本發(fā)明屬于冶金熔煉技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種設(shè)置在金屬熔池爐底的旋轉(zhuǎn)電磁攪拌器。

背景技術(shù)：

在冶金生產(chǎn)、材料加工過程中，在金屬熔池中施加攪拌作用，對提高生產(chǎn)效率、提升產(chǎn)品質(zhì)量有著重要意義。

在鋼包精煉過程中，控制鋼包不同階段鋼液的流動形態(tài)是精煉過程中至關(guān)重要的一環(huán)。加大鋼液湍流強度，有利于減小鋼液混勻時間，加快成分和溫度的均勻化。渣金界面湍動能較大，有利于鋼包脫硫以及渣層對夾雜物的吸收?，F(xiàn)階段工業(yè)生產(chǎn)中主要有吹氬攪拌和電磁攪拌兩種方式，電磁攪拌以瑞典abb公司發(fā)明的側(cè)壁式線性攪拌為主，其特征為：攪拌器固定于鋼包側(cè)壁，在電磁力作用下，鋼液于近攪拌器一端呈向上或向下運動，在鋼包豎直截面上形成一個較大的環(huán)流，該環(huán)流向上的流股會沖擊液面，使液面升高，有可能造成渣眼和卷渣。

在鋁的熔煉過程中，主要以反射爐為主，由于反射爐無攪拌作用，導致鋁液成分分布差異，溫度分層嚴重。過去解決這一問題主要采取機械攪拌或減壓式攪拌，這兩種攪拌方式由于與熔液存在直接接觸，因此易導致消耗品增加、鋁液污染、操作和維護麻煩等缺點。對于這種現(xiàn)象，國內(nèi)的學者也開發(fā)出適用于冶金熔煉過程中的爐包底電磁攪拌系統(tǒng)，例如專利zl200720065029.3和專利zl200720065030.6，該專利磁軛為水平放置，鐵芯朝上，線圈纏繞于鐵芯或者磁軛，利用攪拌器產(chǎn)生的行波磁場驅(qū)動鋁液線性運動。由于磁場的集膚效應，該電磁力主要作用于近攪拌器處的鋁液，依靠鋁液的粘滯力帶動整個熔池運動。該線性攪拌易在熔池中形成多個環(huán)流，環(huán)流與環(huán)流之間相互作用導致能量減損，易在熔池遠端形成死區(qū)，導致熔池溫度和熔液組分分布不均勻，影響產(chǎn)品質(zhì)量。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明提供一種設(shè)置在金屬熔池爐底的旋轉(zhuǎn)電磁攪拌器，可產(chǎn)生具有豎直方向分量的旋轉(zhuǎn)電磁力，驅(qū)動熔池內(nèi)熔融金屬形成螺旋運動，有利于充分攪拌熔融金屬。

本發(fā)明的技術(shù)方案如下：

一種設(shè)置在金屬熔池爐底的旋轉(zhuǎn)電磁攪拌器，包括鐵芯、線圈、不導磁底座或磁軛，所述不導磁底座或磁軛水平設(shè)置，所述鐵芯豎直設(shè)置在所述不導磁底座或磁軛上，所述鐵芯形成沿圓周方位均勻?qū)ΨQ設(shè)置，所述鐵芯的極性面向上朝向金屬熔池爐底，交流電流過所述線圈產(chǎn)生的磁場通過所述鐵芯進入金屬熔池內(nèi)部，在金屬熔池內(nèi)部形成旋轉(zhuǎn)磁場。

所述的設(shè)置在金屬熔池爐底的旋轉(zhuǎn)電磁攪拌器，其中一個方案為：所述鐵芯豎直設(shè)置在所述不導磁底座上，所述線圈纏繞在所述鐵芯上，所述鐵芯橫截面為圓形或方形。其中所述鐵芯數(shù)量為四個，采用四相四極方式施加交流電或者所述鐵芯數(shù)量為六個，采用三相六極或六相六極方式施加交流電。

所述的設(shè)置在金屬熔池爐底的旋轉(zhuǎn)電磁攪拌器，其中另一個方案為：所述鐵芯豎直設(shè)置在所述磁軛上，所述磁軛為圓環(huán)形，所述鐵芯橫截面為扇形，所述鐵芯數(shù)量為六個，采用三相六極或六相六極方式施加交流電。其中所述線圈纏繞在所述鐵芯上或所述線圈纏繞在所述磁軛上。

本發(fā)明工作原理類似于普通異步電動機，設(shè)置在金屬熔池爐底的旋轉(zhuǎn)電磁攪拌器相當于異步電動機中的定子，熔融金屬則相當于異步電動機中的轉(zhuǎn)子。設(shè)置在金屬熔池爐底的旋轉(zhuǎn)電磁攪拌器置于金屬熔池底部，鐵芯極性面朝上面向金屬熔池，線圈電流根據(jù)鐵芯數(shù)量采用三相六極、六相六極或四相四極的方式施加載荷，交變電流產(chǎn)生的磁場通過鐵芯進入金屬熔池內(nèi)部，形成旋轉(zhuǎn)磁場。在該旋轉(zhuǎn)磁場作用下，熔融金屬內(nèi)部產(chǎn)生感應電流，感應電流與旋轉(zhuǎn)磁場相互作用產(chǎn)生具有水平分量和豎直分量的旋轉(zhuǎn)電磁力，進而驅(qū)動熔融金屬做旋轉(zhuǎn)運動。

