使熔融金屬在扁坯連鑄錠模內旋轉的方法和相關的電磁設備的製作方法

2023-06-08 01:25:41 1

專利名稱：使熔融金屬在扁坯連鑄錠模內旋轉的方法和相關的電磁設備的製作方法
技術領域：
本發明涉及金屬扁坯、特別是扁鋼的連續鑄造。本發明更特別地涉及在錠模內應 用滑動磁場，該磁場對鑄造液態金屬的作用賦予液態金屬圍繞鑄造軸線的旋轉運動。
背景技術：
已知的是，扁鋼連鑄傳統上在豎直或基本豎直的錠模中進行，該錠模由兩個彼此 相對的、由銅或銅合金製成並通過水循環強制冷卻的大表面(或大壁)和兩個側向小表面 構成，兩個側向小表面垂直於大表面端部地密封安裝，以便與大表面一起限定將決定鑄造 產品尺寸的鑄造空間。熔融金屬通過重力被注入該鑄造空間中，在該空間中熔融金屬與錠 模的冷卻金屬壁接觸而逐漸凝固，同時隨著周邊固化部分排向底部，以在鑄造機的二次冷 卻階段中完成其固化。因此，在整個鑄造過程中，熔融金屬充填鑄造空間直到某一高度，以 便在該高度形成被熔渣所覆蓋的彎月面(液態金屬的自由表面)，並且均勻的熔融金屬流 藉助沒入(在彎月面下幾十釐米)的注口持續地被帶到錠模中，所述注口一般是單一的並 定中心在鑄造軸線上，並且設有相對端部小表面開放的側向出口孔。藉助滑動磁場使熔融金屬在扁坯連鑄軋坯錠模中於彎月面處軸向旋轉的基礎已 經確立並且為人熟知。概括地說，所述基礎在於通過應用安裝在錠模大表面上的靜態多相 感應器產生的水平滑動磁場所引起的驅動力，使金屬以唯一橢圓形運動方式圍繞鑄造軸線 整體轉動。例如，文獻EP 0151 648提出使用四個獨立的對稱安裝在錠模大表面上的相同感 應器，其中每個大表面有兩個位於注口各側的感應器，每個感應器在注口與端部小表面之 間局部覆蓋接納這些感應器的大表面的一半寬度。這些三相感應器中的每一個產生一個水 平滑動磁場，其中在同一表面的兩個感應器上磁場滑動方向相同，且與另一大表面上的相 對的兩個感應器所產生的磁場滑動方向相反。因此在任一感應器產生的磁場與該感應器附 近的熔融金屬之間的相互作用導致沿錠模寬度對金屬的推動力。由於在錠模直截面中重複 四次——即每個感應器一次——的該相互作用，因而形成一具有四種驅動力的系統，其中 的兩種驅動力相對於鑄造軸線呈對角線定位，把金屬從注口推向小表面，因此是「向外」推 動，而另外兩種驅動力在另一對角線上相對定位，把金屬從小表面向注口向「內」推動。另一例子日本專利申請JP 57075268則提出每個大表面只有單一個的部分感應 器的原理。相對於鑄造軸線彼此處於對角線位置的每個感應器佔據接納該感應器的大表面 的約3/4。因此，其餘的1/4沒有受到滑動磁場的任何作用，以使旋轉中的金屬流在與成直 角的端部小表面正前相遇之前減慢，從而減弱衝擊能量。基於相同精神，歐洲專利EP n° 0096077也提出一種在每個大表面上有三個排齊 的感應器基礎上配置的設備，三個感應器共同產生在同向上水平滑動的磁場，但是這三個 感應器與允許它們以對鑄造金屬施以不同推力作用的部件相結合。在磁場滑動方向上考 慮，靠近一端部小表面的第一感應器因此保證相對的熔融金屬部分加速，第二感應器保證在大表面中間部分中其速度的保持，而第三感應器被調節，以允許在它前面通過的金屬流 在正前撞擊到另一端部小表面上之前減速。最近，歐洲專利EP 0750958似乎更進一步，其提出一種由每個大表面單一感應器 構成的、使金屬在彎月面進行旋轉的設備，因此是前面提到的JP 57075268中描述的類型， 但是該設備需要一種複雜連接配合，該複雜連接將該設備連接至其三相電源供應器。這種 應用於老式設計感應器的複雜電配接的目的旨在也允許使用根據錠模寬度調節驅動力的 部件。因此所針對的目的是在大表面端部區域中把熔融金屬向外「推」的力，比起作用在 另一大表面上的相對的相同端部區域中、且朝相反方向(因此向內推)的力更強。因此與 前述的在金屬流正前衝撞端部小表面之前希望減緩金屬流的考慮相反的是，根據該文獻， 所述作業方式允許同時使金屬在彎月面的軸向轉動運動和在此處與錠模壁接觸的金屬的 溫度都相當均勻。實際上，儘管該文獻在這一點上並不明確，但從分析可看出只有在錠模 中的金屬浴的自然流體動力學呈「雙環」類型的結構的條件下，才會真正考慮使用剛提到的 實施部件達到這種目標。下面將提到在描述熔融金屬在錠模內的循環方式方面該表達所覆蓋的意義—— 其尤其與「單環」方式相反。目前來說，將意識到，如果使金屬在彎月面呈橢圓軸向旋轉的方 案的提議如此冗長並且在文獻中已存在了這麼多年，這說明還未找到一種最佳方法。然而， 確切地正是因為本發明將熔融金屬在錠模內的循環方式當作首要重要性加以考量，本發明 因而為此提出一種用於保證液態金屬在整個或幾乎整個鑄造過程中在彎月面處的穩定、均 勻的軸向橢圓形旋轉運動的最佳方法。

發明內容
