（无线电物理专业论文）纵向电磁搅拌控制电路逻辑电路的设计和调试.pdf

ab s t r a c t t h e u s h e r e d i n a b r o a d r o t a t i n g e l e c t r o m a g n e t i c t e c h n o l o g y h a s m a n y i n t r i n s i c d i s a d v a n t a g e s , a l t h o u g h i m p r o v i n g s o m e t h e q u a li ty o f s t e e l , b e c a u s e i n s i d e t h e c a s t i n g s l a b t h e o r g a n i z a t i o n i s n o t p e r f e c t , t h e q u a l i ty o f i t s s u r f a c e i s b a d , 山 e r e a r e m a n y n o n m e t a l i m p u r i ty i n s i d e t h e m o l t e n s t e e l , 比 e c e n t r a l e l e m e n t s d e fl u x i o n i s s e r i o u s a n d t h e c e n t r a l l o o s e n m a k e s t h e c e n t r a l h o l e i s b i g , t h e r e i s c r a c k l e , a n d t h e r e a r e m o s t l y l a n d s c a p e o r i e n t a t i o n c rys t a l a n d s o o n . we d e s i g n e d a n d i m p l e m e n t e d a c o n t i n u o u s b i l l e t s t o r o i d a l e x t r u d i n g l o n g - i t u d i n a l e l e c t r o m a g n e t i c s t i r r i n g c o n t ro l l i n g e l e c t ri c c ir c u i t . i t i s a n e ff e c t i v e s o l i d i fi c a t i o n c o n t r o l t e c h n i q u e o f i m p r o v i n g t h e s o l i d i fi c a t i o n s t r u c t u r e , e x p a n d i n g e q u a t e d z o n e a n d e l im i n a t i n g m a c r o s e g r e g a t i o n a n d r e d u c i n g c e n t e r c a v i t a t i o n s a n d 口 旧 c k . t h i s d e v i c e n e e d s o n e s u p e r p o w e r u l t r a - l o w f r e q u e n c y a c s u p p l y , w e a b a n d o n r e s o n a n c e s u p p l y p r o j e c t ， b e c a u s e t h e c o m p e n s a t in g c a p a c i ty i n s i d e t h e p r o j e c t i s h u g e a n d d o e s n t p r a c t i c a b i l i ty . we a d o p t a n a n t i - p a r a l l e l b u c k - b o o s t r e c t i fi e r b r i d g e a l t e rn a t i o n a s n e e d e d u l t r a - l o w fr e q u e n c y a c s u p p l y .w h e n w o r k e d , i t m u s t a b s o l u t e l y a v o i d b u c k - b o o s t r e c t i fi e r b r i d g e w o r k in g s i m u l t a n e o u s l y t o p r e v e n t s h o rt c i r c u i t a n d c a u s e e x p l o s i o n . i n t h e m e a n t i m e e l e c t r o m a g n e t i c s t i r r e