CN105263652B - 移动熔融金属的方法及装置 - Google Patents

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CN105263652B CN 201480030459 CN201480030459A CN105263652B CN 105263652 B CN105263652 B CN 105263652B CN 201480030459 CN201480030459 CN 201480030459 CN 201480030459 A CN201480030459 A CN 201480030459A CN 105263652 B CN105263652 B CN 105263652B
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叶夫盖尼·帕夫洛夫
德米特利·尼卡拉叶维奇·伊万诺夫
帕崴乐·奥列高维奇·噶萨诺夫
安德烈夫·伊万诺维奇·古拉耶夫
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叶夫盖尼·帕夫洛夫
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Abstract

提供了种移动熔融金属的方法和装置,其中电磁感应器包括至少两个电磁极对,并且第电磁极对的个电磁极与不同的电磁极对的第二电磁极之间产生第磁场分量,以及个或多个电磁极对的两个电磁极之间产生第二磁场分量,所述第二磁场分量因此在熔融金属内产生个或多个涡流。这些涡流通常平行于熔融金属的表面,并且因此比垂直于表面的涡流有更大的幅度和范围。特别在熔融金属的深度小时,如此涡流给熔融金属提供额外的移动,例如用于搅拌目的。

Description

移动熔融金属的方法及装置

[0001] 装置和方法的相关改进

技术领域

[0002] 本发明涉及搅拌熔融金属的装置和/或搅拌熔融金属的方法的相关改进。

背景技术

[0003] 搅拌熔融金属的磁流体动力的方法是已知的。申请人指出了采用现有方法搅拌少 量恪融金属的问题,该问题特别表现为恪融金属的深度变浅(shallow depth)。

发明内容

[0004] 本发明可能的目的是,提供一种有限量(特别是深度有限)的熔融金属的改进搅 拌。本发明其中一个可能的目的是为熔融金属的搅拌提供可选方法。本发明的其中一个可 能目的在于,为熔融金属的搅拌提供改进的装置和/或改进的方法。

[0005] 根据本发明的第一方面,提供了一种移动熔融金属的方法,所述方法包括:

[0006] a)在容器内提供熔融金属,所述熔融金属有定义第一平面的表面;

[0007] b)提供电磁感应器,所述电磁感应器生成使用的电磁场,一部分电磁场(磁通量) 进入所述熔融金属,其中所述电磁感应器包括至少两对电磁极对;

[0008] 在第一方向上电磁极对中的电磁极相互分离;所述第一方向垂直于所述第一表 面;以及

[0009] 在第二方向上一个电磁极对与另一电磁极对相互分离,所述第二方向平行与所述 第一平面并且垂直于所述第一方向;

[0010] c)提供控制器给所述电磁感应器,其中,所述控制器控制应用到所述电磁感应器 内的一个或多个电磁极的线圈的电流和/或电压幅度,并且控制所述电磁感应器内的一个 或多个电磁极的线圈的应用相位,以使:

[0011] i)在第一电磁极对的一个电磁极与不同的电磁极对的第二电磁极之间产生第一 磁场分量;

[0012] ii)在一个或多个电磁极对的两个电磁极之间产生第二磁场分量,所述第二磁场 分量因此在所述熔融金属内产生一个或多个涡流,一个或多个所述涡流通常平行于所述第 一平面。

[0013] 本发明的第一方面可包括:陈述在本应用中的其他地方的、包含在本发明的其他 方面的任何特性、设置或可能性。

[0014] 优选地,所述电磁场是磁通。

[0015] 所述方法可为搅拌熔融金属的方法。所述方法可为移动熔融金属来更均匀分布熔 融金属内的能量和/或一个或多个化学成分的方法。

[0016] 所述熔融金属可为铝,包括其合金。

[0017] 可提供含有热源的容器,例如熔炉,例如用于供给铸造过程。可提供不含有热源的 容器,例如保温桶,例如用于供给铸造过程和/或例如运输容器,如铸桶(ladle)。所述容器 可是连续铸造系统的一部分,例如结晶器。

[0018] 所述熔融金属在容器内具有一深度,例如考虑垂直于第一平面的深度。在把熔融 金属配发到另一操作期间,如在铸造过程中,所述熔融金属的深度可减小。例如在金属转化 成熔融金属期间,例如在熔炉的启动期间,所述熔融金属的深度可增大。对于容器来说,在 所述熔融金属的深度减小的阶段,熔融金属的深度可少于25cm,可能少于15cm,优选地少于 l〇cm,以及甚至可能少于5cm。在深度不减小的阶段中,所述熔融金属的深度可大于15cm,例 如大于20cm,以及可能大于30cm。

[0019] 所述电磁感应器具有沿着容器的侧壁且平行于第一平面延伸的长度。所述电磁感 应器可包括至少两个电磁极对,所述电磁极对相互并排。所述电磁感应器包括一个、两个或 者多个电磁极对。两个或多个或所有电磁极对可为相同的设计

[0020] 所述电磁感应器具有垂直于第一平面延伸的深度。本发明的装置和/或本发明的 方法特别在当在溶液槽(bath)内所述熔融金属的深度,例如最大深度,等于或者小于所述 感应器的深度时提供。

[0021] 提供一个或多个或所有电磁极对,使得在所述第一方向上一个电磁极与另一个电 磁极相互之间有最大间距,例如第一方向是垂直的。对所有电磁极对而言,最大间距是相同 的。在非垂直的第一方向上,一个或多个或所有电磁极对的一个电磁极与其他电磁极对之 间有最大间距。

[0022] 提供一个或多个或所有电磁极对,使得其电磁极在垂直平面上可相互对齐。提供 一个或多个或所有电磁极对,使得其电磁极在垂直平面上可相互不对齐。一个或多个或所 有电磁极对可相对于垂直平面倾斜。一个或多个或所有电磁极对可以是水平的。提供一个 或多个或所有电磁极对,使得其可在水平方向与垂直方向之间成一角度。

