Устройство и способ для предотвращения выделения расплавленного металла через вертикальный зазор между двумя горизонтально расположенными элементами - RU2091192C1

Чертежи

Показать все 16 чертежа(ей)

Описание

Изобретение относится к устройствам и способам электромагнитного удержания расплавленного металла, а более конкретно связано с устройством и способом для предотвращения выделения расплавленного металла через открытую боковую сторону вертикально вытянутого зазора между двумя раздвинутыми по горизонтали элементами конструкции, где находится расплавленный металл.

Примером области применения данного изобретения является устройство для непрерывного литья расплавленного металла непосредственно в полосу, например в стальную полосу. Такое устройство обычно содержит пару раздвинутых по горизонтали валов, вращающихся в противоположных направлениях относительно соответствующих горизонтальных осей. Эти два вала определяют горизонтальные границы вытянутого по вертикали зазора между ними для подачи расплавленного металла. Зазор, ограниченный этими валами, сужается вниз. Валы охлаждаются, и, в свою очередь, охлаждают расплавленный металл при его опускании через зазор.

Этот зазор имеет раздвинутые по горизонтали, открытые противоположные края, которые примыкают к концам валов. Расплавленный металл не удерживается валами на открытых краях зазора.

Для предотвращения выделения расплавленного металла через открытые края зазора используются механические перемычки и изоляции.

Механические перемычки имеют недостатки из-за того, что перемычка находится в физическом контакте как с вращающимися валами, так и с расплавленным металлом. В результате этого перемычка подвержена износу, утечкам и разрушению, что может привести к застыванию расплавленного металла и большим температурным градиентам. Более того, контакт между механической перемычкой и твердеющим металлом может привести к неоднородностям вдоль ребер металлической полосы при литье таким способом, таким образом, сводя на нет преимущества непрерывного литья по сравнению с обычным методом проката металлической полосы из более толстого твердого образца.

Преимущества при непрерывном литье металлической полосы и изъяны, возникающие при использовании механических перемычек или изоляции, более детально описаны в патентах США N 4936374, кл. 164-503,1987,[1] N 4974661, кл. 164-503, 1988, [2] N 5197534, кл. B 22 D 27/02, 1993, [3] N 5251685, кл. B 22 D 27/02, 1993, [4] на каждый из которых, таким образом, сделана общая ссылка.

Для преодоления изъянов, присущих использованию механических перемычек или изоляции были предприняты усилия по удержанию расплавленного металла на открытой боковой стороне зазора между валами при помощи электромагнита, имеющего сердечник, окруженный проводящей обмоткой, через которую пропускается переменный электрический ток, и имеющего пару магнитных полюсов, расположенных около открытого края зазора. Магнит питается переменным током, идущим через обмотку, и образует переменное магнитное поле, направленное поперек открытого края зазора между полюсами магнита. Магнитное поле может быть ориентировано либо горизонтально, либо вертикально, в зависимости от ориентации магнитных полюсов. Примеры магнитов, которые создают горизонтальное поле, описаны в вышеупомянутых патентах [1] [3] [4] а примеры магнитов, которые создают вертикальное магнитное поле, описаны в патенте [2]
Переменное магнитное поле индуцирует вихревые токи в расплавленном металле вблизи открытого края зазора, создавая силу отталкивания, которая отодвигает расплавленный металл от открытого края зазора.

Сила статического давления выдавливает расплавленный металл наружу через открытый край щели между валами; она возрастает с увеличением глубины расплавленного металла и магнитное давление, создаваемое магнитным полем, должно быть достаточным для равновесия с максимальным давлением наружу, которое зависит от расплавленного металла.

Немагнитные электропроводные тепловые экраны могут быть помещены между боковой стороной расплавленного металла и магнитными полюсами на открытой стороне щели для защиты электромагнитной катушки от перегрева и профилирования плотности магнитного потока.

Максимальное магнитное давление P_max на боковую сторону расплавленного металла на открытом конце щели между валами, создаваемое электромагнитом, должно быть, по крайней мере, равно полному напору статического давления расплавленного металла (расплава), содержащегося между валами:
P_max ρgh (1)
где ρ плотность жидкого металла;
g ускорение свободного падения; и
h глубина расплавленной массы от верхнего расплавленного уровня до конца у точки затвердевания, на зажиме.

Магнитное давление P связано с электромагнитной силой

Другая практическая возможность для горизонтального удержания расплавленного металла на открытом конце зазора между парой элементов конструкции, например валами, состоит в том, чтобы поместить около открытого края зазора катушку, через которую пропускается переменный ток. Это приводит к тому, что катушка генерирует магнитное поле, которое индуцирует вихревые тока в расплавленном металле около открытого края зазора, создавая силу отталкивания, аналогичную описанной выше в связи с магнитным полем, генерированным электромагнитом. Опытные образцы устройств этого типа описаны в патенте США N 4020890, кл. 164-49, 1975, [5] и патенте [3] на которые, таким образом, сделана общая ссылка.

Ближайшим аналогом к данному изобретению является "Способ управления потоком металла в установке непрерывного литья" (заявка Японии N 60-106651, кл. B 22 D 11/06, 1985). На чертеже и в описании указанного способа приведено устройство для его реализации.

В известном способе жидкий металл подается в полость кристаллизатора, ограниченную с двух сторон в горизонтальной плоскости цилиндрическими поверхностями двух валков кристаллизаторов, вращающихся в противоположные стороны. В вертикальной плоскости со стороны торцов валков-кристаллизаторов генерируют электромагнитное поле, создаваемое обмотками индукторов - электродвигателей бегущего поля. Электромагнитные силы действуют в направлении, параллельном осям валков-кристаллизаторов.

Реализация известного способа предусматривает установку двух магнитных сердечников с расположенными на них электропроводными катушками около вертикальных зазоров, которые являются средством для генерации магнитного поля.

Недостатком известного технического решения является недостаточная эффективность предотвращения выделения расплавленного металла через вертикальные зазоры между валками-кристаллизаторами.

