CN1325198C - 控制板坯连铸结晶器中金属流动的方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及连铸结晶器，结晶器上装备浸入式水口(3)，水口的侧孔(2)与结晶器短壁(5)相对，熔化金属的流动方式可以是自然的单流或双流模式。本发明的特点在于它在水口处应用了移动磁场，使其作用于通过水口侧孔到达结晶器的液态金属。所述磁场由多相线性电磁场线圈(14、14’、15、15’)产生，线圈设成与水口任一侧的至少结晶器的一个壁相对，最好与一个长壁相对，与两个壁都相对则更有利，从而建立持久的双流模式或稳定之。

Description

控制板坯连铸结晶器中金属流动的方法及装置

技术领域

本发明涉及金属、特别是钢铁材料板坯或其他类似扁平形状产品的连铸。

更具体地，本发明涉及通过控制结晶器中铸造金属的对流运动的形态来改善铸造产品的质量。

背景技术

目前，尽管还不能对其原因予以解释，但是熔化金属在结晶器中的对流运动的方式是决定产品质量的关键因素，不仅涉及结晶器四周形成非常均匀、规则的凝固外壳，还涉及表面及亚表面的洁净程度(渣壳、凹坑、气泡或涉及夹杂的内清洁度)。

已知的重要性在于一旦液态金属流经过浸入式水口的侧孔注入结晶器，完成金属铸造，这些缺陷进入铸造空间。

在这点上需要说明，在P.H.Dauby、M.B.Assar和G.D.Lawson的文章中“Voyage dans une lingotière de coulee continue.Mesures laseret électromagnétiques de 1‘hydrodynamique de 1’acier”[连铸结晶器流程，钢的流体动力学激光和电磁测量方法]，发表于：Revue deMetallurgie，April 2001，Vol.4，p353-356，和在1998年西班牙马德里召开的第三次欧洲连铸会议上D.Gotthelf，P Andrzejewski，E.Julius和H.Haubrichde发表的“Mold flow monitoring-a tool to improve casteroperation”，第825页-833页。

这些文献正式强调：铸造过程中，钢液在结晶器中流动共有三种类型：稳定形式的“单流”和“双流”以及一种非稳定随机型流动，铸造过程中瞬时状态特有的。

后者的流动方式可以用图示加以描述：位于水口两侧的半铸造区之间的液流由于处于特殊的扰动状态，甚至细微的扰动，如两个侧孔之间反向吹氩的流动速率差量变化，均导致液流瞬间非可控、非对称，致使“单流”和“双流”的形式发生无规律改变。

然而，上述两种稳定液流本身则更清楚。本说明书的附图1A和1B对此进行了阐述。这些图示出了在通过铸造轴线的垂直平面和平行于连铸板坯结晶器两个长壁方向上主要流动轨迹的稳定模式。从图中可以看出：“单流”模式(图1A)本质上导致金属射流1一旦离开水口3的侧孔2之后立即略微向上，朝着浇铸结晶器的金属自由表面(或月牙面)4流动。在此点上，液流穿过半铸造区的整个宽度，在该空间中，每个液流通过紧贴结晶器的长壁发展直至到达结晶器的短端壁5。如果必要的话，需要重申这些结晶器短端壁也称作“封闭壁”，它们被安装在结晶器长壁的末端，以保证结晶器内部周向连续性，从而密封铸造空间。通常每个液流1一旦到达结晶器短壁，随即被向下朝着拉坯的方向反射，图中以加粗的垂直箭头表示。当然，速率的精确绘制图则更为复杂。许多流线，如6，遵循的轨迹是更典型的抛物线，原因是总的向下的抽锭运动，但是图示液态金属向上喷涌确实也是一般形式，在模拟装置或实验条件观察“单流”模式时非常值得注意。

相反，在“双流”模式中(图1B)，每个射流1经过入水口3到达结晶器，全部水平地离开侧孔2，然后向结晶器短壁5蔓延，在这里发生诸如相互碰撞将射流分为两股，一股干流8向下反射，另一股7朝着月牙面4向上反射，在这一点上，第二股液流随后朝反方向流动到半铸造区，此时从结晶器短壁5向入水口3流动。这里需要再次说明，实际图形更为复杂，但是当观察者观看“双流”模式下的模型或实验操作屏幕时，全部图像的确呈“蝴蝶翅膀”形。

