WO2012118396A1 - Способ и устройство непрерывной разливки алюминиевых сплавов - Google Patents

Способ и устройство непрерывной разливки алюминиевых сплавов Download PDF

Info

Publication number
WO2012118396A1
WO2012118396A1 PCT/RU2011/000238 RU2011000238W WO2012118396A1 WO 2012118396 A1 WO2012118396 A1 WO 2012118396A1 RU 2011000238 W RU2011000238 W RU 2011000238W WO 2012118396 A1 WO2012118396 A1 WO 2012118396A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
liquid core
inductor
ingot
frequency
electromagnetic
Prior art date
Application number
PCT/RU2011/000238
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Евгений Александрович ПАВЛОВ
Виктор Николаевич ТИМОФЕЕВ
Евгений Анатольевич ГОЛОВЕНКО
Original Assignee
Федеральное Государственное Автономное Образовательное Учреждение Высшего Профессионального Образования "Сибирский Федеральный Университет" (Сфу);
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Федеральное Государственное Автономное Образовательное Учреждение Высшего Профессионального Образования "Сибирский Федеральный Университет" (Сфу); filed Critical Федеральное Государственное Автономное Образовательное Учреждение Высшего Профессионального Образования "Сибирский Федеральный Университет" (Сфу);
Priority to EP11859793.9A priority Critical patent/EP2682201A4/en
Publication of WO2012118396A1 publication Critical patent/WO2012118396A1/ru

