CN1096898C - 用于金属连铸或半连铸的装置 - Google Patents
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Abstract
一种用于金属连铸或半连铸的装置，其包括冷却的结晶器(22)和布置在该结晶器的顶端的感应线圈(10)。该结晶器在其顶端包括多个通过间隔装置(26a、26b、26c、26d、26e)相互分离的中空结晶器部段(22a、22b、22c、22d、22e、22f、22’b、22’c、22’d)，所有间隔装置均包括电绝缘隔断层。结晶器部段和间隔装置均基本沿浇铸方向取向。各中空顶端结晶器部段包括布置在中空结晶器部段内的为该中空结晶器部段外壳所包围的起机械支撑作用的杆或梁的内芯(25a、25b、25c、25d、25e、25f、25’a、25’b、25’c、25’d、25’e、25’f)。该内芯呈现出较结晶器更为优良的机械性能。
Description
技术领域
本发明涉及将金属或合金连铸或半连铸成细长铸坯的装置，其中该铸坯用包括冷却的连铸结晶器和布置在结晶器的顶部的感应线圈组成的装置进行浇铸。自电源给该线圈提供高额交变电流。本发明的装置显示出机械强度改善的特点。
背景技术
在金属及合金的连铸或半连铸中，将热金属熔体供给到冷却的连铸结晶器，即一个在浇铸方向上两端开口的铸模中。该结晶器一般是水冷的且为一个起支撑作用的支撑梁所环绕和支撑。熔体供给到结晶器，当其通过结晶器时，金属在其中凝固并形成铸坯。离开结晶器的铸坯包括已经凝固、起自支撑作用的包围着残余熔体的表面层或坯壳。总体上可以讲，初始凝固的条件对于质量和生产率都是十分关键的。润滑剂一般是提供到结晶器中熔体的上表面。该润滑剂有多方面作用，除其他作用之外，它可防止最初生成的铸坯的表皮粘结在结晶器壁上。在振动之间会出现正常的粘着，即所谓的振痕。凝固表皮粘结或粘着在结晶器上越严重，所表现出的表面缺陷也越严重，在某些情况下甚至会表现为初始凝固表皮的撕裂。对于大规格的钢铸坯，该润滑剂主要是包括玻璃或形成玻璃的化合物的所谓的结晶器粉末，它们在弯形液面处受热熔化。在浇铸过程中，结晶器粉末一般是以本来是固体、自由流动的颗粒状粉末的状态连续地添加到熔体的上表面。结晶器粉末的成分是特定的。从而使该粉末能以所需的速度熔化，并以所需的速度提供润滑，以保证润滑。结晶器和铸坯之间的润滑剂层过厚，也会以所不希望的方式影响凝固条件和表面质量，因此弯形液面处的热工状态需要进行控制。对于较小的铸坯或有色金属，用油，一般是植物油或油脂作为润滑剂。无论采用何种类型的结晶器润滑剂，最好是将其以足以在铸坯/结晶器界面形成均匀薄膜的均匀速率提供到该界面之间，以避免由于结晶器于铸坯之间粘着所造成的表面缺陷。薄膜过厚会造成表面不均匀和干扰热工条件。
弯形液面处的热损失和总的热工状态主要通过结晶器内所产生的二次流动来控制。采用高频感应加热装置或其它用于电磁浇铸的高频装置，EMC装置影响顶端的热工条件在例如US-A-5 375 648和先期申请尚未公开的瑞典专利申请No.SE 9703892-1中有所讨论。大量的热损失要通过热熔体有控制的向上流动或通过一加热装置来给上表面供热进行补偿，否则弯形液面可开始凝固。这种凝固将严重干扰浇铸过程，并在许多方面破坏浇铸产品的质量。
布置在连铸结晶器的上端的高频感应加热装置将为提高熔体的上表面(弯形液面)处的金属温度控制的能力且同时产生起使熔体和结晶器分离作用的压缩力方面提供一些手段，从而降低粘结的危险，减轻振痕，并从总的方面改善结晶器的润滑条件。此技术目前经常被称为电磁浇铸或EMC，目的是为了改善润滑并由此改善表面质量，它基本上归功于起使熔体与结晶器分离作用的压缩力。感应加热装置或线圈可以是单相设计也可以是多相设计。最好采用高频交变磁场。由高频磁场产生的压缩力减小了结晶器壁和熔体之间的压力，从而显著改善了润滑条件。铸坯的表面质量得到提高，且可以提高铸造速度，而没有表面质量恶化的危险。为了保证铸坯离开结晶器，主要是采用振动。由于压缩力起到使熔体与结晶器分离的作用，所以在表皮的初始凝固过程中它们减少熔体与结晶器之间的任何接触，且改善润滑剂的供入，从而进一步提高铸坯的表面质量。