УСТРОЙСТВО И СПОСОБ РЕГУЛИРОВАНИЯ ПОТОКА РАСПЛАВЛЕННОГО МЕТАЛЛА В ПРОЦЕССЕ НЕПРЕРЫВНОЙ РАЗЛИВКИ
DEVICE AND METHOD OF MELTED METAL FLOW REGULATION DURING CONTINUOUS CASTING

Область техники
Настоящее изобретение в основном относится к непрерывной разливке металлов и, в частности, к регулированию потока расплавленного металла в емкости установки непрерывной разливки.
Предпосылки создания изобретения
При непрерывной разливке металлов, в печи, например, в электродуговой печи, плавят лом. Расплавленный металл из печи обычно выпускают в литейный ковш. Ковш является емкостью, которая может быть перемещена и которая транспортирует расплавленный металл к другой емкости, промежуточному ковшу, который служит промежуточной емкостью для хранения расплавленного металла. Из промежуточного ковша расплавленный металл можно заливать в кристаллизатор (литейную форму).
На фиг. 1 приведено схематическое сечение емкости 5, содержащей расплавленный металл 3а. В расплавленном металле 3а, содержащемся в емкости 5, образуется первичный поток 1а, обычно имеющий направление течения, совпадающее с направлением разливки. Кроме того, также возникает вторичный поток 1b, помимо прочего текущий в направлении мениска 3b, то есть к поверхности расплавленного металла 3а.
Первичный поток и вторичный поток могут создаваться в емкости, такой как кристаллизатор, в результате вертикальных колебаний/качаний О емкости. Колебания предотвращают прилипание затвердевшего литого материала к внутренним стенкам кристаллизатора. Движение расплавленного металла приводит к образованию пузырьков и включений в расплаве, транспортируемом в направлении разливки. Поэтому в процессе разливки предпочтительно регулируют расплавленный металл, например, с помощью магнитных полей, так, чтобы уменьшить указанные проблемы.
В ЕР 1172158 раскрываются способ и устройство для непрерывной разливки металлов. В этом документе на кристаллизаторе установлено несколько катушек так, чтобы можно было необходимым образом регулировать поток расплавленного металла, множество катушек применяют для создания как статического, так и бегущего магнитных полей в расплаве.
В ЕР 1623777 раскрывается способ непрерывной разливки стали. Вдоль продольного направления кристаллизатора расположены по меньшей мере три электромагнита. В то время как электромагниты генерируют колеблющееся магнитное поле, пиковые положения колеблющегося магнитного поля смещаются в продольном направлении литейной формы.
В JP 10305353 раскрывается процесс непрерывной разливки стали, при котором размещают магнитные полюса в виде верхней и нижней двух ступеней на задней поверхности длинной стороны кристаллизатора между верхней и нижней сторонами выпускного отверстия погружного стакана и регулируют поток расплавленной стали в кристаллизаторе возбуждая магнитные поля. Магнитные поля, возбуждаемые этими магнитными полюсами, таковы, чтобы по меньшей мере магнитное поле, возбуждаемое нижним магнитным полюсом, было магнитным полем, образованным наложением статического магнитного поля постоянного тока и смещающегося магнитного поля переменного тока, или магнитные поля, возбуждаемые верхним магнитным полюсом были магнитным полем, образованным наложением статического магнитного поля постоянного тока и смещающегося магнитного поля переменного тока, а магнитное поле, создаваемое нижним магнитным полюсом 8, было статическим постоянным магнитным полем.
В JP 5154623 раскрыт способ управления текучестью расплавленной стали в литейной форме. Трехфазные катушки для электромагнитного перемешивания расположены на кристаллизаторе машины непрерывной разливки и по каждой фазе подают постоянный ток периодически изменяющейся величины, при этом фаза изменения величины тока в каждой фазе смещена на 120 градусов.
В ЕР 1510272 описан способ производства стальных слябов с ультранизким содержание углерода. Сляб из стали с ультранизким содержанием углерода, имеющий содержание углерода приблизительно 0,01 массовых процентов или меньше, производят путем отливки со скоростью более 2,0 м/мин, используя кристаллизатор, в котором литейное пространство имеет длину D короткой стороны, равную приблизительно 150-240 мм, и погружной стакан снабжен выпускными соплами, каждое из которых имеет поперечную ширину d, при этом отношение D/d находится в диапазоне 1,5-3,0.