[0023] 可以相同角度提供不同电磁极对中的电磁极对,例如所有均垂直。可以相对于垂 直方向倾斜同样的角度提供不同电磁极对中的电磁极对。在一种或多种情况下,可以相对 于垂直方向在不同方向上倾斜同样的角度提供不同电磁极对中的电磁极对。可以相对于垂 直方向倾斜不同的角度提供不同电磁极对中的电磁极对。例如一个或多个与水平方向成 10°或10°以内的角度,以及一个或多个与垂直方向成10°或10°以内的角度。

[0024] —个或多个电磁极对可形成在磁芯周围。

[0025] 所述磁芯可是C型磁芯。所述C型磁芯可包括在第一方向延伸的第一元件,该第一 元件将第一端件(end element)和第二端件连接在一起,优选地,其中所述第一端件和所述 第二端件均平行于第一平面延伸。一线圈可以围绕所述磁芯,例如朝向一端,理想地缠绕在 第一端件上。另一可以围绕所述磁芯,例如朝向另一端,理想地缠绕在第二端件上。

[0026] 所述磁芯可为I型。所述I型磁芯可包括在第一方向上延伸的第一元件,该第一元 件将第一端件和第二端件连接在一起,优选地,其中所述第一端件和所述第二端件均平行 于第一平面延伸。一线圈可以围绕所述磁芯,例如朝向一端,理想地缠绕在第一端件上。另 一可以围绕所述磁芯,例如朝向另一端,理想地缠绕在第二端件上。

[0027] 所述磁芯可为L型磁芯。所述L型磁芯可包括沿着第一方向延伸的第一端件,和可 能的垂直所述第一端件延伸的第二端件。所述第一端件可平行于所述第一平面延伸。一线 圈可以围绕所述磁芯,例如朝向一端,理想地缠绕在第一端件上。另一可以围绕所述磁芯, 例如朝向另一端,理想地缠绕在第二端件上。

[0028] 所述磁芯可在容器的侧壁提供。整个磁芯可在容器的侧壁上提供。所述磁芯的一 个或多个部分可位于容器的上方和/或下方。C型磁芯的一个端件可在容器的上方提供和/ 或C型磁芯的一个端件可在容器的下方提供。L型磁芯的一个端件可在容器的下方提供。

[0029] 所述磁芯可在两个或多个容器之间提供。分别来自一个或多个或所有磁芯的所述 第一磁场分量和所述第二磁场分量可进入两个或多个所述容器。所述磁芯可在一个容器的 第一侧壁上和一个或多个其他容器的另一侧壁上提供。所述磁芯的一个或多个部分可位于 一个容器和/或一个或多个其他容器的上方和/或下方。

[0030]可提供第一磁场分量和/或第二磁场分量的一个或多个集中器。

[0031] 所述感应器可在容器的侧壁上提供。整个感应器可在容器的侧壁上提供。所述感 应器的一个或多个部分可位于容器的上方和/或下方。提供作为所述感应器的一部分的C型 磁芯的一个端件可位于容器的上方和/或提供作为所述感应器的一部分的C型磁芯的一个 端件可位于在容器的下方。提供作为所述感应器的一部分的I型磁芯的一个端件可位于容 器的上方和/或提供作为所述感应器的一部分的I型磁芯的一个端件可位于在容器的下方。 提供作为所述感应器的一部分的L型磁芯的一个端件可位于在容器的下方。一个或多个或 所有电磁极对可提供为其本身与下一个电磁极对之间有间距,其中最大间距在第二方向 上。每一相邻的电磁极对之间的最大间距是相同的。

[0032] 所述控制器可分别控制应用于每一线圈的电流。所述控制器可分别控制应用于每 一线圈的电压。所述控制器可分别控制应用于每一线圈的相位。可提供相位控制用于第一 电磁场分量。

[0033] 通过相邻电磁极对之间的时-相位移(time-phase displacement)来产生第一磁 场分量。一个电磁极对的第一电磁极(例如上面一个电磁极)和另一个电磁极对的另一个电 磁极(例如下面一个电磁极)之间产生第一磁场分量。所述电磁极对之间相互相邻。所述相 位用于控制所述第一磁场分量的方向和/或位置。一个电磁极与相邻的电磁极对的同样的 电磁极之间的相位角增加90电度。在同一电磁极对中,相位角可比另一电磁极的相位角大 180电度。

[0034] 通过向所述线圈供给频率调制的交流电供应来产生第一磁场分量。通过两相或三 相或多相系统来产生第一磁场分量。

[0035] 所述第一磁场分量因此可在熔融金属内产生一个或多个涡流,特别地,一个或多 个涡流通常垂直于第一平面。通过第一磁场分量产生的通常垂直于所述第一平面的一个或 多个涡流小于通过第二磁场分量产生的平行于所述第一平面的一个或多个涡流。

[0036] 所述第二磁场分量可为变量或常量。通过一个或多个电磁极对内的时-相位移来 产生第二磁场分量。所有电磁极对的第一电磁极和另一个电磁极之间产生第二磁场分量。 对于每一电磁极对而言,第二磁场分量是相同的。

[0037] 所述一个或多个涡流具有平行于第一平面的分量,一个或多个或所有涡流的所述 分量的最大幅度平行于所述第一平面。通过电磁极对中的一个来生成一个或多个涡流。每 一电磁极对可产生祸流。通过电磁极对产生的一个或多个祸流在电磁极之间的磁通周围流 动。每一电磁极对可产生平行于第一平面的涡流,垂直于第一平面的涡流、垂直于第一平面 且与所述第一平面居间成角度(be angled intermediate)的祸流。平行于第一平面的祸流 有最大幅度,优选地,其幅度大于垂直于第一平面和/或居间成角度的涡流的幅度。平行于 所述第一平面的所述涡流在熔融金属内具有最大尺寸和/或范围,优选具有比那些垂直于 第一平面和/或居间成角度的涡流的尺寸和/或范围更大的尺寸和/或范围。

