СПОСОБ ЭЛЕКТРОМАГНИТНОГО ПЕРЕМЕШИВАНИЯ ДЛЯ НЕПРЕРЫВНОГО ЛИТЬЯ МЕТАЛЛИЧЕСКИХ ИЗДЕЛИЙ УДЛИНЕННОГО СЕЧЕНИЯ
METHOD OF ELECTRO-MAGNETIC MIXING FOR CONTINUOUS CASTING OF METALLIC ITEMS OF ELONGATED SECTION

Настоящее изобретение относится к непрерывной разливке металлов, в частности стали. Конкретнее, оно относится к электромагнитному перемешиванию в изделиях с удлиненным поперечным сечением во время литья, а более конкретно к установлению внутри той части металла, которая еще находится в жидком состоянии, особого распределения течений при помощи прилагаемых электромагнитных полей.
Следует отметить, что «изделиями с удлиненным поперечным сечением» называют металлургические изделия (продукты), ширина которых по меньшей мере в два раза больше толщины, в частности слябы, небольшие слябы, тонкие слябы и т.д.
Появившись в области непрерывного литья стали в начале семидесятых годов, электромагнитное перемешивание быстро утвердилось в качестве практически единственного инструмента для управления течениями в лунках жидкого металла во время затвердевания. Следует отметить, что наиболее распространенным принципом является принцип, хорошо известный под названием магнитогидродинамики (МГД), согласно которому с помощью подвижного (вращающегося или скользящего) магнитного поля, создаваемого одним или чаще несколькими многофазными индукторами, располагаемыми в непосредственной близости от отливаемого изделия, жидкий метал приводится в движение этим полем. Соответственно, установленные по металлургической длине литейной машины эти индукторы, на которые подается электрический ток регулируемой частоты, позволяют получить различные режимы перемешивания, приспосабливаемые к потребностям металлурга.
Кроме того, последние достижения в понимании механизмов затвердевания металла во время непрерывного литья доказали важность циркуляционных перемещений жидкого металла в обеспечении качества в целом (то есть доброкачественности внутренних зон, чистоты поверхности или чистоты по неметаллургическим включениям, структуры кристаллизации и т.д.) полученного затвердевшего изделия.
В этой связи перемещения, которые сообщаются расплавленному металлу во время непрерывного литья, можно схематически подразделить на две отдельные категории в зависимости от того, рассматриваются ли они на уровне кристаллизатора или ниже, на уровне ступеней вторичного охлаждения литейной машины.
Перемещения, сообщаемые жидкому металлу внутри кристаллизатора, т.е. там, где доля жидкого металла является преобладающей, предназначены по существу для управления течениями в этом чувствительном месте. Именно здесь находится открытая поверхность разливаемого металла, внутренняя бездефектность которого, например, во многом зависит от геометрической формы этой поверхности. И именно здесь, в частности, формируется первый затвердевающий слой, который, как известно, имеет первостепенное значение как для качества поверхности получаемого отливаемого изделия, так и для управления самим процессом литья.
В связи с этим путем перемешивания металла в жидкой лунке под кристаллизатором, то есть в зоне вторичного охлаждения (часто называемой просто «вторичной зоной»), стремятся улучшить внутреннюю металлургическую структуру изделия за счет максимально обширного развития кристаллизации равноосного типа, что, как известно, способствует как микроликвации легирующих элементов, так и устранению внутренней пористости отливаемого изделия. Таким образом, к электромагнитному перемешиванию прибегают все чаще тогда, когда речь идет о получении изделий, для которых доброкачественность внутренних зон и отсутствие пористости являются первостепенными требованиями, таких как толстые листы, предназначенные, например, для изготовления котлов или сварных труб большого диаметра.
Для лучшего понимания настоящего изобретения, которое будет изложено ниже, приведем схему, показанную на прилагаемой к настоящему описанию фиг.3 и взятую из документа FR 72.20546, из которой видно, что в зоне вторичного охлаждения машины для непрерывного литья слябов устанавливают линейные индукторы 41, 41', расположенные друг против друга по обе стороны от больших боковых сторон отливаемого изделия и создающие магнитные поля, скользящие в поперечном направлении по ширине изделия. Благодаря этому внутри жидкого металла возникают течения, которые в основном развиваются по двум смежным петлям, вращающимся в противоположных направлениях. Эти петли 42, 43 образуются параллельно большим боковым сторонам и располагаются по высоте отливаемого изделия по обе стороны от общей поперечной активной рабочей зоны магнитного поля, при этом потоки в каждой петле поднимаются вдоль малой боковой стороны и опускаются вдоль противоположной малой боковой стороны. Такую конфигурацию перемещения обычно называют «конфигурацией крыльев бабочки».
