CN104972085A - 一种连铸设备 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种连铸设备，包括模具、喷嘴和在模具上方且围绕喷嘴设置的电磁搅拌器，所述搅拌器包括绕喷嘴沿周向延伸的磁性材料制成的芯体(7)和缠绕在所述芯体(7)上的多个绕组(10)。绕组(10)在沿芯体(7)的周向看去时被缠绕在芯体(7)的截面上。
Description
本发明是申请日为2009年5月27日、申请号为200910203110.7、名称为“一种连铸设备”的中国专利申请的分案申请。
技术领域
本发明涉及一种连铸设备，其包括模具、喷嘴和在模具上方围绕喷嘴设置的电磁搅拌器，所述搅拌器包括绕喷嘴沿周向延伸的磁性材料制成的芯体和缠绕在所述芯体上的多个绕组。
本发明还涉及一种用于金属铸造的连铸工艺，其中通过管状喷嘴将金属提供给模具，并且其中通过向管状喷嘴施加电磁场来搅拌流过管状喷嘴的金属，所述电磁场是利用搅拌器产生的，搅拌器包括绕喷嘴沿周向延伸的磁性材料制成的芯体和缠绕在所述芯体上的多个绕组。
背景技术
金属例如铁基合金譬如钢的连铸是公知技术。在这样的铸造期间，所讨论的合金的熔体被从中间罐通过管状喷嘴倒入竖直地设置在中间罐下方的模具内。
通常，为了多种目的而将氩气在喷嘴上部喷入喷嘴内的熔体中，其中一个目的是影响熔体通过喷嘴的流动特性并由此防止熔体堵塞喷嘴的内部周边。氩气随后和金属一起离开喷嘴。但是，氩气在进入模具内的熔体中时的动作使其可能会存留在熔体内并构成由模具内的所述熔体连续成型的铸坯(strand)内的夹杂物或下渣。
在氩气喷射不存在时，金属堵塞喷嘴的内部周边的趋势会更加明显。但是即使存在这样的喷射气体，也仍有一定可能会造成金属堵塞。
为解决该问题，例如由WO2005/002763公开的现有技术提出为了搅拌流过喷嘴的金属而使用电磁搅拌器。WO2005/002763中提出的搅拌器包括环形铁芯，其具有沿径向向内朝向喷嘴延伸的磁极，以及缠绕在所述磁极上的绕组。利用所提出的搅拌器产生的旋转磁场将促使对喷嘴内的熔体进行搅拌。由于离心力将把更加稠密的金属集中到熔体的径向外周部分，因此氩气就会更加集中到喷嘴内的熔体中心。这样又会导致更加集中的氩气气流离开喷嘴并有可能被引至残留在模具内的熔体的上表面。由此，由存留在熔体内的氩气造成的夹杂物或下渣就产生得更少。而且，熔体在喷嘴内部周边的螺旋状流动路径进一步防止了堵塞。但是，金属通过喷嘴的流速为高速，因此所提出的设计可能不足以在熔体内感生足够强的磁场以用于获得完全满意的结果。用于喷嘴周围的磁极的空间由于喷嘴相对较小的直径而受到限制，并且不言而喻的是，为了对熔体具有强作用，磁极应该尽可能靠近熔体。
发明内容
本发明的一个目的是提供一种如说明书开始部分限定的连铸设备，其设计允许在流过喷嘴的熔体内产生足够强的电磁场以克服上述问题。
本发明的另一个目的是提供一种连铸设备，其设计可以实现电功率到喷嘴内的熔体所承受的搅拌力的有效转换。
本发明的目的通过说明书开始部分限定的连铸设备实现，其特征在于，所述绕组在沿芯体的周向看去时被缠绕在芯体的截面上。换句话说，芯体绕喷嘴沿周向延伸，而绕组也就是其电极相对于喷嘴的纵向轴线大致上沿径向缠绕。由于这种设计不需要使用构成伸向喷嘴的磁极的径向齿(这样的齿将会变得磁饱和以使它们会抑制在喷嘴内的熔体中产生足够强的磁场)，所以这种设计比现有技术中的设计更加有效。另外，本发明的设计将容许非常紧凑和有效的搅拌器。
根据一种实施方式，所述绕组大致覆盖芯体的径向内部周边。由此，即可达到可能的最佳效率。应该理解，绕组的单根导线都被设有绝缘层，以防止不同电相位的绕组之间的电干扰或短路。
根据一种优选的实施方式，绕组在喷嘴的直径上对置的侧上限定相反的磁极。由此，即可实现磁场直接穿过喷嘴内的熔体中心。应该理解，优选实施方式包括六个绕组，构成三对磁极，每对用于三相电力系统的一个相位。但是，本发明并不排除其他的设计。
