RU2457064C1 - Method of continuous and semicontinuous casing of aluminium alloys and device to this end - Google Patents
Method of continuous and semicontinuous casing of aluminium alloys and device to this end Download PDFInfo
- Publication number
- RU2457064C1 RU2457064C1 RU2011108039/02A RU2011108039A RU2457064C1 RU 2457064 C1 RU2457064 C1 RU 2457064C1 RU 2011108039/02 A RU2011108039/02 A RU 2011108039/02A RU 2011108039 A RU2011108039 A RU 2011108039A RU 2457064 C1 RU2457064 C1 RU 2457064C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- ingot
- liquid core
- core
- inductor
- depth
- Prior art date
Links
Images
Classifications
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B22—CASTING; POWDER METALLURGY
- B22D—CASTING OF METALS; CASTING OF OTHER SUBSTANCES BY THE SAME PROCESSES OR DEVICES
- B22D11/00—Continuous casting of metals, i.e. casting in indefinite lengths
- B22D11/001—Continuous casting of metals, i.e. casting in indefinite lengths of specific alloys
- B22D11/003—Aluminium alloys
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B22—CASTING; POWDER METALLURGY
- B22D—CASTING OF METALS; CASTING OF OTHER SUBSTANCES BY THE SAME PROCESSES OR DEVICES
- B22D11/00—Continuous casting of metals, i.e. casting in indefinite lengths
- B22D11/04—Continuous casting of metals, i.e. casting in indefinite lengths into open-ended moulds
- B22D11/041—Continuous casting of metals, i.e. casting in indefinite lengths into open-ended moulds for vertical casting
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B22—CASTING; POWDER METALLURGY
- B22D—CASTING OF METALS; CASTING OF OTHER SUBSTANCES BY THE SAME PROCESSES OR DEVICES
- B22D11/00—Continuous casting of metals, i.e. casting in indefinite lengths
- B22D11/10—Supplying or treating molten metal
- B22D11/11—Treating the molten metal
- B22D11/114—Treating the molten metal by using agitating or vibrating means
- B22D11/115—Treating the molten metal by using agitating or vibrating means by using magnetic fields
Abstract
Description
Область техникиTechnical field
Изобретение относится к непрерывной разливке металлов, в частности алюминия.The invention relates to the continuous casting of metals, in particular aluminum.
Предшествующий уровень техникиState of the art
Известно изобретение «Способ и устройство для электромагнитного перемешивания металлов в поздней стадии отвердения» (Патент WO 2009117803, опубликовано: 2009.10.01), в котором устройство содержит один или более многофазных индукторов, размещенных вдоль слитка и создающих вокруг оси слитка перемешивание жидкой сердцевины, по меньшей мере, создавая первое и второе вращающиеся магнитные поля, отличающиеся по частоте, вокруг оси затвердевания металла. При наложении вращающихся полей от разных индукторов дополнительно к основному перемешиванию усиливается турбулентное движение, которое обеспечивает эффективный тепломассообмен на границе кристаллизации и получение равноосных дендритов и более равномерной структуры по сечению слитка.The invention is known "Method and device for electromagnetic mixing of metals in the late stage of hardening" (Patent WO 2009117803, published: 2009.10.01), in which the device contains one or more multiphase inductors placed along the ingot and creating around the axis of the ingot mixing the liquid core, according to at least, creating the first and second rotating magnetic fields that differ in frequency around the axis of solidification of the metal. When superimposing rotating fields from different inductors, in addition to the main mixing, turbulent motion is intensified, which ensures efficient heat and mass transfer at the crystallization boundary and obtain equiaxed dendrites and a more uniform structure over the cross section of the ingot.
Основными недостатками такого способа и устройства применительно к алюминиевым слябам являются невозможность организовать перемешивающее воздействие, совпадающее по характеру с направлениями течений при естественной конвекции в жидкой сердцевине алюминиевого сляба. Согласно указанному способу, при создании вращающегося перемешивания в слитке вокруг его оси возникнет круговое движение металла, которое из-за вытянутого профиля сечения сляба вызовет существенно отличающиеся условия охлаждения вдоль широкой и узкой сторон. Кроме этого, учитывая, что глубина жидкой сердцевины D сопоставима с размерами поперечного сечения А и В, будет создаваться вращение по всей высоте жидкой сердцевины и, как следствие, образовываться течение, подобное воронке, с нарушением формы мениска и интенсивным бурлением в зоне мениска.The main disadvantages of this method and device with respect to aluminum slabs are the inability to organize a mixing effect, which coincides in nature with the directions of the flows during natural convection in the liquid core of the aluminum slab. According to this method, when creating a rotating stirring in the ingot around its axis, a circular motion of the metal will occur, which, due to the elongated slab cross-sectional profile, will cause significantly different cooling conditions along the wide and narrow sides. In addition, taking into account that the depth of the liquid core D is comparable with the sizes of the cross sections A and B, rotation will be created over the entire height of the liquid core and, as a result, a flow similar to a funnel will form with a disruption of the meniscus shape and intense drilling in the meniscus area.
Известно изобретение «Способ и устройство управления потоками в кристаллизаторе непрерывного литья слябов» (Патент RU 2325245, опубликовано: 27.05.2008), в котором расплавленный металл подают в кристаллизатор через погруженный разливочный стакан, боковые выходные отверстия которого обращены к малым боковым сторонам кристаллизатора. Конфигурация потоков расплавленного металла в кристаллизаторе может естественным образом устанавливаться в режим «одинарной петли», или в режим «двойной петли», или в «неустойчивый» режим. На уровне выходных отверстий стакана генерируют магнитные поля, скользящие в направлении каждой малой боковой стороны стакана. Скользящие магнитные поля приводят в действие на протяжении всего литья так, чтобы установить или стабилизировать постоянную конфигурацию течения в режиме «двойной петли», либо магнитные поля приводят в действие только в том случае, если конфигурация потоков не установилась естественным образом в режим «двойной петли». При этом используемые индукторы создают электромагнитное поле на одной частоте.The invention is known "Method and device for controlling flows in a continuous slab casting mold" (Patent RU 2325245, published: 05.27.2008), in which molten metal is fed into the mold through an immersed casting glass, the lateral outlet openings of which are facing the small lateral sides of the mold. The configuration of the flows of molten metal in the crystallizer can naturally be set to the “single loop” mode, or to the “double loop” mode, or to the “unstable” mode. At the level of the outlet openings of the beaker, magnetic fields are generated sliding in the direction of each small side of the beaker. Moving magnetic fields are activated throughout the casting so as to establish or stabilize a constant flow configuration in the “double loop” mode, or magnetic fields are activated only if the flow configuration has not been established naturally in the “double loop” mode . In this case, the inductors used create an electromagnetic field at one frequency.
Основными недостатками такого способа и устройства применительно к алюминиевым слябам является неоптимальное использование индуктора, создающего электромагнитное поле на одной частоте, с точки зрения управления потоками в жидкой сердцевине, что не позволяет гибко управлять структурой потоков в жидкой сердцевине.The main disadvantages of this method and device as applied to aluminum slabs are the non-optimal use of an inductor that creates an electromagnetic field at a single frequency, from the point of view of flow control in a liquid core, which does not allow flexible control of the flow structure in a liquid core.
Известно изобретение «Способ электромагнитного перемешивания для непрерывного литья металлических изделий удлиненного поперечного сечения» (Патент RU 2357833, опубликовано 10.06.2009), в котором для способствования обмену жидкого металла внутри лунки затвердевания между зоной вторичного охлаждения и кристаллизатором в упомянутой зоне вторичного охлаждения принудительно создают продольное течение металла, локализованное в срединной области отливаемого изделия двумя противоположными коллинеарными потоками и обеспечивающее «четырехлепестковую» общую циркуляцию жидкого металла в виде двух верхних и двух нижних потоков, образующих «лепестки», два верхних из которых достигают в кристаллизаторе уровня струй, выходящих из выходных каналов погружного разливочного стакана. Изобретение позволяет добиться общего перемешивания металла по всей металлургической длине, обеспечивая термическую и химическую однородность между верхней и нижней частью жидкой лунки без ущерба для положительных эффектов, свойственных перемешиванию в кристаллизаторе и в зоне вторичного охлаждения, при этом не нарушая и даже улучшая режим локального течения в кристаллизаторе.The invention is known "Method of electromagnetic stirring for continuous casting of metal products of elongated cross section" (Patent RU 2357833, published June 10, 2009), in which, to facilitate the exchange of liquid metal inside the solidification well between the secondary cooling zone and the mold in the said secondary cooling zone, a longitudinal metal flow localized in the middle region of the molded product by two opposing collinear flows and providing “four the general ”circulation of liquid metal in the form of two upper and two lower flows forming“ petals ”, the two upper of which reach the level of jets leaving the outlet channels of the submersible filling nozzle in the mold. The invention allows to achieve general mixing of the metal along the entire metallurgical length, providing thermal and chemical uniformity between the upper and lower parts of the liquid well without affecting the positive effects inherent in mixing in the mold and in the secondary cooling zone, without disturbing or even improving the local flow regime in crystallizer.