Как показано на прилагаемой фиг.4, взятой из документа FR 82.10844, количество зон 51, 52 поперечного активного действия магнитных полей можно увеличить по длине литейной машины. В этом случае получают попарно противоположное направление вращения двух соседних петель и за счет этого увеличивают объем перемешиваемого металла при заданной обеспечиваемой мощности перемешивания. Таким образом получают топологию перемещений, называемую «конфигурацией тройного нуля» и представляющую собой три смежные петли, вращающиеся попарно в противоположном направлении: центральную петлю 60, находящуюся между двумя поперечными рабочими зонами 51 и 52, и две наружные петли 61 и 62, находящиеся по обе стороны от центральной петли и вращающиеся в одном направлении.
Независимо от выбранного варианта, его можно осуществлять как с использованием индукторов, расположенных за опорными валками зоны вторичного охлаждения литейной машины, так и между этими валками (FR 72.20547), или установленных внутри валков (FR 72.20546). Это же, кстати, относится и к средствам реализации настоящего изобретения, которые будут описаны ниже.
Очевидно, что в историческом плане открытие перемещений такого типа, основанного на рециркуляции металла в виде петель, образующихся в плоскости, параллельной большим боковым сторонам сляба, было вызвано тем, что, в отличие от длинномерных изделий, при непрерывном литье плоских изделий удлиненная форма поперечного сечения изделия не способствует установлению стабильного вращательного перемещения вокруг оси литья. Причиной этого, по всей видимости, являются значительные градиенты скорости, которые необходимо создавать в толщине изделия, которая даже для самых толстых изделий не превышает двадцати сантиметров.
Конфигурация в виде смежных петель того типа, который показан на фиг.3 и 4, образующихся по металлургической длине параллельно большим боковым сторонам изделия, как раз не страдает таким недостатком. Кроме того, она обеспечивает лучший тепловой обмен между верхней и нижней частью литейной машины. Более горячий расплавленный металл из верхней части за счет принудительной конвекции опускается вниз нисходящими потоками 42а и 43а, тогда как восходящие потоки 42b и 43b привносят в верхнюю часть кристаллиты затвердевшего металла, захватываемые в нижней части, способствуя, таким образом, раннему развитию кристаллизации равноосного типа, широкой и равномерной от периферии к центру отливаемого изделия. Однако эти петли 42, 43 нельзя слишком сильно активизировать в сторону верхней части, как того хотелось бы, поскольку это может нарушить открытую поверхность металла в кристаллизаторе. Действительно, в настоящее время известно, насколько сохранение хрупкого гидродинамического равновесия течений в кристаллизаторе, превалирующих на этом уровне, необходимо для обеспечения качества поверхности, верхнего слоя и внутренних зон отливаемого изделия.
В наши дни получила практически всеобщее распространение подача разливаемого металла в верхнюю часть кристаллизатора при помощи погружного разливочного стакана с боковыми выходными каналами, открывающимися напротив малых стенок кристаллизатора, вместо разливки из прямого разливочного стакана с единственным осевым выходным каналом, который теперь используют только для литья длинномерных изделий. Главное преимущество в плане формирования течений в кристаллизаторе состоит в том, что, как схематично показано на фиг.1, за счет явления отскока от малых концевых стенок кристаллизатора струя горячего жидкого металла, выходящая из каждого бокового канала 27, 27' разливочного стакана 26, естественным образом разделяется на две части. Основная часть 21 направляется вниз в сторону извлечения отлитого изделия. Другая, отраженная часть 22, направляется вверх, обеспечивая вблизи открытой поверхности 23 металла в кристаллизаторе энтальпию, необходимую для предупреждения явлений застывания разливаемого металла на уровне мениска, которые часто приводят к нежелательному прерыванию литья. Таким образом, в кристаллизаторе реализуют режим циркуляции, называемый «двойной петлей» в противоположность режиму «простой петли».
Этот вариант, показанный на фиг.7, прежде всего характеризуется явлением подъема металла в сторону мениска сразу же после его выхода из каналов разливочного стакана, что часто достигается предупреждающим закупоривание вдуванием в разливочный стакан аргона из находящегося сверху распределителя (промежуточного ковша непрерывной разливки). Этот немедленный подъем вверх затем продолжается поверхностным потоком в направлении каждой малой боковой стороны и опусканием вдоль этой стороны. Таким образом, в кристаллизаторе довольно быстро устанавливается картина распределения скоростей, в общем направленных вниз в сторону извлечения изделия, при отсутствии верхней петли 22, доставляющей «горячий» металл к мениску.
Однако стабильный режим «двойной петли» может быть достигнут в кристаллизаторе только при соблюдении в нем соответствующих условий (скорость разливки, ширина сляба, глубина погружения разливочного стакана, расход вдуваемого для предупреждения закупоривания аргона и т.д.). Во время самого процесса литья могут возникнуть непредвиденные переходы в режим «простой петли», если эти условия меняются, что, как правило, чаще всего и происходит.
