但齿槽部分存在部分漏磁; 而克罗姆绕组环形铁芯结构的搅拌器内外两条磁路基本相当, 外围漏磁较大, 根据目前国内外的经验, 在其外围采用高导电率的纯铜板对其进行磁场屏蔽, 以减少其对周围人员与设备的磁场干扰.2、线圈的设计线圈主要是用来产生电磁的，它的绕制方式将直接影响电磁搅拌器的功用和效率等。