CN103797323B - 用于在金属制造过程中减少漩涡的方法和装置 - Google Patents

用于在金属制造过程中减少漩涡的方法和装置 Download PDF

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Abstract

提出了一种用于在金属制造过程中当从冶金容器（3）底部流出熔融金属时减少熔融金属（21）中的漩涡的形成的方法。该方法包括以下步骤：通过冶金容器（3）中的流出口（17）流出熔融金属（21），并且在利用被应用于冶金容器（3）的时变电磁场进行流出的同时提供在冶金容器（3）中的熔融金属（21）的流动（F），熔融金属（21）的流动使得其在流出期间不断地移动熔融金属（21）中的漩涡（V1,V2,V3,V4,V5）远离流出口区域，从而防止漩涡（V1,V2,V3,V4,V5）的聚积在流出口（17）上形成漩涡。还提出了一种用于执行所述方法的装置（1）。

Description

用于在金属制造过程中减少漩涡的方法和装置
技术领域
本公开总体涉及金属制造过程并且具体涉及在金属制造过程中流出操作期间的漩涡的减少。
背景技术
在金属制造过程中，熔融金属在所述过程的各个阶段期间从诸如电弧熔炉、中间包或钢包之类的冶金容器的流出口被流出。从而，熔融金属被输送到所述过程中的下一个阶段。
当从冶金容器中流出熔融金属时，漩涡的形成通常发生在流出口上面。当漩涡被形成时，熔融物上部的熔渣通过漩涡被转送到流出口下面的下一个冶金容器中。熔渣的转送对金属质量有破坏性的效果。
EP0192991公开了一种操作冶金熔炉的方法，所述冶金熔炉的熔炉容器被提供有至少一个流出口。根据本公开，利用产生作用于熔化物上的电磁场的电磁铁，漩涡在流出口的区域中的熔化物中被抵消。漩涡的形成通过以下方式被抵消，所述方式即控制电磁铁以使得其产生提供相对于熔融金属中的漩涡流动的反向旋转的电磁场。
发明内容
然而，以上利用电磁场在熔融物中产生反旋转运动的方法有很多缺点。例如，难以确定漩涡的旋转速度，这个旋转速度对于确定利用电磁场在熔融物中的正确的反旋转运动来说是必需的。
此外，上述方法被安排为抵消流出口区域中已经形成的漩涡，但是它不防止流出口区域中的漩涡的形成。
鉴于以上问题，本公开的总的目的在于提供一种简化的方法和装置，用于在从冶金容器流出熔融金属期间减少熔融金属中的漩涡的形成。
另一目的在于提供一种方法和装置，用于在从冶金容器流出熔融金属期间防止或至少延迟流出口上漩涡形成的开始。
为此，在本公开的第一方面，提供了一种用于在金属制造过程中从冶金容器底部流出熔融金属时减少熔融金属中的漩涡形成的方法，其中该方法包括：通过冶金容器中的流出口流出熔融金属；并且利用被应用于冶金容器的时变电磁场在进行流出的同时在冶金容器中提供熔融金属流动，所述熔融金属流动使得其在流出期间不断地移动熔融金属中的漩涡远离流出口区域，从而防止漩涡聚积在流出口上形成漩涡。
流出口区域在这里被定义为以流出口的中心轴为中心从流出口沿轴向延伸通过冶金容器的区域。
通过不断地移动熔融金属以使得在熔融金属的体积内自然产生的漩涡不断移动，漩涡不被允许聚积在流出口区域中，即围绕流出口的中心轴的区域。从而，漩涡形成被阻止或者在流出口上形成漩涡的概率至少被减少了。有利地，通过阻止在流出口上形成漩涡，熔融金属上面的熔渣在流出操作期间将不被携带到下一个冶金容器中，因而板坯、小方坯、大方坯或者其它金属产品的金属质量可以被提高。