[0038] 通过第二磁场分量产生的平行于第一平面的涡流有最大幅度,优选地,其幅度大 于通过第一磁场分量生成的垂直于第一平面和/或任何其他平面的涡流的幅度。通过第二 磁场分量产生的平行于第一平面的涡流在熔融金属内有最大尺寸和/或范围,优选地,具有 比通过第一磁场分量产生的垂直于第一平面和/或任何其他平面的涡流的尺寸和/或范围 更大的尺寸和/或范围。

[0039] 通过所有电磁极对的组合产生一个或多个涡流。通过所有电磁极对的组合生成的 一个或多个祸流在所有电磁极对的磁通(magnetic flux)周围流动(flux)。

[0040] 在其他平面上产生的一个或多个其他涡流,特别地,在垂直于第一平面的其他平 面上。该一个或多个其他涡流具有小于一个或多个或所有涡流的最大幅度。

[0041] 根据本发明的第二方面,提供了一种移动熔融金属的方法,所述方法包括:

[0042] a)在容器内提供熔融金属;

[0043] b)提供感应器,其中,所述感应器包括至少两对磁极对;在第一方向上磁极对中的 所述磁极相互分离;以及在第二方向上一个磁极对与另一个磁极对相互分离,所述第二方 向不同于所述第一方向;

[0044] c)提供控制器给所述电磁感应器,其中,所述控制器控制应用的电流和/或电压 和/或相位,以使:

[0045] i)生成在一个或多个第一方向上移动金属的第一磁场分量;

[0046] ii)生成在一个或多个第二方向上移动金属的第二磁场分量。

[0047] 优选地,所述熔融金属有定义第一平面的表面。

[0048] 优选地,所述方法包括提供电磁感应器。优选地,所述感应器包括至少两对磁极 对。更优选地,所述电磁感应器包括至少两对电磁极对。

[0049] 优选地,在第一方向上磁极对中的磁极相互分离,优选地,该第一方向垂直于第一 表面。

[0050] 优选地,在第二方向上磁极对与另一磁极对相互。优选地第二方向平行于第一平 面,并且优选地垂直于第一方向。

[0051] 优选地,所述控制器控制应用于所述感应器内磁极的一个或多个线圈的电流和/ 或电压幅度和/或控制所述感应器内磁极的一个或多个线圈的相位应用。

[0052] 优选地,在第一磁极对的一个磁极和不同的磁极对的第二磁极之间产生的第一磁 场分量。所述第一磁场分量提供所述熔融金属的第一方向移动,该第一方向通常平行于第 一平面。第一磁场分量可提供第一方向的移动,该第一方向所述感应器的线圈内的相位前 进(advance)的方向相同。

[0053] 优选地,在一个或多个磁极对的两个磁极之间产生第二磁场分量。优选地,第二磁 场分量在所述熔融金属内产生一个或多个涡流。优选地,该一个或多个涡流通常平行于第 一平面。第二磁场分量提供第二方向的移动,该第二方向的移动与第一方向的移动的方向 相同或者不同。所述第二方向的移动可增强所述熔融金属的搅拌和/或移动。

[0054] 本发明的第二方面可包括:陈述在本应用中的其他地方的、包含在本发明的其他 方面的任何特性、设置或可能性。

[0055] 根据本发明的第三方面,提供移动熔融金属的装置,所述装置包括:

[0056] a)电磁感应器,所述电磁感应器生成使用的电磁场,一部分电磁场进入所述熔融 金属,其中所述电磁感应器包括至少两对电磁极对;

[0057] 在第一方向上电磁极对中的所述电磁极相互分离;以及

[0058] 在第二方向上一个电磁极对与另一个电磁极对相互分离,所述第二方向垂直于所 述第一平面;

[0059] c)用于所述电磁感应器的控制器,其中,所述控制器控制应用到所述电磁感应器 内的一个或多个电磁极的线圈的电流和/或电压幅度,并且控制所述电磁感应器内的一个 或多个电磁极的线圈的相位应用,以使在使用中:

[0060] i)在第一电磁极对的一个电磁极与不同的电磁极对的第二电磁极之间产生第一 磁场分量;

[0061] ii)在一个或多个电磁极对的两个电磁极之间生成第二磁场分量,所述第二磁场 分量因此在所述熔融金属内产生一个或多个涡流,一个或多个所述涡流通常平行于所述第 一平面,所述熔融金属具有定义为所述第一平面的表面。

[0062] 本发明的第三方面可包括:陈述在本应用中的其他地方的、包含在本发明的其他 方面的任何特性、设置或可能性。

[0063] 根据本发明的第四方面,提供了移动熔融金属的装置,所述装置包括:

[0064] a)感应器,其中,所述感应器包括至少两对磁极对;

[0065] a.在第一方向上磁极对的磁极相互分离;以及

[0066] b.在第二方向上一个磁极对与另一个磁极对相互分离,所述第二方向不同于所述 第一方向

[0067] b)提供给电磁感应器的控制器,其中,所述控制器控制应用的电流和/或电压和/ 或相位,以使:

[0068] i)生成在一个或多个第一方向上移动金属的第一磁场分量;

[0069] ii)生成在一个或多个第二方向上移动金属第二磁场分量。

[0070] 本发明的第四方面可包括:陈述在本应用中的其他地方的、包含在本发明的其他 方面的任何特性、设置或可能性。

附图说明

[0071] 现将仅以实施例的方式参考下面的附图来描述本发明的各个实施例:

[0072] 图la, Ib和Ic不出了一些典型的MHD揽摔机线圈排列;

[0073] 图2示出了现有的MHD排列的磁极之间的磁场与涡流排列;

[0074] 图3示出了本发明的磁极之间的磁场与涡流排列;

[0075] 图4提供了两种具有C型磁芯的C型感应器的示意图。

[0076] 图5是在等距视图中的安装在熔炉侧壁上的具有纵向/横向运行磁场的模拟感应 器;

[0077] 图6是在等距视图中的安装在熔炉侧壁上的具有垂直运行磁场(C型磁芯)的模拟 感应器;

