趙利明
宣化鋼鐵公司煉鋼廠
摘要：文章介紹了Vacon變頻器在連鑄機電磁攪拌中的特殊應用，說明了系統的結構組成和工作原理。
1 連鑄與電磁攪拌理論
隨著用戶對鋼材質量提出越來越高的要求，使得提高鑄坯質量成為連鑄生產中的首要問題。鑄坯內部質量在很大程度上取決于鑄坯內部是否呈現均勻而致密的等軸晶凝固組織。但是在連鑄坯實際凝固過程中，由于鋼水冷卻速度很快，造成鑄坯凝固時柱狀晶的發展，往往產生“搭橋”現象，帶來縮孔偏析、疏松、夾雜物聚集等缺陷。
由于電磁場的作用具有非接觸的特點，特別適合于高溫鋼水這種特殊場合，連鑄機的電磁攪拌（Electromagnetic stirring：EMS）技術隨之應運而生，它可以顯著改善鑄坯質量，因此在國內外受到高度重視并得到快速發展與廣泛應用。目前，煉鋼廠連鑄機電磁攪拌裝置已經成為冶煉高性能品種鋼水必不可少的設備。
電磁攪拌的工作原理基于電磁感應定律，載流導體處于磁場中就要受到電磁力的作用而發生運動。就此而言，電磁攪拌的工作原理和異步電機相同, 攪拌器相當于電機的定子，鋼水相當于電機的轉子。
由電磁攪拌器的線圈繞組產生旋轉磁場，在導電的鋼水中產生感應電流,感應電流與磁場作用產生電磁力,對鋼水起到了攪拌作用。連鑄電磁攪拌的實質是借助在鑄坯液相穴中感生的電磁力來強化鋼水的運動。帶有電磁攪拌器的結晶器結構形式如下圖所示。
圖1 結晶器電磁攪拌示意
2 電磁攪拌對電源的特殊要求
電磁攪拌系統由兩大部分組成：電磁攪拌器和變頻電源。
鋼水之所以能被攪拌，是由于攪拌器線圈激發的交變磁場穿透到鑄坯的鋼水內，在其中產生感應電流，感應電流與磁場相互作用產生電磁力，電磁力作用在鋼水體積元上，從而推動鋼水運動。其中感生電磁力與電流強度的平方成正比。電流越大，中心磁感應強度越高。一般情況下，結晶區電磁攪拌器要求中心磁感應強度幅值＞500Gs；為保證達到磁感應強度要求，必須要有足夠大的電流。這就要求變頻電源必須能夠長時間提供大電流，通常要在達到400A以上。
電磁攪拌器作用在鋼水中的電磁力和鋼水攪拌的速度不僅與電流強度有關，而且受電源頻率的影響很大。頻率的選擇主要和結晶器銅管的導磁率、厚度、斷面等因素密切相關，它們不僅影響最大電磁力的量值，選擇不當還會弱化攪拌功率。一般情況下，為了保證磁場的穿透效果，最佳攪拌頻率在1-8Hz之間。一般鑄坯斷面大、結晶器銅管厚的電源頻率取低一點；斷面小、銅管薄的電源頻率取高一點。
由于大電流和鋼水的熱效應，攪拌器線圈溫度較高，為了散熱，攪拌器浸泡在冷卻水中，這就要求攪拌器線圈的絕緣要很高，進而造成攪拌器線圈造價不菲。為了盡可能延長攪拌器的使用壽命，變頻電源要采用低電壓、大電流的設計原則，并要有平滑的輸出波形，以防止輸出電壓中的高壓峰值對線圈絕緣造成破壞。
綜上所述，電磁攪拌配套的變頻電源要能夠在低電壓、低頻率、大電流的情況下長時間可靠工作，對電磁攪拌器要提供必要的保護。另外，通常情況下，連鑄機啟用電磁攪拌時，會有多臺大功率變頻電源同時工作，這就要考慮避免對電網產生有害影響，影響其它用電設備的正常運行。
3 VACON變頻器適于電磁攪拌使用的特點
電磁攪拌電源基本可以分為兩類：一是采用分立元件，配合PLC或單片機、工控機，組成變頻電源；二是采用改裝通用型變頻器的方法。
很多電源廠家通過攻關，研制出了采用分立元件的變頻電源，但是由于國內電力電子技術和產品工藝相對落后，只能采用通用型控制芯片和電子技術，難以制造出高性能的交-直-交模式的專用電源；同時因為元件數目多，而生產沒有規模，制造廠缺乏嚴格的質量控制手段，這種電源的可靠性比大規模生產的通用型變頻器要低，故障率偏高，且在出現問題時不易查找到準確的故障點。
采用改裝通用型變頻器的方法與采用分立元件組裝相比，電源的可靠性要高很多，但并不是每一種變頻器都適合用來改裝。這主要是因為通用型變頻器是為控制交流電機而設計的，并不適于用作電磁攪拌電源。
Vacon公司的NXP系列變頻器，與同類變頻器相比較，更為適合改裝成電磁攪拌用的變頻電源。
Vacon變頻器內部都安置了交流電抗器，可以在電網電壓瞬間波動時，保護變頻器的整流部分，同時也抑制了由于整流所產生的部分諧波電流對電網的影響，改善了輸入到變頻器的電流波形，增強了變頻器抵抗電網電壓浪涌的能力，同時交流電抗器還減小了由于諧波電流所產生的諧波電壓，減小了對同電源系統中的其他系統的影響。變頻器輸出電流波形為正弦波，波形畸變率小，這對于保護攪拌器線圈十分重要。在分立元件組成的電源系統中不可缺少的隔離變壓器，在使用Vacon變頻器時就不再需要。
Vacon變頻器采取了齊全的保護功能，這為適應冶金系統的惡劣環境，達到高性能的要求提供了保證。例如：Vacon變頻器采用了三相輸出電流檢測，而不是常規的二相輸出電流信號檢測，因此變頻器能根據三相輸出電流的檢測值，計算三相輸出電流之和，較快地判斷變頻器的是否接地，達到接地保護的功能，從而使得同類變頻器制造出的低頻電源不能實現的輸出保護功能，在采用Vacon變頻器制造成的低頻電源上得以全部實現。另外，諸如過流保護、接地保護、欠壓保護、過壓保護、欠載保護、變頻器低溫/過熱保護、過熱保護、輸入/輸出相保護等保護功能也一應俱全。
可以使用滿足IEC61131-3標準的編程軟件來編制變頻器的所有控制軟件是Vacon變頻器最大的特點。編程軟件具有與變頻器硬件連接的接口文件，并且提供大至2M的用戶程序空間，程序最短掃描時間為1ms，采用分時復用的操作系統方式，配合可以安裝在變頻器內部的 I/O 擴展卡和通訊適配器，能夠編制滿足特殊要求的用戶程序，這為設計符合需要的應用方案提供了極大的便利條件。
