本實(shí)用新型主要屬于結(jié)晶器電磁攪拌器電磁力矩測(cè)量技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種測(cè)量連鑄結(jié)晶器電磁攪拌器電磁力矩的測(cè)量裝置。

背景技術(shù)：

電磁攪拌一方面通過交變磁場(chǎng)作用于鑄坯中心的熔融鋼水，產(chǎn)生的電磁推力攪動(dòng)鋼水，從而打碎凝固前沿的柱狀晶，碎晶未融合部分作為等軸晶的晶核；另一方面是通過攪拌使鋼水成分和溫度均勻，降低凝固前沿的溫度梯度。在連鑄上采用結(jié)晶器電磁攪拌工藝，不但可以提高鑄坯表面及皮下質(zhì)量，促進(jìn)夾雜物上浮，同時(shí)有效地改善鑄坯的內(nèi)部組織結(jié)構(gòu)，抑制柱狀晶生長，促進(jìn)等軸晶生成，減少成分偏析，減輕中心疏松和中心縮孔。幾十年來，國內(nèi)外學(xué)者對(duì)電磁攪拌技術(shù)進(jìn)行了大量的理論及實(shí)驗(yàn)研究，并應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)。電磁攪拌技術(shù)已經(jīng)成為連鑄過程中改善鑄坯質(zhì)量的最重要和最有效的手段之一，但不合適的攪拌參數(shù)不僅無法具有明顯的冶金效果，還可能帶來液面波動(dòng)、夾渣等后果，不利于保證產(chǎn)品質(zhì)量。

根據(jù)電磁攪拌理論及實(shí)際應(yīng)用研究，衡量電磁攪拌強(qiáng)度的常用的指標(biāo)有三個(gè)：磁場(chǎng)強(qiáng)度、攪拌力和攪拌速度。

由于容易測(cè)量，目前應(yīng)用最多的是采用磁場(chǎng)強(qiáng)度為標(biāo)準(zhǔn)。現(xiàn)場(chǎng)一般是在鑄機(jī)空載的情況下，采用高斯儀測(cè)量結(jié)晶器內(nèi)不同攪拌電流和攪拌頻率下的磁場(chǎng)分布，但由于磁場(chǎng)的可迭加性原理，在同一空間點(diǎn)上，各次諧波的磁感應(yīng)強(qiáng)度可迭加成合成磁感應(yīng)強(qiáng)度，而通常用高斯計(jì)測(cè)出的磁感應(yīng)強(qiáng)度實(shí)際是合成磁感應(yīng)強(qiáng)度而非需要的一次基波磁感應(yīng)強(qiáng)度。當(dāng)變頻電源的高次諧波分量較大時(shí)，合成的磁感應(yīng)強(qiáng)度很大，容易造成攪拌強(qiáng)度已足夠大的假象。

電磁攪拌的實(shí)質(zhì)是利用鑄坯液相穴中感生的電磁力，強(qiáng)化鋼液的運(yùn)動(dòng)，由此強(qiáng)化鋼液的對(duì)流—傳熱和傳質(zhì)過程，從而控制鑄坯的凝固過程，由此可見，鋼液的攪拌運(yùn)動(dòng)與鑄坯的凝固組織以及鑄坯的冶金效果建立最直接的關(guān)系，但是，由于連鑄高溫鋼液的攪拌速度不易測(cè)量，攪拌速度的計(jì)算依賴諸多的因素且不準(zhǔn)確，因此，很難將攪拌速度作為攪拌強(qiáng)度的指標(biāo)進(jìn)行測(cè)量。

電磁力矩更接近電磁攪拌器的真實(shí)性能，電磁攪拌需要的是鋼水中感生的電磁力矩；且電磁力矩能夠更直觀地判斷電磁攪拌器的工作能力，即攪拌效果。磁感應(yīng)強(qiáng)度只是聯(lián)系攪拌器激磁電流和鋼水中感生的電磁力矩之間的一個(gè)中間參數(shù)，鋼水中感生的電磁力矩才是推動(dòng)鋼水運(yùn)動(dòng)的原動(dòng)力。因此電磁力矩作為攪拌強(qiáng)度的指標(biāo)更為合理。

電磁力矩作為評(píng)價(jià)攪拌效果的指標(biāo)，通常是指凝固前沿的電磁力使鋼水產(chǎn)生的電磁力矩。

在實(shí)際應(yīng)用中，澆注過程中測(cè)量結(jié)晶器內(nèi)鋼液凝固前沿的電磁力矩較為困難，因此通常在停澆過程中鑄機(jī)空載的情況下，測(cè)試原理是模擬連鑄過程中結(jié)晶器鋼液在交變磁場(chǎng)中受到的實(shí)際作用力矩的大小。一般采用自制的電磁扭矩測(cè)量?jī)x測(cè)量不同攪拌電流和攪拌頻率下的扭矩。

