一煉鋼廠進口結晶器電磁攪拌器線圈修復

        1、概述
        連鑄電磁攪拌裝置（以下簡稱EMS）能有效地改善鑄坯的內部組織結構，提高表面質量，減少中心偏析和中心疏松，基本消除中心縮孔和裂紋，大大增加等軸晶率，因而已廣泛應用于各種方圓坯連鑄機上。EMS是一種工作在高溫、高濕度及高塵渣等惡劣環境下的電氣設備。為了達到必要的電磁推力，同時又要盡量減小EMS的體積，往往設計成工作在大電流、低頻率狀態下。因此，無論對EMS的設計還是對其結構及工藝制作，都提出了比較苛刻的要求。
        武漢鋼鐵有限責任公司一煉鋼廠五機五流方坯連鑄機采用了ABB的結晶器EMS（以下簡稱MEMS）及凝固末端EMS（以下簡稱FEMS）。MEMS和FEMS現場占用量各為5套，庫存備件分別為3臺和2臺，均依耐進口。在使用過程中，EMS容易損壞的部位有兩種情況，一、接線口燒，二、EMS內空心銅管漏水。而進口備件周期長、費用高。為降低備件庫存，同時保證備件供應，我們組織對已經損壞的時EMS進行國產化修復。這樣不但解決了一煉鋼備件不足的矛盾，同時也節省了大筆外匯，降低備件消耗。
        為此，武鋼鋼鐵公司設備部、一煉鋼與岳陽中科電磁技術有限公司于2002年初組成了聯合攻關組，對電磁攪拌裝置修復技術進行攻關，經過攻關組幾個月的共同努力，終于取得成功。
        2、裝置的主要特點及性能指標
        2.1裝置的特點
        一煉鋼方坯連鑄機上用的ABB兩種電磁攪拌裝置均采用了空心銅管純水內冷式技術，整機結構緊湊、攪拌功率大，其最大的優點是性能穩定，使用壽命長（可達5~8年），冷卻效率高，使用維護方便。其缺點是結構較復雜，對水質要求高。此類方坯EMS采用了不帶齒槽的環形鐵芯，克蘭姆環形繞組結構，解決了因空心銅管在同等導電截面下，比實心電磁線體積要大很多，而鐵芯采用常規的齒槽結構則無法裝下采用空心銅管繞制的線圈這個難題；EMS用了磁屏蔽技術較好地解決了感應電壓過高、磁場衰減過快、外圍漏磁通大等問題。 同時空心銅管內冷的另一個關鍵技術是管接頭的連接防漏技術。
        2.2裝置的主要技術指標
        a.型式：純水內冷，結晶器外置，旋轉磁場方式
        b.結構特點：環形鐵芯，克蘭姆繞組形式
        c.適應的鑄坯截面：200×200～250×280
        d.中心磁感應強度（帶結晶器銅管后）：≥450GS
        e.不通水時對地絕緣電阻：≥200MΩ
        f.通水時對地絕緣電阻：≥20KΩ
        g. 額定電流：350A     電壓MAX：500V   視在功率：260KVA    頻率：2.5HZ  
            有功功率：96KW      h.冷卻水壓力：0.5～0.7 Mpa       k.冷卻水流量：35l/min
        l.電導率：＜3μs/cm        p.進出口水溫差：＜35℃
        3、電磁攪拌器修復總結
        3.1電磁攪拌器修復的關鍵、難點
        方坯EMS的結構大致由外保護殼體與內部感應器及冷卻水路組成。外保護殼體比較簡單，由內外筒體、上下蓋及出線盒組成。
        內部感應器比較復雜，由其產生電磁推力、是EMS的心臟。它的好壞直接關系到使用效果及使用壽命，要求極高，因而制造工藝十分苛刻。感應器主要由鐵芯與繞組構成。鐵芯為無齒槽的環形結構，由薄鋼板疊制而成。其高度尺寸是一個關鍵尺寸，它決定著EMS的有效工作長度。薄鋼板的厚度尺寸以磁路不飽和為設計原則，可適當厚一點，但必須考慮線圈的安裝空間。繞組是成敗的關鍵，繞組的參數可通過測試數據經過理論計算及模擬實驗得以確定。繞組絕緣材料的選擇至關重要。既要考慮到其耐熱性能，又要考慮到其與浸漬漆的親合能力以及與進口硅膠的相融性。銅管接頭焊接質量的好壞直接影響冷卻效果及使用壽命。
        3.2工藝攻關
        為確保修復后的產品達到原進口產品的水平，聯合攻關組對關鍵工藝進行了反復實驗及非常細致的制作，并制定了非常周密的研制計劃及措施，研制的基本原則是在保證原進口產品電磁參數的前提下，針對某些局部進行國產化改進，以期達到電磁性能與提高產品穩定性的目的。為此主要采取了以下工藝步驟：
        a、首先，我們對原進口裝置進行靜態參數測試，對靜態參數進行分析。
        b、采用杜邦氟46聚酰亞胺復合薄膜替代原玻璃絲帶作為繞組的匝間主絕緣，以大幅提高繞組的耐熱等級，從原來的F級（155）提高至C級（200）。
       c、采用從日本進口的玻璃絲氈作為線圈與鐵芯之間的主絕緣。以提高絕緣材料與浸漬漆的親合能力，這樣經過浸漆處理后，玻璃絲便充分固化填充在線包與鐵芯之間，使整個感應器成為一個整體。
        d、接頭的焊接也是一項關鍵技術，經反復實驗后采用低溫銀、銅釬焊，并對焊接的接頭進行嚴格的探傷檢驗。
        e、對外接頭的連接采用日本新日鐵的內卡式連接技術，以提高連接的可靠性。
        f、對內部冷卻水路進行重新布置以期使每個繞組回路都得到均勻的水流，消除內部感應器局部熱聚，提高其使用壽命。
        g、對每個繞組均進行嚴格的3000V/30min的耐高壓及匝間短路實驗，不合格的堅決不用。
        h、用進口硅膠、真空灌膠工藝、進行最后的絕緣固化，以大幅提升感應器的絕緣等級與穩定性。
        3.3 修復后的靜態參數測試
        3.3.1 對地絕緣電阻測量 
        電磁攪拌器在線能否正常運行，線圈對地絕緣電阻是一個關鍵指標，一般情況下，對地絕緣電阻大于20KΩ可正常工作。結果見表1：