Кроме того, существенный аспект в плане управления течениями в режиме «двойной петли» в кристаллизаторе состоит в сохранении внутри кристаллизатора «право-левой» симметрии перемещений рециркуляции к мениску по обе стороны от разливочного стакана. Действительно, известно, что появление асимметрии на этом уровне является причиной явления колебаний ванны жидкого металла, которые могут привести к нежелательному явлению боковой качки на поверхности, хорошо известному операторам, работающим на разливочной площадке. Это значит, что необходимо следить за тем, чтобы потоки 22, 22' частичной рециркуляции вверх были прежде всего стабилизированы во времени для предупреждения появления «лево-правой» асимметрии. Эти восходящие потоки, будучи достаточно эффективными в термическом плане для подачи к мениску необходимого количества калорий, вместе с тем не должны быть слишком сильными с точки зрения гидродинамики с тем, чтобы избежать слишком сильного нарушения линии 25 первичного затвердевания, которая образуется по краю мениска рядом с охлаждаемой медной стенкой кристаллизатора. Равномерность этой линии первичного затвердевания является залогом однородности формирования первого затвердевающего слоя в верхней части кристаллизатора, без чего возникает опасность неизбежных прорывов под кристаллизатором при провисании за счет включений шлака или локального уменьшения толщины затвердевшего слоя.
Проще говоря, при разливке из погружного разливочного стакана с боковыми отверстиями во время одной и той же разливки случайно или, во всяком случае, непроизвольно в кристаллизаторе можно получить течения типа «двойной петли» или типа «простой петли», либо течения, неустойчивые из-за «лево-правой» асимметрии.
1
2
Именно в силу указанных трудностей управления течениями в верхней части машин для непрерывного литья заготовок (МНЛЗ) в последнее время стали появляться системы электромагнитного перемешивания, воздействующие в кристаллизаторе уже на боковые струи, выходящие из разливочного стакана. Как видно из схем, показанных на фиг.2а и 2b, взятых из документа JP 1.534.702, магнитные поля, движущиеся горизонтально, создаются многофазными линейными индукторами 30а, 30b и 30'a, 30'b, установленными по большим боковым сторонам кристаллизатора 32 напротив траектории выхода струй металла с двух сторон разливочного стакана 31. В зависимости от регулирования направления скольжения полей можно замедлять течение рассматриваемой струи (противоточное скольжение полей от малой стенки к разливочному стакану - фиг.2b) или, наоборот, ускорять (скольжение в совпадающем направлении от разливочного стакана к малой стенке - фиг.2b). Это позволяет в принципе регулировать подвод энтальпии в направлении поверхности разливаемого металла, например, в зависимости от условий разливки, существенно не нарушая режима течения в кристаллизаторе, сохранение которого является приоритетным.
Таким образом, из представленного выше краткого изложения известных технических решений очевидно разграничение и даже противоречие, существующее при литье изделий удлиненного поперечного сечения, с одной стороны, между перемешиванием металла в кристаллизаторе и, с другой стороны, перемешиванием в зоне вторичного охлаждения.
Задачей настоящего изобретения является устранение этого недостатка. Говоря другими словами, в применении к непрерывному литью изделий удлиненного поперечного сечения, в частности слябов, изобретение имеет своей целью, за счет общего рассматриваемого перемещения перемешивания расплавленного металла по металлургической длине, обеспечить хороший обмен металлом, еще находящимся в жидком состоянии, в двух направлениях между зоной вторичного охлаждения и кристаллизатором. Таким образом можно добиться как термической, так и химической однородности между верхней и нижней частью лунки жидкого металла, не нарушая режима течения в кристаллизаторе и, если это необходимо, не отказываясь при этом от преимуществ, проявляющихся в целом при перемешивании в кристаллизаторе и перемешивании в зоне вторичного охлаждения соответственно.
Дополнительной задачей настоящего изобретения является улучшение металлургического качества в случае тех марок стали, для которых необходимо соблюдать доброкачественность внутренних зон, таких как марки стали для толстых листов или для сварных труб большого диаметра, ферритные нержавеющие стали или кремнистые электротехнические стали.
Еще одна дополнительная задача настоящего изобретения состоит в обеспечении возможности воздействовать на течения во вторичной зоне для их использования на уровне струй, выходящих из разливочного стакана, либо в качестве агента-ускорителя, либо, наоборот, агента-замедлителя металла, поступающего в кристаллизатор, либо в качестве средства для противодействия любому проявлению «лево-правой» асимметрии перемещений металла внутри кристаллизатора.
