Устройство для электромагнитного перемешивания жидкой сердцевины слитка в кристаллизаторе
DEVICE FOR ELECTROMAGNETIC MIXING OF LIQUID CORE OF INGOT IN CRYSTALLIZER

Изобретение относится к области металлургии, в частности, к непрерывному литью металлов с электромагнитным воздействием на жидкую фазу расплава.
В настоящее время установка электромагнитных перемешивателей на многоручьевые литейные комплексы осложняется ограниченным пространством между кристаллизаторами литейного стола, а также трудностями в реализации систем электроснабжения и охлаждения перемешивающих устройств.
Известно устройство для электромагнитного перемешивания жидкой сердцевины слитка (патент РФ 2266798, М. кл. B22D 11/049, 2001). Устройство содержит кристаллизатор, средства для подачи металла и электромагнитное устройство для перемешивания. Электромагнитное перемешивающее устройство состоит из двух катушек. Первая катушка возбуждается переменным током. Вторая катушка расположена выше по потоку, чем первая, и выполнена с возможностью смены возбуждения постоянного тока на переменный и наоборот.
Недостатком данного устройства является использование двух источников питания для получения постоянного и переменного токов, что приводит к увеличению средств, затрачиваемых на производство, и технологическим трудностям в реализации данной системы.
Наиболее близким к заявляемому является устройство для электромагнитного перемешивания жидкой сердцевины слитка (патент РФ №2237542, М. кл. B22D 11/12, 2004). Известное устройство содержит магнитопровод в виде ферромагнитной части кристаллизатора с многофазной обмоткой. С верхней и нижней сторон кристаллизатора расположены по две катушки, выполненные концентрическими и подключенные к разным фазам. Две катушки, расположенные по разные стороны кристаллизатора симметрично относительно аксиальной оси слитка, подключены к одной фазе встречно, а две другие подключены к другой фазе согласно. Катушки, находящиеся по одну сторону кристаллизатора, могут быть размещены таким образом, что одна охватывает другую или одна над другой.
Недостатком известного устройства является необходимость применения кристаллизатора с ферромагнитной частью. Конструктивные параметры системы не позволяют использовать полноценный внешний магнитопровод, что снижает эксплуатационную эффективность системы.
В основу нового технического решения положена задача повышения эффективности перемешивания жидкой сердцевины кристаллизующегося слитка, получаемого способом непрерывного литья на многоручьевых литейных комплексах.
Поставленная задача решается тем, что в устройстве для электромагнитного перемешивания жидкой сердцевины слитка в кристаллизаторе, содержащем магнитопровод с многофазной обмоткой, концентрические катушки которой попарно расположены в верхней и нижней частях магнитопровода и подключены к двум разным фазам таким образом, что две катушки подключены к одной фазе встречно, а две другие катушки - к другой фазе согласно, в соответствии с изобретением, катушки расположены в пазах магнитопровода, который выполнен Ш-образным с образованием в ярме и зубцах разнонаправленных воздушных зазоров и установлен вокруг кристаллизатора с возможностью смещения относительно оси кристаллизатора в горизонтальной и вертикальной плоскостях, при этом зубцы магнитопровода обращены к кристаллизатору.
Наличие в ярме и зубцах разнонаправленных воздушных зазоров обусловлено тем, что Ш-образный магнитопровод может быть выполнен из листов электротехнической стали, которые имеют равномерные встречно направленные прорези.
Также это обусловлено тем, что Ш-образный магнитопровод может быть выполнен из волнообразно изогнутой ферромагнитной проволоки.
На фиг. 1 изображено предлагаемое устройство для электромагнитного перемешивания жидкой сердцевины слитка в кристаллизаторе (расположено симметрично аксиальной оси слитка); на фиг. 2 - то же, устройство смещено в сторону относительно аксиальной оси слитка по горизонтали; на фиг 3 и 4 изображены возможные варианты конструкции Ш-образного магнитопровода, выполненного из листов электротехнической стали, а также из ферромагнитной проволоки, соответственно (на рисунках принята цилиндрическая система координат r, ϕ, z); на фиг. 5 представлено распределение магнитных потоков; на фиг. 6 представлен пример подключения катушек, при котором создается разнонаправленная двухконтурная циркуляция жидкого металла в горизонтальной плоскости; на фиг. 7 изображено устройство, где катушки, размещены таким образом, что одна катушка охватывает другую.
