CN1809435A - 可使喷嘴内移动的熔融金属电磁旋转的连续铸造装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于金属的连续铸造装置，金属特别地是钢，其中环形电磁感应器(1)围绕浸没喷嘴(8)，环形电磁感应器具有绕浇注轴线旋转的磁场，该磁场用来驱动熔融金属随其一起轴向旋转，本发明中，上述感应器是具有穿过感应器的磁场的多相类型的，感应器每个相配有一对显磁极(3)，而且，每个显磁极的与喷嘴相对的端部设有横向变窄部(12)，该横向变窄部增大了分开极端部(4)的距离。以这种方式，感应器极其紧凑且功率非常大，并能用高频一次电流将强烈的横穿场供应到喷嘴的中央部分中，以便产生在其中移动的熔融金属的有效旋转。本发明特别适合于使用具有横向出口的浸没喷嘴的板坯连续铸造。

Description

可使喷嘴内移动的熔融金属电磁旋转的连续铸造装置

技术领域

本发明涉及金属特别是钢的连续铸造，其采用浸入位于其下的模子中的浸没铸造喷嘴，更具体地，本发明涉及流过在浇口盘和模子之间的这种喷嘴的液态金属的轴向旋转的引起。

背景技术

已知通过在液态金属进入模子之前更改存在于液态金属中的夹杂物和气泡的分布而引起已经处于铸造喷嘴内的金属轴向旋转，是控制朝模子中的流动的推荐方法。以这种方式，能：

-减少或甚至消除夹杂物沿着喷嘴内壁的沉淀，和在喷嘴具有用于板坯铸造的横向出口的情况下，减少或甚至消除夹杂物在这些出口中和在所述喷嘴的底部中的沉淀；

-很大地减少产品的液体井中的夹杂物和气泡在铸造过程中的渗透深度，从而也减小它们被陷于在弯曲的铸造机上铸造的产品的内部曲面上的危险；

-减小弯月面之下的液态金属的流动速度和在所述弯月面高度中的波动；和

-通过具有对喷嘴流动的“陀螺”效应来限制模子中的喷射摆动类型的流动不稳定性。

这样，在铸造喷嘴中引起流动旋转似乎是防止在用于汽车应用的钢和包装用钢等级的冷轧带材上出现砂眼和剥落类型的可见表面瑕疵的有效方法，因而，该技术意味着连续铸造板坯上较少的裂纹修复操作(减少或甚至消除带材上的剥落类型表面瑕疵)，消除在砂眼类型瑕疵情况下的降级或诉讼，并且还意味着由于具有更长的垂落和更高的铸造速度而使得铸造机的生产率增加。

已经提出用各种类型的致动器引起铸造喷嘴中的液态金属的旋转，基本上，可以区分两种类型的致动器，即“被动”致动器和“主动”致动器。

被动致动器尤其在喷嘴内壁设计中使用若干变型(如螺旋线)、安装在喷嘴的实际主体中的部件，如推进器、螺旋状内喷嘴等等，或在与浇口盘结合处的喷嘴上部中的变型(例如，加速锥形)或其它在实际部件中的用于控制喷嘴中金属流量的变型。该类型致动器的主要缺点是产生的旋转速度直接取决于通过喷嘴的金属的流量和优先形成喷嘴中夹杂物堆积的位置，因此增大了喷嘴被阻塞的危险的可能性。

主动致动器基本上是电磁性质的——多相类型的静态环形电磁感应器在喷嘴长度的一部分上紧密地围绕喷嘴并产生绕浇注轴线旋转的磁场，该磁场用来使存在于喷嘴中的液态金属随其一起经历轴向旋转。如果需要，读者将找到在文献JP06023498、JP07108355或JP07148561中描述的例子。

然而，到目前为止提出的电磁装置在极大程度上基于线性定子的技术，线性定子产生以低频率或甚至非常低的频率(＜10Hz)工作的切向旋转场。特别是，这些装置具有如下缺点：