Links

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

Definitions

  • the invention relates to the continuous casting of metals, in particular aluminum.
  • the invention is known “Method and device for electromagnetic mixing of metals in the late stage of solidification” (Patent WO2009117803, published: 2009.10.01), in which the device contains one or more multiphase inductors placed along the ingot and creating around the ingot axis mixing of the liquid core, at least creating the first and second rotating magnetic fields, differing in frequency, around the axis of solidification of the metal.
  • turbulent motion increases, which ensures effective heat and mass transfer at the crystallization boundary and obtaining equiaxial dendrites and a more uniform structure over the ingot section.
  • 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 currents during natural convection in the liquid core of the aluminum slab.
  • this method when creating a rotating mixing in an ingot, around its axis, circular metal movement will occur, which, due to the elongated profile of the slab section, will cause significantly different cooling conditions along the wide and narrow sides.
  • the depth of the liquid core D is comparable to the cross-sectional sizes of A and B, rotation will be created over the entire height of the liquid core and, as a consequence, a funnel-like flow will be formed, with a violation of the shape of the meniscus and meniscus.
  • the invention is known: “A method and a device for controlling flows in a continuous slab casting crystallizer” (Patent RU 2325245, published: 05.27.2008), in which molten metal is fed to the mold through a submerged pouring nozzle, the side outlet openings of which are turned to small lateral sides of the mold.
  • the configuration of molten metal flows 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 glass generate magnetic fields, sliding in the direction of each small side of the glass.
  • the sliding magnetic fields are activated throughout the casting so as to establish or stabilize the constant configuration of the flow in the “double loop” mode. Either the magnetic fields are activated only if the flow configuration is not established naturally in the “double loop” mode.
  • the inductors used create an electromagnetic field at a single frequency.
  • the invention is known: “The method of electromagnetic mixing for continuous casting of metal products of elongated cross section” (Patent RU 2357833, published: 10.06.2009), in which to facilitate the exchange of liquid metal inside the solidification well between the secondary cooling zone and the crystallizer in the said zone secondary cooling forcefully create a longitudinal metal flow localized in the middle region of the molded product by two opposite collinear flows and providing “four pestkovuyu "total circulars tion of liquid metal in the form of two upper and two lower flow generators” petals ", the top two of which reach the level in the crystallizer jets emerging from the output channels of the immersion nozzle.
  • the invention allows to achieve a general mixing of the metal throughout the metallurgical thermal and chemical uniformity between the upper and lower parts of the liquid well, without prejudice to the positive effects of mixing in the crystallizer and in the secondary cooling zone, without disturbing or even improving the local flow regime in the crystallizer.
  • This invention is closest to the claimed invention, i.e. the prototype.
  • the present invention is the task of flexible control of the speed of mixing, the structure of the flow and turbulization throughout the volume of the liquid core of the crystallizing aluminum slab.
  • inductors are used that create a constant or alternating magnetic field in the region of the pouring nozzle.
  • the depth of the liquid core D is much greater than the width of ingot A and may be more than 10 meters for ingots with a section of 2000 mm x 600 mm.
  • an inductor for mixing the liquid core of an ingot in a specific place, basically it is a linear induction machine that generates a running or rotating field of the same frequency, while neglecting the difference in the attenuation of the electromagnetic field caused by different thickness of the ingot crust over the length of the inductor.
  • the thickness of the layer which, in the simplest case, for a pulsating field is defined as
  • the process conditions are significantly different from casting steel ingots.
  • the depth of the liquid core is D ⁇ 1.2 m, with an ingot length L ⁇ l 1 m, thus, D is comparable Vim with A, i.e. D ⁇ A.
  • this is due to the fact that aluminum has a significantly higher thermal conductivity than iron.
  • the thickness of the aluminum ingot crust is significantly different in the areas from the exit from the mold - Tt and in the bottom area of the liquid core - Tb.
  • the use of an alternating magnetic field of the same frequency does not allow flexible control of the flow structure in 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, today the slabs are not offered able to organize flexible control of the structure of the hydrodynamic field in such a way that a sliding magnetic field of one frequency acting along the entire region of the liquid core D would create fundamentally different flows in a liquid core, for example, could create a flow not only in the form of a single, double loop or a single vortex, but also create a large set of highly turbulent flows with flexible control of the number of vortices and their location.
  • the alternating magnetic field of the same frequency is usually created for the purpose of effectively creating the main flows in the melt of the liquid core and does not take into account the possibility of mechanical resonance of the fluid oscillations.
  • the volume of a fluid under the action of a force acting with a resonant frequency is characterized not only by the fact that the velocity of the currents in the volume of the fluid increases with minimal expenditure of energy, but also by the fact that the pulsation component of oscillations increases, which leads to an increase in the oscillations of turbulent pulsations and, consequently, to an increase in the share of turbulent motion.
  • a significant problem of casting large aluminum ingots is the problem of differences in the structure of the ingot at the beginning and end of the ingot, which arises mainly due to the fact that the crystallization conditions at the beginning the casting process, when the pan is in the mold and begins to move downwards and at the end of the casting process, when the casting process can be considered established, are too different.
  • the thickness of the solid metal crust from the side surface of the ingot is small and the liquid core is separated from the pallet with a small thickness of solid metal, which predetermines a special thermal mode of crystallization during this period, where the heat removal through the pallet may prevail or be comparable to through the side surfaces of the ingot.
  • the shape of the liquid core is extended, the thickness of solid aluminum between the liquid core and the pallet increases, which leads to the prevalence of heat sink through the side walls of the ingot over the heat sink through the bottom of the ingot.
  • the objective of the proposed technical solution is the possibility of flexible control of the mixing rate, flow structure and turbulization throughout the volume of the liquid core of the crystallizing aluminum slab.
  • a device for continuous or semi-continuous casting of aluminum alloys containing a mold open at both ends in the direction of casting, means for feeding the melt into the mold, at least two electromagnetic inducers capable of inducing a mixing motion in the melt, and the specified inductors are installed predominantly symmetrically to each other relative to the vertical plane of symmetry of the ingot, in which each ind Ktorov configured to Nia
  • the creation of 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.
  • the inductor is made with the ability to generate at least the frequency of one of these traveling electromagnetic fields, close to or coinciding with its own resonant frequency of mechanical oscillations of the volume of the liquid core.
  • the inductor is designed 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 extreme upper and lower parts of the inductor exceeds 2.
  • the inductor is configured to generate at least one electromagnetic field with a decreasing frequency over the depth of the liquid core D as the distance from the crystallizer to the bottom of the core increases.
  • the frequency of electromagnetic fields generated by inductors does not exceed 6 Hz.
  • At least one inductor located in the space between at least two ingots, is designed to ensure mixing of the liquid core in at least two ingots, between which it is located.
  • At least one inductor located along the outer boundary, covering at least two ingots, is designed to ensure mixing of the liquid core in these ingots.
  • these inductors generate traveling electromagnetic fields that are symmetrical about the axis of the ingot.
  • the method for continuous or semi-continuous casting of aluminum alloys including the impact on the liquid metal of a constant electromagnetic field through at least two electromagnetic inductors that carry out electromagnetic stirring of the liquid core of the ingot, at least two running along the direction of extrusion of the ingot electromagnetic fields, each of these fields are generated at different frequencies, the directions of movement of which are opposite, and the impact zone, which covers the entire core of the liquid core.
  • At least the frequency of one of these traveling electromagnetic fields is chosen to be close to or equal to the natural resonant frequency of mechanical oscillations of the volume of the liquid core.
  • an increase in the magnitude of the electromagnetic field along the inductor, over the depth of the liquid core D, is carried out in a linear, power or exponential relationship.
  • the electromagnetic fields are chosen with a frequency decreasing in depth of the liquid core D as the distance from the crystallizer to the bottom of the core increases.
  • the frequency of electromagnetic fields generated by inductors is chosen to be no more than 6 Hz.
  • these traveling electromagnetic fields are symmetric about the vertical axis of the ingot.
  • FIG. Figure 1 shows schematically the installation of inductors with respect to the ingot in cross section.
  • the increase in the magnetic field of the sources from si to sN as the distance from top to bottom is also shown, and the names of the main dimensions are also presented.
  • Figure 2 shows the installation of inductors in 3-dimensional space and given the dimensions defining the cross section of the ingot.
  • FIG. 3 shows the effect of the inductor installed in the pan on the liquid core in the casting process at the initial stage of formation ingot.
  • the traveling electromagnetic field is generated by successively turning on the sources of the magnetic field sl ... sn. Also shown is the lateral induction of side inductors, starting from the zone — Zone 1 to Zone N, as the ingot increases.