根据进一步的实施方式，构成所述相反的磁极的绕组连接至交流电源，该交流电源向所述绕组供应频率至少为70Hz的交流电。由搅拌器在喷嘴内的熔体上产生的转矩取决于向每个相位的磁极提供的频率。一直到大约100Hz的某个确定频率，转矩都是增加的。因此优选的是频率应高于50Hz或60Hz的额定电功率分布频率。优选地，构成所述相反的磁极的绕组连接至向所述绕组供应频率至少为90Hz的交流电的交流电源。优选地，该频率低于120Hz，或者甚至低于110Hz。这些数值在磁场的转速明显高于通过喷嘴的熔体的流速并且喷嘴内径或喷嘴内部周边的相对部分之间的距离处于50-150mm的范围内的前提下是有效的。
根据优选实施方式，铸造设备包括中间罐，喷嘴由该中间罐延伸至模具，其中搅拌器具有与中间罐和模具之间的距离相对应的沿纵向的长度。换句话说，为了容许尽可能高的效率，搅拌器被这样设置以利用中间罐和模具之间的所有可用空间。
根据进一步的实施方式，铸造设备包括冷却回路，该冷却回路包括设置在搅拌器的内部周边和喷嘴的外部周边之间的导电材料制成的多个冷却元件，所述冷却元件相对于喷嘴的纵向横向地延伸并且在相邻的冷却元件之间沿所述纵向留有间隔。喷嘴内的熔体具有比在模具内时更高的高温。因此，应考虑从内侧冷却搅拌器。为了防止在冷却元件内产生可能会严重影响在喷嘴内的熔体中感生的电磁场强度的感应电流，这些元件应该被分隔开以使其在喷嘴的纵向也就是与电流流过冷却元件附近的绕组的相同方向上是不连续的。
根据优选实施方式，所述冷却元件包括金属管，冷却液流过所述管。优选地，管被互相连接并遵循围绕喷嘴的至少一部分的曲折路径。
优选地，铸造设备包括设置在相邻的冷却元件之间的所述间隔内的至少一个电绝缘元件。这样的绝缘元件将防止在相邻的冷却元件之间产生任何的短路。优选地，电绝缘元件还可以是热绝缘的，以防止搅拌器也就是绕组及其芯体过热。
根据一种实施方式，铸造设备包括设置在搅拌器外侧的导电材料制成的护罩。这样的护罩将会阻止磁场沿远离熔体的方向扩展。由此，使得为实现对喷嘴内的熔体的预定搅拌所需的能量也就是电功率更少，因为所用能量的更多部分实际上都将用于产生穿过熔体的磁场。
优选地，所述护罩包括设置在搅拌器径向外侧上的至少一块板。优选地，所述板确定了围绕搅拌器从其一端区域沿喷嘴的纵向连续地延伸至其另一端的侧板。由此，在远离熔体的径向上实现对磁场可能的最佳阻尼。该板的优选材料是铜。
根据进一步的实施方式，所述护罩包括靠近搅拌器的纵向端部并与所述纵向端部相对设置的至少一块板。由于来自搅拌器的磁场也会试图沿远离搅拌器的纵向扩展，并且这样的磁场部分不会对熔体的搅拌做出任何贡献而只会导致更高的能耗，因此建议在搅拌器的纵向相对的两端都设置阻尼板。类似于所有侧板，这些端板都应该用导电材料例如铜制成。
本发明的目的还可以通过说明书开始部分限定的连铸工艺实现，其特征在于，所述绕组在沿芯体的周向看去时缠绕在芯体的截面上，并且向所述绕组供应电流。应该理解，根据本发明的工艺的优选实施方式可以利用与这里提出的其任意的实施方式相一致的连铸设备实现。
本发明其它特征和优点将在以下对本发明连铸设备的优选实施方式的详细说明中给出。
附图说明
以下，将参照附图通过例子的方式描述本发明的一种实施方式，在附图中：
图1是根据本发明的连铸设备的侧剖视图，
图2是根据本发明的电磁搅拌器的透视图，
图3是根据图4中的III-III，在沿穿过图2中所示的电磁搅拌器的一部分的周向看去时的剖视图，和
图4是图2和图3中所示的电磁搅拌器的一部分的俯视图。
具体实施方式
图1示出了根据本发明的连铸设备1。连铸设备1包括中间罐2、模具3、从中间罐2延伸至模具3的管状喷嘴4和围绕喷嘴4设置的电磁搅拌器5。铸造设备1用于铸造金属，优选地用于铸造铁基合金例如钢。因此，熔融金属被连续地从中间罐2通过喷嘴4供应到模具3。熔融金属以大于1m/s，优选地在1-3m/s范围内的速度行进通过喷嘴4，从中间罐2到模具3的距离小于1m，通常<0.4m，或者甚至<0.3m。因此，搅拌器5沿其纵向的高度受到所述元件的限制，并且可能低至<0.3m。喷嘴4的宽度为50-150mm。这里，喷嘴4具有圆形的截面。围绕模具3还设有电磁搅拌器6，其以本身公知的方式作用在模具内的熔体上。增设的电磁搅拌器6对于这种类型的设备来说是公知的附件并因此仅在本文中简要地提及。