[0078] 图7是图5中的感应器的俯视图;

[0079] 图8是图5和图7中的感应器的侧视图;

[0080] 图9是图6中的感应器的俯视图;

[0081] 图10是图6和图9中的感应器的侧视图;

[0082] 图Ila显示了容器槽内熔体深度Im (所有五层)处的具有纵向运行磁场的感应器的 祸流;

[0083] 图Ilb显示了容器槽内熔体深度Im (所有五层)处的有横向运行磁场的感应器的涡 流;

[0084] 图12a显示了容器槽内熔体深度Im (所有五层)处的具有纵向运行磁场的感应器的 洛仑兹力的密度;

[0085] 图12b显示了在容器槽内熔体深度Im (所有五层)处的具有横向运行磁场的感应器 的洛仑兹力的密度;

[0086] 图13a显示了在熔体中间层(0.2m厚度的第三层)的具有纵向运行磁场的感应器的 祸流;

[0087] 图13b显示了在熔体中间层(0.2m厚度的第三层)的具有横向运行磁场(C型磁芯) 的感应器的涡流;

[0088] 图14a显示了在熔体中间层(0.2m厚度的第三层)的具有纵向运行磁场的感应器的 洛仑兹力的密度;

[0089] 图14b显示了在熔体中间层(0.2m厚度的第三层)的具有横向运行磁场的感应器的 洛仑兹力的密度;

[0090] 图15a显示了在熔体下层(0.2m厚度的第一层)的具有纵向运行磁场的感应器的涡 流;

[0091] 图15b显示了在熔体下层(0.2m厚度的第一层)的具有横向运行磁场的感应器的涡 流;

[0092] 图16a显示了在熔体下层(0.2m厚度的第一层)的具有纵向运行磁场的感应器的洛 仑兹力的密度;

[0093] 图16b显示了在熔体下层(0.2m厚度的第一层)的具有横向运行磁场的感应器的洛 仑兹力的密度;

[0094] 图17显示了由熔体内的感应器产生的整体力与容器内熔体深度的关系图;

[0095] 图18显示了一些容器槽被部分覆盖的感应器设计;

[0096]图19显示了用于在铸造过程中锭液芯(ingot liquid core)搅拌的横向运行磁场 的一对感应器的安装方式;以及

[0097] 图20a至20i显示了在铸造过程中,锭液芯搅拌上使用感应器的不同组合和定向。

具体实施方式

[0098] 目前,不同磁流体动力的(MHD)搅拌机广泛应用于合金制备中的铝产业,提高了温 度均匀化和熔化率。实际上MDH搅拌机在有效铸造设备上已经变成了一种标准。传统地,一 个在熔炉内用于金属的MHD搅拌机是具有两相或三相线圈的线性感应电机,并且可以根据 不同的结构设计来制作。图Ia至Ic中显示了典型的线圈结构的例子。图Ia中的结构具有交 叠型的线圈;图Ib中的结构具有包裹钢芯的颈部周围的线圈;并且图Ic中的结构具有包裹 凸极齿周围的线圈。

[0099] 由于线圈的这些形状,感应器可以有不同数量的取决于两极、三极或者多极设计 的相和齿。所述感应器可以是凸极或者非凸极异步电机。然而,一致的性能是磁极的排列和 其控制产生沿感应器的运行场(running field)。

[0100] 然而为了在熔炉内用例如如图2所示的侧壁上安装的感应器进行有效搅拌,很有 可能不仅采用纵向运行场(朝着熔体容器槽的长度和宽度),而且还采用垂直运行场。

[0101] 更详细地参考图2,显示了感应器安装在熔炉的侧壁上,线圈以图la、lb或Ic之一 中所示的方式缠绕。感应器通过沿着所述感应器定位的磁极之间的脉动磁场形式产生运行 场。磁通主要沿着感应器分布并且部分穿透熔炉内的铝熔体。

[0102] 当这种安装提供了应用于导体(恪化铝)的可变磁场(运行场)时,在铝内产生了涡 流。由于电子受到垂直于其运动方向的洛伦兹力,形成了这些涡流。这些涡流主要相对于感 应器的磁极之间的磁通位于垂直平面。该垂直平面是垂直于熔体表面的平面。在图2中用虚 线表示这些祸流。

[0103] 这些涡流感应自身的磁通,并且给铝提供额外有益的搅拌。

[0104] 但是,在如此排列中会出现涡流形成受损的情况。在熔化水平下降期间,当熔融金 属离开熔炉而进入铸造过程时,熔融金属的深度下降并在熔炉以内下降。以相似的方式,在 熔炉启动期间,在废料熔化初期只呈现低水平的熔化。此两种情景意味着熔融金属深度显 现,并且因此涡流希望形成的方向上的导电体的范围是较小的。因此,熔体内的涡流本身较 少。

[0105] 这样金属深度的下降意味着搅拌过程的有效性将会下降。在熔体内通过涡流和感 应电磁场相互作用产生的安培力将会小。

[0106] 本发明试图处理这个问题,并且,即使在出现熔融金属的深度下降的情况下,也能 提供更有效的搅拌。

[0107] 如图3所示,本发明改变电磁场的分布。在图3中,感应器也是安装在包含熔体的熔 炉的侧壁上。然而感应器包括至少两个磁极对,标记SS1N1、S2N2、S3N3等,这些磁极对产生的 运行电磁场,该运行电磁场在图中用黑色箭头表示。

[0108] 为了产生运行磁场,必需使用至少一对磁极SiNi和S2N2来产生磁通,该磁极SiNi和 S2fc—起定位并且在它们之间有时-相位移,例如,角度可以达到90电度。为磁极的磁通提供 如下的相位角:

Figure CN105263652BD00111

0通过使用两个相互靠近 定位并且在其顶部和底部都缠绕有线圈的C型感应器来提供这些线圈。如果向线圈供给频 率调制且朝着彼此90°相移的交流电,那么可提供运行磁场。通过磁通之间的时空偏移 (space and time shift)形成运行磁场,这些磁通可以产生作为恪体搅拌的感应器来使用 的两相、三相和多相系统。