Основными недостатками такого способа и устройства применительно к алюминиевым слябам являются неоптимальное использование индуктора, создающего электромагнитное поле на одной частоте, с точки зрения управления потоками в жидкой сердцевине, невозможность гибко управлять структурой потоков в жидкой сердцевине. Кроме недостатка в ограниченности управления структурой и турбулизированностью потоков, переменное магнитное поле одной частоты обычно создается с целью эффективного создания основных потоков в расплаве жидкой сердцевины и не учитывает возможность механического резонанса колебаний жидкости.The main disadvantages of this method and device in relation to aluminum slabs are the non-optimal use of an inductor that creates an electromagnetic field at a single frequency, from the point of view of flow control in a liquid core, the inability to flexibly control the structure of flows in a liquid core. In addition to the lack of limited control over the structure and turbulence of flows, an alternating magnetic field of the same frequency is usually created in order to efficiently create the main flows in the melt of the liquid core and does not take into account the possibility of mechanical resonance of fluid oscillations.
Данное изобретение является наиболее близким к заявляемому изобретению, т.е. прототипом.This invention is closest to the claimed invention, i.e. prototype.
Раскрытие изобретенияDisclosure of invention
В основу настоящего изобретения положена задача гибкого управления скоростью перемешивания, структурой потоков и турбулизированностью по всему объему жидкой сердцевины кристаллизующегося алюминиевого сляба.The present invention is based on the task of flexible control of the mixing speed, flow structure and turbulization throughout the volume of the liquid core of the crystallizing aluminum slab.
В операциях непрерывной разливки стали устоялась практика перемешивания жидкой стали в области кристаллизатора устройства непрерывной разливки стали и области жидкой сердцевины стального слитка с помощью прикладываемого извне низкочастотного электромагнитного поля переменного тока. В настоящее время согласно патенту FR 0312555 (RU 2357833 и FR 0212706 (RU 2325245) для литья стальных слитков-слябов используют одну (или более) пару индукторов, расположенных в различных зонах по всей длине жидкой сердцевины стального слитка, достигающей в длину нескольких метров, где каждый индуктор может индуцировать переменное электромагнитное поле на разной частоте в соответствии с необходимым воздействием на металл. При этом достигается выравнивание химического состава по всему объему жидкого металла и увеличение теплообмена в области кристаллизации, что приводит к образованию более качественной и однородной структуры получаемого слитка. Также для обеспечения стабильности свободной поверхности расплава, обычно именуемой мениском, используются индукторы, создающие постоянное или переменное магнитное поле в области разливочного стакана. Однако при непрерывном литье стального слитка глубина жидкой сердцевины D много больше ширины слитка А и может составлять для слитков сечением 2000 мм×600 мм более 10 метров. Кроме того, при организации перемешивающего воздействия в жидкой сердцевине стального слитка в основном стараются организовать вращательное движение жидкого металла вокруг направления вытягивания слитка или в плоскости, перпендикулярной направлению вытягивания, что обусловлено в основном значительным превышением глубины жидкой сердцевиной D над шириной слитка А, а также изогнутой по радиусу формой слитка, из-за чего организация симметричной циркуляции металла по схеме «двойная петля» крайне затруднительна.In operations of continuous casting of steel, the practice of mixing liquid steel in the mold area of the continuous casting device and the area of the liquid core of the steel ingot using an external low-frequency electromagnetic field of alternating current applied from the outside has become established. Currently, according to the patent FR 0312555 (RU 2357833 and FR 0212706 (RU 2325245), one (or more) pair of inductors located in different zones along the entire length of the liquid core of the steel ingot reaching a length of several meters is used for casting steel ingots-slabs where each inductor can induce an alternating electromagnetic field at a different frequency in accordance with the necessary effect on the metal, thereby equalizing the chemical composition throughout the entire volume of the liquid metal and increasing heat transfer in the crystallization region This leads to the formation of a better and more homogeneous structure of the obtained ingot. Also, to ensure the stability of the free surface of the melt, commonly referred to as the meniscus, inductors are used that create a constant or alternating magnetic field in the region of the casting nozzle. However, during continuous casting of a steel ingot, the depth of the liquid core D much larger than the width of the ingot A and can be more than 10 meters for ingots with a cross section of 2000 mm × 600 mm. In addition, when organizing the mixing action in the liquid core of a steel ingot, they mainly try to organize the rotational movement of the molten metal around the direction of drawing of the ingot or in a plane perpendicular to the direction of drawing, which is mainly due to a significant excess of the depth of the liquid core D over the width of the ingot A, as well as curved along the radius of the shape of the ingot, which is why the organization of symmetric metal circulation according to the “double loop” scheme is extremely difficult.
При проектировании индукторов, предназначенных для перемешивания жидкой сердцевины стального слитка, которые устанавливают вдоль слитка, обычно исходят из того факта, что толщина корочки слитка на одном конце индуктора Tb изменяется слабо и практически соответствует толщине корочки слитка на другом конце индуктора Tt, то есть Tb~Tt. Учитывая это, для перемешивания жидкой сердцевины слитка в конкретном месте используют индуктор (в основном это линейная индукционная машина), генерирующий бегущее или вращающееся поля одной частоты, при этом пренебрегают разницей в затухании электромагнитного поля вызванной различной толщиной корочки слитка по длине индуктора. Для определения толщины слоя от стенки слитка, где сконцентрирована основная зона действия индуцированных электромагнитных сил, используют широко распространенный термин «глубина проникновения электромагнитного поля» или «скин-слой», в котором сосредоточено ~86% мощности, выделяемой в расплаве, толщина слоя которого, в простейшем случае, для пульсирующего поля определяется какWhen designing inductors designed to mix the liquid core of a steel ingot, which are installed along the ingot, usually proceed from the fact that the thickness of the crust of the ingot at one end of the inductor Tb varies slightly and practically corresponds to the thickness of the crust of the ingot at the other end of the inductor Tt, i.e. Tb ~ Tt. Given this, an inductor (mainly a linear induction machine) is used to mix the liquid core of the ingot in a specific place, generating a moving or rotating field of the same frequency, while the difference in the attenuation of the electromagnetic field caused by the different thickness of the crust of the ingot along the length of the inductor is neglected. To determine the thickness of the layer from the wall of the ingot, where the main zone of action of the induced electromagnetic forces is concentrated, the widely used term “penetration depth of the electromagnetic field” or “skin layer” is used, in which ~ 86% of the power released in the melt is concentrated, the layer thickness of which in the simplest case, for a pulsating field it is defined as
где γ - удельная электрическая проводимость (Ом·м)-1; µа - абсолютная магнитная проницаемость (Гн/м); ω - круговая частота (рад/сек), связанная с циклической частотой f соотношением ω=2·π·f.where γ is the electrical conductivity (Ohm · m) -1 ; µ a - absolute magnetic permeability (GN / m); ω is the circular frequency (rad / sec) associated with the cyclic frequency f by the relation ω = 2 · π · f.