  • FIG. 4 shows the main currents that occur when exposed to traveling electromagnetic fields, excited by an inductor installed in the pan, while: Figure 4 A) shows the nature of the currents that occur when there are two oppositely running fields; in fig. 4B) shows the nature of currents arising in the presence of two inversely directed fields; in fig. 4B) the character of the currents is shown in the presence of only one traveling field, in which the depth of penetration into the metal ensures the capture of fluid layers only near the pallet; in fig. 4D) the character of the currents is shown in the presence of only one traveling field, in which the depth of penetration into the metal ensures the capture of fluid layers in the greater part of the fluid volume.
  • FIG. 5 shows, as an example, the installation scheme of two three-phase linear induction machines, which are symmetrically located about the axis of the ingot.
  • FIG. 6 shows the principle of the organization of the torque and, as a consequence, the vortex in the melt when two traveling electromagnetic fields are applied at different frequencies, in this case:
  • Figure 6 A) shows the formation of the Vortex E when the counter traveling fields are superimposed;
  • figure 6B) shows the formation of a vortex E when applying according to the traveling fields, one of which causes a greater force in the melt than the other.
  • FIG. 7 shows, by way of example, a possible scheme for installing inductors with respect to several ingots being cast simultaneously.
  • FIG. 8 schematically shows the arrangement of the integral forces Fj and F 2 in the liquid core, which generate running electromagnetic fields at various frequencies Field l and Field_2, respectively.
  • FIG. 9 schematically shows the controlled splitting of the main four-loop flow into several contours, in which case: in Fig. 9 A) the splitting of the contours along the vertical is shown; Figure 9B) shows the horizontal contour splitting.
  • a device for continuous or semi-continuous casting of aluminum alloys contains a mold 1, open at both ends in the direction of casting, means for feeding the melt into the mold 6, at least two electromagnetic inductors 3,4, made with the possibility of induction of mixing motion in the melt, and the inductors 3, 4 are installed predominantly symmetrically to each other relative to the vertical plane of symmetry of the ingot, for adjusting the position of the inductors 3 and 4 Being equipped with a device that allows them to be moved and positioned relative to the ingot and the mold in any permissible position, each inductor 3 and 4 is made with the possibility of creating at least two electromagnetic fields running in opposite directions along the direction of pulling the ingot; all liquid core, pallet 5 and ingot 7, casting table 2.
  • the inductor 3,4 is configured to generate at least the frequency of one of these traveling electromagnetic fields that is close to or coincides with its own resonant frequency of mechanical oscillations of the volume of the liquid core.
  • the inductor 3,4 is designed to create, at least, a traveling electromagnetic field with increasing depth of the liquid core D as the distance from the crystallizer to the bottom of the core, and the ratio between the magnitude of the electromagnetic field in the extreme upper and lower parts inductor exceeds 2.
  • the increase in the magnitude of the electromagnetic field along the inductor 3.4, along the depth of the liquid core D is carried out according to a linear, power or exponential dependence.
  • the inductor 3,4 is configured to generate at least one electromagnetic field with a decreasing frequency over the depth of the liquid core D as the distance from the crystallizer to the bottom of the core increases.
  • the frequency of electromagnetic fields generated by inductors 3.4 does not exceed 6 Hz.
  • At least one inductor located in the space between at least two ingots, is designed to ensure mixing of the liquid core in at least two ingots, between which it is located.
  • At least one inductor 3 or 4 located along the outer boundary, covering at least two ingots, is made with the possibility of providing mixing of the liquid core in these ingots.
  • these inductors generate traveling electromagnetic fields that are symmetrical about the axis of the ingot 7.
  • FIG. 2 shows additionally installed inductors 8, 9.
  • the molten metal according to FIG. 1 and 2 is fed into the liquid melt zone into at least one mold 1, which is open at both ends in the direction of casting, through at least one means 6 immersed in the melt, or at least , one jet of metal.
  • the ingot crystallizes with the formation of its shape and the formation of its liquid core.
  • the pallet 5 is provided with at least one source of a pulsating and traveling magnetic field, which is placed in it or directly under it (not shown), due to which, at the initial stage of the process of casting and ingot formation, the liquid core is mixed.
  • the pallet 5 is mounted and attached to a platform that moves down under the action of its lowering mechanism, such as a hydraulic cylinder, or is driven downward under the action of electromagnetic forces, for example under the action of a traveling electromagnetic field.
  • a platform that moves down under the action of its lowering mechanism, such as a hydraulic cylinder, or is driven downward under the action of electromagnetic forces, for example under the action of a traveling electromagnetic field.
  • a pair of inductors with alternating electromagnetic fields 3 and 4 (8 and 9) is installed, which are installed predominantly symmetrically with respect to the vertical plane of symmetry on opposite sides of the ingot and mix the liquid core according to the trajectories 10 (FIG. 2).
  • Inductors of an alternating electromagnetic field 3 and 4 are a combination of elementary sources of an alternating magnetic field and can be structurally designed as linear induction machines, or as an aggregate of moving or rotating permanent magnets.
  • an alternating field created by an inductor installed in a pallet or under a pallet 5 is used, according to FIG. 3. This alternating field provides effective mixing of the metal in the forming liquid core at the initial casting stage.
  • This flow structure is organized by a relatively weak traveling elec- the magnetic field Field l, which directly affects the layers of the melt near the bottom of the liquid core.
  • inductors 3 and 4 As the ingot is formed, at least one pair of inductors 3 and 4 is turned on, which create an alternating (sliding) magnetic field along the direction of extrusion of the ingot.
  • the magnetic field generated by inductors acts on the liquid core along its entire height D.
  • inductors 3 and 4 according to FIG. 3, can be switched on by zones - zone 1, zone 2 ... zone N, or be made of parts and switched on as the ingot is cast and the liquid core increases.
  • each inductor has the following features (features) that are implemented simultaneously or separately:
  • the magnitude of the induction of the magnetic field increases along the depth of the liquid core D as the distance from the mold to the bottom of the core increases.
  • the dependence of the increase in magnetic induction on the distance can be proportional, power or exponential;
  • the field contains at least one frequency
  • the field contains at least one natural resonant frequency of oscillations of the liquid core of the ingot or close to it;
  • the field contains at least one natural resonance frequency of oscillations inherent in or close to the crystallization boundary;
  • the field contains at least one natural resonant oscillation frequency inherent in or close to a solid ingot
  • the oscillation frequency of the electromagnetic field decreases in depth of the liquid core D as the distance from the crystallizer to the bottom of the core increases.
  • the distance between the magnetic induction and the distance can be linear, power, or exponential.
  • the simplest three-phase inductors 1 and 2 are presented, each of which can create an increasing electromagnetic field from the top edge to the bottom one, if the inductor is connected to a voltage or current that is not symmetrical to the three-phase system.
  • the upper coil 3 in which the smallest current flows generates a smaller magnetic flux than the average coil 4, in which the current is greater than in coil 3, but less than in coil 5, in which the greatest current flows magnetic flux.
  • the “principle of opposite fields,” the imposition of at least two oppositely running electromagnetic fields generated by one inductor at different frequencies is used, thereby creating hydrodynamic vortex flows. Due to the different frequency of each field, the depth of penetration of each field is different, which allows to obtain the resultant force for each field located at a different distance from the crystallization border, but at the same time located at the same horizontal level of the liquid core.
  • the distribution of forces can be approximated by the force that is applied in the center of gravity of the figure formed by the field of forces in section ab.
  • the low-frequency traveling electromagnetic field directed opposite to the high-frequency one creates in the layer t the distribution of the Ampere force in the region cd.
  • the distribution of forces can be approximated by the force F 2; which is applied in the center of gravity of the figure formed by the field of forces in the section cd.
  • a hydrodynamic vortex E is formed (Fig 5, A).
  • the “principle of coinciding fields,” the imposition of at least two coinciding in the direction of motion of the traveling electromagnetic fields generated by one inductor at a different frequency is used, due to which hydrodynamic vortex flows are formed.
  • the resulting forces with are directed, however, differ in magnitude, which creates a pair of forces and a torque that creates a hydrodynamic vortex E (FIG. 5B).
  • the metal circulation mode in both the “double loop” mode and the “single loop” mode.
  • the main role in heat and mass transfer is played by the two lower vortices forming a “single loop”.
  • An increase in the pulsating component of the Ampere force acting perpendicular to the ingot axis leads to horizontal splitting of the vortex 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 an inductor in several ways. For example, due to the generation of a standing wave along the height of the core D, or the creation of 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, which causes zone vortex splitting.
  • the creation of these zones is realized by the fact that in the inductor, at the location of these zones, there are sources that generate a pulsating electromagnetic field. Such sources of a pulsating field can be separate windings, switched on as needed.
  • the created horizontal and vertical splitting of the main vortices can occur periodically, and can be carried out continuously.
  • inductors In order to maximize the use of space in an installation for continuous casting, according to FIG. 7, it is possible to place inductors according to the following options:
  • At least one inductor 4 located in the space between at least two ingots 7, provides mixing of the liquid core in at least two ingots between which it is located.
  • At least one inductor 9, located along the outer boundary of at least two ingots, provides for mixing of the liquid core in these ingots.
  • 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 resulting aluminum ingot and accelerate the melt solidification process by intensively mixing the melt in the entire volume of the liquid core and carrying out continuous and semi-continuous casting of aluminum alloys.