Недостатки и изъяны при практической реализации аналогов, описанных выше, исчезают при использовании устройства и способа в соответствии с данным изобретением.

На основе способа магнитного удержания и устройства в соответствии с настоящим изобретением создается, вблизи открытой боковой стороны зазора между валами, первичное вертикальное магнитное поле (а) при помощи постоянного тока (П.Т.) или переменного тока (ПМ.Т.), проходящего через первичную катушку, окружающую сердечник основного электромагнита и/или (в) при помощи П. Т. или ПМ.Т. токов, идущих через стабилизирующие катушки, окружающие различные части сердечника основного электромагнита. Появляются одно или более дополнительные вертикальные магнитные поля, генерированные одной или более дополнительными катушками или индуцированными линиями тока, которые служат для концентрации и формирования основного магнитного поля. Как первичное магнитное поле, так и одно или более дополнительных или вторичных вертикальных магнитных полей простираются через открытую грань зазора и расплавленный металл в зазоре. Комбинация магнитных полей и соответствующих индуцированных горизонтальных токов, генерированных в соответствии с настоящим изобретением, позволяет обеспечить достаточную электромагнитную силу по всей глубине расплавленного металла, действующую на боковую сторону расплава, для удержания расплавленного металла в вертикальном зазоре между валами. Эти магнитные поля в комбинации достаточны для электромагнитного удержания и стабилизации расплавленного металла внутри зазора между валами.

Как будет объяснено более детально далее, устройства и способы настоящего изобретения действуют существенно отлично в каждом из двух различных опытных образцах на основе постоянного тока П.С. и переменного тока где основное вертикальное магнитное поле образуется при помощи постоянного тока или переменного тока, идущего через первичные катушки основного электромагнита. Для того, чтобы достигнуть ясности в понимании существа дела, каждый вариант П.Т. И ПМ.Т. будут описаны отдельно.

В соответствии с П.Т. вариантом данного изобретения первичное вертикальное магнитное поле генерируется П.Т. первичной катушкой, окружающей часть магнитного сердечника основного электромагнита и часть сердечника включает пару вертикально раздвинутых магнитных противоположных полюса, причем раздвинутые полюсные наконечники находятся вблизи открытой стороны зазора. Соответственно лицевые поверхности магнитных полюсов расположены около открытой стороны зазора. В П.Т. варианте, постоянный ток идет через П.Т. - первичную катушку для генерации первичного П.Т. вертикального магнитного поля между полюсными наконечниками. Поле распространяется между лицевыми поверхностями магнитных полюсов; оно примыкает по вертикали к открытой грани зазора и действует в расплавленном металле. Кроме этого первичного П.Т. вертикального магнитного поля в зазоре действуют дополнительные вертикальные магнитные поля, генерированные другими катушками. Комбинированный эффект этих полей создает вихревые токи в расплавленном металле у края, осуществляя полное поверхностное удержание порции расплавленного металла, а также представляет собой средство для концентрации и формирования магнитной силы у края и стабилизации расплавленного металла.

Средство для магнитной концентрации состоит из валов, (a) самих по себе, например, имеющих медные патрубки, которые направляют магнитное поле через расплавленный металл, благодаря их форме; и/или (b) одну или более вторичных катушек, которые индуцируют переменный ток в порции жидкого металла в грани удержания. Этот индуцированный ток может быть выпрямлен диодом, соединенным между осями валов, проходя через боковую сторону расплавленного металла и через патрубки валов.

Таким образом, в П.Т. варианте, вторичное стабилизированное вертикальное магнитное поле, генерированное вторичными ПМ. Т. катушками, локализуется вблизи порции жидкости на открытой стороне зазора, создавая полупериодный, выпрямленный, индуцированный горизонтальный ток I₂, который течет между осями валов через диод, расположенный в проводнике, соединенном с осями валов для того, чтобы образовать замкнутую электрическую цепь через обе оси и через края валов и порцию расплавленного металла с боковой стороны. В этом П. Т. варианте, и как объясняется более детально ниже в подробном описании ПМ. Т. варианта, индуцированный переменный ток течет через патрубки валов и боковые стороны расплавленного металла для создания замкнутой электрической цепи. Вторичное магнитное при П.Т. варианте распространяется, в основном, по вертикали в зазоре удержания расплавленного металла и в самом расплавленном металле, и взаимодействуя с основным вертикальным магнитным полем для концентрации и/или формирования первичного вертикального магнитного поля и стабилизации порции жидкого металла.

Основное поле также может быть усилено при помощи одного или более вторичных вертикальных магнитных полей, генерированных дополнительными вторичными катушками, расположенными внутри полых краев валов, как описано более детально ниже, где валы и/или катушки валов усиливают и/или формируют вертикальное магнитное поле, в основном, по направлению к боковой стороне расплавленного металла, в пределах зазора, между и выше внешних граней валов, против боковой стороны. Эти дополнительные вторичные катушки с магнитным сердечником расположены внутри полых частей валов с края, примыкая к концу зазора. Эти дополнительные вторичные катушки могут питаться от П.Т. - источника или низкой, например 1-60 Гц частоты, ПМ.Т. источника. Так как магнитные поля, которые генерируются этими катушками, проходят через полые части валов, вблизи зазора, то частота переменного электрического тока, проходящего через помещенные в валы катушки, может быть выбрана различной и в оптимальном частотном диапазоне. Выбор этой частоты следует осуществлять для достижения основных целей: (a) оптимизировать проникновение поля семейства вертикальных магнитных полей в боковую грань порции расплавленного металла и в ободочную часть и боковые стенки валов; и (b) минимизировать нагрев вихревыми токами этих ободов и боковых стенок валов.