С учетом этих задач, объектом настоящего изобретения является способ электромагнитного перемешивания в зоне вторичного охлаждения установки непрерывного литья слябов или других аналогичных изделий удлиненного поперечного сечения, кристаллизатор которой оборудован погружным разливочным стаканом с боковыми выходными каналами, направленными к малым боковым сторонам, осуществляемый при помощи скользящих магнитных полей, создаваемых многофазными индукторами, установленными вблизи разливаемого металла, отличающийся тем, что в упомянутой зоне вторичного охлаждения принудительно создают продольное течение жидкого металла, локализованное в срединной области отливаемого изделия сообразно двум противоположным коллинеарным потокам.
При этом естественным образом во вторичной зоне устанавливается общая циркуляция жидкого металла, которая организуется в виде «четырехлистника» с двумя верхними лепестками и двумя нижними лепестками, и при этом два верхних лепестка доходят в кристаллизаторе до уровня струй, выходящих из каналов разливочного стакана.
Согласно одному варианту, два противоположных продольных коллинеарных потока в срединной части изделия создают удаляющимися друг от друга таким образом, чтобы два верхних лепестка, доходящие в кристаллизаторе до уровня струй, выходящих из каналов разливочного стакана, совпадали с ними в виде прямотока для их ускорения.
Согласно другому варианту, два противоположных продольных коллинеарных потока в срединной части изделия создают сходящимися друг к другу таким образом, чтобы два верхних лепестка, доходящие в кристаллизаторе до уровня струй, выходящих из каналов разливочного стакана, накладывались на них противотоком для их замедления.
Согласно одному конкретному варианту осуществления способа, локализацию продольного течения во вторичной зоне смещают вбок к одной или другой малой стенке отливаемого изделия с тем, чтобы противостоять появлению «лево-правой» асимметрии в перемещениях металла внутри кристаллизатора.
Согласно другому варианту осуществления, продольное течение металла в срединной области отливаемого изделия сообразно двум противоположным коллинеарным потокам создают при помощи подвижных коллинеарных магнитных полей, скользящих продольно в упомянутой срединной области, либо приближаясь друг к другу, либо удаляясь друг от друга.
Согласно предпочтительному варианту осуществления, продольное течение металла в срединной области отливаемого изделия сообразно двум противоположным коллинеарным потокам создают при помощи подвижных коллинеарных магнитных полей, скользящих поперек по ширине отливаемого изделия, либо приближаясь друг к другу от края к центру отливаемого изделия, либо удаляясь друг от друга от центра к краю отливаемого изделия.
Согласно другому предпочтительному варианту осуществления, скользящие магнитные поля создают при помощи многофазных линейных индукторов, которые располагают напротив больших боковых сторон отливаемого изделия.
В подварианте индукторы запитывают электрическими токами с разными силами тока с тем, чтобы дифференцированно регулировать воздействие на два противоположных коллинеарных потока металла, создаваемых скользящими магнитными полями, генерируемыми этими индукторами.
Под «коллинеарным» скольжением полей или потоков металла следует понимать, что магнитные поля и соответственно потоки металла движутся не параллельно друг другу, а по одной линии, наподобие коллинеарных векторов по сравнению с параллельными векторами.
Как будет показано ниже, настоящее изобретение по своим основополагающим принципам состоит в создании в зоне вторичного охлаждения крестообразного перемешивания с двумя поперечными ветвями и двумя продольными ветвями. Поперечные (или горизонтальные, если смотреть по отношению к вертикальной оси литья) ветви распространяются по ширине отливаемого изделия, а две продольные (или вертикальные) ветви распространяются в срединной (чаще всего осевой) области отливаемого изделия.
Именно формирование во вторичной зоне такого «креста» перемешивания, который, вследствие возникающих течений рециркуляции в виде четырехлистника внутри жидкой лунки, приводит к образованию общей конфигурации перемещений, затрагивающей также область кристаллизатора и позволяющей решить вышеупомянутые задачи, поставленные перед изобретением.
Настоящее изобретение и его другие аспекты будут более очевидны из нижеследующего описания, которое приведено со ссылками на прилагаемые чертежи, на которых:
Фиг.1-4 иллюстрируют известный уровень техники, уже рассматривавшийся выше.
В частности, фиг.1 - классическая схема, показывающая в центральном вертикальном разрезе, параллельном большим стенкам кристаллизатора, известную картину распределения перемещений циркуляции жидкого металла, поступающего в кристаллизатор непрерывного литья слябов через погружной разливочный стакан, снабженный боковыми выходными каналами, открывающимися в сторону малых боковых стенок.