熔融金属例如可以是熔融的钢、熔融的铝或者熔融的铜。
在一个实施例中，时变电磁场提供冶金容器中的熔融金属的强制对流。因而，代替如EP0192991中所述的提供熔融金属的反旋转运动，熔融金属在流出期间根据冶金容器中的强制对流运动进行移动。
在一个实施例中，熔融金属流横向穿过流出口的中心轴。具体而言，熔融金属在冶金容器中的熔融金属的任意给定深度处沿与流出口的中心轴呈横向的方向流动。因而，在流出口上的熔融金属中的基本任意深度处，熔融金属实质上相对于流出口的中心轴垂直地流动。为此，熔融金属在流出口上的熔融金属中的任意深度处实质上与冶金容器的底面相平行地流动。因而，熔融金属按这样一种方式流动，使得靠近冶金容器的底面，熔融金属被迫使通过流出口快速排出，而靠近熔融金属的表面，熔融金属被不断地输送远离流出口的中心轴并且从而远离流出口区域。从而，在流出口上的任意深度处，熔融金属被移动远离流出口的中心轴周围的区域或者被迫使通过流出口以排出熔融金属。因而，漩涡被输送远离流出口区域，并且因此流出口上的漩涡形成被阻止。
在一个实施例中，熔融金属在冶金容器的底部流向冶金容器的第一内壁部分并且在熔融金属的表面流向与第一内壁部分相对的第二内壁部分。
在一个实施例中，时变电磁场所具有的强度使得熔融金属的流速在0.1-1m/s的范围内。
在一个实施例中，所述流速在0.1-0.6m/s的范围内。通过提供产生在0.1-0.6m/s的范围内的熔融金属流速的时变电磁场，用于例如为用于产生时变电磁场的电磁搅拌器供电的能量可以被节省。具体而言，范围0.1-0.6m/s是比在冶金容器中的熔融物的熔融和搅拌期间电磁搅拌器搅拌熔融金属时所利用的流速更低的流速。
此外，通过向金属及其搅拌提供添加剂，所述更低的流速不会搅乱在例如熔化过程期间所得到的金属混合物，例如钢混合物。
在一个实施例中，时变电磁场由电磁搅拌器提供。
根据本公开的第二方面，提供了一种用于金属制造过程的装置，该装置包括：用于容纳熔融金属的冶金容器，所述冶金容器具有流出口，用于从冶金容器底部流出熔融金属；以及电磁场发射设备，该电磁场发射设备被布置为生成被布置在冶金容器中的熔融金属中的时变电磁场，其中所述电磁场发射设备被布置为在来自冶金容器的熔融金属的流出期间在熔融金属中引入时变电磁场，从而在冶金容器中生成熔融金属的流动，所述电磁场使得所述流动在流出期间不断地移动漩涡远离熔融金属中的流出口区域，从而防止漩涡聚积在流出口上形成漩涡。
在一个实施例中，电磁场发射设备是电磁搅拌器。
在一个实施例中，冶金容器是电弧熔炉。可替换地，冶金容器可以是中间包或钢包。
在一个实施例中，时变电磁场使得其提供冶金容器中的熔融金属的强制对流。
在一个实施例中，时变电磁场使得其提供横向穿过流出口的中心轴的熔融金属的流动。
在一个实施例中，时变电磁场使得其提供在冶金容器的底部流向冶金容器的第一内壁部分并且在熔融金属的表面流向与第一内壁部分相对的第二内壁部分的熔融金属的流动。
在一个实施例中，时变电磁场所具有的强度使得熔融金属的流速在0.1-1m/s的范围内。
在一个实施例中，所述流速在0.1-0.6m/s的范围内。
一般来说，权利要求中所使用的全部术语都将根据其在该技术领域中的常见意思被解释，除非在这里被另外明确定义。所有对“一个元件、装置、组件、方式、步骤等”的引用都将被开放式地解释为指所述元件、装置、组件、方式、步骤等的至少一个实例，除非另外被明确说明。这里所公开的任意方法的步骤不需要按所公开的确切顺序被执行，除非被明确说明。
