CN1399584A - 使用电磁场垂直连续铸造金属的方法及其铸造设备 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种方法，该方法是：使锭模中熔融金属的弯月面同时承受轴向交变电磁场和横向电磁场的作用，其中轴向交变电磁场用于使其具有大致圆顶形状，横向电磁场用于减弱弯月面的表面搅动。实施该方法的设备包含用于铸造金属板坯的锭模(1)，该锭模具有组装在一起的冷却板(2、3和4、5)，在熔融金属的弯月面(12)处围绕锭模的交流线圈，以产生与铸造轴线(11)共线的轴向磁场，和在弯月面(12)处垂直于铸造轴线穿绕锭模较大的板的直磁场。

Description

使用电磁场垂直连续铸造金属的方法及其铸造设备

本发明涉及金属的连续铸造。更准确地说，它涉及一种适于安装进连铸铸模中并对所述铸模内的液态金属产生作用的电磁装置。

目前，正在使用电磁场对任何形式的连铸铸模中的钢水运动产生影响。施加转动电磁场(在铸造方形或稍微矩形截面的钢锭和钢方坯的情况下)或移动式电磁场(在铸造矩形截面的板坯情况下，其中板坯宽度远大于厚度)的主要目的是使凝固组织在产品的整个截面上均匀化，并提高产品的表面光洁度，以及从夹杂的角度来说提高其清洁度，特别是在其表面附近。当连续铸造板坯时，已知可以在铸模上施加静态电磁场，以稳定弯月面(即铸模顶部的熔融金属的自由表面)。这种稳定可以提高产品的铸造速度，从而提高连铸机的生产率。产生这种作用的电磁装置称之为“电磁制动器(electromagnetic brakes)”。

目前，已知的在连铸铸模中的电磁场运用不足以完全令人满意地解决铸造产品的质量问题。在这些难解决的问题中，涉及下述内容：

-铸造产品表面质量的改进，即表面裂纹数目的减少和振荡波痕深度的减小；

-铸造产品亚壳层清洁度的改进，即在铸模的振荡过程中形成的“凝固的钩状部分”的尺寸减小，其中这些钩状部分是捕获铸模内液态金属中的夹杂和气泡的潜在位置，以及凝固界面吸收的夹杂的消除，这是由于该界面被电磁搅拌(其机理涉及将要在下文详细描述的问题)所带动的液态金属的“冲刷”作用；

-实现弯月面的稳定性，足以保证铸模/固态金属界面的由覆盖熔渣实现的最佳润滑作用，所述覆盖熔渣以液态的形式渗入上述界面，从而使这种改进的润滑作用导致产生显著大于普通速度的铸造速度。

令人满意地解决这些问题会使铸机和整个钢厂的生产率提高。除已经提及的提高铸造速度之外，它还可以减少裂纹去除操作(磨削产品的表面，以去除上面的缺陷)的次数，且因此可以增加具有足以直接送至热轧机的质量的产品比例。然而，现有技术没有以一种最佳的方式同时满足上述质量目标。此外，实现这些目的的公知技术要么花费昂贵，要么需要复杂的器具，因为它们对其他铸造条件非常敏感。其中，除上述包含磁场的方法之外，还涉及对铸模施加非正弦振荡的系统，对铸模压花，使铸模具有受控的加热面粗糙度的系统，覆盖最佳成分的熔渣的系统等。

本发明的目的是提供一种用于连续铸造金属的工艺和设备，以满足连续铸造金属特别是钢材的经营者所期望的生产率和质量目标。

针对这些目的，本发明的主题是一种用于在铸模中垂直连续铸造金属产品的工艺，该铸模具有连接在一起的冷却板，在该工艺中铸模内液态金属的弯月面区域受到一轴向交变磁场的作用，该磁场与铸造方向共线，趋于使所述弯月面呈圆顶形状，其特征在于所述弯月面的所述区域还承受横切铸造方向的连续磁场，以便使所述弯月面的形状稳定。