r i s a k i n d o f i n d u c t i v e l o a d . s o b u c k - b o o s t r e c ti fi e r b r i d g e a l t e r n a t i o n n e e d i n v e r s i o n p r o c e d u r e e t c . s o t h a t t h e u l t r a - l o w fr e q u e n c y a c s u p p l y n e e d a s e t o f l o g i c e l e c t r i c c i r c u i t t o a r r a n g e i t s w o r k , b u t t h i s t e x t i s e x a c t l y t h e w o r k p r o c e s s a n d t h e w o r k 州n c i p l e t h a t e l a b o r a t e s t h i s l o g i c e l e c t r i c c i r c u i t a n d t h e t e s t r e s u l t o f i t s w a v e . k e y w o r d s : c o n t i n u o u s c a s t i n g t o r o i d a l e x t r u d e s l o n g i t u d i n a l e l e c t r o m a g n e t i c s t ir r i n g u l t r a - l o w fr e q u e n c y a c s u p p l y r e c ti fi e r b r i d g e 南开大学学位论文版权使用授权书 本人完全了 解南开大学关于收集、保存、 使用学位论文的规定， 同意如下各项内容:按照学校要求提交学位论文的印刷本和电子版 本; 学校有权保存学位论文的印刷本和电 子版，并采用影印、缩印、 扫描、 数字化或其它手段保存论文; 学校有权提供目 录检索以 及提供 本学位论文全文或者部分的阅览服务; 学校有权按有关规定 向国家有 关部门 或者机构送交论文的复印件和电 子版; 在不以赢利为目 的的 前 提下 ，学校可 以适当复制论文的部分或全部内容用于学术活动。 学 位 论 文 作 者 签 名 : 雯 二氢 5 - 月 -j - 日 年 刃|斗 铆一 经指导教师同意， 本学位论文属于保密，在年解密后适用 本授权书。 指导教师签名: 学位论文作者签名: 解密时间: 年月日 各密级的最长保密年限及书写格式规定如下: 内部5 年 最长 5年，可少于 5 年) 秘密女1 0 年 ( 最长 1 0年，可少于 1 0 年) 机密*2 0 年 最长2 。 年 可少于_ .0 年) 南开大学学位论文原创性声明 本人郑重声明: 所呈交的学位论文，是本人在导师指导下，进行 研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外， 本学位论文 的研究成果不包含任何他人创作的、 已公开发表或者没有公开发表的 作品的内容。对本论文所涉及的研究工作做出贡献的其他个人和集 体， 均己在文中以明确方式标明。 本学位论文原创性声明的法律责任 由本人承担 。 学位论文作者签名: 7 11 i v-z-5 年 f月才日 第一章 研究背景与意义 第一章 研究背景与意义 1 . 1钥铁连铸技术的发展 1 . 1 . 1钥铁连铸原理 钢水凝固成型有两种方法: 传统的模铸和连铸。模铸是把钢水直接浇注在 钢锭模中凝固形成铸坯， 是非连续式生产方式川 ， 而连铸通过连续铸机将钢水转 变成连续的长条型钢坯， 再通过气割切割成一段段钢坯2 随着科技进步的不断推进，模铸逐渐被淘汰，连铸技术日益普及，目 前连 铸技术的发展现状为:连铸取代模铸是炼钢生产流程中一次巨大技术变革。目 前世界上有不少产钢国家连铸比已 接近饱和程度。连铸机机型己基本定型化。 改进的方向是使连铸机的结构和辅助设备具有更高的综合性能，操作过程自 动 化、可控性和安全性达到更高的水平。其目的在于进一步发挥连铸机的生产潜 力以 及和进一步提高 铸坯质量131 在过去 1 0 年间， 连铸机平均年产量显著提高。 据统计，1 9 8 9 年西欧各国连 铸机每流平均产量: 大方坯 0 . 1 2 m t/a ， 。而大方坯每流最高产量 0 . 2 2 m t/a， 提高连铸机生产率主要的措施有: 提高浇注速度。 浇注速度增大，铸机产量增加。据统汁，过去1 0 年间西 欧国家连铸机平均浇注速度增加幅度是大方坯6 5 % 。 目前连铸机是向高拉速方向 发展。 提高连铸机作业率。连铸机作业率是与浇注时间、铸机装备水平、良 好 的 组织管理和产品需求等因素有关的。 据报道，日 本连铸机作业率平均达 7 0 % - 8 0 % ，西欧达6 0 % - 7 0 % 。 世界上有不少工厂连铸机作业率达9 0 % 以 上( 如新日 铁八 蟠厂3 号板坯连铸机达8 8 . 8 % ，名古屋厂9 3 . 