CN103998159B - 用于连续铸造工艺中的熔融金属的流动控制的装置及方法 - Google Patents

Abstract

公开了一种用于连续铸造工艺的装置(7)。该装置(7)包含容器(9a)，所述容器(9a)具有用于将熔融金属接受在容器(9a)中的第一开口(9-1)、用于将熔融金属从容器(9a)排出的第二开口(9-2)、以及在第一开口(9-1)和第二开口(9-2)之间延伸的主体(9b)，附接至主体(9b)的第一磁性装置(10)，所述第一磁性装置(10)具有带有支柱的磁芯(10-1)、和围绕支柱布置的线圈(10-3)，以及配置为向线圈(10-3)中的每一个线圈提供叠加在载流电流上的交流电流的电源系统(16)，提供至线圈(10-3)的交流电流和载流电流的每一对形成流动控制电流，其中提供至邻近线圈(10-3)的流动控制电流相对于彼此移相，由此在容器(9a)内的熔融金属中产生移动磁场。本文还提供有相应的方法。

Description

用于连续铸造工艺中的熔融金属的流动控制的装置及方法

技术领域

本公开总体上涉及金属的连续铸造，并且具体地涉及连续铸造机的容器中的熔融金属的流动控制。

背景技术

在金属连续铸造中，废料在熔炉中熔融，熔炉诸如电弧熔炉。熔融金属通常从熔炉中被分接至铸桶中。铸桶为可移动的容器，并且其将熔融金属输送至另一个容器，中间罐，其用作中间存储容器。熔融金属从中间罐被分接至模具中。

图1示出了包含有熔融金属3a的容器5的示意性横截面侧视图。初始流1a产生于包含在容器5中的熔融金属3a中，其大体上具有铸造方向上的流动方向。此外，还产生了次生流1b，其流向弯液面3b，即熔融金属3a的表面。

初始流和次生流可以在诸如模具的容器中产生，例如由于容器的竖直振荡O。振荡防止了固化的铸造材料粘附在内模具壁。熔融金属中的移动会在铸造方向上输送的熔液中产生气泡和杂质。因此，优选地在铸造过程中控制熔融金属，例如通过磁场的方式，由此上述问题得以减少。

EP1172158公开了用于金属连续铸造的方法和装置。在该文献中，多个线圈布置在铸造模具中，使得熔融金属流可以被适当地控制。使用多个线圈以用于在熔液中提供静止以及动态的磁场。

EP1623777公开了一种用于钢的连续铸造方法。至少三个电磁体沿着模具的纵向方向设置。当电磁体产生振动的磁场，振动磁场的峰值位置在模具的纵向方向上偏移。

JP10305353公开了一种用于钢的连续铸造工艺，其包括将磁极布置在模具的长侧的后面处作为上部和下部两个阶梯，以将模具的长侧放置在浸渍喷嘴的排出孔的上侧和下侧，并通过对磁场加载来控制模具中的熔融钢的流动。形成由磁极加载的磁场从而使得至少由下部磁极加载的磁场为由直流电流静止磁场(DC-StMF)叠加的磁场；并且交流电流偏移磁场(AC-ShMF)或者由上部磁极加载的磁场为由DC-StMF和AC-ShMF叠加的磁场，并且由下部磁极8加载的磁场为DC-StMF。

JP5154623公开了一种用于控制模具中的熔融钢流的方法。用于电磁搅拌的三相线圈被布置到连续铸造模具，并且每一相中周期性变化的导通电流值的DC电流和每一相中电流变化值的相偏移120度角度。

EP1510272公开了一种用于制造特低碳钢板的方法。具有约0.01质量百分比或更低的碳含量的特低碳钢板由使用设置有铸造空间和浸入式喷嘴的模具以大于约2.0m/min的铸造速度来制造，其中所述铸造空间具有约150到240mm的短侧长度D，所述浸入式喷嘴设置有排出喷口，每一个排出喷口具有横向宽度d，比率D/d在从约1.5到约3.0的范围内。