為此，本發明的目的首先是一種使熔融金屬在扁坯連鑄的錠模中進行橢圓軸向電 磁旋轉的方法，所述錠模設有沒入式鑄造注口，所述注口定中心在鑄造軸線上並具有面向 錠模端部小表面開放的側向輸出孔，在該方法中，按照錠模每個大表面兩個感應器的方式， 在錠模大表面上安裝至少四個多相感應器，這些感應器產生沿錠模寬度的滑動磁場；並且 調節並排位於錠模同一大表面上的感應器，以形成一具有四個驅動力的系統，其中的兩個 驅動力與任一對相對於鑄造軸線彼此呈對角線就位的感應器相關並把金屬從所述注口推 向所述小表面，因此「向外」推動，而另外兩個驅動力本身與另一對彼此處於對角線上的感 應器相關並把金屬從所述小表面推向所述注口，因此是「向內」推動，這四個驅動力的聯合 應用總體上賦予熔融金屬在彎月面的橢圓軸向旋轉運動，該方法的特徵在於，為了在鑄造 過程中使彎月面處的所述旋轉運動均勻化，按使所述驅動力相互間差異化的方式調節這些 驅動力的強度，以便在一大表面附近，如果金屬在此處的「向內」的流動比「向外」流動更強， 就將最高強度施加給把金屬「向外」推動的兩個力，而相反地，如果金屬在此處「向內」的流 動比「向外」的流動弱，就把最高強度施加給把金屬「向內」推動的兩個力。「金屬的自然流動」意指根據鑄造條件確定的、而感應器未被供給電流的流動。在一優選實施例中，使與每對相對鑄造軸線彼此呈對角線就位的感應器的驅動力 的強度相互間相等。在另一優選實施例中，如果並且只有如果金屬浴在錠模中的自然流動模式為「非 穩態流動」類型，使所有驅動力相互間在強度上相等。
根據其中直接考慮熔融金屬在彎月面處流動的該方法第一主要變型，在錠模同一大表面附近測量熔融金屬在彎月面的「向內」流動的速度和「向外」流動的速度；產生以幅 度和符號的代表測得所述速度之間差異的差動信號；並且通過向其施加一持續地趨於使所 述差動信號趨向於零的強度偏差，調節「向內」推動的力和「向外」推動的力之間的驅動力差異。根據第二主要變型——其中以預測方式考慮金屬在彎月面的流動，通過考慮鑄造 固有的參數來預測熔融金屬在錠模內的自然流動模式；然後使驅動力相互間差異化，以便 如果金屬浴的自然流動模式是「單環」類型，就進一步增強把金屬「向內」推動的力，而相反 地，如果金屬浴的自然流動模式是「雙環」類型，就進一步增強把金屬「向外」推動的力。優選地，不僅預測自然流動模式，還預測金屬在彎月面流動的自然速度，並調節 「向外」推動的驅動力和「向內」推動的驅動力之差，使該差與預測的在彎月面的自然速度呈 比例。本發明的目標還在於實施在其變型中的所述方法的電磁設備，在該變型中，測量 熔融金屬在彎月面的流動速度以實現熔融金屬在扁坯連鑄的錠模的上部分中進行橢圓旋 轉，所述錠模設有在鑄造軸線上對中的沒入式鑄造注口，並且所述注口具有相對錠模端部 小表面開放的側向輸出孔，所述電磁設備包括至少四個分開的具有滑動磁場的多相感應 器，這些感應器按照錠模每個大表面兩個感應器的方式安裝在錠模大表面上，並排位於錠 模同一大表面上的感應器產生的驅動力在相互間相同的方向上、而在與另一大表面上的相 對的兩個感應器所產生的驅動力方向相反的方向上，將熔融金屬沿錠模寬度推動，從而形 成一具有四個驅動力的系統，其中的兩個驅動力與任一對相對於鑄造軸線呈對角線就位的 感應器相關並把金屬從所述注口推向所述小表面，因此「向外」推動，而另外兩個驅動力本 身與另一對處於對角線上的感應器相關並把金屬從所述小表面朝所述注口「向內」推動，其 特徵在於，為了在彎月面實現均勻的軸向旋轉運動，該設備包括-向感應器多相供給電流的供電裝置，該供電裝置配有使每個感應器作用於錠模 中鑄造熔融金屬的驅動力差異化的部件；-速度測量部件，用以在錠模同一大表面附近測量熔融金屬在彎月面的「向內」流 動的速度和「向外」流動的速度，並產生代表測得所述速度之差的幅度和符號上的差動信 號；-和控制所述供電裝置的控制部件，所述控制部件能夠響應所述差動信號而作用 於使驅動力差異化的部件，以使所述差動信號趨於零。本發明的目的還在於用於實施在其變型中的所述方法的電磁設備，在所述變型 中，以預測方式考慮熔融金屬在彎月面的流動以獲得熔融金屬浴在扁坯連鑄的錠模中的橢 圓軸向旋轉，所述錠模設有在鑄造軸線上對中的沒入式鑄造注口，並且所述注口具有相對 錠模端部小表面開放的側向輸出孔，所述電磁設備包括至少四個具有滑動磁場的多相感應 器，這些感應器根據錠模每個大表面兩個感應器的方式安裝在錠模大表面上，並排位於錠 模同一大表面上的感應器產生的驅動力在相互間相同的方向上、而在與另一大表面上的相 對的兩個感應器所產生的驅動力方向相反的方向上，將熔融金屬沿錠模寬度推動，從而形 成一具有四個驅動力的系統，其中的兩個驅動力與任一對相對於鑄造軸線呈對角線就位的 感應器相關並把金屬從所述注口推向所述小表面，因此「向外」推動，而另外兩個驅動力本身與另一對處於對角線上的感應器相關並把金屬從所述小表面向所述注口「向內」推動，該設備的特徵在於，為了實現在彎月面處的均勻的軸向旋轉運動，該設備包括-向感應器多相供給電流的供電裝置，該供電裝置配有使每個感應器作用於錠模 中鑄造熔融金屬的驅動力差異化的部件；-識別部件，用以識別熔融金屬浴在錠模中的自然流動模式；-和控制所述供電裝置的控制部件，所述控制部件能夠響應所述流動模式的識別 部件而作用於使驅動力差異化的部件，以便如果金屬浴的自然流動模式為「單環」類型，就 進一步增強把金屬「向內」推動的力，並且相反地，如果金屬浴的自然流動模式為「雙環」類 型，就進一步增強把金屬「向外」推動的力。