一種新結(jié)構(gòu)輥式電磁攪拌裝置的研究

喬志洪

（湖南千豪機(jī)電技術(shù)開發(fā)有限公司，湖南 岳陽(yáng) 414000）

0 引言

輥式電磁攪拌裝置（簡(jiǎn)稱輥攪），是裝在板坯連鑄線的電磁攪拌裝置（S-EMS）。其利用電磁能量傳輸?shù)目煽匦院头墙佑|性，隔空對(duì)連鑄板坯內(nèi)移動(dòng)的金屬溶液進(jìn)行攪拌，對(duì)連鑄板坯內(nèi)的金屬溶液沒(méi)有污染也沒(méi)有消耗[1]，其對(duì)板坯芯部組織的品質(zhì)改善明顯。但因其高能耗、漏磁大、線圈壽命和支承剛性影響了其在板坯連鑄尤其寬厚板連鑄中的應(yīng)用，解決這些問(wèn)題意義非凡。通過(guò)研究創(chuàng)新，本文提出了一種新結(jié)構(gòu)輥式電磁攪拌裝置，其設(shè)置有磁導(dǎo)向鐵芯繞組、鐵芯球支承及使用雙浮動(dòng)托輥支承，有效的解決了現(xiàn)存問(wèn)題。

1 輥式電磁攪拌裝置現(xiàn)有鐵芯繞組技術(shù)

輥攪通過(guò)其內(nèi)置的行波感應(yīng)器向與其接觸的鋼坯（心部尚有30%～60%液芯）有效區(qū)域發(fā)送行波磁場(chǎng)對(duì)鋼坯液芯產(chǎn)生電磁力施行隔空攪拌，改善鋼坯心部組織、提高鋼坯品質(zhì)。但必須有足夠大的電磁力才能對(duì)粘性和密度很高的鋼液進(jìn)行有效的攪拌。影響其應(yīng)用的主要因素：冶金效果（電磁力）、使用壽命（線圈保護(hù)、密封）和支承剛度。

1.1 現(xiàn)有技術(shù)的鐵芯繞組

輥攪包括：行波感應(yīng)器、端部支承、冷卻水路。行波感應(yīng)器是核心包含輥殼、鐵芯繞組和電氣接口，端部支承包含支承和密封。鐵芯繞組包含鐵芯和多相線圈組是行波感應(yīng)器的核心。常用鐵芯繞組有：外屏蔽鐵芯繞組（圖1）和內(nèi)屏蔽鐵芯繞組（圖2）。

圖1 外屏蔽鐵芯繞組

圖2 內(nèi)屏蔽鐵芯繞組

如圖1所示，線圈組繞制在鐵芯磁軛外，整條開口屏蔽套包裹于線圈外形成外屏蔽鐵芯繞組。屏蔽套開口處為工作區(qū)，相鄰線圈間沒(méi)有磁極。內(nèi)屏蔽鐵芯繞組則是開口屏蔽套包裹于鐵芯磁軛外，線圈組繞制在屏蔽套與鐵芯磁軛的組合體外，相鄰線圈間沒(méi)有磁極，工作區(qū)為屏蔽套的開口處，如圖2所示。屏蔽套在行波磁場(chǎng)中產(chǎn)生渦流發(fā)熱消耗漏磁磁能而屏蔽漏磁通。

1.2 現(xiàn)有技術(shù)的不足

現(xiàn)有技術(shù)的磁路模型：NI=?*{1/[1/（Rm1+2Rmg+Rm2）+1/RmL]}。其中NI：總磁動(dòng)勢(shì)，總磁通量?=?m+?L；?m：有功磁通量；?L：漏磁磁通量。?m=NI/（Rm1+2Rmg+Rm2），Rm1：磁軛磁阻；Rm2：非磁性金屬區(qū)磁路磁阻；Rmg：輥內(nèi)氣隙磁阻；其中Rm1＜＜Rmg、Rm1＜＜Rm2，忽略Rm1，則?m=NI/（2Rmg+Rm2）。?L=NI/RmL，RmL：漏磁磁阻。有功電磁力F∝Bm2，?m=Bm*S，?m∝Bm，則F∝?m2。磁通量?m對(duì)板坯心部液芯產(chǎn)生電磁力實(shí)施攪拌。

