CN101868311A - 能够兼用作电磁搅拌和电磁制动的铸模内熔钢用的电磁线圈装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种能够兼用作电磁搅拌和电磁制动的铸模内熔钢用的电磁线圈装置。其使兼用线圈装置的内侧和外侧的绕组的关系最大化。该电磁线圈装置为钢的连续铸造用电磁线圈装置，其向电磁线圈供给3相以上的交流电流或直流电流，使电磁搅拌或电磁制动选择性地作用于熔钢。电磁线圈从轭部(1ab)设置两个齿部(1aa)。在设有内侧绕组(1b)的两个齿部的更外侧设置外侧绕组(1c)。在足够地卷绕内侧绕组(1b)的匝数情况下，使外侧绕组(1c)的匝数与内侧绕组(1b)的匝数相等。在内侧绕组(1b)的匝数不足的情况下，使外侧绕组(1c)的匝数比内侧绕组(1b)的匝数多且为2.5倍以下。将该电磁线圈在各长边(1a)上分别配置n个(n为2以上的自然数)，使芯部(1a)从熔钢的弯月面位置起配置在包括浸渍喷嘴(4)的喷出孔的垂直方向的范围内。从而，即使没有卷绕必要的内侧绕组的情况下，也能够确保足够的搅拌性能和制动性能。

Description

能够兼用作电磁搅拌和电磁制动的铸模内熔钢用的电磁线圈装置

技术领域

本发明涉及一种可兼用作电磁搅拌和电磁制动的铸模内熔钢用的电磁线圈装置，其适用于控制铸模内熔钢的流动且连续铸造钢之时。

背景技术

在连续铸造钢的情况下，对该铸模内熔钢的流动进行控制在操作上及铸片的品质管理上是非常重要的。对该铸模内熔钢的流动状态进行控制的方法有：对浸渍喷嘴的形状进行设计的方法、使电磁力作用于铸模内的熔钢的方法等。其中，后者对熔钢施加电磁力的方法被广泛采用，且大致区分为利用电磁力对熔钢进行搅拌的电磁搅拌和对熔钢喷出流施加制动力的电磁制动。

其中，已知电磁搅拌对铸片的品质改善具有效果，主要用于高品质材料的铸造。而电磁制动主要目的是用于利用喷出流的制动来抑制喷出流与铸模短边冲撞而使凝固壳再熔解，使铸片的品质降低，或者抑制弯月面(meniscus)下的熔钢的流速，增加铸造速度。

上述的电磁搅拌装置、电磁制动装置均是在铸模内面设置电磁线圈，该电磁线圈是将绕组设置在磁性体的芯部。其中，芯部多使用强磁性体即铁材料，称为铁芯。在使用交流电流的电磁搅拌中，为了降低由于电磁感应所导致的铁损，使用电磁钢板来作为其铁芯。此外，在电磁制动中，使用软铁的情况较多。

上述的电磁线圈装置通常仅具有电磁搅拌或电磁制动其中之一的单独的功能。

因此，本发明的发明者进行了可兼用作电磁搅拌或电磁制动这两功能的电磁线圈装置(以后，称为兼用线圈装置)的开发(例如，专利文献1)。

专利文献1：特开2007-007719号公报

本发明的兼用线圈装置的形状与专利文献1中公开的兼用线圈基本上相同，且申请人利用专利文献2中公开的电磁线圈构造。

专利文献2：特开昭60-044157号公报

如图10所示，将该专利文献2中公开的兼用线圈装置在铸模3的长边3b侧各自连续配置两个。该兼用线圈装置11的特征是在两个齿部1aa上各自设置绕组(内侧绕组)1b，进而从外侧将两个齿部1aa一起设置绕组1c(外侧绕组)。由两个齿部1aa和轭部1ab构成的芯部1a的形状与希腊字母的派(∏)类似，因此该兼用线圈装置11称为派(∏)型线圈。而且，图10中的2b为铸模2的短边，3为支撑板，4为浸渍喷嘴。

但是，电磁线圈装置的电磁搅拌能力或电磁制动能力依赖于施加到励磁线圈的电流值和线圈匝数的积。从而，为了提高电磁线圈装置的性能，需要增加线圈匝数或电流值。但是，增加电流值需要扩大线圈绕组的剖面积，以能够应对大电流，其结果，线圈匝数减少。从而，在提高电磁线圈装置的性能的情况下，线圈匝数的增加为第一条件。该点对于兼用线圈装置也是同样的。

