МОДУЛИРОВАННОЕ ЭЛЕКТРОМАГНИТНОЕ ПЕРЕМЕШИВАНИЕ МЕТАЛЛОВ НА ПОЗДНЕЙ СТАДИИ ЗАТВЕРДЕВАНИЯ
MODULATED ELECTROMAGNETIC MIXING OF METALS IN LATE STAGES OF CRYSTALLISATION

Область техники, к которой относится изобретение
Настоящее изобретение касается электромагнитного перемешивания и, более конкретно, электромагнитного перемешивания при затвердевании жидких металлов. Изобретение может быть использовано при непрерывном литье стали, сплавов или других металлических расплавов и при других процессах затвердевания этих материалов.
Уровень техники
Электромагнитное перемешивание (ЭМ перемешивание) обычно используется при изготовлении непрерывнолитых заготовок, блюмсов и подобного; при литье различных сплавов; и других процессах литья и обработки жидких металлов. Обычно переменный электрический ток прикладывают к индукционным обмоткам, окружающим расплав. Переменный электрический ток возбуждает непрерывное вращающееся электромагнитное поле переменного тока, которое перемешивает металл с целью изготовления непрерывнолитых заготовок и блюмсов. Например, поле переменного тока может перемешивать расплав в кристаллизаторе машины непрерывного литья на ранней стадии затвердевания.
Вращательное перемешивание расплава в кристаллизаторе создает турбулентность и сдвигающее усилие на границе твердой и жидкой фаз. Это приводит к дроблению дендритов на фронте затвердевания и образованию равноосной затвердевшей структуры, что является наиболее важной целью перемешивания в кристаллизаторе.
Также ЭМ перемешивание может быть использовано для перемешивания незатвердевшей части непрерывнолитого слитка ниже кристаллизатора на поздней стадии затвердевания.
Тем не менее обычное вращательное перемешивание неэффективно на поздней стадии затвердевания расплава, так как любая турбулентность, создаваемая вращательным перемешиванием, по существу ограничена границей раздела твердой и жидкой фаз.
В целях улучшения эффективности вращательного перемешивания в публикациях японских патентов №52-4495 и №53-6932 (Kojima и другие) «Применение улучшенного умеренного перемешивания в блюмовой литейной машине (последняя технология Kosmostir-Magnetogyr)» описано прерывистое и чередующееся вращательное перемешивание. Прерывистое перемешивание достигается благодаря прерывистой подаче электрического тока при питании перемешивающих обмоток. Чередующееся перемешивание достигается благодаря созданию магнитного поля с чередующимся направлением вращения. Тем не менее оказалось, что эффективность прерывистого и чередующегося перемешивания ограничена, так как оно не создает значительной турбулентности в расплаве за пределами границы раздела твердой и жидкой фаз. Кроме того, общее время для перемешивания непрерывнолитых заготовок и блюмсов ограничено 10-40 секундами, в зависимости от размера поперечного сечения литого изделия и соответствующей скорости литья. Этот сравнительно короткий временной промежуток ограничивает как продолжительность, так и количество циклов прерывистого и чередующегося перемешивания. Также чередующееся перемешивание может осуществляться без пауз.
Другие способы ЭМ перемешивания основаны на модуляции магнитного поля при применении электрического тока переменной частоты и/или амплитуды с использованием программируемого источника электроэнергии. Такой способ ЭМ перемешивания описан, например, в патенте США №4852632. Как указано в описании, этот способ может создавать «мягкое» перемешивание благодаря постепенному изменению направления перемешивания, с тем чтобы исключить или ослабить образование негативного разделения на границе емкости для перемешивания в непрерывнолитых блюмсах. Аналогичные способы модуляции магнитного поля описаны в US 2007/0157996 A1 (Н.Branover и другие) и DE 102004017443 (J.Pal и другие). Эти способы модуляции доказали свою эффективность при длительностях модуляции, составляющих примерно 10 секунд, что также ограничивает их применимость при непрерывном литье заготовок и блюмсов.
Соответственно, имеется потребность в новых способах ЭМ перемешивания и устройствах, которые создают большую турбулентность.
