CN114729781A - 在电弧炉中搅拌液态金属的方法 - Google Patents

Abstract

一种用于在连续装料的电弧炉(10)中电磁搅拌液态金属的方法，其中定位有沿第一电磁搅拌轴线(X1)的第一电磁场和沿第二电磁搅拌轴线(X2)的第二电磁场。

Description

在电弧炉中搅拌液态金属的方法

技术领域

本发明涉及一种用于在电弧炉中电磁搅拌液态金属的方法，其可用于以基本连续的装料熔化金属材料的处理中。

背景技术

用于熔化连续装料类型的金属材料的设备是已知的，其包括设置有至少一个容器或外壳的电弧炉，金属炉料在该容器或外壳内熔化。

电弧炉还包括具有用于电极通道的孔的覆盖顶部，电极进入外壳以允许触发电弧，从而允许金属炉料熔化。顶部也有用于抽取烟气的孔，而在外壳的底部或侧面通常有用于放出液态金属的装置。

电弧炉与供给金属材料的装置相关联，该装置可以是连续装料系统。

连续装料类型的方案通常使用带有吊篮的装料系统在炉关闭的情况下执行第一次启动装料，以便在炉的底部产生在周期开始时要熔化的大量金属材料。通常，当该物质完全熔化时，开始将碎料(scrap)连续装入炉的处理。

在最常见的方案中，电弧炉在外壳的底部有偏心的出料孔，称为“偏心底部出料”或EBT，或者，可替代地，在外壳的底部有用于在出料步骤期间从外壳中提取熔融金属的出料槽。

出料步骤在精炼步骤之后，在精炼步骤期间将特定元素引入熔融金属中，以改善其质量或赋予其所需的性能，具体取决于要获得的钢的配方。

在这种类型的熔化处理中，最常见的缺点之一是外壳内的熔融金属温度的均匀化。

熔融金属物质的温度缺乏均匀性会导致一些问题，例如某些元素的不需要的浓度、工艺参数的不正确测量、局部温度峰值、部件过早磨损或本领域已知的其他问题。

为了解决这些问题，已知使用电磁搅拌器，其通常布置在炉的底部的下方或最多与其侧壁相关联。

例如，文献WO 2018/145754描述了一种电弧炉，其具有电磁搅拌器，该电磁搅拌器位于外壳的底部下方的大致中心位置，并且具有与穿过外壳的中心和出料孔或出料槽的中心竖直平面相交的电磁搅拌轴线。

文献EP 2616560 B1也是已知的，其描述了一种电弧炉，该电弧炉设置有相对于炉的中心轴线彼此相对的两个电磁搅拌器。

US 3,409,726也是已知的，其一般性地表示，通过反转通过熔融金属的直流电或电磁体的励磁电流的极性，可以容易地反转熔融金属的移动方向。US’726描述了使用以外壳的底部中心为轴线的磁极，或者除了该中心磁极之外，还使用在电炉的圆周上径向地和等距地布置的三个磁极。

JP 62-73591描述了一种用于电弧炉的磁力搅拌装置。该装置包括电磁搅拌器，该电磁搅拌器可以在炉的下方移动，以根据熔化周期的不同步骤呈现可变的位置。

使用搅拌器搅拌炉内熔融金属的方案通常不会提供搅拌器本身的作用与熔化周期的步骤之间的相关性。

这可能导致外壳内壁的过度磨损，液态金属在该处具有更高的速度，并且限定了液态金属趋于停滞的死区，而不是与周围的液态金属最佳地融合。

因此，需要完善一种能够克服现有技术的缺点的用于在电弧炉中电磁搅拌液态金属的方法。

特别地，本发明的一个目的是完善用于在电弧炉中电磁搅拌液态金属的方法，该方法防止炉的壁和炉的底部出现不同磨损问题，使整个液态金属物质的温度均匀，并提高炉内熔化和精炼步骤的效率。

申请人已经设计、测试和实现了本发明以克服现有技术的缺点并获得这些和其他目的和优点。

发明内容

本发明在独立权利要求中进行了阐述并描述了其特征。从属权利要求描述了本发明的其他特征或主要发明构思的变体。

根据上述目的，本发明涉及一种与电弧炉中的熔化期相关联的用于电磁搅拌液态金属的方法，该方法提供至少一个装料步骤(期间金属炉料引入炉中)、在电弧炉中熔化步骤和精炼液态金属的步骤。