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • Continuous Casting (AREA)

Abstract

Изобретение относится к металлургии и касается непрерывной и полунепрерывной разливки металла, в частности, алюминия. Устройство содержит кристаллизатор, открытый на обоих концах в направлении разливки, средства для подачи расплава в кристаллизатор, два электромагнитных индуктора. Индукторы установлены преимущественно симметрично друг к другу относительно вертикальной плоскости симметрии слитка. Для индуцирования перемешивающего движения в расплаве индукторы генерируют два электромагнитных поля бегущих в противоположных направлениях вдоль направления вытягивания слитка. Зона действия электромагнитных полей охватывает всю жидкую сердцевину. Обеспечивается возможность гибкого управления скоростью перемешивания, структурой потоков и турбулизированностью по всему объему жидкой сердцевины кристаллизующегося алюминиевого сляба.

Description

СПОСОБ И УСТРОЙСТВО НЕПРЕРЫВНОЙ РАЗЛИВКИ
АЛЮМИНИЕВЫХ СПЛАВОВ
Область техники
Изобретение относится к непрерывной разливке металлов, в частности алюминия.
Предшествующий уровень техники
Известно изобретение «Способ и устройство для электромагнитного пе- ремешивания металлов в поздней стадии отвердения» (Патент WO2009117803 , 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 индук- торов 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.
Основными недостатками такого способа и устройства применительно к алюминиевым слябам являются невозможность организовать перемешивающее воздействие, совпадающее по характеру с направлениями течений при естест- венной конвекции в жидкой сердцевине алюминиевого сляба. Согласно указан- ного способа, 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 сердце- вины D сопоставима с размерами поперечного сечения А и В, будет создавать- ся вращение по всей высоте жидкой сердцевины и как следствие образовывать- ся течение подобное воронке, с нарушением формы мениска и интенсивным бурлением в зоне мениска. Известно изобретение «Способ и устройство управления потоками в кри- сталлизаторе 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 об- ращены к малым боковым сторонам кристаллизатора. Конфигурация потоков расплавленного металла в кристаллизаторе может естественным образом уста- навливаться 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.
Основными недостатками такого способа и устройства применительно к алюминиевым слябам являются не оптимальное использование индуктора, соз- дающего электромагнитного поле на одной частоте, с точки зрения управления потоками в жидкой сердцевине, что не позволяет гибко управлять структурой потоков в жидкой сердцевине.
Известно изобретение «Способ электромагнитного перемешивания для непрерывного литья металлических изделий удлиненного поперечного сече- ния» (Патент RU 2357833, опубликовано: 10.06.2009), в котором для способст- вования обмену жидкого металла внутри лунки затвердевания между зоной вторичного охлаждения и кристаллизатором в упомянутой зоне вторичного ох- лаждения принудительно создают продольное течение металла, локализованное в срединной области отливаемого изделия двумя противоположными коллине- арными потоками и обеспечивающее «четырехлепестковую» общую циркуля- цию 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. Изобрете- ние позволяет добиться общего перемешивания металла по всей металлургиче- ской длине, обеспечивая термическую и химическую однородность между верхней и нижней частью жидкой лунки без ущерба для положительных эф- фектов, свойственных перемешиванию в кристаллизаторе и в зоне вторичного охлаждения, при этом не нарушая и даже улучшая режим локального течения в кристаллизаторе.
Основными недостатками такого способа и устройства применительно к алюминиевым слябам являются не оптимальное использование индуктора, соз- дающего электромагнитного 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 од- ной частоты, обычно создается с целью эффективного создания основных пото- ков в расплаве жидкой сердцевины и не учитывает возможность механического резонанса колебаний жидкости.
Данное изобретение является наиболее близким к заявляемому изобрете- нию, т.е. прототипом.
Раскрытие изобретения
В основу настоящего изобретения положена задача гибкого управления скоростью перемешивания, структурой потоков и турбулизированностью по всему объему жидкой сердцевины кристаллизующегося алюминиевого сляба.
В операциях непрерывной разливки стали устоялась практика перемеши- вания жидкой стали в области кристаллизатора устройства непрерывной раз- ливки стали и области жидкой сердцевины стального слитка с помощью при- кладываемого извне низкочастотного электромагнитного поля переменного то- ка. В настоящее время, согласно патенту FR 03 12555 (RU2357833 и FR 02 12706 (RU 2325245), для литья стальных слитков - слябов, используют одну или более пару индукторов, расположенных в различных зонах по всей длине жид- кой 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 не- прерывном литье стального слитка, глубина жидкой сердцевины D много больше ширины слитка А и может составляет для слитков сечением 2000 мм х 600 мм более 10 метров. Кроме того, при организации перемешивающего воз- действия в жидкой сердцевине стального слитка, в основном, стараются орга- низовать вращательное движение жидкого металла вокруг направления вытяги- вания 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.
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 ТЬ 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 основ- ном это линейная индукционная машина, генерирующий бегущее или вращаю- щееся поля одной частоты, при этом, пренебрегают разницей в затухании элек- тромагнитного поля вызванной различной толщиной корочки слитка по длине индуктора. Для определения толщины слоя от стенки слитка, где сконцентри- рована основная зона действия индуцированных электромагнитных сил, ис- пользуют широко распространенный термин «глубина проникновения электро- магнитного поля» или «скин-слой» в котором сосредоточено -86% мощности выделяемой в расплаве, толщина слоя которого, в простейшем случае, для пульсирующего поля определяется как
(1)
Figure imgf000006_0001
где γ - удельная электрическая проводимость (Ом м)"1; - абсолютная маг- нитная проницаемость (Гн/м); ω - круговая частота (рад/сек) и связанная с циклической частотой f соотношением ω = 2·π·ΐ.
Однако, при литье алюминиевых слитков прямоугольного сечения в кри- сталлизаторе скольжения методом полунепрерывного литья, например, с ис- пользованием вертикальных литейных установок компании Wagstaff, условия процесса существенно отличаются от литья стальных слитков. Так для алюми- ниевого слитка, имеющего сечение А х В ~ 0,6 х 2,3 м, глубина жидкой сердце- вины составляет D ~ 1,2 м, при длине слитка L~l 1 м, таким образом, D сопоста- вима 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 из выхода из кристаллизатора - Tt и в области дна жидкой сердцевины - ТЬ. Так для алю- миниевого слитка сечением 2,3 м х 0,6 м, соответствующие Tt ~ 3 см, Tb ~ 20 см, а их отношение Tb/Tt ~ 6,6. Частоты f, которым соответствует глубина про- никновения 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 твер- дого алюминия, очевидно, что использование индуктора, создающего электро- магнитного поле на одной частоте не оптимально с точки зрения управления потоками в жидкой сердцевине. Так при использовании равномерного скользя- щего 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 пере- мешивания 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 сердце- вины будет не достаточна из-за большого эффекта экранирования твердой ко- рочкой слитка толщиной ТЬ.
Кроме указанного выше недостатка, использование переменного магнит- ного поля одной частоты, не позволяет гибко управлять структурой потоков в жидкой сердцевине. То есть, конечно, возможно управление направлением вра- щения 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 пред- ложены способы и устройства способные организовать гибкое управление структурой гидродинамического поля таким образом, что бы скользящее маг- нитное поле одной частоты, действующее вдоль всей области жидкой сердце- вины D, создавало бы принципиально различные течения в жидкой сердцеви- не, например, могло создать течение не только в форме одинарной, двойной петли или одного вихря, но и создавать большую совокупность сильно турбу- лизованных течений с гибким управлением количеством вихрей и их место- расположением .
Кроме недостатка в ограниченности управления структурой и турбулизирован- ностью потоков, переменное магнитное поле одной частоты, обычно создается с целью эффективного создания основных потоков в расплаве жидкой сердце- вины и не учитывает возможность механического резонанса колебаний жидко- сти.
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 становиться особенно восприимчива к воздействию силы на такой частоте. При этом для объема жид- кости, находящегося под действием силы, воздействующей с резонансной час- тотой, характерно не только то, что скорость течений в объеме жидкости уве- личивается с минимальными затратами энергии, но и то что возрастает пульса- ционная составляющая колебаний, которая приводит к увеличению колебаний турбулентных пульсаций и как следствие к возрастанию доли турбулентного движения.
Однако, при использовании многочастотного электромагнитного поля возмож- но 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 находиться в кристаллизаторе и начинает дви- гаться вниз и в конце процесса литья, когда процесс литья можно считать уста- новившимся, слишком различны.
Действительно, в начале процесса литья, толщина твердой корочки металла с боковой поверхности слитка небольшая и жидкая сердцевина отделена от под- дона 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 жид- кой сердцевины удлиняется, толщина твердого алюминия между жидкой серд- цевиной и поддоном увеличивается, что приводит к превалированию теплоот- вода через боковые стенки слитка над теплоотводом через низ слитка.