目前随着我们理解的深入和试验数据的积累，我们能够非常了解如何根据相关连铸参数的调整，使前述两种流动模式的一种和另外一种变得稳定或者基本稳定。不讨论细节，以免对本发明产生不必要及冗余的理解，这里简单地说明连铸板坯的宽度越宽，连铸时拉速越低，“单流”形式中的流场越多，反之则是“双流”流场。

需要指出：通常连铸机操作人员在其职责范围内没有测定结晶器中金属稳定流动模式的手段。而且，据说通常这一过程确实与操作人员无关，因为在任何情况下操作员都无法知道如何或者说不能改变连铸速度和拉速，而这些参数由订单及车间里的工艺流程设定。

然而，本申请人近期研究已经确定一方面由铸造产生的产品缺陷(对这些缺陷的消除)与另一方面结晶器中液态金属对流流动形式之间存在必然联系，而无需证明。如此，所观察到的质量缺陷的起因不仅由于非稳定流动问题，而且由于“单流”模式下稳定流动形式的问题，前者已经引起置疑。

发明内容

因此，本发明的目的是向板坯连铸操作员提供一种简单有效的工具，只是附加在设备上，而无需重新考虑设备设计，以保证操作员不需要用任何方式修改铸造参数就能够建立“双流”模式。

本着这一目的，本发明提供了一种用于在金属板坯或其他类似扁平产品生产，特别适用于钢坯生产中控制注入连铸结晶器中液态金属流动形状的方法，浸入式水口设有侧孔面对结晶器短壁，可以使所述的流动形状成为自然的“单流”或“双流”模式或者其他“非稳定”状态，其特征在于在浸入式水口的侧孔处使用移动磁场，通过使感应器放置成面对水口任一侧的至少结晶器的一个长壁，产生水平向外移动的磁场，方向从水口指向结晶器每个短壁，产生的移动磁场贯穿整个铸造过程，从而建立稳定在“双流”流场的稳态的液态金属流动形状。

依照另一种实施方法，仅在注入结晶器的金属流动处于非自然“双流”流场的条件下使用所述的移动磁场。

本发明还提供了一种实施按照本发明所述的方法的装置，包括一个电磁装置，由至少一对线性移动磁场感应器构成，感应器放置成至少面对结晶器的一个长壁，并且定向成使得产生一个水平移动的磁场，还包括一个可控多相电源，其特征在于所述电源与所述电磁装置的每一对线性感应器永久连接，以便每个感应器产生一个只是向外的移动磁场，其方向从浸入式水口指向结晶器的短壁，所述的磁场作用在经过水口的侧孔进入结晶器的液态金属流中。

按照我们已经理解的内容，本发明采用了大家熟知的方法，如果可以这样说的话，它已经具备经济可行的长远发展空间，由多相静态线性感应器产生的运动磁场以便对结晶器中的液态金属动态作用，建立“双流”模式，或者稳定已经自然存在的“双流”模式。

磁流体动力学(MHD)首次应用于金属连铸可以追溯到约30年前，至今仍被成功地使用。相反，持续进步也记录着它的历史。首次描述MHD涉及结晶器下面的铸造步骤，特别是二次冷却区，原因是磁屏蔽效应消失而使结晶器的铜板起了反作用。然而，以可控硅为基的多相电流源迅速出现，允许电流源在低激发电流频率下工作，低于10Hz，因此，考虑可利用的功率电平，剩余屏蔽效应使铜板不再扮演阻碍MHD在实际结晶器中应用的角色，所述的磁场作用在经水口的侧孔进入结晶器中的液态金属流上。

许多而且是各种各样关于结晶器中的应用都涉及到MHD，范围从金属的简单流动，例如绕铸造轴线旋转，到金属自然流动方向的加速或制动，或者强制改变流动方向。很多已发表的文献(包括研究、文章、专利)都致力于这方面的研究。为了作一个简单的历史证明，我们这里简单提一下，1972年申请的法国No.2 187 465专利(IRSID)，其中已经对作用于金属上的垂直移动磁场引起金属沿结晶器壁上浮的转向进行了描述。其目的是有利于从结晶器中获得由等轴晶组成的凝固组织，通过液态金属液流上升冲刷凝固界面将原位形成的气泡和非金属夹杂物带到月牙面，使其黏附在浮在表面的保护渣上，从而改善亚壳层洁净度。