附图说明
现在将参考附图以示例的方式描述本发明的概念，其中：
图1是用于金属制造的装置的示例的示意性透视图；
图2a是其中在流出期间漩涡被形成在流出口上的冶金容器的顶视图；
图2b是其中已经由冶金容器的流出口上的多个漩涡形成了漩涡的冶金容器的顶视图；以及
图3是在流出期间图1中的装置的示意性透视图。
具体实施方式
下文中将参考其中示出了特定实施例的附图更全面地描述本发明的概念。但是，应当注意这里所公开的冶金容器可以按很多不同的形式来实现并且不应当被诠释为局限于下文中所给出的实施例；相反，这些实施例以示例的形式被提供以使得本公开将是全面且完整的，并且将充分地向本领域技术人员传达本发明的范围。在整个描述中相似的标号指代相似的元件。
冶金容器被用在例如钢或金属作业中的金属生产中。这样的冶金容器可以例如是钢包、电弧熔炉或中间包。下面无论何时被提及，冶金容器都应当被理解为指电弧熔炉、钢包、中间包或者在其底部具有流出口的任何其它耐火冶金容器。
图1示出了用于金属制造的装置1。装置1包括冶金容器3和电磁场发射设备，该电磁场发射设备在下文中示例为电磁搅拌器5。电磁搅拌器5包括线圈装置6、用于操作线圈装置6的频率转换器7和用于控制频率转换器7的控制单元9。电磁搅拌器5被布置在冶金容器3下面。然而，应当注意取决于冶金容器的形状，电磁搅拌器也可以被置于冶金容器的一侧中。
冶金容器3具有分别表示第一和第二内壁部分的壁11-1和11-2。第一和第二内壁部分彼此相对。冶金容器3还具有呈现内部底面15的底部13，以及延伸通过底部13的流出口17。流出口17提供从冶金容器3的内部到其外部的连通开口。流出口17通常被设置为偏离底面15的中心点C，但是在一些实施例中位于中心的流出口也是可以的。流出口17具有沿轴向延伸通过流出口17的中心轴A。
冶金容器3是否被布置为接收废料或熔融金属取决于在金属制造过程中冶金容器3将被用在哪里。如果冶金容器3是电弧熔炉，则其被布置为接收废料以将废料熔化为熔融金属。如果冶金容器3是中间包或者钢包，则其被布置为例如从电弧熔炉接收熔融金属。在任一情况下，熔融金属从冶金容器3中通过底部13中的流出口17被流出。
当从冶金容器3流出熔融金属时，熔融金属通常被导入另一冶金容器19。
在冶金容器3为电弧熔炉的情况下，流出口17在被装载用于熔化的废料时通常被填充有诸如耐火沙之类的耐火材料。结果，由废料的熔化得到的熔融金属被保存在冶金容器3内一直到需要流出为止。当之后对熔融金属的流出要被执行时，耐火材料从流出口17处被移除，从而允许熔融金属从冶金容器3通过流出口17被流出。
在一些变体中，冶金容器3可以是可枢转的，以实现从冶金容器3中流出熔融金属。冶金容器3在被实现为电弧熔炉时可以例如是可枢转的。因而，通过流出口的底部流出可以被实现。
现在将参考图2a和2b简单描述在冶金容器中形成漩涡的原理。
图2a-b示出了容纳熔融金属21的冶金容器3的顶视图。流出口17被显示在图2a和图2b中以简化对漩涡形成过程的理解。在现实中，熔融金属覆盖流出口17并且因而从上面是看不到的。
在从冶金容器3中流出熔融金属21期间，诸如漩涡V1、V2、V3、V4和V5之类的多个漩涡被形成在熔融金属21中。漩涡V1、V2、V3、V4和V5在熔融金属21的体积内向流出口17移动，如箭头23所示。