В соответствии с ПМ.Т. вариантом данного изобретения электромагнит содержит обмотки в пределах части ферромагнитного тела, расположенного вдоль самих валов, электрически изолирован от внешних медных патрубков валов. Основной электромагнит ПМ.Т. варианта конструкции может представлять собой катушечные обмотки в пределах валов, или быть аналогичным электромагниту П.Т. варианта конструкции, который питается от источника переменного тока. В любом случае, один из этих электромагнитов усиливает и формирует вертикальное магнитное поле, созданное другим электромагнитом. Переменный ток, проходя через обмотки катушек в части тела валов, индуцирует горизонтальный ток через расплавленный металл и медные патрубки валов, по всей длине патрубков валов, контактирующих с расплавленным металлом, индуцированный горизонтальный ток далее проходит поперек боковой стенки расплавленного металла, для того, чтобы обеспечить возможность создания соответствующего ПМ.Т. вертикального магнитного поля, локализованного на свободной боковой стороне расплавленного металла.

В ПМ.Т. варианте конструкции рост, концентрация и формирование первичного ПМ.Т. вертикального магнитного поля достигается: (1) включением конденсаторов в электрическую цепь обмоток катушек внутри валов для создания резонансных колебаний в RLC цепи; и/или (2) за счет вторичной ПМ.Т. - катушка которая может быть первичной П.Т. катушкой П.Т. варианта конструкции, но питаемой переменным током; и/или (3) за счет катушки стабилизации П.Т. варианта конструкции, расположенной вблизи боковой стороны расплавленного металла и питаемой переменным током.

Любой из этих вторичных источников ПМ.Т. вертикального магнитного поля служит для концентрации и формирования первичного вертикального ПМ.Т. магнитного поля около боковой стороны расплавленного металла. ПМ.Т. вертикальные магнитные поля комбинируются и направляются в концентрированном и сформированном виде внутрь боковой стороны расплавленного металла для боковой стабилизации и создания достаточной магнитной силы для предотвращения утечек расплавленного металла через открытый край зазора между валами.

Важная особенность обоих вариантов данного изобретения состоит в том, что один или более электрических контуров (a) расположены вблизи боковой стороны расплавленного металла, или расположены внутри ферромагнитной части валов, индуцируют горизонтальные токи (1) через оси валов и вдоль ребер боковых сторон расплавленного металла или (2) поперек медных патрубков валов по всей длине контакта валов с расплавленным металлом и далее через боковую сторону расплавленного металла. Электромагнитный контур (a) обоих вариантов конструкции создают вертикальные магнитные поля, которые влияют на концентрацию и/или формирование поля магнитного давления у боковой стороны расплавленного металла. Комбинация магнитных полей обеспечивает концентрированное и требуемой конфигурации магнитное давление в направлении, обычно ограниченном открытым краем зазора, и под действием этого давления расплавленный металл удаляется от открытого края зазора без существенной диссипации магнитного поля.

В соответствии с этим, одним из аспектов данного изобретения является обеспечение устройства и способа генерации семейства взаимодействующих вертикальных магнитных полей вблизи открытого края зазора между двумя раздвинутыми элементами конструкции, например валами. Эти поля распространяются в зазоре, до расплавленного металла в зазоре, удерживая расплавленный металл между раздвинутыми элементами без применения механических изоляции зазора.

Другим аспектом данного изобретения является обеспечение устройства электромагнитного удержания расплавленного металла и способа при генерации первичного вертикального магнитного поля постоянным или переменным электрическими токами, идущими через первичный магнитные обмотки катушек, причем П.Т. и ПМ.Т. варианты могут иметь различные воплощения. Плотность потока первичного вертикального магнитного поля сконцентрирована и локализована внутри пространства зазора между валами посредством включения согласованного вертикального магнитного поля через свободную грань расплавленного металла. Согласованное поле непосредственно связано с (a) выпрямленным, индуцированным ПМ.Т. Током, текущим горизонтально через обода вала, оси валов и боковую сторону расплавленного металла (П.Т. вариант конструкции), или ПМ.Т. током, (b) текущим через первичные обмотки катушек в ферромагнитной части валов, и индуцирующем горизонтальный ток в медных патрубках валов через боковую сторону расплавленного металла (ПМ.Т. вариант конструкции), и через конденсаторы, включенные в электрический контур.

Другим аспектом данного изобретения является создание электромагнитного устройства и способа для удержания расплавленного металла внутри зазора между двумя валами, где электромагнитное устройство и способ могут использоваться большей частью в П.Т. моде или ПМ.Т. моде, и где переменный ток может поступать различной частоты к различным секциям катушек при обоих вариантах действий.

Еще другим аспектом данного изобретения является разработка электромагнитного устройства постоянного тока и способа удержания расплавленного металла, используя П.Т. и выпрямленный ПМ.Т. токи через первичную и вторичную обмотки электромагнита. ПМ.Т. полученный горизонтальный ток во вторичной обмотке индуцирует горизонтальный ток во вторичном электрическом контуре, то есть становится выпрямленным П.Т. током. Изменяя частоту переменного тока во вторичной электрическом контуре, общее электромагнитное давление P_m, действующее на расплавленный металл, может быть уникальным образом контролируемо одним или более параметрами тока, такими, как, например, индукция.

Кроме того, другим аспектом данного изобретения является разработка электромагнитного устройства и способа удержания расплавленного металла при помощи переменного электрического тока, текущего (a) через катушки одного электромагнита, включая обмотки катушек, расположенных внутри ферромагнитной части валов для создания ПМ.Т. вертикального магнитного поля и (b) через одну или более вторичных катушек, расположенных вблизи боковой стороны расплавленного металла. ПМ.Т. ток, текущий через обмотки катушек внутри валов, создает ПМ.Т. вертикальное магнитное поле и, посредством включения конденсаторов в электрический контур, состоящий из обмоток катушек и осей валов для оптимизации тока, а также расположением обмоток внутри валов, ПМ.Т. вертикальное магнитное поле контролируется и формируется у боковой стороны расплавленного металла.

