CN1096903C - 用于金属连铸或半连铸的装置 - Google Patents

Abstract

一种用于金属连铸或半连铸的装置，其包括一冷却的连铸结晶器组件和布置在结晶器组件的顶端的感应线圈(10)。该结晶器组件通过间隔装置分为至少两个相互分离并电绝缘的结晶器组件部分，间隔装置基本上是沿浇铸方向取向的且包括电绝缘的隔断层。各结晶器组件部分包括与相应的起机械支撑作用的结晶器支承结构部分(21、22、23、24)相关联的结晶器部分(11、12、13、14)，和电导体(31、32、33、34、35、36、37、38、43、44、45、46)，其电导率高于支承结构的电导率。该导体布置为在结晶器支承结构部分背离结晶器的侧面，即外侧面上与结晶器支承结构部分相关联。

Description

用于金属连铸或半连铸的装置

技术领域

本发明涉及将金属或合金连铸或半连铸成细长铸坯的装置，其中该铸坯用包括冷却的连铸结晶器和布置在结晶器的顶部的感应线圈的装置进行浇铸。自电源向该线圈提供高额交变电流。本发明的装置显示出感应功率损失低的特点。

背景技术

在金属及合金的连铸或半连铸中，将热金属熔体供给到冷却的连铸结晶器，即一个在浇铸方向上两端开口的铸模中。该结晶器一般是水冷的且由一个起支撑作用的支承结构所环绕和支撑。典型情况下，该支承结构由多个支撑梁或支撑板组成，其间提供有供冷却剂，诸如水通过的内腔或内槽。熔体供给到结晶器，当其通过该结晶器时，金属在其中凝固并形成铸坯。离开结晶器的铸坯包括已经凝固、起自支撑作用的包围着残余熔体的表面层或坯壳。总体上可以讲，初始凝固条件对于质量和生产率都是十分关键的。润滑剂一般是提供到结晶器中熔体的上表面。该润滑剂有多方面作用，除其他作用之外，它可防止最初生成的铸坯表皮粘结在结晶器壁上。在振动之间会出现正常的粘着，即所谓的振痕。凝固表皮粘结或粘着在结晶器上越严重，所表现出的表面缺陷也越严重，在某些情况下甚至会表现为初始凝固表皮的撕裂。对于大规格的钢铸坯，该润滑剂主要是包括玻璃或形成玻璃的化合物的所谓的结晶器保粉末，它们在弯形液面处受热熔化。在浇铸过程中，结晶器粉末一般是以本来是固体、自由流动的颗粒状粉末的状态连续地添加到熔体的上表面。结晶器粉末的成分是特定的。从而使该粉末能以所需的速度熔化，并以所需的速度提供润滑，以保证润滑。结晶器和铸坯之间的润滑剂层过厚，也会以所不希望的方式影响凝固条件和表面质量，因此弯形液面处的热工状态需要进行控制。对于较小的铸坯或有色金属，用油，一般是植物油或油脂作为润滑剂。无论采用何种类型的结晶器润滑剂，最好是将其以足以在铸坯/结晶器界面之间形成均匀薄膜的均匀速率提供到该界面之间，以避免由于结晶器与铸坯之间粘着所造成的表面缺陷。薄膜过厚会造成表面不均匀和干扰热工条件。

弯形液面处的热损失和总的热工状态主要通过结晶器内所产生的二次流动来控制。采用高频感应加热装置影响顶端的热工条件在例如US-A-5 375 648和先期申请尚未公开的瑞典专利申请No.SE9703892-1中有所讨论。大量的热损失要通过热熔体的有控制的向上流动或通过一加热装置来给上表面供热进行补偿，否则弯形液面可开始凝固。这种凝固将严重干扰浇铸过程，并在许多方面破坏浇铸产品的质量。