但是，在兼用线圈装置的情况下，需要内侧励磁线圈和外侧励磁线圈的双重绕组，因此为了设置绕组需要大的空间。尤其是内侧励磁线圈需要设置在两个齿部间这一有限的空间内，其匝数受到限制，因此，存在电磁搅拌能力和电磁制动能力受到限制的问题。

发明内容

本发明的所要解决的问题在于，在申请人已经提出的兼用线圈装置中，由于在两个齿部间的有限空间内设置的内侧励磁线圈的匝数受到限制，因此有时电磁搅拌能力和电磁制动的能力受到限制。

本发明的兼用线圈装置是能够兼用作电磁搅拌和电磁制动的铸模内熔钢用的电磁线圈装置，其为了确保电磁搅拌性能及电磁制动性能这两者，通过向配置于铸模长边的外周的电磁线圈供给3相以上的交流电流或直流电流，使电磁搅拌或电磁制动选择性地作用于铸模内的熔钢，并连续铸造钢，所述电磁线圈装置的特征在于，

该电磁线圈装置具有电磁线圈和3相以上的交流电源及直流电源，

其中的所述电磁线圈从轭部设置两个齿部，

所述电磁线圈具有如下结构：在所述各齿部的外侧分别设置内侧绕组，并在设置有内侧绕组的所述两个齿部的更外侧设置外侧绕组而归在一起，并且

(1)在能够足够确保内侧绕组的匝数的情况下，使该外侧绕组的匝数与内侧绕组的匝数相等，

(2)在内侧绕组的匝数不足的情况下，使该外侧绕组的匝数比内侧绕组的匝数多且为2.5倍以下，

将所述电磁线圈在所述各长边上分别配置n个，且n为2以上的自然数，并且，

使由所述轭部和齿部构成的磁性体的芯部从熔钢的弯月面位置起配置在包括浸渍喷嘴的喷出孔的垂直方向的范围内。

根据本发明，在能够兼用作电磁搅拌和电磁制动的电磁线圈中，在内侧励磁线圈设有足够的绕组的情况当然不必说，即使在空间不足而无法设置必要的绕组的情况下，也能够得到足够的电磁搅拌性能和电磁制动性能。

附图说明

图1是表示电磁场解析中的计算模型的图，(a)表示整体像的立体图、(b)表示水平剖视图、(c)图表示垂直剖视图。

图2(a)(b)是对特愿2007-150627号中公开的兼用线圈的电流相位的组合进行说明的图。

图3是表示外侧励磁线圈的匝数和铸模厚度中心处的磁通密度的关系的图。

图4是表示铸模厚度中心处的磁通密度分布(由磁通密度的最大值10等分后的等高线)的图，(a)图表示内侧和外侧的励磁线圈的匝数为相同的60匝的情况，(b)图表示外侧励磁线圈的匝数为100匝的情况。

图5是表示外侧励磁线圈的匝数与铸模内产生的最大搅拌力的关系的图。

图6是表示使外侧励磁线圈的匝数变化后的情况的铸模长边附近的搅拌力分布的图。

图7是表示搅拌力和流速的比较位置的图。

图8是表示将内侧励磁线圈的匝数设为理想匝数60匝，并将外侧励磁线圈的匝数设为60匝的情况、和将内侧励磁线圈的匝数设为比理想匝数少的40匝，并将外侧励磁线圈的匝数设为100的情况下的流速分布。

图9是表示将内侧励磁线圈的匝数设为比理想匝数少的40匝，并将外侧励磁线圈的匝数设为120匝的情况、和将内侧与外侧的匝数设为相等的40匝的情况下的流速分布。

图10是说明兼用线圈的形状的图，(a)是水平剖视图，(b)是垂直剖视图。

图中：

1   兼用线圈装置

1a  芯部

1aa 齿部

1ab 轭部

1b  内侧绕组

1c  外侧绕组

2   铸模

2a  长边

2b  短边

4   浸渍喷嘴

具体实施方式

在上述申请人已经提出的兼用线圈装置中，存在在两个齿部间的有限空间设置的内侧励磁线圈的匝数受到限制，电磁搅拌能力和电磁制动的能力受到限制的情况。本发明通过将外侧绕组与内侧绕组的匝数的关系最佳化，能够确保电磁搅拌性能和电磁制动性能这两方面。