Раскрытие изобретения
Согласно настоящему изобретению предложен способ и устройство ЭМ перемешивания, которые создают большую турбулентность в объеме затвердевающего расплава. В частности, с целью получения турбулентного ЭМ перемешивания формируют накладываемое магнитное поле путем суперпозиции (наложения друг на друга) по меньшей мере двух независимых полей различных частот и, таким образом, модуляции поля. Способ и устройство особенно подходят для перемешивания на поздних стадиях затвердевания,
Согласно одному аспекту настоящего изобретения предложен способ электромагнитного перемешивания расплавленного металлического материала. Способ включает в себя следующее: обеспечивают по меньшей мере два устройства перемешивания для создания независимых магнитных полей, вращающихся относительно оси, проходящей через расплавленный материал; причем по меньшей мере первое и второе устройства перемешивания из по меньшей мере двух устройств перемешивания создают независимые вращающиеся магнитные поля с отличающимися угловыми частотами; при этом устройства перемешивания располагают вокруг расплавленного металлического материала настолько близко друг к другу, чтобы независимые вращающиеся магнитные поля накладывались друг на друга с получением модулированного магнитного поля, которое создает турбулентный поток расплавленного металлического материала в области расплавленного металлического материала, в которой температура ниже температуры ликвидуса вдоль центральной оси расплавленного металлического материала и в которой расплавленный металлический материал смешан по меньшей мере примерно с 10% по объему по существу затвердевшего расплавленного металлического материала.
Согласно другому аспекту настоящего изобретения предложено устройство для литья. Устройство для литья содержит кристаллизатор для литья расплавленного металла; первое устройство перемешивания для создания первого вращающегося магнитного поля, вращающегося относительно оси, проходящей через расплавленный металл, указанное устройство перемешивания расположено ниже по потоку относительно кристаллизатора; второе устройство перемешивания для создания второго вращающегося магнитного поля, расположенное ниже по потоку относительно первого устройства перемешивания; по меньшей мере один источник питания для получения первого и второго магнитных полей с отличающимися частотами; при этом первое и второе устройства перемешивания расположены близко друг к другу, так чтобы первое и второе вращающиеся магнитные поля формировали модулированное магнитное поле, которое создает турбулентный поток в расплавленном металлическом материале в области между первым и вторым устройствами перемешивания, с тем чтобы препятствовать формированию кристаллической структуры в этой области.
1
2
1
2
1
2
Согласно еще одному аспекту настоящего изобретения предложен способ электромагнитного перемешивания металлического расплава. Способ включает в себя следующее: обеспечивают первое устройство перемешивания для создания первого вращающегося магнитного поля, которое вращается относительно оси, проходящей через расплав, с угловой частотой ω; обеспечивают второе устройство перемешивания для создания второго вращающегося магнитного поля, которое вращается с угловой частотой ω; причем первое и второе устройства перемешивания располагают настолько близко друг к другу, чтобы первое и второе вращающиеся магнитные поля создавали магнитную силу, имеющую компоненту с частотой (ω-ω) в металлическом расплаве в области между первым и вторым устройством перемешивания, при этом (ω-ω) настолько мало, чтобы магнитная сила превышала инерцию расплава.
Согласно еще одному аспекту настоящего изобретения предложен способ электромагнитного перемешивания расплавленного металлического материала. Способ включает в себя следующее: обеспечивают первое устройство перемешивания для создания первого вращающегося магнитного поля, которое вращается относительно оси, проходящей через расплавленный материал; обеспечивают второе устройство перемешивания для создания второго вращающегося магнитного поля с частотой вращения, отличной от частоты вращения первого вращающегося магнитного поля; первое и второе устройства перемешивания размещают вокруг расплавленного металлического материала настолько близко друг к другу, чтобы первое и второе вращающиеся магнитные поля накладывались друг на друга в области между первым и вторым устройствами перемешивания с получением модулированного магнитного поля, которое создает турбулентный поток расплавленного металлического материала в области перехода расплавленного металлического материала, в которой температура ниже температуры ликвидуса вдоль центральной оси расплавленного металлического материала и в которой расплавленный металлический материал смешан по меньшей мере примерно с 10% по объему по существу затвердевшего расплавленного металлического материала.
