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 dt

ϕ--=⋅ 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,Ω

I ——感应电流, A 。

h R S

ρ=⋅, 式中 ρ——液态金属的电阻率,m Ω;

S ——液态金属的截面积,2

m ;

h ——液态金属环的高度, m ;

因此 E

I 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 ()2

P 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,2

T 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 s

m 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=;