1
2
2
1
Фиг.2а, 2b и 2b- схемы согласно двум видам (вид в перспективе слева и вид в разрезе справа) известных режимов электромагнитного перемешивания в кристаллизаторе для непрерывного литья слябов, снабженном погружным разливочным стаканом с боковыми выходными каналами (см. фиг.1) при помощи многофазных линейных индукторов, расположенных по обе стороны от разливочного стакана на каждой большой стенке и создающих магнитные поля, скользящие горизонтально в противоположных друг другу направлениях по одной стенке либо в том же направлении, что и выходящая струя металла, на которую они действуют (фиг.2b), либо в противоположном направлении (фиг.2b и 2а).
Фиг.3 - упрощенная схема, показывающая в перспективе сляб в ходе непрерывного литья в зоне вторичного охлаждения литейной машины. Эта зона снабжена парой линейных индукторов, расположенных друг против друга с каждой стороны изделия по его ширине и создающих скользящее горизонтально магнитное поле таким образом, чтобы реализовать режим электромагнитного перемешивания в виде «крыльев бабочки», известный, например, из упомянутого документа FR 72.20546.
Фиг.4 - схема, аналогичная схеме, показанной на фиг.3, но показывающая режим электромагнитного перемешивания в виде «тройной петли», который реализуется, например, согласно вышеупомянутому документу FR 82.10844.
Фиг.5-9 относятся к настоящему изобретению.
В частности, фиг.5 - общая схема в осевом вертикальном разрезе, параллельном большим стенкам кристаллизатора для непрерывного литья слябов, оборудованного погружным разливочным стаканом с боковыми выходными каналами, открывающимися в сторону малых боковых стенок, показывающая принцип общего перемешивания в виде четырехлистника в зоне вторичного охлаждения согласно одному из двух вариантов осуществления настоящего изобретения, в котором противоположные продольные потоки удаляются друг от друга, и картину распределения перемещений циркуляции жидкого металла, получаемую внутри этой зоны непосредственно под кристаллизатором.
Фиг.6 - схема, аналогичная показанной на фиг.5, но в этом случае для режима течения в кристаллизаторе не в виде «двойной петли», а в виде «простой петли».
Фиг.7а - схема, которая на основе воспроизведения фиг.5 показывает средство реализации перемешивания в виде четырехлистника при помощи линейных индукторов с горизонтально скользящим магнитным полем.
Фиг.7b - схема, аналогичная фиг.7а, показывающая другой вариант реализации данного варианта осуществления настоящего изобретения при помощи линейных индукторов с вертикально скользящим магнитным полем.
Фиг.8 - схема, которая на основе воспроизведения фиг.5 показывает предпочтительный вариант осуществления настоящего изобретения, в котором в кристаллизаторе создается дополнительная циркуляция в режиме «двойной петли» при помощи линейных индукторов с горизонтально скользящим магнитным полем, непосредственно воздействующим на струи металла, выходящие из каналов разливочного стакана.
Фиг.9 - другой подвариант того варианта осуществления настоящего изобретения, который заключается в создании противоположных продольных течений в срединной части отливаемого изделия, но не расходящихся, а сходящихся.
Напомним, что фиг.1-4 были использованы в начале данного описания для изложения известного уровня техники. Поэтому в дальнейшем они рассматриваться не будут.
На фиг.5-9 показан режим перемешивания во вторичной зоне в соответствии с настоящим изобретением в двух его вариантах (расходящиеся и сходящиеся в центре течения), при котором скользящие магнитные поля, как и создающие их линейные индукторы, показаны толстыми вертикальными или горизонтальными стрелками. Создаваемые конвекционные перемещения показаны их главными траекториями в виде линий со стрелками на концах, указывающими на направление циркуляции перемещения по несущей траектории. Сплошными линиями показаны активные конвекционные зоны, то есть зоны циркуляции, находящиеся под действием скользящих магнитных полей. Пунктирными линиями показаны пассивные конвекционные зоны, то есть зоны рециркуляции, которые обязательно дополняют предыдущие зоны для замыкания петлеобразных перемещений.
На этих фигурах одинаковые элементы обозначены идентичными позициями. В случае необходимости, чтобы не загромождать некоторые фигуры, периодически повторяющиеся позиции не нанесены с тем, чтобы более четко показать основные элементы на этих фигурах.
На каждой из этих фигур показан кристаллизатор 1 для непрерывного литья слябов, под которым находится зона 2 вторичного охлаждения литейной машины, в данном случае произвольно показанной без опорных валков, чтобы не загромождать чертеж. Поскольку изображение представлено в плоскости, параллельной большим стенкам кристаллизатора, то видны только малые боковые стенки 3 и 3', которые определяют малые боковые стороны 18, 18' отливаемого изделия 6. Поскольку большие боковые стороны находятся в плоскости фигур, они позициями на фигурах не обозначены. Кроме того, для большей ясности позицией 6 обозначен как сам отливаемый сляб, так и его не закристаллизовавшаяся жидкая сердцевина, называемая обычно «лункой затвердевания».