Другим аспектом данного изобретения является обеспечение третичного ПМ. Т. И П. Т. вертикального магнитного поля за счет электромагнита, имеющего ближайшую действующую катушку вблизи свободной грани расплавленного металла. Ближайшая действующая катушка расположена вблизи конца зазора между валами для удержания расплавленного металла, при этом поверхность упомянутой ближайшей действующей катушки, обращенная к расплавленному металлу, окрашена в черный цвет для поглощения тепла, испускаемого объемом расплавленного металла (джоулево тепло в результате прохождения вихревых токов через боковую свободную грань расплавленного металла).

Другим аспектом данного изобретения является разработка устройства и метода для удержания расплавленного металла между двумя раздвинутыми валами, при этом валы включают в себя внутренние обмотки для получения ПМ.Т. тока. Обмотки электрически изолированы от внешней среды, сделаны из неферромагнитного материала, например, медные, патрубки валов. Ток, который течет через обмотки валов, индуцирует горизонтальный ПМ.Т. ток через патрубки валов, который течет поперек свободных граней расплавленного металла к противоположному патрубку вала. Взаимодействие между вертикальными магнитными полями создает концентрированное вертикальное электромагнитное поле на свободной грани расплавленного металла.

На фиг. 1, А представлен частично нарушенный перспективный обзор, где показан П.Т. вариант конструкции устройства электромагнитного удержания расплавленного металла в соответствии с данным изобретением, применительно к паре валов при непрерывном литье полосы;
на фиг. 1, В показан вид сверху устройства, изображенного на фиг. 1,А, видны линии поперечного сечения 3-3;
на фиг. 1,С вид сверху устройства, изображенного на фиг. 1,А, видны линии поперечного сечения 7-7;
на фиг. 2 вид сзади устройства и валов 20, изображенных на фиг. 1,А;
на фиг. 3 вид поперечного сечения вдоль линии 3-3 фиг. 1,В;
на фиг. 4 фрагмент вида сверху, частично невидимый, части устройства, взятый вдоль линии 4-4 фиг. 2;
на фиг. 5 схематическое представление части устройства, показанного на фиг. 4, изображены контуры первичного (I₁) и вторичного (I₂) токов стабилизирующих катушек 28;
на фиг. 6 перспективный обзор первичной катушки 24, стабилизирующих катушек 28 и центральной части сердечника устройства, изображенного на фиг. 1, А;
на фиг. 7 вертикальный обзор поперечного сечения части устройства, использованного в ПМ.Т. варианте создания вертикального магнитного поля данного изобретения, взят вдоль линии 7-7 фиг. 1,С;
на фиг. 8 вертикальный обзор поперечного сечения, частично невидимый, ПМ. Т. магнитной системы с обмотками катушек, сгруппированными на валу, взят вдоль линии 8-8 фиг. 2;
на фиг. 9 увеличенный, частично невидимый вид части вала, применяемого в ПМ.Т. варианте конструкции данного изобретения;
на фиг. 10 фрагментарный горизонтальный разрез, частично по вертикали и частично невидимый, где показано схематическое представление различных магнитных и электрических контуров тока;
на фиг. 11 представлен концевой обзор поперечного сечения в соответствии ПМ. Т. вариантом конструкции данного изобретения и разрез диаграммы проводки катушек внутри валов; и
на фиг. 12 представлен схематичный (фиг. 12,А) колебательный контур RLC и соответствующий график, где показана работа катушек стабилизации 28.

На фиг. 1,А показана пара валов 10a и 10b (отмеченных совместно как валы 10), которые параллельны и примыкают друг к другу и включают приводы валов 13a и 13b, имеющие оси 11a и 11b, которые лежат в горизонтальной плоскости. Расплавленный металл 12, в объеме высотой "h" (фиг. 11) содержится между валами выше точки, где валы максимально сближаются (точка захвата). Валы 10 отделены зазором друг от друга, имеющем размер "d" в точке захвата фиг. 3. Противоположное вращение валов 10a и 10b в направлениях, показанных стрелками 12a и 12b (фиг. 2) и сила тяжести заставляют расплавленный металл 12 опускаться вниз. Металл затвердевает на каждой поверхности валов, образуя два тонких листа в то время, когда он выходит из зазора в точке захвата между валами 10. Эти два твердеющих листа будут соединены вблизи самой узкой части зазора точкой захвата, имея толщину "d", промежуток между валами. Жидкое ядро, содержащееся между сходящимися твердеющими листами, от верхнего уровня расплавленного металла до точки x захвата, где валы имеют наибольшее сближение друг к другу, создает боковое давление, которое прямо пропорционально глубине объема расплавленного металла "h".

Валы 10 сделаны из материала, имеющего соответствующую теплопроводность, например из меди или сплава на основе меди, нержавеющей стали и подобных материалов; они охлаждаются изнутри водой, как будет описано детально далее.

Теперь обратимся конкретно к фиг. 1-4, где изображен основной П.Т. электромагнит 20, который включает в себя ферромагнитный сердечник, например из железа, и множество независимо действующих катушек.

Эти катушки связаны с электромагнитом 20, состоящим из первичных П.Т. - катушек 24 и стабилизирующих катушек 28. Ток от отдельного источника питания создает токи через катушки 24 и 28, создавая вертикальное магнитное поле поперек боковой стороны расплавленного металла, которое достаточно для удержания и стабилизации боковой стороны. В выбранном варианте П.Т. - конструкции, включающем третью позицию катушек 26 (фиг. 1 и 3), второй электромагнит расположен внутри концов валов, обеспечивая концентрацию и конфигурацию поля основного П.Т. электромагнита 20. Три различимых вертикальных магнитных поля сконцентрированы и стабилизированы на свободной грани расплавленного металла (боковая сторона между валами 10a и 10b, что будет более детально рассмотрено далее. Катушки 26 используются только в П.Т. варианте конструкции данного изобретения.