本發(fā)明的有益效果為：

1、本發(fā)明的設(shè)置在金屬熔池爐底的旋轉(zhuǎn)電磁攪拌器，可產(chǎn)生具有豎直分量的旋轉(zhuǎn)電磁力，驅(qū)動熔融金屬做螺旋運動，熔融金屬在水平方向形成一個大環(huán)流，有利于減小熔融金屬混勻時間，促進夾雜物上浮，均勻溫度及組分，有利于減小熔池遠端死區(qū)。

2、本發(fā)明在應用時可與鋼包吹氬工藝相結(jié)合，在旋轉(zhuǎn)電磁攪拌作用下，有利于延長氬氣泡在鋼液中的停留時間，擴大氬氣泡在鋼液中的分布范圍，減小氬氣泡上方對渣層的沖擊，達到更好的冶金效果。

3、本發(fā)明的旋轉(zhuǎn)電磁攪拌器相較于鋼包冶金中的abb公司發(fā)明的側(cè)壁式行波攪拌，其攪拌效果對渣金界面影響較小，能有效防止渣眼的形成和卷渣現(xiàn)象的發(fā)生，提高金屬收得率。

4、本發(fā)明操作簡便，可改變電流施加方向，實現(xiàn)反向旋轉(zhuǎn)攪拌。

附圖說明

圖1為旋轉(zhuǎn)電磁攪拌器與鋼包的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2為四相四極旋轉(zhuǎn)電磁攪拌器結(jié)構(gòu)示意圖；

圖3為三相六極旋轉(zhuǎn)電磁攪拌器結(jié)構(gòu)示意圖；

圖4為采用克萊姆繞組的旋轉(zhuǎn)電磁攪拌器結(jié)構(gòu)示意圖；

圖5為采用集中式繞組的旋轉(zhuǎn)電磁攪拌器結(jié)構(gòu)示意圖；

圖6為采用四相四極旋轉(zhuǎn)電磁攪拌器鋼包底部電磁力分布圖；

圖7為采用三相六極旋轉(zhuǎn)電磁攪拌器鋼包底部電磁力分布圖；

圖8為采用克萊姆繞組的旋轉(zhuǎn)電磁攪拌器鋼包底部電磁力分布圖；

圖9為采用集中式繞組的旋轉(zhuǎn)電磁攪拌器鋼包底部電磁力分布圖；

圖10為鋼包中心橫截面處流場分布圖；

圖11為金屬熔池縱截面的電磁力分布圖；

圖12為單使用鋼包吹氬工藝時鋼包內(nèi)氬氣體積分數(shù)為0.001的等值面圖；

圖13為使用鋼包吹氬工藝與旋轉(zhuǎn)電磁攪拌器結(jié)合時，鋼包內(nèi)氬氣體積分數(shù)為0.001的等值面圖；

圖14為側(cè)壁式線性攪拌器的鐵芯與磁軛設(shè)置關(guān)系示意圖。

具體實施方式

如圖1所示，一種設(shè)置在金屬熔池爐底的旋轉(zhuǎn)電磁攪拌器，圖中1為鋼包，2為旋轉(zhuǎn)電磁攪拌器。

實施例1

如圖2所示，四相四極旋轉(zhuǎn)電磁攪拌器，包括鐵芯3、線圈4、不導磁底座5，所述不導磁底座5水平設(shè)置，所述鐵芯3豎直設(shè)置在所述不導磁底座5上，其中所述鐵芯3數(shù)量為四個，四個鐵芯3在所述不導磁底座5上形成沿圓周方位均勻?qū)ΨQ設(shè)置，所述鐵芯3的極性面向上朝向金屬熔池爐底，所述鐵芯3橫截面為方形，線圈4纏繞于鐵芯3上，線圈4匝數(shù)固定為80匝；施加大小為400a，頻率為20hz的交流電；采用四相四極方式施加載荷，即：相鄰線圈4施加電流密度依次為：j1＝j(luò)0sin(ωt)，j2＝j(luò)0sin(ωt+π/2)，j3＝j(luò)0sin(ωt+π)，j4＝j(luò)0sin(ωt+3π/2)。

如圖6所示，采用四相四極旋轉(zhuǎn)電磁攪拌器鋼包底部電磁力分布圖，可在鋼包底部產(chǎn)生明顯的旋轉(zhuǎn)電磁力，該電磁力可驅(qū)動鋼包內(nèi)熔融金屬旋轉(zhuǎn)流動。