WO2008/004969公开了一种用于控制模具中的熔融钢的流动的方法，其通过将至少一个磁场施加到连续板铸造机器中的熔融钢。这是通过包括以下实现的，即通过当弯液面上的熔融钢流速高于保护渣分离临界流速时施加静止磁场以将稳定和制动力给予来自浸入式喷嘴的排出流，以及通过由当弯液面上的熔融钢流速低于杂质粘附临界流速时施加偏移的磁场以增加熔融钢流速而将弯液面上的熔融钢流速控制在从杂质粘附临界流速或更高到保护渣分离临界流速或更低的范围，来将熔融钢液面、弯液面上的熔融钢流速控制到预定的熔融钢流速。

GardinP等人的“CCélectromagnétiquedebrames:développementdemodèlesnumériquedelaconfigurationAC+DCenlongotiére/Electromageticcastingofslabs:DevelopmentofnumbericalmodelsforanAC&DCconfigurationinthemould”公开了一种电磁连续铸造板的新概念，其中具有中间范围频率的交流磁场(AC)与模具弯液面附近的连续磁场(DC)相结合。

发明内容

本公开的总体目标是提供一种装置及方法，其可减少用于连续铸造工艺的装置大小和重量中的至少一个。

此外，希望提供一种比现有技术更廉价的装置。

根据本公开的第一方面，提供一种用于连续铸造工艺的装置，该装置包括：容器，所述容器具有用于将熔融金属接收在容器中的第一开口、用于将熔融金属从容器中排放的第二开口、以及在第一开口和第二开口之间延伸的主体；附接至主体的第一磁性装置，该第一磁性装置具有带有支柱的磁芯、以及围绕支柱布置的线圈；以及配置为提供交流电流和载流电流的电源系统到线圈中的每一个，该交流电流被叠加在载流电流上，被提供至线圈的交流电流和载流电流的每一对形成流动控制电流，其中被提供至邻近线圈的流动控制电流相对于彼此移相，由此在容器的熔融金属中产生移动磁场。

通过上述结构的电源系统，电源系统能够传递合适类型的其上叠加有交流电流的载流电流，就这一意义而言，第一磁性装置成为混合电磁体。

如下面将参照一些具体的实施例所描述的，载流电流可以是交流电流或直流电流。因此，通过单个磁性装置就可以由磁性装置的每个线圈提供AC和DC两种分量，以控制容器中的熔融金属流。因此不再需要专门的DC电磁体，就像现有技术中在外部模具表面处水平布置有一个AC馈送和一个DC馈送电磁体。

根据一个实施例，第一磁性装置具有第一磁性部和第二磁性部，第一磁性部和第二磁性部在主体的相对侧面上水平布置。由此磁场可以横跨容器的水平横截面延伸。

根据一个实施例，容器具有第一长侧和与第一长侧相对并与其间隔的第二长侧，其中第一磁性部沿着第一长侧布置并且第二磁性部沿着第二长侧布置。

根据一个实施例，容器具有第一侧，其设置有第一开口，并且其中第一磁性装置的支柱被布置在与第一侧具有轴向距离d的位置处，该距离d大于当熔融金属被接受在容器中时到熔融金属的弯液面的距离，并且小于或等于熔融金属被浸入式入口管嘴排放至容器中时的距离。次生流的湍流主要位于容器中熔融金属对应于这一范围或间隔的流量内。因此，对次生流最有效的流动控制能够在该范围内获得。

根据一个实施例，该装置包括附接于主体布置的第二磁性装置，其中电源系统被布置为利用直流来对第二磁性装置馈电。因此，第二装置对容纳在容器中的熔融金属提供了静止的磁场。特别地，第二磁性装置可以对初始流提供有效的制动力。

根据一个实施例，第一磁性装置被布置在相对熔融金属的流动方向的第二磁性装置的上游，所述流动方向限定为从第一开口到第二开口。由此，次生流主要由第一磁性装置控制，并且初始流主要由第二磁性装置通过制动动作来控制。

根据一个实施例，每一个载流电流为直流电流。因此，每一个线圈成为产生静止磁场和交变磁场的混合线圈，同时形成移动磁场的一部分。

根据一个实施例，电源系统被配置为对第一磁性部的至少两个线圈提供具有相互不同极性的载流电流。因此，熔融金属中如水平横截面的场强可以被局部地控制，尤其是与第二磁性装置提供的静止磁场相结合。

根据一个实施例，电源系统被配置为对第一磁性部的每个线圈提供具有相同极性的载流电流。因此，熔融金属中的场强可被局部地控制，尤其是与第二磁性装置提供的静止磁场相结合。