Согласно еще одному аспекту настоящего изобретения предложен способ электромагнитного перемешивания расплавленного металлического материала. Способ включает в себя следующее: обеспечивают первое устройство перемешивания для создания первого вращающегося магнитного поля, которое вращается относительно оси, проходящей через расплавленный материал; обеспечивают по меньшей мере одно дополнительное устройство перемешивания для создания одного или более дополнительных вращающихся магнитных полей, частоты вращения которых отличаются от частоты первого вращающегося магнитного поля; первое и дополнительные устройства перемешивания размещают вокруг расплавленного металлического материала так, чтобы вращающиеся магнитные поля, создаваемые соседними устройствами перемешивания из первого и по меньшей мере одного дополнительного устройства перемешивания, накладывались друг на друга с получением модулированного магнитного поля, которое создает турбулентный поток расплавленного металлического материала в области перехода расплавленного металлического материала, в которой температура ниже температуры ликвидуса вдоль центральной оси расплавленного металлического материала, с тем чтобы препятствовать образованию кристаллической структуры в этой области.
Согласно еще одному аспекту настоящего изобретения предложен способ электромагнитного перемешивания металлического расплава с использованием по меньшей мере двух устройств перемешивания: способ включает обеспечение первого устройства перемешивания для создания первого вращающегося магнитного поля, которое вращается относительно оси, проходящей через расплав, с частотой f1, меньшей или равной примерно 60 Гц; обеспечение второго устройства перемешивания для создания второго вращающегося магнитного поля с частотой f2 вращения, отличной от частоты f1 вращения не более чем на 3 Гц; причем первое и второе устройства перемешивания размещают вокруг металлического расплава настолько близко друг к другу, чтобы первое и второе вращающиеся магнитные поля накладывались друг на друга в области между первым и вторым устройствами перемешивания, с тем чтобы препятствовать образованию кристаллической структуры между первым и вторым устройствами перемешивания.
Другие аспекты и свойства настоящего изобретения будут понятны специалисту в рассматриваемой области после прочтения приведенного далее описания конкретных вариантов осуществления изобретения с приложенными фигурами.
Краткое описание чертежей
На фигурах в качестве примеров показаны варианты осуществления настоящего изобретения.
Фиг.1 - вид, показывающий поперечное сечение устройства ЭМ перемешивания для машины непрерывного литья заготовок, представляющего собой пример варианта осуществления настоящего изобретения;
фиг.2 - вид, показывающий поперечное сечение примеров устройств перемешивания из устройства ЭМ перемешивания с фиг.1;
фиг.3 - упрощенный вид в изометрии устройства перемешивания с фиг.1;
фиг.4 - вид, показывающий схематичный профиль затвердевания, иллюстрирующий изолинии твердой фракции части литой заготовки, сформированной машиной для литья с фиг.1 в области перехода жидкая - твердая фаза («квазиравновесная двухфазная зона»);
фиг.5 - вид, показывающий график примера осевых профилей магнитной индукции, созданной двумя соседними устройствами перемешивания устройства ЭМ перемешивания с фиг.1;
фиг.6 - вид, показывающий график модулированной магнитной силы, полученной при наложении двух примерных магнитных полей с одинаковым направлением вращения;
фиг.7 - вид, показывающий график низкочастотной компоненты магнитной силы, полученной при фильтрации силы с фиг.6 за счет инерции расплава;
фиг.8 - вид, показывающий график угловой скорости, полученной при модулированном перемешивании и наложении двух магнитных полей с одинаковым направлением вращения для образцового расплава (например, для ртути);
фиг.9 - вид, показывающий график осевых профилей угловых скоростей перемешивания, полученных при различных режимах перемешивания для образцового расплава;
фиг.10 - вид, показывающий график образцовых угловых скоростей, полученных при модулированном перемешивании со встречными направлениями вращения в образцовом расплаве;
фиг.11 - вид, показывающий график профилей скоростей при перемешивании в точках вдоль центральной оси образцового расплава стали;
фиг.12 - вид, схематически показывающий места в расплаве, в которых путем трехмерного численного моделирования определены осевая скорость перемешивания и турбулентная вязкость с фиг.11;
фиг.13 - вид, показывающий график образцовой турбулентной вязкости в различных местах на центральной оси емкости для перемешивания, полученной при модулированном перемешивании со встречными направлениями вращения; и
фиг.14 - вид, показывающий график образцовой турбулентной вязкости в различных местах на центральной оси емкости для перемешивания при обычном однонаправленном перемешивании.