Задачей заявляемого технического решения является возможность гибко- го управления скоростью перемешивания, структурой потоков и турбулизиро- ванностью по всему объему жидкой сердцевины кристаллизующегося алюми- ниевого сляба.
Поставленная техническая задача решается тем, что устройство для не- прерывной 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, выполненные с возможностью индуцирования перемешивающего движения в расплаве, причем указанные индукторы установлены преимущест- венно симметрично друг к другу относительно вертикальной плоскости сим- метрии слитка, в котором каждый индуктор выполнен с возможностью созда- ния, по меньшей мере, двух электромагнитных полей, бегущих в противопо- ложных направлениях вдоль направления вытягивания слитка, а зона действия полей охватывает всю жидкую сердцевину.
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. 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 .
Кроме того, возрастание величины электромагнитного поля вдоль индук- тора, по глубине жидкой сердцевины D, происходит по линейной, степенной или экспоненциальной зависимости.
Кроме того, индуктор выполнен с возможностью генерирования, по меньшей мере, одного электромагнитного поля с убывающей частотой по глу- бине жидкой сердцевины D по мере удаления от кристаллизатора к дну сердце- вины.
Кроме того, частота генерируемых индукторами электромагнитных по- лей не превышает 6 Гц.
Кроме того, по меньшей мере, один индуктор, расположенный в про- странстве между, по меньшей мере, двух слитков, выполнен с возможностью обеспечения перемешивания жидкой сердцевины в, по меньшей мере, двух слитках, между которыми он расположен.
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 слит- ках.
Кроме того, направления движения бегущих электромагнитных полей, индуцированных одним индуктором, совпадают.
Кроме того, указанные индукторы генерируют бегущие электромагнит- ные поля, которые симметричны относительно оси слитка.
Поставленная техническая задача решается тем, что способ для непре- рывной или полунепрерывной разливки алюминиевых сплавов, включающий воздействие на жидкий металл постоянного электромагнитного поля посредст- вом по меньшей мере, двух электромагнитных индукторов, осуществляющих электромагнитное перемешивание жидкой сердцевины слитка, по меньшей ме- ре, двумя бегущими вдоль направления вытягивания слитка электромагнитных полей, 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.
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.
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.
Кроме того, возрастание величины электромагнитного поля вдоль индук- тора, по глубине жидкой сердцевины D, осуществляют по линейной, степенной или экспоненциальной зависимости.
Кроме того, электромагнитные поля выбирают с частотой, убывающей по глубине жидкой сердцевины D по мере удаления от кристаллизатора к дну сердцевины.
Кроме того, частоту генерируемых индукторами электромагнитных по- лей выбирают не более 6 Гц.
Кроме того, направления движения бегущих электромагнитных полей, индуцированных одним индуктором выбирают совпадающими.
Кроме того, указанные бегущие электромагнитные поля, являются сим- метричными относительно вертикальной оси слитка.
Краткое описание чертежей
На фиг. 1 схематично показана установка индукторов относительно слит- ка в сечении. Также показано возрастание величины магнитного поля источни- ков от si к sN по мере удаления сверху вниз, а также представлены наименова- ния основных размеров.
На фиг.2 показана установка индукторов в 3-х мерном пространстве и даны размеры определяющие сечение слитка.
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 вклю- чением источников магнитного поля sl ...sn. Также, показано позонное включе- ние боковых индукторов, начиная с зоны— Zone 1 до Zone N, по мере увеличе- ния слитка
На фиг. 4 показаны основные течения, возникающие при воздействии бе- гущих электромагнитных полей, возбуждаемых индуктором, установленным в поддоне, при этом: на фиг.4 А) 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) по- казан 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 од- ного бегущего поля, у которого глубина проникновения в металл обеспечивает захват слоев жидкости в большей части объема жидкости.
На фиг. 5 показана, в качестве примера, схема установки из двух трех- фазных линейных индукционных машин, которые симметрично расположены относительно оси слитка.
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.6 А) показано образование вихря Е при наложении встречных бегущих полей; на фиг.6 Б) показано образование вихря Е при наложении согласно бегущих полей, одно из которых вызывает большую по модулю силу в расплаве, чем другое.
На фиг. 7 показана в качестве примера, возможная схема установки ин- дукторов относительно нескольких слитков, отливаемых одновременно.
На фиг. 8 схематично показано расположение интегральных сил Fj и F2 в жидкой сердцевине, которые генерируют на различной частоте бегущие элек- тромагнитные поля Field l и Field_2 соответственно.
На фиг. 9 схематично показано управляемое расщепление основного че- тырехконтурного потока на несколько контуров, при этом: на фиг.9 А) показно расщепление контуров по вертикали; на фиг.9 Б) показано расщепление конту- ров по горизонтали. Лучший вариант осуществления изобретения
Устройство для непрерывной или полунепрерывной разливки алюминие- вых 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, выполненные с возмож- ностью индуцирования перемешивающего движения в расплаве, причем ука- занные индукторы 3,4 установлены преимущественно симметрично друг к дру- гу 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 возможно- стью 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, ли- тейный стол 2.
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.
Кроме того, индуктор 3,4 выполнен с возможностью создания, по мень- шей 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 .
Кроме того, возрастание величины электромагнитного поля вдоль индук- тора 3,4, по глубине жидкой сердцевины D, осуществляется по линейной, сте- пенной или экспоненциальной зависимости.
Кроме того, индуктор 3,4 выполнен с возможностью генерирования, по меньшей мере, одного электромагнитного поля с убывающей частотой по глу- бине жидкой сердцевины D по мере удаления от кристаллизатора к дну сердце- вины. Кроме того, частота генерируемых индукторами 3,4 электромагнитных полей не превышает 6 Гц.
Кроме того, по меньшей мере, один индуктор, расположенный в про- странстве между, по меньшей мере, двух слитков, выполнен с возможностью обеспечения перемешивания жидкой сердцевины в, по меньшей мере, двух слитках, между которыми он расположен.
Кроме того, по меньшей мере, один индуктор 3 или 4, расположенный вдоль внешней границы, охватывающей, по меньшей мере, два слитка, выпол- нен с возможностью обеспечения перемешивания жидкой сердцевины в этих слитках.
Кроме того, направления движения бегущих электромагнитных полей, индуцированных одним индуктором 3 или 4 совпадают.
Кроме того, указанные индукторы генерируют бегущие электромагнит- ные поля, которые симметричны относительно оси слитка 7.
На фиг. 2 показаны дополнительно установленные индукторы 8, 9.
Пример осуществления способа
Расплавленный металл, согласно фиг. 1 и фиг.2, подают в зону жидкого расплава в, по меньшей мере, один кристаллизатор 1, который открыт на обо- их концах в направлении разливки, через как минимум одно средство 6, по- груженное в расплав, либо, по меньшей мере, одну струю металла. В процессе опускания поддона 5 и охлаждения расплавленного металла путем теплопере- дачи через стенки кристаллизатора, боковые стенки слитка 7 и материал поддо- на, происходит кристаллизация слитка с образованием его формы и формиро- вание 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 жид- кой сердцевины. Поддон 5 установлен и прикреплен к платформе, которая дви- жется вниз под действием механизма ее опускания, например гидроцилиндром, либо приводиться в движение вниз под действием электромагнитных сил, на- пример под действием, бегущего электромагнитного поля. На противополож- ных сторонах отливаемого слитка 7 установлена, по меньшей мере, одна пара индукторов переменного электромагнитного поля 3 и 4 (8 и 9), которые уста- новлены преимущественно симметрично относительно вертикальной плоскости симметрии на противоположных сторонах слитка и перемешивают жидкую сердцевину согласно траекториям 10 (фиг.2).
Индукторы переменного электромагнитного поля 3 и 4, а также индуктор, уста- новленный в поддоне 5, в контексте настоящего изобретения, представляют со- бой совокупность элементарных источников переменного магнитного поля и конструктивно могут быть выполнены как линейные индукционные машины, либо как совокупность перемещающихся или вращающихся постоянных маг- нитов.
В процессе литья слитка, вначале процесса, используют переменное поле создаваемое индуктором, установленном в поддоне или под поддоном 5 со- гласно Фиг. 3. Это переменное поле обеспечивает эффективное перемешивание металла в формирующейся жидкой сердцевине на начальном этапе литья.
При этом, используя различный порядок включения источников пере- менного электромагнитного поля в индукторе - Sl,S2...Sn , организуются тре- буемые бегущие и пульсирующие магнитные поля.
Наиболее очевидными гидродинамическими течениями, образующимися при использовании комбинаций разнонаправленных полей, согласно фиг.4 яв- ляются:
- Схема естественной циркуляции из 4-х основных вихрей - Ι,ΙΙ,ΙΙΙ, IV (фиг. 3.
A) . Эти течения подобны установившимся течениям при свободной конвекции и вызываются как минимум двумя встречно бегущими электромагнитными по- лями - Field l и Field_2.