根据一个实施例，每个载流电流均为交流电流。因此，交流电流被叠加至交流电流载流电流中。这在控制熔融金属的特殊情形中是所期望的。

根据一个实施例，容器是铸造模具。然而，容器还可以是铸桶或中间罐。

在本公开的第二方面中，提供有一种对用于连续铸造工艺的容器中的熔融金属进行流动控制的方法，该容器具有用于接受熔融金属的第一开口、用于排放熔融金属的第二开口、以及在第一开口和第二开口之间延伸的主体，其中第一磁性装置附接至主体，该第一磁性装置具有带有支柱的磁芯，以及围绕支柱布置的线圈，该方法包括：提供交流电流和载流电流至线圈中的每一个线圈，该交流电流被叠加在载流电流上，被提供至线圈的交流电流和载流电流的每一对形成流动控制电流，其中被提供至邻近线圈的流动控制电流相对于彼此移相，由此在容器的熔融金属中产生移动磁场。

一个实施例包含测量关于熔融金属的参数，并且基于所测量的参数控制流动控制电流。因此，基于容器中熔融金属的具体状态，控制初始流和次生流的流动控制电流得以控制。

根据一个实施例，该控制包含控制至少一个流动控制电流的相位和幅度中的任一项。

根据一个实施例，每个载流电流为直流电流。

总体上，根据技术领域中的普遍含义来诠释权利要求中使用的所有术语，除非本文另外明确指出。所有的参照“一/一个/所述元件、装置、部件、设备、步骤、等等”被开放地解释为指代元件、装置、部件、设备、步骤、等等中的至少一个实例，除非另外明确指出。需要注意的是，尽管本文列出方法的步骤通过序号进行了指代，例如特殊的步骤可成为“第一步”，但是本文公开的任何方法的步骤不必以公开的精确顺序执行，除非明确指出。

附图说明

现在通过示例，参照附图来描述本公开的具体实施例，其中：

图1示出了铸造模具中熔融金属流动方向的示意图；

图2a示出了用于连续铸造工艺的装置实例的侧视图；

图2b示出了图2a中实例的顶视图；

图3示出了装置在使用时的侧视图；以及

图4a-b示出了用于装置的电源系统结构。

具体实施方式

现在参照附图，将在下文更加完整的描述本公开，附图中列举了所示实施例。然而，本公开可以多个不同的形式实施并且不应当限制于本文列举的实施例；相反，这些实施例是通过举例的方式列出，使得本公开全面而完整，并且将对所属领域技术人员更加全面地传达出本公开的范围。通篇的说明书中相同的附图标记指代相同的元素。

图2a是用于铸造金属的连续铸造工艺的装置7的侧视图，该金属例如钢、铜或铝。装置7包含具有主体9b的容器9a，主体9b被提供有第一开口9-1和第二开口9-2。主体9b可以具有呈现外部表面9d的外部结构9c，以及例如包含铜的内部板9e。当容器9a容纳熔融金属时，该熔融金属通常与内部板9e接触。

图2a中的容器9a为用于铸造例如铁板或钢坯的铸造模具。然而要注意，容器还可以是铸桶，中间罐或任何其它在连续铸造工艺中使用的容器并且熔融金属可以穿过其中流动。

装置7进一步包含第一磁性装置10，其具有第一磁性部10a和第二磁性部10b。如图2b所示，第一磁性部中的每一个具有带有支柱10-2的磁芯10-1以及线圈10-3。每个线圈10-3围绕各自的支柱10-2绕制。

第一磁性装置10的第一磁性部10a和第二磁性部10b被水平布置在主体9b的相对侧上。使用时，容器9a一般布置为使得第一开口9-1和第二开口为在竖直方向上的开口。由此，熔融金属能够经由第一开口9-1进入到容器9a中，流过容器9a，并且在重力的作用下经由第二开口9-2从容器9a引出或排出。在容器为模具的情况下，该排出部通常称为挤出口。因此，使用时，第一磁性部10a和第二磁性部10b被布置基本上在主体9b相同的竖直平面上。

在优选实施例中，第一磁性部10a和第二磁性部10b的磁芯10-1每一个均由层叠铁芯构成。第一磁性部10a和第二磁性部10b的磁芯10-1可被附接至主体9b。特别地，在一个实施例中，磁芯10-1的支柱10-2可邻接内部板9e。