布置在连铸结晶器的上端的高频感应加热装置将为改善熔体上表面，弯形液面处的温度控制且同时产生起使熔体和结晶器分离作用的压缩力方面提供一些手段，从而降低粘结的危险，减轻振痕，并从总的方面改善结晶器的润滑条件。此技术目前经常被称为电磁浇铸或EMC，目的是为了改善润滑并由此改善表面质量，它基本上归功于起使熔体与结晶器分离作用的压缩力。感应加热装置或线圈可以是单相设计也可以是多相设计。最好采用高频交变磁场。提供给感应线圈的一般是基础频率为50Hz或更高的交变电流，至少当采用由四块结晶器板组装成的结晶器时，最好是提供基础频率为150～1000Hz的交变电流。对于大规格的板坯结晶器最好是基础频率约200Hz的交变电流。由高频磁场产生的压缩力减小了结晶器壁和熔体之间的压力，从而显著改善了润滑条件。铸坯的表面质量得到提高，且可以提高铸造速度，而没有表面质量恶化的危险。为了保证铸坯离开结晶器，主要是采用振动。由于压缩力起到使熔体与结晶器分离的作用，所以在表皮的初始凝固过程中它们减少熔体与结晶器之间的接触，且改善润滑剂的供入，从而进一步提高铸坯的表面质量。因此人们相信，采用提供有高频交变电流且布置在弯形液面处的电磁线圈为显著提高表面质量、改善内部组织结构、提高纯净度以及还有生产率提供了手段。但是，人们已经注意到感应功率损失高的问题。用于浇铸大规格板坯的典型结晶器包括一种带有四块用铜或铜合金制造的结晶器板的结晶器。这些结晶器板由板和/或梁式的起支撑作用的支承结构支承。这些梁包括用于冷却剂，例如水的内槽或内腔，且在这类支承结构中采用不锈钢以减少感应功率损失也是众所周知的，但是它们仍很显著。例如，一套用于浇铸尺寸为2000×250mm大规格板坯的连铸结晶器的，且在操作中采用约200Hz或更高频率的EMC装置，仅有约20％至30％的总有效功率感应于熔体内，而约3％至10％感应于铜结晶器内，约15％至25％损失在线圈内，约50％感应于结晶器支撑梁或一般称为支承板的结晶器支撑系统部分内。在此例中该支承板用不锈钢制造并包括使水或其他适用冷却剂流动的内部冷却槽。在本例中，当采用频率为200Hz的交流电时，计算得出的为获得起到起使熔体与结晶器分离作用的压缩力所需的总有效功率约为3400kW，其中功率分布计算如下：

-约800kW感应于熔体；

-约250kW感应于铜结晶器；

-约1700kW感应于不锈钢支承板；和

-约650kW产生于线圈。

发明概要

本发明的一个目的是提供一种用于连续浇铸金属铸坯的装置，其中结晶器内所铸造金属的初始凝固的条件得到改善，特别是通过采用感应功率损失低的EMC使结晶器的润滑条件得到改善。具体地讲，本发明的一个目的是提供一种装置，其中在结晶器支撑梁、支承板内所感应的功率显著降低。根据本发明的连铸装置在结晶器的顶端保证了良好和可以控制的热工、流动、润滑和整体条件，从而在质量和生产率方面获得了显著的改进。这通过本发明来实现，根据本发明的一个方面，它提供了一种如权利要求1的前序部分所述的金属连铸或半连铸方法，其特征为权利要求的特征部分的特点所表征。该装置进一步的发展由从属权利要求2至13的特点来表征。