- Схема аномальной циркуляции из 4-х основных вихрей - Ι,ΙΙ,ΙΙΙ, IV (фиг. 3. Б). Эти течения подобны установившимся течениям при свободной конвекции но противоположны по направлению и вызываются как минимум двумя противо- положно бегущими электромагнитными полями - Field l и Field_2.
- Схема несимметричной циркуляции из 3-х основных вихрей - 1,11 ДИ (фиг. 3.
B) . Эта структура потоков организуется сравнительно слабым бегущим элек- тромагнитным полем Field l, которое непосредственно воздействует на слои расплава вблизи дна жидкой сердцевины.
- Схема несимметричной циркуляции из 1-го основного вихря - 1 (фиг. 3. Г). Эта структура потоков организуется сравнительно сильным бегущим электромаг- нитным полем Field l, которое непосредственно воздействует на слои распла- ва, занимающие не менее половины от высоты жидкой сердцевины снизу.
По мере формирования слитка, включается как минимум одна пара ин- дукторов 3 и 4, которые создают переменное бегущее (скользящее) магнитное поле вдоль направления вытягивания слитка. Генерируемое индукторами маг- нитное поле действует на жидкую сердцевину по всей ее высоте D. При этом, индукторы 3 и 4, согласно Фиг. 3, могут включаться по зонам - zone 1, zone 2... zone N, или быть выполнены из частей и включаться по мере литья слитка и увеличения жидкой сердцевины.
В результате воздействия переменного электромагнитного поля в рас- плавленном металле возникают вихревые токи и как следствие поле сил Ампе- ра, которые приводят в движение жидкий металл.
Электромагнитное поле, генерируемое каждым индуктором, обладает следующими особенностями (признаками), которые реализуются одновременно или раздельно:
1. Магнитуда индукции магнитного поля возрастает по глубине жидкой сердце- вины D по мере удаления от кристаллизатора к дну сердцевины. Зависимость возрастания магнитной индукции от расстояния может быть пропорциональ- ной, степенной или экспоненциальной;
2. В составе поля присутствует, по меньшей мере, одна частота;
3. В составе поля присутствует, по меньшей мере, одна собственная резонанс- ная частота колебаний жидкой сердцевины слитка или близкая к ней;
4. В составе поля присутствует, по меньшей мере, одна собственная резонанс- ная частота колебаний, присущая границе кристаллизации или близкая к ней;
5. В составе поля присутствует, по меньшей мере, одна собственная резонанс- ная частота колебаний, присущая твердому слитку или близкая к ней;
6. Частота колебаний электромагнитного поля убывает по глубине жидкой сердцевины D по мере удаления от кристаллизатора к дну сердцевины. Зависи- мость возрастания магнитной индукции от расстояния может быть линейной, степенной или экспоненциальной.
Реализация указанных выше особенностей электромагнитного поля мо- жет быть достигнута следующими допустимыми техническими решениями:
1. Использованием двух- или многофазной линейной индукционной ма- шины, обмотки которой подключены к двух или многофазному одночастотно- му источнику питания, таким образом, что на одном конце машины генериру- ется переменное электромагнитное поле меньшей величины, чем на другом конце и генерируемое поле возрастает от одного конца машины к другому.
Например, на Фиг. 4, 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 не сим- метричной трехфазной системе напряжения или тока. При этом, верхняя ка- тушка 3 в которой протекает наименьший ток генерирует меньший магнитный поток, чем средняя катушка 4, в которой ток больше чем в катушке 3, но мень- ше чем в катушке 5, в которой протекает наибольший ток и которая генерирует наибольший магнитный поток.
2. Использованием двух или многофазной линейной индукционной ма- шины, обмотки которой подключены к двух или многофазному многочастот- ному источнику питания, таким образом, что по мере удаления катушек от кри- сталлизатора вниз вдоль слитка, частота пульсации тока или напряжения в них уменьшается.
3. Использованием двух- или многофазной линейной индукционной ма- шины, заведомо выполненной конструктивно несимметричной, таким образом, что при подключении катушек к двух или многофазному одночастотному ис- точнику питания, вдоль машины генерируется возрастающее от одного края к другому электромагнитное поле. Простейшими примерами такого заведомо не симметричного индуктора может являться индуктор, у которого, по мере уда- ления катушек от кристаллизатора вниз вдоль слитка, количество витков в ка- тушках возрастает либо увеличивается полюсный шаг.
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. Так- же, одновременно или раздельно с этим, частота вращения постоянных магни- тов может уменьшаться от кристаллизатора по мере удаления от кристаллиза- тора к дну сердцевины.
Создание и управление вихревой структурой потоков за счет использова- ния как минимум двух бегущих полей, возможно, с использованием двух прин- ципов указанных ниже.
Согласно первому способу - «принципу противоположных полей» ис- пользуется наложение как минимум двух противоположно бегущих электро- магнитных 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 по- зволяет получить результирующую силу для каждого поля расположенную на различном расстоянии от границы кристаллизации, но при этом располагаю- щейся на одном горизонтальном уровне жидкой сердцевины.
Таким образом, возможно получение как минимум одной пары сил от как минимум двух разночастотных полей, что позволяет создавать в расплаве вих- ревое движение.
Более подробно, данный принцип может быть пояснен следующим обра- зом.
Бегущее электромагнитное поле высокой частоты и скользящее (движу- щееся) к низу слитка, согласно фиг.5 А, создает в горизонтальном слое жидкой сердцевины t, распределение силы Ампера на участке ab. В целом, на этом уча- стке распределение сил можно аппроксимировать силой которая приложена в центре тяжести фигуры образованной полем сил на участке ab.
В свою очередь, низкочастотное бегущее электромагнитное поле направ- ленное противоположно высокочастотному, создает в слое t распределение си- лы Ампера на участке cd. В целом, на этом участке распределение сил можно аппроксимировать силой F2; которая приложена в центре тяжести фигуры обра- зованной полем сил на участке cd.
В результате взаимодействия пары сил F] и F2 образуется гидродинами- ческий вихрь Е (фиг 5, А). Согласно второму способу - «принципу совпадающих полей» использу- ется наложение как минимум двух совпадающих по направлению движения бе- гущих электромагнитных полей, генерируемых одним индуктором на разной частоте, за счет чего образуются вихревые гидродинамические течения.
При этом в отличие от вышеуказанного способа, согласно фиг. 5 Б, ре- зультирующие силы со направлены, однако отличаются по величине, что созда- ет пару сил и вращающий момент, который создает гидродинамический вихрь Е (фиг 5. Б).
Конфигурация потоков расплавленного металла в жидкой сердцевине, при естественной конвекции, для большинства типов отливаемых алюминие- вых 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 «одинар- ную 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». 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 создаваемым одним индуктором на различных частотах - Field l и Field_2 (фиг. 8), в различных слоях по вертикали создаются различные силы ¥ и F2, которые создают вращающий момент и способствуют вертикаль- ному расщеплению по меньшей мере двух основных вихрей I и II (фиг. 1) и увеличению количества вихрей по ширине слитка. При этом образуется струк- тура потоков подобная приведенной на фиг. 9,А. В случае увеличения количе- ства разночастотных бегущих полей количество вихрей увеличивается соответ- ственно.
Увеличение пульсирующей составляющей силы Ампера действующей перпендикулярно к оси слитка приводит к горизонтальному расщеплению вих- рей и увеличению количества вихрей по глубине жидкой сердцевины как пока- зано на фиг. 9,Б. Подобное воздействие, может быть создано индуктором не- сколькими способами. Например, за счет генерации стоящей волны вдоль вы- соты сердцевины D, либо созданием локальных зон по высоте D, где нормаль- ная составляющая силы Лоренца, генерируемая в расплаве и направленная к оси слитка, значительно превосходит тангенциальную составляющую, что вы- зывает 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 источника- ми пульсирующего поля могут являться отдельные обмотки, включаемые по необходимости.
Создаваемое горизонтальное и вертикальное расщепление основных вих- рей может происходить периодически, а может осуществляться постоянно.
С целью максимального использования пространства в установке для непре- рывной разливки, согласно фиг. 7, возможно размещения индукторов согласно следующих вариантов:
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.
2. По меньшей мере, один индуктор 9, расположенный вдоль внешней границы охватывающей, по меньшей мере, два слитка, обеспечивает перемеши- вание жидкой сердцевины в этих слитках.
Предлагаемое устройство имеет следующие преимущества перед извест- ными:
- перемешивание расплава по всему объему жидкой сердцевины симметричной структурой потоков относительно вертикальной плоскости симметрии слитка, что обеспечивает симметричные условия кристаллизации и отсутствие механи- ческих деформаций слитка вызванных не симметрией температурных напряже- ний в слитке;
- возможность организовать различные по количеству контуров и структуре циркуляционные потоки в жидкой сердцевине за счет многочастотного элек- тромагнитного поля и использования резонансных частот, что позволяет гибко управлять турбулентным движением в жидкой сердцевине.
- простота конструктивного решения, обеспечивающая возможность перемеши- вания жидкой сердцевины при различной толщине слитка за счет увеличения или уменьшения расстояния между индукторами находящихся по обе стороны от плоскости симметрии слитка;
- снижение энергоемкости перемешивания за счет использования резонансных частот.
Промышленная применимость
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 полуне- прерывной разливки алюминиевых сплавов.