我们还需要说明的是：距今较近，如果不另加补充说明的话，与本发明十分接近的是如已公开的欧洲专利申请No.0550785(NKKCorp.)。事实上，那篇文献建议使用内部移动磁场，也就是说，从结晶器短壁到水口移动阻止液态金属喷射离开侧孔，以便在测出月牙面处的速度过高时，减缓“双流”流动的力度。

同样地，已公布的欧洲专利申请No.0 151 648(KSC)阐述了两种可能的选择：通过磁场垂直向上移动来垂直搅动结晶器中的金属，改善铸坯表面洁净度；通过磁场水平移动水平搅动金属，冲刷凝固界面，改善亚壳层夹杂物洁净度水平。在这种情况下，建议控制不同感应器使得每个感应器各自产生一个独立于其他感应器的移动磁场，使这些移动磁场产生总的效应，优选地是金属绕结晶器轴线旋转对流流动。在那篇文献中还建议内部水平移动磁场与从水口中喷出的液流方向相反，因此，从结晶器短壁到水口流动，可以在凝固层下面获得较少的夹杂物。另一方面，水平向外移动的磁场本身，正如前面提到的1972年的法国专利中已经描述的上升移动磁场是有帮助的，在磁场的作用下，冲刷凝固界面带走非金属夹杂物和金属凝固时形成的CO气泡。

还需要注意的是：利用磁场水平向外移动和作用于水口侧孔高度注入的金属液流，这种操作方法可以比作一种优选的变型，本发明建议在整个铸造程序中系统使用，但是，在这种情况下，建议对结晶器内熔化金属施加稳定“双流”模式的循环对流流动。

附图说明

无论如何，通过参考附图对实例的说明，可使本发明被更充分地理解，并且使本发明的其他方面和优点更清楚，附图中：

图1A和1B显示，正如我们将要回顾的，从前面及沿穿过浸入式水口侧孔的轴向垂直中性面且平行于结晶器长壁的正视图可以看出：结晶器中液态金属对流流动轨迹的一般形式，1A和1B分别是“单流”和“双流”模式下的情形。

图2是一张建立在编辑实际数据基础上的统计图，而且通过此图可以确定诸如铸造参数，即X轴上绘制的铸造速率和Y轴上绘制的铸坯宽度，自然稳定“单流”操作区—用S标注的区域和自然稳定“双流”操作区—用D标注的区域。三角符号代表“单流”的情况，而菱形代表“双流”的情况。为了清楚起见，图中未画出从S模式到D模式或者从D模式到S模式随机切换所对应的自然非稳定情况。

图3是一张装有按照本发明装置的连铸板坯结晶器的总示意图；

图4与图3近似，但是较为详细地说明了可以使用的移动磁场线性感应器技术；

图5是一张简化的图，示出从结晶器上面看的本发明使用的移动磁场感应器的作用模式；

图6示出通过计算模型模拟获得的从上至下依次显示的A、B、C三对图，每对图说明了按照本发明应用大小不同的移动磁场强度板坯结晶器内金属对流流动的特征。

具体实施方式

这些图中，相同的元件以同样的标号表示。

图1A和图1B已用来举例说明了本说明书前面部分中给出的“单流”和“双流”概念在本发明上下文中的含义。

在我们现在谈及的图2中的区域S和D，即对应稳定自然循环的两种类型一“单流”和“双流”区被一条与垂直线稍有倾角的双虚线P分开。这条分界线P方便地解释了无论铸带宽度如何，对于获得高铸造速率，即大于我们所说的1.4m/min，大部分落在区域D的循环“双流”自然模式，而低于1.2m/min，循环几乎有规律地分布在“单流”S区。在两区之间，铸造产品宽度的微小变化，这种情况下变化1/10就足以从一种模式变到另一种模式。同样地，对于常规铸造宽度的铸坯，我们说从1200mm到2100mm，在通常铸带的拉速为1.2到1.4m/min范围内，拉速的微小变化很容易发生从“双流”切换到“单流”的可能。任何情况下，在拉速为1.3m/min时，产品宽度的转折点为1500mm。小于该宽度时保持“双流”模式，而大于该宽度时，“双流”迅速切换到“单流”模式。一般形状的双曲虚线R代表每分钟连续出金属4.6米吨的铸造过程(在接受铸造过程中月牙面高度在固定值周围小幅振荡的条件下，铸坯断面和铸造速度两者共同作用的产品)。