[0109] 如上所述,在图3中,运行磁场提供可应用于导体(熔化铝)的可变磁场,并且因此 在铝内产生涡流,由于熔融金属的深度小,这些涡流主要在垂直平面上并且小。在图3中没 有显示出运行磁场穿透熔体及其产生的涡流。这部分被看作是第一磁场分量。

[oho] 磁极的排列是由感应器的设计来决定的,并且可用不同形式的感应器和线圈来制 作。在该描述的实施例中,C型磁芯的一对磁极是由C型磁芯和缠绕在所述C型磁芯的线圈形 成的。理想地,每个C型感应器至少具有一相绕组(至少一相)。采用C型磁芯意味着产生的磁 场可以集中在该C型感应器结构的一边。

[0111] 米用I型磁芯意味着产生的磁场对称分布在两侧。每侧均有对称场的这种排列或 者其他排列,例如,可应用于同时搅拌两个或者更多不同体积的熔融金属。例如,感应器可 放置在两个不同铸锭机(ingot casting machine)之间,并且这样可同时搅拌正在铸造的 错锭。

[0112] 由于需要在需要的形状内形成磁场,可提供用于磁通的额外的集中器。

[0113] 这些设备的使用范围非常广,可以应用于不同形状和深度的熔炉内的搅拌,用于 很多其他设计、形状和深度的容器(如桶)内的搅拌,以及用于其他具有熔融金属的情景的 搅拌,例如在液芯的体积减少时铸锭情况下。

[0114] 在本发明中,由于采用的感应器的特性、磁场形状/平面和涡流平面,感应器磁芯 的高度很有可能小于熔化金属深度,也可能匹配熔化金属深度,或者大于熔化金属深度,并 且还仍然能有效运行。

[0115] 除了运行磁场外,在图3中,磁极如S1N1,能在垂直平面上产生穿透熔体的另一磁 场,例如,该垂直平面主要垂直于运行电磁场方向。在图3中用黑色箭头表示该另一磁场。这 部分可以被看作第二磁场分量。此新的另一磁场使得在熔体内形成了新的涡流等高线。但 是,与图2中的现有安装相比,这些新的涡流位于不同的平面,因为产生它们的磁场在不同 的平面上。这些新的涡流垂直于产生它们的该另一磁场,并且因此在熔体表面的水平面上 能量更大,如图3中的虚线所示。由于这些主要涡流在水平面上形成,给熔体的洛伦兹力形 式提供了最大化影响,并且因此增强了搅拌。

[0116] 因此,熔炉侧壁的长度上的不同磁极对提供运行磁场,并且分布在熔炉高度上的 不同磁极对提供另一磁场和水平面上的涡流。

[0117] 除了熔体表面的水平面上的涡流,磁极S1N1之间的磁通在垂直平面也产生了涡流 等高线,该涡流为次级涡流。该次级涡流比水平面上的主要涡流的能量小,是因为电导率下 降,以及在由于熔体深度较小因而使得水平面上的熔体的范围比垂直平面上的更小时,水 平面上的涡流形成的条件比在垂直平面上的更好,其中该熔体深度比熔体表面的宽度或者 长度小很多。在穿过熔体的垂直等高线从磁极&流向磁极见时,磁通的退磁效应也很强。

[0118] 在熔体表面的水平面上,由于用于熔体的水平范围较大,涡流的形成条件更好。另 夕卜,由于仅流向一个方向,在该水平面上磁通没有自退磁效应。当然,除了严格意义上的垂 直和水平平面,还有其他能利用自身条件来形成涡流的中间平面。但是,当从垂直平面移动 到水平面时,条件很明显得到改善。

[0119] 磁极SiNi之间的最大磁通的产生也很明显。磁通之间的相位角一定是180°,例如, 具有与频率调制的交流电供应连接的线圈的C型磁芯,在图4中示出了这些磁芯。

[0120] 在涡流和安培力的形成上,在其相位角上的其他磁极对S2N2和S3N3的作用相似。

[0121] 当然,如果磁极不仅沿着感应器的宽度上定位,也沿着其高度定位,相互之间有相 移的所有磁极之间将出现磁通。例如不同磁极对的磁极之间一磁极Si和磁极S2、磁极Si和磁 极他、磁极S1和磁极S3等之间,将出现磁场。这些次级磁通将会在熔体产生涡流,也会产生洛 仑兹力。在这种情况下,沿着感应器的磁极之间将会出现纵向运行磁场。但是,金属深度越 小,观察到的影响洛仑兹力形成的磁通将越小。在熔化水平低时,由于其在垂直于容器槽的 水平截面(金属表面)的平面内流动,通过一个磁极对的磁极之间的垂直磁通实施主要影 响。

[0122] 由于采用垂直于熔体表面的运行电磁场来进行搅拌,即使在低熔体深度5-lOcm 时,通过感应器的侧壁安装来组织有效的搅拌变成了可能。

[0123] 下一部分将考虑使用不同感应器和层来进行搅拌的熔炉的数学模型,以便给出对 比的评价。

[0124] 让我们看从熔炉的侧边安装感应器的两个例子。每个感应器生成不同形状的运行 场。如图5、7和8所不的第一个例子,感应器生成纵向运行磁场(如图2)。如图6、9和10所不的 第二个例子,感应器生成横向运行磁场(如图3和本发明)。

[0125] 两个例子的如下参数均是相等的一感应器的尺寸、朝着铝熔体容器槽的定位、线 圈(具有相同容量的线圈)内等效有功功率为50kWt/感应器,两个感应器内的线圈截面的电 流密度是相同的(2 · IO6AAi2)。

[0126] 感应器和铝熔体之间的非磁间隙为0.5m。熔体容器槽的尺寸为长度X宽度X深度 =4m X 2m X Im,对应于容器槽的体积V = 8m3和在容器槽的密度P = 2 · 3ton/m3时的质量M为M = 8X2.3 = 18.4 吨。