装置7可进一步包括第二磁性装置13。第二磁性装置13包含第一磁性部13a和第二磁性部13b。第二磁性装置13的第一磁性部13a和第二磁性部13b中的每一个包含设置有支柱的磁芯13-1，以及围绕支柱绕制的线圈。磁芯13-1优选为实心铁芯，但是在一个实施例中可包含层叠铁芯。

在一个实施例中，第一磁性装置10的第一磁性部10a通过磁轭14a磁性地连接至第二磁性装置13的第一磁性部13a。在一个实施例中，第一磁性装置10的第二磁性部10b通过磁轭14b磁性地连接至第二磁性装置13的第二磁性部13b。然而，也可设想多种不同的配置，来取代上述的磁轭结构，第一磁性装置10的第一磁性部10a和第二磁性部10b可通过磁轭连接。因此，第二磁性装置13的第一磁性部13a和第二磁性部13b可通过磁轭连接。此外，不具备磁轭连接的结构在本公开的范围内在是可能的。

装置7进一步包括电源系统16，其布置为用电流为第一磁性装置10和第二磁性装置13的线圈馈电。要注意的是，电源系统可包括独立的供电单元，其包含在大体相同的电源系统中，例如用于对第一磁性装置和第二磁性装置馈电。

电源系统16被配置为向第一磁性装置10的线圈中的每一个提供叠加在载流电流上的交流电流。由此形成并提供至每个线圈的电流在本文中被称为流动控制电流。流动控制电流以这样的方式移相，即提供至线圈的任意相邻对的流动控制电流相对于彼此移相。因此，在容器9a中可以获得移动磁场。该移动磁场对容器9a中的熔融金属提供了搅动效果。因此，熔融金属中主要由次生流产生的湍流得以减小。

根据一个实施例，提供至第一磁性装置10的线圈10-3的载流电流为直流电流。因此，第一磁性装置10的每个线圈10-3用作混合线圈，所述混合线圈提供了静止磁场以及有助于同时在容器9a的熔融金属中形成移动磁场。

根据一个实施例，提供至第一磁性装置10的线圈10-3的载流电流为交流电流。

在一个实施例中，载流电流是直流电流和交流电流的混合体，即，针对某些线圈的载流电流为直流交流并且针对某些线圈的载流电流为交流电流。由此，可以获得熔融金属的复合流动控制。

电源系统16可以进一步被配置为向第二磁性装置13的每个线圈提供直流电流(DC)。提供至第二磁性装置13的直流电流是单纯的直流，即其上没有叠加其它的信号。因此，第二磁性装置13仅产生静止磁场。

图2b是图2a中装置的顶视图。容器9a具有第一长侧17-1和第二长侧17-2，并且第二长侧17-2与第一长侧17-1相对并间隔开。第一磁性部10a沿着第一长侧17-1布置并且第二磁性部10b沿着第二长侧17-2布置。在现有的实例中，第一磁性装置10在其第一磁性部10a和第二磁性部10b中的每一个中都具有八对支柱11-2和线圈11-3。支柱和线圈的数量通常取决于第一长侧和第二长侧的宽度。

图3是连续铸造期间装置7的示意侧视图。容器9a填充有熔融金属19。熔融金属19经由中间罐或铸桶23的浸入式入口管嘴(SEN)被排入到容器9a中。因此，SEN21浸入在容器9a中的熔融金属19中。熔融金属19经由SEN21的排放开口21a从SEN21被排入到容器9a中。本文中的熔融金属19的表面指的是弯液面19-1。

容器9a具有第一侧9f，所述第一侧9f设置有用于接受熔融金属19的第一开口9-1。因此，当容器9a在使用时，第一侧9f通常是容器9a的上侧。

根据一个实施例，第一磁性装置10的支柱11-2被布置在与第一侧9f具有轴向距离d的位置处。支柱11-2优选地与容器9a的轴向正交布置。在一个实施例中，支柱的中心被布置在与第一侧9f隔开距离d的位置处。距离d大于从第一侧9f到包含在容器9a内的熔融金属弯液面19-1平面的距离。距离d优选地小于或等于在熔融金属19经由SEN21被排入到容器9a中的位置处与第一侧9f隔开的距离。支柱11-2可以被布置在该范围内的任意位置，以通过第一磁性装置10获取熔融金属19中有效的次生流。因此，支柱优选地被布置在径向朝外的位置，浸入式入口管嘴从该位置被浸入到容器9a中的熔融金属19中。