目前存在的電磁力矩測(cè)量?jī)x器并沒有統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)，導(dǎo)致同樣的狀況下，文獻(xiàn)中采用不同的電磁力矩測(cè)量?jī)x測(cè)定的數(shù)值相差甚大，且對(duì)于調(diào)整結(jié)晶器電磁攪拌參數(shù)無法提供可靠的依據(jù)。例如，現(xiàn)有技術(shù)中的手持式扭矩儀，雖然操作方便，但由于結(jié)晶器電磁攪拌器的電磁力矩相對(duì)較小，扭矩測(cè)量?jī)x對(duì)電流變化的響應(yīng)差且精度不高，測(cè)量的實(shí)際扭矩偏差較大。

有鑒于此，有必要提供一種標(biāo)準(zhǔn)化的可精確測(cè)量結(jié)晶器電磁攪拌器的電磁力矩的裝置克服以上缺陷。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

為解決現(xiàn)有技術(shù)的不足之處，本實(shí)用新型了提供一種連鑄結(jié)晶器電磁攪拌器電磁力矩的測(cè)量裝置。利用本實(shí)用新型所述測(cè)量裝置，解決了現(xiàn)有結(jié)晶器電磁攪拌參數(shù)制定耗時(shí)且耗力不準(zhǔn)確的問題，以及解決了現(xiàn)有的結(jié)晶器電磁攪拌器的電磁力矩測(cè)量裝置在測(cè)量過程中存在的測(cè)量精度差等問題。

本實(shí)用新型是通過以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的：

一種連鑄結(jié)晶器電磁攪拌器電磁力矩的測(cè)量裝置，所述測(cè)量裝置包括測(cè)量部分、支撐部分和輸出部分；

支撐部分：包括夾持裝置、支撐桿、標(biāo)尺和支座，所述支撐桿垂直固定于所述支座上，所述夾持裝置能夠相對(duì)于所述支撐桿進(jìn)行上下移動(dòng)以及相對(duì)于所述支撐桿進(jìn)行旋轉(zhuǎn)；

測(cè)量部分：采用非磁性材料制備，所述測(cè)量部分包括扭矩傳感器、傳感器底座、扭矩傳遞軸、扭矩傳遞桿、聯(lián)軸器、軸承和扭矩測(cè)量探頭；所述傳感器底座用于承接整個(gè)測(cè)量部分，并所述測(cè)量部分通過所述傳感器底座固定于所述支承部分；所述扭矩傳遞軸的一端斷面為方形，與所述扭矩傳感器連接，所述扭矩傳遞軸的另一端斷面為圓形，與所述聯(lián)軸器連接；

輸出部分：與所述測(cè)量部分電連接，所述輸出部分為顯示儀表。

進(jìn)一步地，所述扭矩傳感器采用反作用力型扭矩傳感器。

進(jìn)一步地，所述扭矩傳感器為數(shù)字式應(yīng)變片扭矩傳感器。

進(jìn)一步地，所述扭矩傳遞軸和所述扭矩傳遞桿是電磁力矩傳遞的中介；所述扭矩傳遞軸采用非磁不銹鋼材料。

進(jìn)一步地，所述扭矩傳遞桿硬質(zhì)的電木材料，所述扭矩傳遞桿的一端與所述聯(lián)軸器連接，另一端與所述扭矩測(cè)量探頭連接。

進(jìn)一步地，所述軸承安裝于所述扭矩傳遞軸上，用于減小扭矩傳遞軸受到的摩擦力；所述聯(lián)軸器為彈性聯(lián)軸器，采用硬質(zhì)鋁合金材料，用于連接所述扭矩傳遞軸和所述扭矩傳遞桿。

進(jìn)一步地，所述扭矩測(cè)量探頭采用鋁合金材料，密度為2689kg/m³ ，為實(shí)心圓柱形，長度為70-90mm，直徑為40-50mm。

進(jìn)一步地，所述標(biāo)尺固定在支撐桿上，標(biāo)尺的零位設(shè)置在支撐桿的底部，所述標(biāo)尺用于標(biāo)定測(cè)量所述夾持裝置相對(duì)于所述支座在豎直方向的位置以及所述扭矩測(cè)量探頭在結(jié)晶器內(nèi)的位置。