[0127] 为了研究在熔体容器槽的不同深度的熔化金属如何影响感应器的有效性,将容器 槽从水平面上分成五层。每一层的厚度为t = 0.2m。这样,在数学建模时通过层的组合,研究 步长t = 0.2m时不同熔体深度下感应器影响的有效性。

[0128] 为了进行电磁计算,采用通过线圈产生的运行磁场的等效条件,如线圈的电流相 位如下:相厶=0°,相13 = 60°,相〇=120°,该电流相位通常与厶¥(:方案的连接一致。交流电的 频率设置为f = 〇.Mk。

[0129] 如图7至10显示了感应器和容器槽在其他平面上的其他视图。在图7和9中,虚线显 示了感应器的整体模块。结构上,包括感应器的一个相,并且可简单地提供有需求数量的模 块的集成感应器。

[0130] 现提供采用如上所描述的对比评价的建模结果。

[0131] 由于数学建模,获得了描述对熔体有影响的感应器的有效性的积分和微分特性。 最重要的是积分切向力Ft (沿着容器槽的长度影响熔体的力的量,如沿着感应器运行场方 向),积分标准力Fn (沿着容器槽的宽度影响熔体的力的量,如垂直感应器运行场方向),总 力

Figure CN105263652BD00131

以及熔体内产生的有功功率Pm。除了上述提到的,很重要的微分特性 为涡流和分布在熔体内的洛伦兹力。这些特性可评价感应器产生的电磁场的有效性。

[0132] 下面将对如下情况下熔体内以涡流和洛伦兹力分布的形式来计算的结果:

[0133] 1、深度为Im的完整的容器槽。结果如图I la、I Ib、12a和12b所示。

[0134] 2、仅容器槽的中间部分-仅熔体的中间部分(0.2m厚的第三层)。结果如图13a、 13b、14a和14b所示。对于分析感应器来说,这个计算是必需的,对于感应器的两种形状,该 感应器放置成使得感应器电磁场对熔体薄层的影响将均为最大。通过感应器宽度的中间部 分上的熔体薄层的位置来获得该影响,如在最大化磁场的区域内。

[0135] 3、容器槽内从底部到深度0.2m处填充熔体一仅第一层。对于废料熔化周期的开 始,该熔体深度是典型的。结果如图15a、15b、16a和16b所示。

[0136] 根据不同层的涡流和洛伦兹力的分布,我们可以得出如下结论:

[0137] 随着容器槽深度减小,相对于在有纵向磁场的感应器的情景,有横向运行场(C型) 的感应器的情景下的涡流形成条件不会恶化得那么快;

[0138] 图16a和16b中的在低恪融深度处的洛伦兹力分布表明,具有纵向磁场的感应器在 具有低密度且靠近容器槽壁的熔体产生洛伦兹力场。相反地,横向运行磁场的使用使得洛 伦兹力场覆盖整个容器槽体积,远不止容器槽壁,而力的密度在安装感应器的容器槽壁上 具有更大值,并且更均匀地分布。

[0139] 如果我们分析从熔体深度从0上升到Im且步长为0.2m的不同深度的所有计算情景 以及仅中间层(第三层)的计算情景中获得的积分特性,可获得如下面表1和2中描述的结 果。

[0140] 表1-不同深度的切向力

[0141]

Figure CN105263652BD00141

[0142] 为了分析感应器操作的有效性,采用熔体内产生的电能量ke/iF/Pm渗考表2)的 积分体积力之间的关系是方便的。

[0143] 当然,kef可作为F/P或者F/S来计算,其中P (系统内产生的并且通过能量供应单元 从能量系统中消耗的有功功率)和S (总功率),但是,由于两种感应器的线圈内分散的有功 功率是相等的,电流比较分析krf = F/Pm更具结论性。

[0144] 直观上,这种关系表明熔体内通过感应器产生的电磁场对其产生的洛伦兹力的有 效性,并且kef可被看作MHD搅拌机的有效性因素。在这种方式中,kef描述感应器以及其工作 对相对金属混合影响形成的特性。显然,kef值越大,通过熔体内的感应器产生的场就越有 效,并且熔体内产生的每IkWt的能量所产生的力F就越大。

[0145] 表2-恪体内产生的能量和不同容器槽深度的感应效率

Figure CN105263652BD00142

[0147] 采用上述表格,我们可以为两种类型的感应器建立熔体深度与力之间的直观的关 系图,如图17所不。

[0148] 从图17中所示的关系,可以看出,在下降到深度为0.8m的熔化水平时,相对于有纵 向磁场的感应器,有横向运行磁场(C型磁芯)的感应器本质上在熔体内产生更大的切向洛 伦兹力。在此深度处,若比较熔体内产生的力,在低熔融水平为0 + 0.4m时,有横向运行场的 感应器比有纵向磁场的感应器更好。此外,如表2所示,基于kef参数,具有横向运行磁场的感 应器比其他类型的感应器更具有效性。

[0149] 当然,建模中考虑的感应器的设计没有覆盖所有类型的感应器和线圈连接方案, 但是建模中描述的结果明显表明,在容器槽内的熔体深度等于感应器的宽度或者更小时的 情景中,使用具有横向磁场(C型磁芯)的感应器比具有纵向磁场的感应器更具有效性。仔细 考虑到这方面,在如下情景中使用有横向运行磁场的感应器更可取:

[0150]

Figure CN105263652BD00151

用于可搅拌的小熔体深度的侧壁安装的熔炉。当铝熔化水平低时,在熔炉内的 废料熔化初期,典型需要该有横向运行磁场的感应器。除了从熔炉的侧壁安装感应器,可能 如图18所示,从顶部、从顶部和底部或者仅从底部部分覆盖熔体的方式来设计该感应器安 装。在这种情况下,由于磁阻和磁极之间的距离减少,磁极之间的横向运行熔化的条件得到 改善。

[0151]