根据本发明的一个方案，这种电磁搅拌应用在连续装料的电弧炉中，其中通过布置在炉底或炉的底部下方的至少两个电磁搅拌器，产生至少一个沿第一电磁搅拌轴线的第一电磁场和至少一个沿第二电磁搅拌轴线的第二电磁场。

根据本发明的一个方案，在炉周期的至少第一步骤中，第一电磁场和第二电磁场在液态金属上产生具有彼此不一致的指向的混合力，并且在炉周期的至少第二步骤中，电磁场在液态金属上产生具有彼此一致的指向的力。

在此处和下文中的描述中，术语“不一致”表示由第一电磁搅拌器产生的混合力的轴线相对于由第二电磁搅拌器产生的混合力的轴线具有相反的指向；另一方面，术语“一致”表示两个电磁搅拌器产生的混合力的轴线具有相同的指向，即它们具有相同的方向。

以这种方式，当力的轴线的指向不一致(或相反)时，钢的搅拌普遍朝向外壳的整个周边，钢相对于外壳的耐火材料壁基本上进行圆形和切向移动。

另一方面，当电磁力的轴线具有一致的指向时，两个搅拌器促使钢朝向炉的同一周边区域移动，并且钢在周边反弹并向中心返回。

区分与熔化处理的步骤相关的混合作用，除了获得具有非常均匀的热物理特性和化学成分特性的液态金属外，还可以优化电弧炉的总能耗并减少总周期时间。

附图说明

通过以下一些实施例的描述，本发明的这些和其他方案、特征和优点将变得明显，这些实施例是参照附图作为非限制性示例给出的，其中：

-图1是适用本发明的电磁搅拌方法的电弧炉的剖面示意图；

-图2和图3分别是根据本发明的搅拌方法的示意图；

-图4a-4f是适用本发明的电磁搅拌方法的电弧炉中的电磁搅拌器的可能的替代布置的示意图。

为了便于理解，在可能的情况下，已经使用相同的附图标记表示附图中相同的共同元件。应当理解，一个实施例的元件和特征可以方便地并入其他实施例中，而无需进一步阐明。

具体实施方式

我们现在将详细参考本发明的可能实施例，其中一个或多个示例在附图中示出。每个示例是作为对本发明的说明而提供的，不应被理解为对其的限制。例如，所显示或描述的特征，只要它们是一个实施例的一部分，都可以在其他实施例上改变或采用，或与其他实施例相关联以产生其他实施例。应当理解，本发明应包括所有这些修改和变体。

在描述这些实施例之前，我们还必须阐明，本说明书不限于其应用到使用附图在以下描述中描述的部件的构造和布置的细节。本说明书可以提供其他实施例并且可以以各种其他方式获得或执行。我们还必须阐明，此处使用的措辞和术语仅用于描述目的，不能被视为限制性的。

附图中描述的实施例涉及电弧炉，其整体上用附图标记10表示，液态金属L在该电弧炉内根据本发明的电磁搅拌方法进行混合。

电弧炉10可以是由交流电AC供电的类型，其特征在于存在三个或更多个电极14，电弧在这些电极之间撞击以点燃和/或继续熔化处理，或者由直流电DC供电，其特征在于存在布置在中心的一个或两个电极14，其执行与位于电弧炉10底部的阳极配合以产生电弧的阴极的功能。

