CN1293965C - 在铸模中连续铸造金属的方法和设备 - Google Patents

Abstract

一种用于金属连续或半连续铸造的设备，它包括铸模(1)、装置(2)、第一电磁感应线圈(4)和第二电磁感应线圈(3)，铸模(1)沿浇注方向两端敞开，装置(2)用来将熔融物供应到铸模(1)，第一电磁感应线圈(4)由交流电流供电并适于使得铸模(1)内的熔融物(7)产生搅动运动，而第二电磁感应线圈(3)布置在该第一感应线圈(4)上游并适于控制邻近熔融物上自由表面(5)区域内的熔融物搅动运动。第二感应线圈(3)布置成由直流或交流电流可互换地供电。本发明还涉及用来控制铸模(1)内搅动运动的方法。

Description

在铸模中连续铸造金属的方法和设备

技术领域

本发明涉及在一种沿着浇注方向两端敞开的铸模中连续或半连续铸造例如钢的金属和合金的方法和设备。

背景技术

在连续铸钢作业中借助于外部施加的低频交流电磁场来搅动连续铸造铸模内的钢液是一种沿用已久的实践。电磁搅动，即通常所说的EMS，广泛应用于连续铸钢中，以便改进铸态产品的质量和过程生产率。已经证实，为了满足不同的铸造实践条件，需要控制紧邻通常称作弯液面的熔融物自由表面区域内的搅动运动。因此在弯液面区域内需要一定强度的搅动运动，以便控制主要用Si-Mn脱氧钢生产的钢坯和钢锭内的表面和次表面孔隙率、表面夹杂物以及其他缺陷。另一种铸造实践，即通常所说的在铸模粉末下方的浸没浇注需要弯液面稳定，因此它对弯液面处的搅动运动施加限制。除了从铸造实践发出的这两种相反需要之外，在弯液面区域和铸模主体中的某些组的股坯缺陷和搅动强度之间也存在直接的相关性。因此控制那些铸模区域搅动运动的需求使一些建立在应用直流或交流电磁场基础上的技术成为必要。因此在美国专利NO.4,933,005中曾描述借助于水平直流磁场来控制铸模弯液面区域内的搅动运动。根据这个专利，外部施加直流磁场与由主搅动器形成的弯液面区域搅动流动相互作用。由这个相互作用生成电磁力，并且该力与液态金属运动相反，借此降低该运动的速度。这种搅动速度控制法具有局限性。在用于连续铸造钢坯和钢锭的设备的普通外廓内，制动线圈的尺寸受到限制，其结果是由该制动器产生的直流磁场强度只足以使弯液面处的搅动速度减少到速度初始值的百分之五十至六十。

以控制弯液面区搅动运动为目标的另一种现有技术已知方法是以交流电流操作的双线圈EMS系统，它在美国专利No.5,699,850中得到描述。根据这个专利，布置在铸模上部弯液面区域内的感应线圈用电源供电，该电源与布置在铸模下部的主搅动器电源无关。因此由上感应线圈产生的旋转交流磁场相对于主搅动器磁场独立地进行控制。当由上和主搅动器产生的磁场一致时，在弯液面内的搅动速度增加。这种速度增加可由输入上线圈的电流进行控制。在旋转方向彼此相反的情况下，上搅动器相对于弯液面区域内的搅动流动变成磁制动器。借助于调节制动器电流，能将弯液面区域内的搅动速度控制在一范围内，该范围从其不施加制动作用时的初始值到制动转矩与弯液面区域搅动流动的角动量平衡时的实际零值。

作为这种方法的缺点，制动作用仅对由搅动或由排入铸模的浇注流冲击产生的流体流动水平分量具有影响。这些流动的纵向分量保持不受上感应线圈产生的交流磁场影响。这些纵向流体流动，根据它们的强度，使弯液面处以及在邻近弯液面的区域内的熔融物产生明显的紊流，因而影响浇注实践的工作状态和产品质量。