進(jìn)一步地，所述支承部分的夾持裝置能夠與所述傳感器底座連接，所述夾持裝置位于所述傳感器底座下方。

本實(shí)用新型的有益技術(shù)效果：

（1）本實(shí)用新型提供的測(cè)量裝置中的支承部分可是保證測(cè)量裝置對(duì)中性和測(cè)量位置準(zhǔn)確性；

（2）本實(shí)用新型測(cè)量裝置采用高測(cè)量精度和敏感度的反作用力型扭矩傳感器，提高測(cè)量結(jié)果的準(zhǔn)確性。

（3） 本實(shí)用新型采用高精度軸承，減小摩擦力的影響，采用彈性聯(lián)軸器，補(bǔ)償軸向及徑向的偏差，約束扭矩測(cè)量探頭的材料和尺寸，從而減小測(cè)量裝置的無關(guān)負(fù)載的影響，提高測(cè)量的準(zhǔn)確性和精確度。

附圖說明

圖1是本實(shí)用新型所述的連鑄結(jié)晶器電磁攪拌器電磁力矩的測(cè)量裝置。

圖2是本實(shí)用新型所述的扭矩傳遞軸及軸承的安裝示意圖。

附圖標(biāo)記為：1.扭矩測(cè)量探頭，2.扭矩傳遞桿，3.聯(lián)軸器，4.傳感器底座，5.扭矩傳感器，6.扭矩傳遞軸，7.顯示儀表，8.夾持裝置，9.支撐桿，10.支座，11.結(jié)晶器，12.軸承。

具體實(shí)施方式

為了使本實(shí)用新型的目的、技術(shù)方案及優(yōu)點(diǎn)更加清楚明白，以下結(jié)合附圖及實(shí)施例，對(duì)本實(shí)用新型進(jìn)行進(jìn)一步詳細(xì)描述。應(yīng)當(dāng)理解，此處所描述的具體實(shí)施例僅僅用于解釋本實(shí)用新型，并不用于限定本實(shí)用新型。

相反，本實(shí)用新型涵蓋任何由權(quán)利要求定義的在本實(shí)用新型的精髓和范圍上做的替代、修改、等效方法以及方案。進(jìn)一步，為了使公眾對(duì)本實(shí)用新型有更好的了解，在下文對(duì)本實(shí)用新型的細(xì)節(jié)描述中，詳盡描述了一些特定的細(xì)節(jié)部分。對(duì)本領(lǐng)域技術(shù)人員來說沒有這些細(xì)節(jié)部分的描述也可以完全理解本實(shí)用新型。

實(shí)施例1

一種連鑄結(jié)晶器電磁攪拌器電磁力矩的測(cè)量裝置，所述測(cè)量裝置包括測(cè)量部分、支承部分和輸出部分；

1.支承部分，用于支承和固定整個(gè)測(cè)量裝置、調(diào)節(jié)和標(biāo)定測(cè)量裝置的測(cè)量位置以及保證測(cè)量時(shí)測(cè)量裝置的對(duì)中位置，避免出現(xiàn)測(cè)量時(shí)不對(duì)中、測(cè)量位置偏移等問題，提高了測(cè)量的準(zhǔn)確性。

所述支承部分包括夾持裝置、支撐桿、標(biāo)尺和支座，所述支撐桿垂直固定于所述支座上，所述夾持裝置能夠相對(duì)于所述支撐桿進(jìn)行上下移動(dòng)以及相對(duì)于所述支撐桿進(jìn)行旋轉(zhuǎn)；所述標(biāo)尺固定在支撐桿上，標(biāo)尺的零位設(shè)置在支撐桿的底部，所述標(biāo)尺用于標(biāo)定測(cè)量所述夾持裝置相對(duì)于所述支座在豎直方向的位置，并通過夾持裝置的位置換算出探頭在結(jié)晶器內(nèi)的位置。

所述通過夾持裝置的位置換算出扭矩測(cè)量探頭在結(jié)晶器內(nèi)的位置具體為：首先測(cè)量獲得扭矩測(cè)量探頭到扭矩傳感器的距離，然后測(cè)量標(biāo)尺的零位到扭矩傳感器的距離，然后計(jì)算上述兩個(gè)距離之差，計(jì)算獲得的該距離差值即為扭矩測(cè)量探頭在結(jié)晶器內(nèi)豎直方向的距離，利用扭矩測(cè)量探頭在結(jié)晶器內(nèi)豎直方向的距離來表示扭矩測(cè)量探頭在結(jié)晶器內(nèi)的位置。

