一种连铸超导电磁搅拌器的制作方法

1.本发明涉及一种连铸超导电磁搅拌器，属于连铸炼钢领域。


背景技术：

2.钢种中含有较多的合金元素，在实际应用过程中对其性能的要求较高，所以对钢种的冶金质量提出了新的挑战，对连铸炼钢过程中出现的偏析，排除夹杂和改善凝固等方面的控制要更加的严格。
3.电磁搅拌器作为一种可以使钢液发生直线、旋转或螺旋运动的装置，可以用在连铸机炼钢过程，应用电磁搅拌器可以使钢液中的成分更加的均匀，最终提高铸坯质量。
4.钢液具有导电性，对钢液施加变化的磁场可以在钢液中产生涡流，涡流在磁场的作用下产生驱动钢液流动的洛伦兹力，最终实现对钢液的搅拌作用。
5.根据搅拌器位置的不同，可以分为结晶器电磁搅拌，二冷区电磁搅拌和凝固末端电磁搅拌。
6.根据使用的励磁电源进行分类，电磁搅拌可分为交流感应式和直流传导式。
7.交流感应式是对磁体线圈通入交流电，从而产生变化的磁场，从而使钢液进行搅拌，此种搅拌器由于通入交变的电流，会在线圈中产生大量的热，能耗较大，使用寿面短。
8.直流传导式是在线圈中通入直流电，产生稳定的直流磁场，通过外部的作用使磁体线圈发生运动从而使钢液发生搅拌。
9.常用的直流磁体线圈是由铜材料绕制而成，铜线圈在运行中会产生大量的热，功耗较高。
10.除了给线圈通入交流电，还有永磁式旋转搅拌器，永磁式材料由于材料特性的限制，产生的磁场强度达不到需求，此时需要永磁搅拌器提高旋转速度，会给永磁体带来很大的损耗，并且在连铸过程中产生的高温会使永磁材料退磁，导致永磁体无法使用，无法长期稳定运行。
11.超导磁体系统能够承载大电流，可以产生高均匀度和较高的磁场强度而被广泛应用到需要高场强的领域，超导磁体线圈在运行中没有交流损耗和温升，并且在闭环运行后可以脱离外界供电，能耗较低。
12.超导磁体代替直流铜线圈或旋转永磁体式搅拌器，在钢液中产生较高的磁场强度和磁场均匀度，并且可以长时间稳定运行。


