一种控制连铸结晶器内钢液流动的立式电磁制动装置

摘要

一种控制连铸结晶器内钢液流动的立式电磁制动装置，包括水平磁极、励磁线圈、立式磁极及磁轭；立式磁极设有两对，水平磁极设有一对或两对；水平磁极为一对时，其位于侵入式水口下方且沿结晶器宽面布置；水平磁极为两对时，分别记为上、下部水平磁极，下部水平磁极位于侵入式水口下方且沿结晶器宽面布置，上部水平磁极位于结晶器内钢液表面附近且沿结晶器宽面布置；两对立式磁极分别布置于结晶器两侧面区域附近且与一对或两对水平磁极相交汇；励磁线圈及磁轭均与水平磁极配装，通过励磁线圈施加电流，在水平磁极与立式磁极之间产生稳态磁场，结晶器内流动的钢液通过稳态磁场时受到与钢液流动方向相反的电磁力，通过电磁力控制结晶器内钢液的流动。

说明书

技术领域

本发明属于连铸技术领域，特别是涉及一种控制连铸结晶器内钢液流动的立式电磁制动装置。

背景技术

在连铸生产过程中，钢液通过浸入式水口以一定的射流角度进入到结晶器内，从浸入式水口流出的钢液会以一定的流速冲击结晶器侧面区域，进而形成上返流和下返流。

上返流的钢液会冲击结晶器内的钢液表面，进而造成液面波动，特别是会加剧结晶器侧面弯月面附近的液面波动，容易造成卷渣现象。

下返流的钢液穿透深度较大，会将钢液中的夹杂物、气泡等异相物质带入到结晶器较深的位置，且异相物质不易上浮，并可能被钢液初始凝固壳前沿所捕获，从而造成连铸坯表面或皮下缺陷。

另外，从浸入式水口流出的钢液对结晶器内初始凝固坯壳产生冲击，还会导致初始凝固坯壳减薄或不均匀，容易造成漏钢事故。

为了解决上述问题，技术人员通常会在结晶器宽面水平方向加装电磁制动器，通过电磁制动器使结晶器内形成稳态磁场，结晶器内流动的钢液在通过稳态磁场时，将受到与钢液流动方向相反的电磁力，从而实现控制结晶器内钢液的流动目的。

目前，用于产生稳态磁场的电磁制动器主要包括区域性电磁制动装置、全幅一段电磁制动装置及全幅二段电磁制动装置。

关于区域性电磁制动装置，其可以产生作用于结晶器水口侧孔出流区域的稳态磁场，进而起到控制浸入式水口流出钢液流动的作用，但是，其所产生的稳态磁场的作用区域有限，不能对整个结晶器内的钢液流动进行有效的控制，而且容易产生沟道等其他缺陷。

关于全幅一段电磁制动装置(例如申请号为98810685.X的中国专利申请)，其通过布置于浸入式水口下方并覆盖结晶器整个宽面的一对水平磁极产生稳态磁场，进而起到控制结晶器整个宽面的下返流钢液的冲击深度，但是，其对结晶器内上返流钢液对钢液表面的波动及卷渣缺乏有效的控制。

关于全幅二段电磁制动装置(例如申请号为98801009.7的中国专利申请)，其通过布置于结晶器钢液表面区域的一对水平磁极和位于浸入式水口下方的一对水平磁极产生稳态磁场，进而起到控制结晶器钢液表面波动和钢液冲击深度的作用，但是，为了使结晶器侧面弯月面处的钢液表面波动得到有效控制，结晶器钢液表面区域的一对水平磁极往往需要施加足够大的磁场强度，这反而容易造成结晶器大部分区域的钢液表面流速过低，从而显著降低了钢液与保护渣的热交换，并不利于保护渣的熔化和夹杂物的吸附。

另外，对于全幅一段电磁制动装置和全幅二段电磁制动装置，二者的水平磁极在高度方向的位置均不可调节，在连铸生产过程中，当水口浸入深度、水口出流角度、液面高度和拉速等工艺参数发生变化时，水平磁极与工艺参数的匹配关系也会发生多种变化，无法始终保持合理的、最佳的匹配关系，这会严重影响到电磁制动的冶金效果，甚至抑制夹杂物、气泡等异相物质的上浮。