因此人们相信，采用提供有高频交变电流且布置在弯形液面处的电磁线圈为显著提高表面质量、改善内部组织结构、提高纯净度以及还有生产率提供了手段。为了提高高频磁场透过结晶器进入熔体的穿透能力，采用在结晶器的顶端，即该高频感应加热器所处位置，在浇铸方向呈开口式的铜结晶器是众所周知的。该开口式结晶器可降低涡流损失和提高热效率，因为所施加的高频磁场在结晶器中感应的电流的电流路径被切断了。这种称作冷坩埚的结晶器是用于其它用途的，且一般用作小方坯或类似铸坯的结晶器，即基础正方形截面为200×200mm或更小的小规格铸坯的结晶器。人们偏好铜结晶器是因为它导热率高和电导率高，但它也有机械强度差的缺点。
发明概要
本发明的一个目的是提供一种用于浇铸金属铸坯的装置，其中使结晶器内的铸造金属的初始凝固的条件得到改善，特别是通过采用感应功率损失低的EMC使结晶器的润滑条件得到改善。具体地讲，本发明的一个目的是提供一种装置，它包括所谓的冷坩埚结晶器，即该结晶器在其顶端是开口式的，且被分隔成段，但其机械整体性提高而又不增加感应功率损失。
根据本发明的连铸装置将保证在与EMC共同使用的机械稳定结晶器内具有良好的初始凝固的条件，其中在结晶器的顶端提供了良好和得到控制的热流、润滑和整体条件，因此在质量和生产率等方面获得显著的提高。这是通过本发明来实现，根据一个方面，它提供一种如权利要求1的前序部分所述的金属连铸或半连铸方法，由权利要求特征部分的特点所表征。装置的进一步发展由从属权利要求2至21的特点来表征。提供这种连铸装置的应用也是本发明的一个目的，它在权利要求22中有所限定。
发明的说明
一种用于金属连铸或半连铸的装置，其中将热熔体供给到冷却的连铸结晶器中，使该熔体冷却且至少部分凝固成铸坯，将铸坯从结晶器拉出，并在结晶器的下游进一步冷却和凝固，该装置包括布置在结晶器的顶端的感应线圈，以降低感应功率损失，这种装置一般是在结晶器的顶端切分成多个结晶器部段，其中结晶器部段之间的每条狭缝填充有由电绝缘隔断层构成的间隔装置。该间隔装置和结晶器部段基本上沿浇铸方向取向。为了满足上述目的，提高这种包括冷却结晶器和布置在结晶器的顶端的感应线圈的、用于金属连铸或半连铸的装置的机械性能，结晶器在其顶端之处包括多个结晶器部段和多个基本沿浇铸方向取向并将结晶器分隔成一些部段的间隔装置，这些部段也是基本沿浇铸方向取向的，且各间隔装置包括电绝缘隔断层，本发明提供了一种带有中空的顶端结晶器部段的结晶器，并包括一机械支撑杆或支撑梁的内芯，使机械支撑内芯为中空结晶器部段外壳所围绕，其中该支撑内芯相对于结晶器表现出极好的机械性能。特别是在刚性和强度，抗拉强度和弯曲强度方面内芯的较结晶器的高。内芯最好还呈现出高的疲劳强度和高的韧性。一般结晶器的电导率高于内芯的电导率，但是这并不作要求，因为低的高频磁场的穿透深度限制了向壳的穿透和电流的感生，在加强或支撑内芯中基本是没有电流感应的。这些根据本发明进行了机械强化的结晶器部段在用电绝缘间隔装置相互分离方面在先有技术中是众所周知的。因此，根据本发明的装置在不增加感应功率损失的情况下提供了机械稳定的结晶器。
当线圈提供有高频交变电流并产生高频磁场作用在结晶器的顶端内的熔体上时，布置为一环绕支撑内芯的外壳或护壳的中空结晶器部段为在结晶器内感应的任何电流提供了合适的回路。这些电流被间隔装置限制在一个部段内，且感应功率损失受到结晶器的电特性的限制，结晶器一般包括铜、铜合金或其它高导热和高导电的金属。因此，支撑梁或支撑杆内感应功率损失高的风险大大降低。由于在根据本发明装置所包括的机械强度提高的结晶器内，感应功率损失保持较低水平，所以施加的功率大部分穿入熔体，在其中感应产生热，且最主要的是产生起使熔体与结晶器壁分离作用的压缩力。
典型情况下，结晶器在线圈下游的下部与布置在结晶器外侧的梁或板状的结晶器支承结构相联。这种支承结构一般称为水梁，通常用钢梁组装而成。钢梁包括用于冷却剂，例如水流动的内槽。
根据本发明适用于浇铸小规格且特别是有色金属，例如铝或铜的一个实施例，结晶器是制成单件体的。这种整体式结晶器在其顶端分成多个结晶器部段，这些部段通过间隔装置相互分离。每个顶端部段均是中空的，且在各中空部段内布置有起机械支撑作用的杆或梁。