Однако при литье алюминиевых слитков прямоугольного сечения в кристаллизаторе скольжения методом полунепрерывного литья, например, с использованием вертикальных литейных установок компании Wagstaff условия процесса существенно отличаются от литья стальных слитков. Так, для алюминиевого слитка, имеющего сечение А×В~0,6×2,3 м, глубина жидкой сердцевины составляет D~1,2 м при длине слитка L~11 м, таким образом, D сопоставима с А, т.е. D~А. В основном это обусловлено тем, что алюминий обладает существенно большей теплопроводностью, чем железо. Кроме того, толщина корочки алюминиевого слитка значительно отличается на участках выхода из кристаллизатора - Tt и в области дна жидкой сердцевины - Tb. Так, для алюминиевого слитка сечением 2,3 м×0,6 м, соответствующим Tt~3 см, Tb~20 см, а их отношение Tb/Tt~6,6. Частоты f, которым соответствует глубина проникновения электромагнитного поля в твердый алюминий, согласно формуле (1) для толщины алюминия Tt~3 составляет f~6 Гц, для толщины алюминия Tb~20 см составляет f~0,17 Гц. Учитывая высокую электропроводность твердого алюминия, очевидно, что использование индуктора, создающего электромагнитного поле на одной частоте, неоптимально с точки зрения управления потоками в жидкой сердцевине. Так, при использовании равномерного скользящего электромагнитного поля, действующего на всю жидкую сердцевину вдоль длины D при условии, что это поле обеспечивает эффективное перемешивание в зоне дна жидкой сердцевины, вполне очевидно развитие избыточного перемешивания в зоне, где расположен мениск, что является крайне нежелательным явлением. И напротив, при наложении аналогичного скользящего магнитного поля, величина которого не создает избыточного перемешивания в зоне, где расположен мениск, эффективность перемешивания в зоне дна жидкой сердцевины будет недостаточна из-за большого эффекта экранирования твердой корочкой слитка толщиной Tb.However, when casting aluminum ingots of rectangular cross-section in a sliding mold using semi-continuous casting, for example, using Wagstaff vertical casting plants, the process conditions are significantly different from casting steel ingots. So, for an aluminum ingot having a section A × B ~ 0.6 × 2.3 m, the depth of the liquid core is D ~ 1.2 m with an ingot length L ~ 11 m, thus, D is comparable to A, i.e. . D ~ A. This is mainly due to the fact that aluminum has a significantly higher thermal conductivity than iron. In addition, the thickness of the crust of the aluminum ingot differs significantly in the areas of exit from the mold — Tt and in the region of the bottom of the liquid core — Tb. So, for an aluminum ingot with a section of 2.3 m × 0.6 m, corresponding to Tt ~ 3 cm, Tb ~ 20 cm, and their ratio Tb / Tt ~ 6.6. According to formula (1), the frequencies f, which correspond to the depth of penetration of the electromagnetic field into solid aluminum, are f ~ 6 Hz for aluminum thickness T ~ 3, and f ~ 0.17 Hz for aluminum thickness Tb ~ 20 cm. Given the high electrical conductivity of solid aluminum, it is obvious that the use of an inductor that creates an electromagnetic field at a single frequency is not optimal from the point of view of flow control in the liquid core. So, when using a uniform sliding electromagnetic field acting on the entire liquid core along the length D, provided that this field provides effective mixing in the area of the bottom of the liquid core, the development of excessive mixing in the area where the meniscus is located is very obvious, which is extremely undesirable. Conversely, when a similar sliding magnetic field is applied, the magnitude of which does not create excessive mixing in the area where the meniscus is located, the mixing efficiency in the area of the bottom of the liquid core will be insufficient due to the large screening effect of the solid crust of the ingot with a thickness of Tb.
Кроме указанного выше недостатка, использование переменного магнитного поля одной частоты не позволяет гибко управлять структурой потоков в жидкой сердцевине. То есть, конечно, возможно управление направлением вращения вихрей за счет реверса направления движения магнитного поля либо смещение месторасположения основных вихрей за счет величины магнитного поля и его частоты, однако в целом, на сегодняшний день, для слябов не предложены способы и устройства, способные организовать гибкое управление структурой гидродинамического поля таким образом, чтобы скользящее магнитное поле одной частоты, действующее вдоль всей области жидкой сердцевины D, создавало бы принципиально различные течения в жидкой сердцевине, например могло создать течение не только в форме одинарной, двойной петли или одного вихря, но и создавать большую совокупность сильно турбулизованных течений с гибким управлением количеством вихрей и их месторасположением. Кроме недостатка в ограниченности управления структурой и турбулизированностью потоков, переменное магнитное поле одной частоты обычно создается с целью эффективного создания основных потоков в расплаве жидкой сердцевины и не учитывает возможность механического резонанса колебаний жидкости. Тем не менее, известно, что если прикладывать к телу или объему жидкости усилия на частоте собственных колебаний, то колебания в теле или объеме жидкости сильно увеличиваются и механическая система становится особенно восприимчива к воздействию силы на такой частоте. При этом для объема жидкости, находящейся под действием силы, воздействующей с резонансной частотой, характерно не только то, что скорость течений в объеме жидкости увеличивается с минимальными затратами энергии, но и то что возрастает пульсационная составляющая колебаний, которая приводит к увеличению колебаний турбулентных пульсаций и, как следствие, к возрастанию доли турбулентного движения.In addition to the above drawback, the use of an alternating magnetic field of one frequency does not allow flexible control of the structure of the flows in the liquid core. That is, of course, it is possible to control the direction of rotation of the vortices due to the reversal of the direction of motion of the magnetic field or to shift the location of the main vortices due to the magnitude of the magnetic field and its frequency, however, in general, to date, methods and devices capable of organizing flexible controlling the structure of the hydrodynamic field so that a sliding magnetic field of the same frequency, acting along the entire region of the liquid core D, would create fundamentally different flows in Coy core, for example could create for not only in the form of single, double loop or a vortex, but also to create a large collection of highly turbulent flows with flexible control of the number of vortices and their location. In addition to the lack of limited control over the structure and turbulence of flows, an alternating magnetic field of the same frequency is usually created in order to efficiently create the main flows in the melt of the liquid core and does not take into account the possibility of mechanical resonance of fluid oscillations. Nevertheless, it is known that if efforts are applied to the body or volume of the fluid at the frequency of natural vibrations, the vibrations in the body or volume of the fluid increase greatly and the mechanical system becomes especially susceptible to the effects of forces at such a frequency. Moreover, the volume of a liquid under the action of a force acting with a resonant frequency is characterized not only by the fact that the flow velocity in the liquid volume increases with minimal energy consumption, but also by the fact that the pulsation component of the oscillations increases, which leads to an increase in the oscillations of turbulent pulsations and as a consequence, to an increase in the proportion of turbulent motion.
Однако при использовании многочастотного электромагнитного поля возможно организовать эффективное перемешивание во всех жидких сердцевинах всех слоев слитка. Существенной проблемой литья крупногабаритных алюминиевых слитков является проблема различия структуры слитка в начале и конце слитка, возникающая главным образом из-за того, что условия кристаллизации в начале процесса литья, когда поддон находится в кристаллизаторе и начинает двигаться вниз и в конце процесса литья, когда процесс литья можно считать установившимся, слишком различны.However, when using a multi-frequency electromagnetic field, it is possible to organize effective mixing in all liquid cores of all layers of the ingot. A significant problem of casting large-sized aluminum ingots is the problem of differences in the structure of the ingot at the beginning and end of the ingot, which arises mainly because the crystallization conditions at the beginning of the casting process, when the pan is in the mold and starts to move down and at the end of the casting process, when castings can be considered steady, too varied.
Действительно, в начале процесса литья толщина твердой корочки металла с боковой поверхности слитка небольшая и жидкая сердцевина отделена от поддона небольшой толщиной твердого металла, что предопределяет особенный тепловой режим кристаллизации в этот период, где теплоотвод через поддон может превалировать либо быть сравнимым с теплопередачей через боковые поверхности слитка. Напротив, в ходе дальнейшего процесса литья форма жидкой сердцевины удлиняется, толщина твердого алюминия между жидкой сердцевиной и поддоном увеличивается, что приводит к превалированию теплоотвода через боковые стенки слитка над теплоотводом через низ слитка.Indeed, at the beginning of the casting process, the thickness of the solid crust of the metal from the side surface of the ingot is small and the liquid core is separated from the pallet by a small thickness of solid metal, which predetermines the special thermal regime of crystallization during this period, where heat dissipation through the pallet can prevail or be comparable with heat transfer through the side surfaces ingot. On the contrary, during the further casting process, the shape of the liquid core lengthens, the thickness of the solid aluminum between the liquid core and the pallet increases, which leads to the prevalence of the heat sink through the side walls of the ingot over the heat sink through the bottom of the ingot.
Задачей заявляемого технического решения является возможность гибкого управления скоростью перемешивания, структурой потоков и турбулизированностью по всему объему жидкой сердцевины кристаллизующегося алюминиевого сляба.The objective of the proposed technical solution is the ability to flexibly control the mixing speed, flow structure and turbulization throughout the entire volume of the liquid core of the crystallizing aluminum slab.
Поставленная техническая задача решается тем, что устройство для непрерывной или полунепрерывной разливки алюминиевых сплавов, содержащее кристаллизатор, открытый на обоих концах в направлении разливки, средства для подачи расплава в кристаллизатор, по меньшей мере, два электромагнитных индуктора, выполненных с возможностью индуцирования перемешивающего движения в расплаве, причем указанные индукторы установлены преимущественно симметрично друг к другу относительно вертикальной плоскости симметрии слитка, в котором каждый индуктор выполнен с возможностью создания, по меньшей мере, двух электромагнитных полей, бегущих в противоположных направлениях вдоль направления вытягивания слитка, а зона действия полей охватывает всю жидкую сердцевину.The stated technical problem is solved in that a device for continuous or semi-continuous casting of aluminum alloys, comprising a mold open at both ends in the casting direction, means for supplying the melt to the mold, at least two electromagnetic inductors configured to induce mixing motion in the melt moreover, these inductors are installed mainly symmetrically to each other relative to the vertical plane of symmetry of the ingot, in which each inductance p is configured to generate at least two electromagnetic fields traveling in opposite directions along the pulling direction of the ingot, and the field of action covers the entire area of the liquid core.
Кроме того, индуктор выполнен с возможностью генерирования, по меньшей мере, частоты одного из указанных бегущих электромагнитных полей, близкой или совпадающей с собственной резонансной частотой механических колебаний объема жидкой сердцевины.In addition, the inductor is configured to generate at least a frequency of one of these traveling electromagnetic fields, close to or coinciding with the natural resonant frequency of the mechanical oscillations of the volume of the liquid core.