技术实现要素：

13.本发明的目的是克服永磁式旋转搅拌器需绕台旋转，磁场强度低，使用寿命短的问题，提出了一种利用超导材料绕制的超导磁体系统的电磁搅拌器，是一种连铸炼钢中的超导电磁搅拌器，提高了磁场强度和使用寿命。
14.本发明采用如下技术方案：
15.本发明的一种连铸超导电磁搅拌器包括超导磁体线圈1，真空容器3，低温容器2，
输液颈管5，超导开关12，环氧拉杆4，磁轭6和磁极8，超导电磁搅拌器和磁极由电缆和外部磁极控制系统11相连。所述超导电磁搅拌器还包括驱动装置和通电电缆。
16.进一步地，两端磁轭6和两端磁极8对称放置于超导磁体两端，磁力线从磁体室温孔经过磁轭6从一个磁极8出发到另一个磁极8形成闭合回路。
17.进一步地，超导磁体线圈1由超导材料绕制而成，超导磁体线圈可以采用马鞍形、跑道型或螺线管形，超导磁体线圈1放置于低温容器2中，低温容器2由环氧拉杆4将其支撑在真空容器3中，并通过输液颈管5来对低温容器2通入制冷剂，来提供超导磁体线圈1所需的低温环境；超导磁体线圈1的输液颈管5装置与低温容器2和真空容器3相连，并与真空容器3和低温容器2进行密封。
18.进一步地，超导电磁搅拌器在运行时，需先将真空容器3抽真空，再通过输液颈管5将制冷剂注入低温容器2内，提供超导磁体运行所需的低温环境；再对超导磁体进行通电励磁，达到目标电流值后闭合超导开关12，使超导磁体闭环运行，不用外部进行供电；通过外部磁极控制系统11控制与夹辊7相连的磁极8运动，来使钢液做旋转、直线或螺旋运动，达到电磁搅拌的目的。
19.超导磁体线圈1需要放置于低温容器2中，低温容器2由环氧拉杆4支撑固定于真空容器3内，输液颈管5分别于真空容器3和低温容器2相连，并密封焊接。
20.本发明的一种连铸超导电磁搅拌器所用的超导磁体线圈1采用马鞍形构型，跑道型或螺线管形，线圈温孔中的磁场方向与连铸坯9运动方向垂直。
21.本发明的一种连铸超导电磁搅拌器的超导磁体室温孔两端连接磁轭6，磁轭6的末端上装有与驱动装置相连的磁极8，通过外部磁极控制系统11由非磁性夹辊7支撑并控制磁极8按着规定的方向进行运动。所述超导电磁搅拌器和磁极8由电缆和外部磁极控制系统11相连。
22.本发明的一种连铸超导电磁搅拌器利用超导磁体产生的强磁场在连铸钢液中产生的径向磁场为br＝bx
×
cosθ by
×
sinθ，其中θ是柱坐标与x轴的夹角，bx(t)是磁感应强度的x轴分量，by(t)是磁感应强度的y轴分量。
23.本发明的一种连铸超导电磁搅拌器利用超导磁体产生强磁场在连铸钢液中产生的径向电磁搅拌力为fr＝br2/μ0，其中μ0为真空磁导率。
24.本发明的一种连铸超导电磁搅拌器利用超导磁体产生的强磁场在连铸钢液中产生的轴向磁场为bt＝by
×
cosθ
‑
bx
×
sinθ，其中θ是柱坐标与x轴的夹角，bx(t)是磁感应强度的x轴分量，by(t)是磁感应强度的y轴分量。
25.本发明的一种连铸超导电磁搅拌器利用超导磁体产生强磁场在连铸钢液中产生的轴向电磁搅拌力为ft＝(br
·
bt)/μ0，其中μ0(n
·
a
‑2)为真空磁导率。
26.本发明的一种连铸超导电磁搅拌器在使用前，需要先对真空容器3抽真空，再通过颈管对低温容器2通入制冷剂，对超导磁体系统进行冷却，达到超导磁体运行所需的低温条件。
27.本发明的一种连铸超导电磁搅拌器在使用前需对超导磁体系统进行通电励磁，使磁体达到目标磁场后闭合超导开关实现脱离外部供电运行。
28.本发明的一种连铸超导电磁搅拌器在使用中启动外部磁极控制系统，使磁极在磁轭上可以以平行于拉坯运动方向，垂直于拉坯运动方向和沿着轨道以圆周方向运动。
附图说明
29.图1是本发明实施例的一种连铸超导电磁搅拌器示意图，图中：1超导磁体线圈、2低温容器、3真空容器、4环氧拉杆、5输液颈管、6磁轭、7夹辊、8磁极、9连铸坯、10励磁电源、11磁极控制系统；
30.图2是磁极在磁轭上的运动方向和轨迹；
31.图3是超导磁体线圈的接线图，图中：1、超导磁体线圈、10励磁电源、12超导开关。
32.图4是连铸过程中磁极n
‑
s极示意图；
33.图5(a)是磁极平行于钢液流动方向，图5(b)是钢液做直线往复搅拌的流动情况；
34.图6(a)是磁极垂直于钢液流动方向，图6(b)是钢液做旋转搅拌的流动情况；
35.图7(a)是磁极沿轨道做圆周运动，图7(b)是钢液做螺旋搅拌的流动情况。
具体实施方式
36.以下结合附图和具体实施方式进一步说明本发明。