在一優選實施變型中，所述供電裝置的控制部件作用於使驅動力強度差異化的部 件，以便如果並且只有如果金屬浴的自然流動模式為「非穩態流動」類型，就使所有驅動力 的強度相等。在一完全自動化的優選實施變型中，識別金屬浴在鑄造錠模內部的流動模式的部 件是預測性質的，並由一信息系統構成，該信息系統包括帶有讀寫存儲器的程控計算機，借 助從鑄造參數描述自然流動的流體力學數學模型構建成的識別圖表(和/或它們的解析形 式)記錄在該讀寫存儲器中，氬流量、鑄造扁坯的直截面、注口的幾何形狀和浸入深度以及 鑄造速度即為所述鑄造參數。在此階段適於回顧的是，「單環」、「雙環」和「非穩態流動」需要在鑄造過程中金屬 浴在扁坯錠模內的自然流體動力學所採取的可能形態加以理解。如將要了解的，根據本發 明的相同基礎，實際上正是這些形態並且只有這些形態決定需施加於錠模的驅動電磁力場 布局(topologie)，以便使彎月面具有均勻的和發展良好的橢圓軸向旋轉運動。同樣，看來 適當地還明確均勻旋轉運動所含的意義以及有權對鑄造金屬質量方面期待的益處。


下面將在參照作為示例給出的附圖對本發明及其實施部件進行更詳細描述的範 圍內了解這些細節，附圖如下-圖Ia和Ib分別表示「單環」類型的結構和「雙環」類型的結構，這些結構在澆鑄 過程中於扁坯連續鑄造錠模內，形成在與錠模大表面平行且經過鑄造軸線的錠模主要中間 平面B中，其中鑄造注口中心定位在鑄造軸線上；-圖2a和2b以從錠模上方觀看示出熔融金屬在錠模中的自然流動分別為「單環」 類型和「雙環」類型的情況下，金屬在彎月面處的流動運動；-圖3a示意表示根據本發明的適用於圖2a「單環」類型的熔融金屬自然流動的彎 月面處驅動電磁力場圖；-圖3b示意表示根據本發明的適用於圖2b「雙環」類型的熔融金屬自然流動的彎 月面處的另一驅動電磁力場圖；-圖4同樣以俯視圖表示通過把符合圖3a的驅動力場施加於圖2a「單環」類型 的表面運動布局、或者通過把符合圖3b的驅動力場施加於圖2b 「雙環」類型的表面運動布 局，而在彎月面處所得到的熔融金屬的均勻循環運動；-圖5示意表示根據本發明一設備的實施例，其通過測量控制熔融金屬在扁鋼連鑄錠模的彎月面處的流動模式，以便在錠模中實現圖4的熔融金屬的均勻軸向旋轉運動；-圖6示意表示根據本發明的一設備的實施例，其通過預測控制熔融金屬在扁鋼 連鑄錠模內的自然流動模式，以便在彎月面處實現圖4的金屬的均勻軸向旋轉運動。
具體實施例方式在這些圖中，相同的零件採用相同的參考標號表示。首先，需要指出的是，作用在單位液態金屬量上以把液態金屬朝產生該力的磁場 的傳播方向上帶動的電磁力F可通過關係式F= σ. V. Brff2來估算，其中σ是金屬的導電 率，Beff是磁感應的有效強度，而V是相對於金屬的磁場的相對滑動速度。該相對速度通過 關係式V = 2 τ . f，-ν給出，其中τ是感應器的極距(pas polaire)，f是供給該感應器的 電流的頻率，而ν是承受磁場的、假設在與磁場相同的方向上傳播的金屬的速度。還應指出 的是，通過安培定理，Brff從通過感應器導體中的電流的有效強度Irff直接得出。因為按一般規律，感應器極距T是由結構確定的一固定量，可以看出，或者能通過 供給電流的強度Irff控制驅動力F的強度，或者如果為此擁有變頻電源供應器時則通過該 電流的頻率f控制驅動力F的強度。下面，為了簡化假設通過供應電流的強度控制驅動力， 則調節供電以使供電頻率處於3Hz、甚至更低的低值，以便在感應器附近的熔融金屬中得到 磁感應的足夠穿透深度，並考慮到待穿過的錠模的壁厚和形成它的金屬成分。為了清楚起見，已致力於從液態金屬驅動力方面、而非滑動磁場方面來闡述本發 明的實施，當然正是這些磁場通過與金屬的相互作用產生這些驅動力，並且這些磁場由感 應器產生，通過控制輸入感應器的電流(強度或頻率)操控這些感應器的運行。現在關於熔融金屬浴在扁坯連續鑄造錠模內的自然流體動力學——其中通過帶 有側向輸出孔的沒入式中心注口給錠模提供熔融金屬，已經能闡明的是該流體動力學可 按照三種可能的循環模式表現，即兩個主要的穩態模式和一個非穩態模式。第一個穩態模式為「雙環(double boucle)，，模式(更為熟悉的是英文「double roll」)。根據圖Ib和2b所示的該模式，通過中心定位在鑄造軸線A上的沒入式注口 3的 側孔2到達錠模的每個金屬流1，以使得其在衝擊後分為兩股相反的流7和流8的一入射角 和一運動量，到達錠模的端部小表面5上。流8在深度上下沉，而流7則沿小表面5上升直 到彎月面4，在該彎月面，一旦到達該位高，流7則發展成為片層(lame) 16，片層16沿大表 面12、12』朝錠模軸A行進，以在軸A處與來自另一小表面5』的相應的片層16』相遇。第二種穩態模式稱為「單環(simple boucle)，，(即英文「singleroll」)。在如圖 Ia和2a所示的該模式中，關於輸入流1的相關功率的前述條件並未得到滿足。來自於注口 中氬噴射的、分散在金屬流中的氣泡的阿基米德浮力因而具有決定性作用源自幾乎所有 金屬流1的流9從注口孔2出來後不久，就向彎月面4上升，因此其成為熔融金屬從注口 3 向每個小表面5和5』行進的熔融金屬循環的源地(siSge)，表面流一旦到達小表面就向錠 模底部下沉。