CN203235930U - 钢锭冒口感应加热装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种钢锭冒口感应加热装置。该装置适用于真空或非真空条件下，各种黑色及有色金属钢锭凝固过程中冒口部位液态金属的加热及保温。所述装置在冒口保温套（2）外部垂直方向放置上、下两组感应线圈（6、5），通过交变磁场对冒口金属液进行感应加热，补偿钢锭凝固过程中冒口的热量损失，延缓冒口的凝固进程。在感应加热过程中，通过调节可控硅电源柜（7）输入到电磁感应线圈（6、5）的电源频率及功率，可对不同尺寸的钢锭冒口实施加热保温，强化钢锭冒口的补缩能力，减小冒口尺寸，显著提高钢锭利用率。本实用新型加热方式属于感应加热，热量来自于透入层内金属熔体产生的体积热，具有加热体积大、加热效率高和便于控制等优点。

Description

钢锭冒口感应加热装置

技术领域

本实用新型涉及冶金和机械制造行业，具体说是一种适用于大型钢锭（铸锭）生产过程中钢锭冒口部位的感应加热装置，可以对不同尺寸的钢锭冒口部位液态金属进行加热保温，适用于不锈钢、合金钢和镍基合金等各类金属材料。

背景技术

随着金属锻件产品性能要求的提高，对其所用的铸锭和铸坯质量提出了更高的要求，特别是大型锻件向超大型化和高合金化发展，所用锻造钢锭和铸坯也需要满足超大型化和高致密化的要求。

大型钢锭（包括各类金属材料的各种铸坯，下同）的铸锭工序，液态金属在凝固过程中，需要冒口部位补充大量的高温钢水，以填充钢锭锭身凝固收缩的空间。由于大型钢锭凝固过程很长，在锭身凝固的过程中冒口钢液（包括各种液态的黑色和有色金属，为了叙述方便，统称钢液，下同。）也在散热降温趋向凝固，在钢锭凝固后期，冒口便难以保证有足够的高温钢液完成锭身的补缩任务，为此，工业生产中常用增大冒口比例的方法来延长冒口凝固时间，保证冒口有充足的钢液用于锭身补缩，通常钢锭冒口所占比率增加到18-25%，虽然此方法能满足锭身的补缩要求，但却显著地降低了钢锭的利用率，不但增加了生产成本，也浪费大量宝贵的资源。

如何在不增加冒口比例的情况下，保证冒口有充足的钢液对锭身补缩，成为钢锭生产中难以突破的瓶颈。目前，钢锭的冒口保温采用低导热率材料，使得冒口钢液处于低导热的保温环境之中，这样减少了冒口钢液向周围的热损失，延缓冒口的凝固进程。在此基础上，工业生产中有应用电热冒口者，也有研究者试图通过电弧、等离子和化学方法等加热方法对冒口热量损失进行补偿，进一步延缓冒口钢液的凝固进程，强化冒口的补缩作用。但是上述电热冒口等方法尚有某些不足之处，例如上述电热冒口在实际生产中需要直接将石墨电极等加热体插入到钢液中，加热过程中难以很好利用保温剂和覆盖剂保护，造成大量的热量从顶部散失，并且上述电热冒口输入的热量主要集中在加热体附近，加热面积小、热效率低；此外，上述方法还存在杂质和有害气体对钢液的污染等问题。

发明内容

为了克服现有技术存在的上述不足，本实用新型提供一种钢锭冒口感应加热装置，该装置通过感应器对钢锭冒口部位进行感应加热，方便有效地延长冒口的凝固时间，提高冒口补缩能力，减小冒口尺寸，显著提高钢锭利用率。

本实用新型解决其技术问题所采用的技术方案是：所述钢锭冒口感应加热装置，包括底座、支撑臂，上、下两组感应线圈、热电偶和无纸记录仪，底座侧壁的外表面对称设置吊耳。所述底座上用耐火保温材料砌筑成冒口保温套，在冒口保温套外部垂直方向放置上、下两组感应线圈，上、下两组感应线圈通过水冷电缆连接到可控硅电源柜，在上、下两组感应线圈外部沿圆周方向上均布磁轭，磁轭的外侧用不锈钢板夹持并组装在支撑臂上，支撑臂固定在底座的凹槽内，冷却水系统与上、下感应线圈连接，通过冷却水带走感应线圈的热量。