漩涡V1、V2、V3、V4和V5在围绕图1的中心轴A的区域中聚积在流出口上面。如图2b中所示，聚积的漩涡V1、V2、V3、V4和V5形成更大的漩涡Vtot。漩涡Vtot是不希望有的，因为它将熔渣从熔融金属21的表面带到例如该过程中的下一个冶金容器中。
参考图3，现在将描述阻止或者至少减少在流出口17上形成漩涡Vtot的方法。
图3示出了流出期间的装置1，该装置已在图1中从结构上被描述过。图3中所示出的冶金容器3包含熔融金属21并且流出口17中的耐火材料已被移除以允许熔融金属21的流出。此外，冶金容器3被轻微地转动以便于通过流出口17流出熔融金属21。
控制单元9控制频率转换器7以使得电磁搅拌器5生成被应用于冶金容器3并且生成熔融金属21中的时变电磁场的时变电磁场。该时变电磁场优选为线性电磁场，其引起熔融金属中的线性力。为此，线性电磁场实质上影响冶金容器中的全部熔融金属，即实质上全部熔融金属由线性电磁场所生成的线性力而在冶金容器中被移动。这里，熔融金属中的时变电磁场提供了冶金容器3中的熔融金属21的流动F。该流动F是强制对流类型的流动，在冶金容器3中循环熔融金属21。具体而言，所产生的流动F是非旋转的并且流动F与流出口17的中心轴A成横向或者交叉，从而沿熔融金属21的深度d的上部将熔融金属移离中心轴A，同时推动靠近内部底面15的熔融金属21以通过流出口17排出。因而，流动F使得熔融金属21在冶金容器3的底部13流向冶金容器3的第一内壁部分并且在熔融金属21的表面流向与第一内壁部分相对的第二内壁部分。因而，在熔融金属21的体积中形成的由于通过流出口17的流出而向中心轴A移动的任意漩涡V1、V2、V3、V4和V5不断地被移动远离中心轴A，从而阻止漩涡V1、V2、V3、V4和V5聚积在中心轴A周围的流出口上并且从而阻止诸如图2b的漩涡Vtot之类的聚积漩涡的形成。
熔融金属21中所生成的时变电磁场可以具有使得熔融金属21的流动F的流速大于0.1m/s的强度。在一个实施例中，熔融金属21的流动F的流速可以在0.1-0.7m/s的范围内，并且优选在0.1m/s到0.7m/s以下的范围内。在一个实施例中，熔融金属21的流动F的流速可以在0.1-0.6m/s的范围内。
在其中冶金容器为电弧熔炉的一个实施例中，时变电磁场可以具有与在熔化期间搅拌熔融金属时相同的强度。不过，优选产生比熔化期间搅拌熔融金属时更低的熔融金属的流速。
要由电磁搅拌器5生成并应用于冶金容器3的时变电磁场可以基于要熔化的金属的类型、冶金容器的形状和结构、冶金容器的具体使用（例如作为电弧熔炉、中间包或钢包）或者在熔化期间被添加到金属中的具体成分或者它们的组合通过经验研究来确定。因而，最适合于具体应用的控制方案可以被确定并且在控制单元9中使用以用于控制频率转换器7。
例如当冶金容器3为电弧熔炉时，时变电磁场可以从熔化到流出被连续应用于冶金容器3。在这种情况下，时变电磁场的强度可以针对流出进行调节，如以上所描述的。可替换地，时变电磁场可以实质上与熔融金属21的流出开始同时被应用于冶金容器3。
以上已参考一些实施例主要描述了本发明的概念。但是，如本领域技术人员所容易理解的，如所附专利的权利要求所限定的不同于以上所公开的实施例的其它实施例在本发明的概念的范围内同样是可能的。例如，熔融金属的移动可以通过改变时变电磁场而在冶金容器中从向前流动方向变为向后流动方向。

Claims (11)

1.一种用于在金属制造过程中当从冶金容器(3)底部流出熔融金属(21)时减少所述熔融金属(21)中的漩涡的形成的方法，其中所述方法包括：