Осуществление изобретения
На фиг.1 показано поперечное сечение машины 10 непрерывного литья заготовок, содержащей систему 12 ЭМ перемешивания, соответствующую варианту осуществления изобретения. Машина 10 для литья содержит разливочное устройство 14, из которого расплавленный металл, такой как жидкая сталь или подобные металлы, перемещается в кристаллизатор 18 через погружное входное сопло 20. В кристаллизаторе 18 приобретает форму литой слиток 22, имеющий внешнюю корку, окружающую расплав 41. Литой слиток 22 выходит из нижней части кристаллизатора 18.
Образцовая система 12 ЭМ перемешивания обычно содержит по меньшей мере одно электромагнитное устройство 24 перемешивания, расположенное вокруг кристаллизатора 18. Устройство 24 перемешивания может быть расположено внутри корпуса кристаллизатора или может быть расположено в корпусе (не показан), который окружает кристаллизатор. Как будет ясно из дальнейшего, устройство 24 перемешивания предназначено для создания перемешивающего движения в расплаве, который находится внутри кристаллизатора 18 на ранней стадии затвердевания. В показанном варианте осуществления изобретения только одно устройство 24 перемешивания расположено вокруг кристаллизатора 18 для создания вращательного перемешивания расплава, находящегося в кристаллизаторе 18. Устройство 24 перемешивания может быть заменено несколькими (например, двумя) электромагнитными устройствами перемешивания, расположенными вокруг кристаллизатора 18.
Дополнительные по меньшей мере два электромагнитных устройства 26, 28 перемешивания расположены ниже по потоку относительно кристаллизатора 18 вокруг литого слитка 22, причем выбор расположения указанных устройств перемешивания подробно описан далее. Аналогично сказанному выше, устройства 26, 28 перемешивания обычно расположены в корпусе (не показан) вместе.
На некотором расстоянии ниже по потоку относительно кристаллизатора 18 литой слиток 22 продолжает затвердевать, в результате чего толщина корки увеличивается, а центральная часть литого слитка 22 по существу остается незатвердевшей, как показано на фиг.1 и 4. Температура расплава 41 из литого слитка 22 со временем и увеличением расстояния от кристаллизатора 18 постепенно уменьшается и в некоторой точке температура на осевой линии литого слитка 22 станет меньше температуры ликвидуса для конкретного расплавленного материала, подвергающегося литью. Эта точка на осевой линии литого слитка 22 обозначена позицией 48 на фиг.1.
При понижении температуры в расплаве 41 ниже температуры ликвидуса в объеме расплава 41 начинает формироваться твердая фаза, состоящая как из свободно взвешенных кристаллов, так и кристаллической структуры. Смесь жидкой и твердой фаз обычно называется «квазиравновесной двухфазной зоной» расплава 41 и обозначена позицией 30. Область литого слитка 22, включающая в себя затвердевшую корку и квазиравновесную двухфазную зону расплава 41, называется областью перехода литого слитка 22. Образование кристаллической структуры в области 30 обычно приводит к появлению усадочной пористости, щелей, простой макроскопической ликвации и подобным явлениям в литом изделии и, таким образом, может отрицательно влиять на качество литого изделия.
На фиг.4 показано распределение жидкой и твердой фаз вдоль длины литого слитка 22. График показывает твердую фракцию в расплаве 41, изображенную в зависимости от толщины внешней корки. Квазиравновесная двухфазная зона 30 занимает область между жидкой и твердой фазами. Как показано, твердая фракция увеличивается в радиальном направлении от центральной оси литого слитка 22 и вдоль длины литого слитка 22 от границы раздела твердой и жидкой фаз расплава 41.