本实用新型中，上、下两组感应线圈，均由矩形铜管盘成螺旋状，线圈匝间距通常为5-12mm，线圈外表面包有云母带，且涂有绝缘漆。

本实用新型中，所述上、下两组感应线圈采用并联方式与可控硅电源柜连接，且两组感应线圈之间塞有石棉板隔离，可控硅电源柜输出频率范围100-3000Hz，频率和功率根据钢锭尺寸及温度反馈信号进行选择和调整。

本实用新型中，所述磁轭由硅钢片垒叠而成，其截面形状为“匚”形，磁轭封面的不锈钢板与硅钢片接触部用云母板隔开。 

本实用新型中，所述的钢锭冒口感应加热装置，其底座材质为不锈钢，底座与磁轭留有间隙，且在间隙之间填充绝热绝缘材料进行绝缘处理。

本实用新型中，所述冒口保温套由耐火砖和绝缘板组装而成，冒口保温套的厚度为20-200mm，冒口保温套与上、下两组感应线圈之间无铁磁性材料。

本实用新型中，带有刚玉保护管的热电偶插入到冒口的金属液中，通过导线连接到无纸记录仪，检测记录冒口钢液的温度，反映冒口降温过程，根据反馈的信息调节电源的输入功率控制冒口凝固过程。

本实用新型中，冷却水系统为感应线圈提供冷却水，在出水口设有测温装置，要求出水温度不高于55℃。

本实用新型具有如下有益效果：

1、加热速度快，热效率高，节约能源。本实用新型的加热方式属于感应加热，在感应加热过程中，热量来自于冒口 “热态涡流透入层” 内液态金属生成的体积热，快速加热，热效率高。

2、减小冒口尺寸，提高钢锭的利用率。本实用新型的钢锭冒口感应加热装置，通过感应线圈对冒口钢液感应加热，补偿钢锭凝固过程中冒口的热量损失，延长冒口钢液的凝固时间，保证冒口有足够的钢液对锭身补缩，这将有利于减小冒口尺寸，提高钢锭利用率，节省材料资源。

3、适用性广。本实用新型的钢锭冒口感应加热装置采用的加热原理为电磁感应加热，只要适用于电磁感应加热的金属都可应用本装置，通过电源控制系统调节输入到电磁感应线圈的功率及频率，可适应不同吨位钢锭的冒口加热保温。

4、采用能源纯净，对钢液无污染。本实用新型的钢锭冒口感应加热装置，采用电磁场感应加热方式，加热过程中无外来物质和有害气体与金属液接触，避免了对钢液的污染。

附图说明

图1为钢锭冒口感应加热装置结构示意图的主视图；

图2为钢锭冒口感应加热装置结构示意图的俯视图；

图3为钢锭冒口感应加热装置“匚”形磁轭的主视图；

图4为钢锭冒口感应加热装置“匚”形磁轭的左视图；

图5为钢锭冒口感应加热装置线圈与电源连接方式的示意图；

图6是钢锭冒口感应加热条件下钢锭的缩孔模拟计算结果；

图7是钢锭冒口感应加热条件下钢锭的缩孔和缩松模拟计算结果；

图8是未对冒口感应加热钢锭的缩孔模拟计算结果；

图9是未对冒口感应加热钢锭的缩孔和缩松的模拟计算结果。

上述附图中，1.钢锭冒口，2.冒口保温套，3.底座，4.支撑臂，5.下感应线圈，6.上感应线圈，7.可控硅电源柜，8.保温剂，9.冷却水系统，10.磁轭，11.吊耳，12.热电偶，13.无纸记录仪。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本实用新型做进一步说明。