Погружной разливочный стакан 4, центрированный по оси А литья (в данном случае, как известно, совпадающей с продольной осью отливаемого изделия), питает кристаллизатор расплавленным металлом, поступающим сверху из распределителя (промежуточного ковша непрерывной разливки), не показанного на фигурах. Этот разливочный стакан снабжен боковыми выходными каналами 5 и 5', каждый из которых обращен соответственно в сторону одной из малых стенок 3 и 3'. Формат отливаемого изделия определяется внутренними размерами кристаллизатора, ограничивающими литейное пространство, в которое поступает расплавленный металл в виде струй 7, 7', выходящих из каналов разливочного стакана 4, в классическом случае - в направлении, в среднем более или менее горизонтальном или с небольшим наклоном вниз. Таким образом, отливаемое изделие формируется постепенно сверху от уровня мениска 8 вниз в направлении извлечения из литейной машины по вертикали или по изогнутой траектории в плоскости, перпендикулярной к плоскости фигуры, со скоростью извлечения (скоростью литья), обычно составляющей порядка метра в минуту. Во время формирования оно постепенно затвердевает и кристаллизуется от своей периферии к центру за счет удаления внутреннего тепла, сначала в кристаллизаторе 1 при контакте с охлаждаемыми медными стенками, а затем в зоне 2 вторичного охлаждения под действием трубчатых оросителей водой.
Следует напомнить, что металлургическую длину (или глубину лунки затвердевания) классически определяют как разность отметок по вертикали между уровнем свободной поверхности разливаемого металла в кристаллизаторе (или мениска) и уровнем дна лунки затвердевания внизу зоны вторичного охлаждения, т.е. там, где встречаются фронты конечной кристаллизации, каждый из которых распространяется по каждой из больших боковых сторон отливаемого изделия по мере протекания затвердевания.
Примерно в 3 или 4 м под мениском 8, то есть внутри зоны 2 вторичного охлаждения, на продольной оси изделия (совпадающей с осью А литья) произвольно отмечают точку Р, которую принимают за центр крестообразного перемешивания 9 в соответствии с настоящим изобретением. Этот «крест» 9 представляет собой крест с четырьмя ветвями, попарно коллинеарными друг с другом: две продольные ветви (в данном случае вертикальные) 10а, 10b, образующие пару, выровненную по оси А литья, и две поперечные ветви (в данном случае горизонтальные) 11а, 11b, образующие пару, распространяющуюся по ширине отливаемого изделия. В каждой из двух ветвей одной и той же пары металл циркулирует в попарно противоположных направлениях. Кроме того, циркуляция металла в одной паре противоположна циркуляции в другой паре.
В силу обязательного «законченного» характера размерности отливаемого изделия эти ветви, как видно из фигуры, в некотором роде соединены между собой рециркуляционными петлями с образованием общего течения в виде четырехлистника с лепестками L1, L2, L3, L4, из которых два верхних лепестка L1 и L4 доходят до кристаллизатора на уровне выходных струй 7 и 7'.
Таким образом, согласно режиму перемешивания, показанному на фиг.5-8, вертикальная пара ветвей представляет собой конвекцию «расходящегося» типа. Потоки металла удаляются друг от друга, начиная от центра Р. Один поток 10а течет в сторону кристаллизатора 1, находящегося сверху, а другой поток 10b течет вниз в сторону извлечения отливаемого изделия в направлении места закрывания лунки затвердевания. В горизонтальной паре 11а, 11b конвекция металла является, таким образом, «сходящейся»: металлические потоки текут друг к другу в направлении центра Р слияния, циркулируя от малых боковых сторон изделия к продольной оси А.
Как уже было указано, металлические потоки, образующие эти ветви, создаются скользящими магнитными полями, которые, в свою очередь, генерируются линейными индукторами, расположенными в непосредственной близости от отливаемого изделия напротив его больших боковых сторон (предпочтительно - напротив обеих боковых сторон). Разумеется, нет необходимости в том, чтобы обе пары ветвей активизировались магнитными полями одновременно. Активизироваться может только одна из них, например, вертикальная пара ветвей 10а, 10b, тогда как другая пара 11а, 11b естественным образом становится местом рециркуляции в качестве реакции на это, так как центр Р работает как узел прохождения потоков, который обеспечивает поддержание массовых расходов и количеств движения, и наоборот.
Зато, согласно же этому первому режиму перемешивания в соответствии с настоящим изобретением, важно, чтобы вертикальные ветви 10а и 10b были растекающимися, как показано на фиг.5-8. В верхних лепестках L1 и L4, находящихся ближе к кристаллизатору, металл поднимается к центру и опускается вдоль малых боковых сторон, тогда как в нижних лепестках L2 и L3 все происходит наоборот.