Обычно турбулентность в области перехода противодействует образованию кристаллической структуры, дробит дендриты на более мелкие фрагменты и обеспечивает однородность расплава 41 в квазиравновесной двухфазной зоне 30, в результате чего по меньшей мере частично получается более качественная, менее пористая и более однородная затвердевшая структура и таким образом улучшается качество литых изделий. Тем не менее, хотя обычное вращательное перемешивание по существу создает турбулентность на границе раздела твердой и жидкой фаз, оно слабо влияет на перемешивание всего расплава 41.
Собственно в изображенном варианте осуществления изобретения дополнительные первое и второе устройства 26, 28 перемешивания расположены вдоль литого слитка 22 в месте, соответствующем квазиравновесной двухфазной зоне 30, В частности, устройства 26, 28 перемешивания могут быть расположены так, чтобы разрушать кристаллы и кристаллическую структуру в квазиравновесной двухфазной зоне 30. В связи с этим устройства 26, 28 перемешивания могут быть расположены в таком месте вдоль длины литого слитка 22, в котором температура вдоль центральной оси расплава 41 ниже температуры ликвидуса и в котором от 10 до 20% по объему расплава 41 по существу затвердело, а оставшиеся от 80 до 90% по объему остаются по существу в жидком состоянии, к которому подмешан затвердевший материал. Объемный процент квазиравновесной двухфазной зоны 30 и ее пространственное распределение в конкретном затвердевающей расплаве 41 вдоль слитка 22 может быть определено числовым моделированием на компьютере с использованием моделей затвердевания. Такое моделирование может быть объединено в некоторых примерах с реальными измерениями основных параметров литья, в том числе скорости литья, интенсивности первичного и вторичного охлаждения и подобных параметров, указанные измерения могут предоставить данные для улучшения точности моделирования.
В показанном варианте осуществления изобретения ниже по потоку относительно разливочного устройства 14 расположено только два устройства 26, 28 перемешивания. Тем не менее специалисту в рассматриваемой области ясно, что для разрушения кристаллов и кристаллической структуры в квазиравновесной двухфазной зоне 30 ниже по потоку относительно разливочного устройства 14 может быть расположено более двух устройств 26,28 перемешивания.
На фиг.2 схематически в увеличенном масштабе показан литой слиток 22 с фиг.1 вблизи первого и второго устройств 26, 28 перемешивания. Как показано, устройства 26, 28 перемешивания могут быть расположены близко друг к другу на заранее заданном расстоянии L вдоль длины литого слитка 22 вокруг зоны 30. Расстояние L может находиться, например, в диапазоне от 10 см до метра. Например, расстояние L может составлять примерно 0,2 м.
Каждое из устройств 26, 28 перемешивания может представлять собой, например, индуктор, содержащий статор 32, выполненный из ферромагнитного или аналогичного материала, возбуждаемого множеством обмоток 36, намотанных вокруг полюсов 34, что показано на фиг.3. Один или несколько управляемых источников (не показаны) переменного тока могут быть соединены с обмотками 36 и предназначены для подачи электрического тока к каждой обмотке 36. Токи, подаваемые на обмотки 36, являются многофазными, при этом токи, подаваемые к противоположным полюсам 34, совпадают по фазе. Токи вызывают возникновение вращающегося магнитного поля в объеме, окруженном статором 32. Удобно, что точные конструкции устройств 26, 28 перемешивания могут быть аналогичными или могут отличаться, при этом каждое устройство 26, 28 перемешивания содержит собственное число пар полюсов, обмоток, имеет свои размеры и источник питания. Например, каждое из устройств 26, 28 перемешивания может содержать три пары полюсов, в качестве альтернативы одно указанное устройство может содержать две пары полюсов, а другие указанные устройства могут содержать три пары полюсов. Специалисту в рассматриваемой области ясны другие комбинации. Аналогично сказанному, длины каждого устройства 26, 28 перемешивания вдоль литого слитка 22 могут отличаться.