尽管在此处描述的附图中，我们指的是由交流电AC供电的类型的电弧炉10，但显然下面描述的概念也适用于由直流电DC供电的类型的电弧炉10。

根据图1所示的实施例，电弧炉10在其基本部分中包括容器或外壳11，以及布置在外壳11上方并覆盖外壳11的覆盖元件或顶部12。

对于电弧炉10，有相关的装置13来连续地供给金属炉料25，其可以包括例如碎料S。

供给装置13适于根据确定的供给轴线Z移动金属炉料25。

根据一些实施例，供给装置13可以横向布置，见图1-3，以相对于电弧炉10的侧面引入金属炉料25，或者在上部，从顶部12中形成的孔引入金属炉料25。

金属炉料25以已知方式定位在供给装置13上，并且可以具有甚至可以高度地可变的确定尺寸。

用于容纳和/或定位电极14的孔形成在顶部12中，这些孔适合于产生电弧以熔化存在于外壳11中的金属炉料。

顶部12和电极14与提升和旋转装置相关联，这些装置适于提升(甚至彼此独立地提升)顶部12和电极14。

外壳11设置有底部或炉底15，以及至少部分由耐火材料制成的侧壁16，以承受熔化步骤中达到的高温和高反应性环境。

底部15可以设置有偏心出料孔17，也称为“偏心底部出料”EBT，或者，可替代地或附加地，具有用于在出料步骤期间从外壳11中提取熔融金属的出料槽。

外壳11安装在附图中不可见的支架上，并且通常提供致动装置以围绕确定的旋转轴线旋转外壳11本身。

炉10还包括衬里18，衬里18设置有布置为放在外壳11的上边缘上的下边缘19。

衬里18，通常由冷却板组成，基本上随着外壳11的壁的一起延伸，并且顶部12布置在其上方以设置为封闭后者。

衬里18设置有第一孔20和第二孔，供给装置13通过第一孔20定位以供给金属炉料25，通过该第二孔可以进行放渣操作。

在外壳11内部，在第一孔20下方，有装料区28，新引入的金属炉料25在该装料区28积聚。

装料区28相对于存在电极14的电弧炉10的中心区位于周边位置。

第二孔可以通过放渣门22选择性地其可接近/不可接近，放渣门22通常位于与出料孔17相对的位置，见图2-3。

根据一些实施例，如图2和图3所示，电弧炉10在外壳11下方设置有两个电磁搅拌器23、24，其被构造为在熔炼处理期间在外壳11内的液态金属L中产生混合力F1、F2。

从附图中可以看出，电磁搅拌器23、24可以以相对和镜面对称的方式布置，以形成相对于中心平面P的一对电磁搅拌器。

电弧炉10包括构造成为电磁搅拌器23、24供电的电源装置26，以及控制单元27，其可操作地连接至电源装置26以控制电磁搅拌器23、24的驱动。

根据一些实施例，每个电磁搅拌器23、24包括由磁性材料制成的主体，导电材料线圈缠绕在该主体周围。线圈被构造为由电源装置26以电流供电，在电磁搅拌器23、24的电磁搅拌的轴线的方向上产生磁场。