Кроме того, индуктор выполнен с возможностью создания, по меньшей мере, бегущего электромагнитного поля с возрастанием по глубине жидкой сердцевины D по мере удаления от кристаллизатора к дну сердцевины, причем отношение между величиной электромагнитного поля в областях крайних верхних и нижних частей индуктора превышает 2.In addition, the inductor is configured to create at least a traveling electromagnetic field with increasing depth of the liquid core D with distance from the mold to the bottom of the core, and the ratio between the magnitude of the electromagnetic field in the regions of the upper and lower parts of the inductor exceeds 2.
Кроме того, возрастание величины электромагнитного поля вдоль индуктора по глубине жидкой сердцевины D происходит по линейной, степенной или экспоненциальной зависимости.In addition, an increase in the magnitude of the electromagnetic field along the inductor along the depth of the liquid core D occurs in a linear, power, or exponential relationship.
Кроме того, индуктор выполнен с возможностью генерирования, по меньшей мере, одного электромагнитного поля с убывающей частотой по глубине жидкой сердцевины D по мере удаления от кристаллизатора к дну сердцевины.In addition, the inductor is configured to generate at least one electromagnetic field with a decreasing frequency along the depth of the liquid core D with distance from the mold to the bottom of the core.
Кроме того, частота генерируемых индукторами электромагнитных полей не превышает 6 Гц.In addition, the frequency of electromagnetic fields generated by inductors does not exceed 6 Hz.
Кроме того, по меньшей мере, один индуктор, расположенный в пространстве между, по меньшей мере, двух слитков, выполнен с возможностью обеспечения перемешивания жидкой сердцевины в, по меньшей мере, двух слитках, между которыми он расположен.In addition, at least one inductor located in the space between the at least two ingots is arranged to mix the liquid core in the at least two ingots between which it is located.
Кроме того, по меньшей мере, один индуктор, расположенный вдоль внешней границы, охватывающей, по меньшей мере, два слитка, выполнен с возможностью обеспечения перемешивания жидкой сердцевины в этих слитках.In addition, at least one inductor located along an outer boundary spanning at least two ingots is configured to allow mixing of the liquid core in these ingots.
Кроме того, направления движения бегущих электромагнитных полей, индуцированных одним индуктором, совпадают.In addition, the directions of motion of traveling electromagnetic fields induced by a single inductor coincide.
Кроме того, указанные индукторы генерируют бегущие электромагнитные поля, которые симметричны относительно оси слитка.In addition, these inductors generate traveling electromagnetic fields that are symmetrical about the axis of the ingot.
Поставленная техническая задача решается тем, что способ для непрерывной или полунепрерывной разливки алюминиевых сплавов, включающий воздействие на жидкий металл постоянного электромагнитного поля посредством по меньшей мере, двух электромагнитных индукторов, осуществляющих электромагнитное перемешивание жидкой сердцевины слитка, по меньшей мере, двумя бегущими вдоль направления вытягивания слитка электромагнитными полями, причем каждое из указанных полей генерируют на различных частотах, направления движения которых противоположны и зона воздействия которых на жидкую сердцевину покрывает всю глубину жидкой сердцевины.The stated technical problem is solved in that a method for continuous or semi-continuous casting of aluminum alloys, comprising exposing a liquid metal to a constant electromagnetic field by means of at least two electromagnetic inductors, performing electromagnetic mixing of the liquid core of the ingot with at least two running along the direction of drawing the ingot electromagnetic fields, each of these fields being generated at different frequencies, the directions of motion of which are opposite false and the zone of influence of which on the liquid core covers the entire depth of the liquid core.
Кроме того, по меньшей мере, частоту одного из указанных бегущих электромагнитных полей выбирают близкой или совпадающей с собственной резонансной частотой механических колебаний объема жидкой сердцевины.In addition, at least the frequency of one of these traveling electromagnetic fields is chosen close to or coinciding with the natural resonant frequency of the mechanical vibrations of the volume of the liquid core.
Кроме того, формируют бегущее электромагнитное поле, возрастающее по глубине жидкой сердцевины D по мере удаления от кристаллизатора к дну сердцевины, причем отношение между величиной электромагнитного поля в областях крайних верхних и нижних частей индуктора превышает 2.In addition, a traveling electromagnetic field is formed, increasing along the depth of the liquid core D with distance from the mold to the bottom of the core, and the ratio between the magnitude of the electromagnetic field in the regions of the upper and lower parts of the inductor exceeds 2.
Кроме того, возрастание величины электромагнитного поля вдоль индуктора по глубине жидкой сердцевины D осуществляют по линейной, степенной или экспоненциальной зависимости.In addition, the increase in the magnitude of the electromagnetic field along the inductor along the depth of the liquid core D is carried out according to a linear, power-law or exponential dependence.
Кроме того, электромагнитные поля выбирают с частотой, убывающей по глубине жидкой сердцевины D по мере удаления от кристаллизатора к дну сердцевины.In addition, electromagnetic fields are selected with a frequency decreasing along the depth of the liquid core D with distance from the mold to the bottom of the core.
Кроме того, частоту генерируемых индукторами электромагнитных полей выбирают не более 6 Гц.In addition, the frequency of the electromagnetic fields generated by the inductors is chosen to be no more than 6 Hz.
Кроме того, направления движения бегущих электромагнитных полей, индуцированных одним индуктором, выбирают совпадающими.In addition, the directions of motion of the traveling electromagnetic fields induced by one inductor are chosen coincident.
Кроме того, указанные бегущие электромагнитные поля являются симметричными относительно вертикальной оси слитка.In addition, these traveling electromagnetic fields are symmetric about the vertical axis of the ingot.
Краткое описание чертежейBrief Description of the Drawings
На фиг.1 схематично показана установка индукторов относительно слитка в сечении. Также показано возрастание величины магнитного поля источников от s1 к sN по мере удаления сверху вниз, а также представлены наименования основных размеров.Figure 1 schematically shows the installation of inductors relative to the ingot in cross section. Also shown is an increase in the magnitude of the magnetic field of the sources from s1 to sN as they move away from top to bottom, and the names of the main sizes are also presented.
На фиг.2 показана установка индукторов в трехмерном пространстве и даны размеры, определяющие сечение слитка.Figure 2 shows the installation of inductors in three-dimensional space and given the dimensions that determine the cross section of the ingot.
На фиг.3 изображено воздействие индуктора, установленного в поддоне на жидкую сердцевину в процессе литья на начальном этапе формирования слитка. Бегущее электромагнитное поле генерируется последовательным включением источников магнитного поля s1…sn. Также показано позонное включение боковых индукторов, начиная с зоны 1 до зоны N, по мере увеличения слитка.Figure 3 shows the effect of the inductor installed in the pallet on the liquid core during casting at the initial stage of the formation of the ingot. A traveling electromagnetic field is generated by sequentially switching on the magnetic field sources s1 ... sn. Also shown is the zone inclusion of the side inductors, starting from
На фиг.4 показаны основные течения, возникающие при воздействии бегущих электромагнитных полей, возбуждаемых индуктором, установленным в поддоне, при этом на фиг.4А) показан характер течений, возникающих при наличии двух встречно бегущих полей; на фиг.4Б) показан характер течений, возникающих при наличии двух обратно направленных полей; на фиг.4В) показан характер течений при наличии только одного бегущего поля, у которого глубина проникновения в металл обеспечивает захват слоев жидкости только вблизи поддона; на фиг.4Г) показан характер течений при наличии только одного бегущего поля, у которого глубина проникновения в металл обеспечивает захват слоев жидкости в большей части объема жидкости.Figure 4 shows the main currents arising from the action of traveling electromagnetic fields excited by an inductor mounted in a sump, while Fig. 4A) shows the nature of the currents that occur when there are two oncoming traveling fields; on figb) shows the nature of the flows arising in the presence of two reverse fields; on figv) shows the nature of the flows in the presence of only one traveling field, in which the depth of penetration into the metal provides the capture of layers of liquid only near the pallet; on figg) shows the nature of the flows in the presence of only one traveling field, in which the depth of penetration into the metal provides the capture of layers of liquid in most of the volume of liquid.
На фиг.5 показана, в качестве примера, схема установки из двух трехфазных линейных индукционных машин, которые симметрично расположены относительно оси слитка.Figure 5 shows, as an example, the installation diagram of two three-phase linear induction machines, which are symmetrically located relative to the axis of the ingot.
На фиг.6 показан принцип организации вращающего момента и, как следствие, вихря в расплаве при наложении двух бегущих электромагнитных полей на различной частоте, при этом на фиг.6А) показано образование вихря Е при наложении встречных бегущих полей; на фиг.6Б) показано образование вихря Е при наложении согласно бегущих полей, одно из которых вызывает большую по модулю силу в расплаве, чем другое.Figure 6 shows the principle of organization of the torque and, as a consequence, the vortex in the melt when two traveling electromagnetic fields are applied at different frequencies, and Fig. 6A) shows the formation of the vortex E when superimposed oncoming traveling fields; on figb) shows the formation of a vortex E when superimposed according to traveling fields, one of which causes a greater modulus of force in the melt than the other.