4 % ，奥钢联林茨厂3 号铸机9 2 % ) 结晶器采用液面自 动控制和漏钢预报系统，快速整块更换铸机部件，结晶 器在线调宽技术，快速更换中间包，上装引锭杆带，都是提高连铸机作业率的 有效措施。 提高连浇炉数。 连浇炉数对铸机生产率和产品成本起决定. 第一章 研究背景与意义 1 . 1 . 2钥铁连铸的优越性 ( 1 ) 节省工序， 缩短流程 连铸最大的特点是省掉了模铸的脱模，整模、钢锭均热和开坯等工序。基 建投资可节约4 0 % ，占 地面积减少3 0 %，劳动力节省7 5 % . ( 2 ) 提高金属收得率 模铸工艺的切头切尾损失达 1 0 % - 2 0 %，而连铸的切头切尾损失为1 %2 %, 故可提高金属收得率1 0 %1 4 % ( 大方坯1 3 %，小方坯1 4 % ) . 如果以 提高1 % 计算， 年产 1 0 0 万t 钢钢厂，采用连铸工艺，就能增产 1 0 万t 钢，带来的经济效益是 相当可观的. ( 3 ) 降低能量消耗 采用连铸省掉了 均热炉的再加热工序，可使能量消耗减少 1 / 2 - 1 / 4 。 据日 本 资料:生 产i t 钢坯， 连铸比 模铸一 般可节能 ( 4 1 . 8 - 1 2 5 .4 ) x 1 0 4 0， 相当 节重油 1 0 - 3 0 k g / t 坯 ( 4 ) 生产过程机械化和自 动化程度高 炼钢厂铸锭车间劳动环境恶劣，手工劳动多，是炼钢生产中最落后的工序。 尤其是对于氧气转炉的发展而言，铸锭己成为提高生产率的限制性环节。采用 连铸后，由于设备和操作水平的提高以及采用全程计算机控制和管理，劳动环 境得到了根本性的改善。连铸操作自 动化和智能化己成为现实。 ( 5 ) 连铸钢种扩大，产品质量日 益提高 目 前几乎所有的钢种都可用连铸生产.连铸的钥种己 扩大到5 0 0多个。就钢 种而言， 超纯净度钢 ( 1 f 钢) 、 高 牌号 硅钢、 不锈 钢、 z向 钢、 管线钢、 重轨、 硬 线、工具钢以及合金钢都可用连铸生产. 随着连铸技术的快速发展，国际钢材市场的竞争日益激烈，连铸坯的质量 越来越受到高度重视，因为连铸钢液先天非金属夹杂物多，中心的元素偏析严 重而且中 心疏松造成中心缩孔大， 有裂纹，内部多为横向晶等.因而围绕如何提 高连铸坯质量的 研究工作也取得了很大的 进展。 连铸的电 磁搅拌( e l e c t r o m a g n e t i c s t i r r i n g ， 简 称e m s ) 技术因 其能 显著改善连铸坯 质量而 在国内 外受到高 度重 视并 得到广泛应用与快速发展。 第一章 研究背景与意义 1 . 2电磁搅拌技术的发展 1 . 2 . 1电磁搅拌的物理机理 电磁搅拌( e m s ) 即用电磁感应产生的作用力来推动液态金属有规律的运 动的过程。是以液态金属本身为工作介质，电磁设备与金属无直接接触，操作 方便，受到国内外熔铸行业的重视。相比传统的升降叉车式，吹气式，真空泵 式等搅拌方法由于操作复杂， 维修费用大等一系列原因，未能得到广泛的运用。 电磁搅拌技术是随着连铸技术的发展而发展起来的一项用于提高铸坯内在质量 的工艺措施。国外在二十世纪五六十年代开始提出并试用，七八十年代日 趋成 熟。国内自 八十年代初引进连铸技术以来，电磁搅拌的研发和应用也日益普遍。 电磁搅拌涉及到电磁动力学、流体力学和热力学等多门学科，其机理相当 复杂。电磁动力学是建立在 m a x w e l l方程和 o h m定律之上的一门综合学科对电 磁力作用下的流体流动进行解析时，需对电磁力场控制方程和流动控制的 n - s 方程联合求解。m a x w e l l 方程可表述如下: _ab v xe = 一二 二 at v xh = j v xj = 0 v xb = 0 此 外 ，对 流 体 运 动 ， j=口e ( e+px b ) 欧姆 ( o h m) 定律取如下形式 : 由电磁场产生的体积力f.5 = j x b 流 体 控 制 方 程 则 变 为 : 旦 竺= ( ju 三 a 兄p 式 中 口=v ) o w + v x ( v x 。 ) xv为 涡 旋 量 + 上v 、 尸 p 电磁搅拌器的工作机理是根据上述的麦克斯韦尔方程原理:运动的导电钢 水与磁场相互作用产生感应电流，载流钢水与磁场相互作用产生电磁力。电磁 力作用在钢水每个体积元上，从而驱动钢水流动，进而改善钢水凝固过程中的 第一章 研究背景与意义 流动、传热和迁移过程，达到改善铸坯质量的目的。 通过应用移动磁场在凝固 前沿的液体中产生相对运动，磁场运动可以是旋转的、线性的或交变的，都可 以产生感生电流。磁场和涡流的相互作用产生了电磁驱动力，电磁力作用在金 属熔体体积元上， 熔体就被迫运动. 根据直流电动机原理、感应电动机原理、 直线电动机原理，电磁搅拌力可分为: 静止磁场液芯通电型、 感应旋转磁场型和 行波磁场电 磁搅拌型等s ) 1 . 2 . 2电 磁搅拌在国外的发展状态 1 9 2 2 年，美国的j . d . m c n e i l l 就获得了 采用电磁搅拌技术以 控制凝固过 程的专利，发现了金属液的流动对凝固组织的致密性、偏析度和夹杂物分布有 很大的影响s i 。 