第一磁性装置10相对于熔融金属19的流动方向C布置在第二磁性装置13的上游，该流动方向被限定为从第一开口9-1至第二开口9-2。

参照图4a至4b，示出了线圈10-3的电源连接结构的两个实例的示意图。为了简单起见，在图4a-b中仅示出了例如第一磁性部的线圈10-3a至10-3h。根据图4a-b中的实例，所示磁性部的磁芯具有8个线圈。然而，根据本公开的磁芯可在不同的实施例中具有任意数量的线圈，例如6、8、9、10、或12个线圈。

在图4a中，电源系统16具有功率变换器23-1和23-2，以用于向线圈10-3a至10-3h中的每一个提供叠加在载流电流上的交流电流。邻近线圈之间的移相例如可以是45或90度。因此，根据一个实例，其中邻近线圈之间的相位差为90度，线圈10-3a具有0度相角，线圈10-3b具有90度相角，线圈10-3c具有180度相角，线圈10-3d具有270度相角，线圈10-3e具有0度相角等等。箭头示出了载流电流的极性，该实例中的载流电流为直流。在图4a的实例中，邻近的线圈成对地利用相同极性的直流馈电。线圈对被馈电，使得一个线圈由变换器23-1馈电且另一个线圈由变换器23-2馈电。末端的线圈10-3a和10-3h具有相同的极性。因此，电源系统16配置为向第一磁性部的线圈中的至少两个提供具有相互不同极性的载流电流。

要注意的是，载流电流和交流电流的极性与相位的相应的多种变化在权利要求提供的范围内是可能的。

总体上，以叠加的方式提供至线圈的具体交流电流和载流电流取决于容器9a内熔融金属的状态以及由铸造管，例如SEN21，提供的熔融金属的流动速率。为此目的而使用带有传感器和控制器的控制系统。该传感器例如可以布置在SEN21处或在容器9a的内壁处。传感器被布置用于测量关于熔融金属的一个或多个参数，例如容器9a的板9e的温度，以及提供至容器或弯液面平面的熔融金属的流动速率。基于所测量的一个参数或多个参数来控制流动控制电流。流动控制通常包括控制提供至线圈的至少一个流动控制电流的相位和幅度中的任一个。在一个实施例中，交流电流和载流电流中的任一个可以单独地被控制以用于每一个线圈。

在图4b中，示出了另一个电源结构。在该实例中，电源系统16被配置为向第一磁性部的每个线圈10-3a至10-3h提供具有相同极性的载流电流。在图4b的特定实例中，为此目的使用了四个变换器23-1,23-2,23-3和23-4。

已经参照一些实施例描述了本公开。然而，正如所属领域技术人员容易知晓地，上述已经公开的实施例以外的其它实施例同样落入在本公开的范围内，如由附加的权利要求所限定。

Claims (12)

1.一种用于连续铸造工艺的装置(7)，所述装置(7)包括：

容器(9a)，所述容器具有用于将熔融金属(19)接收在所述容器(9a)中的第一开口(9-1)、用于将所述熔融金属(19)从所述容器(9a)排出的第二开口(9-2)、以及在所述第一开口(9-1)和所述第二开口(9-2)之间延伸的主体(9b)，

第一磁性装置(10)，所述第一磁性装置附接至所述主体(9b)，所述第一磁性装置(10)具有带有支柱(10-2)的磁芯(10-1)、和围绕所述支柱(10-2)布置的线圈(10-3)，

电源系统(16)，所述电源系统被配置为向所述线圈(10-3)中的每一个线圈提供交流电流和载流电流，所述交流电流叠加在所述载流电流上，提供至所述线圈(10-3)的交流电流和载流电流的每一对形成流动控制电流，其中提供至邻近线圈的流动控制电流相对于彼此移相，由此在所述容器(9a)中的熔融金属(19)中产生移动磁场，以及