经由所述冶金容器(3)中的流出口(17)流出所述熔融金属(21)，并且
利用被应用于所述冶金容器(3)并由电磁搅拌器(5)提供的时变电磁场，在进行流出的同时提供在所述冶金容器(3)中的所述熔融金属(21)的流动(F)，所述电磁搅拌器(5)包括线圈装置(6)，用于操作所述线圈装置(6)的频率转换器(7)和用于控制所述频率转换器(7)的控制单元(9)，其中所述时变电磁场提供所述冶金容器(3)中的所述熔融金属(21)的强制对流，所述熔融金属的所述流动(F)使得其在所述流出期间不断地移动所述熔融金属(21)中的漩涡(V1，V2，V3，V4，V5)远离所述冶金容器(3)的流出口区域，从而防止所述漩涡(V1，V2，V3，V4，V5)的聚积在所述流出口(17)上形成漩涡。
2.根据权利要求1所述的方法，其中所述熔融金属(21)流动横向穿过所述流出口(17)的中心轴(A)。
3.根据前述权利要求中的任一权利要求所述的方法，其中所述熔融金属(21)在所述冶金容器(3)的底部(13)流向所述冶金容器(3)的第一内壁部分，并且在所述熔融金属(21)的表面流向与所述第一内壁部分相对的第二内壁部分。
4.根据权利要求1或2所述的方法，其中所述时变电磁场所具有的强度使得所述熔融金属(21)的流速在0.1-1m/s的范围内。
5.根据权利要求4所述的方法，其中所述流速在0.1-0.6m/s的范围内。
6.一种用于金属制造过程的装置(1)，所述装置包括：
用于容纳熔融金属(21)的冶金容器(3)，所述冶金容器(3)具有流出口(17)，用于从所述冶金容器(3)底部流出所述熔融金属(21)，以及
电磁搅拌器(5)，所述电磁搅拌器(5)被布置为在被布置在所述冶金容器(3)中的熔融金属(21)中生成时变电磁场，
其中所述电磁搅拌器(5)包括线圈装置(6)、用于操作所述线圈装置(6)的频率转换器(7)和用于控制所述频率转换器(7)的控制单元(9)使得在从所述冶金容器(3)流出所述熔融金属(21)期间所述电磁搅拌器(5)产生应用于所述冶金容器(3)并且在所述熔融金属(21)中生成时变电磁场的时变电磁场，从而在所述冶金容器(3)中生成所述熔融金属(21)的流动(F)，其中所述时变电磁场使得其提供所述冶金容器中的所述熔融金属的强制对流，使得所述流动(F)在所述流出期间不断地移动漩涡(V1，V2，V3，V4，V5)远离流出口区域，从而防止所述漩涡(V1，V2，V3，V4，V5)的聚积在所述流出口(17)上形成漩涡。
7.根据权利要求6所述的装置(1)，其中所述冶金容器(3)是电弧熔炉。
8.根据权利要求6-7中的任一权利要求所述的装置(1)，其中所述时变电磁场使得其提供横向穿过所述流出口(17)的中心轴(A)的熔融金属(21)的流动(F)。
9.根据权利要求6-7中的任一权利要求所述的装置(1)，其中所述时变电磁场使得其提供在所述冶金容器(3)的底部(13)朝向所述冶金容器(3)的第一内壁部分并且在所述熔融金属(21)的表面朝向与所述第一内壁部分相对的第二内壁部分的熔融金属(21)的流动(F)。
10.根据前述权利要求6-7中的任一权利要求所述的装置(1)，其中所述时变电磁场所具有的强度使得所述熔融金属(21)的流速在0.1-1m/s的范围内。
11.根据权利要求10所述的装置，其中所述流速在0.1-0.6m/s的范围内。
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