发明内容

本发明的目的是在用来生产例如钢坯和钢锭的连续铸造铸模熔融物弯液面区域内提供一种更加灵活的搅动速度和也就是液态金属流的熔融物流控制。

根据本发明，提供一种用来连续或半连续铸造金属的设备，它包括一铸模、一装置、一第一电磁感应线圈和一第二电磁感应线圈，铸模沿浇注方向两端敞开，装置用来将熔融物供应到铸模，第一电磁感应线圈由交流电流供电并适于使得铸模内的熔融物产生搅动运动，而第二电磁感应线圈布置在第一感应线圈上游并适于控制邻近该熔融物上自由表面区域内的熔融物搅动运动，其特征在于，第二感应线圈布置成由直流或交流电流可互换地供电。

根据本发明，还提供一种用于控制金属连续和半连续铸造铸模内搅动运动的方法，铸模沿浇注方向两端敞开，熔融物供应到铸模中，借助于一由交流电流供电的第一感应线圈使得铸模内的熔融物产生搅动运动，借助于一布置在第一电磁感应线圈上游的第二电磁感应线圈对邻近熔融物上自由表面区域内的熔融物搅动运动进行控制，其特征在于，第二感应线圈由直流或交流电流可交换地供电。

根据本发明，还提供一种用于控制金属连续和半连续铸造铸模内搅动运动的方法，铸模沿浇注方向两端敞开，熔融物供应到铸模中，借助于一由交流电流供电的第一感应线圈使得铸模内的熔融物产生一搅动运动，借助于一布置在第一电磁感应线圈上游的第二电磁感应线圈对邻近熔融物上自由表面区域内的熔融物搅动运动进行控制，其特征在于，第二感应线圈能提供三种不同的工作模式，即

第一模式，其中第二感应线圈由交流电流供电，而且由第二感应线圈产生的磁场旋转方向与由第一感应线圈产生的磁场旋转方向一致，因此由第二感应线圈产生的磁场加强由第一感应线圈在邻近该熔融物上自由表面的熔融物区域内产生的搅动运动速度，在该区域内的熔融物搅动速度通过调节供应到第二感应线圈的交流电流值进行控制，

第二模式，其中第二感应线圈由交流电流供电，而且由第二感应线圈产生的磁场旋转方向与由第一感应线圈产生的磁场旋转方向相反，因此由第二感应线圈产生的磁场减低由第一感应线圈在邻近该熔融物上自由表面的熔融物区域内产生的搅动运动速度，在该区域内的熔融物搅动速度通过调节供应到第二感应线圈的交流电流值进行控制，以及

第三模式，其中第二感应线圈由直流电流供电，以致于产生一水平取向的直流磁场，它在邻近该熔融物上自由表面的熔融物区域内在铸模的横向以及纵向空间平面内在熔融物内产生与流体流动方向相反的电磁力，借此由第二感应线圈产生的磁场减低由第一感应线圈在邻近该熔融物上自由表面的熔融物区域内产生的搅动运动的速度，以及由第一感应线圈和搅动作用在熔融物内产生的纵向流动借助于将熔融物连续排入铸模产生的纵向流动的速度，

该工作模式根据所采用的铸造方法来选择。

根据本发明，双线圈搅动系统的上感应线圈，此处称之为“第二感应线圈”根据对邻近熔融物的上自由表面区域内熔融物搅动运动的所需的作用由直流或交流电流供电，而主感应线圈，此处称之为“第一感应线圈”总是作为由交流电流供电即产生交流磁场的搅动器在工作。

第二感应线圈最好由来自相对于主搅动器即相对于第一感应线圈独立的电源的交流电流供电。当该搅动系统使用定径喷嘴的浇注并且需要增强弯液面区域内的搅动运动时，上感应线圈以协助主搅动器的模式工作。当浸没浇注铸造实践的弯液面处需要完全或几乎完全降低的搅动速度时，交流电流也用来激励上感应线圈。