В WO 2008/004969 описан способ регулирования потока расплавленной стали в кристаллизаторе путем приложения по меньшей мере одного магнитного поля к расплавленной стали в машине непрерывной отливки слябов. Это достигается путем регулирования скорости потока расплавленной стали на поверхности ванны расплава стали, на мениске, доводя ее до заранее определенной скорости потока расплава стали, прилагая статическое магнитное поле для приложения стабилизирующей и тормозящей силы к выходящему потоку из погружного стакана, когда скорость потока расплавленной стали на мениске выше, чем критическая скорость уноса потоком литейного порошка в кристаллизаторе, и регулируя скорость потока расплавленной стали на мениске в диапазоне от критической скорости потока для адгезии включений или выше до критической скорости уноса потоком литейного порошка в кристаллизаторе или менее и прилагая смещающееся магнитное поле для увеличения потока расплава стали, когда скорость расплава стали на мениске ниже, чем критическая скорость адгезии включений.
В работе Gardin P и др. "CC électromagnétique de brames: Développement de modéles numériques de la configuration AC+DC en longotiére/ Electromagnetic casting of slabs: Development of numerical models for an AC & DC configuration in the mould" раскрывается новая концепция электромагнитной непрерывной разливки слябов, в которой переменное магнитное поле (АС) со средней частотой комбинируется с постоянным магнитным полем (DC) вблизи мениска кристаллизатора.
Сущность изобретения
Основной задачей настоящего изобретения является создание устройства и способа, которые уменьшают по меньшей мере размер и/или вес машины для непрерывной разливки.
Кроме того, было бы желательно создать устройство более дешевое, чем известные.
Согласно первому аспекту настоящего изобретения предлагается устройство для процесса непрерывной разливки, содержащее емкость, имеющую первое отверстие для приема расплавленного металла в емкость, второе отверстие для выпуска расплавленного металла из емкости и корпус, проходящий между первым отверстием и вторым отверстием; первое магнитное устройство, прикрепленное к корпусу и имеющее магнитопровод с зубцами, и катушки, расположенные вокруг зубцов; и систему питания, выполненную с возможностью подачи переменного тока и несущий ток, при этом переменный ток наложен на несущий ток, для каждой из катушек при этом каждая пара переменного тока и несущего тока, подаваемая на катушку, образует ток регулирования потока, причем токи регулирования потока, подаваемые на соседние катушки, смещены по фазе относительно друг друга, тем самым создавая бегущее магнитное поле в расплавленном металле в емкости.
С помощью вышеописанной конфигурации системы питания первое магнитное устройство может стать гибридным электромагнитом в том смысле, что эта система питания может подавать подходящий тип несущего тока, на который наложен переменный ток.
Как будет описано ниже со ссылками на некоторые конкретные варианты, несущие токи могут быть переменными токами или постоянными токами. Поэтому с помощью одного магнитного устройства каждой катушкой магнитного устройства можно одновременно обеспечивать и переменную (АС) и постоянную (DC) компоненты, чтобы управлять потоком расплавленного металла в емкости. Таким образом, не требуется никакого специализированного DC электромагнита, как в предшествующем уровне техники, где уровне на внешней поверхности кристаллизатора установлены один снабжаемый DC электромагнит и один снабжаемый AC электромагнит.
Согласно одному варианту первое магнитное устройство имеет первую магнитную часть и вторую магнитную часть, при этом первая магнитная часть и вторая магнитная часть расположены на одном уровне на противоположных сторонах корпуса. Поэтому магнитные поля могут проходить поперек горизонтального сечения емкости.
Согласно одному варианту емкость имеет первую длинную сторону и вторую длинную сторону, расположенную напротив первой длинной стороны и на расстоянии от нее, при этом первая магнитная часть расположена вдоль первой длинной стороны, а вторая магнитная часть расположена вдоль второй длинной стороны.