實施例2

如圖3所示，三相六極旋轉(zhuǎn)電磁攪拌器，包括鐵芯3、線圈4、不導磁底座5，所述不導磁底座5水平設(shè)置，所述鐵芯3豎直設(shè)置在所述不導磁底座5上，其中所述鐵芯3數(shù)量為六個，六個鐵芯3在所述不導磁底座5上形成沿圓周方位均勻?qū)ΨQ設(shè)置，所述鐵芯3的極性面向上朝向金屬熔池爐底，所述鐵芯3橫截面為圓形，線圈4纏繞于鐵芯3上，線圈4匝數(shù)固定為80匝；施加大小為400a，頻率為10hz的交流電；采用三相六極方式施加載荷，即：相鄰線圈施加電流密度依次為：j1＝j(luò)0sin(ωt)，j2＝j(luò)0sin(ωt+2π/3)，j3＝j(luò)0sin(ωt+4π/3)。

如圖7所示，采用三相六極旋轉(zhuǎn)電磁攪拌器鋼包底部電磁力分布圖，可在鋼包底部產(chǎn)生明顯的旋轉(zhuǎn)電磁力，該電磁力可驅(qū)動鋼包內(nèi)熔融金屬旋轉(zhuǎn)流動。

如圖10所示，鋼包中心橫截面處流場分布圖，在電磁力作用下流場呈水平大環(huán)流，可見三相六極旋轉(zhuǎn)電磁攪拌器對鋼包內(nèi)部的金屬液產(chǎn)生明顯的旋轉(zhuǎn)攪拌作用。

如圖11所示，金屬熔池縱截面的電磁力分布圖，可見電磁力具有豎直向上的分量。

實施例3

如圖4所示，采用克萊姆繞組的旋轉(zhuǎn)電磁攪拌器，包括鐵芯3、線圈4、磁軛6，所述磁軛6為圓環(huán)形，磁軛6水平設(shè)置，所述鐵芯3豎直設(shè)置在所述磁軛6上，所述鐵芯3橫截面為扇形，所述鐵芯3數(shù)量為六個，所述鐵芯3形成沿圓周方位均勻?qū)ΨQ設(shè)置，所述鐵芯3的極性面向上朝向金屬熔池爐底；所述線圈4纏繞在所述鐵芯3上，線圈4匝數(shù)固定60匝；采用六相六極方式施加大小為400a，頻率為10hz交流電，相鄰線圈施加電流密度依次為：j1＝j(luò)0sin(ωt)，j2＝j(luò)0sin(ωt+π/3)，j3＝j(luò)0sin(ωt+2π/3)，j4＝j(luò)0sin(ωt+π)，j5＝j(luò)0sin(ωt+4π/3)，j6＝j(luò)0sin(ωt+5π/3)。

如圖8所示，采用克萊姆繞組的旋轉(zhuǎn)電磁攪拌器，采用六相六極方式施加交流電，鋼包底部電磁力分布圖顯示，可在鋼包底部產(chǎn)生明顯的旋轉(zhuǎn)電磁力，該電磁力可驅(qū)動鋼包內(nèi)熔融金屬旋轉(zhuǎn)流動。

實施例4

如圖5所示，采用集中式繞組的旋轉(zhuǎn)電磁攪拌器，包括鐵芯3、線圈4、磁軛6，所述磁軛6為圓環(huán)形，磁軛6水平設(shè)置，所述鐵芯3豎直設(shè)置在所述磁軛6上，所述鐵芯3橫截面為扇形，所述鐵芯3數(shù)量為六個，所述鐵芯3形成沿圓周方位均勻?qū)ΨQ設(shè)置，所述鐵芯3的極性面向上朝向金屬熔池爐底；所述線圈4纏繞在所述磁軛6上，線圈4匝數(shù)固定60匝；采用三相六極方式施加大小為200a，頻率為20hz的交流電，相鄰線圈施加電流密度依次為：j1＝j(luò)0sin(ωt)，j2＝j(luò)0sin(ωt+2π/3)，j3＝j(luò)0sin(ωt+4π/3)。

如圖9所示，采用集中式繞組的旋轉(zhuǎn)電磁攪拌器，采用三相六極方式施加交流電，鋼包底部電磁力分布圖顯示，可在鋼包底部產(chǎn)生明顯的旋轉(zhuǎn)電磁力，該電磁力可驅(qū)動鋼包內(nèi)熔融金屬旋轉(zhuǎn)流動。

實施例5

如圖12所示，單使用鋼包吹氬工藝時鋼包內(nèi)氬氣體積分數(shù)為0.001的等值面圖，可見形成的氬氣柱形狀細??；

如圖13所示，使用鋼包吹氬工藝與旋轉(zhuǎn)電磁攪拌器結(jié)合時，鋼包內(nèi)氬氣體積分數(shù)為0.001的等值面圖，可見旋轉(zhuǎn)電磁攪拌器使鋼液做旋轉(zhuǎn)運動，氬氣柱在水平環(huán)流的作用下發(fā)生偏轉(zhuǎn)，增加了氬氣在鋼包中的體積分數(shù)，延長氬氣停留時間，有利于非金屬夾雜物的去除，提高產(chǎn)品質(zhì)量。

對比例

如圖14所示，側(cè)壁式線性攪拌器的鐵芯3設(shè)置在磁軛6的一側(cè)，鐵芯3呈線性排列，只能產(chǎn)生固定方向的電磁力，無法形成旋轉(zhuǎn)電磁力。