Устройство для электромагнитного перемешивания жидкой сердцевины слитка в кристаллизаторе Российский патент 2021 года по МПК B22D11/115 

Изобретение относится к области металлургии, в частности, к непрерывному литью металлов с электромагнитным воздействием на жидкую фазу расплава.

В настоящее время установка электромагнитных перемешивателей на многоручьевые литейные комплексы осложняется ограниченным пространством между кристаллизаторами литейного стола, а также трудностями в реализации систем электроснабжения и охлаждения перемешивающих устройств.

Известно устройство для электромагнитного перемешивания жидкой сердцевины слитка (патент РФ 2266798, М. кл. B22D 11/049, 2001). 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.

Недостатком данного устройства является использование двух источников питания для получения постоянного и переменного токов, что приводит к увеличению средств, затрачиваемых на производство, и технологическим трудностям в реализации данной системы.

Наиболее близким к заявляемому является устройство для электромагнитного перемешивания жидкой сердцевины слитка (патент РФ №2237542, М. кл. B22D 11/12, 2004). Известное устройство содержит магнитопровод в виде ферромагнитной части кристаллизатора с многофазной обмоткой. С верхней и нижней сторон кристаллизатора расположены по две катушки, выполненные концентрическими и подключенные к разным фазам. Две катушки, расположенные по разные стороны кристаллизатора симметрично относительно аксиальной оси слитка, подключены к одной фазе встречно, а две другие подключены к другой фазе согласно. Катушки, находящиеся по одну сторону кристаллизатора, могут быть размещены таким образом, что одна охватывает другую или одна над другой.

Недостатком известного устройства является необходимость применения кристаллизатора с ферромагнитной частью. Конструктивные параметры системы не позволяют использовать полноценный внешний магнитопровод, что снижает эксплуатационную эффективность системы.

В основу нового технического решения положена задача повышения эффективности перемешивания жидкой сердцевины кристаллизующегося слитка, получаемого способом непрерывного литья на многоручьевых литейных комплексах.

Поставленная задача решается тем, что в устройстве для электромагнитного перемешивания жидкой сердцевины слитка в кристаллизаторе, содержащем магнитопровод с многофазной обмоткой, концентрические катушки которой попарно расположены в верхней и нижней частях магнитопровода и подключены к двум разным фазам таким образом, что две катушки подключены к одной фазе встречно, а две другие катушки - к другой фазе согласно, в соответствии с изобретением, катушки расположены в пазах магнитопровода, который выполнен Ш-образным с образованием в ярме и зубцах разнонаправленных воздушных зазоров и установлен вокруг кристаллизатора с возможностью смещения относительно оси кристаллизатора в горизонтальной и вертикальной плоскостях, при этом зубцы магнитопровода обращены к кристаллизатору.

Наличие в ярме и зубцах разнонаправленных воздушных зазоров обусловлено тем, что Ш-образный магнитопровод может быть выполнен из листов электротехнической стали, которые имеют равномерные встречно направленные прорези.

Также это обусловлено тем, что Ш-образный магнитопровод может быть выполнен из волнообразно изогнутой ферромагнитной проволоки.

На фиг. 1 изображено предлагаемое устройство для электромагнитного перемешивания жидкой сердцевины слитка в кристаллизаторе (расположено симметрично аксиальной оси слитка); на фиг. 2 - то же, устройство смещено в сторону относительно аксиальной оси слитка по горизонтали; на фиг 3 и 4 изображены возможные варианты конструкции Ш-образного магнитопровода, выполненного из листов электротехнической стали, а также из ферромагнитной проволоки, соответственно (на рисунках принята цилиндрическая система координат r, ϕ, z); на фиг. 5 представлено распределение магнитных потоков; на фиг. 6 представлен пример подключения катушек, при котором создается разнонаправленная двухконтурная циркуляция жидкого металла в горизонтальной плоскости; на фиг. 7 изображено устройство, где катушки, размещены таким образом, что одна катушка охватывает другую.

Устройство для электромагнитного перемешивания жидкой сердцевины слитка в кристаллизаторе содержит Ш-образный магнитопровод 1 с многофазной обмоткой, катушки 2 которой размещены в его пазах. Магнитопровод 1 размещен вокруг кристаллизатора 3 внутри коллектора 4 и охватывает слиток 5 с жидкой фазой 6 расплава и фронтом 7 его кристаллизации. Ш-образный магнитопровод имеет три зубца 8, обращенные к кристаллизатору, и ярмо 9, в которых образованы разнонаправленные воздушные зазоры 10.

В зависимости от диаметра слитка для более интенсивного воздействия на жидкую фазу кристаллизующегося слитка, магнитопровод с катушками может располагаться как симметрично (фиг. 1), так и со смещением по горизонтальной плоскости (фиг. 2) с максимальным сдвигом к одной из стенок кристаллизатора, а также возможно смещение и относительно вертикальной плоскости.

Заявляемое устройство работает следующим образом.

При подключении катушек 2 к двухфазному напряжению со сдвигом фаз 90 электрических градусов, в паре катушек, соединенных последовательно и подключенных к одной фазе, протекает ток i₁, создавая магнитный поток Ф₁, а в другой паре катушек, соединенных встречно и подключенных к другой фазе, протекает ток i₂, создавая магнитный поток Ф₂. Так, если катушки 2₁ и 2₄, подключены к одной фазе, то катушки 2₂ и 2₃ - к другой. В результате наложения магнитных потоков Ф₁ и Ф₂ (фиг. 5) в области жидкой фазы 6 кристаллизующегося слитка образуется вращающееся магнитное поле, обеспечивающее разнонаправленную двухконтурную циркуляцию жидкого металла в горизонтальной плоскости (фиг. 6).