需要注意的是：当浸没式水口浸入深度增加或者通氩气的情况下避免发生水口堵塞危险(例如铝脱氧低碳或超低碳钢装炉)而降低氩气流动速率时，分界线P向左偏移，加宽了“双流”区。

总之，下面我们将会理解本发明的实施实际上在于将P线左移，直至其全部移出图面而最终消失。

基于此目的，实施本发明的装置首先在图3中举例说明。这张图说明了用于铸造钢坯9的结晶器18，本质上由两对由铜或者铜合金制成的平板构成，平板由循环冷却水强制冷却，其中一对长的平板相对而置，平板之间的距离决定了板坯的宽度—这一对平板是结晶器的长壁，一对短板安装成恰好密封在长壁的尾部，以保证限定铸造空间的结晶器内周边连续。用于封住铸造空间的侧面的平板是结晶器的短壁。通常，短壁安装成可平移及改变它们在长壁之间的位置更靠近或远离芯部，这是调整铸坯宽度的一种手段。

通过中心在铸造轴线A上的浸入式水口3将液态金属注入结晶器，水口上端以密封的方式与进入中间包底部的通道相连(图中未示)。按照我们从图1A和1B中所看到的情形，水口的自由底端直接装备了径向相对的侧出口孔，并沉浸在结晶器中调整好的深度(低于铜板上沿大约40厘米左右)，设置一个方向角，使每个侧出口孔朝向结晶器短壁5。

实施本发明的装置由图3的工作状态清晰可见。这些装置包括一个连接多相、最好是三相电源11的电磁装置10。

电源11以半导体闸流管为基础，可通过调节前面板上的旋钮12改变电流频率。另一个旋钮13允许调整电流强度。

该电磁装置由四个，优选地是相同的，异步电机平定子型线性感应器组成。根据下面所述，读者可以参考图3、4和5，以便更全面理解为了实现本发明所使用的装置。这些感应器成对组成—结晶器的每个长壁对应一对感应器14、14’(和15、15’)。同一对的两个感应器，例如14、14’，安装在结晶器同一长壁上，但是在水口3的任一边，优选地安装在彼此对称的位置。这两个感应器14、14’可以彼此独立地用机械或电动控制。但是，它们被连接到电源11上，该电源以协调的方式控制它们的磁操作，使每个感应器产生一个朝结晶器外部水平移动的磁场，即方向从水口3至短端壁5。任何时候，在与水口等距离处，沿着感应器都不应该出现磁场的最大值。无论电绕组是“突出磁极”而因此绕制，还是“分布式磁极”，只有对每个感应器的组成的电绕组本身是多相且在这点上与电源11兼容的才是重要的，以便每个感应器都能按照合适的相顺序连接到该电源接线端，以保证磁场在理想的“外部”方向上移动。

如必要的话，将提醒一下，如果磁场移动平行于应用感应器的结晶器铜板，该感应器产生的磁场本身处处都垂直于结晶器铜板平面。在所有情况下，我们知道只有垂直于铜板的元件，才是产生沿磁场移动方向驱动金属的力的有用能量的致动元件。因此，使感应器产生的磁力线与结晶器铜板平面成直角，并且这些磁力线如此尽可能地在浇注的金属中扩展，可有利地使操作的能量效率最大化。

这就是通常添加第二对感应器(例如感应器15、15’)使其面对结晶器的另一长壁的原因。电源11随后提供给这些附加感应器与对面的感应器14、14’反向的电，使在结晶器两个相对的板上彼此面对的两个感应器14和15或14’和15’产生的磁场，处于同一方向，叠加在一起，使形成于如此形式缝隙的空间任何位置，形成一个穿过铸坯的磁场，而其比纵向磁场的优点在于在坯料芯部的磁场强度几乎不低于感应器附近的强度。

