1 連鑄與電磁攪拌理論
  隨著用戶對鋼材質(zhì)量提出越來越高的要求，使得提高鑄坯質(zhì)量成為連鑄生產(chǎn)中的首要問題。鑄坯內(nèi)部質(zhì)量在很大程度上取決于鑄坯內(nèi)部是否呈現(xiàn)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(fā)展，往往產(chǎn)生“搭橋”現(xiàn)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(shù)隨之應(yīng)運而生，它可以顯著改善鑄坯質(zhì)量，因此在國內(nèi)外受到高度重視并得到快速發(fā)展與廣泛應(yīng)用。目前，煉鋼廠連鑄機電磁攪拌裝置已經(jīng)成為冶煉高性能品種鋼水必不可少的設(shè)備。
  電磁攪拌的工作原理基于電磁感應(yīng)定律，載流導(dǎo)體處于磁場中就要受到電磁力的作用而發(fā)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(dāng)于電機的定子，鋼水相當(dāng)于電機的轉(zhuǎn)子。由電磁攪拌器的線圈繞組產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場，在導(dǎo)電的鋼水中產(chǎn)生感應(yīng)電流,感應(yīng)電流與磁場作用產(chǎn)生電磁力,對鋼水起到了攪拌作用。連鑄電磁攪拌的實質(zhì)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(jié)晶器結(jié)構(gòu)形式如下圖所示。

2 電磁攪拌對電源的特殊要求
  電磁攪拌系統(tǒng)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(fā)的交變磁場穿透到鑄坯的鋼水內(nèi)，在其中產(chǎn)生感應(yīng)電流，感應(yīng)電流與磁場相互作用產(chǎn)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(yīng)強度越高。一般情況下，結(jié)晶區(qū)電磁攪拌器要求中心磁感應(yīng)強度幅值＞500Gs；為保證達到磁感應(yīng)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?dāng)嚢璧乃俣炔粌H與電流強度有關(guān)，而且受電源頻率的影響很大。頻率的選擇主要和結(jié)晶器銅管的導(dǎo)磁率、厚度、斷面等因素密切相關(guān)，它們不僅影響大電磁力的量值，選擇不當(dāng)還會弱化攪拌功率。一般情況下，為了保證磁場的穿透效果，攪拌頻率在1-8Hz之間。一般鑄坯斷面大、結(jié)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(yīng)，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(shè)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(wǎng)產(chǎn)生有害影響，影響其它用電設(shè)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(guān)，研制出了采用分立元件的變頻電源，但是由于國內(nèi)電力電子技術(shù)和產(chǎn)品工藝相對落后，只能采用通用型控制芯片和電子技術(shù)，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(shù)目多，而生產(chǎn)沒有規(guī)模，制造廠缺乏嚴格的質(zhì)量控制手段，這種電源的可靠性比大規(guī)模生產(chǎn)的通用型變頻器要低，故障率偏高，且在出現(xiàn)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(shè)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(nèi)部都安置了交流電抗器，可以在電網(wǎng)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(chǎn)生的部分諧波電流對電網(wǎng)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(wǎng)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(chǎn)生的諧波電壓，減小了對同電源系統(tǒng)中的其他系統(tǒng)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(tǒng)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(yīng)冶金系統(tǒng)的惡劣環(huán)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(guī)的二相輸出電流信號檢測，因此變頻器能根據(jù)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(xiàn)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(xiàn)。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(yīng)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(fù)用的操作系統(tǒng)方式，配合可以安裝在變頻器內(nèi)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(shè)計符合需要的應(yīng)用方案提供了極大的便利條件。
 
4 具體實施方案及應(yīng)用效果
  宣鋼煉鋼廠四號連鑄機在設(shè)計、安裝電磁攪拌系統(tǒng)的電源、控制系統(tǒng)時，經(jīng)過充分考察、論證后，采用了如下圖所示的方案：
  整個系統(tǒng)由8套電磁攪拌裝置、冷卻水系統(tǒng)、HMI組成，其特點是沒有安裝常規(guī)情況下采用的小型PLC、單片機等控制器，而是通過在變頻器內(nèi)安裝OPT-A1、OPT-C6接口卡，將電磁攪拌系統(tǒng)所有冷卻水流量信號、溫度信號，以及各種操作（如啟動、停止、手動、自動、遠程控制切換）、連鎖信號，都直接接入了變頻器，充分利用VACON變頻器的內(nèi)置PLC功能，使用Vacon NC1131-3編程軟件編制符合實際需要的程序，由變頻器負責(zé)運算、控制，使得變頻器的控制可以與 PLC 控制有機結(jié)合，實現(xiàn)預(yù)期功能。這種設(shè)計使得整個系統(tǒng)配置簡潔、結(jié)構(gòu)合理，大大減少了中間環(huán)節(jié)，不僅節(jié)省投資，還提高了系統(tǒng)的可靠性。
  通過設(shè)置變頻器參數(shù)，系統(tǒng)具備以下特殊功能：變頻器的輸出頻率和輸出電流可獨立設(shè)置，并具備自動調(diào)節(jié)功能，以使設(shè)定值與實際值之間的偏差符合要求；變頻器具備本地和遠程控制方式，在本地操作時同樣可以具有連續(xù)攪拌、正反交替攪拌等工作方式，正反交替攪拌工作周期可根據(jù)需要設(shè)定和修改；變頻器具備完善的攪拌器線圈保護功能：如過電流、過電壓、接地、過熱、三相不平衡等等。
  變頻器使用內(nèi)置的CAN總線接口與上位機之間保持通訊。上位機既可以讀取變頻器的狀態(tài)數(shù)據(jù)，同時又可以通過對變頻器參數(shù)（包括電流值、頻率值等工藝參數(shù)及啟停等數(shù)字控制信號參數(shù)）進行設(shè)定，來達到遠程控制的目的。
  上位機系統(tǒng)主要完成顯示電磁攪拌工藝流程，指導(dǎo)操作（在上位機直接選擇鋼種及其澆注條件后軟件會自動設(shè)置攪拌工藝參數(shù)），顯示、存儲、打印、查詢關(guān)鍵參數(shù)，監(jiān)視設(shè)備運行狀態(tài)，對重要參數(shù)超限進行報警等工作。
  這套電磁攪拌系統(tǒng)在四號連鑄機的長時間使用表明，電磁攪拌在改善連鑄坯柱狀晶、搭橋、針孔，增加等軸晶區(qū)，減少成分偏析，減輕或消除中心疏松和中心縮孔等方面的效果非常明顯，對提高連鑄坯質(zhì)量具有明顯作用。而VACON變頻器的穩(wěn)定可靠運行，為電磁攪拌系統(tǒng)充分發(fā)揮作用提供了基礎(chǔ)保證。