Figure CN105263652BD00152

用于小恪体深度的中度体积(intermediate volume)装置。运输罐/i甘埚或者合 金制备的中度体积装置需要该有横向运行磁场的感应器。

[0152]

Figure CN105263652BD00153

用于若在感应器安装的地方熔炉底部宽度与感应器宽度相对相等时的熔炉底 部安装。截面为梯形的窄熔炉或者熔化炉典型需要该有横向运行磁场的感应器,其中,窄的 基层面向该感应器。

[0153]

Figure CN105263652BD00154

在垂直的半连续铸造过程期间,用于搅拌大型长方形的锭液芯。

[0154] 在铝锭铸造的情况下,沿着铝锭的宽度侧安装感应器,并且主要在垂直平面上提 供液芯的搅拌效果。本质上是由于在铝锭内液芯的深度为Im (对于尺寸为2500 X600mm的大 的铝锭)。图19显示了沿着用于液芯的搅拌的铝锭的两侧均安装几个感应器。每个感应器包 括四个具有C型磁芯(两相系统)的模块,然而其包括任何偶数或者非偶数个模块,进而形成 两相或者更多相。因此,运行磁场平行于表面的平面并且沿着铝锭的宽度侧,另一磁场垂直 于表面的平面并且在铝锭内向下延伸,以及涡流在铝锭内的水平面上。可以设计成感应器 本身和/或其产生的磁场匹配或者超过锭液芯内熔融金属的最大宽度和/或深度和/或长 度。

[0155] 这所描述的有横向运行场的感应器并不可能覆盖所有可能的情况。本发明所描述 的有相对小熔体深度的通常概念可以在很多不同的相似应用和不同应用上用来产生MHD搅 拌。当然感应器的不同设计均可用于产生横向运行场,并且这些设计可不同于上述讨论的C 型磁芯感应器设计。作为更进一步排列的例子,如图20a至20i所示,给出了铝锭搅拌的情况 和排列的参考。为了简化画图,仅显示铝锭一侧的感应器。实际上,感应器可呈现在铝锭的 两侧。铝锭两侧的感应器的数量、方向、倾角以及其他变量可不同,感应器并不是必需与另 一侧成镜像对称,图20a的例子画出了沿着铝锭的铸造装置的一侧垂直安装的三个C型磁 芯。得到与图19相关的如上所描述的感应器类型的磁场方向/平面以及涡流平面。

[0156] 图20b又采用三个C型磁芯,但是,其相对于垂直面偏移大致30°,以致可以改变获 得的搅拌。由于采用不同的方向,以及磁场随着时间而改变的变化,这种情况下磁场相对复 杂。然而,通常来说,运行磁场主要沿着铝锭的宽度侧移动,并且仍然通常平行于金属表面。 在每一个C型磁芯内,磁场从磁极到磁极循环,并且因此磁场有实质上垂直的分量,但是其 以磁芯本身具有的同样的偏移量从垂直面处偏移。通过磁场形成的涡流有实质上水平的分 量,但是由于其保持垂直于形成涡流的磁场,涡流也是偏移的。

[0157] 图20c显示了相似排列,从而产生了相似的磁场方向/平面和涡流平面,但是仅采 用两个C型磁芯。

[0158] 图20d显示了从垂直面处具有与图20b和20c中的结构相似的倾角的单个C型磁芯。 这种情况下,通过单个C型磁芯上的一对磁极来产生磁场。形成的磁场仍然有本质上垂直的 分量和从垂直面处的偏移量,并且祸流有本质上水平的分量,但也具有偏移量。

[0159] 图20e显示了两个C型磁芯设计,其中这两个磁芯均从垂直面处偏移相同的角度, 又大致为30°,但是从垂直面处的偏移量位于不同的方向上。运行场又沿着铝锭的宽度侧移 动,并且仍然通常平行于金属表面。在每一C型磁芯内,磁场从磁极到磁极循环,并且因此磁 场有实质上垂直的分量,但是磁芯本身具有从垂直面处偏移的相同偏移量。但是,偏移量位 于不同的方向上,并且相对于图20c中的设计可生成不同的总场形状。在此设计中由于感应 器相互成一定角度,磁场和产生的涡流可更加集中于磁芯的下部。可得到不同的搅拌效果。

[0160] 图20f显示了与图20e相似的设计,但是,感应器在顶部处更靠近在一起。结果又提 供了不同磁场形状、交叉以及涡流形状。

[0161] 图20g显示了更进一步的设计。在这种情况下,该设计包括两个C型磁芯,其中一个 磁芯垂直安装,并且另一个水平安装在该垂直安装的磁芯的上方。在此设计中,总磁场形状 和其随时间而变化是复杂的,但是同样的普遍原理应用于生成的运行场的方面,结果生成 了第一磁场分量、垂直的第二磁场分量以及祸流。

[0162] 图20h显示了与图20g相似的设计,但是垂直安装的磁芯位于最上面,并且水平安 装的磁芯位于其下面。

[0163] 图20i显示了一个垂直安装的C型磁芯和一个相对垂直平面倾斜的C型磁芯。在此 设计中,总磁场形状和其随时间而变化是复杂的,但是同样的普遍原理应用于生成的运行 场的方面,结果生成了第一磁场分量、垂直的第二磁场分量以及祸流。

[0164] 当然,如图20a至20i所示的设计仅是很小数量的根据本发明可能采用一个或多个 感应器的设计组合。采用感应器的数量、磁芯的形状、绕组的数量、所提供的相等构成的不 同的组合可能有更多的设计。一个设计内的每一模块可以是单相或者多相。对于模块来说, 通量生成频率可随着时间而改变,和/或在用于不同模块时提供不同值。考虑搅拌的液体的 形状、特性以及金属呈现的深度,可根据计划处理的搅拌情况进行优化设计。例如,感应器 设计可用于促进熔融金属流向容器的中心,进而向下流进熔融金属,潜在地使得添加到熔 融金属的添加剂能够得到很好的混合和/或使得非熔化金属(如废料)与熔体进一步接触并 且促进金属的熔化。

Claims (15)