現(xiàn)有技術(shù)中，由于有功磁路中Rmg的存在成為工作磁路的瓶頸而效率低，難以產(chǎn)生足夠的?m，為達(dá)到實(shí)施有效攪拌需增加NI，即增大輸入電功率而引起高能耗，鐵芯繞組剛度不夠會(huì)引起鐵芯震動(dòng)而損壞繞組絕緣而失效，輥殼的剛度不足會(huì)影響其在寬厚板坯連鑄中的應(yīng)用。

2 新結(jié)構(gòu)輥式電磁攪拌裝置（簡(jiǎn)稱磁導(dǎo)向輥攪）

通過(guò)研究創(chuàng)新的磁導(dǎo)向輥攪包括：磁導(dǎo)向鐵芯繞組、鐵芯球支承、使用雙浮動(dòng)托輥支承等新技術(shù)。根據(jù)磁路歐姆定律：Φ=NI/Rm，式中Φ是磁通量，NI是磁勢(shì)，Rm是磁阻。磁阻Rm=μ*L/S，μ為磁路材料的磁導(dǎo)率，L為磁路長(zhǎng)度，S為磁路截面積。鐵磁材料放入空氣磁場(chǎng)中與氣隙形成并聯(lián)回路，鐵磁材料磁阻為RT，空氣磁阻為RG，因鐵磁材料導(dǎo)磁率遠(yuǎn)大于空氣，RT＜＜RG，使總磁阻降低明顯，則在磁勢(shì)不變的情況下ΦT＞＞ΦG，總磁通量增長(zhǎng)顯著。即將鐵磁材料放入空氣磁場(chǎng)中，鐵磁材料能顯著增加磁路磁通量、大量吸引磁場(chǎng)中的磁力線（磁通）、改變磁場(chǎng)的磁力線走向，對(duì)磁場(chǎng)具有聚集和導(dǎo)向效應(yīng)。改變磁場(chǎng)中鐵磁物質(zhì)的大小、形狀及組合方式，可以聚集不同數(shù)量的磁力線和導(dǎo)向磁力線方向，這就是磁導(dǎo)向技術(shù)。正確應(yīng)用磁導(dǎo)向可以解決磁路存在瓶頸、疏通磁路。

創(chuàng)新所得的磁導(dǎo)向輥攪通過(guò)改變鐵芯磁軛的大小、形狀、結(jié)構(gòu)，在線圈間及線圈端部磁軛上增設(shè)與磁軛磁路相匹配的大小和形狀的凸起形成磁極，對(duì)行波感應(yīng)器發(fā)生的磁力線匯聚和導(dǎo)向而疏通有功磁路，使工作磁路趨于平衡而暢通，打通了現(xiàn)有技術(shù)的磁路瓶頸。

應(yīng)用時(shí)，兩根輥攪成對(duì)鏡像設(shè)置，連鑄板坯從中傳送帶動(dòng)其輥殼轉(zhuǎn)動(dòng)，磁導(dǎo)向鐵芯繞組保持靜止，兩根輥攪磁極相對(duì)、指向板坯。以特定的繞線方式、外部連線方式和電源接入方式致同一時(shí)刻相鄰磁極極性相異，鏡面對(duì)應(yīng)的磁極極性相異（圖3、圖4）。

圖3 新結(jié)構(gòu)輥式電磁攪拌裝置方案

圖4 磁極截面磁通分布

2.1 磁導(dǎo)向鐵芯繞組結(jié)構(gòu)