所述支承部分的夾持裝置能夠與所述傳感器底座連接，所述夾持裝置位于測(cè)量部分中傳感器底座的下方。

2.測(cè)量部分，是測(cè)量電磁力矩的核心部分，該部分的材料均采用非磁性材料，所述測(cè)量部分包括扭矩傳感器、傳感器底座、扭矩傳遞軸、扭矩傳遞桿、聯(lián)軸器、軸承和扭矩測(cè)量探頭；所述傳感器底座用于承接整個(gè)測(cè)量部分，并所述測(cè)量部分通過所述傳感器底座固定于所述支承部分。

所述傳感器底座上部為扭矩傳感器，所述扭矩傳遞軸的一端位于所述扭矩傳感器內(nèi)部中軸位置，并且扭矩傳遞軸的這一端的斷面為方形與所述扭矩傳感器配合連接，所述扭矩傳遞軸的另一端斷面為圓形，與所述聯(lián)軸器的上端連接；從所述聯(lián)軸器的下端與所述扭矩傳遞桿連接，所述扭矩傳遞桿的下頂端連接所述扭矩測(cè)量探頭。

各部分具體為：

（1）扭矩傳感器，所述扭矩傳感器采用數(shù)字式應(yīng)變片扭矩傳感器。反作用力型(靜態(tài))扭矩傳感器，它基于牛頓第三定律，是一種數(shù)字式應(yīng)變片扭矩傳感器，具有測(cè)量精度高、穩(wěn)定性好、抗干擾性強(qiáng)的特點(diǎn)；所述扭矩傳感器采用鋁合金結(jié)構(gòu)，具有體積小、重量輕，且易于安裝使用的有點(diǎn)；不需要反復(fù)調(diào)零即可連續(xù)測(cè)量正反轉(zhuǎn)扭矩；可以高轉(zhuǎn)速長時(shí)間運(yùn)行；測(cè)量彈性體強(qiáng)度可承受150%的過載。

（2）傳感器底座，傳感器底座固定在支承部分的夾持裝置上，所述傳感器底座用于承接整個(gè)測(cè)量部分，并所述測(cè)量部分通過所述傳感器底座固定于所述支承部分。

（3）扭矩傳遞軸和扭矩傳遞桿，所述扭矩傳遞軸和所述扭矩傳遞桿是電磁力矩傳遞的中介；所述扭矩傳遞軸采用非磁不銹鋼材料；所述扭矩傳遞桿采用硬質(zhì)的電木材料，電木材料具有絕緣、不易變形的特點(diǎn)，避免測(cè)量過程中在傳遞桿上感生出電磁力矩，也減少了電磁力矩傳遞過程中的誤差。

（4）聯(lián)軸器和軸承，是該部分的重要連接件，在測(cè)量旋轉(zhuǎn)扭矩時(shí)，扭矩傳感器需要支撐重要的無關(guān)負(fù)載，即扭矩測(cè)量探頭以及扭矩傳遞桿的重量，傳感器除對(duì)待測(cè)的反扭矩作出響應(yīng)外，還可能會(huì)對(duì)這些負(fù)載引起的反扭矩作出響應(yīng)，這就可能引起耦合誤差，還可能降低測(cè)量的靈敏度。

在本實(shí)施例中，所述軸承安裝于所述扭矩傳遞軸上，所述軸承為高精度軸承，能夠減小扭矩傳遞軸受到的摩擦力；所述聯(lián)軸器為彈性聯(lián)軸器，采用硬質(zhì)鋁合金材料，用于連接所述扭矩傳遞軸和所述扭矩傳遞桿；在扭矩傳遞軸和扭矩傳遞桿的連接處采用彈性聯(lián)軸器，由于彈性聯(lián)軸器是一體成型的金屬彈性體，材料為硬質(zhì)鋁合金，可吸收振動(dòng)，其彈性作用補(bǔ)償徑向、角向和軸向偏差，同時(shí)彈性元件也具有緩沖和減振性能，具有零回轉(zhuǎn)間隙，順時(shí)針和逆時(shí)針回轉(zhuǎn)特性完全相同等特點(diǎn)；從而，將無關(guān)負(fù)載對(duì)電磁力矩測(cè)量的影響降至最低。

（5）扭矩測(cè)量探頭，直接受電磁場(chǎng)的作用產(chǎn)生電磁力矩的部件，采用鋁合金材料，根據(jù)電磁力矩的計(jì)算公式可知，探頭受到的電磁力矩值與探頭的電導(dǎo)率和直徑有關(guān)，為保證測(cè)得數(shù)值的有效性，需對(duì)探頭的材料和尺寸作出約束。