但是， 到了2 0 世纪5 0 年代时，电 磁搅拌技术才首先在德国、 奥地利等欧洲国家的钢铁企业里进行实验生产，人们对电磁搅拌在连铸上的应 用的研究才逐渐开展起来。 7 0年代可以 说是电磁搅拌技术逐步工业化的时代， 1 9 7 3 年，法国的h a g o n d a n g e 的s a f e 厂， 首先在四流方坯连铸机的所有铸流上 采用了电 磁搅拌技术， 从而奠定了电 磁搅拌技术工业应用的基础7 3 随后电磁搅拌 技术不断发展成熟，1 9 7 7 年法国的r o t e l e 公司以m a g n e t o g y r - p r o c e s s 为注册 商 标， 将其商品 化并投 入工业应用， ， 。 在此期间， 英国、 美国 、 德国 等许多 钢铁 公司也都进行了连铸上应用电磁搅拌技术的工业化基础研究，主要研究了小断 面铸坯，如方坯、圆坯在连铸机的结晶器和二冷区应用电 磁搅拌技术的工业问 题b 。 由 于电 磁搅拌能 显著改 善 铸坯 质量， 世界 各国 对其最佳工艺、 最 佳设计以 及其作用机理和潜力，进行了广泛的研究和新技术、新设备的开发。连铸电磁 搅拌技术的应用促进了高效优质连铸技术的进步，是6 0 年代以来连铸技术及电 磁冶金技术最重要的发展之一。 连铸电磁搅拌的实质是借助在铸坯液相穴内感生的电磁力强化液相穴内钢 液的运动，由此强化钢液的对流、传热和传质过程，产生抑制柱状晶发展、促 进成分均匀、夹杂物上浮颗粒细化、分布均匀的热力学和动力学条件，进而控 制铸坯凝固 组织， 改善铸坯质量。 电 磁搅拌技术应用于连铸生产始于2 0 世纪6 0 年代，随着连铸比不断提高及用户对翎材质量的要求日益严格，电磁搅拌技术 在 7 0 年代和 8 0年代得到了 迅速发展，并在连铸机上得到了 广泛应用，促进和 推动了 高效连铸技术的 进步u m 旧 本是电 磁搅拌技术应用较早的国 家之一。日 本 第一章 研究背景与意义 的许多钢铁公司和钢铁厂在板坯连铸机上也都采用了结晶器电磁搅拌装置. 日 本 k o b e s t e e l . l t d . 在弧形板坯连铸机结晶 器内 安装了 行波磁场电 磁搅拌器 1 1) , n o b u y u k l g e n m a 等通过实验对不同的搅拌方向( 水平、竖直向 上、竖直向 下) 情况下铸坯内的非金属夹杂进行了实测。该公司还首创了在一流铸坯上安装 多 个搅拌器的 组合式电 磁搅拌技术 12 ) 。日 本住友金属工业公司又 提出了 采用旋 转永磁体式电 磁搅拌器， 用作结晶 器以 及二冷段的电 磁搅拌。到1 9 8 2 年底， 仅 新日 铁一家就有了2 3 台板坯电磁搅拌器和2 6 台方坯电磁搅拌器。 到了9 0 年代，电磁搅拌技术日趋成熟，其应用也日益广泛。在小方坯、大 方坯、圆坯和板坯的连铸工艺中都有采用电磁搅拌技术，同时新的电磁搅拌技 术也不断被开发、 研制和应用。1 9 9 4 年， 加拿大的i s p a t s i d b e c 公司首先采用 了双线圈电磁搅拌系统，以提高连铸坯特别是高碳钢和合金钢的内部质量 1 ) , 1 9 9 5年， 日 本神户 钢铁公司的 研究人员 提出了一 种新型的电 磁搅拌技术， 即 对中间包到结晶器之间的注流进行电磁搅拌， 解决了长水口的堵塞问题， 并且实 现了 在整个连铸过程中的 低过热度浇注14 ) 在此期间， v i v e s. 砂5 ) 探讨了时变磁场和静磁场下液态金属的电 磁搅拌现 象。 s z e k e l y . j 18 ，用 磁矢 位 法计 算t 感应炉内 的电 磁搅拌n a t h e n s o n . r . d 1 和s p i t z e r . k . h 18 ) 分别 得到了 方坯和圆 坯旋转电 磁搅拌下钢液的 流场分布。 d u b k e . m . 研究了 矩形坯的 行 波磁场电 磁搅拌。 t o b o c . pe) 和c h u n g . s . l 2 ) 分别探讨了电磁搅拌对钢的凝固组织和凝固行为的影响。 1 . 2 . 3电磁搅拌技术在国内的发展状态 我国从 2 0世纪 7 0年代末开始研究电磁搅拌技术至今，经历了 3个主要阶 段。 ( 1 ) 7 0 年代末至8 0 年代中期， 我国当时还不具备高性能电 磁搅拌装置的制 造能力。在此期间，我国开始对电磁搅拌器进行摸索和探讨，先是进行实验室 研究， 也有一些工业运行装置， 但其性能一直不稳定; 8 0 年代中期我国引进了一 批特殊钢连铸机，都配有进口的电磁搅拌器，这对提高我国连铸电磁搅拌技术 起了积极的作用，同时证明电磁搅拌的重要性。 ( 2 ) 8 0 年代后期，电磁搅拌得到国家的高度重视，并连续被列为 “ 七五，. “ 八五”和 “ 九五”计划中重点科技攻关项目。经过十多年的努力，我国电磁 第一章 研究背景与意义 搅拌技术终于有了重大突破和发展。从重庆特钢、长城特钢开始成功使用国产 电 磁搅拌装置备件，到1 9 9 6 年5 月舞钢首次在大型厚板坯连铸机上成功使用国 内自 行设计研制的 s - e m s成套装置，标志着我国电磁搅拌装置依靠进口的历史 已真正成为过去，大冶特钢、宝钢、首钢、成都无缝、涟钢等也相继使用了少 量国产连铸电磁搅拌装置。