Область техники
Настоящее изобретение относится к способу и устройству для непрерывной или полунепрерывной разливки металлов и сплавов, например стали, в кристаллизатор, который открыт на обоих концах в направлении разливки.
Описание известного уровня техники
В операциях непрерывной разливки стали устоялась практика перемешивания жидкой стали в кристаллизаторе устройства непрерывной разливки стали с помощью прикладываемого извне низкочастотного электромагнитного поля переменного тока. Электромагнитное перемешивание, обычно именуемое как ЭМП, широко применяется при непрерывной разливке стали для повышения качества продукции в литом состоянии и производительности процесса. Было установлено, что для удовлетворения условиям различных методов разливки необходимо управлять перемешивающим движением в области, тесно прилегающей к свободной поверхности расплава, обычно именуемой мениском. Следовательно, в области мениска требуется перемешивающее движение с определенной интенсивностью, чтобы контролировать поверхностную и подкорковую пористость, подкорковые включения и другие дефекты заготовок круглого и квадратного сечения, получаемых в основном из раскисленной Si-Mn стали. В других технологиях разливки, известных как погруженная заливка под порошок кристаллизатора, мениск должен быть стабильным, и поэтому накладываются ограничения на перемешивающее движение на мениске. Кроме этих двух противоположных требований, вытекающих из разных методов разливки, была установлена прямая корреляция между определенными группами дефектов ручья и интенсивностью перемешивания как в области мениска, так и в основной массе в кристаллизаторе. Потребность в управлении перемешивающим движением в этих областях кристаллизатора обусловила необходимость создания ряда методик, основанных на применении электромагнитных полей постоянного или переменного тока. В патенте США №4933005 было предложено управлять перемешивающим движением в области мениска в кристаллизаторе с помощью горизонтального магнитного поля постоянного тока. Согласно этому патенту прикладываемое извне магнитное поле постоянного тока взаимодействует с перемешивающим потоком в области мениска, создаваемым основным устройством для перемешивания. Это взаимодействие порождает электромагнитную силу, которая противодействует движению жидкого металла и тем самым уменьшает скорость этого движения. Данный способ управления скоростью перемешивания имеет недостатки. В обычных конструкциях оборудования, используемого для непрерывной разливки заготовок круглого и квадратного сечения, размеры тормозящей катушки ограничены, поэтому сила магнитного поля постоянного тока, создаваемого тормозящей катушкой, достаточна только для уменьшения скорости перемешивания на мениске до 50-60 процентов от исходного значения скорости.
Другой известный способ, предназначенный для управления перемешивающим движением в области мениска, представляет собой двухкатушечную систему ЭМП, работающую на переменном токе и описанную в патенте США №5699850. Согласно этому патенту индукционная катушка, расположенная в верхней части кристаллизатора в области мениска, возбуждается источником тока, независимым от источника тока основного устройства для перемешивания, расположенного в нижней части кристаллизатора. Таким образом, вращающее магнитное поле переменного тока, создаваемое верхней индукционной катушкой, управляется независимо от магнитного поля основного устройства для перемешивания. Когда направление вращения магнитных полей, создаваемых верхним и основным устройствами для перемешивания, совпадает, скорость перемешивания в области мениска увеличивается. Это увеличение скорости можно регулировать посредством ввода тока в верхнюю катушку. Если направления вращения противоположны друг другу, верхнее устройство для перемешивания превращается в магнитный тормоз по отношению к перемешивающему потоку в области мениска. Путем регулирования тока этого тормоза можно управлять скоростью перемешивания в области мениска в интервале от ее исходного значения, когда не прикладывается никакого тормозящего действия, до эффективного нуля, когда магнитный момент тормоза находится в равновесии с кинетическим моментом перемешивающего потока в области мениска.
Недостатком этого способа является то, что тормозящее действие влияет только на азимутальную составляющую потоков жидкости, вызванных перемешиванием или воздействием струи, заливаемой в кристаллизатор. Продольная составляющая этих потоков остается незатронутой магнитным полем переменного тока, создаваемым верхней индукционной катушкой. Эти продольные потоки жидкости в зависимости от их интенсивности создают значительную турбулентность в расплаве на мениске и в области рядом с мениском, что влияет на рабочие условия метода разливки и качество продукции.
Сущность изобретения
В основу настоящего изобретения положена задача обеспечения более гибкого управления скоростью перемешивания и потоком расплава, т.е. протоком жидкого металла, в области мениска расплава в кристаллизаторе устройств для непрерывной разливки, используемых для изготовления, например, заготовок круглого и квадратного сечения.