实施例

以下，对于从本发明的设想到解决问题的过程以及用于实施本发明的最佳实施方式进行说明。

如上所述，兼用线圈装置中，与电磁搅拌装置或电磁制动装置所使用的现有的电磁线圈装置不同，存在内侧和外侧两种励磁线圈。而且，内侧励磁线圈中，由于齿部的间隔而使匝数受到限制，而外侧励磁线圈中，空间上具有增加匝数的余量。

因此，内侧励磁线圈与外侧励磁线圈中可以设置的匝数不同，但以前对于上述内侧励磁线圈或外侧励磁线圈的匝数的关系并未考虑。

因此，本发明的发明者们对于使外侧励磁线圈的匝数相对于由于齿部的间隔而受到限制的内侧励磁线圈的匝数变化，对兼用线圈装置的性能造成的影响进行了探讨。

兼用线圈装置的性能中，电磁搅拌能力可以由在熔钢中产生的电磁力所产生的搅拌力来评价。此外，电磁制动性能可以由施加于熔钢的磁通密度的大小来评价。

若增加外侧励磁线圈的匝数，则可以预测作为静磁场工作的电磁制动器的磁通密度单纯增加。但是，通过增加外侧励磁线圈的匝数，与内侧励磁线圈之间产生电力差，则是否会对电磁搅拌带来障碍成为问题。

因此，本发明者们通过进行利用数值解析模拟的电磁场解析，对于使外侧励磁线圈的匝数变化的情况下的搅拌力与磁通密度变化进行了探讨。

图1是表示电磁场解析中的计算模型，(a)图表示整体像的立体图、(b)图表示水平剖视图、(c)图表示垂直剖视图，图中的数字表示该模型各部分的尺寸(mm)。

在铜制铸模2的外侧设置非磁性不锈钢制的支撑板3，使芯部1a的上端与弯月面M为相同的高度。励磁线圈的匝数为：内侧为40～60匝，外侧为40匝～120匝的范围。

在实施电磁搅拌的情况下，施加750A且频率4.0Hz的交流电流。此外，在实施电磁制动的情况下，施加900A的直流电流。

电磁搅拌时的线圈电流相位与特愿2007-150627号公开的电流相位的组合相同。

也就是说，如图2所示，励磁线圈(a)～(c)、励磁线圈(d)～(f)、励磁线圈(g)～(i)、励磁线圈(j)～(l)分别为一个电磁线圈。此外，励磁线圈(a)、(d)、(g)、(j)分别为设置了外侧绕组1c的励磁线圈，所述外侧绕组1c需要将两个齿部1aa归在一起。

而且，将具有励磁线圈(a)～(c)和励磁线圈(d)～(f)的电磁线圈依次配置在铸模2的一侧的长边2a侧。另一侧的长边2a侧的具有励磁线圈(g)～(i)和励磁线圈(j)～(l)的电磁线圈与具有励磁线圈(a)～(c)和励磁线圈(d)～(f)的电磁线圈相对配置。

在如此配置的情况下，如图2所示，以所述励磁线圈地顺序，对在所述各电磁线圈的各齿部1aa上设置了内侧绕组1b的励磁线圈(a)～(l)施加三相交流电中具有120度相位差的各相位U、V及W。图2(a)中，按照励磁线圈(a)～(l)的顺序，依次施加-W、+V、+U、+W、-V、-U、-W、+U、+V、+W、-U及-V。此外图2(b)中，施加-W、+V、+U、-V、+U、+W、+V、-W、-U、+W、-U及-V。

另一方面，在电磁制动时，向两个齿部1aa卷绕的全部三个绕组1b、1c施加相同方向的电流。

图3是表示外侧励磁线圈的匝数和铸模厚度中心处的磁通密度的关系的图。从该图3可知，磁通密度与外侧励磁线圈的匝数成比例地增加。

图4是表示铸模厚度中心处的磁通密度分布的图，(a)图表示内侧和外侧的励磁线圈的匝数为相同的60匝的情况，(b)图表示相对于60匝的内侧励磁线圈使外侧励磁线圈的匝数设为100匝的情况。图4表示由磁通密度的最大值10等分后的等高线。