由于結(jié)晶器電磁攪拌器的電磁力矩較小，通過大量的試驗(yàn)，確定了探頭的材質(zhì)和尺寸。對(duì)比不銹鋼材質(zhì)以及其他合金材質(zhì)的探頭，最終確定扭矩測(cè)量探頭需要采用電導(dǎo)率較大的鋁合金材料，另外，鋁合金材料密度為2689 kg/ m³，能夠減小測(cè)量裝置的無關(guān)負(fù)載，從而提高測(cè)量結(jié)果的精確度和準(zhǔn)確性。此外，由于探頭所受電磁力矩為探頭所在位置各處電磁力矩的疊加值，因此探頭的長度不宜過長，長度在70-90mm，否則所測(cè)得的電磁力矩缺乏代表性，探頭的直徑在40-50mm。

其中，所述電磁力矩的計(jì)算可以由下式計(jì)算得到：

其中，T為電磁力矩；為銅管內(nèi)磁感應(yīng)強(qiáng)度；為電源角頻率；為鋼水的電導(dǎo)率；為攪拌器有效作用長度；為鑄坯（或液芯）等效半徑。

3. 輸出部分，與所述測(cè)量部分電連接，所述輸出部分為顯示儀表。

本實(shí)施例中，所述測(cè)量裝置的使用方法為：

（1）將所述測(cè)量裝置固定在結(jié)晶器周邊，將顯示儀表和扭矩傳感器接通電源；

（2） 通過調(diào)整夾持裝置的位置，使所述扭矩測(cè)量探頭進(jìn)入結(jié)晶器內(nèi)需要測(cè)量的位置，并保證所述扭矩測(cè)量探頭的中心位于所述電磁攪拌器的中心軸上；

（3）啟動(dòng)結(jié)晶器電磁攪拌器，調(diào)整結(jié)晶器電磁攪拌器的攪拌參數(shù)，產(chǎn)生磁場(chǎng)，扭矩測(cè)量探頭在磁場(chǎng)的作用下發(fā)生旋轉(zhuǎn)，產(chǎn)生扭矩，經(jīng)過扭矩傳遞軸和所述扭矩傳遞桿的傳動(dòng)，最終在儀表上顯示電磁力矩的值；具體為：扭矩測(cè)量探頭受到電磁場(chǎng)的作用在其內(nèi)部產(chǎn)生感應(yīng)電流，又在電磁場(chǎng)的作用下感生出電磁力矩；扭矩傳遞桿與扭矩傳遞軸之間通過聯(lián)軸器連接，扭矩傳遞軸與扭矩傳感器之間通過高精度的軸承連接；所述電磁力矩經(jīng)過扭矩傳遞桿及扭矩傳遞軸傳遞給扭矩傳感器，在扭矩傳感器中，測(cè)扭應(yīng)變片產(chǎn)生微小變形后引起應(yīng)變敏感的電橋電阻值變化，從而扭矩傳感器將將力信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?hào)，所述電信號(hào)經(jīng)過放大電路得到放大，再經(jīng)過V/F變換電路，最終產(chǎn)生電磁力矩值，經(jīng)由所述顯示儀表顯示。

通過利用本實(shí)用新型所述測(cè)量裝置對(duì)連鑄過程結(jié)晶器電磁攪拌器電磁力矩進(jìn)行精確測(cè)量，改善了現(xiàn)有結(jié)晶器電磁攪拌參數(shù)制定中存在的問題，可實(shí)現(xiàn)花費(fèi)較小且簡(jiǎn)單快捷地對(duì)結(jié)晶器電磁攪拌參數(shù)的制定，對(duì)改善鑄坯質(zhì)量提供堅(jiān)實(shí)可靠的依據(jù)。

實(shí)施例2

本實(shí)施例采用的連鑄結(jié)晶器電磁攪拌器電磁力矩測(cè)量裝置的安裝示意圖如圖1所示。圖中支座10的放置位置為示意位置，在結(jié)晶器11上方的平臺(tái)。顯示儀表7還需連接電源，電源在此沒有畫出。扭矩傳遞軸及軸承的安裝如圖2所示。

本實(shí)施例采用電磁力矩測(cè)量裝置包括測(cè)量部分、支承部分和顯示儀表三部分，其中測(cè)量部分由扭矩測(cè)量探頭1、扭矩傳遞桿2、聯(lián)軸器3、傳感器底座4、扭矩傳感器5和扭矩傳遞軸6、軸承12組成，支承部分由夾持裝置8、支撐桿9和支座10組成。