Задачу изобретения решает устройство, существенные признаки которого охарактеризованы в пункте 1 формулы изобретения, способ, существенные признаки которого охарактеризованы в пункте 7 формулы изобретения, и способ, существенные признаки которого охарактеризованы в пункте 11 формулы изобретения.
Согласно настоящему изобретению верхняя индукционная катушка, в данном контексте именуемая как "вторая индукционная катушка", двухкатушечной системы перемешивания возбуждается либо постоянным, либо переменным током в зависимости от требуемого воздействия на перемешивающее движение расплава в области, смежной с верхней свободной поверхностью расплава, а главная индукционная катушка, именуемая как "первая индукционная катушка", всегда действует как устройство для перемешивания, возбуждаемое переменным током, т.е. создающее магнитное поле переменного тока.
Вторая индукционная катушка предпочтительно возбуждается переменным током от независимого источника относительно главного устройства для перемешивания, т.е. относительно первой индукционной катушки. Когда данная система перемешивания используется для разливки с применением измерительного сопла и возникает потребность усилить перемешивающее движение в области мениска, тогда верхняя индукционная катушка работает в режиме помощи основному устройству для перемешивания. Переменный ток также используется для возбуждения верхней индукционной катушки, когда требуется полное или почти полное снижение скорости перемешивания на мениске в методе разливки с погруженной заливкой металла.
Частичное снижение скорости перемешивания на мениске можно обеспечить путем применения горизонтального магнитного поля постоянного тока. Такое частично тормозящее действие требуется при разливке с использованием либо измерительного сопла, либо погруженного впускного сопла, и при этом необходимо регулировать скорость перемешивания на мениске в пределах до 50-60% ее исходного значения. В этом случае используется постоянный ток для возбуждения верхней индукционной катушки. Опыт показал, что такой интенсивности торможения достаточно во многих случаях применения технологии разливки с погруженной заливкой и при разливке через измерительное сопло. При высоких уровнях интенсивности перемешивания дополнительное снижение скорости перемешивания достигается путем применения магнитного поля переменного тока. Переключение от переменного тока к постоянному и наоборот предпочтительно осуществляется с помощью электронных и программирующих (программируемых) средств, которые являются частью источника электропитания системы. Потоки жидкости, возникающие в области мениска в результате перемешивания, вызванного основным устройством для перемешивания, выпуска струи жидкого металла и/или движения кристаллизатора, будут взаимодействовать с горизонтальным магнитным полем постоянного тока, создаваемым верхней индукционной катушкой. В результате взаимодействия между горизонтальным магнитным полем постоянного тока и потоками жидкости, пересекающими это магнитное поле под любым, не равным нулю градусов углом, будут возникать магнитные силы, затрудняющие движение этих потоков. Максимальное взаимодействие достигается, когда угол между магнитным полем и потоком жидкости составляет 90 градусов. В результате скорость перемешивания и продольных потоков, включая выпускаемую прямолинейно вниз заливаемую струю, будет уменьшаться. При этом уменьшится турбулентность в мениске и повысится стабильность мениска, улучшатся рабочие условия и качество отлитой продукции.
Таким образом, благодаря взаимозаменяемости магнитных полей переменного тока и постоянного тока, обеспечиваемых одной системой перемешивания и создаваемых одной и той же индукционной катушкой, расположенной в области мениска в кристаллизаторы, настоящее изобретение позволяет существенно повысить гибкость управления скоростью перемешивания и турбулентностью на мениске, что обеспечивает более высокую производительность металлургического процесса и эффективность системы перемешивания.
Изобретение является дальнейшим усовершенствованием способа и устройства двухкатушечной системы перемешивания. Оно может широко применяться для всех электропроводящих материалов, т.е. металлов и сплавов, которые можно перемешивать электромагнитным путем, и там, где требуется управлять перемешивающим движением в некоторой области или областях с минимальным воздействием или при полном отсутствии воздействия на перемешивающее движение в других областях столба жидкого металла. Изобретение может применяться при различных специальных ориентациях кристаллизатора. Кристаллизатор может быть установлен вертикально, горизонтально или наклонно.