При работе на устройство 24 перемешивания подается питание для перемешивания расплавленного материала в кристаллизаторе 18 (фиг.1). На устройства 26, 28 перемешивания также подается питание с целью генерирования вращающегося магнитного поля с общей осью вращения магнитных полей. Эта ось вращения магнитных полей может быть параллельна, но не обязательно совпадает с центральной осью литого слитка 22. В частности, каждая из обмоток 36 (фиг.3) устройств 26, 28 перемешивания питается многофазным переменным током, при этом электрический ток с одной частотой подается от одного или нескольких независимых источников энергии (не показаны), управляются они устройством управления. Такая электрическая схема обеспечивает независимое управление магнитными полями (и таким образом независимыми вращающимися магнитными полями), создаваемыми каждым соответствующим устройством 26, 28 перемешивания. В результате магнитные индукции полей, создаваемых первым и вторым устройствами 26, 28 перемешивания, могут быть одинаковыми или различаться. Различие магнитных индукций может быть постоянным или изменяться во времени.
Направление вращения магнитных полей устройств 26, 28 перемешивания может совпадать, как показано стрелками В и С на фиг.2, или быть противоположными, как показано стрелками А и С. Направление и угловая скорость вращения могут быть выбраны оператором.
Переменные электрические токи, приложенные к обмоткам 36 устройств 26, 28 перемешивания, создают вращающееся электромагнитное поле с частотой в диапазоне примерно от 1 до 60 Гц, в зависимости от области применения перемешивания. Для многих обычных областей применения, таких как непрерывное литье заготовок и блюмсов, могут быть использованы частоты от 5 до 30 Гц. В показанном варианте осуществления изобретения частота поля одного устройства 26 перемешивания отличается от частоты другого устройства 28 перемешивания на определенное заранее заданное значение, что сделано для получения модулированного магнитного поля. Разность частот может изменяться во времени или не зависеть от времени и оставаться постоянной. Диапазон изменения частот может составлять примерно от 0,1 до 3,0 Гц (то есть менее 3,0 Гц). Модулированное магнитное поле, получающееся в результате наложения исходных магнитных полей, создаваемых соответствующими соседними устройствами перемешивания, преобладает (но им все не ограничивается) в области между двумя соседними устройствами 26, 28 перемешивания, указанная область обозначена позицией L на фиг.2. Магнитная сила, создаваемая этими наложенными магнитными полями, является результатом взаимодействия магнитных полей от каждого из устройств 26, 28 перемешивания и токов, индуцированных этими магнитными полями в расплаве 41. Магнитная сила имеет множество составляющих и может создать турбулентность в расплаве 41 в квазиравновесной двухфазной зоне 30.
В частности, магнитная индукция и индуцированный в расплаве 41 ток в основном ограничены областью между соседними устройствами индуктивности и представляют собой векторную сумму соответствующих вкладов каждого индуктора в результате наложения соответствующих магнитных полей, что показано на фиг.5. Магнитная сила в расплаве 41 представляет собой векторное произведение общей магнитной индукции и общей плотности тока: . Так как магнитная индукция и плотность тока состоят из двух составляющих от двух соседних устройств 26, 28 перемешивания, то магнитная сила будет иметь несколько составляющих.
1
2
1
2
1
2
По существу эта сила будет содержать две постоянные составляющие или составляющие постоянного тока и две составляющие с удвоенной частотой. Кроме того, присутствуют две зависящие от времени составляющие, включающие в себя сумму угловых скоростей (ω+ω) исходных магнитных полей, и две зависящие от времени составляющие, включающие разность угловых скоростей, то есть (ω-ω). Из-за инерционности расплава 41 компоненты магнитной силы, соответствующие сумме частот или удвоенной частоте, или вращающий момент оказывают небольшое влияние на поток в расплаве 41. Магнитная сила или вращающий момент компонента с частотой (ω-ω) изменяется во времени достаточно медленно, чтобы преодолеть инертность расплава 41. Так как индуцированный ток в расплаве 41 пропорционален довольно большой угловой частоте исходных магнитных полей, то величина магнитной силы и вращающий момент также будут велики. В то же время низкочастотное изменение во времени, получающееся из-за различия частот двух магнитных полей, будет создавать большие колебания амплитуды модулированной силы, что в свою очередь будет вызывать изменение угловой скорости. Влияние модуляции на скорость перемешивания увеличивается с уменьшением частоты модуляции.
Ясно, что если вокруг квазиравновесной двухфазной зоны 30 расположено более двух устройств перемешивания, то наложение друг на друга множества независимых вращающихся полей от множества устройств перемешивания может создать требующуюся турбулентность.