从该图4可知，即使使外侧励磁线圈的匝数高于内侧励磁线圈的情况下，磁通密度分布也没有大的变化。

本发明的发明者们接着对于使外侧励磁线圈的匝数相对于内侧励磁线圈增加的情况的电磁搅拌能力进行探讨。

图5是表示外侧励磁线圈的匝数与铸模内产生的最大搅拌力的关系的图。从该图5可知，通过增加外侧励磁线圈的匝数可以提高搅拌力。

图6是表示使外侧励磁线圈的匝数变化后的情况的铸模长边附近的搅拌力分布的图。该图6所示的搅拌力分布是熔钢的弯月面位置的距铸模长边5mm的位置处的搅拌力分布，是图7的A-A’位置的长边方向的搅拌力分布。

从该图6可知，使外侧励磁线圈的匝数相对于60匝的内侧励磁线圈减少到40匝的情况下(虚线)，搅拌力在铸模长边的整个区域内降低。另一方面，在使外侧励磁线圈的匝数增加到120匝的情况下(点线)，最大搅拌力增加，但铸模长边左端的反方向的搅拌力变大，搅拌力在铸模中心处变为0以下。

从该搅拌力分布判断可知，在内侧励磁线圈设置目标匝数的情况下，使内侧励磁线圈与外侧励磁线圈的匝数相等的情况为最佳。但是，有时由于齿部的间隔而无法在内侧励磁线圈设置目标匝数。在该情况下，搅拌状况稍许恶化，但若增加外侧励磁线圈的匝数，则能够实现需要的电磁搅拌。

另外，如图1(b)(c)所示，在制作齿部1aa的宽度为140mm、齿部1aa的间隔为140mm的兼用线圈装置时，从数值解析的结果可知，电磁搅拌时需要750A×60Turn的电流。

但是，若在齿部1aa的间隔为140mm的兼用线圈中使用能够施加750A以上的电流的铜管作为励磁线圈的绕组时，没有将内侧励磁线圈形成为60匝的空间，其界限为40匝。

图8是表示熔钢的流速分布的图，实线为将内侧励磁线圈的匝数设为理想的匝数60匝，并将外侧励磁线圈的匝数设为60匝的情况。此外，虚线是将内侧励磁线圈设为比理想的匝数少的40匝，将外侧励磁线圈的匝数设为100(内侧与外侧匝数的比为2.5)的情况。

该图8所示的熔钢的流速为弯月面位置的距铸模长边5mm位置处的值，为图7的A-A’位置的长边方向的值。

从图8可知，在使内侧励磁线圈与外侧励磁线圈的匝数为相等的60匝的情况下(实线)，在铸模长边的大致整个区域内得到10cm/sec以上的流速，可以称为良好的搅拌。

另一方面，在内侧励磁线圈的匝数为40匝，外侧励磁线圈的匝数为100匝的情况下(虚线)，流速在铸模中心处降低到5cm/sec，但得到与内侧和外侧的励磁线圈的匝数为相等的情况相应的流速分布。

图9是表示熔钢的流速分布的图，实线为将内侧励磁线圈的匝数设为比理想匝数少的40匝，并将外侧励磁线圈的匝数设为120匝的情况(内侧与外侧的匝数比为3)的情况(实线)。此外，虚线是将内侧与外侧的匝数设为相等的40匝的情况。

从图9可知，在内侧励磁线圈的匝数比理想的匝数少的情况下，当使外侧励磁线圈的匝数为内侧励磁线圈的三倍时，最大流速增加，但铸模中心的流速降低到0以下。

由此可知，在将外侧励磁线圈的匝数设为内侧励磁线圈的匝数的三倍的情况下，流速在浸渍喷嘴的附近停滞或反转，作为电磁搅拌不合适。

此外，从图9可知，在内侧励磁线圈的匝数比理想的匝数少的情况下，即使使内侧与外侧的励磁线圈的匝数相等，也存在较大的搅拌力不足、流速变为0左右的区域，作为电磁搅拌是不合适的。