本发明的主题还是一种用于垂直连续铸造金属的设备，包含具有连接在一起的冷却平板的铸模，其中两个平板较长，彼此面对，以形成铸造空间，该设备是具有电磁线圈这一类型的，该电磁线圈供有AC电流，且在铸模内液态金属的弯月面区域围绕所述铸模，从而产生沿铸造轴线的交变磁场，其特征在于它还包括一电磁感应器，该电磁感应器产生在弯月面区域穿过铸模长板的垂直于铸造轴线的连续磁场。

可以理解的是，本发明是在连铸铸模内的液态金属中产生至少两个电磁场，这些磁场同时作用在弯月面区域的所述金属上。这些磁场之一是轴向交变磁场，而另一个是横向连续磁场，两者都作用在弯月面区域。它们是通过配装的感应器或在弯月面附近产生作用的感应器产生的。

简单地说，与铸造轴线共线的交变磁场用于使弯月面“形成圆顶”，即形成一经接触铸模的壁就自然呈现的突起的圆顶形状，而横向连续磁场起电磁制动器的作用，以便降低该弯月面表面的局部几何形状不规则性，从而通过该交变磁场产生下邻的对流。

理论上，施加一个交变磁场可能足以获得平滑的圆顶弯月面。这是因为液态金属上产生的电磁力具有：

-趋于将弯月面的外围推离铸模侧面的限制表面分量，因此使弯月面在边界周围“中空”，使其表面平滑。该力在高频下尤其活跃；

-搅拌体积分量，因为液态金属中的对流形式(导致金属在铸模中心上升的环形搅拌)，该分量导致弯月面的中心部分“膨胀”。相反，该力在低频或中频下尤其活跃。而且，它是表面不稳定的原因。在中频下得到该搅拌力的最大效果，明确地说即大约200Hz，但无论如何都小于500Hz，而不管铸模的厚度或性质，或者冶金产品铸件的形式。

正是这两种相互配合的作用-外围推斥和中心上升的搅拌(该作用可以从同一个脉动磁场获得)-使弯月面形成所需的受限圆顶形状。

同理，但为了凝固电磁限制的金属，即与铸模的冷却侧壁没有任何物理接触的金属，已经提出在铸模内形成磁环境，包括两个轴向磁场的叠加，即沿铸造轴线的两个磁场，一个是周期性的(限制磁场)，另一个是恒定的，以便在受限制的液态金属中产生径向振动力。这些磁场是通过绕铸模顶部的单独线圈产生的，一个供应频率在500和5000Hz之间的AC电流，另一个供应DC电流。为了限制交变磁场的搅拌作用，还提出增加第三个环绕线圈，以便在前述两磁场已经作用的位置产生工频的附加周期性轴向磁场(EP-A-0100289或Ch.Virves的论文“在铝合金凝固过程中强制电磁振动的作用：第II部分。在有共线的可变和静态磁场的情况下的凝固”，公布于1996年6月1日出版的《冶金和材料学报B》，Vol.27B，No.3，第457至464页)。而且这种类型的启示例如在文献DE3517733(1986)中简要披露，该文献也提到除高频可变轴向限制磁场之外，使用可以是轴向或横向的连续磁场，但该磁场必须作用在铸模的整个高度上，因此，从技术的角度来说，不可避免地导致极其复杂的电磁配置。

无论任何应用-受限制的凝固，或类似于本发明的弯月面的几何形状控制-出现的问题是能穿过铜质铸模传输足够的电磁能至铸造金属中。在所采用的频率级别下(大于500Hz)，由于铸模金属壁的磁场屏蔽作用，实际上需要铸模的金属壁垂直地分割，以便使铸模具有“电磁冷坩埚”的性质。

从电磁的角度来说，将这种装置投入使用是很复杂的，由于与最终衔铁(铸模内的液态金属)的液态性质相应的不可避免的电磁不稳定性，该衔铁被铸模本身这一中间接受器作用，而且由于铸模首先是一无底的垂直结晶器这一事实，其横向密封必须总是很完整的，其形状必须是几何稳定的(以避免长壁的膨胀现象)，且其冷却回路是精确优化的。铸模的这种部分，尤其是长侧壁，从技术角度和功能角度来说，将需要完全重新考虑已经证明的铸模设计方案。