Хотя магнитная сила будет иметь высокочастотные и низкочастотные компоненты, обычно только низкочастотные компоненты будут оказывать влияние на расплав 41, что объясняется инертностью расплава 41 (что также называется инерционной фильтрацией расплава 41). На фиг.6 и 7 показана магнитная сила, полученная в результате наложения двух магнитных полей с одинаковым направлением вращения. Как показано, амплитуда магнитной силы от модулированного магнитного поля, приходящаяся на единицу, колеблется между 0 и 4, где 1 - это амплитуда немодулированной постоянной силы, связанной с одним из исходных магнитных полей. После фильтрации высокочастотных компонентов модулированной силы инерционностью расплава 41 низкочастотное изменение силы колеблется, например, в диапазоне +/- 20% от средней величины силы, как показано в примере на фиг.7. Перемешивание, создаваемое этой силой, также может характеризоваться большими колебаниями первичного и вторичного потоков. Пример колебаний угловой скорости при перемешивании показан на фиг.8.
1
2
1
2
На фиг.9 показан график, изображающий угловую скорость при перемешивании в различных режимах перемешивания. Профиль скоростей, обозначенный позицией А, получен при перемешивании с помощью двух аналогичных магнитных полей с одинаковым направлением вращения. Профиль скоростей, обозначенный позицией В, получен при условиях перемешивания аналогичных А за исключением того, что частота соответствующих магнитных полей отличается на 0,5 Гц, то есть f=18,0 Гц и f=17,5 Гц. Профиль скоростей, обозначенный позицией С, получен при перемешивании с помощью двух магнитных полей с противоположным направлением вращения. Частоты соответствующих магнитных полей с встречными направлениями вращения: f=18,0 Гц и f=17,5 Гц. Стрелки под профилем С скоростей обозначают перемешивающее движение со встречным направлением вращения в емкости для перемешивания.
Как показано на фиг.9, в случае использования полей с противоположными направлениями вращения угловая скорость при перемешивании с встречными направлениями вращения, обозначенная позицией С, может быть значительно снижена по сравнению со скоростью потока для однонаправленного перемешивания, создаваемого магнитными полями одинаковой частоты (помечено позицией А) или различных частот, как в случае, обозначенном позицией В. Уменьшенная скорость перемешивания не оказывает отрицательного влияния на перемешивание, так как кинетическая энергия потока преобразуется в турбулентность. Потоки при перемешивании с встречными направлениями вращения сталкиваются в области между устройствами 26, 28 перемешивания, в результате чего возникают большие градиенты угловой скорости, а именно скорость в одном направлении резко уменьшается, после чего происходит аналогичное быстрое восстановление скорости с противоположным направлением, как показано на фиг.9. Этот колебательный характер компонентов угловой и аксиально-радиальной скорости показывает интенсивность турбулентности. Далее на фиг.10 показан пример колебаний угловой скорости, измеренных в столбе ртути в случае индуцированного перемешивания с встречными направлениями вращения. Большие изменения колебания вызваны объединенным действием модулированного магнитного поля и перемешивающихся потоков с противоположным направлением вращения, создаваемых соседними устройствами 26, 28 перемешивания, их магнитными полями с встречным вращением.
2
2
На фиг.11 показана скорость в направлении центральной оси, имеющая вид колебаний и полученная в ходе трехмерного числового моделирования для образцового расплава стали. Показанные профили скорости соответствуют точкам в расплаве 41, обозначенным на фиг.12. Известно, что большие колебания скорости соответствуют потоку с большой турбулентностью, который создан ЭМ перемешиванием в расплаве 41. Интенсивность турбулентности количественно можно описать турбулентной вязкостью. На фиг.13 и 14 показаны образцовые турбулентные вязкости в различных местах емкости для перемешивания. На фиг.13 показана турбулентная вязкость в центре емкости для перемешивания, в точках, изображенных на фиг.12. Как показано на фиг.13, наибольшая интенсивность турбулентности имеет место в середине между соседними индукторами (точка III на фиг.12). Для сравнения на фиг.14 показана интенсивность турбулентности в той же точке емкости для перемешивания, при этом перемешивание является обычным перемешиванием с однонаправленным вращением. Как показано, для образцового расплава турбулентность, полученная при перемешивании с встречным направлением вращения, до 5 раз больше, при этом пиковые значения турбулентной вязкости превосходят 2 Нс/м и часто превосходят 2,5 Нс/м.