如果需要，可以在2002年10月14、15和16日在(英國)伯明罕舉行的第四屆歐 洲連續鑄造研討會上介紹的Pierre H. Dauby及其同事的題為「On the effect of liquid steel flow pattern on slab quality and the need fordynamic electromagnetic control in the mold(液態鋼流動模式對扁坯品質的影響以及在模具中動態電磁控制的需求)」的文章中找到對這兩種金屬流動模式的詳細描述，該文章的內容通過參考併入本案 中。這兩種主要模式由一種未示出的、但幸好較不常見的模式補充完整，該模式表現 錠模內流動的通常暫態性的、但不總為暫態性的不穩定性。已知的是一個原因在於這一事 實在鑄造過程中，一鑄造參數或者有意地(例如鑄造過程中尺寸的改變)或者偶然地(例 如氬流量)改變。這可能足以迫使錠模中的金屬循環具有「單環」流動與「雙環」流動之間 的轉換，並且反之亦然，無需做任何事情來防止上述情況的發生、甚至都不了解。可能找到 的另一個原因是輸出流中突然出現非對稱性——這例如注口的一個側孔出現部分堵塞後 所導致的。另一個此外可能最常見的原因還可能是決定鑄造的四個基本參數(扁坯的寬 度、鑄造速度、氬流量和注口孔的浸入深度)的數值的「不利」組合，這種不利組合因而產生 導致複雜和隨機的空間能量分布的混亂流體動力學現象，從而可能出現例如「雙環」模式和 「單環」模式之間的持久波動，並且反之亦然。實際上，很難簡單描述該第三種模式，除非提 及熔融金屬質量在錠模中、於注口各側的「左-右」擺晃現象並且在彎月面處呈橫擺和縱搖 形式的反響，如果這些現象持續太長時間則甚至可能影響鑄造的成功。如果例如在注口與 小表面之間大約一半距離處進行的金屬在彎月面的速度測量波動且得到平均為零的結果， 則應識別為所述「非穩態流動」模式。
回顧這些內容後，還應明確當術語「均勻」用於定性說明熔融金屬在彎月面的軸向 旋轉運動時該術語「均勻」必須表達的含義、以及如可在圖4中示意看到的這種軸向旋轉在 冶金方面的意義。當沿錠模壁的速度在彎月面所有點全都相等(或基本相等)時，就構成 熔融金屬在彎月面的均勻軸向旋轉運動。否則，由於熔融金屬是不可壓縮的液體，因而將不 可避免地以偶發和不可控制的方式產生再循環的微小迴路，正如所了解的，這些再循環的 微小迴路可能轉化為對鑄造金屬的冶金純度非常有害的局部渦旋。這就是說，使金屬在彎月面軸向旋轉的公知好處實際上產生於轉歸於該旋轉運動 的兩個主要功能。第一個功能是「攪動」金屬浴的功能，其使得彎月面處熱均衡化。否則，會在此形 成局部溫度梯度，局部溫度梯度會無可挽回地導致與錠模冷卻銅壁接觸的第一表層固化的 非均質性，並且產生已知的會在固化過程中在產品上出現裂縫和與此有關的穿孔危險性的後果。第二個功能是固化前緣的「刷洗」。熔融金屬內部不可避免地存在的氣泡或非金屬 顆粒，常常被經歷分枝狀成長的固化前緣的孔洞(infractuositS)吸附，成為習慣稱為的 夾雜物。如果刷掃流的速度超過每個情況所固有的一限值，這些氣泡和顆粒將被釋放並與 金屬流一起被帶走，直至在表面被澄析出，在表面這些氣泡和顆粒被漂浮的覆蓋熔渣俘獲。 這樣，固化鑄造產品的表皮層沒有夾雜物，因此得到的產品質量良好。需要指出的是，通過水平掃掠前緣的金屬流所產生的前緣刷洗，還有助於通過使 此處速度均勻，而實現熔融金屬自由表面的溫度均勻。正如已經強調指出的，熔融鋼是液 體，因此是物質的不可壓縮狀態，在表面的任何的速度非均勻性都可能是偶發性出現局部 渦流的原因，而局部渦流是通過把表面覆蓋粉末帶到金屬浴中深處而導致金屬汙染的起 因。作出這些說明後，現在首先進行這樣的假設金屬浴循環為「單環」模式。
從錠模上方觀看的彎月面上產生的金屬自然循環運動的圖像由圖2a表示出。正如可看到的，在某種程度上，涉及的是在注口 3附近二側形成的兩個相反的稻草掃帚頭，在 注口處還集聚著的初始連鑄流1(輸出射流1)迅速分離，延伸成為一直傳播到小表面5附 近的多個平行連鑄流組成的一流束9，這些平行的連鑄流此時在小表面5處向下彎曲，以下 降到錠模深處(參見圖la)。現在參照對應圖3a，該圖表示本發明的適用於「單環」情況的實施。錠模具有確定 待鑄造的扁坯尺寸的伸長狀的矩形直截面。沒入式注口3在鑄造軸線A上對中心。產生沿 錠模寬度滑動磁場的四個平坦多相(此例中採用三相)感應器10a、10b、10c和10d，根據 每個大表面兩個感應器的方式，面對錠模大表面12和12』安裝。感應器IOa和IOb對齊安 裝在大表面12上並在注口 3的兩側，而感應器IOc和IOd同樣如此地安裝在相對的大表面 12』上。這四個感應器形成在錠模幾何形狀中的一對稱組合體，既相對於鑄造軸線A軸向對 稱同時又相對於錠模的與大表面12、12』平行並通過鑄造軸線A的主要中間平面B呈平面 對稱。因此，例如，感應器IOa同時是相對於主要中間平面B對面布置的感應器IOd的對稱 物、相對於第二中間平面(未示出)的並排布置的感應器IOb的對稱物、以及是相對於鑄造 軸線3(鑄造軸線本身位於主要中間平面B和第二中間平面的交點)按對角線布置的感應 器IOc的對稱物。