-由于所用的电流频率，产生常常非常低的旋转速度以获得所需的效果(例如，对于可用于80mm的喷嘴内径的4Hz三相电流来说，最大理论旋转速度是80rpm)；

-在液态金属中在喷嘴内壁附近产生一个高度集中的力场，其结果是在喷嘴的中央部分中产生一个压力极大减小的区域，因而在那里金属被垂直向下加速；和

-必须在高电流的情况下(＞300-500A)工作，这导致装置的尺寸很大以便能使它们冷却，因而不易于安装在连续铸造机上且还需要使用非常昂贵的发电机。

其它装置是基于横穿磁场，因而基于盘绕凸极，所述盘绕凸极具有在喷嘴轴线两侧彼此面对的每个相一对的一对电极。本发明落入该种类中，它们避免了一些前述缺点，特别是中央减小压力的现象。然而，特别是由于与太靠近的电源不同相对应的电极之间的磁通量的假性桥接的危险，在与金属旋转运动中某种程度的可能的混乱同时，与必需的高存储电功率关联的有限的空间和所需的气隙减小一起不可避免地实际上导致较低的能量效率，其中为了使电磁耦合最大化，通过减小突出到绕组和喷嘴之外的向内凸出的极齿和喷嘴之间的距离来产生气隙减小。

发明内容

本发明的目的是提出一种电磁地引起在铸造喷嘴内的液态金属旋转的解决方案，但本发明没有已知解决方案的缺点。

为此目的，本发明的主题是金属连续铸造装置，金属特别地是钢，其中静态环形电磁感应器围绕浸没喷嘴，通过浸没喷嘴，待浇注的熔融金属从位于模子上方的浇口盘到达模子中，静态环形电磁感应器具有绕浇注轴线旋转和用来迫使熔融金属随其一起轴向旋转的磁场，该感应器是多相横穿磁场类型的，该感应器每个相设有一对电极，其每个电极由卷绕在向内凸出的极齿周围的电绕组形成，向内凸出的极齿终止于面对喷嘴设置且靠近喷嘴的极面中，使磁通回路闭合的外周磁轭将极齿连接在一起，所述装置中，每个极齿在其凸出部的端部具有横向锥部(例如，斜面)，该横向锥部增大了极面彼此分开的距离。

根据有利的实施方式，环形感应器形成为两个连接的能枢转的半壳体，使它们能在喷嘴周围闭合。

如无疑地已经懂得的，本发明采用所谓“横穿”磁场，即穿过喷嘴轴线的场，其强度在喷嘴的边缘和中央之间没有明显减小。

由于采用的技术基础，即在向环形多相感应器供给电力的电源的每个相一对电极的情况下，产生的旋转磁场是所需的“横穿”类型的，其中环形多相感应器具有分布在喷嘴周围的盘绕凸极。换句话说，在任何瞬间，浇注轴线都在感应器的气隙的中央，且由于穿过浇注轴线以便从规定磁极重新结合位置与它相对但不在它旁边的符号相反的该对磁极，所以产生的磁场在该气隙中很发达，如同感应器具有分布式电极或每个相具有几对电极那样。

应该记得，该类型的技术本身不是新颖的，它甚至已经相当广泛地用于不在喷嘴内而是在模子本身内引起铸造液态金属的旋转，从而就将被转动的转动体(即，液态金属柱)来说具有比喷嘴中的金属流的视直径更大的视直径，和需要相对小得多的角旋转速度(例如看USP4462458)。现在，与公认的观念相反，假如产生的磁场的“横穿的”特性或在任何情况下基本上“横穿的”特性得以保持，则在不必涉及设备功率相当大的减小的情况下，证明将该技术从模子转移到铸造喷嘴可以导致感应器尺寸的减小，该感应器尺寸的减小与将感应器安装到铸造喷嘴周围且尽可能靠近铸造喷嘴不矛盾，从而在不削弱其必需的冷却的情况下这么做。

正是这形成了本发明基础的观念，即由于承受位于凸极上的选择点即工作面的边缘处的磁质量的微小损失，所以尽管感应器很紧凑和气隙达到最小，但也可以在不损害感应器性能的情况下得以保持磁场的该“横穿”特性，以便抵消磁场通过在彼此最接近的相邻电极之间的环回而在气隙中沿着最小磁阻路径传播的自然趋势。

对钢执行的试验证实了在比用于铸造钢坯或板坯的工业机器中遭遇的铸造条件恶劣得多的铸造条件下、这种感应器引起在浸没喷嘴中流动的金属旋转的能力。实际上在直线型喷嘴(单个在底部中开口的轴向出口)的情况下完成这些试验，金属以大约3.5到4.2m/s的平均速度流过直线型喷嘴，记住，在用于铸造板坯的喷嘴中，平均输出速度经常在1.5到2.0m/s之间。