由以上探讨结果可知，对于兼用线圈装置中的励磁线圈的匝数，在能够足够确保内侧励磁线圈的匝数的情况下，使内侧和外侧的励磁线圈的匝数相等是最佳的。

另一方面可知，在不能足够确保内侧励磁线圈的匝数的情况下，使外侧励磁线圈的匝数比内侧励磁线圈的匝数多且设为2.5倍以下，对于电磁搅拌是合适的。

此外，对于电磁制动时的磁通密度来说，在外侧励磁线圈为100匝的情况下，为3179Gauss，但在40匝的情况下为2465Gauss，当适用本发明时，作为电磁制动性能可以得到足够的3000Gauss以上的磁通密度。

本发明是基于以上的电磁场解析的结果而实现的，得到足够的电磁搅拌性能和电磁制动性能。

本发明是可兼用作电磁搅拌和电磁制动的铸模内熔钢用的电磁线圈装置，其向配置于铸模长边的外周的电磁线圈通电3相以上的交流电流或直流电流，使电磁搅拌或电磁制动选择性地作用于铸模内的熔钢，并连续铸造钢，所述电磁线圈装置使用以下结构的电磁线圈。

即，将与3相以上的交流电源和直流电源相连的电磁线圈形成为：

从轭部设置两个齿部，

上述各齿部在外侧分别设置内侧绕组，在设置有上述内侧绕组的两个齿部的更外侧设置外侧绕组而归在一起。

此时，在能够足够确保内侧绕组的匝数的情况下，使该外侧绕组的匝数与所述内侧绕组的匝数相等，在内侧绕组的匝数不足的情况下，使外侧绕组的匝数比所述内侧绕组的匝数多，且为2.5倍以下。

而且，将上述电磁线圈在所述各长边上分别配置n个(n为2以上的自然数)，并且，将由所述轭部和齿部构成的磁性体的芯部配置在如下范围内：从弯月面位置向垂直的方向延伸且包括浸渍喷嘴的喷出孔。

上述为本发明的兼用线圈装置。

当然，本发明并不限于上述的例子，只要在本发明的各方式记载的技术思想的范围内可以适当改变实施方式。

例如，交流电流不是3相，只要电流相位差为90度至120度，可以为更多的多相电流。

工业上的可利用性

对于以上的本发明，只要是连续铸造，不管是弯曲型、垂直型等何种方式的连续铸造都可适用。此外，不仅板坯的连续铸造，也可适用于大钢锭的连续铸造。

Claims (2)

1.一种能够兼用作电磁搅拌和电磁制动的铸模内熔钢用的电磁线圈装置，其通过向配置于铸模长边的外周的电磁线圈供给3相以上的交流电流或直流电流，使电磁搅拌或电磁制动选择性地作用于铸模内的熔钢，并连续铸造钢，所述电磁线圈装置的特征在于，

该电磁线圈装置具有电磁线圈和3相以上的交流电源及直流电源，

其中的所述电磁线圈从轭部设置两个齿部，

所述电磁线圈具有如下结构：在所述各齿部的外侧分别设置内侧绕组，并在设置有内侧绕组的所述两个齿部的更外侧设置外侧绕组而归在一起，并且使该外侧绕组的匝数与所述内侧绕组的匝数相等，

将所述电磁线圈在所述各长边上分别配置n个，且n为2以上的自然数，并且，

使由所述轭部和齿部构成的磁性体的芯部从熔钢的弯月面位置起配置在包括浸渍喷嘴的喷出孔的垂直方向的范围内。

2.一种能够兼用作电磁搅拌和电磁制动的铸模内熔钢用的电磁线圈装置，其通过向配置于铸模长边的外周的电磁线圈供给3相以上的交流电流或直流电流，使电磁搅拌或电磁制动选择性地作用于铸模内的熔钢，并连续铸造钢，所述电磁线圈装置的特征在于，

该电磁线圈装置具有电磁线圈和3相以上的交流电源及直流电源，

其中的所述电磁线圈从轭部设置两个齿部，

所述电磁线圈具有如下结构：在所述各齿部的外侧分别设置内侧绕组，并在设置有内侧绕组的所述两个齿部的更外侧设置外侧绕组而归在一起，并且使该外侧绕组的匝数比所述内侧绕组的匝数多且为2.5倍以下，

将所述电磁线圈在所述各长边上分别配置n个，且n为2以上的自然数，并且，

使由所述轭部和齿部构成的磁性体的芯部从熔钢的弯月面位置起配置在包括浸渍喷嘴的喷出孔的垂直方向的范围内。

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