Сердечник основного П.Т. электромагнита, частично невидимый, показан на фиг. 1,А для представления катушек 24 и 28. Как лучше видно на фиг. 1, 3 и 6 катушка 24 расположена выше и между верхней частью валов 10a и 10b. Катушка 28 (фиг. 1, 2, 4, 5 и 6) вблизи боковой грани удержания расплавленного металла в контакте с валом. Катушка 25 (фиг. 1-4) расположена внутри полых концевых долей валов 10a и 10b и тесно примыкает к внутренней поверхности медных патрубков окружающих валы 10a и 10b и содержащих ободы валов 30a и 30b. Как показано на фиг. 1,А катушка 26 находится большей частью внутри полой части вала 10a выше края 32, примыкая к приводу вала 13a. Следует иметь ввиду, что другая катушка 26, идентичной конфигурации катушки 26, показанной на фиг. 1, А, расположена внутри полой концевой доли 33 вала 10b, соответствуя полой концевой доли 32 вала 10a. Катушка 26 может быть образована из множества отдельных катушек, каждая из которых подключена к независимому источнику питания, следуя контуру сердечника 80, показанному на фиг. 1-4. Как изображено на фиг. 1-4, катушки 26 находятся вблизи центральной вертикальной плоскости 29 (фиг. 3) расплавленного металла, который проходит через точку захвата до катушек 26 у верхней поверхности расплавленного металла. Следовательно, магнитное давление будет больше около точки захвата, где максимальная глубина расплавленного металла требует и максимального давления удержания. Аналогично, по желанию, катушки 26, которые расположены близко от точки захвата, могут быть подключены к отдельному источнику питания для усиления вертикального магнитного поля около нижней части объема расплавленного металла по сравнению с давлением на верхней поверхности объема расплавленного металла.

Основной П. Т. электромагнит 20, наилучшим образом показанный на фиг. 1-6, включает в себя катушки 24 и 28, каждая из которых окружает различные доли центрального сердечника магнита. Магнитный сердечник сделан из ферромагнитного материала, например железа, и сформирован из модулей, основные части которых обозначены числами 34 и 36. Секция магнитного сердечника 34, обычно в виде буквы E, имеет три ответвления буквы "E", направленных вниз, при этом внешние ответвления охватывают валы, а центральное расположено над объемом расплавленного металла 12. Секция сердечника 34 расположена сверху валов 10a и 10b, над полыми концевыми частями 32 и 33 валов 10a и 10b. Секция сердечника 34 расположена поперек, между и выше осей валов 11a и 11b, при этом самые крайние ребра внешних колен E-образной секции 34 расположены около наивысшей точки окружности валов 10a и 10b.

Секция магнитного сердечника 36 обычно выполнена в C-образной форме и соединена поперек с E-образной секцией сердечника 34 ее центрального колена таким образом, что только внешняя часть колена 35 C-образной секции сердечника 36 соединена с центральным коленом E-образной секции сердечника 34. Катушка 24 проходит через оба зазора между направленными вниз коленами E-образной секции сердечника 34 и вокруг связующей доли верхнего колена 35 C-образной секции сердечника 36. Катушка 24 проходит между направленной вниз основной частью 37 секции сердечника 36 и частью соединительного колена 35 секции сердечника 36. Катушка стабилизации 28 центрирована вокруг базовой части 37 секции сердечника 36, примыкая к ней, и внутренней частью обращена к боковой стороне удержания. Катушка стабилизации 28 расположена по вертикали под частью катушки 24, которая проходит вблизи части колена 35 C-образного сердечника. Обычно U-образной формы ярмо 40 помещено для зажима вокруг приводов валов 13a и 13b и связи по магнитному потоку с секцией магнитного сердечника 34 посредством верхней части сердечника 52 и нижней части сердечника 60 и парой нижних полюсов электромагнита 62 и имеется разворот вверх кромки полюсов 66, и проходит под расплавленным металлом 12 у боковой стороны удержания. Приводы 13a и 13b расположены около основания и внутри U-образного ярма 40, как наилучшим образом видно на фиг. 2.

E-образная секция сердечника 34, лучше всего видная на фиг. 6, целиком соединена с ярмом 40 на верхнем и нижнем плечах 40a и 40b. Обычно L-образной формы ферромагнитная структура 57 (фиг. 6) включает в себя вертикальную опорную штангу 58, расположенную перпендикулярно вверх от горизонтальной части нижнего колена 60, соединена по магнитному потоку с верхней частью основного электромагнита 20 посредством ярма 40. Часть 60 нижнего колена L-образной структуры 57 включает в себя пару раздвинутых нижних полюсов электромагнита 62, распространяющихся вертикально вверх от конца 64 части колена 60. Нижние полюса 62 включают в себя направленную вверх облицовку, кромки 66 нижних полюсов электромагнита, установленных на части колена 60, вытянутых вверх и примыкающих к зазору между валами.

E-образная секция сердечника 34 состоит из самой нижней стенки сердечника 72, образованной нижней стенкой центрального колена E-образной секции сердечника 34, которая служит в виде кромки верхнего полюса электромагнита. Кромка полюса 72 выровнена вертикально вверх и удалена от кромок 66 нижнего электромагнитного полюса (фиг. 1 и 6), при этом грань плавления расположена между ними. C-образная секция сердечника 36 включает в себя кромку 73 верхнего электромагнитного полюса, образованную нижней стенкой части колена 35. Кромки верхнего электромагнитного полюса 72 и 73 расположены в одной горизонтальной плоскости и удалены по вертикали от кромок 66 нижнего полюса. Кромка 72 верхнего полюса находится выше боковой стороны расплавленного металла, при этом боковая сторона расположена вертикально между кромками полюсов 72 и 66. Кромка 73 верхнего полюса расположена выше боковой стороны расплавленного металла и удалена по горизонтали от фронта боковой стороны, так что вертикальное поле, созданное между кромками полюсов 73 и 66, стабилизирует боковую сторону расплавленного металла. Предпочтительно, чтобы кромки 72 и 73 верхнего полюса были расположены выше верхнего уровня расплавленного металла и часть кромки 66 нижнего полюса располагалась точно внизу точки захвата, так чтобы вертикальное магнитное поле между кромками выровненных в линию полюсов 72, 73 и 66 находилось у фронта боковой стороны расплавленного металла для ее удержания.