磁導(dǎo)向輥攪的磁導(dǎo)向鐵芯繞組具體結(jié)構(gòu)見圖3和圖4。磁導(dǎo)向鐵芯繞組主要包含：電氣接口、磁導(dǎo)向鐵芯、鐵芯端軸、線圈和球支承等，磁導(dǎo)向鐵芯是其核心包括：聚磁鐵芯、隔磁側(cè)板、聚磁弧板、聚磁開口環(huán)、聚磁開口套和隔磁板等。聚磁鐵芯設(shè)置磁軛、磁極和隔磁槽，磁導(dǎo)向鐵芯兩側(cè)設(shè)置貫穿的水路冷卻線圈。

對(duì)于某一特定的磁路設(shè)計(jì)，當(dāng)磁極磁路面積與磁軛磁路面積達(dá)到一定匹配比值范圍時(shí)，磁路的漏磁最小、效率最高。磁導(dǎo)向輥攪的聚磁鐵芯中磁極磁路截面設(shè)置成與磁軛磁路截面相匹配，在磁極對(duì)面設(shè)置隔磁槽，使聚磁鐵芯的磁路通暢。致有功磁路的各磁路截面達(dá)到均衡并導(dǎo)向磁通密度的空間分布，打通現(xiàn)有技術(shù)的磁路瓶頸，最大限度降低有功磁路磁阻而增大磁通密度。進(jìn)一步，隔磁側(cè)板和隔磁板增加漏磁磁路磁阻，降低漏磁磁通；聚磁弧板、聚磁開口環(huán)和聚磁開口套采用取向軟磁材料（內(nèi)襯）和非磁性導(dǎo)電材料（外層）復(fù)合而成，將非工作區(qū)域的絕大部分漏磁磁通導(dǎo)向至工作區(qū)域變?yōu)橛泄Υ磐ǎ患葘o(wú)功磁通變?yōu)橛泄Υ磐ǎ咝Ф?jié)能，又對(duì)非工作區(qū)域形成理想的磁屏蔽而環(huán)保。

磁導(dǎo)向鐵芯繞組的磁路數(shù)學(xué)模型：NI=?*{1/[1/（Rm1+2Rmp+Rm2）+1/RmL]}，見圖3～4。其中，NI：總磁動(dòng)勢(shì)，總磁通量?=?m+?L；?m：有功磁通量，?L：漏磁磁通量。?m=NI/（Rm1+2Rmp+Rm2），Rm1：磁軛磁阻，Rm2：非磁性金屬區(qū)磁路磁阻；Rmp：磁極磁阻，因磁極磁路短于磁軛磁路Rm1＞Rmp、Rm1＜＜Rm2，忽略Rmp、Rm1，則?m=NI/Rm2；Rm2＜（2Rmg+Rm2），同等電氣參數(shù)下，磁導(dǎo)向鐵芯繞組的磁導(dǎo)向輥攪產(chǎn)生的有功磁通量要明顯高于現(xiàn)有技術(shù)的輥攪。?L=NI/RmL，RmL：漏磁磁阻。因聚磁弧板、聚磁開口環(huán)和聚磁開口套對(duì)漏磁通的聚集導(dǎo)向效應(yīng)，大部分漏磁通轉(zhuǎn)化為有功磁通。如轉(zhuǎn)化率為k，則磁導(dǎo)向鐵芯繞組的磁導(dǎo)向輥攪實(shí)際產(chǎn)生的有功磁通量：?N=NI/Rm2+k*NI/RmL，其有功效率較現(xiàn)有技術(shù)提高明顯，節(jié)能效果顯著。