На фиг.7 показана в качестве примера возможная схема установки индукторов относительно нескольких слитков, отливаемых одновременно.Fig. 7 shows, by way of example, a possible arrangement for installing inductors with respect to several ingots cast simultaneously.
На фиг.8 схематично показано расположение интегральных сил F1 и F2 в жидкой сердцевине, которые генерируют на различной частоте бегущие электромагнитные поля - Поле_1 и Поле_2 соответственно.On Fig schematically shows the location of the integrated forces F 1 and F 2 in the liquid core, which generate traveling electromagnetic fields at different frequencies - Field_1 and Field_2, respectively.
На фиг.9 схематично показано управляемое расщепление основного четырехконтурного потока на несколько контуров, при этом на фиг.9А) показано расщепление контуров по вертикали; на фиг.9Б) показано расщепление контуров по горизонтали.Fig. 9 schematically shows the controlled splitting of the main four-loop flow into several circuits, while Fig. 9A) shows vertical splitting of the circuits; on figb) shows the splitting of the contours horizontally.
Лучший вариант осуществления изобретенияThe best embodiment of the invention
Устройство для непрерывной или полунепрерывной разливки алюминиевых сплавов (фиг.1) содержит кристаллизатор 1, открытый на обоих концах в направлении разливки, средство для подачи расплава в кристаллизатор 6, по меньшей мере, два электромагнитных индуктора 3, 4, выполненных с возможностью индуцирования перемешивающего движения в расплаве, причем указанные индукторы 3, 4 установлены преимущественно симметрично друг к другу относительно вертикальной плоскости симметрии слитка, для регулирования положения индукторов 3 и 4 установка снабжена устройством, позволяющим перемещать их и позиционировать относительно слитка и кристаллизатора в любом допустимом положении, каждый индуктор 3 и 4 выполнен с возможностью создания, по меньшей мере, двух электромагнитных полей, бегущих в противоположных направлениях вдоль направления вытягивания слитка, зона действия полей охватывает всю жидкую сердцевину, поддон 5 и слиток 7, литейный стол 2.A device for continuous or semi-continuous casting of aluminum alloys (figure 1) contains a
Кроме того, индуктор 3, 4 выполнен с возможностью генерирования, по меньшей мере, частоты одного из указанных бегущих электромагнитных полей, близкой или совпадающей с собственной резонансной частотой механических колебаний объема жидкой сердцевины.In addition, the
Кроме того, индуктор 3, 4 выполнен с возможностью создания, по меньшей мере, бегущего электромагнитного поля с возрастанием по глубине жидкой сердцевины D по мере удаления от кристаллизатора к дну сердцевины, причем отношение между величиной электромагнитного поля в областях крайних верхних и нижних частей индуктора превышает 2.In addition, the
Кроме того, возрастание величины электромагнитного поля вдоль индуктора 3, 4 по глубине жидкой сердцевины D осуществляется по линейной, степенной или экспоненциальной зависимости.In addition, the increase in the magnitude of the electromagnetic field along the
Кроме того, индуктор 3, 4 выполнен с возможностью генерирования, по меньшей мере, одного электромагнитного поля с убывающей частотой по глубине жидкой сердцевины D по мере удаления от кристаллизатора к дну сердцевины.In addition, the
Кроме того, частота генерируемых индукторами 3, 4 электромагнитных полей не превышает 6 Гц.In addition, the frequency of the electromagnetic fields generated by the
Кроме того, по меньшей мере, один индуктор, расположенный в пространстве между, по меньшей мере, двух слитков, выполнен с возможностью обеспечения перемешивания жидкой сердцевины в, по меньшей мере, двух слитках, между которыми он расположен.In addition, at least one inductor located in the space between the at least two ingots is arranged to mix the liquid core in the at least two ingots between which it is located.
Кроме того, по меньшей мере, один индуктор 3 или 4, расположенный вдоль внешней границы, охватывающей, по меньшей мере, два слитка, выполнен с возможностью обеспечения перемешивания жидкой сердцевины в этих слитках.In addition, at least one
Кроме того, направления движения бегущих электромагнитных полей, индуцированных одним индуктором 3 или 4, совпадают.In addition, the directions of motion of the traveling electromagnetic fields induced by one
Кроме того, указанные индукторы генерируют бегущие электромагнитные поля, которые симметричны относительно оси слитка 7.In addition, these inductors generate traveling electromagnetic fields that are symmetrical about the axis of the
На фиг.2 показаны дополнительно установленные индукторы 8, 9.Figure 2 shows the additionally installed
Пример осуществления способаAn example of the method
Расплавленный металл согласно фиг.1 и фиг.2 подают в зону жидкого расплава в, по меньшей мере, один кристаллизатор 1, который открыт на обоих концах в направлении разливки через как минимум одно средство 6, погруженное в расплав, либо, по меньшей мере, одну струю металла. В процессе опускания поддона 5 и охлаждения расплавленного металла путем теплопередачи через стенки кристаллизатора, боковые стенки слитка 7 и материал поддона происходит кристаллизация слитка с образованием его формы и формирование его жидкой сердцевины. Поддон 5 снабжен, по меньшей мере, одним источником пульсирующего и бегущего магнитного поля, который размещен в нем или непосредственно под ним (не показан), благодаря чему на начальном этапе процесса литья и формирования слитка происходит перемешивание жидкой сердцевины. Поддон 5 установлен и прикреплен к платформе, которая движется вниз под действием механизма ее опускания, например гидроцилиндра, либо приводится в движение вниз под действием электромагнитных сил, например, под действием бегущего электромагнитного поля. На противоположных сторонах отливаемого слитка 7 установлена, по меньшей мере, одна пара индукторов переменного электромагнитного поля 3 и 4 (8 и 9), которые установлены преимущественно симметрично относительно вертикальной плоскости симметрии на противоположных сторонах слитка и перемешивают жидкую сердцевину согласно траекториям 10 (фиг.2).The molten metal according to figure 1 and figure 2 is fed into the liquid melt zone in at least one
Индукторы переменного электромагнитного поля 3 и 4, а также индуктор, установленный в поддоне 5, в контексте настоящего изобретения представляют собой совокупность элементарных источников переменного магнитного поля и конструктивно могут быть выполнены как линейные индукционные машины либо как совокупность перемещающихся или вращающихся постоянных магнитов.Inductors of an alternating
В процессе литья слитка, в начале процесса, используют переменное поле, создаваемое индуктором, установленным в поддоне или под поддоном 5 согласно Фиг.4. Это переменное поле обеспечивает эффективное перемешивание металла в формирующейся жидкой сердцевине на начальном этапе литья.In the process of casting the ingot, at the beginning of the process, use an alternating field created by the inductor installed in the pallet or under the
При этом, используя различный порядок включения источников переменного электромагнитного поля в индукторе - S1, S2…Sn, организуются требуемые бегущие и пульсирующие магнитные поля.In this case, using a different order of switching on the sources of an alternating electromagnetic field in the inductor - S1, S2 ... Sn, the required traveling and pulsating magnetic fields are organized.
Наиболее очевидными гидродинамическими течениями, образующимися при использовании комбинаций разнонаправленных полей, согласно фиг.4 являются:The most obvious hydrodynamic flows generated when using combinations of multidirectional fields, according to figure 4 are:
- Схема естественной циркуляции из 4-х основных вихрей - I, II, III, IV (фиг.3.А). Эти течения подобны установившимся течениям при свободной конвекции и вызываются как минимум двумя встречно бегущими электромагнитными полями - Поле_1 и Поле_2.- Scheme of natural circulation of 4 main vortices - I, II, III, IV (Fig.3.A). These currents are similar to steady flows during free convection and are caused by at least two counter-traveling electromagnetic fields - Field_1 and Field_2.
- Схема аномальной циркуляции из 4-х основных вихрей - I, II, III, IV (фиг.3.Б). Эти течения подобны установившимся течениям при свободной конвекции, но противоположны по направлению и вызываются как минимум двумя противоположно бегущими электромагнитными полями - Поле_1 и Поле_2.- Scheme of abnormal circulation of 4 main vortices - I, II, III, IV (fig.3.B). These currents are similar to steady flows during free convection, but they are opposite in direction and are caused by at least two oppositely running electromagnetic fields - Field_1 and Field_2.
- Схема несимметричной циркуляции из 3-х основных вихрей - I, II, III (фиг.3.В). Эта структура потоков организуется сравнительно слабым бегущим электромагнитным полем Поле_1, которое непосредственно воздействует на слои расплава вблизи дна жидкой сердцевины.- Scheme of asymmetric circulation of 3 main vortices - I, II, III (Fig.3.V). This flow structure is organized by a relatively weak traveling electromagnetic field Field_1, which directly affects the melt layers near the bottom of the liquid core.