Краткое описание чертежей
В дальнейшем настоящее изобретение будет более подробно описано со ссылкой на варианты осуществления, приведенные лишь в качестве примеров, и на прилагаемые чертежи, на которых:
фиг.1 изображает в схематичном виде двухкатушечную систему перемешивания относительно кристаллизатора согласно одному варианту осуществления изобретения,
фиг.2 изображает однолинейную схему возможных электрических соединений для индукционных катушек устройства согласно одному варианту осуществления изобретения,
фиг.3 графически представляет взаимосвязь между током магнитного тормоза постоянного тока и скоростью перемешивания на мениске и в средней плоскости электромагнитного устройства для перемешивания в столбе ртути, и
фиг.4 графически изображает осевые профили измеренной скорости перемешивания в ртутной ванне с квадратным поперечным сечением для двухкатушечной системы ЭМП, работающей как с тормозом на основе магнитного поля переменного тока и постоянного тока, так и без него.
Описание предпочтительных вариантов осуществления изобретения
На фиг.1 изображено устройство для непрерывной или полунепрерывной разливки металлов согласно одному варианту изобретения. Устройство содержит кристаллизатор 1, который открыт на обоих концах в направлении разливки, и средства 2 для подачи горячего расплава 7 в кристаллизатор. Это устройство снабжено двухкатушечной системой электромагнитного перемешивания (ЭМП), содержащей первую индукционную катушку 4 и вторую индукционную катушку 3. Вторая индукционная катушка 3 расположена на верхнем конце кристаллизатора выше по потоку, чем первая индукционная катушка 4. Следовательно, первая индукционная катушка 4 расположена ниже по потоку, чем вторая индукционная катушка 3. Первая индукционная катушка 4 работает как устройство для перемешивания и возбуждается переменным током, создающим магнитное поле переменного тока. Первая индукционная катушка 4 составляет электромагнитную мешалку переменного тока, выполненную с возможностью при ее возбуждении индуцировать (вызывать) вращательное движение расплавленного металла 7 в кристаллизаторе 1 вокруг продольной оси кристаллизатора 1. На фиг.1 расплав подается в кристаллизатор через литниковую трубку 2, открытую под верхней поверхностью расплава, т.е. мениском 5. Конечно, можно также использовать и другие типы средств для подачи расплава в кристаллизатор 1.
Согласно изобретению вторая индукционная катушка 3 взаимозаменяемо возбуждается либо постоянным током, либо переменным током в зависимости от требуемого воздействия на перемешивающее движение расплава в области, смежной с верхней свободной поверхностью 5 расплава. Для управления видом тока, подаваемого во вторую индукционную катушку 3, устройство предпочтительно снабжено средствами 12, схематически изображенными на фиг.2, для переключения тока, подаваемого во вторую индукционную катушку 3, с переменного тока на постоянный и наоборот. Переключение тока с переменного тока на постоянный и наоборот предпочтительно осуществляется электронными и программирующими средствами 12, которые являются частью источника электропитания системы.
Вторая индукционная катушка 3 предпочтительно возбуждается переменным током от независимого источника относительно первой индукционной катушки 4. Согласно предпочтительному варианту осуществления изобретения предусмотрен первый источник электропитания 10 для подачи переменного тока в первую индукционную катушку 4, а также предусмотрен второй источник электропитания 11 для взаимозаменяемой подачи переменного тока и постоянного тока во вторую индукционную катушку 3. Первый и второй источники питания схематически показаны на фиг.2. Средства для переключения переменного тока на постоянный и наоборот схематически показаны позицией 12 на фиг.2. Следовательно, для питания второй катушки 3 можно выбирать либо переменный ток, либо постоянный ток. Такая схема позволяет независимо управлять перемешивающим действием либо первой, либо второй индукционных катушек независимо от рисунка направлений перемешивания, создаваемого первой индукционной катушкой 4.
Согласно предпочтительному варианту осуществления изобретения первая индукционная катушка 4 содержит ряд катушек 8, расположенных вокруг периферии кристаллизатора 1. Эти катушки 8 предпочтительно имеют многофазную и многополюсную конструкцию. Также предпочтительно, чтобы вторая индукционная катушка 3 содержала ряд катушек 9, расположенных вокруг периферии кристаллизатора 1. Катушки 9 предпочтительно также имеют многофазную и многополюсную конструкцию.
