устройство для перемешивания расплавленного металла в кристаллизаторе

Формула изобретения

1. Устройство для перемешивания расплавленного металла в кристаллизаторе, содержащее охлаждаемый кристаллизатор с гильзой и корпусом с расположенным в нем m - фазным индуктором, выполненным в виде сердечника с зубцами и обмотками, отличающееся тем, что наружная поверхность сердечника индуктора непосредственно прилегает к внутренней поверхности корпуса кристаллизатора, при этом корпус кристаллизатора выполнен из ферромагнитной стали многогранником с числом граней, равным 2m n, где m = 2 - 6 - количество фаз индуктора, а n = 1, 2, 3... - число из натурального ряда чисел.

2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что индуктор выполнен составным из элементов, число которых равно 2m n + 1.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к металлургии, а именно к непрерывной разливке металлов и сплавов.

Известно устройство для перемешивания расплавленного металла в кристаллизаторе, содержащее кристаллизатор с гильзой и водоохлаждаемым корпусом и индуктор трехфазного тока, выполненный в виде сердечника с шестью зубцами и обмотками [авт. свид. N 422523 кл. B 22 D 11/04, 24.11.1972 г.].

Недостатками этого устройства является малый срок службы и низкая надежность работы.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому решению (прототипом) является устройство для перемешивания расплавленного металла в кристаллизаторе, содержащее кристаллизатор с гильзой и водоохлаждаемым корпусом и индуктор трехфазного тока, выполненный в виде сердечника с шестью зубцами и обмотками, которые размещены в водоохлаждаемом корпусе кристаллизатора, причем две обмотки каждой фазы выполнены с различными радиусами и частично перекрывают друг друга, а индуктор снабжен кольцами-отражателями, выполненными из металла с высокой проводимостью и расположенными между внешней стенкой корпуса кристаллизатора и обмотками индуктора [патент СССР N 818464 МПК³ B 22 D 11/04, 14.06.76].

Недостатками прототипа являются сложность конструкции, повышенный расход электроэнергии и пониженная эффективность перемешивания. Так, например, раздельное выполнение корпуса и сердечника, наличие медного экрана и увеличенный зазор усложняют конструкцию и увеличивают расход электроэнергии. Достигаемая при этом равномерность магнитного поля уменьшает степень турбулизации потока расплава, тем самым значительно снижается эффективность перемешивания, а следовательно, и качество непрерывнолитой заготовки.

Заявляемое техническое решение устраняет перечисленные выше недостатки аналогов и прототипа тем, что наружная поверхность сердечника индуктора непосредственно прилегает к внутренней поверхности корпуса кристаллизатора, при этом корпус кристаллизатора выполнен из ферромагнитной стали многогранником с числом граней, равным 2mn, где m = 2-6 - количество фаз индуктора, а n = 1, 2, 3. . . - число из натурального ряда чисел. Кроме этого для улучшения ремонтопригодности индуктор выполнен составным с числом элементов, равным 2mn + 1.

Заявляемое устройство для перемешивания расплавленного металла в кристаллизаторе поясняется чертежами 1-4.

На фиг. 1 показан продольный разрез устройства, на фиг. 2 - поперечный разрез устройства по А-А при двухфазном исполнении индуктора m = 2 с числом граней, равным 8, и при отсутствии деления сердечника с зубцами на элементы, на фиг. 3 - то же, но сердечник с зубцами разделен на 8 элементов и на фиг. 4 - то же, но корпус и сердечник объединены в один элемент.

Устройство для перемешивания расплавленного металла в кристаллизаторе состоит из индуктора с корпусом 1, к внутренней поверхности которого непосредственно прилегает наружная поверхность сердечника 2. Сердечник снабжен зубцами 3, на которых установлены катушки 4 обмотки индуктора, выполненные, например, с водопогружной электроизоляцией. На корпусе установлены патрубки 5 и 6 соответственно для подвода и отвода охлаждающей кристаллизатор воды. В центральной части кристаллизатора установлена гильза 7, непосредственно формирующая отливаемую заготовку. Гильза охвачена обечайкой 8, изготовленной из немагнитного материала с высоким удельным сопротивлением, например из стали аустенитного класса.

Для примера на фиг. 2 и 3 показано устройство при m = 2 и n = 2 и числе граней многогранника 2mn = 222 = 8. Также для примера на фиг. 3 показано выполнение индуктора при m = 2 и n = 2 составным с числом элементов 2mn + 1 = 222 + 1 = 9, а именно один корпус 1, четыре элемента 9 сердечника 2 и четыре зубца 3 с катушкой 4 на каждом зубце. На фиг. 4 также для примера показан индуктор, в котором сердечник и корпус объединены в один элемент. В этом случае при m = 2 и n = 1 число составных элементов индуктора равно 2mn + 1 = 221 + 1 = 5, а именно один элемент - корпус 1 и четыре элемента - зубцы 3 с установленными на них катушками 4.