实际上，因为基于在拐角连接在一起的四块铜或铜合金板的结构(两个互相面对的长壁和两个短端壁)，板坯铸模自然地起“冷坩埚”的作用，除了中频情况外。在200Hz时，由感应器释放的大部分电磁能可以没有任何困难地穿过所述壁传输入熔融金属中，壁的厚度很少有超过40或45mm的。然而，在此频率下，如上所述，由限制力和金属对流的结合所产生的弯月面变形导致弯月面的“平均”形状随时间产生大的波动。根据本发明的主要特征，这就是为什么施加垂直于铸造轴线的连续磁场，该磁场也施加在弯月面区域，作为在200Hz下由向心力产生的下邻液态金属对流的电磁制动器，使弯月面凸起，因此对弯月面有平滑作用。

参照附图阅读下面为了说明本发明而作的描述，可以更清楚地理解本发明，且其他形式和优点将变得更加明显。

图1示意性示出了沿纵向截面观察到的根据现有技术的钢板连铸铸模；

图2以透视的方式示意性示出了根据本发明的钢板连铸铸模；

图3示意性示出了沿纵向截面观察到的根据本发明的上述铸模；

图4以透视的方式示意性示出了前述铸模的第一种变体；

图5示出了铸模的一种可以使电磁场高度穿透的结构。

在这些图中，相同的元件由相同的参考标记来标识。

在图1中示意性示出了根据现有技术的普通钢板连铸铸模1，该铸模包含四个由铜或铜合金制成的平壁，它们由内部水循环进行强烈冷却，即两个面对的长壁2、3-其中在图1中仅可见壁2-和两个在端部的短挡壁4、5。为简化起见，没有示出用于内部冷却铸模1的壁2、3、4、5的装置(通常是形成垂直通道的护套，在所述通道内水循环流动)。

铸模1垂直放置，因此确定一铸造轴线11。在铸造过程中，它以较小的振幅垂直振荡，如箭头6所示。铸模经安装在一中间包(未示出)底部的耐火注口8注入钢水7，所述中间包构成钢水的储存容器。进入铸模1的钢水7在冷却的长金属壁2、3(以及较短的端壁4、5)的表面上固化，以便形成凝固的外壳层9。随着凝固的板坯10经铸模1的开口底部通过公知的抽取装置(未示出)沿箭头31的方向抽出，外壳层9的厚度逐渐增加。

钢水7的自由表面12(通常称作“弯月面”)被基本上是金属氧化物的覆盖熔渣所覆盖，所述渣具有多种有益于铸造操作的作用。首先，它阻止了钢水7的表面12发射热辐射，从而减缓其冷却。最重要的是，它确保了凝固的外壳层9和铸模1的壁2、3、4、5之间的界面通过下述机制润滑。粉状形式的覆盖熔渣沉积在钢水7的表面12上。所形成的上层13保持固态，而其下层14与熔融的钢7接触而为液态，从而使其可以渗入凝固的外壳层9和铸模的壁之间。在此，它起润滑剂的作用。然而，应当指出的是熔渣卷边15，即接触冷却的金属壁2、3、4、5而已经凝固的覆盖熔渣带。该熔渣卷边15绕铸模的整个周长，且可能具有约10至20mm的最大厚度。

当板坯凝固时，熔渣卷边15的存在，外加铸模的垂直振荡运动6，导致板坯10上出现表面缺陷。在铸模1的上升阶段，凝固的外壳层9冲击熔渣卷边15。因此形成所谓的“凝固的钩状部分”16，即凝固的外壳层9的上端朝铸模1内部向内弯曲的部分，以及在凝固的铸造产品表面上形成深度或大或小的振荡波痕。这种凝固的钩状部分16和相应的振荡波痕是形成表面裂纹和偏析的优选位置，从而降低最终产品的质量，且也是捕获沿钢水7下部区域的凝固界面上升的非金属夹杂和气泡的优选位置。

解决这些问题的公知方法(参见1994年在名古屋举行的《材料的电磁处理国际讨论会论文集》中H.Nakata、M.Kokita、M.Morisita和K.Ayata的名称为“通过电磁铸模改进钢的表面质量”一文)可能是通过在弯月面区域缠绕在铸型1整个周长上的多匝线圈，施加频率在100和100000Hz之间的交变电磁场，最好的是在200和20000Hz之间，从而产生沿铸造轴线的交变磁场。