本发明的说明

一种用于金属连铸或半连铸的装置，一般包括

-一个冷却的连铸结晶器组件；

-向结晶器供给热熔体的装置；

-自结晶器抽出和/或接收在结晶器内所形成铸坯的装置；和

-一个布置在结晶器的顶端的感应线圈。该连铸结晶器组件包括一个与起机械支撑作用的结晶器支承结构相关联并受其机械支撑的结晶器。该结晶器的电导率适于高于该支承结构的电导率，并且借助基本上在连铸方向上取向的间隔部件分为至少两部段。当供给线圈高频率交变电流时，线圈产生用来作用在结晶器内熔体上的高频磁场，从而在熔体内产生热并且产生起使熔体与结晶器分离作用的压缩力。该间隔部件包括一电绝缘的隔断层。这些隔断层切断了结晶器内磁场所感应的任何电流的电流通路，从而便于磁场穿透到结晶器内的熔体，且减少了结晶器组件中的感应功率损失。这样一种金属连铸装置与本发明是一致的，并且实现前述中所确定的目的，该装置布置有至少分为两部段的结晶器组件的连铸结晶器组件，该两部段是由基本在连铸方向上取向的间隔部件相互分开并且电绝缘的。每部段结晶器组件包括一与相应的起机械支撑作用的结晶器支承结构部段相关并借助包括电绝缘隔断层的间隔装置与任何其他部段结晶器组件分离的结晶器部段。一电导率高于支承结构的电导率的导电体布置成在结晶器支承结构背离结晶器的一侧，即外表面与结晶器支承结构部段相关联。此导体为由高频磁场所感应的任何电流提供合适的返回通路，从而使支承结构中的感应功率损失降低了。

典型的用于浇铸大方坯和板坯和经常也包括用于浇铸小方坯的结晶器在浇铸方向上具有基本为正方形或矩形的横截面，并且是由四块结晶器组合板组装而成的。结晶器组合板通过电绝缘的隔断层相互分离，且每块结晶器组合板包括呈现高导热和高电导率的材料制成的结晶器板和支承板。根据本发明，每块支承板在其外侧表面均与一良好的电导体相联。作为总的概念，此导体为结晶器组合板中所有高频磁场感应的任何电流提供了合适的返回路径，从而使支承板内的感应功率损失降低。典型的用于浇铸大规格板坯的结晶器包括带有四块结晶器组合板的结晶器组件，两块相互面对的窄侧边组合板和两块相互面对的宽侧边组合板。这些结晶器组合板相互电绝缘，根据本发明为了，提供合适的回路在外侧表面上布置有导体。

根据本发明的一个实施例，该导体基本上覆盖了支承部段或支承板的整个外侧表面。或者，该导体是基本上覆盖结晶器支承部段或支承板的外侧表面整个宽度的带。该带的方向基本上垂直于浇铸方向，且处于磁场所感应的任何电流的方向上。导体带的宽度最好至少是基本覆盖线圈的总高度。

根据本发明的又一个实施例，该导体绕支承板的侧面弯曲，并与结晶器板直接电接触，使每块结晶器组合板的导体和结晶器板提供一围绕支承部段的闭合电路。此实施例便于采用廉价的磁钢、碳钢用于支承板。否则为了降低在支承板内的感应功率损失，它们一般是用不锈钢制造的。结晶器板和导体一般是用铜制成的。

根据本发明，所有感应电流将处在结晶器内，因为结晶器板和导体的电导率明显高于支承板，主要的电流流动将由结晶器内侧的铜结晶器板和结晶器外侧的导体提供。

根据一个优选实施例，结晶器和导体均由具有合适的导电和导热性能的铜或其它金属或合金制成。为了实现所需的感应功率损失的显著降低，导体的厚度最好相应于一个穿透深度或更厚。从技术上讲，对此厚度没有上限，但是随着导体厚度的增加，损失的减少逼近一特定值，从经济和实用上考虑，没有理由使用显著厚于该特定值的所对应厚度的导体。由于成本方面的原因，减小结晶器和支承结构或结晶器组件中所包含的任何其它部件的规格，总是有利的。出于其它原因，例如导体冷却的需要，可以增加导体厚度，以提供所需数量的槽，供冷却剂流动。这些槽可以布置在导体内或布置在导体和支承结构或支承板的界面上。当然在导体背离结晶器的表面上可以布置散热片或其它冷却装置，只要可以围绕这些冷却片提供足够流量的冷却气体。

典型情况下，给感应线圈提供的是基础频率为50Hz或更高的交变电流，当采用由四块结晶器板组成的结晶器时，最好提供基础频率为150～1000Hz的交变电流。对于大规格板坯，最佳的是采用基础频率约为200Hz的交流电。

重复与针对尺寸为2000×250mm板坯结晶器所述先有技术相同的例子，当采用频率为200Hz交流电时为了获得所需的起使熔体与结晶器分离作用的压缩力所需要的总有效功率在该例中为2150kW，其中它的功率分布计算如下：