正如可看到的，該結構使得每個感應器覆蓋其定中心在上的大表面12、12』的大 約一半寬度。該覆蓋可以只是局部的，因為磁場不需要一直作用到端部小端面5、5』上，另 外也不需要作用於注口 3處。相反，在兩個並置的感應器之間設置幾釐米的自由空間可能 是有用的，以便可以在該空間中放置錠模結構的機械加固裝置。感應器與它們的供電裝置的連接使得並排位於錠模同一大表面上的感應器產生 這樣的磁場這些磁場朝相互間相同的方向上、而與另一大表面上的兩個相對感應器所產 生的磁場方向相反的方向滑動。錠模中存在熔融金屬時，因而產生一具有四種驅動力的系 統，每個驅動力與一不同的感應器相關-第一對力，它們在每個大表面12和12』上呈對角線相對(與感應器IOa和IOc 相關的力)，把金屬從小表面5和5』推向鑄造軸線3，為了簡化，將該對力稱為「向內」推動 的力；-和第二對力，它們沿另一對角線互相相對(與感應器IOb和IOd相關的力)，把 金屬從鑄造軸線3推向小表面5和5』，將該對力稱為「向外」推動的力。為了清楚起見，這些力沿相關感應器、利用位於錠模內於大壁附近的矢量表示。根據本發明一主要特徵，與錠模一大表面相面對的兩個並排感應器所產生的液態 金屬驅動力的強度相互不同。在應用於錠模內呈「單環」型金屬循環的本情況下，如圖3a所示，該特徵意味著 「向內」推動的呈對角線的一對力(粗箭頭)的強度高於「向外」推動的呈對角線的另一對 力(細箭頭)的強度。實際上，感應器IOa和IOc以與彎月面上的自然流動相「逆流」的方式起作用(參 見圖2a)，它們要產生的驅動力大於它們的相鄰感應器IOb和IOd的驅動力，感應器IOb和 IOd以與彎月面上的自然流動「共流」的方式起作用。如將要理解的，這是為了在大表面附 近錠模寬度的所有寬度點上得到在強度上速度基本相同的強制流動。如果在一個大表面上的兩個並排感應器的力相等，則「向內」推動並且因此應克服在所考慮的一半寬度上的自然流動的逆反流的力，將產生必然比緊鄰的另一半寬度上的更弱的流動，這將導致非均勻的 整體流動。因此可以理解的是，根據本發明，圖3a所示的差動成對驅動力組(作用力IOa和 IOc比作用力IOb和IOd推力更強)的應用，導致彎月面4處的熔融金屬具有一整體運動， 該整體運動從圖2a上所示的自然形態轉變到如圖4上所示的圍繞鑄造軸線A的穩定並成 形的橢圓迴旋形態。如已經強調過的，正是供給感應器的電流的強度是操縱這些力的強度的、因此操 縱「向內」推動的力對和「向外」推動的力對之間差距以實施本發明的優先起作用者。因此 隨著金屬沿大壁的流動越不均勻，該差距將越大，以便更好地使金屬相對每個感應器的移 動速度相等，金屬在彎月面的軸向橢圓旋轉運動將越均勻，並且很好地發展到彎月面表面。 最佳調節位置顯然隨每次鑄造的固有特性變化。例如通過安放直接測量在彎月面於注口各 側的局部速度的儀器以調節驅動力或者通過預測管理——下面將參照圖5和6對其進行描 述，就可達到這一點，無論如何接近這一點。在金屬浴在錠模中的自然流動模式為「雙環」類型的情況下(參見圖2b)，也將得 到關於金屬在彎月面的旋轉運動的穩定和均勻特徵的類似結果。為此通過參照圖3b，可發現與圖3a布置相反的布置佔優勢正是「向外」推動的力 對10b、10d這次比「向內」推動的力對10a、IOc更強有力。按照該布置，該組差動力對的應 用導致賦予在彎月面的熔融金屬以一種整體運動，該種整體運動從圖2b的自然形態轉變 到圖4所示的穩定且均勻的圍繞鑄造軸線A的橢圓迴旋形態。相反，在「非穩態流動」的情況下，「向內」推動的力的強度與「向外」推動的力的強 度之差優選為零，並且強度增加到在彎月面得到儘可能均勻的軸向旋轉運動。共同參照圖5和6，現在更具體地描述符合本發明的根據兩個實施變型的電磁設 備的組成、以及四個感應器相互之間的電連接及四個感應器與它們的多相供電裝置的電連 接。所示設備在運行位置安裝在扁坯鑄造錠模上，為了不使圖無用地過度繁雜，圖中只簡單 示出了錠模的在鑄造軸線A上對中的單一沒入式注口 3、大表面12、12』和端部小表面5。在考慮的例子中，兩個相互呈對角線就位的感應器與同一供電裝置連接。因此感 應器IOa和IOc與供電裝置15a連接，而感應器IOb和IOd與供電裝置15b連接。當然，需遵守的極性順序是將保證磁場在所需方向上滑動的順序。因此，根據例舉 的配裝，感應器產生如圖Ic和2c上所示的水平滑動的相應磁場，以便實現金屬在彎月面的 迴旋運動，該迴旋運動從上方觀看在如圖3所示的順時針方向上進行。可以理解的是，如果 由於任何原因，希望在彎月面進行逆時針運動，則只需顛倒感應器的極性。供電裝置由兩個分開的相同電源供應器15a和15b組成，其中每個供電裝置設有 用於使每對感應器的驅動力強度差異化的部件。每對呈對角線布置的、因此配對的感應器 與一個且只與單一個供電裝置連接該對感應器IOa和IOc由電源供應器15a供電，而該對 感應器IOb和IOc由電源供應器15b供電。要提及的是這涉及多相供電，優選是雙相或三 相供電，以便感應器能夠產生滑動磁場。如已經說到的，對變頻電晶體供電裝置，優選選擇 VVVF(變壓變頻)型的變頻式電晶體電源供應器，以便能夠很容易地調節輸送給感應器的 電流強度、因此調節磁場強度，並且調節電流頻率、因此調節滑動磁場的移動速度。