在弯液面处的搅动速度局部降低能借助于施加水平直流磁场来实现。在下述情况下需要这种局部制动作用：使用定径喷嘴或浸没入口喷嘴的铸造，而且在弯液面处的搅动速度需要控制在其初始值的至多百分之六十或五十范围内。在这种情况下使用直流电流来激励上感应线圈。经验显示，这样的制动强度在许多浸没浇注铸造实践情况下和用于通过定径喷嘴的浇注是足够的。在高水平搅动强度情况下，借助于施加交流磁场来实现进一步降低搅动速度。将电流从交流转换为直流或者相反最好由电子和编程装置来完成，该装置构成系统电力供应的一部分。从由主搅动器产生的搅动、液态金属的排出流和/或铸模运动形成的弯液面区域流体流动会与由上感应线圈产生的水平直流磁场相互作用。作为该直流磁场和任何以不等于零度的角度横过该磁场流体流动之间相互作用的结果，会形成磁力并阻碍这些流动的运动。在该磁场和流体流动之间成90°角时相互作用达到最大程度。其结果是，搅动运动速度和包括排放笔直向下的浇注流的纵向流动会减小。弯液面紊流也会因此而减小，从而导致弯液面稳定性、过程工作状态和浇注产品质量的改善。

因此鉴于由单个搅动系统提供并由布置在铸模弯液面区域的同一感应线圈产生的交流和直流磁场的可互换性，本发明为控制搅动速度和弯液面紊流的灵活性带来了明显改进，并导致冶金性能有效性和搅动系统效率的提高。

本发明是双线圈搅动系统方法和设备的一种进一步改进。本发明可广泛应用于所有能电磁搅动的也就是金属和合金的导电材料，以及需要在某个或多个区域控制搅动运动的场合，所述区域与该流体金属柱其他区域的搅动运动即使有干扰，该干扰也是最小。本发明可应用于变化广泛的特殊铸模取向。铸模可垂直、水平或倾斜放置。

附图说明

现在只通过实例参照不同实施例和附图更加详细地解释本发明。

图1示意地披露与根据本发明实施例的铸模相关的双线圈搅动系统；

图2是根据本发明实施例设备的感应线圈可能电连接的单线图；

图3是在水银柱中的直流磁力制动器电流与弯液面处以及电磁搅动器中间平面内的搅动速度之间关系的图解表示；以及

图4是用于在有和没有交流和直流磁场制动器情况下操作的双线圈EMS系统的方形截面水银槽内多个测定搅动速度的轴向断面的图解表示。

具体实施方式

图1披露一种根据本发明实施例的用来连续或半连续浇注金属的设备。该设备包括沿着浇注方向两端敞开的铸模1，以及用来给该铸模供应热熔融物的装置2。该设备装备着双线圈电磁搅动(EMS)系统，它包括第一感应线圈4和第二感应线圈3。第二感应线圈3安置在铸模顶端，并处于第一感应线圈4的上游。因此，第一感应线圈4安置在第二感应线圈3的下游。第一感应线圈4作为搅动器工作并由产生交流磁场的交流电流供电。第一感应线圈4构成交流电磁搅动器，并设计成在供电时使铸模1内的熔融金属7产生围绕铸模1纵轴线的旋转运动。在图1中熔融物借助于浇注管2供应到铸模内，浇注管2在熔融物上表面(弯液面5)下方敞开。当然也可利用其他类型的装置来给铸模1供应熔融物。

根据本发明，第二感应线圈3根据在邻近熔融物上自由表面5区域内所需熔融物搅动运动的作用由直流或交流电流可互换地供电。为了控制供应到第二感应线圈3上的电流类型，该设备最好装备着图2示意地表示的装置12，它用来将到达第二感应线圈3的电流从交流转换成直流或者相反。将该电流从交流转换成直流或者相反最好由电子和编程装置12来实现，该装置构成系统电力供应的一部分。