根据一些实施例，控制单元27还可以操作地关联电源装置13和电极14。

第一电磁搅拌器23通电以沿着第一电磁搅拌轴线X1产生第一电磁场。

第二电磁搅拌器24通电以沿着第二电磁搅拌轴线X2产生力的第二电磁场。

根据另外的实施例，如图4所示，可以存在数量大于两个的电磁搅拌器123、124，以便沿电磁搅拌轴线X产生相应数量的电磁场。

根据一些实施例，电磁搅拌器123、124可以布置成形成成对的电磁搅拌器，例如两对(图4a、4d)或更多，例如三对(图4e)。

替代实施例可以提供相对于中心平面P偏移(图4d)或对齐(图4e)布置的成对的相对的电磁搅拌器123。

根据其他实施例，一对电磁搅拌器123、124可以定位成相对于中心平面P具有不同的距离(图4d)。

在其他实施例中，不同对的电磁搅拌器123、124可以具有距中心平面P不同的距离(图4a)。

另外的实施例可以提供奇数个电磁搅拌器123、124，例如3个或5个(图4b、4c)。

在提供奇数个电磁搅拌器123、124的实施例中，可以将至少两个搅拌器布置为相对于中心平面P的相对的对(图4b)。

根据一些实施例，可以将一个或多个电磁搅拌器123、124基本上和中心平面P相一致地布置(图4b、4c)。

一些实施例可以提供非对称地划分电磁搅拌器123、124的数量的中心平面P(图4c)。

在其他实施例中，电磁搅拌器123、124可以布置成使得它们的搅拌轴线X相对于中心平面P倾斜，例如，正交(图4f)。

根据此处未示出的另外的实施例，电弧炉10可以设置有电磁搅拌器123、124，其搅拌轴线X相对于彼此不同地定向。

根据一些实施例，电磁搅拌器123、124的尺寸可以相对于外壳11的尺寸和/或所需的布置而适当地确定。

此处未示出的一些实施例可以提供设置有相对于彼此不同尺寸的电磁搅拌器123、124的电弧炉10。

根据一些实施例，第一电磁搅拌轴线X1和第二电磁搅拌轴线X2相对于中心平面P彼此平行。

中心平面P是竖直的并且穿过外壳11的底部15的中心并且穿过出料孔17，或者可替代地穿过出料槽。

中心平面P可以是至少对于外壳11的对称平面。

根据一些实施例，外壳11具有顶部平面截面，该截面可以具有弯曲形状，例如通过连接在由圆周、抛物线、椭圆、直线组成的组中适当选择的一条或多条曲线来限定。

根据一些实施例，外壳11在出料孔17的方向上具有细长的弯曲形状，因此，出料孔17的位置非常远离外壳11的中心。

以示例的方式参考图2-3，描述了用于电磁搅拌电弧炉10中的液态金属L的方法。

在电弧炉10内进行熔化处理，其包括至少一个装料步骤，在此期间引入并熔化金属炉料25，其被添加到之前已经熔化的液态金属L中，随后的步骤是在电弧炉10中精炼液态金属L。

在根据本发明的用于在连续装料的电弧炉10中电磁搅拌液态金属的方法中，产生沿第一电磁搅拌轴线X1的第一电磁场和沿第二电磁搅拌轴线X2的第二电磁场。

根据本发明的一个方案，在第一步骤中，所述第一电磁场和所述第二电磁场在液态金属L上产生具有彼此不一致的指向的混合力F1、F2，并且在第二步骤中，这些电磁场在液态金属L上产生具有彼此一致的指向的力F1、F2。

在有利的方案中，所述第一步骤是装料步骤并且所述第二步骤是精炼步骤。

根据一些实施例，如图2-3所示，在至少一个装料步骤期间以及在精炼步骤期间，第一电磁搅拌轴线X1和第二电磁搅拌轴线X2相对于中心竖直平面P彼此平行，中心竖直平面P穿过电弧炉10的中心并穿过电弧炉10的出料孔17。

根据一些实施例，在至少一个装料步骤期间，混合力F1、F2沿逆时针周边方向确定液态金属L流，见图2。

换句话说，在如上的装料步骤期间，第一电磁搅拌器23和第二电磁搅拌器24各自的混合力F1、F2的产生轴线在彼此相反(或不一致)的方向上定向。在图2中，产生的力的相反指向对电磁搅拌器23用F3表示，对电磁搅拌器24用F4表示。

以这种方式，钢的搅拌主要朝向外壳11的整个周边，液态金属L的移动基本上是圆形的，并与外壳11的耐火壁相切。

在其他实施例中，混合力F1、F2沿顺时针周边方向确定液态金属L流(未示出)。

磁力搅拌器23、24的位置以及它们的搅拌作用的相反和不一致的方向，由各自的电磁搅拌轴线X1、X2限定，允许以最佳方式实现金属炉料25被引入并且积聚在相应的装料区28。由于搅拌力的方向，引入的新的金属炉料25逐渐并入之前的炉料中，从而促进温度的均匀性，以及对应于位于更远离电弧炉10的中心的出料孔17的区域。

此外，电磁搅拌器23、24的这种构造和致动模式允许获得更均匀的速度分布，防止液态金属L流中的涡流和/或不稳定性。

在这种情况下，液态金属L流，因为其基本上是圆形的并且与外壳11的侧壁16是相切的，所以具有减小的动量径向分量。这有助于限制对侧壁16的侵蚀作用并因此减少对频繁维护和修理干预的需要。

根据一些实施例，在精炼步骤期间，混合力F1、F2具有一致的指向，即，电磁搅拌器23和24被供电，使得产生的电磁力的轴线(在图3中对电磁搅拌器23用箭头F5表示，对电磁搅拌器24用箭头F4表示)具有相同的方向和指向。

在这种情况下，搅拌器23、24都促进液态金属L向炉10的同一周边区域移动，特别是向偏心出料孔17移动，然后液态金属L在周边反弹并向中心返回，沿放渣门22的方向移动，见图3。

这还允许使外壳11的中心区域中的温度均匀化，在装料步骤期间，液态金属L流对应于外壳11的侧壁16以更快的速度移动，几乎不发生混合。

根据一些实施例，在至少一个装料步骤和精炼步骤期间，控制单元27向电源装置26发送控制信号，电源装置26用第一电流为第一电磁搅拌器23供电，用第二电流为第二电磁搅拌器24供电，以分别产生上述第一电磁场和第二电磁场，其根据所述步骤中的一个或另一个，在彼此不一致的(或相反的)指向上，或在一致的指向上(即，具有相同的方向)适当地定向。