Вторичные П.Т. катушки 26 установлены внутри полых концевых частей 32 и 33 валов 10a и 10b для охвата части штифтов сердечника C-образной формы, обычно обозначаемой 80 (фиг. 1, 4 и 6). Часть штифтов сердечника включает в себя цельную вертикальную часть сердечника 82 в вертикальном направлении с самой низкой концевой стенкой 83 одного из внешних штифтов 84 E-образной части сердечника 34, расположенной выше вала 10a. Аналогичная часть штифтов C-образного сердечника имеет аналогичную цельную часть сердечника 82, окруженную идентичными катушками 26, также находящимися внутри полых концевых частей 33 вала 10b. На противоположном конце, части штифтов сердечника 80 включают цельные части нижней доли сердечника 182 (фиг. 3) в линии с магнитными полюсами 62, завершая магнитный контур, который включает части сердечника 57, 58, 5, 36 и 34.

Устройство, описанное выше и показанное на фиг. 1-6, действует в соответствии с вариантом конструкции на основе постоянного тока (П.Т.) данного изобретения для создания концентрации плотности магнитного потока около боковой стороны удержания, внутри областей ребер валов и зазора между валами 10a и 10b и для стабилизации боковой стороны расплавленного металла. В соответствии с этим П. Т. вариантом конструкции устройства и способа данного изобретения, первичная П.Т. Катушка питается постоянным током, поступающим от источника постоянного тока (не показан) для создания вертикального магнитного поля, распространяющегося между верхними кромками полюса электромагнита 72 и 73 и кромками нижнего полюса электромагнита 66, примыкая и охватывая боковую сторону расплавленного металла.

В соответствии с важной особенностью этого П.Т. варианта конструкции устройства и способа данного изобретения это первичное П.Т. вертикальное магнитное поле концентрируется и формируется в области валов и боковой стороны посредством вторичного магнитного поля, которое создается током, текущим через вторичные катушки 26, подключенные к отдельному источнику питания. Объем расплавленного металла, удерживаемый двумя магнитными полями, стабилизируется вертикальными магнитными полями, создаваемыми в результате того, что контролируемое поле тока обеспечивается за счет эффекта окрестности питания, по крайней мере, внешней (расплавленный металл окрестность) секции 28a катушек стабилизации 28 источником переменного тока, что будет объяснено детально далее. Внутренняя секция 28 катушки стабилизации 28 одновременно может питаться постоянным или током низкой частоты для дальнейшего усиления эффектов первичного поля около боковой стороны.

Следует иметь ввиду, что катушка 28 разделена на две примыкающие друг к другу секции 28a и 28b, как показано на фиг. 1,А, но не показано, как таковое, на всех фиг. для простоты и ясности показа контуров полей тока и магнитного поля с других точек обзора.

В соответствии с этим П.Т. вариантом конструкции данного изобретения, переменный ток (I₁) поступает, по крайней мере, во внешнюю (вблизи точки плавления) секцию 28a катушек 28, как показано на фиг. 5. Переменный ток I₁ проходит через внешнюю секцию 28a катушек 28, индуцирует ток через приводы 13a и через проводник 75 и полупроводниковый выпрямитель 74, связанный по току с другим приводом 13b. Как хорошо видно на фиг. 5, из привода 13b индуцированный ток I₂ течет через корпус вала, патрубок вала и далее через боковую сторону расплавленного металла, возвращаясь на привод 13a для образования замкнутого электрического контура с валами 10a и 10b и расплавленным металлом 12. Замкнутый контур (фиг. 1-5) завершается скользящими контактами 25, соприкасающимися с внешними поверхностями приводов 13a и 13b. Постоянный ток может поступать во внутреннюю секцию 28b катушек 28 для создания дополнительной плотности вертикального поля, распространяющегося между кромками противоположных полюсов 72, 73 и 66 тем же самым образом, что и вертикальное поле, произведенное подачей энергии в первичные П.Т. катушки 24. В качестве альтернативы переменный ток низкой частоты, например 1-60 Гц, может быть использован в катушке 28 для достижения аналогичного эффекта.

Если "зазор "a" между боковой стороной расплавленного металла и прилегающей катушкой 28 уменьшается, то индуктивность катушки 28 изменяется и ток через катушку 28 увеличивается, что в свою очередь приводит к увеличению размера зазора "a", как показано на фиг. 12. В результате, если расплавленный металл приближается к секции прилегающей катушки 28a, например, ввиду нестабильности расплавленного металла, то наступает резонанс, вследствие изменения взаимоиндукции. Это изменение индуктивности приводит к увеличению тока внутри катушки 28, таким образом обеспечивая автоматическое увеличение плотности потока у боковой стороны расплавленного металла и, следовательно, приводя к увеличению зазора "a", уменьшая способность расплавленного металла к движению.