第二感应线圈3最好由来自相对于第一感应线圈4独立的电源的交流电流供电。根据本发明优选实施例，第一电源10提供来给第一感应线圈4供应交流电流，而第二电源11提供来给第二感应线圈3可互换地供应交流和直流电流。在图2中示意地表示所述第一和第二电源。用来将电流从交流转换成直流或者相反的装置也在图2中以12示意地表示。因此，交流或者直流电流均能选择来为第二线圈3供电。这种布置允许不管由第一感应线圈4产生的搅动方向图案如何而独立控制第一或第二感应线圈的搅动动作。

根据本发明的优选实施例，第一感应线圈包括围绕铸模1周边排列的一系列线圈8。这些线圈8最好具有多相和多极布置。最好是第二感应线圈3也包括围绕铸模1周边排列的一系列线圈9。这些线圈9最好也具有多相和多极布置。

根据本发明的一方面，第二感应线圈3能提供至少三种不同的工作模式，即：

-第一模式，其中第二感应线圈3由交流电流供电，而且由第二感应线圈3产生的磁场旋转方向与由第一感应线圈4产生的磁场旋转方向一致，因此由第二感应线圈3产生的磁场加强由第一感应线圈4在邻近熔融物上自由表面5的熔融物区域内产生的搅动运动速度，在所述区域内的熔融物搅动速度通过调节供应到第二感应线圈3的交流电流值进行控制，

-第二模式，其中第二感应线圈3由交流电流供电，而且由第二感应线圈3产生的磁场旋转方向与由第一感应线圈4产生的磁场旋转方向相反，因此由第二感应线圈3产生的磁场减低由第一感应线圈4在邻近熔融物上自由表面5的熔融物区域内产生的搅动运动速度，在所述区域内的熔融物搅动速度通过调节供应到第二感应线圈3的交流电流值进行控制，以及

-第三模式，其中第二感应线圈3由直流电流供电，以致于产生水平取向的直流磁场，它在邻近熔融物上自由表面5的熔融物区域内在铸模1的横向以及纵向空间平面内在熔融物7内产生与流体流动方向相反的电磁力，借此由第二感应线圈3产生的磁场减低由第一感应线圈4在邻近熔融物上自由表面5的熔融物区域内产生的搅动运动的速度，以及由第一感应线圈4的搅动作用在熔融物7内产生的纵向流动和借助于将熔融物连续排入铸模1产生的纵向流动的速度。

符合需要的工作模式根据所采用的浇注方法从上述多种模式中选择。第二感应线圈3对于在邻近弯液面5区域内的熔融物搅动运动的所需效果随所采用浇注方法的类型而改变。

根据本发明第二感应线圈3由任一直流或交流电流供电，以便在铸模弯液面区域内产生制动作用从而改进搅动运动的控制。此外，EMS系统的冶金有效性也实现。用交流磁场实施的制动作用能在包括实际速度为零的广阔范围内控制弯液面处的搅动速度。通过在铸模主体内制动搅动运动而产生的反向冲击使得在这个区域内的搅动速度能减低多达百分之二十。由水平直流磁场提供制动作用能在相当于原始速度值百分之五十范围内控制弯液面区域内的搅动速度，并且不影响铸模主体内的搅动运动。这对于大多数在浸没浇注情况下的连续铸钢实践来说是足够的。

从第二感应线圈3生成的水平直流磁场和弯液面区域内旋转搅动流动之间相互作用产生的制动作用大部分限制在弯液面和该磁制动器底端部之间的界限内。由也就是第一感应线圈4的主搅动器产生的铸模主体内部搅动运动实际上保持不受由水平直流磁场产生的弯液面区域内制动作用影响。

熔融物7内部的旋转流动强度的特征为：其旋转(角)速度U本身又取决于磁转矩参数和它在熔融物内的空间分布，以及铸模横截面的尺寸和几何形状。对于相对较小的轴对称几何形状即圆柱形或正方形横截面系统来说，磁转矩能按照下述公式来确定：