根据一些实施例，控制单元27可以从供给装置13接收与引入电弧炉10的金属炉料25的量成比例的装料信号，并将操作信号发送至电源装置26，以便基于引入的金属炉料25的量限定第一电流和第二电流。

引入的金属炉料25的量越大，电流的强度就越大，因为各自的混合力F1、F2必须搅拌更大量的液态金属L。

这允许自动调节电磁搅拌器23、24的搅拌动作，始终获得液态金属L的完美且均匀的混合。

根据一些实施例，在至少一个装料步骤和精炼步骤期间，第一电流和第二电流可以具有相同的强度。

根据另外的实施例，在至少一个装料步骤和精炼步骤期间，第一电流和第二电流可以具有不同的强度。

特别地，在装料步骤期间，可以提供具有比精炼步骤期间的电流更大的强度的电流。

事实上，部分熔化和/或固态的金属炉料25的存在，要求混合力F1、F2大于在熔化处理结束时和精炼步骤期间搅拌液态金属L所需的混合力。

与上述装料和精炼步骤相关联地和/或根据引入的金属炉料25的量改变电流的强度，允许优化电弧炉10的总能耗。

显然，在不脱离本发明的领域和范围的情况下，可以对上述用于在电弧炉中电磁搅拌液态金属的方法进行修改和/或增加步骤。

同样清楚的是，尽管已经参考一些具体示例描述了本发明，但本领域技术人员肯定能够实现用于在电弧炉中电磁搅拌液态金属的方法的许多其他等效形式，由于其具有如权利要求所述的特征，因此都在权利要求所限定的保护范围内。

在以下权利要求中，括号中的附图标记的唯一目的是便于阅读：其不得被视为与具体权利要求中所要求的保护领域有关的限制性因素。

Claims (10)

1.一种用于在连续装料的电弧炉(10)中电磁搅拌液态金属的方法，其中通过电磁搅拌器(23、24；123、124)产生至少一个沿第一电磁搅拌轴线(X1)的第一电磁场和至少一个沿第二电磁搅拌轴线(X2)的第二电磁场，其特征在于在炉周期的第一步骤中，所述第一电磁场和所述第二电磁场在液态金属(L)上产生具有彼此不一致的指向的混合力(F1、F2)，并且在炉周期的第二步骤中，所述电磁场在液态金属(L)上产生具有彼此一致的指向的力(F1、F2)，并且其特征在于所述第一步骤是装料步骤并且所述第二步骤是精炼步骤。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于在所述至少一个装料步骤期间以及在所述精炼步骤期间，所述第一电磁搅拌轴线(X1)和所述第二电磁搅拌轴线(X2)相对于竖直中心平面(P)彼此平行，所述竖直中心平面(P)穿过电弧炉(10)的中心并穿过所述电弧炉(10)的出料孔(17)。

3.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于在所述至少一个装料步骤期间，所述混合力(F1、F2)沿逆时针周边方向确定液态金属(L)流。

4.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于在所述至少一个装料步骤期间，所述混合力(F1、F2)沿顺时针周边方向确定液态金属(L)流。

5.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于在所述精炼步骤期间，所述混合力(F1、F2)沿所述出料孔(17)的方向并且随后沿相反方向朝向所述电弧炉(10)的中心区域确定液态金属(L)流。

6.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于在所述至少一个装料步骤和所述精炼步骤期间，控制单元(27)向电源装置(26)发送控制信号，所述电源装置(26)用第一电流为至少一个第一电磁搅拌器(23)供电，并且用第二电流为至少一个第二电磁搅拌器(24)供电，以根据所述步骤中的一个或另一个分别产生适当地定向的所述第一电磁场和所述第二电磁场。

7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于所述控制单元(27)从供给装置(13)接收与引入所述电弧炉(10)的金属炉料(25)的量成比例的装料信号，并将所述操作信号发送至所述电源装置(26)，使得所述第一电流和所述第二电流具有与引入的金属炉料(25)的所述量成比例的强度。

8.根据权利要求6或7所述的方法，其特征在于在所述至少一个装料步骤和所述精炼步骤期间，所述第一电流和所述第二电流具有相同的强度。

9.根据权利要求6或7所述的方法，其特征在于在所述至少一个装料步骤和所述精炼步骤期间，所述第一电流和所述第二电流具有不同的强度。

10.根据权利要求9所述的方法，其特征在于在所述至少一个装料步骤中，所述第一电流和第二电流具有比所述精炼步骤中的第一电流和第二电流更大的强度。

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