Claims

Формула изобретения
1. 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, выполненные с возможностью индуцирова- ния перемешивающего движения в расплаве, причем указанные индукторы ус- тановлены преимущественно симметрично друг к другу относительно верти- кальной плоскости симметрии слитка, отличающееся тем, что каждый индуктор выполнен с возможностью создания, по меньшей мере, двух электромагнитных полей на различных частотах, бегущих в противоположных направлениях вдоль направления вытягивания слитка, а зона действия полей охватывает всю жид- кую сердцевину.
2. Устройство по п.1 отличающееся тем, что индуктор выполнен с возможно- стью генерирования, по меньшей мере, частоты одного из указанных бегущих электромагнитных полей, близкой или совпадающей с собственной резонанс- ной частотой механических колебаний объема жидкой сердцевины.
3. Устройство по п.1 отличающееся тем, что индуктор выполнен с возможно- стью создания, по меньшей мере, бегущего электромагнитного поля с возраста- нием 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 .
4. Устройство по п.З отличающееся тем, что возрастание величины электромаг- нитного поля вдоль индуктора, по глубине жидкой сердцевины D, по линейной, степенной или экспоненциальной зависимости.
5. Устройство по п. 1 отличающееся тем, что индуктор выполнен с возможно- стью генерирования, по меньшей мере, электромагнитного поля с убывающей частотой по глубине жидкой сердцевины D по мере удаления от кристаллизато- ра к дну сердцевины.
6. Устройство по п.1 отличающееся тем, что частота генерируемых индуктора- ми электромагнитных полей не превышает 6 Гц.
7. Устройство по п.1 отличающееся тем, что, по меньшей мере, один индуктор, расположенный в пространстве между, по меньшей мере, двух слитков, выпол- нен с возможностью обеспечения перемешивания жидкой сердцевины в, по меньшей мере, двух слитках, между которыми он расположен.
8. Устройство по п.1 отличающееся тем, что, по меньшей мере, один индуктор, расположенный вдоль внешней границы, охватывающей, по меньшей мере, два слитка, выполнен с возможностью обеспечения перемешивания жидкой серд- цевины в этих слитках.
9. Устройство по п.1 отличающееся тем, что, направления движения бегущих электромагнитных полей, индуцированных одним индуктором совпадают.
10. Устройство по п.1. отличающееся тем, что указанные индукторы генериру- ют бегущие электромагнитные поля, которые преимущественно симметричны относительно оси слитка.
11. Способ для непрерывной или полунепрерывной разливки металлов, вклю- чающий воздействие на жидкий металл постоянного электромагнитного поля посредством, по меньшей мере, двух электромагнитных индукторов, осуществ- ляющих электромагнитное перемешивание жидкой сердцевины слитка, по меньшей мере, двумя бегущими вдоль направления вытягивания слитка элек- тромагнитных полями, причем каждое из указанных полей генерируют на раз- личной частоте, направления движения которых противоположны, и зона воз- действия которых на жидкую сердцевину покрывает всю глубину жидкой серд- цевины.
12. Способ по n.l 1 отличающийся тем, что, по меньшей мере, частоту одного из указанных бегущих электромагнитных полей, выбирают близкой или совпа- дающей с собственной резонансной частотой механических колебаний объема жидкой сердцевины.
13. Способ по n.l 1 отличающееся тем, что формируют бегущее электромагнит- ное поле, возрастающее по глубине жидкой сердцевины D по мере удаления от кристаллизатора к дну сердцевины, причем отношение между величиной элек- тромагнитного поля в областях крайних верхних и нижних частей индуктора превышает 2.
14. Способ по п.13 отличающееся тем, что возрастание величины электромаг- нитного поля вдоль индуктора, по глубине жидкой сердцевины D, осуществля- ют по линейной, степенной или экспоненциальной зависимости.
15. Способ по п.11 отличающееся тем, что электромагнитные поля выбирают с частотой убывающей по глубине жидкой сердцевины D по мере удаления от кристаллизатора к дну сердцевины.
16. Способ по п.11 отличающееся тем, что частоту генерируемых индукторами электромагнитных полей выбирают не более 6 Гц.
17. Способ по п.П отличающийся тем, что направления движения бегущих электромагнитных полей,- индуцированных одним индуктором выбирают сов- падающими.
18. Способ по п.П . отличающийся тем, что указанные бегущие электромагнит- ные поля, являются преимущественно симметричными относительно верти- кальной оси слитка.
PCT/RU2011/000238 2011-03-03 2011-04-11 Способ и устройство непрерывной разливки алюминиевых сплавов WO2012118396A1 (ru)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
EP11859793.9A EP2682201A4 (en) 2011-03-03 2011-04-11 PROCESS AND DEVICE FOR CONTINUOUS CASTING ALUMINUM ALLOYS

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2011108039 2011-03-03
RU2011108039/02A RU2457064C1 (ru) 2011-03-03 2011-03-03 Способ для непрерывной и полунепрерывной разливки алюминиевых сплавов и устройство для его осуществления