模具3被设置成在铸造过程期间执行短距离的竖直往复动作。一段部分地固化的金属(固化部分在图1中用27表示，熔融部分用28表示)随着铸造过程的进行连续地离开模具3中的下部开口。
围绕喷嘴4设置的电磁搅拌器5包括大致为圆柱形的芯体7(参见图2-4)，其优选地由铁制成。芯体7包括多个部分，所述多个部分一起共同形成圆形或环形，从截面的俯视图(参照图4)可以看出该圆形或环形具有大致为圆形的外周边和大致为圆形的内周边。每个部分包括多块板，所述多块板具有沿径向，也就是水平地垂直于搅拌器5的纵向的主伸展平面。利用垂直于板的主伸展平面延伸的螺栓25连接单个芯体部分的板(参见图3，但是其中没有示出单独的板)。在螺栓25的端部设有电绝缘元件26，通过该元件使螺栓25和绕组之间电绝缘，这将在下文中进一步予以说明。芯体还可以设有用于将其相对于所述绕组电绝缘的电绝缘介质。通常，芯体7的截面在沿喷嘴的纵向以及相应地沿搅拌器5的纵向看去时，对应于管状喷嘴4的截面。如图2中所示，搅拌器可以被划分为两部分，这两部分可以通过铰接装置8彼此连接在一起以紧密地围绕喷嘴4。还设有固定元件9，该固定元件9在此由液压锁定装置构成，通过它将搅拌器5的两部分一起保持在搅拌器5的操作位置。在该操作位置，芯体7的两部分要么被压紧为彼此接触，要么它们之间的间隙被保持为最小以最小化损失。
具体参照图3和图4，围绕芯体7设有绕组10-15，10’-15’。成对的绕组10、10’-15、15’在喷嘴4的直径上对置的侧上限定相反的磁极。在此，设备1包括12个绕组10-15，10’-15’，构成六对磁极，每两个磁极用于和铸造设备1电连接的三相电力系统的一个相位。每个绕组10-15，10’-15’都被缠绕在芯体7的周向截面上，由此覆盖其内部周边的预定部分并且延伸到且覆盖其外部周边的预定部分。绕组10-15，10’-15’被设置为彼此靠近以使它们基本覆盖芯体7的整个内部周边，也就是转向管状喷嘴4的周边部分。每个绕组10-15，10’-15’都被连接至电力供应系统，通过该系统向绕组提供大约100Hz的交流电。每个绕组都包括绕线式的电导体，电导体优选地用铜制成并被电绝缘介质覆盖。每个导体都可以是管状的，并且可以被装入冷却液例如水，并允许流过导体。
在沿喷嘴4的径向看去时，搅拌器5的外侧设有导电材料制成的护罩16。护罩16围住电磁搅拌器5的操作部分，也就是芯体7和绕组10-15，10’-15’以用于阻尼目的并由此封装电磁场部分，该电磁场部分在电磁搅拌器5运行期间沿径向指向外侧。
护罩16包括板或薄板17，其根据芯体7被划分为可以通过铰接装置8相连接的两部分，并通过固定元件9将彼此固定在设备1的操作位置。护罩16，在此为其薄板17，具有与其围住的芯体7的高度相对应或略微超出的高度。护罩16可以是用合适的金属材料例如铜制成的。
护罩16还包括靠近搅拌器5的操作部分的各自的纵向端并与各自的纵向端相对设置的两块端板18，19。每一块所述端板都被连接至围住芯体7和绕组10-15，10’-15’的板或薄板17。与后者相同，每块端板18，19也都被划分为可以通过铰接装置8相连接的两部分，并通过固定元件9将彼此固定在设备1的操作位置。优选地，端板18，19用与围板或薄板17相同的材料制成。
在芯体7和绕组10-15，10’-15’的内部(沿径向朝向喷嘴4看)设有冷却回路20，其包括设置在搅拌器5的操作部分的内部周边和喷嘴4的外部周边之间的导电材料制成的多个冷却元件，所述冷却元件相对于喷嘴4的纵向横向地延伸并在相邻的冷却元件之间沿所述纵向留有间隔。在此冷却元件由遵循曲折路径的连续管路21构成，优选地为铜管。对于芯体7和护罩16被划分为两半中的每一半都设有一条这样的管路。在每条这样的回路中，管21的主要部分都沿搅拌器5的周向延伸。沿搅拌器5的纵向，也就是其竖直方向，在每条回路的管21的相邻水平延伸的部分之间都有一定的距离和绝缘强度，以使得在冷却回路20的元件内也就是在管21内不会响应于沿竖直方向在被置于芯体7内部周边上的绕组10-15，10’-15’的部分流过绕组10-15，10’-15’的电流而沿相反的竖直方向产生连续的感应电流。设有供应通道和排出通道(在图中未示出)，利用这些通道可以将冷却介质优选地是水提供给每条所述管路中的管21和从中排出。