在图2和3中示意性示出的根据本发明的装置，包含这样一线圈17，该线圈17连接于AC电流发生器(未示出)，以上述范围内的频率工作。线圈17的电磁场在钢水中产生感应电流，特别是在弯月面12区域。如所述，在磁场和电流之间的交互作用产生电磁力，其在铸模壁处的作用是一种向心作用18，从而使弯月面的外围变空，且在钢水7中的作用是一种搅拌作用，导致弯月面12的中心膨胀。电磁场的频率越高，其他所有的情况都相同，磁场在钢水7中的穿透性越差，所以在受限制的外围体积内的电磁力集中程度(其强度不依赖于所述电流频率)越大。这样，在上述频率范围内，产生足够强度的限制力18，以推斥钢水7，形成空洞，从而使钢水不再接触熔渣卷边15。

这样，在铸模1内的钢水7具有明显的圆顶状表面12。所以如图3所示，可以减少或甚至消除凝固的钩状部分16，且还可以减小熔渣卷边15的厚度，因为其紧接的环境温度较高。另一结果是熔融的覆盖熔渣14会更大可能地渗入凝固外壳层9和铸模的壁2、3、4、5之间，从而改善润滑作用，所以可以比普通技术有更高的铸造速度。在铸模中钢水7开始凝固的高度更容易控制，且更加稳定，从而有助于改善板坯10的表面光洁度。最后，在液态的覆盖熔渣14中由铸模1的振荡所导致的压力变化对凝固的外壳层9的上部所产生的作用减小。这样，所形成的凝固的钩状部分大大减小，致使板坯10表面的振荡波痕大大减少，或甚至消除。

线圈17的特征(其几何形状、匝数、相对于弯月面的总高度和位置)和其中流动的电流强度这样选择，即在弯月面区域铸模的壁附近产生强度为500至3000高斯的电磁场。

然而，施加交变电磁场(类似于已经描述的)也具有局限性和缺陷。因为这种交变磁场对弯月面区域的金属产生推斥和搅拌作用，所以它导致弯月面表面波动，其频谱可能较宽(从0.05Hz至几Hz)。由于交变电磁场的转动分量所产生的钢水的局部搅动也可能有助于上述作用。在这种情况下，可能发生覆盖熔渣的夹杂进入钢水7中，而降低板坯10的清洁度。因为以不规则的方式进行润滑，所以也损害板坯10的铸造条件。也可能在铸模中首先发生凝固的线上有波动，然后导致环绕铸模内周长的凝固厚度产生不规则。

为解决这些问题，根据本发明，与铸造轴线共线的交变电磁场叠加在横切于板坯10铸造方向的连续电磁场上，该连续磁场从铸模的一长壁2到另一壁3，且也施加在弯月面区域。该连续磁场具有稳定铸模1中的钢水7表面的作用，在这种情况下，弯月面12减轻了振动。它还可以稳定环绕铸模内周长的首先凝固线的位置，结果，降低了由于电磁搅拌而造成渣快速裂开的危险，同时仍产生足够的搅拌强度，以确保凝固界面的冲刷。而且，它减缓了弯月面下方区域的液态金属循环，而无论该循环是由于交变磁场产生的电磁力，或者从喷嘴8发出的液态金属射流所产生的。

如图2和3中示出，这种横向的连续磁场可以由通过发生器(未示出)供应DC电流的电磁铁产生。它包括具有共同水平轴线的两个线圈19、20，分别在铸模的长侧壁2、3的上彼此面对，且都绕在软铁磁材料或铁-硅合金叠片制成的极靴21、22上。面向铸模长壁的极靴21、22的工作面保持自由，且尽可能地靠近铸模的长壁。这些工作面由螺栓固定在一起的铁-硅合金叠片的层叠结构，以产生用于感应电机的磁极的普通方式构成，然后刚性连接于极靴本体上。极靴的后部成为形成磁轭23的磁路的组成部分。该磁轭包围铸模，且甚至可以包括铸机的框架。线圈在同一指向上缠绕，以使极靴21、22具有相反符号极性的磁工作面。应当指出的是，在图2中，磁轭23的包围铸模1的短壁4的那一部分，最接近观测者，并已经被切掉，以露出线圈17。通过引导磁力线并将其集中在极靴21、22中，这种设计方案可以减少磁场损失，从而使大致水平方向的连续电磁场穿过铸模1和钢水7。在铸模中心处的磁场强度在弯月面区域的约100至200mm的高度最好为0.2至1特斯拉。