В соответствии с этим П.Т. способом удержания расплавленного металла, магнитное давление P, которое действует на боковую свободную поверхность расплавленного металла, создается взаимодействием (a) вертикально направленным П. Т. магнитным полем B(y), созданным возбужденными первичными П.Т. катушками 24 и вторичными П.Т. или ПМ.Т. катушками 26, где поле (я) генерированы током I₂, горизонтально направленным внутри ребра расплавленного металла, и которое получается в результате того, что переменный ток поступает в прилегающую расплавленную область 28a и/или внутреннюю секцию 28b катушек 28 в соответствии со следующим уравнением:

Электромагнитная сила

Изменением частоты переменного тока, поступающего во внешнюю вблизи расплава секцию катушки 28a в пределах диапазона от 150 гц до 5000 гц, например от 600 гц до 800 гц, в П.Т. варианте конструкции данного изобретения, пространственный диапазон взаимодействия между вертикальным полем B (y) и обусловленным индуцированным током внутри расплава, положение и стабильность поверхности объема расплавленного металла относительно внешней поверхности катушек 28 можно контролировать. Следовательно, электромагнитное давление P_m также можно контролировать в соответствии с уравнением:

Для достижения необходимого удержания расплавленного металла прилагаемое внешнее электромагнитное поле должно быть достаточным, чтобы удержать расплавленный металл выше и между валами 10. Однако, применение вышеупомянутых магнитных полей также может вызвать перемешивание внутри расплавленного металла. Следовательно, магнитный поток, необходимый для удержания боковой стороны расплавленного металла, представляет собой только часть общего магнитного потока, требуемого системой. Количество магнитного потока, необходимого для удержания и перемешивания, пропорционально коэффициенту Φ в уравнении (3).

Коэффициент v всегда меньше 1, и, например, значение v 0.76 представляет собой теоретический расчет магнитного давления P_m, адекватного для магнитной стабилизации типичного объема жидкой стали глубиной 0.4 м, Z₀ 0.05 м, плотность созданного индуцированного тока около 2.0 А/мм², а плотность магнитного потока 0.7 Т.

Вертикальные магнитные поля генерируются различными источниками питания, и индуцированные токи и их контуры в различных формах П.Т. варианта конструкции данного изобретения показаны в табл. 1, 2.

В П.Т.-варианте конструкции один из электромагнитов, состоящий из катушки, например (28a, 28 или 26) и соответствующего сердечника, следует подключить к переменному току для стабилизации расплавленного металла у свободного края боковой стороны объема расплавленного металла. В ПМ.Т.- варианте конструкции, описанном более детально далее, единственная катушка (например 24, 26, 28a, 28) или 81, питаемая переменным током, может удержать и стабилизировать боковую сторону свободной поверхности расплавленного металла.

В случае ПМ.Т.-варианта конструкции данного изобретения, при использовании переменного магнитного поля, магнитное давление P_m выражается в виде:

В соответствии с выбранной характеристикой ПМ.Т.-варианта конструкции настоящего изобретения, множество значений частот переменного тока, используемых для генерации переменного магнитного поля B(y) может быть использовано для оптимизации магнитного поля непосредственно на фронте боковой стороны расплавленного металла. Эти токи генерируют два типа электромагнитных сил внутри объема расплавленного металла. Первая (концентрирования и формирования) сила уравновешивает гидростатическое давление, которое действует по оси наружу на расплавленный металл в зависимости от его глубины Эта сила создается, в основном, за счет эффектов тока, идущего через катушки 24 и 26. Вторая (стабилизации) сила подавляет неустойчивости (например турбулентность) в пределах свободной поверхности боковой грани расплавленного металла. Эта сила создается, в основном, за счет эффекта тока, проходящего через части катушек 28a и 28b катушки 28.

В соответствии с выбранной характеристикой ПМ.Т.-варианта конструкции изобретения два различных диапазона частот переменного тока могут быть получены через различные ПМ.Т. катушки или через различные секции одной и той же ПМ.Т. катушки для оптимизации обоих типов электромагнитных сил. Диапазон частот, например, от 1 до 150 Гц, используется для ПМ.Т. катушки 24 для создания первичного ПМ.Т. вертикального магнитного поля у боковой стороны расплавленного металла, как показано в ПМ.Т.-вариантах конструкции изобретения (фиг. 7-12). Тот же самый диапазон частот переменного тока используется для ПМ.Т. обмоток катушек 81, находящихся внутри части ферромагнитного ствола 93 валов 10 (фиг. 7-11), что дает возможность для концентрирования и формирования ПМ. Т. вертикального магнитного поля. Часть ферромагнитного ствола 93 валов 10 изолирована электрически от медных патрубков изоляционным материалом 85 (фиг. 9). Обмотки катушки 81 внутри валов 10 создают горизонтальный ток через патрубки вала 87 из меди и свободный край боковой стороны расплавленного металла. Горизонтальный аксиальный ток проходит через медные патрубки валов, имеющие относительно более значительную электропроводность по сравнению с контактирующим расплавленным металлом, так что ток течет через расплавленный металл только в поперечном направлении к боковой стороне удержания.

Более высокочастотное вторичное ПМ.Т. вертикальное магнитное поле, создаваемое секцией 28a катушек 28, прилегающей к расплаву, и низкочастотное, например 1-60 Гц, для секции катушки 28b, стабилизируют боковую сторону расплавленного металла аналогичным образом, как описано в связи с функционированием катушек 28 в П.Т.-варианте конструкции способа и устройства изобретения.

В соответствии с ПМ.Т.-вариантом конструкции изобретения, внешние поверхности валов 10 включают в себя электропроводные, например медные, патрубки 87 (фиг. 9) с множеством продольных пазов 89 на своих внутренних поверхностях, или другие средства для охлаждения, которые обеспечивают проток воды для охлаждения. Медные патрубки 87 и ферромагнитная (т.е. железная) часть тела вала 93 электрически изолирована одна от другой соответствующим непроводящим материалом, например теплостойким полимером 85. Обмотки 81 функционируют аналогичным образом обмоткам генератора или мотора посредством выводов на электрические коллекторы 88a и 88b, установленных на приводах 13a и 13b, соответственно (фиг. 8 и 10). Коллекторы 88a и 88b, показанные на фиг. 8 и 10, вращаются вместе с приводами 13a и 13b.

ПМ. Т. катушки 24 установлены на частях сердечника 34 и 36, примыкая сверху ребер валов, и создавая вертикальное магнитное поле у боковой стороны расплавленного металла, посредством вертикального магнитного поля, распространяющегося между кромками полюсов 72, 73 и 66. ПМ.Т. катушка 24 и ПМ.Т. обмотки катушек 81 ПМ.Т. электромагнитного контура, возбужденного низкочастотным (например от 1 до 150 Гц) переменным током, поступающим от одного или более ПМ.Т. источников тока. В выбранном варианте конструкции ПМ.Т.-способа секция катушки 28a вблизи расплава питается высокочастотным (например от 150 до 5000 Гц) переменным током, а внутренняя секция катушки 28 питается П.Т. или низкочастотным (например от 1 до 150 Гц) переменным током.