Таким образом, в данных условиях применение изобретения способствует максимальному обмену металлического материала между нижней и верхней частями жидкой лунки. С одной стороны, фактически циркуляция металла в виде петли в любом лепестке происходит в направлении вращения, противоположном направлению, установившемуся в двух ближайших соседних лепестках. С другой стороны, поскольку напор разливочных струй 7 и 7' систематически усиливается центральным потоком 10а, поднимающимся противотоком, то и петли L5 и L6 рециркуляции в кристаллизаторе в сторону мениска 8, в свою очередь, оказываются усиленными. Следовательно, режим «двойной петли» L5, L1, L4 и L6 внутри кристаллизатора стабилизируется еще больше.
Таким образом, становится понятно, что любой элемент жидкого металла (мысленно выделенный в произвольном месте металлургической длины) будет иметь повышенную вероятность оказаться, будучи захваченным последовательными восходящими или нисходящими потоками, по меньшей мере один раз в кристаллизаторе прежде, чем снова опуститься, если он первоначально находится в зоне вторичного охлаждения, и, наоборот, если предположить, что он первоначально находится в кристаллизаторе, подразумевая при этом, что в целом он обязательно совершит среднее перемещение вниз в направлении извлечения со средней скоростью, равной скорости литья. Иначе говоря, этот вариант осуществления изобретения максимизирует обмен расплавленным металлическим материалом между горячими зонами кристаллизатора и более холодными зонами вторичного охлаждения и при этом усиливает в кристаллизаторе действие известных средств, предназначенных для стабилизации режима «двойной петли».
Такой обмен способствует, в частности, лучшему отводу избытка тепла, а также наступлению ранней и полной кристаллизации металла равноосного типа, причем без риска нарушить режим течения в кристаллизаторе, а, наоборот, повышая стабильность «лево-правой» симметрии перемещений по обе стороны от разливочного стакана, при этом независимо от имеющего место локального режима течения: «двойной петли», см. фиг.5, или «простой петли», см. фиг.6, то есть противодействуя естественной тенденции к переходу из одного режима в другой.
Как уже было указано, ветви 10 и 11 креста 9 перемешивания генерируются под действием прилагаемых в этом месте скользящих магнитных полей. Их силовые линии перпендикулярны поверхности отливаемого изделия или, по меньшей мере, имеют главную перпендикулярную составляющую для обеспечения максимальной электромагнитной связи с жидким металлом.
Хорошо известно, что такие поля могут быть легко созданы при помощи классических многофазных линейных индукторов.
На фиг.7а показан первый вариант осуществления изобретения, согласно которому два идентичных линейных индуктора 12 и 13 установлены на литейной машине горизонтально на одном уровне по высоте (коллинеарные индукторы) по обе стороны от оси литья и противоположно друг другу с тем, чтобы создавать коллинеарные магнитные поля, скользящие поперек по ширине отливаемого изделия от малых боковых сторон 18, 18' к центру. Размеры этих индукторов предпочтительно выбирают таким образом, чтобы каждый из них генерировал скользящее магнитное поле по активной ветви конвекции (11а или 11b), то есть длиной немного менее половины полуширины отливаемого сляба 6.
В этом случае движущая сила перемешивания обеспечивается сходящимися поперечными ветвями 11а, 11b креста перемешивания, а расходящиеся продольные потоки 10а, 10b получаются после прохождения точки Р слияния.
На фиг.7b показан второй вариант осуществления, эквивалентный предыдущему в том, что касается достигаемых эффектов. Согласно этому второму варианту коллинеарные линейные индукторы 14 и 15, установленные противоположно друг другу, расположены вертикально по оси литья. Таким образом, на этот раз активизируют непосредственно продольные ветви 10а и 10b (присутствие которых внутри вторичной зоны лежит в основе изобретения), при этом верхний индуктор 14 генерирует магнитное поле, скользящее в сторону верхней части литейной машины в направлении кристаллизатора, а нижний индуктор 15 создает поле, скользящее вниз в направлении дна лунки.
На фиг.8 показан предпочтительный вариант осуществления изобретения. Он состоит в трансформации верхнего края верхних рециркуляционных лепестков L1 и L4, усиливающих разливочные струи 7 и 7' в зонах активной конвекции. Для этого к паре индукторов, уже присутствующих в зоне вторичного охлаждения для создания креста 9 перемешивания, добавляют два дополнительных линейных индуктора 16, 17 с горизонтальными скользящими полями, расположенными коллинеарно по обе стороны от разливочного стакана 4 на уровне струй 7 и 7' металла, выходящих из каналов 5 и 5', и скользящими прямотоком (в одном направлении) с упомянутыми струями от разливочного стакана к малым стенкам 3, 3' кристаллизатора 1. Эффект схождения между струями и центральным потоком, поднимающимся снизу, таким образом, еще более усиливается и, следовательно, локальный режим типа «двойной петли» в кристаллизаторе также усиливается.