附图说明

从下面作为说明性例子和参考附图给出的说明，将在任何情况下更清楚地理解本发明，本发明另外的方面和优点将变得显而易见，其中：

图1是在横截面上看到的图，表示由两个对接在一起的半壳体形成的感应器，感应器具有与气隙接界的其内部的隔热件；

图2是与图1相似的图，但用来表示当在感应器的工作中在任何规定的瞬间定格时，横穿磁场的磁力线在气隙中的传播；

图3是工作原理图，表示感应器的两个组成半壳体怎样连接的原理；

图4表示在磁场的作用下在铸造喷嘴内旋转的液态金属在喷嘴的横截面中的速度图；

图5表示在位于感应器一半高度处的平面中获得的在气隙中沿喷嘴直径D的磁感应强度B的变化；和

图6与图5的图像对应地表示在径向剖面R中和在直辐射剖面OR中沿着喷嘴直径D的磁力FB的场的对应变化。

具体实施方式

在这些图中，相同的元件由同样的标记表示。

参考图1到3可以看到，感应器1是一自身围拢的线性电动机定子，为了该目的其包括两个独立的相等的半管状部2a和2b(半壳体)。每个半壳体有三个盘绕凸极3，盘绕凸极3的极面4转向内侧，这些由若干叠软铁叠片结构制成的磁极按照惯例由外部的半管状轭5a、5b连接在一起。该系统被设计成使得当感应器处于图1和2中所示的闭合的工作位置中时，两个成对的轭在连接平面J上对接在一起。

也是相应的半管形的罩(cap)7a、7b遮盖每个半壳体的极面的内侧，且一旦感应器处于闭合位置中就形成紧密围绕铸造喷嘴的隔热件7。对于由图3中所示的铸造喷嘴8发射的辐射来说，该隔热件是感应器的电绕组3所需的，铸造喷嘴8引导熔融金属流进入模子。稍后将给出关于该遮蔽件的可能构造的细节。

每个盘绕电极3的电绕组6与用来为感应器供应一次电流的三相电源(未示出)的一个相相连，当感应器处于闭合位置中时，半壳体2a之一的任何凸极直径地面对另一个半壳体2b的一凸极，这两个电极在它们都连接到电源的同一相但处于反相(例如通过不同的绕线方向)的意义上形成“电极对”，以使得在每个瞬间，它们的工作面是符号相反的。该条件是必需的，以使得所产生的磁场是横穿类型的。

电极3和磁通返回轭5a、5b是由初始厚度为0.3mm的定向晶粒硅铁薄板制成的叠片结构，以便将磁滞损失减到最小。它们的工作高度(工作面4的高度)在50mm(最小值)和500mm之间，这取决于浇口盘和模子顶部之间的可用空间，感应器将置于浇口盘和模子顶部之间。它们的内径(气隙的直径)大约是铸造喷嘴的外径加上大约十毫米，刚刚足以保持一个间隔，但能确保最可能的电感耦合。

一次绕组6由大量(几百)匝能耐高电流密度(＞10A/mm2)的直径非常小的铜线形成，它们在内部具有水冷式铜散热片(未示出)。

这些绕组被供以范围从50Hz到600Hz的中频的三相电流。在提出的技术中，应该注意，对于恒定的电流强度，以50或60Hz以上的高频工作使得可以增大电动机转矩(motor torque)，所述电动机转矩即电磁力施加在流过喷嘴的金属上的转矩。然而，与以电源频率(50或60Hz)工作不同，该选择需要使用变频器。

如图5所示，对于低感应器电流值(几十安培)，感应器1组成的该静态电动机能在其由喷嘴占据的气隙中产生高强度(在1000和1500高斯之间)的横向电磁场(transverse electrlmagnetic field)(所谓“横穿”场)。

从图中可以看到，该场在气隙的中央部分中实际上是均匀的。本发明的该本质特征使得能在液态金属中产生一力场，该力场从壁到中央均匀地减小，如图6所示。又如图4的速度图所清楚表示的，这使得能在液态金属中引起旋转，该旋转的速度甚至在喷嘴的轴线部分中也仍然很高。该特定特征是必需的，以便防止喷嘴的中央部分中太大的压力减小，在该喷嘴的中央部分，金属具有“逃逸“的趋势和受到大的向下加速度，从而抵消了旋转运动的一部分有益效果。