1. 一种移动恪融金属的方法,所述方法包括: a) 在容器内提供熔融金属,所述熔融金属具有定义第一平面的表面; b) 提供电磁感应器,所述电磁感应器生成使用的电磁场,一部分电磁场进入所述熔融 金属,所述电磁感应器包括至少两个电磁极对; c) 提供用于所述电磁感应器的控制器; 其特征在于,每一电磁极对在磁芯周围形成; 至少一个线圈缠绕在所述磁芯上; 在第一方向上每一电磁极对中的电磁极相互分离,所述第一方向包含在第二表面上, 所述第二表面不同于所述第一平面; 在第二方向上一个电磁极对与另一个电磁极对相互分离,所述第二方向平行与所述第 一平面并且不同于所述第一方向; 所述控制器控制应用于一个或多个电磁极线圈的至少一个电参数:(a)电流;(b)电压; (c)电相位,以使: i) 在第一电磁极对的一个电磁极与不同电磁极对的第二电磁极之间产生第一磁场分 量,通过所述第一磁场分量在所述第一方向上移动所述熔融金属;以及 ii) 在一个或多个电磁极对的两个电磁极之间产生第二磁场分量,通过所述第二磁场 分量产生的涡流发起的安培力在所述第二方向上移动熔融金属。
2. 根据权利要求1所述的方法,其特征在于,所述熔融金属在所述容器内具有垂直于所 述第一平面延伸的深度; 所述电磁极对有定义为电磁极对尺寸的沿其第一方向到第一平面的垂线的投影的长 度的深度;以及 所述容器内的所述熔融金属的深度等于或者小于所述电磁感应器的深度。
3. 根据权利要求2所述的方法,其特征在于,所述容器包括铸锭; 所述铸锭包括由所述熔融金属构成的液芯;以及 所述熔融金属的所述深度为所述液芯的深度。
4. 根据权利要求1所述的方法,其特征在于,所述相位用于控制所述第一磁场分量的定 向和/或定位;以及 一个电磁极与相邻电磁极对中的同样的电磁极之间的相位角增加90电度。
5. 根据权利要求1所述的方法,其特征在于,一个或多个涡流具有平行于所述第一平面 的分量;以及 一个或多个或所有涡流的所述分量的最大幅度平行于所述第一平面。
6. 根据权利要求1所述的方法,其特征在于,所述磁芯的一个或多个部分位于容器的上 方和/或下方。
7. 根据权利要求1所述的方法,其特征在于,所述磁芯在两个或多个容器之间提供,并 且分别来自一个或多个或所有磁芯的所述第一磁场分量和所述第二磁场分量进入两个或 多个所述容器。
8. 根据权利要求1所述的方法,其特征在于,所述第二方向垂直于所述第一方向。
9. 根据权利要求1所述的方法,其特征在于,至少一个电磁极对仅具有一个绕组;以及 所述绕组为一相绕组。
10. 根据权利要求1所述的方法,其特征在于,所述电磁感应器包括从如下磁芯中选择 的磁芯:(a) C型磁芯;(b) I型磁芯;(c) L型磁芯。
11. 根据权利要求1所述的方法,其特征在于,包括: 提供连续铸造系统; 所述连续铸造系统包括结晶器; 所述结晶器包括由铸锭构成的所述容器; 所述铸锭包括由所述恪融金属构成的液芯; 所述熔融金属具有定义所述第一平面的自由表面;以及 所述结晶器具有从所述液芯直接向着所述容器外部定向且垂直于所述第一平面就位 的外表面; 所述电磁感应器直接安装在所述结晶器的所述外表面上。
12. 根据权利要求10所述的方法,其特征在于,所述电磁感应器包括至少三个电磁极 对; 所述控制器用于传递如下相位序列到所述至少三个电磁极对,所述相位序列与AYC方 案的连接一致: 第一相等于〇电度; 第二相等于60电度; 第三相等于120电度。
13. —种移动熔融金属装置,所述装置包括电磁感应器,所述电磁感应器产生使用的电 磁场,一部分电磁场进入所述熔融金属,所述电磁感应器包括至少两对电磁极,以及用于电 磁感应器的控制器,所述装置用于执行如权利要求1至12中的所述方法。
14. 一种连续铸造系统,包括: 具有熔融金属的容器,所述熔融金属具有定义第一平面的表面; 用于在所述容器内移动所述熔融金属的装置,所述装置包括: 电磁感应器,所述电磁感应器产生使用的电磁场,一部分电磁场进入所述熔融金属,所 述电磁感应器包括至少两对电磁极; 用于所述电磁感应器的控制器; 其特征在于:每一电磁极对在磁芯周围形成; 至少一个线圈缠绕在所述磁芯上; 在第一方向上每一电磁极对中的电磁极相互分离,所述第一方向包含在第二表面上, 所述第二表面不同于所述第一平面; 在第二方向上一个电磁极对与另一个电磁极对相互分离,所述第二方向平行与所述第 一平面并且不同于所述第一方向; 所述控制器控制应用于一个或多个电磁极线圈的至少一个电参数:(a)电流;(b)电压; (c)电相位,以使: i) 在第一电磁极对的一个电磁极与不同电磁极对的第二电磁极之间产生第一磁场分 量,通过所述第一磁场分量在所述第一方向上移动所述熔融金属;以及 ii) 在一个或多个电磁极对的两个电磁极之间产生第二磁场分量,通过所述第二磁场 分量产生的涡流发起的安培力在所述第二方向上移动熔融金属。
15.根据权利要求14中所述的连续铸造系统,其特征在于,包括结晶器; 所述连续铸造系统包括结晶器; 所述结晶器包括由铸锭构成的所述容器; 所述铸锭包括由所述恪融金属构成的液芯; 所述熔融金属具有定义所述第一平面的自由表面;以及 所述结晶器具有从所述液芯直接向着所述容器外部定向且垂直于所述第一平面就位 的外表面; 所述电磁感应器直接安装在所述结晶器的所述外表面上。
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