不管怎样，图5中的图表清楚地显示了依照本发明当移动磁场用来建立一个“双流”模式、或者已经自然存在“双流”模式而去稳定它，对于所有作用在相同半铸造区(左边的或者右边的)的感应器来说，磁场移动方向相同，并且在每个半铸造区，磁场的移动方向都朝向结晶器外侧，也就是说从水口3向短端壁5移动。

图4是感应器技术实施例稍详细的图。如图所示，感应器装在结晶器的上冷却水箱16(细线绘制的部分)，使其受益于冷却作用，但也是为了能够使极的工作面17尽可能靠近浇注金属。从图中还可以看出每个感应器有明显的肋19、19’、20用于必要的紧固和相互对齐，和通过啮合在铸机托架内的支撑槽来调整它们高度方向的位置(未示出)。需要注意的是：工作面17倾斜设置，是为减少在操作过程中暴露，但也是为了在较低的高度范围内聚集较多的磁力线。

使用这样一台电磁装置，允许按照本发明和图6所示对结晶器中金属对流流动进行控制，参考图6，该图清楚地解释了该控制的优点。

每个图A、B、或C的左侧窗口显示了金属对流流线的轨迹，在右侧板坯结晶器半铸造区图中任意选择，沿着横坐标L，在铸造轴线A和短端壁5之间，并沿整个结晶器高度h展开，从月牙面4(纵坐标0)向下至70cm深度。右侧相关图给出：按照纵坐标，月牙面4处沿着中心测量线相应的金属的速度值为“s”，该测量线将横坐标X轴上结晶器短端壁与对面的水口侧孔2相联。该速度由代数计算得出，当流动方向从水口到短端壁时为正号，反方向为负号。

所有其他事情都是相同的，每一对都代表不同的作用磁场强度值。A组相当于0磁场(i＝0A)，因此它说明了本发明实施前的情况。B组相当于适中的磁场强度值，对应实际密度i为250A的感应线圈的激磁电流。C组说明了应用电流密度i为450A产生的磁场时的情况。

从图1A中可以看出，自然状态，即所论的例子，此时的流场属“单流”类型。从侧孔2射出的射流沿着图中粗线描绘的主轨迹1流动，大约如图1所示。这里将不再重述。然而，紧靠水口附近逆时针旋转的小环流21值得注意。这一局部现象起因于金属射流离开侧孔2后主流1容易向月牙面上升的事实，但是这种上升当然既不是接近垂直，也不是完全垂直的，因此，它不可避免地造成水口背面液压“死”区的逆时针局部再循环。这一现象也可以在相关的月牙面处速度图中清楚地看到，图中在M点发生速度逆转，此处位于从铸造轴线开始的横坐标0.5m处，相当于小环流21的尾端。逆转点M的左面，金属沿“结晶器短壁到水口”的方向流向月牙面，另外一方面，金属从水口流向结晶器短壁直接到达M点，而且平均密度更高。另两张图中的速度曲线也再现了这一特征，可以作为对照。

当相对本装置可提供的500amp电流，用激磁电流仅为250amprms致动感应器时，图B示出了与前面提到的情形相比较没有发生任何显著变化。然而，需要注意的是：在速度图中，正向速度峰值(月牙面区处到逆转点M的右边)稍微弯曲，因此，M点略微向结晶器短壁5移动，此现象可用有利于建立理想的“双流”循环模式的激磁器来表达。

如图C所示，感应器激磁电流密度为450amp时，已经完全获得了“双流”的模式。实际上，此时逆转点全部消失，整个月牙面长度上仅留下一条负值曲线。左边的视图证明了这一现象，除了上升的主流线1被转化成一条连续的下降的流线8外，上面的反环流线7还带走一部分新鲜的浇铸金属流，它们沿着结晶器短壁上升，从后面直到水口3，可以将其近似比作“双流”图形，如图1B所示。