实施例1

图1是本实用新型公开的钢锭冒口感应加热装置结构示意图，钢锭材质为Monel400合金的300kg铸锭，浇注温度1550℃，铸锭冒口重量为48kg，冒口下端面直径205mm，冒口上端面直径160mm，冒口高度195mm，冒口保温套2由耐火砖制成，壁厚为25mm，紧固在支撑结构上。底座3材质为不锈钢，侧壁外表面对称设置吊耳11。在冒口保温套2外部垂直放置上、下两组感应线圈（6、5），冒口保温套2与感应线圈（6、5）之间无铁磁性材料，上、下两组感应线圈（6、5）由矩形截面纯铜管盘成螺旋状，线圈匝间距为6mm，其外表面包有云母带，且每匝线圈都喷有绝缘漆。上、下两组感应线圈（6、5）通过水冷电缆连接到可控硅电源柜7，其接线方式如图5所示。线圈内径均为280mm，线圈总高度182mm，并且两组线圈之间用石棉板夹紧。可控硅电源7输入到感应线圈额频率为2500Hz，额定功率为18kW，额定电压为90V。采用8组“匚”形磁轭10均布感应线圈周围。其中磁轭10与底座3之间留有间隙，在间隙之间填充绝热绝缘材料。磁轭10由硅钢片垒叠而成，其封面不锈钢板与硅钢片接触部分用云母板隔开外侧用不锈钢板夹住，通过焊接形式固定在4支撑臂上，支撑臂4通过凹槽与底座3连接。冷却水系统9与上、下两组感应线圈（6、5）连接，热电偶12外面包裹刚玉保护管，插入到冒口的金属液中，通过导线连接到无纸记录仪13，可对钢锭凝固过程中冒口的温度进行测定。

在钢锭浇注前，通过吊耳11，将钢锭冒口感应加热及电磁搅拌装置放置在钢锭模上部，然后浇注钢锭。浇注完毕后，加入保温剂8，接着开通冷却水系统9为本发明的装置提供冷却水，出水水温不超过55℃。再接通可控硅电源7，使得感应线圈（6、5）对冒口钢液进行感应加热补偿钢锭凝固过程中冒口的热量损失。测温热电偶12包裹壁厚为5mm刚玉保护管深插入到钢锭冒口钢液之中，在感应加热过程中通过热电偶12和无纸记录仪13反馈钢锭冒口的温度，通过可控硅电源7调节输入到感应线圈（6、5）的功率控制冒口凝固过程。感应加热时间为15分钟，钢锭凝固结束后，关闭电源，10分钟后再关闭冷却水系统9，通过吊耳11起吊钢锭冒口感应加热装置，再按照正常步骤完成钢锭的起吊和脱模工作。将所铸造的镍基合金铸锭沿冒口线切开检查铸锭质量，锭身没有出现缩孔，冒口处缩孔呈现较为平缓的碗状。

实施例2

如图1所示，将本装置应用于质量为20吨AISI304不锈钢钢锭，该钢锭冒口重量3.8t，钢锭的浇注温度为1600℃，冒口下端面直径1200mm，上端面直径1100mm，高度600mm。冒口保温套2用高铝砖砌成，壁厚为120mm，紧固在支撑结构上。底座3材质为不锈钢，侧壁外表面对称设置吊耳11。冒口保温套2与感应线圈（6、5）之间无铁磁性材料，感应线圈（6、5）由矩形截面纯铜管盘成螺旋状，线圈匝间距为8mm，采用如图5所示的电路连接方式，线圈内径为1460mm，线圈总高度为630mm，采用8组“匚”形磁轭10均布感应线圈四周，可控硅电源的电参数为电流频率500Hz，线圈额定功率150kW，输入线圈电压1500V。冒口感应加热装置对冒口钢液加热时间为5小时，之后关闭电源停止加热，但继续通入冷却水，20分钟以后停止通入冷却水。实施例2的其它部分与实施例1相同

模拟计算例

本实用新型采用计算机数值仿真模拟计算说明钢锭冒口感应加热装置在大型钢锭凝固过程的应用，模拟计算过程中主要考虑该装置对钢锭凝固过程温度场产生的影响，简化忽略了浇注充型过程对凝固过程的影响因素，将浇注温度视为初始凝固温度。模拟计算对象为质量212吨0Cr13Ni4Mo不锈钢钢锭，浇注温度为1550℃，钢锭各部分比例为：冒口占20%，锭身占78%，锭尾占2%。冒口重量为42.4t，冒口上端面直径2720mm，下端面直径2930mm，冒口高度 1180mm，冒口高径比为0.42，冒口双面锥度为17.8%，锭身高径比为1.03，锭身锥度10%。保温剂厚度为300mm，冒口保温套由优质高铝砖+绝热板制成，壁厚为120mm，钢锭冒口感应加热装置中，线圈内径为3200mm，线圈匝间距为8mm，线圈总高度为1200mm，采用8组“匚”形磁轭均布感应线圈四周。可控硅中频电源的电源频率：300Hz，额定功率：2000kW，可控硅电源系统进线电压660V，输出电压2000V。冒口感应加热装置对冒口钢液加热时间为20小时。如图6所示，钢锭冒口感应加热装置加热条件下缩孔和缩松的模拟计算结果。可以看出缩孔形态基本为平缓的平面，缩孔深度300mm。如图7所示钢锭冒口感应加热条件下钢锭的缩孔缩松判定结果。以“临界固相率形成封闭区域”判定钢锭的缩孔和缩松的位置。该区域是钢锭凝固的最后凝固区域，得不到外来液体的补缩，因此在凝固后该部分将形成缩孔或者缩松缺陷，缩孔缩松位于距离锭身上端面200mm以上的位置。