专利号为200810011104.7的中国专利也公开了一种电磁制动装置，其在结晶器两侧面附近且沿结晶器高度方向上布置有两对立式磁极，立式磁极覆盖结晶器侧面附近的钢液表面区域和水口出流冲击区域并产生稳态磁场，通过两对立式磁极产生的稳态磁场，控制结晶器弯月面附近的钢液表面波动和水口出流冲击点区域的流动，该电磁制动装置对结晶器侧面附近区域的制动效果受连铸工艺参数变化的影响较小。但是，该电磁制动装置是由两个半环绕于结晶器侧面的磁极和励磁线圈组成，立式磁极在结晶器宽面方向的宽度有限，当结晶器幅宽较大时，在结晶器中心区域的稳态磁场强度较弱，不能有效控制结晶器中心区域下返流钢液的冲击深度，因此不利于夹杂物、气泡等异相物质的上浮。

发明内容

针对现有技术存在的问题，本发明提供一种全新改进设计的控制连铸结晶器内钢液流动的立式电磁制动装置，在优先抑制水口出流钢液对结晶器侧面的冲击以及弯月面处钢液表面流动的同时，能够控制结晶器中心区域的钢液流动，避免结晶器中心区域的钢液表面流速过低和下返流钢液冲击深度过深的情况出现，以抑制钢液表面的波动和卷渣，促进夹渣物、气泡等异相物质的上浮，使其电磁制动的冶金效果受工艺参数变化的影响较小。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：一种控制连铸结晶器内钢液流动的立式电磁制动装置，包括水平磁极、励磁线圈、立式磁极及磁轭；所述水平磁极设有一对，立式磁极设有两对；一对所述水平磁极位于侵入式水口下方且沿结晶器宽面布置，两对所述立式磁极分别布置于结晶器两侧面区域附近，两对立式磁极与一对水平磁极相交汇；所述励磁线圈及磁轭均与水平磁极相配装，通过励磁线圈施加电流，在水平磁极与立式磁极之间产生稳态磁场，结晶器内流动的钢液通过稳态磁场时受到与钢液流动方向相反的电磁力，通过电磁力控制结晶器内钢液的流动。

一种控制连铸结晶器内钢液流动的立式电磁制动装置，包括水平磁极、励磁线圈、立式磁极及磁轭；所述水平磁极和立式磁极均设有两对；一对所述水平磁极位于侵入式水口下方且沿结晶器宽面布置，并记为下部水平磁极；另一对所述水平磁极位于结晶器内钢液表面附近且沿结晶器宽面布置，并记为上部水平磁极；两对所述立式磁极分别布置于结晶器两侧面区域附近，两对立式磁极与两对水平磁极相交汇；所述励磁线圈及磁轭均与水平磁极相配装，通过励磁线圈施加电流，在水平磁极与立式磁极之间产生稳态磁场，结晶器内流动的钢液通过稳态磁场时受到与钢液流动方向相反的电磁力，通过电磁力控制结晶器内钢液的流动。