另外，对于浇铸小方坯、板坯或大方坯，结晶器基本呈正方形或矩形的横截面。这样的结晶器包括四块结晶器板，而处于顶端的每块结晶器板被间隔装置分为多个部段。根据本发明，各顶端部段是中空的，且在各中空部段内布置有起机械支撑作用的杆或梁。
根据本发明的又一实施例，结晶器包括多个由间隔装置相互分离的长中空结晶器部段。起机械支撑作用的杆或梁作为内芯布置在各中空部段内。该中空结晶器部段最好制成套筒形式，上端封闭，其中插入内芯。或者可用两端均敞开的管作为中空结晶器部段，因此所形成的结晶器为暴露于顶端的内芯。
中空结晶器部段的组件通过结晶器支承结构保持在一起并机械支撑。细长中空结晶器部段及其相关的内芯在某些实施例中可以延伸到结晶器的整个高度，但一般该中空结晶器部段局限在结晶器的顶端，处于感应线圈的高度，而结晶器的底部，即感应线圈的下游包括整体的结晶器或四块板。当然，处于顶端的中空结晶器部段可以与结晶器的底部联接，形成整体式结晶器或由四块结晶器板构成的结晶器。
根据本发明结晶器中的内芯需要至少覆盖中空结晶器部段的全长，即间隔部分的全长，且还需要在底部的一部分上延伸。当出于机械上一些原因的需要时，该内芯延伸到结晶器的全长。构成结晶器的顶端处结晶器部段中的内芯的所有杆或梁与此结晶器的支承结构机械相关联。这种相关联性可以是直接相关联，也可以是通过环绕周围的中空结晶器部段相关联。根据本发明的一个实施例，构成顶端结晶器部段中的内芯的杆或梁与间隔部分和中空结晶器部段的下游相关联，形成整体的板状或其它形式的支承结构。
典型情况下，中空结晶器部段具有围绕内芯布置的基本为正方形或矩形的横截面，但它们可以是任何适用的形式。根据某些实施例，背离结晶器的侧面具有圆的或尖的表面形状以进一步降低感应功率损失，而熔体侧上的结晶器部段总是具有与结晶器的内部形状或轮廓一致的形状。与间隔部分接触的结晶器部段的表面需要足够宽，以提供足够的结晶器厚度，以消除熔体穿透结晶器的危险。
根据一个优选实施例，中空结晶器部段的最小壁厚与由线圈所产生的磁场的一个穿透深度相对应或更厚，以降低感应功率损失。
为了实现较长的结晶器工作寿命，根据一个实施例，中空结晶器部段在面向熔体的侧面上壁厚增加。
根据一个实施例，中空结晶器部段的高度在熔体侧边和外侧之间是不同的，使得结晶器的外侧表面上的中空结晶器部段自结晶器的顶端延伸到与间隔装置的深度相对应的位置附近。
一般结晶器由铜或铜合金制成，而插入中空结晶器部段内的起机械支撑作用的杆或梁用钢制成。
插入中空结晶器部段内的机械支撑杆或梁最好包括供冷却剂流动的内槽或腔。当合适时，供冷却剂流动的槽最好布置在中空结晶器部段内，或中空结晶器部段和支撑杆或支撑梁之间的界面上。
一般给感应线圈提供有基础频率为50Hz或更高的交变电流。该交变电流的基础频率最好为1-200kHz。
根据本发明的装置适用于金属，例如钢、铜、铝和类似金属的连铸或半连铸。
附图的简要说明
下面将参照附图，借助于优选实施例对本发明进行更详细的解释和举出实例，其中：
图1给出了根据本发明一实施例的装置沿浇铸方向的截面图；
图2给出了本发明一实施例垂直浇铸方向的截面，详细表示结晶器壁的一部分；
图3给出了本发明另一实施例垂直浇铸方向的截面，详细表示结晶器壁的一部分；
图4给出了本发明一个实施例沿浇铸方向的A-A截面图，详细表示结晶器壁的一部分；和
图5给出了本发明另一个实施例沿浇铸方向的A-A截面，详细表示结晶器壁的一部分。
优选实施例的说明
示于图1的用于金属连铸的装置包括根据本发明包括结晶器22和结晶器支承结构25的连铸结晶器组件，该连铸结晶器在浇铸方向上在两端均是敞开的，且布置有冷却装置，其未示出。该连铸机还包括给结晶器供给热熔体的装置和保证所形成的铸坯连续离开结晶器的装置，其未示出，以及用于使结晶器振动的适合的装置，其未示出。向结晶器22连续提供热熔体的一次液流，使热金属21冷却并在结晶器22内形成铸坯20。通常结晶器22为水冷铜结晶器。结晶器22在其顶端包括一凹腔24，支撑梁25作为加强或支撑内芯插入其中。当金属通过结晶器22时，受到冷却并凝固，从而形成铸坯20。当铸坯20离开结晶器22时，它包括凝固的围绕存留的残余熔体21的起自支撑作用的表面壳20。