附接至所述主体(9b)的第二磁性装置(13)，其中所述电源系统(16)被布置为使用其上未叠加其他信号的直流电流对所述第二磁性装置(13)馈电，

其中所述第一磁性装置(10)相对所述熔融金属(19)的流动方向(C)布置在所述第二磁性装置(13)的上游，所述流动方向(C)被限定为从所述第一开口(9-1)到所述第二开口(9-2)，

所述容器(9a)具有设置有所述第一开口(9-1)的第一侧(9f)，并且其中所述第一磁性装置(10)的所述支柱(10-2)布置在从所述第一侧(9f)具有轴向距离d处，所述距离d大于当熔融金属被接收在所述容器(9a)中时与熔融金属的弯液面(19-1)水平的距离，并且小于或等于所述熔融金属被浸入式入口管嘴(21)排入至所述容器中时的距离。

2.根据权利要求1所述的装置(7)，其中所述第一磁性装置(10)具有第一磁性部(10a)和第二磁性部(10b)，所述第一磁性部(10a)和所述第二磁性部(10b)在所述主体(9b)的相对侧上水平布置。

3.根据权利要求2所述的装置(7)，其中所述容器(9a)具有第一长侧(17-1)和相对第一长侧(17-1)并与其间隔的第二长侧(17-2)，其中所述第一磁性部(10a)沿着所述第一长侧(17-1)布置，并且所述第二磁性部(10b)沿着所述第二长侧(17-2)布置。

4.根据前述权利要求中的任一项所述的装置(7)，其中每一个载流电流均为直流电流。

5.根据权利要求4所述的装置(7)，其中所述电源系统(16)被配置为向所述第一磁性部(10a)的所述线圈(10-3)中的至少两个线圈(10-3)提供具有相互不同极性的载流电流。

6.根据权利要求4所述的装置(7)，其中所述电源系统(16)被配置为向所述第一磁性部(10a)的每一个线圈(10-3)提供具有相同极性的载流电流。

7.所述权利要求1-3中的任一项所述的装置(7)，其中每一个载流电流均为交流电流。

8.根据前述权利要求中的任一项所述的装置(7)，其中所述容器(9a)是铸造模具。

9.一种在连续铸造工艺中用于对容器(9a)中的熔融金属(19)进行流动控制的方法，所述容器(9a)具有用于接收所述熔融金属(19)的第一开口(9-1)、用于排放所述熔融金属(19)的第二开口(9-2)、以及在所述第一开口(9-1)和所述第二开口(9-2)之间延伸的主体(9b)，其中第一磁性装置(10)被附接至所述主体(9b)，所述第一磁性装置(10)具有带有支柱(10-2)的磁芯(10-1)，以及围绕所述支柱(10-2)布置的线圈(10-3)，被配置为向所述线圈(10-3)中的每一个线圈提供交流电流和载流电流的电源系统(16)，附接至所述主体(9b)的第二磁性装置(13)，其中所述电源系统(16)被布置为使用其上未叠加其他信号的直流电流对所述第二磁性装置(13)馈电，并且其中所述第一磁性装置(10)相对所述熔融金属(19)的流动方向(C)布置在所述第二磁性装置(13)的上游，所述流动方向(C)被限定为从所述第一开口(9-1)到所述第二开口(9-2)，所述容器(9a)具有设置有所述第一开口(9-1)的第一侧(9f)，并且其中所述第一磁性装置(10)的所述支柱(10-2)布置在从所述第一侧(9f)具有轴向距离d处，所述距离d大于当熔融金属被接收在所述容器(9a)中时与熔融金属的弯液面(19-1)水平的距离，并且小于或等于所述熔融金属被浸入式入口管嘴(21)排入至所述容器中时的距离，

所述方法包括：

提供交流电流和载流电流到所述第一磁性装置(10)的每一个线圈(10-3)，所述交流电流被叠加在所述载流电流上，被提供到线圈(10-3)的交流电流和载流电流的每一对形成流动控制电流，其中被提供到邻近线圈(10-3)的流动控制电流相对于彼此移相，由此在所述容器(9a)的所述熔融金属(19)中产生移动磁场。

10.根据权利要求9所述的方法，包括测量关于所述熔融金属(19)的参数，并且基于所测量的所述参数来控制所述流动控制电流。

11.根据权利要求10所述的方法，其中所述控制包括控制至少一个流动控制电流的相位和幅度中的任一项。

12.根据权利要求9-11中任一项所述的方法，其中每一个载流电流均为直流电流。