Устройство для электромагнитного перемешивания жидкой сердцевины слитка в кристаллизаторе содержит Ш-образный магнитопровод 1 с многофазной обмоткой, катушки 2 которой размещены в его пазах. Магнитопровод 1 размещен вокруг кристаллизатора 3 внутри коллектора 4 и охватывает слиток 5 с жидкой фазой 6 расплава и фронтом 7 его кристаллизации. Ш-образный магнитопровод имеет три зубца 8, обращенные к кристаллизатору, и ярмо 9, в которых образованы разнонаправленные воздушные зазоры 10.
В зависимости от диаметра слитка для более интенсивного воздействия на жидкую фазу кристаллизующегося слитка, магнитопровод с катушками может располагаться как симметрично (фиг. 1), так и со смещением по горизонтальной плоскости (фиг. 2) с максимальным сдвигом к одной из стенок кристаллизатора, а также возможно смещение и относительно вертикальной плоскости.
Заявляемое устройство работает следующим образом.
1
1
2
2
1
4
2
3
1
2
При подключении катушек 2 к двухфазному напряжению со сдвигом фаз 90 электрических градусов, в паре катушек, соединенных последовательно и подключенных к одной фазе, протекает ток i, создавая магнитный поток Ф, а в другой паре катушек, соединенных встречно и подключенных к другой фазе, протекает ток i, создавая магнитный поток Ф. Так, если катушки 2 и 2, подключены к одной фазе, то катушки 2 и 2 - к другой. В результате наложения магнитных потоков Ф и Ф (фиг. 5) в области жидкой фазы 6 кристаллизующегося слитка образуется вращающееся магнитное поле, обеспечивающее разнонаправленную двухконтурную циркуляцию жидкого металла в горизонтальной плоскости (фиг. 6).
Под действием вращающегося магнитного поля в жидкой фазе 6 кристаллизующегося слитка индуцируются вихревые токи, которые, взаимодействуя с первичным магнитным полем, создают усилия в жидком металле, вызывая в нем многопрофильное вращательное движение. Разностороннее движение жидкой фазы слитка может осуществляться непрерывно или периодически в одном и том же направлении; или же периодически в прямом и обратном направлениях за счет изменения направления вращения электромагнитного поля. Такое движение жидкого металла позволяет эффективно воздействовать на дендритную структуру кристаллизующегося слитка или заготовки, что способствует изменению зерна последнего и увеличению выхода годного. Кроме того, улучшенный тепломассообмен между низкотемпературной зоной, расположенной у стенок кристаллизатора, и высокотемпературной осевой зоной слитка, ускоряет процесс кристаллизации и затвердевания и, как следствие, увеличивает скорость вытягивания слитка или заготовок.
А протеканию вихревых токов в ярме и зубцах Ш-образного магнитопровода, направленных по угловой координатной оси ϕ, препятствуют разнонаправленные воздушные зазоры 10, которые не препятствуют прохождению магнитных потоков в магнитопроводе, направленных по оси координаты z (фиг. 3, 4). Это позволяет снизить суммарные потери в магнитопроводе от вихревых потоков и гистерезиса, уменьшить искажения магнитного поля, пульсацию магнитного потока.
Процесс литья происходит следующим образом (фиг. 1). В кристаллизатор 3 непрерывно поступает жидкий металл 6. Магнитопровод 1 с катушками 2 оказывает силовое воздействие на расплав в результате наведения вихревых токов. Жидкая фаза перемешивается под действием электромагнитных сил, наведенных в ней вращающимся магнитным полем. Под действием охлаждающей воды, поступающей на боковую поверхность слитка из коллектора 4, жидкая масса непрерывно затвердевает, превращаясь в слиток. Граница раздела твердой 5 и жидкой 6 фаз образует фронт кристаллизации 7. Твердая зона слитка 5 вытягивается вниз.
Таким образом, заявляемое устройство имеет следующие преимущества перед известными:
- простота конструктивного исполнения устройства при работе в агрессивной высокотемпературной среде, которая образуется в зоне литья и охлаждения слитка, обеспечивает его высокую надежность и долговечность;
- комплексное многопрофильное перемешивание расплава в вертикальной плоскости обеспечивает однородность структуры слитка или заготовки по химическому составу и физическим свойствам;
- устройство можно использовать при литье слитков различных диаметров и сечений без переделки последнего и литейного оборудования путем замены гильз кристаллизатора перед началом литья;
- возможность перемещать магнитопровод с обмоткой относительно аксиальной оси слитка позволяет воздействовать наиболее интенсивно на слитки с различными диаметрами и сечениями.
Также заявляемое устройство обладает компактной конструкцией, улучшенными энергетическими и технологическими показателями, имеет высокую надежность при работе в высокотемпературных средах, позволяя осуществлять эффективное перемешивание расплава в вертикальной плоскости слитка, за счет возможности создания различных вариаций магнитогидродинамических потоков в жидкой фазе.