由于这些装置的制造水平和使用效果都已达到引进 装置的水平，因此促使e m s 进口价格大幅下降。 ( 3 ) 1 9 9 7年，宝钢同 其它单位合作，成功研制了宝钢大板坯连铸 s - e m s , 价格不到引进设备的1 / 3 。中科院力学所在测试结论中认为“ 国产化电磁搅拌器 的整体性能不亚于引进的d k s的水平” 。1 9 9 8 年 1 1 月初，宝钢电炉结晶器电磁 搅拌器国产化研制成功，出厂验收报告认为 “ 国产 m - e m s总体性能比引进的略 有提高” 。 在 1 9 9 8 年1 0 月的第二届全国连铸电磁搅拌技术研讨会上， 宝钢s - e m s 的研制成功标志着我国己经具有研制高性能电磁搅拌装置的能力，具备了出口 竞争的实力翎 。 我国目 前应用的电磁搅拌器绝大部分为引进的，仅有重庆特钢、宝钢等使 用了少量的国产电 磁搅拌装置。 通过引进了一批不同位置和类型的e m s ， 使我国 e m s 的在线应用有了较大的发展和进步。 但是，由于e m s 国内的应用研究还不充 分，不少厂家的运用还不尽人意，主要存在以 下4 个问 题w 1 ， ( 1 ) 工艺试验不充分，未对工艺参数进行充分优化; ( 2 ) 搅拌功率问题，国内引进的e m s 多为早期产品， 功率不足，无法发挥应 有的效用。 ( 3 ) 水质处理问题，由 于 e m s功率大，电磁线圈多采用水内冷，对水质要 求很高， 而国内厂家水质处理大多达不到标准，造成线圈及接线处绝缘损坏; ( 4 ) 钢种不合适， e m s 对高碳钥、 不锈钢、 厚板等特殊钢种的作用比 较明显， 普通钢则效果有限，船板钢和某些低合金钡经电磁强搅拌后，易产生白亮带和 负偏析带。 从以上所述可以看出，我国对 e m s的研究和应用还比较落后，因而，我们 必须加大研究力度，以 使我国e m s 技术进一步地发展。 自 从上世纪7 0 年代以 来，武汉钢铁公司和武汉钢铁研究院、北京钢铁研究 总院、武汉科技大学、东北大学、北京科技大学、大连理工大学等多家科研单 位和高校，在电磁搅拌的应用和基础理论等方面进行了大量的研究工作，积累 了不少宝贵经验。 第一章 研究背景与意义 1 . 3电 磁搅拌器安装位里的分类 按搅拌器的安装部位可分为中间包加热用电磁搅拌( h - e m s ) ; 结晶器电磁搅 拌( m - e m s ) ; 二冷区电磁搅拌( s - e m s ) ，最终凝固末段电磁搅拌( f - e m s ) ，而二冷 区电磁搅拌又可以细分为二冷一段电磁搅拌( s 1 - e m s ) ，二冷二段电磁搅拌器 ( s 2 - e m s ) ，如下图1 所示。 电磁搅拌的效果随搅拌装置的安装位置不同而有所不同。实践证明，在连 铸机上选择合理的位置安装电磁搅拌装置，可以有效地改善铸坯的内部组织结 构，提高铸坯表面质量、使钢水中的非金属夹杂物上浮、明显减轻中心偏析和 疏松、最大限度地消除中心缩孔、表面裂纹和内部裂纹、增加铸坯的等轴晶率， 从而放宽对连铸工艺的要求，扩大连铸钢种范围，提高铸坯拉速，对中、大断 面和特殊钢种的钢坯作用效果尤为明显。 ( 1 ) 中包加热用电磁搅拌( h - e m s) 此种电磁搅拌使连铸过程中的钡水温度在中包内始终保持在液相温度以上 3 0 - - 4 0 1 c . ( 2 ) 结晶器电磁搅拌( m - e m s) 该搅拌器是目 前各种连铸机都适用的装置，由于它对改善铸坯的表面质量、 细化晶粒和减少铸坯内部夹杂和中心疏松有着显著的作用，所以被特别推崇选 用。它一般安装在结晶器内的下部，以便不影响液面测量装置的使用。结晶器 内钢液搅拌主要形式有水平旋转磁场搅拌和垂直的由下而上的行波磁场搅拌。 水平旋转磁场搅拌多用于方坯和圆坯，行波磁场搅拌多用于板坯和宽厚比较大 的 矩形坯， 所谓行波磁场 搅拌即 将电 极的定 子 铁心切开并展成 直线， 产生 按正 弦规律变化的行波磁场， 使铸坯内产生电 磁力并驱动铸坯内未凝固的钢液运动 达到搅拌目 的。结晶 器电 磁搅拌可以 减少例如表面夹渣，皮下丸喳，皮下气泡 和针孔等缺陷，还能提进大量等轴晶的生成。但是由于结晶器壁有良 好的导热 和导电性，使搅拌器产生的磁场衰减严重，从而使得电能利用率较低。为了解 决这一问题，我们通常采用弥散硬化的铜合金做结晶器壁并且采用低频供电。 ( 3 ) 二次冷却一段电 磁搅拌( s 1 - e m s ) 此种电磁搅拌器只适用于小方坯连铸机，它的功能与m - e m s 类似，所以两 者不重复采用，但s 1 - e m s 安装在结晶器外的一段足辊处，更换、维修十分方 便，若要获得m - e m s同样的搅拌效果，则s 1 - e m s 所需的功率要小得多，且可以 第一章 研究背景与惫义 采用工频电源供电，因此在投资和运行成本上比较经济。 ( 4 ) 二次冷却二段电磁搅拌( s l - e m s ) 二冷区电磁搅拌主要形式为: 旋转磁场型、行波磁场型和螺旋磁场型。该部 位电磁搅拌是促进连铸坯晶粒细化的有效手段，它能切断在结晶器内形成的柱 状晶， 扩大铸坯里等轴晶区的面积， 减轻中心偏析。一般与m - e m s 或者s 1 - e m s 一起使用， 在大方坯和板坯连铸机上也可以 使用。但是由 于搅拌在两相区进行， 在铸坯的搅拌起始点处易出现负偏析，即白亮带。 