表1

        由表1可見，EMS的絕緣電阻的測量值遠遠大于考核指標，說明線圈的絕緣性能是相當優良的。
        3.3.2直流電阻測量
        直流電阻的測量值，反映了電磁攪拌裝置的感應器的制作工藝水平。在室溫T=29℃時其測量值見表2：

表2 

        由表2實際測量值可見，EMS的三相直流電阻基本相同。
        3.3.3伏安特性
        在f=2,6,9Hz的情況下測量的伏安特性如下。

       由伏安特性分析可見，EMS的伏安特性曲線均為過原點的直線,成線性關系，EMS的伏安特性曲線的斜率隨頻率的增加而變陡。
        3.3.4 磁感應強度徑向分量Br的空間分布
        旋轉磁場的磁感應強度一般分為徑向Br、角向Bθ和軸向Bz三個分量，其中對電磁攪拌起主要作用的是Br，故對磁感應強度的分析以Br為主。
        ①中心磁感應強度徑向分量Br0隨電流I的變化

         a：中心Br與電流I在240A以下基本成線性關系，在電流大于240A以后曲線開始拐彎,說明開始磁飽和，符合理論規律；
         b：中心磁感應強度幅值Bm在電流I為額定電流350A，F=2Hz為710GS。
        ②磁感應強度徑向分量Br的空間分布

        a.曲線有6個波峰和6個波谷，按360°分布,符合圓形感應器磁路閉合的特點，其中有一點比較低且寬，反應了內部磁路不對稱的特點，符合實際情況。
        b.隨半徑r減小，其變化漸趨平緩，表明離攪拌器鐵芯表面越遠，其齒槽影響越小。
        ③ 感應強度徑向分量Br沿軸向Z的變化。

        Br隨Z向增加其值開始時基本不變,逐漸增大至100mm時，開始下降，反應出鐵芯齒的端部效應。
        4、結束語
        經過攻關組的共同努力和對電磁攪拌器線圈進行以上技術處理，修復后的電磁攪拌器線圈上線運行穩定，性能可靠，電磁攪拌器線圈的各項技術參數和連鑄坯產品的等軸晶率都達到了原進口產品的同等工作水平。原進口電磁攪拌器線圈價格為80萬元/臺左右，由于現場環境因素只上線使用了5年左右便開始大修。而修復后的電磁攪拌器線圈已上線運行了2年，目前其使用情況良好，其用壽命完全可以達到5年，大修價格僅為其原值的26%左右，小修價格則更低。通過修復不但解決了一煉鋼備件不足的矛盾，同時也降低了設備維修成本。同時為國產結晶器電磁攪拌器積累了制造經驗。