磁轭23可以由实心材料制成，以确保该组件的刚度和机械强度足够支撑极靴21、22。提供可互换的叠层结构的模块化元件也是有利的，用于延长极靴21和22的工作面。在标准尺寸的电磁铁基础上，这种布置可以对称地将其与铸模的壁2和3分离的间隙减小到最小，而无论被铸造产品的形式。

这样产生的连续磁场与钢水7的速度场相互作用。在钢水7中产生感应电流，这由速度和磁感应的矢量积确定。而这些感应电流随后与导致其产生的磁场相互作用，以便产生电磁力-Laplace力(拉普拉斯力)-它是一种制动钢水7流动的力。这样，在接近弯月面的钢水7中的电流大大消弱，该电流由用于使钢水7的表面12形成圆顶形状的交变电磁场产生的，这有助于稳定弯月面的波动。这是因为液态金属的再循环具有垂直于所述连续磁场的速度分量，而被有效地制动，其中液态金属的再循环是由电磁搅拌引起的，且在弯月面的凸起部分接近铸模的壁。此外，如图3所示，通常用于连续钢坯铸造的注口8具有横向出口24、24’，熔融的钢经这些出口进入铸模1，这些出口朝向铸模的短壁4、5。当钢水7已经进入铸模时，它具有垂直于横向连续磁场的速度主分量。这也对所述分量产生制动作用，因此，从注口8送进的钢射流不会下降深入液池中。这导致板坯10的凝固结构有更好的均质性，以及更好的清洁度，因为与没有连续磁场的情况相比，非金属夹杂被夹带至更浅的深度，所以更有利于所述表面的沉淀，且被覆盖熔渣13所捕获。钢水7的上升再循环流对凝固界面的冲刷作用也增强。凝固的钩状部分不再存在也有利于亚壳层的良好清洁度。至于伴随钢水7-覆盖熔渣12、13的界面变形的运动，比如损害弯月面稳定性的驻波或行波，也显著地降低。

如所述，极靴21、22最好以类似于形成电力变压器铁芯的方式，由垂直排列且被绝缘材料片隔开的金属叠层组件制成。如果这些磁极是实心的，由线圈17产生的轴向交变磁场可以产生感应电流，通过焦耳效应加热磁极，这样可能需要对磁极冷却。相反，叠层结构确保了它们自然地保持低温，而不需要提供强制冷却回路。此外，这些感应电流可能扰乱给线圈19、20供电的DC电流发生器。然而，可以将这种叠层结构限制于磁极21、22，而保持由实心材料制成的磁轭23，如前所述，实心材料确保所述组件具有所需的强度和刚度。

磁场的空间分布取决于极靴21、22的几何形状，和线圈19、20的电连接方法。图4示出了本发明的一种变体，其中在弯月面区域产生连续磁场的强度梯度。这种构造有时对去除钢水7的自由表面12处的特定行波是有利的。为了得到这种梯度，缠绕有线圈19、20的极靴21、22可以如所示具有圆齿状形状。这样，极靴21具有两个突出的北极25、26，极靴22具有两个面对北极25、26放置的突出的南极27、28。如箭头29、30所示，在这些突出的磁极25、27和26、28之间，连续磁场具有最大强度。这些突出的磁极25、26、27、28的位置和几何形状由待消除的流体动力扰动的性质决定，而该性质依赖于铸造产品10的几何形状和钢水7送入铸模1的状态。