总体上可以讲，表面状态和当然还有铸态组织与初始凝固的条件关系很大，但是金属的纯净度也取决于结晶器的顶端的状态，即金属开始凝固的位置，以及在结晶器/铸坯界面和弯形液面处的状态。为了控制结晶器22的顶端处的热工状态和润滑条件，一个用于产生高频磁场的装置，例如感应线圈10布置在此顶端，处于结晶器内熔体的顶表面，即弯形液面23的位置。如图1所示的线圈10布置在结晶器22的外侧。该感应线圈10可以是单相加热器也可以是多相加热器。当高频交变磁场作用在熔体21上时，熔体21产生热，使弯形液面23附近的熔体的温度可以得到控制。同时高频交变磁场产生作用在熔体21上的压缩力。该压缩力减小了结晶器22和熔体21之间的压力，且因此显著地改善了润滑条件。当根据本发明进行浇铸时，所获得的改进之处涉及一种新的电磁浇铸装置EMC，其在结晶器的顶端处于感应线圈10和弯形液面23的位置的机械性能得到改善，且感应功率损失低。
如图2至5所示，根据本发明的装置，在结晶器22的顶端包括多个通过间隔装置26a-26e相互分离的中空结晶器部段22a-f、22’b-22’d。机械支撑杆或支撑梁25a-25f布置在各中空结晶器部段22a-f、22’b-22’d内。这种杆的机械性能优于结晶器的。特别是内芯的刚性、弯曲强度和抗拉强度高于结晶器的。该内芯最好具有高的疲劳强度和高的韧性。在结晶器的顶端的中空结晶器部段22a-f、22’b-22’d内构成内芯的所有杆或梁25a-25f在结晶器组件的下端与结晶器支承结构25的其余部分机械相联。杆或梁25a-25f可以延伸到覆盖结晶器22的全长，或如图4所示，至少覆盖间隔装置26a、26b、26c、26d和26e的全长。根据示于图5的实施例，杆25’a-25’f没入间隔装置26a、26b、26c、26d和26e或线圈10下游的支撑板25”内。因此在结晶器的顶端处构成中空结晶器部段中的内芯的杆或梁分别形成与结晶器支承结构成整体的结构或布置在结晶器或结晶器板外侧的结晶器支承板。如图4所示，该内芯可以插入顶端敞开的凹腔，使其与结晶器的顶表面在一个平面，或该内芯可如图5所示由结晶器覆盖于其顶端，即该内芯插入在顶端封闭的凹腔24。
如图2和3所示的中空结晶器部段22a-f、22’b-22’d具有基本为正方形或矩形的横截面，且布置为围绕基本为正方形的内芯25a-25f、25’a-25’f，但是结晶器部段和内芯可以呈任何横截面形状，只要中空部段的熔体侧与结晶器的内轮廓或形状相符即可。中空结晶器部段22a-f、22’b-22’d的最小壁厚与由线圈所产生的磁场的一个穿透厚度相对应或更厚。根据图2所示的实施例，中空结晶器部段22b、22c、22d的壁厚对于所有壁均是相同的，而根据图3所示实施例的中空结晶器部段22’b、22’c、22’d在面对熔体的那侧壁厚增加。如图1所示，中空结晶器部段22a-f、22’b-22’d中的凹腔一般自结晶器的顶端延伸到与间隔装置26a-26d的深度相对应的位置附近，但如果认为合适也可以延伸到结晶器的全长。结晶器22一般包括铜或铜合金，而插入中空结晶器部段22a-f、22’b-22’d内的机械支撑杆或支撑梁25a-25f、25’a-25’f一般是钢制的。根据图2和图3所示的实施例，插入中空结晶器部段22a-f、22’b-22’d内的机械支撑杆或支撑梁25a-25f、25’a-25’f包括布置在中空结晶器部段22b-d、22’b-22’d和支撑杆或支撑梁25a-25d之间的界面上用于冷却剂流动的槽27。这种槽也可以布置在杆或梁25a-25d内和/或中空结晶器部段22b-d、22’b-22’d内。
结晶器一般为基本呈正方形或矩形的横截面且包括四块结晶器板，或当适用时，例如浇铸小规格或有色金属时，可以制成整体单件式结晶器。
一般感应线圈供给有基础频率50Hz或更高的交变电流。最好供给有基础频率1-200Hz的交变电流。
借助根据本发明的装置和图中所示实施例，有关质量和生产率诸多方面，例如：
-热效率；
-机械上更稳定的结晶器；
-纯净度；
-表面质量；
-铸态组织得到控制；
-缩短停机时间；和
-提高铸造速度和/或减少振动，
可以得到改善，而没有不必要的感应功率损失和由于结晶器的顶端机械强度令人不满所带来的缺点。