在二冷区进行电 磁搅拌时， 只要铸坯的凝固壳厚度小于8 0 . 温度在居里点 以上，可以使用工频电 源，省去昂贵的变频设备。 ( 5 ) 凝固末端电磁搅拌( f - e m s) 凝固末端电磁搅拌一般在浇注对. 碳偏析有严格要求的高碳钢时必须采用。 搅拌器的安装要靠近凝固末端，一般在液心直径为 6 0 - 8 0 . 处为最佳，并允许 调节。它可以进一步减轻中心偏析、中心疏松和 v型偏析。由于安装在凝固末 端，此时凝固坯壳较厚， 搅拌器一般采用低频电 源供电. 针对一些对质量有特殊 要求的钢种，我们可以根据以上各个搅拌位置的特点对其进行合理的组合，来 提高产品性能，以达到成品的要求，这便是组合式搅拌工艺( c一 e m s ) .“ 采用 二个及以上位置的组合搅拌方式能综合各单一位置搅拌的优点，增大搅拌的有 效作用范围，增大等轴晶区面积，还可以避免白亮带的增加。当浇注中高碳钢、 合金钢时，可能同时遇到浇注速度快、钢水过热度高，铸坯尺寸小等比较困难 或特殊要求的连铸工艺，单一的搅拌工艺往往不能使铸坯形成足够的等轴晶结 构，中心疏松或中心偏析还达不到最终产品的要求。解决这种情况的简单办法 是采用两个相隔一定距离的组合搅拌方式，即m + s 2 - e m s 或者s l + s 2 - e m s ， 见图 1 . 5 中的( 1 ) 。 上述的组合式搅拌工艺可以 有效的减轻合金元素沿着轴向的聚集， 但不能有效的减轻含碳量高的钢种在轴向的正偏析，于是出现了第二种搅拌工 艺，即m + f - e m s 或者s 2 + f - e m s ，见图1 . 5 中的( 2 ) ( 3 ) 。这些工艺主要依靠凝固 末端电磁搅拌( f - e m s ) 使铸坯内的细晶粒和未凝固的钢水的糊状区再次处于运 动状态，轴向偏析的金属元素同周围的金属成分产生搅拌和混合，当铸坯内部 凝固结束时，即形成新生的均匀的良 好组织结构。某些特别难浇注的钢种，如 滚珠轴承钢， 会产生特殊的冶金问 题， 此时若采用 m - e m s + s - e m s 十 f - e m s三个位 置的组合搅拌方式，如图1 . 5 中( 4 ) ，可以有效的控制铸坯内部质量。三个位置 的电磁搅拌的作用分别为: m 一m s 消除过热，促使等轴晶凝固; s 2 - e m s 改善晶粒 第一章 研究背景与意义 尺寸，细化晶粒: f - e m s减轻中心偏析、中心疏松和中心缩孔，使铸坯达到微偏 析等级，甚至可以基本消除这些缺陷。 .l / 娜 撼日目阳户 侧日俐砚 图 1 1 . 4现行的我国电磁搅拌技术的缺点 随着连铸技术的不断发展， 连铸钢种的不断扩大， 电 磁搅拌技术越来越受到 普遍重视， 但在我国生产实际中电 磁搅拌并没有得到广泛应用。 这是因为:目 前 我国绝大多数电 磁搅拌设备属外国进口，价格昂贵;绝大多数电磁搅拌设备为 水平旋转磁场式，改善连铸小方钢坯质量的效果不甚明显。具体表现在: ( 1 )当对钢水进行旋转式电磁搅拌时，水平旋转的钢水虽然可以搅乱横向的 状晶的形成，但并不有利于纵向的等轴晶的生长; ( 2 )钢水横向旋转，产生离心力，加剧了 钢坯中间的疏松和缩孔，偏析现象 也比较严重; ( 3 )钢水横向旋转井不有利于夹渣的上浮; ( 4 )产生旋转磁场的定子线圈的六个绕组的体积过大，发热严重，必须浸泡 第一章 研究背景与意义 在软化水中， 导致线圈寿命短( 一般在一年左右) 。 加之水软化设备昂贵， 更增加了连铸设备的成本; ( 5 ) 在旋转磁场式电 磁搅拌装置还是行波式纵向电 磁搅拌装置中，都需要三相 乃更多相超低频交流逆变电源。这类电源的造价高昂 ( 约几十万元人民币 至几百万元人民币) ，而且设备复杂，故障率高，更不易维修; 1 . 5本文研究工作主要内 容: 我们现在采用一种对连铸小方坯内 部钢水进行环抱挤压型纵向电 磁搅拌的 新方案 ( 如图2 ) : 搅拌感应线圈采用空心铜管制作， 铜管内通水冷却， 并以 螺 线管的形式缠绕在结晶器外围。当交变电流通过线圈时，线圈所包围的空间内 产生纵向交变磁场，磁场方向与结晶器的轴向一致。根据电磁感应原理，纵向 交变磁场在连铸坯的钢水中感生出环形横向流动的感生电流，由右手定则该横 向感生电流与线圈中的电流方向是相反的。当输入的交变电流的频率越低 ( 0 - 5 0 h z ) ，其趋肤效应越弱，也就会有更多的感生电流渗入到钢水之中。 2 2 川 1 1 ./了乙 . .厂 .一裕 甲.。. . . 血.翔月 . 今-.-. 卜， :如:，.: :1.二 1 一.一.- f:钾.三 . 勺 .哪.味 ， 。， 图2 : 1 结晶器2 纵向交变磁场;3 感生电流;l结晶器外的缠绕螺线管 1 0 第一章 研究背景与意义 由电磁感应楞次定律左手定则可知，环行横向流动的感生电流与纵向交变磁场 相互作用会产生指向连铸坯轴心的洛伦兹力，产生环抱挤压型的力使钢水向里 挤，钢水在该力的环抱挤压下流向表面，到达钢水上表面后，再向下回流，从 而形成上行纵向环流。事实上，除了此上行环流外，钢水中还会形成下行环流。 上下行环流都具有增加等轴晶和减少连铸坯中间组织疏松和缩孔的良好作用。 