- Схема несимметричной циркуляции из 1-го основного вихря - I (фиг.4.Г). Эта структура потоков организуется сравнительно сильным бегущим электромагнитным полем Поле_1, которое непосредственно воздействует на слои расплава, занимающие не менее половины от высоты жидкой сердцевины снизу.- Scheme of asymmetric circulation from the 1st main vortex - I (Fig.4.G). This flow structure is organized by a relatively strong traveling electromagnetic field Field_1, which directly affects the melt layers, occupying at least half of the height of the liquid core from below.
По мере формирования слитка включается как минимум одна пара индукторов 3 и 4, которые создают переменное бегущее (скользящее) магнитное поле вдоль направления вытягивания слитка. Генерируемое индукторами магнитное поле действует на жидкую сердцевину по всей ее высоте D. При этом индукторы 3 и 4 согласно Фиг.3 могут включаться по зонам - зона 1, зона 2…зона N или могут быть выполнены из частей и включаться по мере литья слитка и увеличения жидкой сердцевины.As the ingot is formed, at least one pair of
В результате воздействия переменного электромагнитного поля в расплавленном металле возникают вихревые токи и, как следствие, поле сил Ампера, которые приводят в движение жидкий металл.As a result of exposure to an alternating electromagnetic field, eddy currents arise in the molten metal and, as a result, the field of Ampere forces, which drive the liquid metal.
Электромагнитное поле, генерируемое каждым индуктором, обладает следующими особенностями (признаками), которые реализуются одновременно или раздельно:The electromagnetic field generated by each inductor has the following features (features) that are implemented simultaneously or separately:
1. Магнитная индукция магнитного поля возрастает по глубине жидкой сердцевины D по мере удаления от кристаллизатора к дну сердцевины. Зависимость возрастания магнитной индукции от расстояния может быть пропорциональной, степенной или экспоненциальной;1. Magnetic induction of the magnetic field increases along the depth of the liquid core D with distance from the mold to the bottom of the core. The dependence of the increase in magnetic induction on distance can be proportional, power-law, or exponential;
2. В составе поля присутствует, по меньшей мере, одна частота;2. The field contains at least one frequency;
3. В составе поля присутствует, по меньшей мере, одна собственная резонансная частота колебаний жидкой сердцевины слитка или близкая к ней;3. In the composition of the field there is at least one intrinsic resonant frequency of oscillations of the liquid core of the ingot or close to it;
4. В составе поля присутствует, по меньшей мере, одна собственная резонансная частота колебаний, присущая границе кристаллизации или близкая к ней;4. In the composition of the field there is at least one intrinsic resonant frequency of vibrations inherent in the crystallization boundary or close to it;
5. В составе поля присутствует, по меньшей мере, одна собственная резонансная частота колебаний, присущая твердому слитку или близкая к ней;5. The field composition contains at least one intrinsic resonant frequency of vibrations inherent in or close to a solid ingot;
6. Частота колебаний электромагнитного поля убывает по глубине жидкой сердцевины D по мере удаления от кристаллизатора к дну сердцевины. Зависимость возрастания магнитной индукции от расстояния может быть линейной, степенной или экспоненциальной.6. The frequency of oscillations of the electromagnetic field decreases along the depth of the liquid core D with distance from the mold to the bottom of the core. The dependence of the increase in magnetic induction on the distance can be linear, power-law or exponential.
Реализация указанных выше особенностей электромагнитного поля может быть достигнута следующими допустимыми техническими решениями:The implementation of the above features of the electromagnetic field can be achieved by the following valid technical solutions:
1. Использованием двух- или многофазной линейной индукционной машины, обмотки которой подключены к двух- или многофазному одночастотному источнику питания таким образом, что на одном конце машины генерируется переменное электромагнитное поле меньшей величины, чем на другом конце, и генерируемое поле возрастает от одного конца машины к другому.1. Using a two- or multiphase linear induction machine, the windings of which are connected to a two- or multiphase single-frequency power source so that at one end of the machine an alternating electromagnetic field of a smaller magnitude is generated than at the other end, and the generated field increases from one end of the machine to another.
Например, на Фиг.5 представлены простейшие трехфазные индукторы 1 и 2, каждый из которых может создавать возрастающее электромагнитное поле от верхнего края к нижнему в том случае, если индуктор подключить к несимметричной трехфазной системе напряжения или тока. При этом верхняя катушка 11, в которой протекает наименьший ток, генерирует меньший магнитный поток, чем средняя катушка 12, в которой ток больше, чем в катушке 3, но меньше, чем в катушке 13, в которой протекает наибольший ток и которая генерирует наибольший магнитный поток.For example, figure 5 presents the simplest three-
2. Использованием двух- или многофазной линейной индукционной машины, обмотки которой подключены к двух- или многофазному многочастотному источнику питания таким образом, что по мере удаления катушек от кристаллизатора вниз вдоль слитка частота пульсации тока или напряжения в них уменьшается.2. Using a two- or multiphase linear induction machine, the windings of which are connected to a two- or multiphase multi-frequency power source so that as the coils move away from the mold down along the ingot, the ripple frequency of the current or voltage in them decreases.
3. Использованием двух- или многофазной линейной индукционной машины, заведомо выполненной конструктивно несимметричной таким образом, что при подключении катушек к двух- или многофазному одночастотному источнику питания вдоль машины генерируется возрастающее от одного края к другому электромагнитное поле. Простейшими примерами такого заведомо несимметричного индуктора может являться индуктор, у которого по мере удаления катушек от кристаллизатора вниз вдоль слитка количество витков в катушках возрастает либо увеличивается полюсный шаг.3. Using a two- or multiphase linear induction machine, known to be structurally asymmetric in such a way that when connecting coils to a two- or multiphase single-frequency power supply along the machine, an electromagnetic field increasing from one edge to another is generated. The simplest examples of such a deliberately asymmetric inductor can be an inductor in which, as the coils move away from the mold down along the ingot, the number of turns in the coils increases or the pole step increases.
4. Вращением постоянных магнитов, расположенных в ряд вдоль слитка. При этом величина магнитного поля постоянных магнитов увеличивается от кристаллизатора по мере удаления от кристаллизатора к дну сердцевины. Также одновременно или раздельно с этим частота вращения постоянных магнитов может уменьшаться от кристаллизатора по мере удаления от кристаллизатора к дну сердцевины.4. Rotation of permanent magnets located in a row along the ingot. The magnitude of the magnetic field of the permanent magnets increases from the mold with distance from the mold to the bottom of the core. Also, simultaneously or separately, the frequency of rotation of the permanent magnets may decrease from the mold with the distance from the mold to the bottom of the core.
Создание и управление вихревой структурой потоков за счет использования как минимум двух бегущих полей возможно с использованием двух принципов, указанных ниже.Creating and managing the vortex structure of flows through the use of at least two traveling fields is possible using the two principles listed below.
Согласно первому способу - «принципу противоположных полей» используется наложение как минимум двух противоположно бегущих электромагнитных полей, генерируемых одним индуктором на разной частоте, за счет чего образуются вихревые гидродинамические течения. Благодаря различной частоте каждого поля глубина проникновения каждого поля различна, что позволяет получить результирующую силу для каждого поля, расположенную на различном расстоянии от границы кристаллизации, но при этом располагающейся на одном горизонтальном уровне жидкой сердцевины.According to the first method - the “principle of opposite fields”, the application of at least two oppositely running electromagnetic fields generated by one inductor at a different frequency is used, due to which vortex hydrodynamic flows are formed. Due to the different frequencies of each field, the depth of penetration of each field is different, which allows you to get the resulting force for each field located at different distances from the crystallization boundary, but at the same time located at the same horizontal level of the liquid core.
Таким образом возможно получение как минимум одной пары сил от как минимум двух разночастотных полей, что позволяет создавать в расплаве вихревое движение.Thus, it is possible to obtain at least one pair of forces from at least two different-frequency fields, which allows you to create a vortex motion in the melt.
Более подробно, данный принцип может быть пояснен следующим образом.In more detail, this principle can be explained as follows.
Бегущее электромагнитное поле высокой частоты и скользящее (движущееся) к низу слитка согласно фиг.6 создает в горизонтальном слое жидкой сердцевины t распределение силы Ампера на участке ab. В целом, на этом участке распределение сил можно аппроксимировать силой F1, которая приложена в центре тяжести фигуры, образованной полем сил на участке ab.The traveling electromagnetic field of high frequency and the moving (moving) to the bottom of the ingot according to Fig.6 creates in the horizontal layer of the liquid core t the distribution of the Ampere force in the section ab. In general, in this section, the distribution of forces can be approximated by the force F 1 , which is applied at the center of gravity of the figure formed by the field of forces in the section ab.