两对所述立式磁极与一对水平磁极在交汇处的连接方式为：

①立式磁极垂直镶嵌在水平磁极上；

②立式磁极分别在水平磁极的上表面和下表面与水平磁极垂直连接；

③立式磁极仅在水平磁极的上表面与水平磁极垂直连接；

④立式磁极仅在水平磁极的下表面与水平磁极垂直连接。

两对所述立式磁极与两对水平磁极在交汇处的连接方式为：

①立式磁极分别垂直镶嵌在上部水平磁极和下部水平磁极上；

②立式磁极仅垂直镶嵌在下部水平磁极上；

③立式磁极仅垂直镶嵌在上部水平磁极上；

④立式磁极垂直镶嵌在上部水平磁极上，且立式磁极在下部水平磁极的下表面与水平磁极垂直连接；

⑤立式磁极分别在下部水平磁极的上表面和下表面与水平磁极垂直连接；

⑥立式磁极仅在下部水平磁极的上表面与水平磁极垂直连接；

⑦立式磁极在上部水平磁极的下表面与水平磁极垂直连接，且立式磁极在下部水平磁极的下表面与水平磁极垂直连接；

⑧立式磁极仅在上部水平磁极的下表面与水平磁极垂直连接。

所述立式磁极的高度要求为覆盖自结晶器内钢液表面上方100mm并向下延伸1000mm的区域。

所述立式磁极的宽度范围为50mm～400mm。

所述水平磁极与立式磁极之间稳态磁场的磁感应强度为0.01T～3T。

根据结晶器宽度的调节变化以及控制钢液流动的实际需要，在结晶器宽度方向上，所述立式磁极与水平磁极的结合位置进行自由选定。

本发明的有益效果：

本发明的立式磁极不用设置励磁线圈，其能够以不同的连接方式与水平磁极相结合，仅利用水平磁极上的励磁线圈在水平磁极与立式磁极之间产生稳态磁场。

本发明采用两对立式磁极与一对水平磁极或两对水平磁极相交汇的方式产生稳态磁场，沿结晶器高度方向，通过两对立式磁极可覆盖结晶器两侧面附近的钢液表面和初始凝固坯壳前沿区域，可以控制结晶器侧面附近从钢液表面到水口出流冲击区域以及水平磁极下方的钢液流动区域，使水口出流钢液在冲击结晶器侧面之前就受到磁场的抑制，减弱其对结晶器侧面的冲击和钢液表面的扰动，以控制结晶器侧面弯月面区域的钢液波动与卷渣，降低初始凝固坯壳对夹杂物和气泡的捕获，进而提高连铸坯的质量。

本发明的立式磁极的高度要求为覆盖自结晶器内钢液表面上方100mm并向下延伸1000mm的区域，即满足覆盖自结晶器侧面附近的钢液表面上方到浸入式水口下方的一定深度区域，在连铸生产过程中，即使水口浸入深度、水口出流角度、液面高度和拉速等工艺参数发生变化时，结晶器侧面附近的钢液流动始终在立式磁极所覆盖的区域内，因此，能够依然有效地控制结晶器侧面附近的钢液表面波动及钢液冲击深度，使其制动效果受工艺参数变化的影响较小。

当本发明采用两对立式磁极与一对水平磁极相交汇的方式产生稳态磁场时，通过结晶器宽面布置的水平磁极来控制结晶器中心区域的钢液向下流动，降低钢液的冲击深度，实现了促进夹杂物和气泡上浮的目的。

当本发明采用两对立式磁极与两对水平磁极相交汇的方式产生稳态磁场时，立式磁极可以与位于结晶器钢液表面附近的一对水平磁极配合使用，在选定了一种立式磁极与水平磁极的连接方式后，可通过增加立式磁极的磁场强度来控制结晶器侧面弯月面处的流动，防止弯月面处钢液表面的波动及卷渣；同时，相对地减弱上部水平磁极的磁场强度，或者上部水平磁极不施加电流，在适当地控制结晶器内中心区域钢液表面波动的情况下，可使钢液表面依然保持一定的流速和热交换能力，进而有利于保护渣的熔化和吸附夹杂物，从而获得良好的电磁制动效果。