鉴于结晶 器 ( 上端开口，左右壁封闭，下端几乎封闭)的结构上的特点，导致 上行环流一般大于下行环流，致使下行环流去除夹渣的效果不甚明显。由于连 铸坯内钢水必经过上行环流后才进入下行环流，钢水经过上行环流作用，大部 分夹渣已被去除，所以不用过多考虑下行环流的影响。这种纵向搅拌方式较之 引进的旋转磁场式搅拌有如下五点显著优点: ( 1 ) 纵向流动的钢水更有利于纵向等轴晶的生成， 增加钢坯强度; ( 2 ) 钢水受到始终向心的洛伦兹力的环抱挤压，可明显减小连铸坯中间的疏 松和缩孔; ( 3 ) 上行环流钢水中的夹渣在上行钢水的裹挟下上浮，到达结晶器的上表面. 由于夹渣比 钢水轻，所以，当钢水向下回流时，因浮力作用， 使更多的夹渣摆脱 了钢水的裹挟而浮在结晶器的上表面， 促进了夹渣的去除: ( 4 ) 螺线管感应器的感应线圈只有一个， 其体积远比具有六个线圈的旋转磁 场式搅拌感应器小很多. 这样一来， 感应线圈就可采用通水冷却的空心铜管绕制， 而不必将感应器线圈浸泡在软化水中， 大大延长了感应线圈的寿命， 同时也省去 了价格昂贵的水软化装置; ( 5 )结构简单， 成本低， 维修容易; 我们这套小方坯环抱挤压型的纵向电磁搅拌装置需要一台大功率超低频交 流电源来工作，在采用电源方案时，我们采取了反并联正反整流桥交替工作的 办法作为超低频交流电 源，为了 让该超低频电源能稳定安全的运行，针对电源 中的反并联正反整流桥须避免同时工作造成短路爆炸的情况以及考虑到电磁搅 拌器是感性负载的问题等，因此需要一套逻辑电路的种种安排，而本论文就是 阐述上面的问题以及设计合理的逻辑电路以及其工作原理和其测试结果。 第二章 电磁搅拌主电路的研究 第二章 电磁搅拌主电路的研究 2 . 1 主电路的设计思想 我们对钢水经过结晶器处外缠绕钢管线圈进行纵向环抱电磁搅拌，该钢管 线圈构成螺线管感应器， 铜管内 通水冷却，而不必浸泡在软化水中，大大延长 了感应线圈的寿命，同时也省去了 价格昂贵的水软化装置， 结构简单， 成本低， 维 修容易。由于趋肤效应 ( 沿导体截面的电流分布是不均的，最大电流密度出现 在导体的表面层) ， 频率越高趋肤效应越显著， 为减小趋肤效应， 使更多的感生 电流渗入到钢水之中，应采用低频的交流电。要产生低频的交流电 源，有两种 方 案: ( 1 ) 采 用 补 偿 方 案 ( 如 并 联 补 偿 方 案 和串 联 补 偿 方 案 ) : 频 率f = 1 / 劫召 厄 己 ， 因为电路中所用的电 感 l 一定，即它是缠绕在结晶器外的铜管线圈的电感量。 所以只有设法增大电 容c的容量，但是当电 容c太大 ， 经济上和应用上不便 实施，所以放弃这个方案。( 2 ) 采用非补偿方案。我们采用反并联的三相全控 整流桥来产生低频的交流电源 ( 具体电路如下图3 ) ，即放弃补偿方案，没有补 偿电容，虚功能量经s c r回馈电网，这样就增大了s c r的电流容量，费用也 增大，但与补偿电容相比还是比 较经济的，故我们采用第二个方案即采用非补 偿方案。 2 . 2主电路的工作电路 a-b 第二章 电磁搅拌主电路的研究 图3 正桥整流 正桥拉逆变 正桥封锁 洲 尸 等待时间 、 反 桥 整 流 反 桥 拉 逆 菠 反桥封锁解除 图4 2 . 2 . t 主电路的工作原理和工作过程: 低频交流电源由主电路和控制电路构成。主电路包括两组反向并联的正可 控整流桥、反可控整流桥和平波电抗器l , 和螺线管感应器线圈l a 正可控整流桥向螺线管感应器线圈l 提供正半周电流 ( 此时，反可控整流 桥关闭) ，而反可控整流桥则提供负半周电流 ( 此时，正可控整流桥关闭) 。由 于螺线管感应器线圈l 两端并接到反向并联的可控整流桥上，因此，通过这两 个正反可控整流桥的交替工作，流过电感线圈l 的电流就为拼接起来的类似正 弦波的交流电，而且该电流的频率可以控制。基于电磁感应原理，本装置特对 连铸小方坯内部钢水实施纵向电磁搅拌。平波电抗器l , 起限制可控整流桥输出 电流的上升率的作用，其电感值为0 - 1 0 0 m h 左右。平波电抗器可以采用一个， 也可以采用两个或多个以更有效的限制电流的上升率。 在该电 路在工作中，要注意两点:1 : 在一支桥整流结束时一定要拉逆变， 主要是保证电感上的能量能完全回馈给电网。2 : 在一支整流桥工作时，必须保 证另一支整流桥可靠地关断，以免造成相间短路现象，烧毁主电路。因此正反 整流桥导通的顺序必须遵从如下过程: 正整流桥: 正整流桥: 整流 一逆变 封锁反整流桥: 整流 逆变 一封锁。 第三章 电磁搅拌控制电路的研究 第三章 电磁搅拌控制电路的研究 3 . 1 控制电路的设计思想: 由于控制电路要控制主电路的整流、拉逆变及输出的低频交流电的强度和 频率。 所以我们所设计的控制电路就包括如下几个部分: 霍尔电流传感器h , 波 包个数计数电路、逻辑电路、正桥触发电路、反桥触发电路和电流负反馈电路 ( 即输出电 流强度调整电路) ，其中逻辑电 路与波包个数计数电路决定正反可控 整流桥的工作顺序和产生相应的低频交流电的频率。 