在连续板坯铸造中，在铸模的长壁2、3之间的距离通常约200-300mm，以至在薄板坯铸造装置中更小。因此可以没有任何特殊困难地产生一磁场，该磁场的作用从一个长壁2、3感应到另一个，且如所示，如果极靴21、22在铸模1的整个宽度上延伸，该作用也作用于短壁4、5附近。另一方面，产生穿过铸模1从一短壁4、5至另一短壁的磁场将更加困难，且通常无效，因为这些短壁4、5之间的距离为1至2m或更大，所以它们离的非常远。然而，在铸造方形或稍微矩形截面(钢锭或钢方坯)的产品的情况下，特别是如果它们较大(例如具有300至400mm的侧面)，通过例如类似于刚才已经描述的电磁铁，可以形成两个水平的连续磁场，分别垂直于铸模的相对两侧。这两个磁场不互相作用，而分别作用于钢水7速度的不同方向的分量。

如图5所示，对于铸模1的壁来说，可以以在开头部分提及的公知方式，至少在其高度上受所述磁场作用的那一部分上，垂直地分成一组由绝缘的灌浆材料44分隔的部分43，从而相对于由环形线圈17产生的轴向交变磁场，抵消铸模本身的自感作用，从而提高铸造设备的电效率。

如所述，供应给线圈17的AC电流频率通常在100和100000Hz之间，以便产生轴向交变磁场。在低频范围内(100至2000Hz)，可以使用“脉冲”AC电流，即其最大强度在一最大值阶段和另一最小值阶段周期性变化的电流，其中所述最小值可以是零。电流的最大强度具有最小值的阶段用于抑制非常低的频率的扰动，该扰动可能损害钢水7的表面12的稳定性和浇铸入铸模内的金属的首先凝固线的稳定性。总之，脉冲电流循环以1至15Hz，最好是5至10Hz的频率(称为“脉冲频率”)相互跟随。

通过轴向连续磁场对弯月面的扰动进行抑制的作用归于两种作用的结合：

-对电磁力转动分量由于交变磁场而产生的搅动流的制动作用；

-对弯月面上表面波的角速度的直接制动作用。

对本发明申请来说，已经示出的数值对钢材的连续铸造是有效的。然而，当是在类似于所述的装置中进行铸造时，本发明当然可以用于除了钢材之外的其他金属的连续铸造。

Claims (9)

1.一种用于在铸模中垂直连续铸造金属产品的方法，该铸模具有连接在一起的冷却板，在该方法中铸模中液态金属的弯月面区域受到轴向交变磁场的作用，该磁场与铸造方向共线，趋于使所述弯月面呈圆顶形状，其特征在于所述弯月面(12)的所述区域还承受一横切铸造方向(11)的连续磁场，以便使所述弯月面(12)的形状保持稳定。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于所述的轴向交变电磁场是由一脉冲AC电流产生的，其脉冲频率在1和15Hz之间，优选的是在5和10Hz之间。

3.一种用于垂直连续铸造金属的装置，包含具有连接在一起的冷却板(2、3和4、5)的铸模(1)，其中两冷却板(2、3)较长，彼此面对，以便形成铸造空间，该设备是具有电磁线圈(17)这一类型的，其中给线圈供应AC电流，且在铸模内液态金属的弯月面(12)区域处线圈围绕所述铸模，从而在铸模内产生沿铸造轴线(11)的交变磁场，其特征在于它还包括电磁感应器(19至23)，该感应器在弯月面区域产生穿过铸模长板(2、3)且垂直于铸造轴线的连续磁场。

4.如权利要求3所述的设备，其特征在于所述的电磁感应器是由至少一个供应有DC电流的电磁铁形成的，包括具有共同水平轴线的两个线圈(19、20)，它们分别放置在铸模(1)的两侧，每一线圈绕在置于弯月面(12)区域的极靴(21、22)上，成为一个形成磁轭的磁路(23)的一部分。

5.如权利要求4所述的设备，其特征在于所述极靴(21、22)具有产生磁场强度梯度的圆齿状形状。

6.如权利要求4或5所述的设备，其特征在于所述磁轭(23)围绕所述铸模(1)。

7.如权利要求3至6之一所述的设备，其特征在于该设备至少在其上部被分成多个由绝缘材料(44)间隔开的垂直部分(43)。

8.如权利要求4所述的设备，其特征在于所述极靴(21、22)是由叠片结构制成的。

9.如权利要求4或8所述的设备，其特征在于所述极靴(21、22)包含可互换的附加模块化元件。

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