Publications (1)

Publication Number Publication Date
WO2012118396A1 true WO2012118396A1 (ru) 2012-09-07

Family

ID=46758180

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
PCT/RU2011/000238 WO2012118396A1 (ru) 2011-03-03 2011-04-11 Способ и устройство непрерывной разливки алюминиевых сплавов

Country Status (3)

Country Link
EP (1) EP2682201A4 (ru)
RU (1) RU2457064C1 (ru)
WO (1) WO2012118396A1 (ru)

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN114786837A (zh) * 2019-12-20 2022-07-22 诺维尔里斯公司 经由直冷(dc)路线生产的未再结晶锻造材料的减小的最终晶粒尺寸

Families Citing this family (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN106925762B (zh) * 2015-12-29 2019-11-15 北京有色金属研究总院 一种高剪切强电磁搅拌熔体处理的装置和方法
FR3051698B1 (fr) 2016-05-30 2020-12-25 Constellium Issoire Procede de fabrication de lingots de laminage par coulee verticale d'un alliage d'aluminium
CN106735104B (zh) * 2016-12-05 2018-10-23 东北大学 一种磁场下的凝固取向装置
EP3363560A1 (en) * 2017-02-20 2018-08-22 ABB Schweiz AG A method and stirring system for controlling an electromagnetic stirrer
RU2656904C1 (ru) * 2017-04-12 2018-06-07 Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Казанский государственный энергетический университет" (ФГБОУ ВО "КГЭУ") Способ электромагнитного перемешивания жидкой сердцевины слитка в кристаллизаторе при непрерывном литье
FR3074072B1 (fr) * 2017-11-27 2022-02-11 Constellium Issoire Procede de coulee d'aluminium a faible vitesse et faible frequence
FR3074191B1 (fr) * 2017-11-29 2021-10-01 Constellium Issoire Produit plat en alliage d'aluminium presentant des proprietes ameliorees dans l'epaisseur
RU2759178C2 (ru) * 2018-12-17 2021-11-09 Общество с ограниченной ответственностью "НАУЧНО-ПРОИЗВОДСТВЕННЫЙ ЦЕНТР КРАСНОЯРСКИЙ ОПЫТНЫЙ ЗАВОД ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО МАШИНОСТРОЕНИЯ" Способ воздействия электромагнитным полем на расплав металла и индуктор для его реализации

Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US5219018A (en) * 1990-01-04 1993-06-15 Aluminium Pechiney Method of producing thixotropic metallic products by continuous casting, with polyphase current electromagnetic agitation
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 (ru) * 2002-11-26 2004-05-20 Красноярский государственный технический университет Устройство для электромагнитного перемешивания жидкой сердцевины слитка
RU2325245C2 (ru) 2002-10-14 2008-05-27 Ротелек Способ и устройство управления потоками в кристаллизаторе непрерывного литья слябов
RU2357833C2 (ru) 2003-10-27 2009-06-10 Ротелек Способ электромагнитного перемешивания для непрерывного литья металлических изделий удлиненного сечения
WO2009117803A1 (en) 2008-03-25 2009-10-01 Abb Inc. Modulated electromagnetic stirring of metals at advanced stage of solidification

Patent Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US5219018A (en) * 1990-01-04 1993-06-15 Aluminium Pechiney Method of producing thixotropic metallic products by continuous casting, with polyphase current electromagnetic agitation
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
RU2325245C2 (ru) 2002-10-14 2008-05-27 Ротелек Способ и устройство управления потоками в кристаллизаторе непрерывного литья слябов
RU2228817C1 (ru) * 2002-11-26 2004-05-20 Красноярский государственный технический университет Устройство для электромагнитного перемешивания жидкой сердцевины слитка
RU2357833C2 (ru) 2003-10-27 2009-06-10 Ротелек Способ электромагнитного перемешивания для непрерывного литья металлических изделий удлиненного сечения
WO2009117803A1 (en) 2008-03-25 2009-10-01 Abb Inc. Modulated electromagnetic stirring of metals at advanced stage of solidification

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
See also references of EP2682201A4 *

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN114786837A (zh) * 2019-12-20 2022-07-22 诺维尔里斯公司 经由直冷(dc)路线生产的未再结晶锻造材料的减小的最终晶粒尺寸

Also Published As

Publication number Publication date
EP2682201A1 (en) 2014-01-08
EP2682201A4 (en) 2015-03-18
RU2457064C1 (ru) 2012-07-27

Similar Documents

Publication Publication Date Title
WO2012118396A1 (ru) Способ и устройство непрерывной разливки алюминиевых сплавов
EP0807477B1 (en) Continuous casting method and relative device
RU2656193C2 (ru) Способ, устройство и система для перемешивания расплавленного металла
US20090229783A1 (en) Method and system of electromagnetic stirring for continuous casting of medium and high carbon steels
RU2212977C2 (ru) Устройство для электромагнитного торможения расплавленного металла в установке для непрерывной разливки и способ электромагнитного торможения жидкого металла
JPS6254579B2 (ru)
RU2325245C2 (ru) Способ и устройство управления потоками в кристаллизаторе непрерывного литья слябов
MXPA97003514A (en) Method of continuous casting and relationship device
KR100536174B1 (ko) 전자기장을 이용한 금속의 수직 연속 주조 방법 및 이를 위한 주조 장치
RU2539253C2 (ru) Способ и установка для регулирования потоков жидкого металла в кристаллизаторе для непрерывного литья тонких плоских слябов
KR100264946B1 (ko) 전자기식장치를갖는연속주조몰드
CN101259523B (zh) 控制连续铸造结晶器内金属液流动的电磁制动装置
KR20210057056A (ko) 알루미늄 또는 알루미늄 합금의 주조용 몰드에서의 전자기 교반장치, 알루미늄 또는 알루미늄 합금의 주조용 몰드에서의 교반 방법, 알루미늄 또는 알루미늄 합금의 주조용 몰드 및 주조 머신(Electromagnetic stirring device in a mould for casting aluminium or aluminium alloys, stirring method in a mould for casting aluminium or aluminium alloys, mould and casting machine for casting aluminium or aluminium alloys)
RU2656904C1 (ru) Способ электромагнитного перемешивания жидкой сердцевины слитка в кристаллизаторе при непрерывном литье
EP1001862B1 (en) Electromagnetic stirring method for crystallisers and relative crystalliser
JP2004322120A (ja) 鋼の連続鋳造方法
JP4669367B2 (ja) 溶鋼流動制御装置
JP2005238276A (ja) 電磁攪拌鋳造装置
JP3697584B2 (ja) 鋼の連続鋳造方法及び設備
RU2745520C1 (ru) Способ непрерывного литья слитка и плавильно-литейная установка для его осуществления
JP2007118090A (ja) 鋼の連続鋳造方法
JP4192651B2 (ja) 連続鋳造用モールド
JP2003275849A (ja) 連続鋳造鋳片の製造方法
JP2004058092A (ja) 鋼の連続鋳造方法
RU2464123C1 (ru) Способ регулирования режима электромагнитного перемешивания жидкой фазы слитка в машине непрерывного литья слябов и устройство для его осуществления

Legal Events

Date Code Title Description
121 Ep: the epo has been informed by wipo that ep was designated in this application

Ref document number: 11859793

Country of ref document: EP

Kind code of ref document: A1

NENP Non-entry into the national phase

Ref country code: DE