В качестве альтернативы применению электромагнитных полей с одинаковым направлением вращения в устройствах 26, 28 перемешивания могут быть созданы магнитные поля с встречным направлением вращения. Магнитные поля с встречным направлением вращения, созданные устройствами 26, 28 перемешивания, будут возбуждать потоки с встречным направлением вращения внутри расплава 41 в зоне 30, при этом указанные потоки будут сталкиваться в области между соседними устройствами 26, 28 перемешивания. В результате этого столкновения потоков за резким уменьшением скорости в одном направлении вращения будет следовать аналогичное резкое увеличение скорости в противоположном направлении. Кроме того, угловая скорость также испытывает сильные колебания. Обе эти первичные характеристики потока, то есть градиенты скорости и колебания скорости, вносят вклад в создание рециркуляционных потоков с сильными колебаниями в осевой плоскости. Численное моделирование подтверждает наличие потоков в расплаве 41, в частности в точках, показанных на фиг.12. Возникает сильная турбулентность и сдвигающее напряжение, особенно вдоль осевого и радиального направлений литого слитка 22, особенно внутри расплава 41 в области между соседними устройствами 26, 28 перемешивания.
Дополнительная турбулентность в области между соседними устройствами 26, 28 перемешивания может создаваться электромагнитными силами, появившимися благодаря суперпозиции магнитных полей с встречным направлением вращения и с различными частотами. Замечено, что низкочастотные магнитные силы из-за модуляции магнитного поля создают возмущения в расплаве 41, которые могут стать особенно значимыми, если их частоты попадают в диапазон собственных частот колебаний расплава, что может иметь место, например, при параметрическом резонансе расплава. Кроме того, другие параметры модуляции, такие как амплитуда электрического тока и изменение угла сдвига фаз, могут дополнительно усилить модулированные силы по сравнению с немодулированными усредненными по времени магнитными силами и, следовательно, увеличить интенсивность турбулентности и ее влияние на улучшение качества затвердевающей структуры. Близко расположенные устройства 26, 28 перемешивания обеспечивают создание сильно модулированных магнитных сил, полученных в результате суперпозиции магнитных полей с одинаковым или противоположным направлением вращения, при этом указанные магнитные поля создаются оборудованием обычной конструкции, то есть индукторами и источниками питания.
Увеличение турбулентности в расплаве 41 будет приводить к эффективному разрушению кристаллической структуры и смешиванию кристаллов вдоль центральной области расплава, содержащей большую долю жидкой фазы, с оставшимся материалом. В результате будет улучшена затвердевающая структура и общее качество отлитых изделий.
Теперь ясно, что хотя показана система 12 ЭМ перемешивания, содержащая два устройства 26 и 28 ЭМ перемешивания, расположенных так, чтобы создавать модулированное магнитное поле, такое поле может быть создано тремя или большим количеством устройств перемешивания, создающих наложенные вращающиеся магнитные поля.
Понятно, что модулированное электромагнитное перемешивание (примером являются варианты осуществления настоящего изобретения) может быть использовано в большинстве процессов литья, когда размеры и геометрия литого изделия позволяют создавать вращающийся поток в затвердевающем расплаве. В случае стационарного корпуса система модулированного электромагнитного перемешивания может вначале создавать однонаправленные магнитные поля и, следовательно, однонаправленный вращающийся вихревой поток на ранней стадии затвердевания. В заранее заданный момент времени система перемешивания может быть переключена в режим перемешивания с встречным направлением вращения с целью создания турбулентности на поздней стадии затвердевания. Такое модулированное перемешивание также может быть полезным в некоторых процессах реолитья.
Конечно, описанные выше варианты осуществления изобретения предназначены только для иллюстрации и не ограничивают изобретение. Описанные варианты осуществления изобретения могут быть изменены с точки зрения формы, расположения частей, деталей и порядка работы. Тем не менее все такие модификации находятся в рамках объема изобретения, определенного в формуле изобретения.