如果金屬浴的自然流動為「單環」型的，則調節供電，以便通過選擇電流強度(必 要時也可選擇其頻率)，正是電源供應器15a使它供給的兩個處於對角線的感應器IOa和 IOc產生的驅動金屬力要大於另外兩個與電源供應器15b連接的呈對角線的感應器IOb和 IOd所產生的驅動金屬力。如果金屬浴的自然流動為「雙環」型，情況則相反。在「非穩態 流動」的情況下，則調節兩個電源供應器15a和15b，以給它們輸送相同的電流強度以使四 個感應器產生。根據本發明的設備的兩個實施變型的不同在於控制這些電源供應器的方式。根據圖5所示的第一變型並以直接測量彎月面上的速度為基礎，通過調 節器13根 據上述標準控制電源供應器15a和15b。調節器13的作用在於根據其從流體速度測量部件 接收到的彎月面處的速度信息，持續調節要施加給應產生最強推力的感應器對與另一對感 應器之間的電流強度差。所述測量部件由兩個速度測量探測器20和21構成。這些探測器在彎月面的不同 位點、在注口 3 二側稍微沒入到熔融金屬中，優選距注口相等距離，並距錠模的同一大壁、 這裡是大壁12同樣相等距離。其可以是機械探測器，在機械探測器中扭矩在金屬流脈衝下 形成，因此其直接取決於流動中的金屬的速度。這些速度傳感器將它們的信息以帶有表示 測得速度方向的符號的信號形式傳遞給調節器13。調節器13接收這些速度信號，實際上是代數差，以建立與速度差成比例的指令信 號，並且其符號指示出在注口兩側與探測器20和21接觸的兩股金屬流中最強的那股金屬 流，並且因此指示出兩對感應器中的哪一對應產生較小的推力。該指令允許電源供應器 15a、15b給感應器輸送適當的電流強度、因此即差動強度並且它們之間的差表現為差動推 力，這些差動推力在金屬上的作用導致指令信號趨向於零，從而保證所尋求的金屬在彎月 面的旋轉運動的均勻性。如果兩個探測器的速度信號在零的周圍波動，則熔融金屬在彎月面的運動是不穩 定的，並且需施加在兩對感應器之間的電流強度之差將為零。當然，對彎月面處速度的驅動力調節的該迴路必須以啟動階段為前提。鑄造開始時，四個驅動力在強度上將相等。為了確定想法，「向內」推動的力(感應 器IOaUOc)和「向外」推動的力(感應器10b、10d) —樣例如能利用每個感應器500A的電 流產生。然後，調節器13通過位於與感應器IOb和IOa相對的壁12附近的探測器20、21 進行第一次測量金屬流的速度，並建立表示它們的差異的信號。可以理解的是，該差動信號 在幅度和符號上取決於金屬在錠模中的自然流動模式。根據需要，參照圖2a和2b，以便事 實上可看到如果流動模式是「單環」的(圖2a)，探測器20將測出的速度明顯大於探測器 21測得的速度，而如果流動為「雙環」的(圖2b)，結果則相反。因此該差動信號的符號將 告知調節器13關於流動模式的認定，並且其幅度允許其建立用以控制電源供應器15a、15b 的強度偏差信號。然後，力的呈環路狀的調節可以確定並且基本接替鑄造周期，而無論錠模 中熔體的自然流動模式的變化如何。更普遍的說，預先選擇電流強度(和頻率)的設定值，並且在嚴格意義上的調節階 段之前、啟動金屬旋轉時施加給四個感應器。根據鑄造金屬級別和/或尋求的質量目標，該 預先選擇可以人工進行，或者根據記錄數值自動進行，例如在可程控式自動裝置中。(例如PLC型的)該可程控式自動裝置可以包含調節器13。圖6所示的該設備的第二實施變型是基於熔融金屬自然流動的預測方法。根據前 面陳述過的標準控制電源供應器15a和15b，是藉助控制部件16實施的。控制部件16有 利地由已知並且市場上具備的「PLC」(PLC=可編程邏輯控制器)型可程控自動裝置構成， 其作用是計算並把電流強度(並根據需要還有頻率)的設定值分別施加給電源供應器15a 和15b，因此這裡PLC 16是將確定兩對感應器中的哪一對應產生最強推力的系統機構，但 這次是響應對錠模中金屬浴自然流動模式的預測識別，而不再是籍由「調節」以取消來自直 接測量彎月面處速度的偏差信號。因此，PLC 16通過用於識別錠模中金屬浴流動模式的識別部件17，接收對於該任 務它需要的信息。要指出的是，因此所述識別部件取代第一實施變型的速度傳感器，因為如下面將 要解釋的，這些速度傳感器不大容易應用在連續鑄造錠模中。識別部件17由具有讀寫存儲器的PC(個人電腦)型標準計算機構成，存儲器包含 該識別所需的工具。在該階段有用的要明確，「流動模式識別」不僅應理解為定性預測涉及的是「單環」 型還是「雙環」型或是「非穩態」型的流動，還應理解為定量預測金屬在彎月面的流動速度， 當然為零的預測速度歸為非穩態流動。