-约800kW感应于熔体中；

-约200kW感应于铜结晶器中；

-约150kW感应于不锈钢支承板中；

-约350kW感应于铜基导体中，和

-约650kW产应于线圈中。

附图的简要说明

下面将参照附图，借助于优选实施例对本发明进行更详细的解释并举出实例，其中：

图1是根据本发明一个实施例的装置垂直于浇铸方向的截面，此截面截取于金属连铸结晶器的顶端，在结晶器周围布置有电磁场发生装置；

图2是根据本发明另一实施例的装置垂直于浇铸方向的截面；

图3是沿浇铸方向的截面，给出用于图1和图2所示装置的导体的一种结构的范例；和

图4是沿浇铸方向的截面，给出用于图1和图2所示装置的导体的另一种结构的范例。

优选实施例的说明

图1至图4中所示的所有用于金属连铸的结晶器组件均包括由感应线圈10围绕的四块结晶器组合板。处于窄侧边的两块板相互面对，而处于宽侧边的两块板也相互面对，所有四块板均具有复合结构且各自包括：结晶器板11、12、13、14，结晶器支承板21、22、23、24和导体31、32、33、34、35、36、37、38。结晶器板11、12、13、14一般包括铜或铜基合金，在适当情况下于其在操作中面向熔体1的内表面上提供耐磨衬层或涂层。结晶器板11、12、13、14还呈现出高的导热性和导电性。结晶器支承板21、22、23、24一般用钢梁制成且包括供冷却剂，例如水流动的内槽或内腔。为了使复合的结晶器组合板相互隔离和电绝缘，布置有包括电绝缘隔断层(未示出)的间隔装置15、16、17、18。当同感应线圈10一起用于EMC时，支承板最好采用不锈钢，以减小感应功率损失。但是，采用如图2所示的弯曲导体35、36、37、38时，也可以采用其它廉价的结构材料，因为导体35、36、37、38绕支承板21、22、23、24的侧面弯曲，并与结晶器板11、12、13、14直接电接触，使每块结晶器组合板的导体与结晶器板提供了一个围绕支承板或支承梁的闭合电路。图1中所示的结晶器组件示出了一个实施例，其中导体31、32、33、34仅与和其相联的支承板21、22、23、24的外侧表面相联，以根据本发明提供提供一合适的返回路径。线圈10最好如图3和4所示布置在结晶器的顶端，以在浇铸过程中产生和应用一高频磁场，作用在结晶器的顶端内的熔体1上。

连铸结晶器组件在浇铸方向上两端都是敞开的，且布置有冷却装置和保证所形成的铸坯连续离开结晶器的装置。向冷却的结晶器连续提供热熔体的一次液流，热金属在结晶器内冷却并形成铸坯。该结晶器一般为水冷铜结晶器。结晶器和所有支撑梁均包括内腔或内槽(未示出)，在浇铸过程中其中有水流动。在浇铸过程中，热熔体的一次液流提供到结晶器。随着通过结晶器，金属受到冷却且至少部分凝固，从而形成铸坯1。当铸坯离开结晶器时，它包括一凝固的、起自支撑作用的表面壳，围绕存留的残余熔体。一般而言，表面状态，当然还有铸态组织与初始凝固的条件关系很大。但是，金属的纯净度也取决于结晶器的顶端的条件，即金属开始凝固的位置，以及结晶器/铸坯界面处及弯形液面处的条件。为了控制结晶器的顶端处的热工状态和润滑条件，在此顶端与结晶器内熔体的顶表面，即弯形液面19相对应的高度上布置有产生高频电磁场的装置，例如线圈10。

如图1至4所示的线圈10布置在结晶器组件的外侧，所产生的高频磁场必须穿透结晶器组件并进入熔体1。感应线圈10可以是单相装置或是多相装置。当高频交变磁场作用在熔体上时，在熔体内产生热，从而可以控制弯形液面19附近熔体的温度。同时，更重要的是高频磁场产生了作用在熔体上的压缩力。该压缩力降低结晶器板11、12、13、14和熔体1之间的压力并显著改善了润滑条件。根据本发明的进行浇铸所获得的改进之处涉及质量和生产率诸多方面，例如：