Устройство работает следующим образом.

Для формирования отливаемой из жидкого металла заготовки в гильзе 5 она интенсивно охлаждается. Вода для охлаждения поступает через патрубок 5, омывает катушки 4, в нижней части кристаллизатора поступает в канал между обечайкой 7 и гильзой 8. По этому каналу вода с высокой скоростью движется в верхнюю полость корпуса 1 и выходит через патрубок 6. При интенсивном охлаждении на внутренней поверхности гильзы 5 образуется корка отливаемой заготовки.

Для улучшения качества заготовок применяют электромагнитное перемешивание жидкого металла в кристаллизаторе. При питании обмоток индуктора m-фазной системой переменных токов в зазоре между зубцами 3 возбуждается вращающееся вокруг вертикальной оси кристаллизатора магнитное поле, которое пересекает расплавленный металл в гильзе 7, саму гильзу и обечайку 8. Во всех участках с металлом, пересекаемых вращающимся магнитным полем, наводятся вихревые токи, взаимодействующие с магнитным полем, в результате возбуждается поле принудительных электродинамических сил. Под действием этих сил жидкий металл внутри гильзы 7 приходит в турбулентное движение, которое обуславливает получение всех положительных металлургических эффектов электромагнитного перемешивания жидкого металла при непрерывном литье.

В предлагаемом устройстве вращающееся магнитное поле индуктора распределено по всему внутреннему пространству не равномерно, значительно усиливаясь в области зубцов и ослабляясь за их пределами, что в свою очередь способствует высокой степени турбулизации потока жидкого металла. При турбулентном движении жидкого металла облегчаются условия обламывания ветвей растущих кристаллов, которые становятся дополнительными центрами кристаллизации, тем самым подавляется рост столбчатых кристаллов, что приводит к выравниванию фронта затвердевания. Кроме того, турбулентное движение вызывает периодические местные увеличения давления и разрежения. В момент разрежения уменьшаются мгновенная плотность и температура в локальном объеме. При этом увеличивается местное переохлаждение, что способствует образованию новых зародышей кристаллов и расширению зоны мелких равноосных кристаллов. В результате этого значительно улучшается качество непрерывнолитой заготовки. Таким образом, турбулентное движение обеспечивает более эффективное перемешивание жидкого металла, в результате чего повышается качество непрерывнолитых заготовок.

Основным параметром процесса электромагнитного перемешивания расплавленного металла, определяющим степень турбулизации его движения, является максимальное значение скорости металла в потоке, имеющее место в жидком металле вблизи зубцов. При прочих ровных условиях этот параметр зависит от частоты питающего напряжения. Оптимальное значение этого параметра при электромагнитном перемешивании жидкого металла в кристаллизаторе достигается в диапазоне частот почти на порядок ниже промышленной частоты питающей сети. При непосредственном прилегании корпуса 1 и сердечника 2, изготовленных из магнитомягкой стали, магнитное поле индуктора замыкается как по сердечнику 2, так и по корпусу 1. При низкой частоте питающего напряжения потери на вихревые токи в сплошном корпусе 1 становятся незначительными. В этом случае элементы 9 сердечника 2, а иногда и зубцы 3, выполняют не шихтованными. Без существенного увеличения потребляемой электроэнергии, но со значительным упрощением конструкции корпус 1 и сердечник 2 можно объединить в один элемент из сплошной магнитомягкой стали. Это обеспечивает значительное упрощение конструкции устройства в целом.

В заявляемом устройстве сокращение энергозатрат достигается благодаря тому, что зубцы 4 индуктора максимально приближены к обечайке 6, а корпус 1 выполнен из ферромагнитной стали в виде многогранника. При выполнении индуктора из отдельных элементов его электротехнические параметры практически остаются неизменными, а ремонтопригодность улучшается, так как при выходе из строя одной из катушек не требуется демонтировать весь индуктор, а достаточно заменить новым поврежденный элемент - зубец 3 с его поврежденной катушкой 4.

Предлагаемое изобретение не меняет своей сущности и в случае использования в кристаллизаторе в качестве гильзы 7 и обечайки 8 медных плит со сверленными отверстиями. Предлагаемое изобретение также не меняет своей сущности и в случае непосредственного прилегания наружной поверхности сердечника индуктора к внутренней поверхности корпуса кристаллизатора с каким-то большим нуля зазором, а также при выполнении корпуса кристаллизатора из немагнитной стали. При этом заявляемое устройство будет работать с худшим техническим результатом.

Технический результат заявляемого устройства для перемешивания расплавленного металла в кристаллизаторе выражается в том, что упрощается конструкция, повышается ремонтопригодность, сокращается расход электроэнергии и увеличивается эффективность перемешивания металла, улучшающая качество непрерывнолитых заготовок.