Под действием вращающегося магнитного поля в жидкой фазе 6 кристаллизующегося слитка индуцируются вихревые токи, которые, взаимодействуя с первичным магнитным полем, создают усилия в жидком металле, вызывая в нем многопрофильное вращательное движение. Разностороннее движение жидкой фазы слитка может осуществляться непрерывно или периодически в одном и том же направлении; или же периодически в прямом и обратном направлениях за счет изменения направления вращения электромагнитного поля. Такое движение жидкого металла позволяет эффективно воздействовать на дендритную структуру кристаллизующегося слитка или заготовки, что способствует изменению зерна последнего и увеличению выхода годного. Кроме того, улучшенный тепломассообмен между низкотемпературной зоной, расположенной у стенок кристаллизатора, и высокотемпературной осевой зоной слитка, ускоряет процесс кристаллизации и затвердевания и, как следствие, увеличивает скорость вытягивания слитка или заготовок.

А протеканию вихревых токов в ярме и зубцах Ш-образного магнитопровода, направленных по угловой координатной оси ϕ, препятствуют разнонаправленные воздушные зазоры 10, которые не препятствуют прохождению магнитных потоков в магнитопроводе, направленных по оси координаты z (фиг. 3, 4). Это позволяет снизить суммарные потери в магнитопроводе от вихревых потоков и гистерезиса, уменьшить искажения магнитного поля, пульсацию магнитного потока.

Процесс литья происходит следующим образом (фиг. 1). В кристаллизатор 3 непрерывно поступает жидкий металл 6. Магнитопровод 1 с катушками 2 оказывает силовое воздействие на расплав в результате наведения вихревых токов. Жидкая фаза перемешивается под действием электромагнитных сил, наведенных в ней вращающимся магнитным полем. Под действием охлаждающей воды, поступающей на боковую поверхность слитка из коллектора 4, жидкая масса непрерывно затвердевает, превращаясь в слиток. Граница раздела твердой 5 и жидкой 6 фаз образует фронт кристаллизации 7. Твердая зона слитка 5 вытягивается вниз.

Таким образом, заявляемое устройство имеет следующие преимущества перед известными:

- простота конструктивного исполнения устройства при работе в агрессивной высокотемпературной среде, которая образуется в зоне литья и охлаждения слитка, обеспечивает его высокую надежность и долговечность;

- комплексное многопрофильное перемешивание расплава в вертикальной плоскости обеспечивает однородность структуры слитка или заготовки по химическому составу и физическим свойствам;

- устройство можно использовать при литье слитков различных диаметров и сечений без переделки последнего и литейного оборудования путем замены гильз кристаллизатора перед началом литья;

- возможность перемещать магнитопровод с обмоткой относительно аксиальной оси слитка позволяет воздействовать наиболее интенсивно на слитки с различными диаметрами и сечениями.

Также заявляемое устройство обладает компактной конструкцией, улучшенными энергетическими и технологическими показателями, имеет высокую надежность при работе в высокотемпературных средах, позволяя осуществлять эффективное перемешивание расплава в вертикальной плоскости слитка, за счет возможности создания различных вариаций магнитогидродинамических потоков в жидкой фазе.

Изобретение относится к области металлургии, в частности, к непрерывному литью металлов с электромагнитным воздействием на жидкую фазу слитка. Магнитопровод выполнен Ш-образным, в пазах которого размещены попарно подключенные к разным фазам двухфазной питающей сети катушки обмотки. Ш-образный магнитопровод имеет в ярме и зубцах разнонаправленные воздушные зазоры и установлен вокруг кристаллизатора обращенными к нему зубцами и с возможностью смещения относительно оси кристаллизатора в горизонтальной и вертикальной плоскостях. Ш-образный магнитопровод может быть выполнен из листов электротехнической стали, которые имеют равномерные встречно направленные прорези, или из волнообразно изогнутой ферромагнитной проволоки. Изобретение позволяет повысить эффективность перемешивания жидкой сердцевины кристаллизующегося слитка, получаемого на многоручьевых литейных комплексах. 2 з.п. ф-лы, 7 ил.

1. Устройство для электромагнитного перемешивания жидкой сердцевины слитка в кристаллизаторе, содержащее магнитопровод с многофазной обмоткой, концентрические катушки которой попарно расположены в верхней и нижней частях магнитопровода и подключены к двум разным фазам, причем две катушки подключены к одной фазе встречно, а две другие катушки - к другой фазе согласно, отличающееся тем, что упомянутые катушки расположены в пазах магнитопровода, который выполнен Ш-образным с образованием в ярме и зубцах разнонаправленных воздушных зазоров и установлен вокруг кристаллизатора с возможностью его смещения относительно оси кристаллизатора в горизонтальной и вертикальной плоскостях, при этом зубцы магнитопровода обращены к кристаллизатору.

2. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что Ш-образный магнитопровод выполнен из листов электротехнической стали, которые имеют равномерные встречно направленные прорези.

3. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что Ш-образный магнитопровод выполнен из волнообразно изогнутой ферромагнитной проволоки.