-热效率；

-机械上更稳定的结晶器；

-纯净度；

-表面质量；

-得到控制的铸态组织；

-缩短停机时间；和

-提高铸造速度和/或减少振动。

在图3和4中示出了另外两种导体结构。如果仅仅为了构成结晶器组合板内感应的任何电流的合适回路，提供如图4所示的仅在线圈10的位置且高度基本等于或略大于线圈10的高度的导体45、46一般就足够了，但是出于其它原因，可能更理想的是如图3所示将导体43、44延长到结晶器组件的全长。

Claims (13)

1.一种用于金属连铸或半连铸的装置，其包括一连铸结晶器组件和布置在结晶器组件的顶端的感应线圈(10)，其中该结晶器组件包括至少分为两个结晶器部分的结晶器，包括分离该结晶器部分的间隔装置，和包括机械支撑该结晶器的结晶器支承结构，且各间隔装置包括一电绝缘的隔断层且基本上是沿浇铸方向取向的，其特征在于，结晶器组件通过间隔装置分为至少两个相互分离且电绝缘的结晶器组成部分，其中各结晶器组件部分包括与相应的起机械支撑作用的结晶器支承结构部分(21、22、23、24)相关联的结晶器部分(11、12、13、14)，和电导体(31、32、33、34、35、36、37、38、43、44、45、46)，其电导率高于支承结构的电导率，布置为在结晶器支承结构部分背离结晶器的侧面，即外侧面上与结晶器支承结构部分相关联。

2.如权利要求1所述的装置，其特征在于，该结晶器组件是用于浇铸横截面基本为正方形或矩形的铸坯，且包括通过间隔装置相互分离并电绝缘的结晶器组合板，其中每块结晶器组合板包括：

-结晶器板(11、12、13、14)；

-基本覆盖结晶器板的整个宽度的支承板或支承梁(21、22、23、24)；和；

-电导体(31、32、33、34、35、36、37、38、43、44、45、46)，其中该导体在支承板或支承梁的外侧表面与支承板或支承梁相关联。

3.如权利要求1或2所述的装置，其特征在于，导体(31、32、33、34、35、36、37、38、43、44)基本覆盖结晶器支承板(21、22、23、24)的全部外侧表面。

4.如权利要求1或2所述的装置，其特征在于，该导件是一条其方向基本垂直于浇铸方向且基本处于电磁场所感应的电流方向上的带(31、32、33、34、35、36、37、38、45、46)。

5.如权利要求4所述的装置，其特征在于，该导体带(31、32、33、34、35、36、37、38、45、46)的长度基本覆盖结晶器支承板(21、22、23、24)的外侧表面的整个宽度。

6.如权利要求4所述的装置，其特征在于，该导体带(31、32、33、34、35、36、37、38、45、46)的带宽基本覆盖线圈(10)的总高度。

7.如权利要求1所述的装置，其特征在于，导体(35、36、37、38、43、44、45、46)绕结晶器支承部分(21、22、23、24)的侧面弯曲，并与结晶器部分(11、12、13、14)直接电接触，使导体与结晶器部分提供了一条围绕结晶器支承部分的闭合电路。

8.如权利要求1所述的装置，其特征在于，结晶器部分(11、12、13、14)包括铜，且导体由铜构成。

9.如权利要求1所述的装置，其特征在于，导体(31、32、33、34、35、36、37、38、43、44、45、46)的厚度相应于磁场的一个穿透深度或更厚。

10.如权利要求1所述的装置，其特征在于，给感应线圈(10)提供基础频率为50Hz或更高的交变电流。

11.如权利要求10所述的装置，其特征在于，给感应线圈(10)提供基础频率为150～1000Hz或更高的交变电流。

12.如权利要求1所述的装置，其特征在于，在导体(31、32、33、34、35、36、37、38、43、44、45、46)内布置有供冷却剂流动的槽。

13.如权利要求1所述的装置，其特征在于，在导体(31、32、33、34、35、36、37、38、43、44、45、46)和支承结构或支承板(21、22、23、24)的界面上布置有供冷却剂流动的槽。

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