附图说明

图1为本发明的一种控制连铸结晶器内钢液流动的立式电磁制动装置(设有一对水平磁极)结构示意图；

图2为图1中的立式电磁制动装置的结晶器内钢液流动与磁极布置示意图；

图3(a)为图1中的立式电磁制动装置的两对立式磁极与一对水平磁极在交汇处的连接方式示意图(立式磁极垂直镶嵌在水平磁极上)；

图3(b)为图1中的立式电磁制动装置的两对立式磁极与一对水平磁极在交汇处的连接方式示意图(立式磁极分别在水平磁极的上表面和下表面与水平磁极垂直连接)；

图3(c)为图1中的立式电磁制动装置的两对立式磁极与一对水平磁极在交汇处的连接方式示意图(立式磁极仅在水平磁极的上表面与水平磁极垂直连接)；

图3(d)为图1中的立式电磁制动装置的两对立式磁极与一对水平磁极在交汇处的连接方式示意图(立式磁极仅在水平磁极的下表面与水平磁极垂直连接)；

图4为本发明的一种控制连铸结晶器内钢液流动的立式电磁制动装置(设有两对水平磁极)结构示意图；

图5(a)为图4中的立式电磁制动装置的结晶器内钢液流动与磁极布置示意图(结晶器宽面方向)；

图5(b)为图4中的立式电磁制动装置的结晶器内钢液流动与磁极布置示意图(结晶器窄面方向)；

图6(a)为图4中的立式电磁制动装置的两对立式磁极与两对水平磁极在交汇处的连接方式示意图(立式磁极分别垂直镶嵌在上部水平磁极和下部水平磁极上)；

图6(b)为图4中的立式电磁制动装置的两对立式磁极与两对水平磁极在交汇处的连接方式示意图(立式磁极仅垂直镶嵌在下部水平磁极上)；

图6(c)为图4中的立式电磁制动装置的两对立式磁极与两对水平磁极在交汇处的连接方式示意图(立式磁极仅垂直镶嵌在上部水平磁极上)；

图6(d)为图4中的立式电磁制动装置的两对立式磁极与两对水平磁极在交汇处的连接方式示意图(立式磁极垂直镶嵌在上部水平磁极上，且立式磁极在下部水平磁极的下表面与水平磁极垂直连接)；

图6(e)为图4中的立式电磁制动装置的两对立式磁极与两对水平磁极在交汇处的连接方式示意图(立式磁极分别在下部水平磁极的上表面和下表面与水平磁极垂直连接)；

图6(f)为图4中的立式电磁制动装置的两对立式磁极与两对水平磁极在交汇处的连接方式示意图(立式磁极仅在下部水平磁极的上表面与水平磁极垂直连接)；

图6(g)为图4中的立式电磁制动装置的两对立式磁极与两对水平磁极在交汇处的连接方式示意图(立式磁极在上部水平磁极的下表面与水平磁极垂直连接，且立式磁极在下部水平磁极的下表面与水平磁极垂直连接)；

图6(h)为图4中的立式电磁制动装置的两对立式磁极与两对水平磁极在交汇处的连接方式示意图(立式磁极仅在上部水平磁极的下表面与水平磁极垂直连接)；

图7为结晶器侧面中心截面的立式磁极中心沿高度方向的磁场分布图(采用图1中的立式电磁制动装置)；

图8(a)为无电磁制动条件下的结晶器侧面附近金属液的液面波动情况图(采用图1中的立式电磁制动装置)；

图8(b)为有电磁制动条件下的结晶器侧面附近金属液的液面波动情况图(采用图1中的立式电磁制动装置)；

图9为在施加850A电流时的结晶器内钢液内部磁场分布图(采用图1中的立式电磁制动装置)；

图10(a)为无电磁制动条件下的结晶器侧面中心截面的钢液流场分布图(采用图1中的立式电磁制动装置)；

图10(b)为有电磁制动条件下的结晶器侧面中心截面的钢液流场分布图(采用图1中的立式电磁制动装置)；

图11为有/无电磁制动条件下的结晶器侧面中心截面的钢液表面流速分布图(采用图1中的立式电磁制动装置)；

图中，1—水平磁极，2—励磁线圈，3—立式磁极，4—侵入式水口，5—磁轭，6—钢液表面，7—结晶器，8—凝固坯壳。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步的详细说明。

如图1、2所示，一种控制连铸结晶器内钢液流动的立式电磁制动装置，包括水平磁极1、励磁线圈2、立式磁极3及磁轭5；所述水平磁极1设有一对，立式磁极3设有两对；一对所述水平磁极1位于侵入式水口4下方且沿结晶器7宽面布置，两对所述立式磁极3分别布置于结晶器7两侧面区域附近，两对立式磁极3与一对水平磁极1相交汇；所述励磁线圈2及磁轭5均与水平磁极1相配装，通过励磁线圈2施加电流，在水平磁极1与立式磁极3之间产生稳态磁场，结晶器7内流动的钢液通过稳态磁场时受到与钢液流动方向相反的电磁力，通过电磁力控制结晶器7内钢液的流动。