T＝0.5πfσB²R⁴L

此处：

T为由两相或三相交流磁场产生的磁转矩，

f为电流频率，

σ为液态金属导电率，

B为磁通量密度，

R为搅动槽半径，以及

L为搅动器轭铁长度。

由可互换地使用用于激励第二感应线圈3的交流或直流电流在弯液面5处提供的独立控制搅动运动使得更灵活和更准确地控制搅动过程以及弯液面区域内的紊流，所述紊流由第一感应线圈4，图1中标号18所示的浇注流以及铸模1振动引入的纵向流体流动造成。

在直流电流供电时由也就是第二感应线圈4的直流制动器在横向和纵向平面内减少流体流动，是作为在直流磁场和运动导电流体流之间根据下述公式相互作用的结果出现电磁力即Lorentz力而发生的：

F＝B×J

J＝σ(E+UB)

此处：

J为在熔融物内部的感应电流密度，

U为熔融物流的速度，以及

E为电位。

电磁力F根据磁通量密度B和流体流动速度U的大小，显而易见，需要显著地加大电流以便将流体流动速度减小到接近零水平。在许多连续铸造实践情况下这种速度减小是不需要的。如图3所示，在水银槽弯液面处的搅动速度在直流电流当前输入值为250A时从初始的7.3弧度/秒(rad/s)减少到2.7弧度/秒。速度减小的线性外插法指出为了将搅动速度减至实际零水平需要335A。

借助于直流制动器减少弯液面区域内的搅动速度还对主EMS即第一感应线圈4中间平面的搅动速度施加制动效果，这与由交流制动器产生的影响类似。图3和4显示，在弯液面处的搅动速度直流制动减少到2.7弧度/秒时在EMS中间平面处的搅动速度为大约11.7弧度/秒或初始值13.6弧度/秒的86％。

本发明提供一种控制铸模弯液面区域内沿着水平和纵向液态金属运动的改进方法。由主EMS和由其他装置例如排入铸模的液态金属浇注流产生的液态金属运动纵向分量会最小化，这是因为采用以搅动调节器为形式的感应线圈即第二感应线圈并将其布置在熔融物弯液面区域周围并用直流电流供电的结果，而比较复杂的搅动速度即水平分量控制借助于使用由该搅动调节器产生的交流磁场来实现。

用于本说明书和所附权利要求的表达方式“感应线圈”还包括含有几个单独线圈的感应线圈，如图2所示。

当然，本发明不受上述优选实施例的任何限制，十分明显，一般地本领域技术人员能在不超越所附权利要求确定的本发明基本思想的情况下对其作出许多变型。

Claims (15)

1.一种用来连续或半连续铸造金属的设备，它包括一铸模(1)、一装置(2)、一第一电磁感应线圈(4)和一第二电磁感应线圈(3)，铸模(1)沿浇注方向两端敞开，装置(2)用来将熔融物供应到铸模(1)，第一电磁感应线圈(4)由交流电流供电并适于使得铸模(1)内的熔融物(7)产生搅动运动，而第二电磁感应线圈(3)布置在第一感应线圈(4)上游并适于控制邻近该熔融物上自由表面(5)区域内的熔融物搅动运动，其特征在于，第二感应线圈(3)布置成由直流或交流电流可互换地供电。

2.如权利要求1所述的设备，其特征在于，该设备包括装置(12)，它将到达第二感应线圈(3)的电流由交流转换成直流并且可颠倒过来。

3.如权利要求1所述的设备，其特征在于，设有一第一电源(10)，用来给第一感应线圈(4)供应交流电流，设有一第二电源(11)，用来为第二感应线圈(3)可交换地供应交流和直流电流。

4.如权利要求2所述的设备，其特征在于，设有一第一电源(10)，用来给第一感应线圈(4)供应交流电流，设有一第二电源(11)，用来为第二感应线圈(3)可交换地供应交流和直流电流。