ПМ.Т. система удержания действует следующим образом:
Вертикальное ПМ. Т. магнитное поле B(y) создается ПМ.Т. катушками 24 и/или посредством обмоток ПМ.Т. катушек 81 концентрации и конфигурации, расположенных вокруг внутренней периферии части ферромагнитного ствола 93 валов 10 (фиг. 8-10). Электрический контур, который содержит обмотки катушек 81, также действует как концентратор и формообразователь магнитного поля, концентрируя и формируя вертикальное магнитное поле от катушек 24, по аналогии с функцией концентрации и конфигурации катушек 26 в П.Т.-варианте конструкции изобретения. Каждая в отдельности, или группами, множество обмоток 81 связано со своими собственными отдельными контактами 91 (фиг. 11) вращающихся коллекторов 88a и 88b (упоминаемых вместе как коллекторы 88), и показанных на фиг. 8 и 10. Коллекторы, в свою очередь, соединены с ПМ.Т. источником питания (фиг. 11). Каждый контур обмоток катушек 81 внутри валов соединен с конденсатором C (90) последовательно. Эти конденсаторы 90 образуют замкнутый электрический контур с катушками 81, вращающимися электрическими контактами 125 (аналогичными электрическим контактам 25 на фиг. 1,А при П.Т. варианте конструкции). Таким образом, контур каждой катушки создает резонансный RLC контур напряжения, который действует для автоматической регулировки тока, поступающего на катушки 81. Следует иметь ввиду, что обмотки катушек 81 могут быть соединены с конденсатором C и параллельно для создания резонанса тока в колебательном RLC контуре.

Катушка 28 для обеспечения вышеописанной функции должна быть расположена по возможности ближе к краю объема расплавленного металла. В выбранном варианте конструкции, следовательно, катушку 28 нужно защитить от радиальных потоков тепла от расплавленного металла. Охлаждение водой и теплоизоляция могут быть объединены при проектировании катушки 28 для решения этой проблемы. Ввиду радиального теплообмена от расплавленного металла к катушке стабилизации 28, катушка 28 должна быть в состоянии адсорбировать практически все джоулево тепло, которое испускается на боковой стороне объема расплавленного металла 12, за счет действия вихревых токов. В соответствии с выбранным вариантом конструкции изобретения количество тепла, которое способна поглотить ПМ. Т. катушка стабилизации увеличивается при окраске в черный цвет внешней поверхности секции катушки 28a в контакте с расплавом. Эта дополнительная возможность для внешнего поглощения тепла от объема расплавленного металла создает другое важное отличие выбранного варианта конструкции изобретения.

В соответствии с другим важным и отличным от этого преимуществом способа и устройства изобретения контроль плотности индуцированного тока внутри объема расплавленного металла достигается, например, как показано на фиг. 10, изменением частоты тока j₁, поступающего в обмотки катушек 81 ПМ.Т. контура. ПМ.Т. вертикальное магнитное поле, созданное ПМ.Т. обмотками катушек 81 индуцирует токи внутри медных патрубков 87 (фиг. 10) и поперек боковой стороны расплавленного металла 12. Из-за того, что медь имеет более высокую проводимость, чем расплавленный металл, токи текут, в основном, через медь медь, и ток, в действительности, не течет поперек расплавленного металла, за исключением окрестности боковых сторон. В результате этого, ток j₂, хотя и индуцируется по всей длине медных патрубков 87 и всего объема расплавленного металла 12, но замыкает петлю электрического контура, главным образом, у боковой стороны расплавленного металла, выходя из медного патрубка и пересекая в поперечном направлении боковую сторону по пути к другому медному патрубку, прилегая к боковой стороне удержания. В результате этого эффекта обеспечивается концентрация магнитных сил внутри зоны боковой стороны и, следовательно, магнитное давление, созданное этими силами, направлено внутрь, у боковой стороны, по направлению к объему расплавленного металла.

Вертикальные магнитные поля, генерированные различными источниками питания, и индуцированные токи и их контуры при различных формах ПМ.Т.-варианта конструкции изобретения показаны в табл. 3 и 4.

Различные электромагнитные системы для обоих П.Т. И ПМ.Т.-вариантах конструкции сгруппированы в табл. 5.

Реферат

Изобретение относится к области непрерывной разливки металлов между валками-кристаллизаторами и предназначено для предотвращения выделения расплавленного металла через вертикальные зазоры между валками. Согласно изобретению, генерируют в окрестности открытой стороны зазора валов первое вертикальное магнитное поле на основе постоянного тока или переменного тока, текущих через катушку, окружающую сердечник первого электромагнита, или на основе индуцированного горизонтального тока, текущего через приводы валов, патрубки валов и край расплавленного металла. Таким образом, создаются одно или более дополнительных вертикальных магнитных полей, которые предназначены для концентрирования и/или формирования первого магнитного поля, и эти вертикальные магнитные поля взаимодействуют, обеспечивая достаточные электромагнитные силы для удержания расплавленного металла в вертикальном зазоре между валами. Как первое вертикальное магнитное поле, так и одно или более дополнительных или вторичных вертикальных магнитных полей распространяются через открытую сторону зазора по направлению к расплавленному металлу в зазоре. Комбинация магнитных полей согласуется для того, чтобы обеспечить достаточную электромагнитную силу по глубине расплавленного металла, у боковой стороны расплавленного металла для электромагнитного удержания расплавленного металла внутри зазора между валами и стабилизации расплавленного металла у боковой стороны. 5 с. и 73 з.п. ф-лы, 12 ил., 5 табл.

Формула