因此基本上，這些工具由構建在流體力學的數學模型上的適當軟體構成，該軟體 一方面能夠從兩個初始固定的鑄造參數——即錠模厚度和注口幾何形狀——出發、並且另 一方面從四個在鑄造過程中會變化的量值——即鑄造扁坯的寬度、鑄造速度、注口孔的浸 入深度和氬的注入流量——出發，預測金屬浴在錠模中的流動模式。所有這些數據——無 論兩個一組的固定數據還是四個一組的可變數據都一樣，優選通過從鑄造設備的總計算機 19自動獲取來輸入，從而控制鑄造作業。為了迅速識別流動模式，該軟體所產生的結果可以 具體化為PLC可以使用的算圖的形式，PLC可通過自動讀取使用或轉為解析形式後使用。還可以涉及把這些「兩個一組_四個一組」的量組的可能數值與它們中每一個所 推測的流動模式結合的資料庫。在鑄造過程中，使鑄造固有的一組瞬時「兩個一組-四個一 組」數據隨時間定期與該資料庫的數據進行比較，則可以得到與鑄造數據最佳對應的存儲 資料，並且因此可以定性和定量地識別熔融金屬在錠模內的自然流動模式。最後，對每個這樣計算的流動模式，PC 17給出的結果當然能夠提供金屬在彎月面 的自然平均速度的數位化值，該值可以使控制裝置PLC 16確定一偏差值，例如200A (或者 如果啟動初始電流已經預先選擇為500A，則對於兩個更強的為600A，而另外兩個為400A)， 並且在此意義上指令電源供應器15a和15b，以使它們輸送相對應的電流強度給相關的成 對感應器。總之，識別部件17因此為控制部件16提供一信號，該信號的幅度與熔融金屬在彎 月面的自然流動速度成比例，且該信號的符號(根據該速度的方向是向內或向外)提供是 「單環」還是「雙環」流動類型的識別。控制器16因而根據佔優勢的流動類型確定兩對感應 器中的哪一對應當產生最強推力。控制器16還計算兩對相關感應器之間的供電電流強度 差，以使該電流強度差與金屬在彎月面的平均速度成比例，並且將對應設定值傳遞給電源 供應器15a和15b。
如果PLC 16從PC 17接收到幅度為零的信號，則它消除供電電流強度(和頻率) 差，並將相同的供電電流(和頻率)設定值發送給四個感應器，該設定值與根據鑄造金屬的 級別和/或尋求的質量目標預先選擇或預先記錄的值相對應。可以理解的是，本發明使鑄造過程中金屬在彎月面的軸向旋轉獲得「線狀」均質 性。藉助自動獲取確定流動模式的四個一組的可變參數，可以隨著鑄造的進行通過回應這 些到達PC 17的四個一組的數值，在每個時刻，對感應器推力施加足夠的差異化，其將持續 保證得到在彎月面的均勻轉動，而無論鑄造過程中錠模內接續的流動模式如何均如此。因 此，與適應一個並只適應單一流動模式的、因此適合於僅是總鑄造時間一部分的鑄造順序 的已知先前系統相反地，本發明在整個鑄造期間或者幾乎整個鑄造期間對於可能的不穩定 流動順序，都能保證鑄造有效最佳「覆蓋」。「調節」系統與「預測」系統之間的選擇由使用者決定，使用者根據其 意願或需要實 施選擇。這裡要簡單指出的是，「預測」實施變型在軟體設備上當然有稍微要求更高，但相反 地，它具有常常是決定性的優點彎月面沒有任何儀器浸入，並且沒有速度傳感器的最好幾 個小時的有限壽命限制。當然本發明並不限於上面描述的例子，而是在所附權利要求給出的其定義得到滿 足的範圍內，本發明可延伸到多種變型和等同方案。因此，與給定電源供應器15a或15b連接的形成對的感應器可以如圖5、6所示的 互相併聯地電連接、或者串聯。同樣，可以設置與感應器同樣多的電源供應器。則其中的每個感應器通過它專用 的電源供應器被供給電流，這樣尤其可增加調節靈活性，同時根據需要允許在對角線上的 感應器所產生的力的強度中產生輕微不平衡。實際上，如果對角線上的兩個感應器的驅動力相等可能看來更加合理的話，但 這並不是本發明的必要設置。這些力本身實際上互相之間在強度上可以不同，即便這樣 評估使得在彎月面得到均勻旋轉的第一標準——即熔融金屬經過每個感應器前的速度相 等——得到滿足而所期望的。同樣，感應器的數量可以大於四個，當然在這種情況下，該數量應保持成對，以便 使錠模的每個大表面配有相同數量的感應器。另外，對於可能提出的了解感應器應安裝在錠模什麼高度上的問題，給出的答案 是原則上不一定必須將這些感應器向上升到彎月面位高。如果感應器設計成用於足夠的電 功率並因此產生足夠的力，則將感應器設置在甚至彎月面以下幾十釐米處，都可以在彎月 面實現相當穩定和均勻的旋轉運動。
權利要求
使熔融金屬在扁坯連鑄的錠模中進行橢圓軸向電磁旋轉的方法，所述錠模設有沒入式鑄造注口，所述注口定中心在鑄造軸線上並具有面向錠模端部小表面開放的側向輸出孔，在該方法中，按照錠模每個大表面兩個感應器的方式，在錠模大表面上安裝至少四個多相感應器，這些感應器產生沿錠模寬度的滑動磁場；並且調節並排位於錠模同一大表面上的感應器，以形成一具有四個驅動力的系統，其中的兩個驅動力與任一對相對於鑄造軸線呈對角線就位的感應器相關並把金屬從所述注口推向所述小表面，因此「向外」推動，而另外兩個驅動力本身與另一對處於對角線上的感應器相關並把金屬從所述小表面推向所述注口，因此是「向內」推動，這四個驅動力的聯合應用總體上賦予熔融金屬在彎月面的橢圓軸向旋轉運動，該方法的特徵在於，為了在鑄造過程中使熔融金屬在彎月面的所述旋轉運動均勻，以使所述驅動力相互間差異化的方式調節這些驅動力的強度，以便考慮在一大表面附近，如果金屬在此的「向內」的流動比「向外」流動更強，就將更高的強度施加給把金屬「向外」推動的兩個力，而相反地，如果金屬在此「向內」的流動比「向外」的流動弱時，就把更高的強度施加給把金屬「向內」推動的兩個力。
2.如權利要求1所述的方法，其特徵在於，在錠模同一大表面附近測量熔融金屬在彎 月面的「向內」流動的速度和「向外」流動的速度；產生代表測得速度之差的幅度和符號式 差動信號；並且通過施加一持續地趨於使所述差動信號趨向於零的差量，調節「向內」推動 的力和「向外」推動的力之間的驅動力差異。