Фиг.9 аналогична фиг.5, но ее существенным отличием является то, что направления циркуляции металла в каждой из четырех ветвей креста 9 изменены на противоположные. Таким образом, на фиг.9 показан второй главный вариант осуществления настоящего изобретения, который состоит в создании противоположных продольных коллинеарных потоков 20а, 20b в срединной части отливаемого изделия 6, которые в данном случае сходятся друг к другу в направлении точки Р, обеспечивая тем самым общую циркуляцию жидкого металла, который доходит до кристаллизатора 1 за счет потоков, поднимающихся вдоль малых боковых сторон 18, 18', до уровня струй 7, 7' металла, выходящих через выходные каналы 5, 5' разливочного стакана, с которыми они сталкиваются противотоком и таким образом замедляют их.
В целом получают конфигурацию перемешивания во вторичной зоне в виде четырех лепестков L1-L4, при которой эти петли вращаются в противоположном направлении по отношению к первому варианту. Вместе с тем, в силу обратного действия лепестков L1 и L4 на струи 7 и 7', потоки металла, возвращающиеся вниз в центральную часть жидкой лунки, канализируются и ограничиваются в меньшей степени, а оказываются гораздо более рассеянными и разбросанными по сечению изделия, чем в первом варианте.
Понятно, что эти два главных варианта в сущности являются двумя разными и дополняющими друг друга гранями одного и того же изобретения и могут присутствовать одновременно во время осуществления способа перемешивания. Действительно, можно легко изменять в динамике направления скольжения воздействующих магнитных полей, например, меняя полярности создающих их индукторов таким образом, чтобы по мере необходимости ускорять или замедлять потоки разливочных струй 7, 7' на основе перемешивающего воздействия, локализованного во вторичной зоне вдалеке от этих струй.
Таким образом, очевидно, что определяющим преимуществом изобретения является возможность гарантирования хорошего обмена «верх/низ» в жидкой лунке и в то же время воздействия на расстоянии на разливочные струи в кристаллизаторе, причем за счет простого и рутинного монтажа оборудования электромагнитного перемешивания, конструктивные элементы которого широко доступны в торговой сети.
Как становится понятно, в итоге изобретение состоит в разумном использовании имеющихся в настоящее время в распоряжении средств электромагнитного перемешивания для реализации во вторичной зоне разбиения на две сопряженные ветви в продольном направлении изделия и в установлении в каждой ветви конфигурации перемешивания в виде крыльев бабочки. При этом во вторичной зоне создают общую систему течений с четырьмя лепестками, сердцевиной которой является крест 9 перемешивания с ее центром Р.
Предпочтительно, в силу очевидных соображений симметрии, это разделение на две ветви следует осуществлять на половине ширины отливаемого изделия, то есть по его продольной оси, так как эта ось, как правило, совпадает с осью литья.
При этом достаточно нарушить равновесие сил перемешивания между двумя поперечными ветвями 11а, 11b, например, путем дифференцированного регулирования сил электрических токов, питающих индукторы 12, 13, чтобы переместить вбок среднее положение центра Р к одной малой боковой стороне 5 или к другой малой боковой стороне 5' и придать таким образом перемещениям в кристаллизаторе более селективный характер с одной стороны разливочного стакана по сравнению с другой стороной.
Точно так же, аналогичное нарушение равновесия на продольных ветвях 10а, 10b позволит на данном оборудовании перемешивания получить смещение вверх или вниз центра Р креста перемешивания, не прибегая к изменению положения этого оборудования на литейной машине.
Конечно, если возникнет необходимость в одновременном использовании этих двух возможностей регулирования положения центра Р креста перемешивания, то зону вторичного охлаждения нужно будет оборудовать четырьмя индукторами с тем, чтобы обеспечить возможность электромагнитной активизации каждой из четырех ветвей 10а, 10b, 11а и 11b.
Независимо от варианта осуществления, изобретение позволяет добиться общего перемешивания металла по металлургической длине, способного обеспечить как термическую, так и химическую однородность между верхней частью и нижней частью жидкой лунки без ущерба для положительных эффектов, присущих перемешиваниям соответственно в кристаллизаторе и в зоне вторичного охлаждения, при этом не нарушая, а даже стабилизируя режим локального течения в кристаллизаторе.
Само собой разумеется, что настоящее изобретение не ограничивается описанными выше примерами и охватывает многочисленные варианты или эквиваленты при условии соблюдения его сущности, определенной в нижеследующей формуле изобретения.
Так, например, если используемые линейные индукторы классически имеют плоскую конструкцию, указанное расположение является всего лишь предпочтительным. Можно использовать также индукторы криволинейной формы, чтобы они лучше соответствовали поверхности сляба, вдоль которой их устанавливают по металлургической длине.