В свою очередь, низкочастотное бегущее электромагнитное поле, направленное противоположно высокочастотному, создает в слое t распределение силы Ампера на участке cd. В целом, на этом участке распределение сил можно аппроксимировать силой F2, которая приложена в центре тяжести фигуры, образованной полем сил на участке cd.In turn, a low-frequency traveling electromagnetic field directed opposite to the high-frequency field creates a distribution of the Ampere force in the layer t in the region cd. In general, in this section, the distribution of forces can be approximated by the force F 2 , which is applied at the center of gravity of the figure formed by the field of forces in the section cd.
В результате взаимодействия пары сил F1 и F2 образуется гидродинамический вихрь Е (фиг 6, А).As a result of the interaction of a pair of forces F 1 and F 2 , a hydrodynamic vortex E is formed (Fig. 6, A).
Согласно второму способу - «принципу совпадающих полей» используется наложение как минимум двух совпадающих по направлению движения бегущих электромагнитных полей, генерируемых одним индуктором на разной частоте, за счет чего образуются вихревые гидродинамические течения.According to the second method, the “coincident field principle”, an overlap of at least two traveling electromagnetic fields coinciding in the direction of motion generated by one inductor at a different frequency is used, due to which vortex hydrodynamic flows are formed.
При этом в отличие от вышеуказанного способа согласно фиг.6Б результирующие силы сонаправлены, однако отличаются по величине, что создает пару сил и вращающий момент, который создает гидродинамический вихрь Е (фиг 6.Б). Конфигурация потоков расплавленного металла в жидкой сердцевине при естественной конвекции для большинства типов отливаемых алюминиевых прямоугольных слитков обычно устанавливаться в режим «одинарной петли» или «двойной петли» с наличием в вертикальной плоскости симметрии слитка двух основных вихрей I и II (фиг.1), образующих основную «одинарную петлю» и двух второстепенных верхних вихрей - III и IV (фиг.1), которые в совокупности с «одинарной петлей» образуют циркуляцию расплава по схеме «двойной петли». В зависимости от глубины погружения средства разливки металла и скорости его подачи возможно установление режима циркуляции металла как в режиме «двойной петли», так и в режиме «одинарной петли».Moreover, in contrast to the above method according to FIG. 6B, the resulting forces are co-directed, however, differ in magnitude, which creates a pair of forces and a torque that creates a hydrodynamic vortex E (FIG. 6B). The configuration of the flows of molten metal in a liquid core during natural convection for most types of cast aluminum rectangular ingots is usually set to the “single loop” or “double loop” mode with the presence in the vertical plane of symmetry of the ingot of the two main vortices I and II (figure 1), forming the main "single loop" and two minor upper vortices - III and IV (figure 1), which together with the "single loop" form a melt circulation according to the "double loop" scheme. Depending on the immersion depth of the metal casting means and its feed rate, it is possible to establish a metal circulation mode both in the “double loop” mode and in the “single loop” mode.
Однако, несмотря на различное количество вихрей в обеих схемах циркуляции, основную роль в тепломассообмене играют два нижних вихря, образующих «одинарную петлю». Благодаря наложению, по меньшей мере, двух взаимно противоположных бегущих полей, создаваемых одним индуктором на различных частотах - Поле_1 и Поле_2 (фиг.8), в различных слоях по вертикали создаются различные силы F1 и F2, которые создают вращающий момент и способствуют вертикальному расщеплению, по меньшей мере, двух основных вихрей I и II (фиг.1) и увеличению количества вихрей по ширине слитка. При этом образуется структура потоков, подобная приведенной на фиг.9, А. В случае увеличения количества разночастотных бегущих полей количество вихрей увеличивается соответственно. Увеличение пульсирующей составляющей силы Ампера, действующей перпендикулярно к оси слитка, приводит к горизонтальному расщеплению вихрей и увеличению количества вихрей по глубине жидкой сердцевины, как показано на фиг.9, Б. Подобное воздействие может быть создано индуктором несколькими способами, например за счет генерации стоящей волны вдоль высоты сердцевины D либо созданием локальных зон по высоте D, где нормальная составляющая силы Лоренца, генерируемая в расплаве и направленная к оси слитка, значительно превосходит тангенциальную составляющую, что вызывает в данной зоне расщепление вихря. Создание указанных зон реализуется тем, что в индукторе в месте расположения этих зон присутствуют источники, генерирующие пульсирующее электромагнитное поле. Подобными источниками пульсирующего поля могут являться отдельные обмотки, включаемые по необходимости.However, despite the different number of vortices in both circulation schemes, the main role in heat and mass transfer is played by the two lower vortices, forming a “single loop”. Due to the imposition of at least two mutually opposite traveling fields created by one inductor at different frequencies - Field_1 and Field_2 (Fig. 8), different forces F 1 and F 2 are created in different layers vertically, which create a torque and contribute to the vertical splitting of at least two main vortices I and II (figure 1) and increasing the number of vortices along the width of the ingot. In this case, a flow structure similar to that shown in Figs. 9, A is formed. In the case of an increase in the number of traveling fields of different frequencies, the number of vortices increases accordingly. An increase in the pulsating component of the Ampere force acting perpendicular to the axis of the ingot leads to horizontal splitting of the vortices and an increase in the number of vortices along the depth of the liquid core, as shown in Fig. 9, B. Such an effect can be created by the inductor in several ways, for example, by generating a standing wave along the core height D or by creating local zones along the height D, where the normal component of the Lorentz force generated in the melt and directed to the axis of the ingot significantly exceeds the tangential component that causes splitting within the zone of the vortex. The creation of these zones is realized by the fact that in the inductor at the location of these zones there are sources generating a pulsating electromagnetic field. Such sources of a pulsating field can be individual windings, included as necessary.
Создаваемое горизонтальное и вертикальное расщепление основных вихрей может происходить периодически, а может осуществляться постоянно. С целью максимального использования пространства в установке для непрерывной разливки согласно фиг.7 возможно размещения индукторов согласно следующим вариантам:The created horizontal and vertical splitting of the main vortices can occur periodically, but can be carried out continuously. In order to maximize the use of space in the installation for continuous casting according to Fig.7 it is possible to place the inductors according to the following options:
1. По меньшей мере, один индуктор 4, расположенный в пространстве между, по меньшей мере, двух слитков 7, обеспечивает перемешивание жидкой сердцевины в, по меньшей мере, двух слитках, между которыми он расположен.1. At least one
2. По меньшей мере, один индуктор 9, расположенный вдоль внешней границы, охватывающей, по меньшей мере, два слитка, обеспечивает перемешивание жидкой сердцевины в этих слитках.2. At least one
Предлагаемое устройство имеет следующие преимущества перед известными:The proposed device has the following advantages over known:
- перемешивание расплава по всему объему жидкой сердцевины симметричной структурой потоков относительно вертикальной плоскости симметрии слитка, что обеспечивает симметричные условия кристаллизации и отсутствие механических деформаций слитка, вызванных несимметрией температурных напряжений в слитке;- mixing of the melt throughout the entire volume of the liquid core with a symmetrical flow structure relative to the vertical plane of symmetry of the ingot, which provides symmetrical crystallization conditions and the absence of mechanical deformation of the ingot caused by the asymmetry of temperature stresses in the ingot;
- возможность организовать различные по количеству контуров и структуре циркуляционные потоки в жидкой сердцевине за счет многочастотного электромагнитного поля и использования резонансных частот, что позволяет гибко управлять турбулентным движением в жидкой сердцевине;- the ability to organize circulating flows in the liquid core that are different in the number of circuits and structure due to the multi-frequency electromagnetic field and the use of resonant frequencies, which allows flexible control of turbulent motion in the liquid core;
- простота конструктивного решения, обеспечивающая возможность перемешивания жидкой сердцевины при различной толщине слитка за счет увеличения или уменьшения расстояния между индукторами, находящимися по обе стороны от плоскости симметрии слитка;- the simplicity of the design solution, providing the possibility of mixing the liquid core at different thickness of the ingot due to the increase or decrease of the distance between the inductors located on both sides of the plane of symmetry of the ingot;
- снижение энергоемкости перемешивания за счет использования резонансных частот.- reducing the energy intensity of mixing due to the use of resonant frequencies.
Промышленная применимостьIndustrial applicability
Способ для непрерывной и полунепрерывной разливки алюминиевых сплавов и устройство для его осуществления может быть использован для улучшения технологических характеристик получаемого слитка алюминия и ускорения процесса затвердевания расплава путем интенсивного перемешивания расплава во всем объеме жидкой сердцевины и осуществления непрерывной и полунепрерывной разливки алюминиевых сплавов.The method for continuous and semi-continuous casting of aluminum alloys and a device for its implementation can be used to improve the technological characteristics of the obtained aluminum ingot and accelerate the solidification of the melt by intensively mixing the melt in the entire volume of the liquid core and performing continuous and semi-continuous casting of aluminum alloys.