Claims (22)
1.一种用于金属连铸或半连铸的装置，其包括：
-冷却的结晶器和布置在所述结晶器的顶端的感应线圈；
-多个在所述结晶器的所述顶端的间隔装置，其基本沿浇铸方向取向且布置为将所述结晶器分隔为亦基本沿浇铸方向取向的部段，各间隔装置包括电绝缘隔断层，其特征在于：
-所述结晶器部段的顶端是中空的，且位于该中空结晶器部段内作为内芯的支撑杆或梁，用于支撑作用，所述内芯呈现出较结晶器更为优良的机械性能。
2.如权利要求1所述的装置，其特征在于，在所述结晶器的下部内，于线圈的下游，梁或板状的结晶器支承结构位于结晶器外侧。
3.如权利要求1所述的装置，其特征在于，其包括一整体式结晶器。
4.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述结晶器基本呈正方形或矩形的横截面，且包括四块结晶器板。
5.如权利要求4所述的装置，其特征在于，所述细长中空结晶器部段延伸覆盖结晶器的总高度，且细长中空结晶器部段的组件保持在一起并由结晶器支承结构机械支撑。
6.如权利要求5所述的装置，其特征在于，在所述结晶器的顶端处的所述内芯与所述结晶器支承结构机械相关联。
7.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述内芯在间隔装置下游联接形成整体式结晶器支承结构或支承板。
8.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述中空结晶器部段具有基本为正方形或矩形的横截面，且布置为围绕所述内芯。
9.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述中空结晶器部段的最小壁厚与由线圈所产生磁场的一个穿透深度相对应或更厚。
10.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述中空结晶器部段在面向熔体的侧面上的壁厚有所增加。
11.如权利要求1所述的装置，其特征在于，在结晶器的外侧表面上的中空结晶器部段自结晶器的顶端延伸到与间隔装置的深度相对应的位置附近。
12.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述内芯基本自结晶器的顶端延伸至间隔装置的下端以下的位置。
13.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述内芯基本在结晶器的全长延伸。
14.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述内芯插入在结晶器的顶端处封闭的凹腔内。
15.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述内芯插入在结晶器的顶端处敞开的凹腔内，使所述内芯面对结晶器的顶端表面。
16.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述结晶器包括铜或铜合金，而所述内芯是机械支撑钢杆或梁。
17.如权利要求16所述的装置，其特征在于，所述机械支撑杆或梁包括供冷却剂流动的内槽或内腔。
18.如权利要求17所述的装置，其特征在于，所述供冷却剂流动的槽布置在中空结晶器部段内。
19.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述供冷却剂流动的槽布置在中空结晶器部段和所述内芯之间的界面上。
20.如权利要求1所述的装置，其特征在于，感应线圈提供有基础频率为50Hz或更高的交变电流。
21.如权利要求20所述的装置，其特征在于，感应线圈提供有基础频率为1-200kHz的交变电流。
22.一种根据权利要求1所述的用于金属连铸或半连铸的装置的用途，该装置包括冷却的结晶器和布置在所述结晶器的顶端的感应线圈，其中，所述结晶器在其顶端包括多个通过电绝缘间隔装置相互分离的中空结晶器部段。
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