本例中，可以看出如何通过实施本发明可以非常简单地在浇铸到结晶器中处于自然“单流”流场模式的金属的基础上建立“双流”流场模式。

如果自然状态已经是非稳态，本方法同样适用。

如果原始状态已经处于“双流”模式，本发明将稳定之。在这种情况下，不用担心本发明会导致月牙面处的金属过于强劲的对流流动，我们知道这种流动不利于获得理想质量的铸坯。原因是移动磁场多相水平感应器的特殊操作原则在于异步电机：移动磁场和液态金属流之间存在速度差，前者作用在金属流上，夹带金属在这种运动中，这可精确确定卷带金属的力。只要场移动速度大于金属对流速度，磁场就对金属产生卷带作用。然而，这种卷带作用越弱，金属循环速度就越接近磁场移动速度，在这两个速度相等或变为相等的条件下卷带效应原则上为零。

简而言之，如果结晶器中熔化金属循环的自然模式已经是“双流”模式，本发明的实施将有稳定、调节或者如果需要的话甚至有和缓该模式的优点。为了做到这一点，所有需要做的事情就是调整激磁电流的频率。对于一个给定感应器的磁极间距，它产生的移动磁场的移动速度如我们所知实际上正比于磁场的脉冲频率，所以也正比于产生前述磁场的、流过感应器线圈的电流。因而，如果需要的话，本发明可以通过选择激磁电流的频率使磁场移动速度低于月牙面处金属流动速度从而自动使月牙面上过强的再循环流动平稳。

另一种方法，通过选择激磁电流的强度来调整磁场强度；通过电流频率调整移动速度；通过一种感应器线圈与电源相位的特定连接来调整磁场移动方向。这无异于一个技术熟练工，在他的铸机上，使用已经知道并且熟悉了很长时间的MHD装置。再次说明，这一点再次表达了一种本发明具有可以为操作者使用，使其达到工业应用规模的简单性及完备性。

说到这，根据本发明的上下文，只有在对流流动不再是自然“双流”类型的条件下才施加磁场，这点非常容易理解。在这点上，图2的图解帮助，使操作者马上容易了解是否已经处于“单流”或“双流”流场。

同样地，如果结构图已经处于自然稳定的“双流”模式，操作者可以很好地选择使用本发明介绍的一种具体的实施方法，不再移动磁场促进“双流”制，但是另外移动磁场本身在结晶器每个板上以同一方向运动，而在结晶器两个相对板上则反方向运动。这样，将成为一个被称为纵向移动磁场的系统，不再是横向磁场，其对金属的总的作用是引起金属沿铸造轴线的总的旋转运动。为了做到这一点，电磁装置需要保持完全相同。所有需要做的是在多相电源11的端子处，依次简单地调整每个感应器14、14’、15和15’感应线圈的连接顺序。虽然如此，如果需要的话，这种实施方法也允许自动平稳月牙面上过于强劲的再循环，方法是通过重新选择激磁电流频率使磁场移动速度低于月牙面上金属流动的速度。

不言而喻，本发明不限于本说明书中解释的实例，而可延伸至许多变型或等同物，只要在所附的权利要求书给出的限定范围内。

例如，移动磁场不再作用于一个或多个结晶器的长壁而是作用于结晶器短壁可以促进“双流”模式。用于产生每个作用磁场的感应器可以与以往的相同。然而，必须在结晶器短壁的一定高度放置感应器，该高度大体上与将月牙面与面对着开放水口端的结晶器短壁上的水平投影中分离出来的位置相应，而且方向不同以便产生垂直的移动磁场。另外，线圈必须和电源相位连接成保证磁场向上。

Claims (2)

1.一种用于在金属板坯或其他类似扁平产品生产，特别适用于钢坯生产中控制注入连铸结晶器中液态金属流动形状的方法，浸入式水口设有侧孔面对结晶器短壁，可以使所述的流动形状成为自然的“单流”或“双流”模式或者其他“非稳定”状态，在浸入式水口(3)的侧孔(2)处使用移动磁场，通过使感应器(14、14′、15、15′)放置成面对水口任一侧的至少结晶器的一个长壁，产生水平向外移动的磁场，方向从水口(3)指向结晶器每个短壁(5)，其特征在于产生的移动磁场贯穿整个铸造过程，从而建立稳定在“双流”流场的稳态的液态金属流动形状。

2.按照权利要求1所述的方法，其特征在于仅在注入结晶器的金属流动处于非自然“双流”流场的条件下使用所述的移动磁场。

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