Согласно одному варианту емкость имеет одну сторону, снабженную первым отверстием, причем зубцы первого магнитного устройства расположены на осевом расстоянии d от первой стороны, при этом расстояние d больше, чем расстояние до уровня мениска расплавленного металла, когда он заполняет емкость, и меньше или равно расстоянию (глубине), на котором расплавленный металл выпускается в емкость погружным впускным стаканом. Турбулентный поток вторичного потока в основном проходит в объеме расплавленного металла в емкости в соответствии с этим диапазоном или интервалом. Поэтому в этом диапазоне можно добиться наиболее эффективного регулирования вторичного потока.
Согласно одному варианту устройство содержит второе магнитное устройство, расположенное прикрепленным к корпусу, причем система питания выполнена с возможностью подавать на второе магнитное устройство постоянный ток. Второе устройство, таким образом, создает статическое магнитное поле в расплавленном металле в емкости. В частности, второе магнитное устройство может создавать эффективную тормозящую силу для первичного потока.
Согласно одному варианту первое магнитное устройство расположено выше по потоку от второго магнитного устройства относительно направления течения расплавленного металла, при этом направление течения определяется от первого отверстия ко второму отверстию. Тем самым вторичный поток в первую очередь регулируется первым магнитным устройством, а первичный поток в первую очередь регулируется за счет тормозящего действия второго магнитного устройства.
Согласно одному варианту каждый несущий ток является постоянным током. Поэтому каждая катушка становится гибридной катушкой, одновременно создающей статическое магнитное поле и переменное магнитное поле, образующее часть бегущего магнитного поля.
Согласно одному варианту система питания выполнена с возможностью подавать несущие токи, имеющие взаимно разную полярность на по меньшей мере две из катушек первой магнитной части. Поэтому напряженностью полей можно управлять локально в горизонтальном сечении расплавленного металла, особенно в комбинации со статическим магнитным полем, создаваемым вторым магнитным устройством.
Согласно одному варианту система питания выполнена с возможностью подавать несущие токи одной полярности на каждую из катушек первой магнитной части. Поэтому напряженностью полей можно управлять локально в расплавленном металле, особенно в комбинации со статическим магнитным полем, создаваемым вторым магнитным устройством.
Согласно одному варианту каждый несущий ток является переменным током. Соответственно, переменный ток налагается на переменный несущий ток. Это может быть желательно в особых ситуациях для управления расплавом.
Согласно одному варианту емкость является литейной формой (кристаллизатором). Однако емкость также может быть литейным ковшом или промежуточным ковшом.
Согласно второму аспекту настоящего изобретения предлагается способ регулирования потока расплавленного металла в емкости для процесса непрерывной разливки, при этом емкость имеет первое отверстие для приема расплавленного металла, второе отверстие для выпуска расплавленного металла и корпус, проходящий между первым отверстием и вторым отверстием, при этом первое магнитное устройство прикреплено к корпусу, при этом первое магнитное устройство имеет магнитопровод с зубцами и катушки, расположенные вокруг этих зубцов, при этом способ содержит этапы, на которых подают переменный ток и несущий ток, при этом переменный ток наложен на несущий ток, на каждую из катушек, при этом каждая пара переменного тока и несущего тока, подаваемая на катушку, образует ток регулирования потока, при этом токи регулирования потока, подаваемые на соседние катушки, сдвинуты по фазе относительно друг друга, тем самым создавая бегущее магнитное поле в расплавленном металле в емкости.
Один вариант способа содержит этап, на котором измеряют параметр расплавленного металла и управляют токами регулирования потока на основе измеренного параметра. Ток регулирования потока, который регулирует первичный поток и вторичный поток, таким образом, управляется на основе конкретного состояния расплавленного металла в емкости.
Согласно одному варианту управление заключается в управлении фазой или амплитудой по меньшей мере одного тока регулирования потока.
Согласно одному варианту каждый несущий ток является постоянным током.
По существу все термины, используемые в формуле изобретения, следует толковать в соответствии с общепринятым значением в технической области, если в настоящем описании прямо не оговорено иное. Все ссылки на определенный или неопределенный элемент, устройство, компонент, средство, этап и т.п. следует открыто толковать как относящиеся по меньшей мере к одному такому элементу, устройству, компоненту, средству, этапу и подобному, если прямо не оговорено иное. Следует отметить, что хотя этапы представленного способа обозначены цифрами и конкретный этап может быть назван, например, "первым этапом", этапы любого описанного здесь способа не обязательно должны выполняться в описанной последовательности, если прямо не оговорено иное.