参照图2和图3，在芯体7和绕组10-15，10’-15’的上方、下方和外侧沿径向和水平方向还竖直地设有冷却元件22，23，24。这些冷却元件22，23，24被设置用于分别冷却护罩16的端板18，19和围板17。冷却元件22，23，24中的每一个都包括由高热导率的材料例如金属制成的管，管连接至供应通道(未示出)和处理通道(未示出)，利用这些通道将冷却介质例如水提供给所述元件并在流过所述元件22-24后从所述元件中排出。
Claims (16)
1.一种连铸设备，包括：
模具(3)，
喷嘴(4)，和
在模具(3)上方且围绕喷嘴(4)设置的电磁搅拌器(5)，所述搅拌器(5)包括绕喷嘴(4)沿周向延伸的磁性材料制成的芯体(7)和缠绕在所述芯体(7)上的多个绕组(10-15，10’-15’)，所述绕组(10-15，10’-15’)在沿芯体(7)的周向看去时缠绕在芯体(7)的截面上，
其中所述绕组中的每一个包括管状电导体。
2.如权利要求1所述的连铸设备，其中，所述绕组(10-15，10’-15’)大致覆盖芯体(7)的径向内部周边。
3.如权利要求1或2所述的连铸设备，其中，冷却流体流动通过所述管状电导体。
4.如权利要求1或2所述的连铸设备，其中，所述绕组(10-15，10’-15’)在喷嘴(4)的直径上对置的侧上限定相反的磁极。
5.如权利要求4所述的连铸设备，其中，形成所述相反的磁极的所述绕组(10-15，10’-15’)连接至交流电源，所述交流电源向所述绕组(10-15，10’-15’)供应具有至少70Hz频率的交流电。
6.如权利要求4所述的连铸设备，其中，形成所述相反的磁极的所述绕组(10-15，10’-15’)连接至交流电源，所述交流电源向所述绕组(10-15，10’-15’)供应具有至少100Hz频率的交流电。
7.如权利要求1-6中任一项所述的连铸设备，其中，其包括中间罐(2)，喷嘴(4)由所述中间罐(2)延伸至模具(3)，并且搅拌器(5)具有与中间罐(2)和模具(3)之间的距离相对应的沿纵向的长度。
8.如权利要求1-7中任一项所述的连铸设备，其中，其包括冷却回路(20)，所述冷却回路(20)包括设置在搅拌器(5)的内部周边和喷嘴(4)的外部周边之间的导电材料制成的多个冷却元件(21)，所述冷却元件(21)相对于喷嘴(4)的纵向横向地延伸并且相邻的冷却元件(21)之间沿所述纵向留有间隔。
9.如权利要求8所述的连铸设备，其中，所述冷却元件(21)包括金属管，冷却液流过所述管。
10.如权利要求1-9中任一项所述的连铸设备，其中，其包括设置在搅拌器(5)外侧的导电材料制成的护罩(16)。
11.如权利要求10所述的连铸设备，其中，所述护罩(16)包括设置在搅拌器(5)的径向外侧上的至少一块板(17)。
12.如权利要求10或11所述的连铸设备，其中，所述护罩(16)包括靠近搅拌器(5)的纵向端部并与所述纵向端部相对设置的至少一块板(18，19)。
13.一种用于铸造金属的连铸工艺，其中，通过管状喷嘴(4)将金属供应给模具(3)，通过向管状喷嘴(4)施加电磁场来搅拌流过管状喷嘴的金属，所述电磁场是利用搅拌器(5)产生的，搅拌器(5)包括绕所述喷嘴(4)沿周向延伸的磁性材料制成的芯体(7)和缠绕在所述芯体(7)上的多个绕组(10-15，10’-15’)，其特征在于，所述绕组(10-15，10’-15’)在沿芯体(7)的周向看去时缠绕在芯体(7)的截面上，并且向所述绕组供应电流，其中所述绕组中的每一个包括管状电导体。
14.如权利要求13所述的工艺，包括允许冷却流体流动通过所述管状电导体。
15.如权利要求13所述的工艺，其中，向所述绕组(10-15，10’-15’)供应具有至少70Hz频率的交流电。
16.如权利要求13所述的工艺，其中，向所述绕组(10-15，10’-15’)供应具有至少100Hz频率的交流电。
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