圖5是該創(chuàng)新研制的磁導(dǎo)向繞組實(shí)物照片，經(jīng)測(cè)試該磁導(dǎo)向輥式電磁攪拌裝置實(shí)例相對(duì)于外屏蔽輥攪漏磁通降低了50%。3Hz、400A時(shí)（2輥間距240mm）測(cè)試，實(shí)例中心磁場(chǎng)達(dá)1180Gs（同樣的參數(shù)，進(jìn)口輥攪為477Gs），實(shí)例是進(jìn)口輥攪的2.47倍。4Hz、300A測(cè)試時(shí)，實(shí)例中心推力86N（同樣參數(shù)，武鋼進(jìn)口輥攪為30N），是進(jìn)口輥攪的2.87倍。實(shí)例發(fā)往應(yīng)用現(xiàn)場(chǎng)與進(jìn)口輥攪對(duì)比測(cè)試，4Hz、150A時(shí)實(shí)例電磁推力35N，進(jìn)口輥攪4Hz、400A時(shí)為35N，產(chǎn)生同樣的電磁推力實(shí)例所耗的能量是進(jìn)口輥攪的3/8。圖6為實(shí)例實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)（中-出廠測(cè)試、右-應(yīng)用現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試），該實(shí)例驗(yàn)證了新結(jié)構(gòu)輥式電磁攪拌裝置的磁導(dǎo)向技術(shù)能成倍的提高工作區(qū)域的磁場(chǎng)及電磁推力，效率高，節(jié)能顯著。

圖5 磁導(dǎo)向鐵芯繞組實(shí)物

圖6 實(shí)例電磁力實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)

2.2 鐵芯繞組球支承

如圖3～4，新結(jié)構(gòu)輥式電磁攪拌裝置的磁導(dǎo)向鐵芯繞組與輥殼間設(shè)置有球支承，球支承沿磁導(dǎo)向鐵芯繞組的聚磁開口環(huán)周向設(shè)置，每個(gè)聚磁開口環(huán)周向至少設(shè)置3個(gè)球支承，球支承的分布超過(guò)半圓周。球支承相當(dāng)于在鐵芯繞組與輥殼間增加了多個(gè)軸承，將鐵芯繞組與輥殼聯(lián)成相對(duì)滾動(dòng)的整體，提高了磁導(dǎo)向鐵芯繞組的剛度及磁導(dǎo)向輥攪的整體剛度。固定了鐵芯繞組與輥殼的相對(duì)位置，消除了因交變電磁力使鐵芯繞組產(chǎn)生的震動(dòng)而避免損傷線圈絕緣從而保護(hù)線圈。同時(shí)球支承使磁極與輥殼的氣隙可以設(shè)置得很小到可以忽略，有利于降低有功磁回路的磁阻，提升有功磁通。

2.3 雙浮動(dòng)托輥的應(yīng)用

如圖7，雙浮動(dòng)托輥與輥式電磁攪拌裝置組成穩(wěn)定的“品”字形支承結(jié)構(gòu)，使所支承的輥式電磁攪拌裝置剛性更強(qiáng)、工作更安全和使用壽命更長(zhǎng)[2-3]。磁導(dǎo)向輥攪與偏心無(wú)級(jí)調(diào)節(jié)的雙浮動(dòng)托輥支承聯(lián)合應(yīng)用，能有效增強(qiáng)其使用剛度，有效解決其在寬厚板坯連鑄線上應(yīng)用剛性不足的問(wèn)題[4-5]。

圖7 浮動(dòng)托輥支承

3 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)深入研究提高輥攪功效、使用壽命及剛性的現(xiàn)有技術(shù)與方法，提出了一種新的磁導(dǎo)向鐵芯技術(shù)，給出了磁導(dǎo)向鐵芯繞組的詳盡結(jié)構(gòu)和磁導(dǎo)向感應(yīng)器工作的具體磁路模型。創(chuàng)新的新結(jié)構(gòu)輥式電磁攪拌裝置，其磁導(dǎo)向鐵芯技術(shù)有效的提升了其有功效率、降低了漏磁，其鐵芯球支承有效的保護(hù)了線圈繞組、增強(qiáng)了鐵芯繞組剛性，其使用雙浮動(dòng)托輥支承的解決方案顯著提高了其支承剛度。該研究成果能充分發(fā)揮輥攪改善連鑄板坯芯部品質(zhì)的優(yōu)勢(shì)，延長(zhǎng)其使用壽命、降低其使用成本，節(jié)能環(huán)保，滿足板坯連鑄尤其寬厚板連鑄應(yīng)用環(huán)境。