Краткое описание чертежей
Далее следует описание конкретных иллюстративных вариантов настоящего изобретения со ссылками на приложенные чертежи, на которых:
Фиг. 1 - схематический вид направлений течения потоков расплавленного металла в литейной форме.
Фиг. 2а - вид сбоку примера расположения устройства для непрерывной разливки.
Фиг 2b - вид сверху примера по фиг. 2а.
Фиг. 3 - вид сбоку устройства в работе.
Фиг. 4а-b - конфигурации системы питания для устройства непрерывной разливки.
Подробное описание
Далее следует более полное описание сути изобретения со ссылками на приложенные чертежи, на которых показаны иллюстративные варианты. Однако суть настоящего изобретения может быть реализована в разных других формах и не должна толковаться как ограниченная показанными здесь вариантами. Эти варианты приведены лишь в качестве примеров для глубины и полноты описания и полностью демонстрируют специалистам объем идеи изобретения. На всех чертежах одинаковые компоненты обозначены одними и теми же позициями.
На фиг. 2а приведен вид сбоку устройства 7 для процесса непрерывной разливки металла, например, стали, меди или алюминия. Устройство 7 содержит емкость 9а, имеющую корпус 9b, в котором выполнено первое отверстие 9-1 и второе отверстие 9-2. Корпус 9b может иметь внешнюю структуру 9с, представляющую внешнюю поверхность 9d и внутреннюю плиту 9е, например, содержащую медь. Расплавленный металл типично контактирует с внутренней плитой 9е, когда емкость 9а содержит расплавленный металл.
Емкость 9а на фиг. 2а представляет собой литейную форму для отливки, например, слябов или цилиндрических слитков. Однако следует отметить, что емкость может быть ковшом, промежуточным ковшом или любым другой емкостью, применяемой в процессе непрерывной разливки, через которую может течь расплавленный металл.
Устройство 7 далее содержит первое магнитное устройство 10, которое имеет первую магнитную часть 10а и вторую магнитную часть 10b. Каждая из первой магнитной части имеет магнитопровод 10-1 с зубцами 10-2, как показано на фиг. 2b, и катушками 10-3. Каждая катушка 10-3 намотана вокруг соответствующего зубца 10-2.
Первая магнитная часть 10а и вторая магнитная часть 10b первого магнитного устройства 10 расположены на одном уровне на противоположных сторонах корпуса 9b. При эксплуатации емкость 9а по существу расположена так, что первое отверстие 9-1 и второе отверстие 9-2 разнесены в вертикальном направлении. Поэтому расплавленный металл может поступать в емкость 9а и выходить или выпускаться из емкости 9а через второе отверстие 9-2 под действием силы тяжести. Если емкость является кристаллизатором, выпускная часть обычно называется "ручьем". Соответственно, при эксплуатации первая магнитная часть 10а и вторая магнитная часть 10b расположены по существу на одном и том же вертикальном уровне относительно корпуса 9b.
В предпочтительном варианте магнитопроводы 10-1 первой магнитной части 10а и второй магнитной части 10b по существу представляют собой шихтованные железные магнитопроводы. Магнитопроводы 10-1 первой магнитной части 10а и второй магнитной части 10b могут крепиться к корпусу 9b. В частности, зубцы 10-2 магнитопроводов 10-1 в одном варианте могут упираться во внутренние пластины 9с.
Устройство 7 далее может содержать второе магнитное устройство 13. Второе магнитное устройство 13 содержит первую магнитную часть 13а и вторую магнитную часть 13b. И первая магнитная часть 13а, и вторая магнитная часть 13b второго магнитного устройства 13 содержат магнитопровод 13-1, имеющий зубцы и катушки, намотанные вокруг этих зубцов. Магнитопроводы 13-1 предпочтительно являются сплошными железными магнитопроводами, но в одном варианте могут быть и шихтованными железными магнитопроводами.