3.如權利要求1所述的方法，其特徵在於，通過考慮鑄造固有的參數，識別熔融金屬在 錠模內的自然流動模式；然後使驅動力相互間差異化，以便如果金屬浴的自然流動模式是 「單環」類型就進一步增強把金屬「向內」推動的力，而相反地，如果金屬浴的自然流動模式 是「雙環」類型就進一步增強把金屬「向外」推動的力。
4.如權利要求1、2或3所述的方法，其特徵在於，使與同一對的呈對角線就位的兩個感 應器相關的兩個驅動力的強度相等。
5.如權利要求1、2或3所述的方法，其特徵在於，如果並且只有如果金屬浴在錠模中的 自然流動模式為「非穩態流動」類型，使所有驅動力相互間在強度上相等。
6.用於實施如權利要求2所述的方法的電磁設備，所述方法使熔融金屬在扁坯連鑄的 錠模(1)的上部分中進行橢圓軸向旋轉，所述錠模設有在鑄造軸線(A)上對中的沒入式鑄 造注口(3)，並且所述注口(3)具有相對錠模端部小表面開放的側向輸出孔(4)，所述電磁 設備包括至少四個分開的產生滑動磁場的多相感應器(10a、10b、10c、10d)，這些感應器按 照錠模每個大表面兩個感應器的方式安裝在錠模大表面(12、12』 )上，並排位於錠模同一 大表面(12)上的感應器(10a、10b)產生的驅動力在相互間相同的方向上、而在與另一大表 面(12』 )上的相對的兩個感應器(10c、10d)所產生的驅動力方向相反的方向上，將熔融金 屬沿錠模寬度推動，並且其特徵在於該電磁設備包括-給感應器多相供給電流的供電裝置(15a、15b)，該供電裝置配有使每個感應器作用 於錠模中鑄造熔融金屬的驅動力差異化的部件；_速度測量部件(20、21)，用以在錠模同一大表面(12)附近測量熔融金屬在彎月面的 「向內」流動的速度和「向外」流動的速度，並產生代表測得所述速度之差的幅度和符號方面 的差動信號；-和控制所述供電裝置的控制部件(13)，所述控制部件能夠響應所述差動信號而作用 於使驅動力差異化的部件，以使所述差動信號趨於零。
7.用於實施如權利要求3所述的方法的電磁設備，所述方法使熔融金屬在扁坯連鑄的 錠模(1)的上部分中進行橢圓軸向旋轉，所述錠模設有在鑄造軸線(A)上對中的沒入式鑄 造注口(3)，並且所述注口(3)具有相對錠模端部小表面開放的側向輸出孔(4)，所述電磁 設備包括至少四個分開的產生滑動磁場的多相感應器(10a、10b、10c、10d)，這些感應器根 據錠模每個大表面兩個感應器的方式安裝在錠模大表面(12、12』 )上，並排位於錠模同一 大表面(12)上的感應器(10a、10b)產生的驅動力在相互間相同的方向上、而在與另一大表 面(12』 )上的相對的兩個感應器(10c、10d)所產生的驅動力方向相反的方向上，將熔融金 屬沿錠模寬度推動，並且其特徵在於該設備包括-向感應器多相供給電流的供電裝置(15a、15b)，該供電裝置配有使每個感應器作用 於錠模中鑄造熔融金屬的驅動力差異化的部件；-識別部件(17)，用以識別熔融金屬浴在錠模中的自然流動模式是「單環」還是「雙環，，；-和控制所述供電裝置的控制部件(16)，所述控制部件能夠響應所述識別部件(17)而 作用於使驅動力差異化的部件，以便如果金屬浴的自然流動模式為「單環」類型，就進一步 增強把金屬「向內」推動的力，並且相反地，如果金屬浴的自然流動模式為「雙環」類型，就 進一步增強把金屬「向外」推動的力。
8.如權利要求6或7所述的電磁設備，其特徵在於，調節所述供電裝置(15a、15b)的控 制部件(13或16)，以便作用於使驅動力強度差異化的部件，從而如果並且只有如果金屬浴 的自然流動模式為「非穩態流動」類型，就使所有驅動力的強度相等。
9.如權利要求6或7所述的電磁設備，其特徵在於，所述供電裝置由兩個分開的電源供 應器(15a和15b)構成，每個電源供應器供給一對並且只供給單對在錠模大表面(12、12』) 上呈對角線布置的感應器(10a、10c和10b、10d)。
全文摘要
四個分開的具有滑動磁場的多相感應器(10a、10b、10c、10d)按錠模每個大表面兩個感應器的方式安裝在錠模大表面(12、12』)上，並排位於錠模同一大表面(12)上的感應器(10a、10b)產生的驅動力在相互間相同的方向上、而在與另一大表面(12』)上的相對的兩個感應器(10c、10d)所產生的驅動力方向相反的方向上，將熔融金屬沿錠模寬度推動，使驅動力相互間差異化的方式調節這些驅動力的強度，以便考慮在一大表面附近，如果金屬在此的「向內」的流動比「向外」流動更強，就將更高的強度施加給把金屬「向外」推動的兩個力，而相反地，如果金屬在此「向內」的流動比「向外」的流動弱時，就把更高的強度施加給把金屬「向內」推動的兩個力。本發明的實施可在整個鑄造過程中實現很好發展且均勻的金屬在彎月面的軸向旋轉運動，而無論金屬浴在錠模內的自然流動模式如何。
文檔編號B22D11/115GK101827670SQ200780101117
公開日2010年9月8日 申請日期2007年12月17日 優先權日2007年12月17日
發明者S·孔斯特萊希 申請人:羅泰萊克公司