如图4、5(a)、5(b)所示，一种控制连铸结晶器内钢液流动的立式电磁制动装置，包括水平磁极1、励磁线圈2、立式磁极3及磁轭5；所述水平磁极1和立式磁极3均设有两对；一对所述水平磁极1位于侵入式水口4下方且沿结晶器7宽面布置，并记为下部水平磁极1；另一对所述水平磁极1位于结晶器7内钢液表面6附近且沿结晶器7宽面布置，并记为上部水平磁极1；两对所述立式磁极3分别布置于结晶器7两侧面区域附近，两对立式磁极3与两对水平磁极1相交汇；所述励磁线圈2及磁轭5均与水平磁极1相配装，通过励磁线圈2施加电流，在水平磁极1与立式磁极3之间产生稳态磁场，结晶器7内流动的钢液通过稳态磁场时受到与钢液流动方向相反的电磁力，通过电磁力控制结晶器7内钢液的流动。

如图3(a)～3(d)所示，两对所述立式磁极3与一对水平磁极1在交汇处的连接方式为：

①立式磁极3垂直镶嵌在水平磁极1上；

②立式磁极3分别在水平磁极1的上表面和下表面与水平磁极1垂直连接；

③立式磁极3仅在水平磁极1的上表面与水平磁极1垂直连接；

④立式磁极3仅在水平磁极1的下表面与水平磁极1垂直连接。

如图6(a)～6(h)所示，两对所述立式磁极3与两对水平磁极1在交汇处的连接方式为：

①立式磁极3分别垂直镶嵌在上部水平磁极1和下部水平磁极1上；

②立式磁极3仅垂直镶嵌在下部水平磁极1上；

③立式磁极3仅垂直镶嵌在上部水平磁极1上；

④立式磁极3垂直镶嵌在上部水平磁极1上，且立式磁极3在下部水平磁极1的下表面与水平磁极1垂直连接；

⑤立式磁极3分别在下部水平磁极1的上表面和下表面与水平磁极1垂直连接；

⑥立式磁极3仅在下部水平磁极1的上表面与水平磁极1垂直连接；

⑦立式磁极3在上部水平磁极1的下表面与水平磁极1垂直连接，且立式磁极3在下部水平磁极1的下表面与水平磁极1垂直连接；

⑧立式磁极3仅在上部水平磁极1的下表面与水平磁极1垂直连接。

所述立式磁极3的高度要求为覆盖自结晶器7内钢液表面6上方100mm并向下延伸1000mm的区域。

所述立式磁极3的宽度范围为50mm～400mm。

所述水平磁极1与立式磁极3之间稳态磁场的磁感应强度为0.01T～3T。

根据结晶器7宽度的调节变化以及控制钢液流动的实际需要，在结晶器7宽度方向上，所述立式磁极3与水平磁极1的结合位置进行自由选定。

实施例一

本实施例中，采用图1所示的立式电磁制动装置，立式磁极3与水平磁极1采用图3(a)的连接方式，立式磁极3在高度上覆盖结晶器7侧面自钢液表面6区域到侵入式水口4出流钢液的冲击点及水平磁极1下方区域，结晶器7的截面尺寸为300mm×50mm，立式磁极3的高度为240mm。

在水平磁极1的励磁线圈2上分别施加700A和1050A的电流，而结晶器侧面中心截面的立式磁极中心沿高度方向的磁场分布图，如图7所示。

由图7可见，随着电流强度增加，磁感应强度逐渐增加，在水平磁极1覆盖区域的中心达最大；当施加的电流由700A增加到1050A时，水平磁极1中心的最大磁感应强度由0.46T增加到0.52T；而在立式磁极3的上端和下端，即结晶器7钢液表面6附近和水平磁极1下方，其磁感应强度在0.21T至0.25T。因此，说明立式磁极3在不设置励磁线圈2的情况下，通过立式磁极3与水平磁极1的连接，利用水平磁极1的励磁线圈2就能够在立式磁极2所覆盖的区域产生较强的磁场，从而实现了控制结晶器7内钢液流动的目的。