下面结合控制电路的各部分具体电路图，对连铸小方坯坯内部钢水进行纵 向电磁搅拌装置的原理详述如下: 由于螺线管感应器线圈 l两端并接到反向并联的可控整流桥上，因此，控 制电路必须保证这两个正反可控整流桥可靠地处于交替工作状态，即当正可控 整流桥处于整流或拉逆变状态向螺线管感应器线圈 l提供正半周电流时，必须 保证反可控整流桥处于可靠的关闭状态;反之，当反可控整流桥处于整流或拉 逆变状态输出负半周电流时，则必须保证正可控整流桥可靠的关闭，否则，反 向并联的可控整流桥将会发生短路，造成事故。为此在低频交流电馈线上安装 了两个霍尔电流传感器h ， 和比 ， 其中h ， 套装在正馈线上， 而h : 套装在反馈线上。 当螺线管感应器线圈l 上通有正半周电流时，电流传感器h : 将输出高电平信号， 同时由 于电流传感器 h z 套装在反馈线上，则输出低电平信号。同理，当螺线管 感应器线圈l上通有负半周电流时，由于电 流传感器 h z 套装在反馈线上，故而 将输出高电 平信号， h , 将输出低电 平信号。 h , 和h , 分别将检测到的信号反馈到控 制电 路的逻辑电路部分中，以实现对这两个正反可控整流桥的交替工作状态进 行控制。 3 . 2 控制电路的各部分的工作过程: 1 ,波包个数计数电路:由a 脉冲形成电路和计数电路组成。逻辑电路给出 正封和反封信号。整流和逆变信号的时刻，由计数电路决定，即控制主电路中 电流的频率。 ( 1 ) 人 脉冲形成电路: 用同步变压器取与主电路同步的三相交流电， 第三章 电磁搅拌控制电路的研究 三相电分别经整流桥整流，稳压管削波，集成块 4 0 1 0 6整形和反相后，变为间 隔为1 8 0 “ 的脉冲， a , b , c 三相叠加后就成为间隔为6 0 “ 脉冲( 即a 脉冲) ，因此一 个周期内共有 6 个a脉冲。主电路中三相全控整流一个周期内 共有 6 个波包， 因此a 脉冲的个数与主回路中三相全控整流后波包的个数一致。 a 脉冲分两路， 一路送给计数电路，一路送给逻辑电路 ( 即指令分配电路) 。( 2 )计数电路:采 用十进制计数器:该电路的计数范围是1 - 9 9 . a 脉冲经4 n 3 5 光祸隔离后，送 给4 0 1 7 集成块作为c p 脉冲，因此计数电路数的 就是a 脉冲的个数，即主电 路 中三相全控整流后波包的个数，当数够规定的脉冲个数时，计数电路就输出脉 冲信号 ( 即b 脉冲)给逻辑电路，同时逻辑电路发出脉冲信号 ( 即c 脉冲) 作 为计数电路的清零信号，清零后计数电路重新开始计数。 2 ,逻辑电路:逻辑电路给出正桥整流、正桥拉逆变信号和反桥整流、反 桥拉逆变信号及计数电路的清零信号。即控制正反可控整流桥的工作顺序，现 在把逻辑电路中各输入输出端子介绍一下: c 清零:逻辑电路输出信号，给计数电路清零用。 a 脉冲:逻辑电路输入信号，来自a 脉冲形成电路。 b 脉冲:逻辑电路输入信号，来自 波包个数计数电路。 c c 4 0 1 3 丁全 ( l ll ) l q = 1 正桥触发信号被封锁 ( 正封) ，正桥触发电路中u , = 1 反桥触发信号被封锁 ( 反封) ，反桥触发电路中u , = 1 q = 1正桥拉逆变信号， 正桥触发电 路中u ， 加上1 5 v 电 压， 触发脉冲后移，主回路工作在拉逆变状态。 = 0正桥整流信号，主回路工作在整流状态。 = 1 反桥拉逆变信号，反桥触发电路中u 加上1 5 v电压， 触发脉冲后移，主回路工作在拉逆变状态。 一q一q q = 0反桥整流信号，主回路工作在整流状态。 3 、触发电路 ( 正桥触发电路和反桥触发电路) :触发电路的作用就是给三 相全控整流桥的可控硅门极触发信号。本方案中采用双窄脉冲触发，一个三相 全控整流桥一周期内共需要 6个触发脉冲，为了整流桥合闸时和电流断续后电 路仍能正常工作，对应导通的一对可控硅同时加触发脉冲，即补发一脉冲给己 第三章 电磁搅拌控制电路的研究 经导通的那只可控硅， 因此一个三相全控整流桥一周期内 共需要1 2 个触发脉冲。 在触发电路板上还有两个输入端子:触发脉冲封锁口 ( 认)和触发脉冲移相口 ( u , ) 。当 u ,= 1 ,触发脉冲被封锁，不能输出到可控硅的门极; u ， 的电压变化 范围是4 v -1 5 v ，当u , 的电压升高，触发脉冲向后移，主电路拉逆变。 4 、电流负反馈电路:输出电流强度调整电路实际上为电流负反馈电路，在 整个主电路中都是电感性负载，如果不限流，电流会无限增大，最后会形成直 通，所以必须加电流负反馈电路来限制电流的无限增大，把电流锁定在一个稳 定值。输出电流强度调整电 路是通过调节 u f 上加的电压来限制电流的:当电流 增大到超过负反馈电 路限定的额定值时，电流负反馈电 路使触发脉冲后移，触 发角度减小，整流输出电流减小，整个主电路电流减小，最终电流负反馈电路 把电流锁在规定的稳定值:当要增大主电路电流时，调节电流负反馈电路使 u , 上加的电压减小，触发脉冲前移，触发角度增大，整流输出电流增大，整个主 电路电 流上升。总之，当电流负反馈电路使 u ， 上加的电压变化时，触发脉冲就 前移或后移，主电路的电流就增大或减小。 整个控制电路系统工作过程:当正桥开始整流 ( 逻辑电路中 1 d触发器的 q = o , 1 d 触 发 器 的西 = 1 , 2 d 触 发 器的西 = 0 , 3 d 触 发 器 的西 = 1 ) ， 计 数 电 路 开