37.如图1、图3所示，本发明的一种连铸超导电磁搅拌器包括超导磁体线圈1，真空容器3，低温容器2，输液颈管5，超导开关12，环氧拉杆4、磁轭6、磁极8、夹辊7、外部励磁电源10和磁极控制系统11。
38.超导磁体线圈1由超导材料绕制而成。所述超导电磁搅拌器和磁极8由电缆和外部磁极控制系统11相连。
39.所述的一种连铸超导电磁搅拌器中超导磁体线圈1需要放置于低温容器2中，低温容器2由环氧拉杆4支撑固定于真空容器3内，输液颈管5分别于真空容器3和低温容器2相连，并密封焊接。真空容器3固定在台面上。输液颈管5从外向内依次穿过真空容器3和低温容器2。输液颈管5一端位于真空容器3外部，另一端位于低温容器2内部。通过输液颈管5来对低温容器2通入制冷剂，来提供超导磁体线圈1所需的低温环境。
40.所述的一种连铸超导电磁搅拌器所用的超导磁体线圈1可以采用马鞍形构型、跑道型或螺线管形，磁体室温孔中的磁场方向与位于两端磁极8的连铸坯9的运动方向垂直。
41.所述的一种连铸超导电磁搅拌器的超导磁体线圈1室温孔两端连接磁轭6，磁轭6的末端上装有与驱动装置相连的磁极8，通过外部磁极控制系统11由非磁性夹辊7支撑并控制磁极8按着规定的方向进行运动。两端磁轭6和两端磁极8对称放置于超导磁体两端，磁力线从磁体室温孔经过磁轭6从一个磁极8出发到另一个磁极8形成闭合回路。
42.超导磁体室温孔两端由磁轭6连接，磁轭6另一端连接磁极8。
43.所述一种连铸超导电磁搅拌器在使用前，需要先对真空容器3抽真空，再通过颈管5对低温容器2通入制冷剂，对超导磁体线圈1系统进行冷却。提供超导磁体运行所需的低温环境。再对超导磁体进行通电励磁，达到目标电流值后闭合超导开关12，使超导磁体闭环运行，不用外部进行供电。通过外部磁极控制系统11控制与夹辊7相连的磁极8运动，来使钢液做旋转、直线或螺旋运动，达到电磁搅拌的目的。
44.所述一种连铸超导电磁搅拌器在使用前需将超导磁体线圈1系统通过励磁电源10进行通电励磁，使超导磁体线圈1达到目标磁场。
45.所述一种连铸超导电磁搅拌器达到目标磁场后闭合超导开关12实现脱离外部供电运行。
46.所述一种连铸超导电磁搅拌器启动外部磁极控制系统11，使磁极8在磁轭6上可以以平行于拉坯运动方向，垂直于拉坯运动方向或沿轨道圆周方向运动，实现对钢液的直线、旋转或螺旋搅拌的效果。
47.所述一种连铸超导电磁搅拌器在使用过程中，通过外部磁极控制系统11使磁极8在磁轭6上平行于拉坯运动方向进行往复运动，使钢液往复直线搅拌。
48.所述一种连铸超导电磁搅拌器在使用过程中，通过外部磁极控制系统11使磁极8在磁轭6上垂直于拉坯运动方向进行往复运动，使钢液旋转搅拌。
49.所述一种连铸超导电磁搅拌器在使用过程中，通过外部磁极控制系统使磁极8在磁轭6上沿着轨道做圆周运动，使钢液螺旋搅拌。
50.在连铸钢液中产生的电磁搅拌力分别来自钢液中产生的感应电流与径向磁场产生的径向电磁力以及与轴向磁场产生的轴向电磁力，在连铸钢液中产生的径向磁感应强度为br＝bx
×
cosθ by
×
sinθ，轴向磁感应强度为bt＝by
×
cosθ
‑
bx
×
sinθ，其中θ是柱坐标与x轴的夹角，bx(t)是磁感应强度的x轴分量，by(t)是磁感应强度的y轴分量。产生的径向电磁搅拌力为fr＝br2/μ0，轴向电磁搅拌力为ft＝(br
·
bt)/μ0，其中μ0(n
·
a
‑2)为真空磁导率。
51.所述一种连铸超导电磁搅拌器在制冷剂即将挥发完毕时，通过输液颈管5进行制冷剂补充，经济高效。图2是磁极在磁轭上的运动方向和轨迹，磁极可以在磁轭中以圆周方向运动或往复直线运动；图3是超导磁体线圈的接线图，图中：1、超导磁体线圈、10励磁电源、12超导开关。在对超导磁体进行通电励磁时，达到目标电流值后闭合超导开关12，使超导磁体闭环运行，不用外部进行供电；图4是连铸过程中磁极n
‑
s极示意图。图5(a)是磁极平行于钢液流动方向做直线往复式运动，图5(b)是钢液做直线往复搅拌的流动情况。图6(a)是磁极垂直于钢液流动方向做直线往复式运动，图6(b)是钢液做旋转搅拌的流动情况。图7(a)是磁极沿轨道做圆周运动，图7(b)是钢液做螺旋搅拌的流动情况。
52.本发明未详细阐述部分属于本领域技术人员的公知技术。以上所述的实施例仅是对本发明的优选实施方式进行描述，优选实施例并没有详尽叙述所有的细节，也不限制该发明仅为所述的具体实施方式。在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案做出的各种变形和改进，均应落入本发明权利要求书确定的保护范围内。