实施例二

本实施例中，采用图1所示的立式电磁制动装置，为了更加直观的观察结晶器7内液面波动情况，测试对象选用低熔点合金SnPbBi的金属液；立式磁极3与水平磁极1采用图3(b)的连接方式，立式磁极3在高度上覆盖结晶器7侧面自钢液表面6区域到侵入式水口4出流钢液的冲击点及水平磁极1下方区域，结晶器7的厚度为100mm，结晶器7的半宽尺寸为600mm，立式磁极3的高度为440mm，侵入式水口4的侧孔倾角为-15°，侵入式水口4的侵入深度为100mm，其拉坯速度为1.27m/min。

在水平磁极1的励磁线圈2上施加电流，使位于一对立式磁极3中间的结晶器7内产生0.28T左右的磁场，而有/无电磁制动条件下的结晶器侧面附近金属液的液面波动情况图，如图8(a)、图8(b)所示。

由图8(a)可见，未施加磁场时，即无电磁制动条件下，金属液的上返流速度较大，金属液表面受到强烈冲击和扰动，金属液表面的波动区域宽度达到整个截面的约2/3。由图8(b)可见，当磁感应强度达到0.28T左右时，金属液表面趋于平稳且波动显著降低，金属液表面的波动区域宽减小到整个截面的1/3。因此，说明本发明的立式电磁制动装置能够有效抑制结晶器侧面附近液面的波动，有利于防止卷渣。

实施例三

本实施例中，采用图1所示的立式电磁制动装置，立式磁极3与水平磁极1采用图3(c)的连接方式，则水平磁极1下方的立式磁极3高度为0mm，立式磁极3在高度上覆盖结晶器7侧面自钢液表面6区域到侵入式水口4出流钢液的冲击点及水平磁极1上方区域，结晶器7的截面尺寸为1400mm×230mm，侵入式水口4的侧孔倾角为-15°，侵入式水口4的侵入深度为170mm，拉坯速度为1.6m/min。

在水平磁极1的励磁线圈2上施加850A的电流，而结晶器7内钢液内部磁场分布图如图9所示，而有/无电磁制动条件下的结晶器侧面中心截面的钢液流场分布图如图10(a)、图10(b)所示，而有/无电磁制动条件下的结晶器侧面中心截面的钢液表面流速分布图如图11所示。

由图9可见，钢液中磁感应强度主要集中在水平磁极1与立式磁极3所覆盖的区域，并以设置了励磁线圈2的水平磁极1所覆盖区域的磁感应强度为最强，最大值达到0.356T，且立式磁极3所覆盖区域的磁感应强度在0.2T～0.3T左右。因此，说明立式磁极3在不设置励磁线圈2的情况下，通过立式磁极3与水平磁极1的连接，利用水平磁极1的励磁线圈2就能够在立式磁极2所覆盖的区域产生较强的磁场，从而实现了控制结晶器7内钢液流动的目的。

由图11可见，在电磁制动条件下，结晶器7内钢液表面的最大流速由0.5m/s降低到0.38m/s左右，同时由图10(b)可见，在水平磁极1下方结晶器7整个宽面的钢液流动形成平推流，这显著降低了下返流钢液的冲击深度，且在无电磁制动条件下形成的下返流涡心将消失(在图10(a)中明显可见下返流涡心)，进而有利于夹杂物和气泡的上浮。因此，说明本发明的立式电磁制动装置能够有效控制结晶器侧面钢液表面波动和钢液表面流速，同时也能够控制结晶器7中心区域钢液向下流动。

实施例中的方案并非用以限制本发明的专利保护范围，凡未脱离本发明所为的等效实施或变更，均包含于本案的专利范围中。