Первая магнитная часть 10а первого магнитного устройства 10 в одном варианте по магнитному потоку соединена с первой магнитной частью 13а второго магнитного устройства 13 посредством ярма 14а. Вторая магнитная часть 10b первого магнитного устройства 10 в одном варианте по магнитному потоку соединена со второй магнитной частью 13b второго магнитного устройства 13 посредством ярм 14b. Однако можно использовать множество различных других конфигураций. Вместо вышеописанного ярма первая магнитная часть 10а и вторая магнитная часть 10b первого магнитного устройства 10 могут быть соединены ярмом каким либо другим ярмом. Соответственно, первая магнитная часть 13а и вторая магнитная часть 13b второго магнитного устройства 13 могут быть соединены ярмом. Кроме того, в рамках настоящего изобретения возможны конфигурации без соединения ярмом.
Устройство 7 далее содержит систему 16 питания, предназначенную для питания катушек первого магнитного устройства 10 и второго магнитного устройства 13. Следует отметить, что система питания может содержать отдельные блоки питания, входящие в одну общую систему питания, например, для питания первого магнитного устройства и второго магнитного устройства.
Система 16 питания выполнена с возможностью подавать переменный ток, наложенный на несущий ток, на каждую из катушек первого магнитного устройства 10. Токи, сформированные системой и поданные на каждую катушку, в настоящем описании именуются токами регулирования потока. Токи регулирования потока сдвинуты по фазе относительно друг друга. Поэтому в емкости 9а можно получить бегущее магнитное поле. Бегущее магнитное поле создает эффект перемешивания расплавленного металла в емкости 9а. Поэтому турбулентность, в первую очередь во вторичном потоке в расплавленном металле, можно уменьшить.
В одном варианте несущие токи, подаваемые на катушки 10-3 первого магнитного устройства 10, являются постоянными токами. Поэтому каждая катушка 10-3 первого магнитного устройства 10 работает как гибридная катушка, создающая статическое магнитное поле, и одновременно участвует в создании бегущего магнитного поля в расплавленном металле в емкости 9а.
Согласно одному варианту несущие токи, подаваемые на катушки 10-3 первого магнитного устройства 10, являются переменными токами.
В одном варианте несущие токи могут быть сочетанием постоянных токов и переменных токов, то есть для части катушек несущий ток является постоянным, а для части катушек - переменным. За счет этого можно добиться комплексного регулирования потока расплавленного металла.
Система 16 питания далее может быть выполнена с возможностью подавать постоянный ток (DC) на каждую катушку второго магнитного устройства 13. Постоянный ток, подаваемый на второе магнитное устройство 13, является простым постоянным током, то есть на него не наложены никакие другие сигналы. Второе магнитное устройство 13, таким образом, создает только статическое магнитное поле.
На фиг. 2b приведен вид сверху устройства по фиг. 2а. Емкость 9а имеет первую длинную сторону 17-1 и вторую длинную сторону 17-2, расположенную напротив первой длинной стороны 17-1 и на расстоянии от нее. Первая магнитная часть 10а расположена вдоль первой длинной стороны 17-1, а вторая магнитная часть 10b расположена вдоль второй длинной стороны 17-2. В этом примере первое магнитное устройство 10 имеет восемь пар зубцов 11-2 и катушек 11-3 на каждой из первой магнитной части 10а и второй магнитной части 10b. Количество зубцов и катушек типично зависит от ширины первой длинной стороны и второй длинной стороны.
На фиг. 3 представлен вид сбоку устройства 7 во время непрерывной разливки. Емкость 9а заполнена расплавленным металлом 19. Расплавленный металл 19 выпускается в емкость 9а через погружной стакан 21 промежуточного разливочного устройства или ковша 23. Погружной стакан 21, таким образом, погружен в расплавленный металл 19 в емкости 9а. Расплавленный металл 19 выпускается из погружного стакана 21 в емкость 9а через выпускное отверстие 21а погружного стакана 21. Поверхность расплавленного металла 19 далее именуется мениском 19-1.
Емкость 9а имеет первую сторону 9f, в которой выполнено отверстие 9-1 для приема расплавленного металла 19. Поэтому когда емкость 9а находится в работе, первая сторона 9f типично является верхней стороной емкости 9а.