Согласно одному аспекту изобретения вторая индукционная катушка 3 выполнена с возможностью обеспечения по меньшей мере трех различных режимов работы, а именно:
- первого режима, в котором вторая индукционная катушка 3 возбуждается переменным током, и направление вращения магнитного поля, создаваемого второй индукционной катушкой 3, совпадает с направлением вращения магнитного поля, создаваемого первой индукционной катушкой 4, за счет чего магнитное поле, создаваемое второй индукционной катушкой 3, повышает скорость перемешивающего движения, индуцированного первой индукционной катушкой 4 в области расплава, смежной с верхней свободной поверхностью 5 расплава, при этом скоростью перемешивания расплава в этой области управляют путем регулировки величины переменного тока, подаваемого во вторую индукционную катушку 3;
- второго режима, в котором вторую индукционную катушку 3 возбуждают переменным током, и направление вращения магнитного поля, создаваемого второй индукционной катушкой 3, противоположно направлению вращения магнитного поля, создаваемого первой индукционной катушкой 4, за счет чего магнитное поле, создаваемое второй индукционной катушкой 3, снижает скорость перемешивающего движения, индуцированного первой индукционной катушкой 4 в области расплава, смежной с верхней свободной поверхностью 5 расплава, при этом скоростью перемешивания расплава в этой области управляют путем регулировки величины переменного тока, подаваемого во вторую индукционную катушку 3, и
- третьего режима, в котором вторую индукционную катушку 3 возбуждают постоянным током с тем, чтобы создать горизонтально направленное магнитное поле постоянного тока, которое индуцирует электромагнитные силы в расплаве 7, противоположные направлению потоков жидкости как в поперечной, так и продольной пространственных плоскостях кристаллизатора 1 в области расплава, смежной с верхней свободной поверхностью 5 расплава, за счет чего магнитное поле, создаваемое второй индукционной катушкой 3, снижает скорость перемешивающего движения, индуцированного первой индукционной катушкой 4 в области расплава, смежной с верхней свободной поверхностью 5 расплава, скорость продольных потоков, создаваемых в расплаве 7 перемешивающим действием первой индукционной катушки 4, а также продольных потоков, создаваемых непрерывным выпуском расплава в кристаллизатор 1.
Требуемый режим работы выбирают из перечисленных выше режимов в зависимости от применяемого процесса разливки. Требуемое воздействие второй индукционной катушки 3 на перемешивающее движение расплава в области, смежной с мениском 5, изменяется в зависимости от типа используемого процесса разливки.
Согласно изобретению вторая индукционная катушка 3 возбуждается либо постоянным током, либо переменным током с тем, чтобы обеспечить тормозящее действие в области мениска кристаллизатора для улучшения управления перемешивающим движением. Также достигается металлургическая эффективность системы ЭМП. Тормозящее действие, осуществляемое магнитным полем переменного тока, может управлять скоростью перемешивания около мениска в широком интервале, включая эффективную нулевую скорость. Отрицательное воздействие, оказываемое торможением на перемешивающее движение в объеме кристаллизатора, таково, что скорость перемешивания в этой области может быть снижена вплоть до 20%. Обеспечение тормозящего действия горизонтальным магнитным полем постоянного тока может управлять скоростью перемешивания в области мениска в диапазоне вплоть до 50% исходного значения скорости, не влияя при этом на перемешивающее движение в объеме кристаллизатора. Этого достаточно для большинства требований, возникающих в процессах непрерывной разливки стали с погруженной заливкой.
Тормозящее действие, возникающее в результате взаимодействия между горизонтальным магнитным полем постоянного тока, создаваемым второй индукционной катушкой 3, и вращающимся перешивающим потоком в области мениска, в основном заключено внутри границ между мениском и нижним концом магнитного тормоза. Перемешивающее движение в объеме кристаллизатора, создаваемое основным устройством для перемешивания, т.е. первой индукционной катушкой 4, практически не подвержено влиянию тормозящего действия в области мениска, создаваемого горизонтальным магнитным полем постоянного тока.
Интенсивность вращательного потока в расплаве 7 характеризуется его окружной (угловой) скоростью U, которая, в свою очередь, зависит от параметров магнитного момента и его пространственного распределения в расплаве, а также размера и геометрии поперечного сечения кристаллизатора. Для системы с относительно малой осесимметричной геометрией, например, с цилиндрическим или квадратным поперечным сечением, магнитный момент можно определить в соответствии со следующим выражением:
Т=0,5πfσB2R4L,
где
Т - магнитный момент, создаваемый 2-фазным или 3-фазным магнитным полем переменного тока;
f - частота тока;
σ - удельная электрическая проводимость жидкого металла;
В - магнитная индукция;
R - радиус ванны перемешивания;
L - длина железной станины (ярма) устройства для перемешивания.
Независимое управление перемешивающим движением около мениска 5, обеспечиваемое взаимозаменяемым использованием переменного тока и постоянного тока для возбуждения второй индукционной катушки 3, позволяет достичь более высокой гибкости и точности управления процессом перемешивания, а также управления турбулентностью в области мениска, вызванной продольными потоками жидкости, создаваемыми первой индукционной катушкой 4, заливаемой струей, показанной позицией 18 на фиг.1, и колебательным движением кристаллизатора 1.