5.如权利要求3所述的设备，其特征在于，第二电源(11)装备着电子和编程装置(12)，它用来将其从交流电源转变为直流电源，而且可颠倒过来。

6.如权利要求4所述的设备，其特征在于，第二电源(11)装备着电子和编程装置(12)，它用来将其从交流电源转变为直流电源，而且可颠倒过来。

7.如权利要求1-6中任一项所述的设备，其特征在于，第二感应线圈(3)包括在铸模(1)周围沿周边隔开的多相和多极布置的线圈。

8.如权利要求1-6中任一项所述的设备，其特征在于，第一感应线圈(4)包括在铸模(1)周围沿周边隔开的多相和多极布置的线圈。

9.一种用于控制金属连续和半连续铸造铸模(1)内搅动运动的方法，铸模(1)沿浇注方向两端敞开，熔融物供应到铸模(1)中，借助于一由交流电流供电的第一感应线圈(4)使得铸模(1)内的熔融物(7)产生搅动运动，借助于一布置在第一电磁感应线圈(4)上游的第二电磁感应线圈(3)对邻近熔融物上自由表面(5)区域内的熔融物搅动运动进行控制，其特征在于，第二感应线圈(3)由直流或交流电流可交换地供电。

10.如权利要求9所述的方法，其特征在于，供给第二感应线圈(3)的电流由转换装置(12)从交流转换成直流而且可颠倒过来。

11.如权利要求9或10所述的方法，其特征在于，第一感应线圈(4)从一第一电源(10)供应交流电流，而第二感应线圈(3)从一第二电源(11)可交换地供应交流和直流电流。

12.如权利要求11所述的方法，其特征在于，第二电源(11)由电子和编程装置(12)从交流电源变换成直流电源而且可颠倒过来。

13.一种用于控制金属连续和半连续铸造铸模(1)内搅动运动的方法，铸模(1)沿浇注方向两端敞开，熔融物供应到铸模(1)中，借助于一由交流电流供电的第一感应线圈(4)使得铸模(1)内的熔融物(7)产生一搅动运动，借助于一布置在第一电磁感应线圈(4)上游的第二电磁感应线圈(3)对邻近熔融物上自由表面(5)区域内的熔融物搅动运动进行控制，其特征在于，第二感应线圈(3)能提供三种不同的工作模式，即

第一模式，其中第二感应线圈(3)由交流电流供电，而且由第二感应线圈(3)产生的磁场旋转方向与由第一感应线圈(4)产生的磁场旋转方向一致，因此由第二感应线圈(3)产生的磁场加强由第一感应线圈(4)在邻近该熔融物上自由表面(5)的熔融物区域内产生的搅动运动速度，在该区域内的熔融物搅动速度通过调节供应到第二感应线圈(3)的交流电流值进行控制，

第二模式，其中第二感应线圈(3)由交流电流供电，而且由第二感应线圈(3)产生的磁场旋转方向与由第一感应线圈(4)产生的磁场旋转方向相反，因此由第二感应线圈(3)产生的磁场减低由第一感应线圈(4)在邻近该熔融物上自由表面(5)的熔融物区域内产生的搅动运动速度，在该区域内的熔融物搅动速度通过调节供应到第二感应线圈(3)的交流电流值进行控制，以及

第三模式，其中第二感应线圈(3)由直流电流供电，以致于产生一水平取向的直流磁场，它在邻近该熔融物上自由表面(5)的熔融物区域内在铸模(1)的横向以及纵向空间平面内在熔融物(7)内产生与流体流动方向相反的电磁力，借此由第二感应线圈(3)产生的磁场减低由第一感应线圈(4)在邻近该熔融物上自由表面(5)的熔融物区域内产生的搅动运动的速度，以及由第一感应线圈(4)和搅动作用在熔融物(7)内产生的纵向流动借助于将熔融物连续排入铸模(1)产生的纵向流动的速度，

该工作模式根据所采用的铸造方法来选择。

14.如权利要求13所述的方法，其特征在于，第一感应线圈(4)由一第一电源(10)供应交流电流，而第二感应线圈(3)由一第二电源(11)可交换地供应交流和直流电流。

15.如权利要求14所述的方法，其特征在于，第二电源(11)由电子和编程装置(12)从交流电源变换成直流电源而且可颠倒过来。

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