Согласно одному варианту зубцы 10-2 первого магнитного устройства 10 расположены на осевом расстоянии d от первой стороны 9f. Зубцы 10-2 предпочтительно ориентированы ортогонально к осевому направлении емкости 9а. В одном варианте центр зубцов расположен на расстоянии d от первой стороны 9f. Расстояние d больше, чем расстояние от первой стороны 9f до уровня мениска 19-1 расплавленного металла в емкости 9а. Расстояние d предпочтительно меньше или равно расстоянию от первой стороны 9f, на котором расплавленный металл выпускают в емкость 9а через погружной стакан 21. Зубцы 10-2 могут быть расположены в любом месте в этом диапазоне для получения эффективного вторичного потока в расплавленном металле 19 с помощью первого магнитного устройства 10. Поэтому зубцы предпочтительно расположены в положении радиально снаружи от положения, в котором погружной стакан погружен в расплавленный металл 19 в емкости 9а.
Первое магнитное устройство 10 расположено выше по от второго магнитного устройства 13 относительно направления С течения расплавленного металла 19, при этом направление течения определяется от первого отверстия 9-1 к второму отверстию 9-2.
На фиг. 4а и 4b приведены схематические виды двух примеров конфигураций соединения источников питания катушек 10-3. Для простоты на фиг. 4а-b показаны только катушки с 10-3а по 10-3h первой магнитной части. Согласно примерам, показанным на фиг. 4а и 4b, магнитопровод показанной магнитной части имеет 8 катушек. Однако магнитопровод по настоящему изобретению может иметь в других вариантах любое из следующих количество катушек: 6, 8, 10 или 12.
На фиг. 4а система 16 питания имеет силовые преобразователи 23-1 и 23-2 для подачи переменного тока, наложенного на несущий ток на каждую из катушек 10-3а - 10-3h. Сдвиг по фазе между соседними катушками может быть равен, например, 45 или 90 градусам. Поэтому согласно одному примеру, где сдвиг по фазе между соседними катушками составляет 90 градусов, катушка 10-3а имеет угол сдвига фазы 0 градусов, катушка 10-3b имеет угол сдвига фазы 90 градусов, катушка 10-3с имеет угол сдвига фазы 180 градусов, катушка 10-3d имеет угол сдвига фазы 270 градусов, катушка 10-3е имеет угол сдвига фазы 0 градусов, и так далее. Стрелками показана полярность несущего тока, который в этом примере является постоянным током. В примере по фиг. 4а соседние катушки запитаны попарно постоянным током одинаковой полярности. Пары катушек запитаны так, что одна из них питается преобразователем 23-1, а вторая - преобразователем 23-2. Концевые катушки 10-3а и 10-3h имеют одинаковую полярность. Поэтому система 16 питания имеет возможность подавать несущие токи, имеющие взаимно разную полярность, по меньшей мере на две из катушек первой магнитной части.
Следует отметить, что в рамках объема, определенного формулой изобретения, возможны различные варианты полярностей и фаз несущих токов и переменных токов, соответственно.
По существу конкретный переменный ток и несущий ток, наложенные один на другой и подаваемые на катушку, зависят от состояния расплавленного металла в емкости 9а и от расхода расплавленного металла через разливочную трубу, например погружной стакан 21. Для этого применяется система управления с датчиками и контроллерами. Датчики, например, могут быть установлены на погружном стакане 21 или на внутренних стенках емкости 9а. Датчики выполнены с возможностью измерять один или более из параметров расплавленного металла, например температуру плит 9е емкости 9а, расход расплавленного металла, подаваемого в емкость, или уровень мениска. Токи регулирования потока варьируются на основе измеренного параметра или параметров. Регулирование потока типично заключается в регулировании фазы или амплитуды по меньшей мере одного тока регулирования потока, подаваемого на катушки. В одном варианте для каждой катушки можно индивидуально регулировать и переменный ток, и несущий ток.
На фиг. 4b показана другая конфигурация источника питания. В этом примере система 16 питания выполнена с возможностью подавать несущие токи одной полярности на каждую из катушек 10-3а-10-3h первой магнитной части. В этом конкретном примере по фиг. 4b для этой цели используются четыре преобразователя 23-1, 23-2, 23-3, 23-4.
Идея изобретения была описана выше со ссылками лишь на несколько вариантов. Специалистам понятно, что в пределах объема настоящего изобретения, который определен приложенной формулой, возможны и другие варианты.