比较例

对模拟计算例中的质量212吨0Cr13Ni4Mo不锈钢钢锭凝固过程进行计算机仿真模拟计算，凝固条件与实施例2相同，不同之处为钢锭凝固过程未对冒口感应加热。图8所示为未对冒口感应加热钢锭的缩孔和缩松的模拟计算结果；可以看出缩孔形态基本为凹形的碗状，缩孔深530mm。图9为未对冒口感应加热钢锭的缩孔和缩松的模拟计算结果，缩孔和缩松位于距离锭身上端面50mm以上的位置。

比较例的结果表明，以大型钢锭计算机凝固仿真模拟结果为参考，本实用新型所产生的热效应，可以有效地补偿钢锭凝固过程中冒口的热量损失，加强了钢锭冒口的补缩作用，使得缩孔形态近似为平面状，缩孔和缩松的范围减少，非常有助于缩小冒口尺寸，显著提高钢锭利用率。

Claims (8)

1.一种钢锭冒口感应加热装置，包括底座（3）、支撑臂（4）、上、下两组感应线圈（6、5）、热电偶（12）和无纸记录仪（13），底座（3）侧壁的外表面对称设置吊耳（11），其特征是：所述底座（3）上用耐火保温材料砌筑成冒口保温套（2），在冒口保温套（2）外部垂直方向放置上、下两组感应线圈（6、5），上、下两组感应线圈（6、5）通过水冷电缆连接到可控硅电源柜（7），在上、下两组感应线圈（6、5）外部沿圆周方向上均布磁轭（10），磁轭（10）的外侧用不锈钢板夹持并组装在支撑臂（4）上，支撑臂（4）固定在底座（3）的凹槽内，冷却水系统（9）与上、下感应线圈（6、5）连接。

2.根据权利要求1所述的钢锭冒口感应加热装置，其特征是：所述上、下两组感应线圈（6、5）的结构相同，均由矩形铜管盘成螺旋状，线圈匝间距通常为5-12mm，线圈外表面包有云母带，且涂有绝缘漆。

3.根据权利要求1所述的钢锭冒口感应加热装置，其特征是：所述上、下两组感应线圈（6、5）采用并联方式与可控硅电源柜（7）连接，且上、下两组感应线圈（6、5）之间塞有石棉板隔离，可控硅电源柜（7）输出频率范围100-3000Hz，频率和功率根据钢锭尺寸及温度反馈信号进行选择和调整。

4.根据权利要求1所述的钢锭冒口感应加热装置，其特征是：所述磁轭（10）由硅钢片垒叠而成，其截面形状为“匚”形，磁轭（10）的封面不锈钢板与硅钢片接触部分由云母板隔开。

5.根据权利要求1所述的钢锭冒口感应加热装置，其特征是：所述底座（3）材质为不锈钢，磁轭（10）与底座（3）之间留有间隙，且在间隙之间填充绝热绝缘材料。

6.根据权利要求1所述的钢锭冒口感应加热装置，其特征是：所述冒口保温套（2）由耐火砖和绝缘板组装而成，紧固在支撑结构上，冒口保温套（2）的壁厚为20-200mm，冒口保温套（2）与上、下两组感应线圈（6、5）之间无铁磁性材料。

7.根据权利要求1所述的钢锭冒口感应加热装置，其特征是：所述热电偶（12）带有刚玉保护管，将其插入到冒口的金属液中，并通过导线连接无纸记录仪（13）检测记录冒口钢液的温度。

8.根据权利要求1所述的钢锭冒口感应加热装置，其特征是：所述冷却水系统（9）为感应线圈提供冷却水，在出水口设有测温装置，要求出水温度不高于55℃。

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