Уменьшение движения потока жидкости как в поперечной, так и в продольной плоскостях, вызываемое тормозом постоянного тока, т.е. второй индукционной катушкой 3, когда она возбуждается постоянным током, происходит благодаря возникновению электромагнитной силы, т.е. силы Лоренца, в результате взаимодействия междумагнитным полем постоянного тока и движущимся потоком электропроводящей жидкости в соответствии со следующими выражениями:
F=В×J
J=σ(Е+UB),
где
J - плотность индуцированного тока в расплаве,
U - скорость потока расплава,
Е - электрический потенциал.
Так как электромагнитная сила F зависит от величины как магнитной индукции В, так и скорости U потока жидкости, ясно, что требуется значительное увеличение тока для уменьшения скорости потока жидкости до близкого к нулю значения. Во многих практических ситуациях непрерывной разливки такое уменьшение скорости не требуется. Как показано на фиг.3, скорость перемешивания около мениска ванны ртути уменьшалась от исходной скорости 7,3 рад/с до 2,7 рад/с при подаче постоянного тока в 250 А. Линейная экстраполяция уменьшения скорости предполагает, что для уменьшения скорости перемешивания до эффективного нулевого уровня потребуется ток в 335 А.
Уменьшение скорости перемешивания в области мениска с помощью тормоза постоянного тока также оказывает тормозящее действие на скорость перемешивания в средней плоскости основного ЭМП, т.е. первой индукционной катушки 4, подобно эффекту, создаваемому тормозом переменного тока. На фиг.3 и 4 видно, что скорость перемешивания в средней плоскости ЭМП была приблизительно 11,7 рад/с или 86% от исходного значения в 13,6 рад/с, когда скорость перемешивания на мениске была снижена до 2,7 рад/с с помощью тормоза постоянного тока.
В настоящем изобретении предложен усовершенствованный способ управления движением жидкого металла как в горизонтальном, так и в продольном направлении в области мениска кристаллизатора. Продольную составляющую движения жидкого металла, индуцированного главным ЭМП и другими средствами, такими как вливающаяся струя жидкого металла, выпускаемого в кристаллизатор, минимизируют с помощью индукционных катушек в форме модификатора устройства для перемешивания, т.е. второй индукционной катушки, расположенной вокруг области мениска расплава и возбуждаемой постоянным электрическим током, а более полное управление скоростью перемешивания, т.е. его азимутальной составляющей, обеспечивают с помощью магнитного поля переменного тока, создаваемого модификатором устройства для перемешивания.
Выражение "индукционная катушка", использованное в данном описании и прилагаемой формуле изобретения, также охватывает индукционную катушку, состоящую из нескольких отдельных катушек, как показано на фиг.2.
Настоящее изобретение, конечно, не ограничено описанными выше предпочтительными вариантами его осуществления, и для обычных специалистов в данной области техники будет очевидно множество возможных модификаций, не выходящих за рамки основной идеи изобретения, охарактеризованной в прилагаемой формуле изобретения.
Изобретение относится к области металлургии, в частности к разливке металлов. Устройство содержит кристаллизатор, средства для подачи металла и электромагнитное устройство для перемешивания. Электромагнитное перемешивающее устройство состоит из двух катушек. Первая катушка возбуждается переменным током. Вторая катушка расположена выше по потоку, чем первая, и выполнена с возможностью смены возбуждения постоянного тока на переменный и наоборот. При первом режиме вторую катушку возбуждают переменным током. Направление вращения магнитного поля совпадает с направлением вращения магнитного поля, создаваемого первой катушкой. При втором режиме вторую катушку возбуждают также, но направление магнитного поля противоположно направлению вращения магнитного поля, создаваемого первой катушкой. При третьем режиме вторую катушку возбуждают постоянным током. Создается горизонтально направленное магнитное поле, противоположно направленное потокам жидкости как в поперечной, так и в продольной плоскостях кристаллизатора. Обеспечивается гибкое управление скорости перемешивания и потоком расплава. 3 н. и 10 з.п. ф-лы, 4 ил.
| US 5699850 А, 23.12.1997 | |||
| US 4933005 А, 12.06.1990 | |||
| УСТРОЙСТВО АВТОМАТИЧЕСКОГО УПРАВЛЕНИЯ УЗЛОЛ1 | 0 |
|
SU352708A1 |
| Устройство для непрерывной разливки цветных металлов | 1981 |
|
SU1082551A1 |