从图2清楚看出，由于径向磁齿(magnetic teeth)3在它们的自由端4(极面)的锥形形状，所以在任何时候，气隙中的磁场的磁力线主要连接两个直径相对的电极，仅仅磁场的剩余部分在相邻的电极之间环回。由于电极端部的该锥形形状，所以尽管感应器具有必需的紧凑性，但也获得了该结果，该结果对于实现本发明是必要的，其中电极端部的锥形形状意味着尽管电极朝着中央移动而靠得更近，但它们成对的自由端分开的距离仍然足以基本上防止它们之间的磁力线的桥接。在小的紧凑式感应器的情况下，这保证了磁场沿着轴线的高相对强度(参考图5)，换句话说，保证了该场必需的“横穿“特性，而没有“横穿“特性，本发明不会产生所需效果。从图1中可以看到，并且从图2中更清楚看到，通过被堆叠起来以便形成径向齿3的叠片结构端部的斜预制部分(bevel precut)12获得径向齿3的该锥形形状。根据将被围绕的喷嘴的外径调节斜角。然而，极面4的面积不应小于齿3的横截面的一半，齿主体上的锥形斜面12能仅仅在沿着长度的三分之二的距离处开始，不必在这之前开始，并且甚至希望尽可能后地开始锥形斜面12以便使感应器的磁质量最大。

通过经由谐振电路向感应器供应电流，可以极大地增加一次电流的强度。通过将这些电流增加到充分超过与轭5的磁饱和对应的阈电流的值，提出的技术使得能在广泛的一次电流范围内实际上极大地增加气隙内的电磁场的强度。这使得磁力线能被引导，和使得在电动机气隙中的该磁场的强度能增加到使该磁场的强度在轭中达到其饱和值的点。除该阈值之外，由感应器直接在空气中产生的磁场有助于增加电动机气隙中的场的强度。

在工作中，感应器非常接近铸造喷嘴8(离它大约5mm)，喷嘴的外部温度大约是1100到1200℃，因而通过薄的分段的铜隔离件7，将感应器热地保护起来使其不受喷嘴发射的辐射，铜隔离件7由水循环冷却且由于该分段结构而可以让电磁场透过。

作为两个单独的半管状部5a和5b的感应器1的构造容许在不更改标准铸造过程的情况下，很容易地将所述感应器1安装在喷嘴周围和在任何时候取下。再次参考图3，可以看到为了将感应器安装到铸造喷嘴8周围，有利地通过由两个绕枢轴10连接的臂部9构成的支承件将感应器保持在适当位置中。臂部由气缸11驱动，气缸11使臂部打开和靠拢，且一旦轭5a和5b邻接，如图1中所示，就在两个半管状部2a和2b的轭5a和5b之间施加足够的(大于200kgf的)接触力。首先，轭5a、5b之间的紧密接触对于磁力线在感应器的两个组成部分之间的良好成环是必需的，因而对于良好的电磁效率是必需的。其次，为了防止不可避免地由振荡的电磁力产生的振动，两个半管之间的大夹紧力是必需的。

不用说，本发明不局限于所描述的示范性实施方式，相反如果不妨碍由所附的权利要求给出的其保护范围，本发明可以扩展到许多可选的和等价的

实施方式。

Claims (6)

1.一种金属连续铸造装置，金属特别地是钢，其中环形电磁感应器(1)围绕浸没喷嘴(8)，通过该浸没喷嘴，待浇注的熔融金属从位于模子上方的浇口盘到达模子中，所述环形电磁感应器具有绕浇注轴线旋转和用来迫使熔融金属随其一起轴向旋转的磁场，该感应器(1)是多相横穿磁场类型的，该感应器每个相设有一对电极(3)，其每个电极(3)由卷绕在向内凸出的极齿(3)周围的电绕组(6)形成，所述向内凸出的极齿终止于面对喷嘴(8)设置的极面(4)中，使磁通闭合的外周磁轭(5a，5b)将极齿连接在一起，所述金属连续铸造装置特征在于：每个极齿(3)在其凸出部的端部具有横向锥部(12)，该横向锥部增大了极面(4)彼此分开的距离。

2.如权利要求1所述的连续铸造装置，其特征在于：所述浸没喷嘴(8)是具有横向出口的喷嘴。

3.如权利要求1所述的连续铸造装置，其特征在于：所述感应器(1)在其内周上包括围绕所述喷嘴的隔热件(7)，所述隔热件与所述喷嘴离开一距离。

4.如权利要求1所述的连续铸造装置，其特征在于：所述环形感应器(1)由两个枢转的连接半壳体(2a，2b)形成。

5.如权利要求1所述的连续铸造装置，其特征在于：它还包括谐振电路，在所述谐振电路中所述感应器与可调节的电容器串联连接。

6.如权利要求4所述的连续铸造装置，其特征在于：所述感应器(1)安装在用来将它保持到位的支承臂(9)的端部上，这些支承臂是可收回的且设有操纵每个所述半壳体(2a，2b)以使得它们枢转的受控装置(11)。

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