Claims (2)
Priority Applications (3)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2011108039/02A RU2457064C1 (en) | 2011-03-03 | 2011-03-03 | Method of continuous and semicontinuous casing of aluminium alloys and device to this end |
| EP11859793.9A EP2682201A4 (en) | 2011-03-03 | 2011-04-11 | Method and apparatus for the continuous casting of aluminium alloys |
| PCT/RU2011/000238 WO2012118396A1 (en) | 2011-03-03 | 2011-04-11 | Method and apparatus for the continuous casting of aluminium alloys |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2011108039/02A RU2457064C1 (en) | 2011-03-03 | 2011-03-03 | Method of continuous and semicontinuous casing of aluminium alloys and device to this end |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2457064C1 true RU2457064C1 (en) | 2012-07-27 |
Family
ID=46758180
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU2011108039/02A RU2457064C1 (en) | 2011-03-03 | 2011-03-03 | Method of continuous and semicontinuous casing of aluminium alloys and device to this end |
Country Status (3)
| Country | Link |
|---|---|
| EP (1) | EP2682201A4 (en) |
| RU (1) | RU2457064C1 (en) |
| WO (1) | WO2012118396A1 (en) |
Cited By (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2656904C1 (en) * | 2017-04-12 | 2018-06-07 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Казанский государственный энергетический университет" (ФГБОУ ВО "КГЭУ") | Method of electromagnetic stirring of liquid core in crystallizer with continuous casting |
| RU2721768C1 (en) * | 2017-02-20 | 2020-05-22 | Абб Аб | Method and system of mixing, designed to control electromagnetic mixer |
| RU2759178C2 (en) * | 2018-12-17 | 2021-11-09 | Общество с ограниченной ответственностью "НАУЧНО-ПРОИЗВОДСТВЕННЫЙ ЦЕНТР КРАСНОЯРСКИЙ ОПЫТНЫЙ ЗАВОД ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО МАШИНОСТРОЕНИЯ" | Method for impacting a metal melt by an electromagnetic field and inductor for implementation thereof |
Families Citing this family (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN106925762B (en) * | 2015-12-29 | 2019-11-15 | 北京有色金属研究总院 | A kind of device and method of high shear strong electromagnetic stirring melt processing |
| FR3051698B1 (en) * | 2016-05-30 | 2020-12-25 | Constellium Issoire | METHOD OF MANUFACTURING LAMINATION INGOTS BY VERTICAL CASTING OF AN ALUMINUM ALLOY |
| CN106735104B (en) * | 2016-12-05 | 2018-10-23 | 东北大学 | A kind of spin orientation device under magnetic field |
| FR3074072B1 (en) * | 2017-11-27 | 2022-02-11 | Constellium Issoire | LOW SPEED, LOW FREQUENCY ALUMINUM CASTING PROCESS |
| FR3074191B1 (en) * | 2017-11-29 | 2021-10-01 | Constellium Issoire | ALUMINUM ALLOY FLAT PRODUCT WITH IMPROVED THICKNESS PROPERTIES |
| JP7370470B2 (en) | 2019-12-20 | 2023-10-27 | ノベリス・インコーポレイテッド | Reduced final grain size of amorphous wrought material produced via semi-continuous casting (DC) route |
Citations (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US5222545A (en) * | 1992-04-21 | 1993-06-29 | Aluminum Company Of America | Method and apparatus for casting a plurality of closely-spaced ingots in a static magnetic field |
| RU2228817C1 (en) * | 2002-11-26 | 2004-05-20 | Красноярский государственный технический университет | Apparatus for electromagnetic agitation of liquid core of ingot |
| WO2009117803A1 (en) * | 2008-03-25 | 2009-10-01 | Abb Inc. | Modulated electromagnetic stirring of metals at advanced stage of solidification |
Family Cites Families (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| FR2656552B1 (en) * | 1990-01-04 | 1995-01-13 | Pechiney Aluminium | PROCESS FOR THE MANUFACTURE OF THIXOTROPIC METAL PRODUCTS BY CONTINUOUS CASTING WITH ELECTROMAGNETIC BREWING IN POLYPHASE CURRENT. |
| FR2845626B1 (en) | 2002-10-14 | 2005-12-16 | Rotelec Sa | PROCESS FOR CONTROLLING METAL MOVEMENTS IN A BRAMES CONTINUOUS CASTING LINGOTIERE |
| FR2861324B1 (en) | 2003-10-27 | 2007-01-19 | Rotelec Sa | ELECTROMAGNETIC BREWING PROCESS FOR CONTINUOUS CASTING OF EXTENDED SECTION METAL PRODUCTS |
-
2011
- 2011-03-03 RU RU2011108039/02A patent/RU2457064C1/en active
- 2011-04-11 EP EP11859793.9A patent/EP2682201A4/en not_active Withdrawn
- 2011-04-11 WO PCT/RU2011/000238 patent/WO2012118396A1/en unknown
Patent Citations (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US5222545A (en) * | 1992-04-21 | 1993-06-29 | Aluminum Company Of America | Method and apparatus for casting a plurality of closely-spaced ingots in a static magnetic field |
| RU2228817C1 (en) * | 2002-11-26 | 2004-05-20 | Красноярский государственный технический университет | Apparatus for electromagnetic agitation of liquid core of ingot |
| WO2009117803A1 (en) * | 2008-03-25 | 2009-10-01 | Abb Inc. | Modulated electromagnetic stirring of metals at advanced stage of solidification |
Cited By (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2721768C1 (en) * | 2017-02-20 | 2020-05-22 | Абб Аб | Method and system of mixing, designed to control electromagnetic mixer |
| US10919088B2 (en) | 2017-02-20 | 2021-02-16 | Abb Schweiz Ag | Method and stirring system for controlling an electromagnetic stirrer |
| RU2656904C1 (en) * | 2017-04-12 | 2018-06-07 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Казанский государственный энергетический университет" (ФГБОУ ВО "КГЭУ") | Method of electromagnetic stirring of liquid core in crystallizer with continuous casting |
| RU2759178C2 (en) * | 2018-12-17 | 2021-11-09 | Общество с ограниченной ответственностью "НАУЧНО-ПРОИЗВОДСТВЕННЫЙ ЦЕНТР КРАСНОЯРСКИЙ ОПЫТНЫЙ ЗАВОД ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО МАШИНОСТРОЕНИЯ" | Method for impacting a metal melt by an electromagnetic field and inductor for implementation thereof |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| EP2682201A1 (en) | 2014-01-08 |
| WO2012118396A1 (en) | 2012-09-07 |
| EP2682201A4 (en) | 2015-03-18 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| RU2457064C1 (en) | Method of continuous and semicontinuous casing of aluminium alloys and device to this end | |
| JP6625065B2 (en) | Non-contact control of molten metal flow | |
| EP0807477B1 (en) | Continuous casting method and relative device | |
| WO2008088361A2 (en) | Method and system of electromagnetic stirring for continuous casting of medium and high carbon steels | |
| KR100586665B1 (en) | Electromagnetic braking device for a smelting metal in a continuous casting installation | |
| RU2325245C2 (en) | Method and device for flow control in continuous slab casting crystalliser | |
| MXPA97003514A (en) | Method of continuous casting and relationship device | |
| RU2539253C2 (en) | Method and unit for regulation of flows of molten metal in crystalliser pan for continuous casting of thin flat slabs | |
| KR100536174B1 (en) | Method for the vertical continuous casting of metals using electromagnetic fields and casting installation therefor | |
| CN101259523B (en) | Electro-magnetic braking device for controlling molten metal flow in continuous cast crystallizer | |
| KR100264946B1 (en) | Continuous casting mould having electomagnetic | |
| RU2170157C2 (en) | Ingot continuous casting mold with apparatus for electromagnetically agitating melt | |
| JP4758903B2 (en) | Electromagnetic stirring method for continuous casting of metal products having an elongated cross section | |
| CN201211558Y (en) | Electromagnetic braking device for controlling molten metal flow in continuous casting crystallizer | |
| EP0489202B1 (en) | Method of controlling flow of molten steel in mold | |
| JP4669367B2 (en) | Molten steel flow control device | |
| RU2656904C1 (en) | Method of electromagnetic stirring of liquid core in crystallizer with continuous casting | |
| CN1302703A (en) | Combined electromagnetic crystallizer for conticasting | |
| JP2007118090A (en) | Method for continuously casting steel | |
| JP3697584B2 (en) | Steel continuous casting method and equipment | |
| RU2419508C2 (en) | Mixer | |
| JP2004058092A (en) | Continuous casting method for steel | |
| JP2008173644A (en) | Electromagnetic coil for continuous casting mold | |
| JP4192651B2 (en) | Mold for continuous casting | |
| RU2464123C1 (en) | Method of adjusting conditions of electromagnetic mixing of ingot liquid phase in slab continuous casting machine and device to this end |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PD4A | Correction of name of patent owner | ||
| QB4A | Licence on use of patent |
Free format text: LICENCE Effective date: 20160905 |