专利名称：使熔融金属在扁坯连铸锭模内旋转的方法和相关的电磁设备的制作方法
技术领域：
本发明涉及金属扁坯、特别是扁钢的连续铸造。本发明更特别地涉及在锭模内应 用滑动磁场，该磁场对铸造液态金属的作用赋予液态金属围绕铸造轴线的旋转运动。
背景技术：
已知的是，扁钢连铸传统上在竖直或基本竖直的锭模中进行，该锭模由两个彼此 相对的、由铜或铜合金制成并通过水循环强制冷却的大表面(或大壁)和两个侧向小表面 构成，两个侧向小表面垂直于大表面端部地密封安装，以便与大表面一起限定将决定铸造 产品尺寸的铸造空间。熔融金属通过重力被注入该铸造空间中，在该空间中熔融金属与锭 模的冷却金属壁接触而逐渐凝固，同时随着周边固化部分排向底部，以在铸造机的二次冷 却阶段中完成其固化。因此，在整个铸造过程中，熔融金属充填铸造空间直到某一高度，以 便在该高度形成被熔渣所覆盖的弯月面(液态金属的自由表面)，并且均勻的熔融金属流 借助没入(在弯月面下几十厘米)的注口持续地被带到锭模中，所述注口一般是单一的并 定中心在铸造轴线上，并且设有相对端部小表面开放的侧向出口孔。借助滑动磁场使熔融金属在扁坯连铸轧坯锭模中于弯月面处轴向旋转的基础已 经确立并且为人熟知。概括地说，所述基础在于通过应用安装在锭模大表面上的静态多相 感应器产生的水平滑动磁场所引起的驱动力，使金属以唯一椭圆形运动方式围绕铸造轴线 整体转动。例如，文献EP 0151 648提出使用四个独立的对称安装在锭模大表面上的相同感 应器，其中每个大表面有两个位于注口各侧的感应器，每个感应器在注口与端部小表面之 间局部覆盖接纳这些感应器的大表面的一半宽度。这些三相感应器中的每一个产生一个水 平滑动磁场，其中在同一表面的两个感应器上磁场滑动方向相同，且与另一大表面上的相 对的两个感应器所产生的磁场滑动方向相反。因此在任一感应器产生的磁场与该感应器附 近的熔融金属之间的相互作用导致沿锭模宽度对金属的推动力。由于在锭模直截面中重复 四次——即每个感应器一次——的该相互作用，因而形成一具有四种驱动力的系统，其中 的两种驱动力相对于铸造轴线呈对角线定位，把金属从注口推向小表面，因此是“向外”推 动，而另外两种驱动力在另一对角线上相对定位，把金属从小表面向注口向“内”推动。另一例子日本专利申请JP 57075268则提出每个大表面只有单一个的部分感应 器的原理。相对于铸造轴线彼此处于对角线位置的每个感应器占据接纳该感应器的大表面 的约3/4。因此，其余的1/4没有受到滑动磁场的任何作用，以使旋转中的金属流在与成直 角的端部小表面正前相遇之前减慢，从而减弱冲击能量。基于相同精神，欧洲专利EP n° 0096077也提出一种在每个大表面上有三个排齐 的感应器基础上配置的设备，三个感应器共同产生在同向上水平滑动的磁场，但是这三个 感应器与允许它们以对铸造金属施以不同推力作用的部件相结合。在磁场滑动方向上考 虑，靠近一端部小表面的第一感应器因此保证相对的熔融金属部分加速，第二感应器保证在大表面中间部分中其速度的保持，而第三感应器被调节，以允许在它前面通过的金属流 在正前撞击到另一端部小表面上之前减速。最近，欧洲专利EP 0750958似乎更进一步，其提出一种由每个大表面单一感应器 构成的、使金属在弯月面进行旋转的设备，因此是前面提到的JP 57075268中描述的类型， 但是该设备需要一种复杂连接配合，该复杂连接将该设备连接至其三相电源供应器。这种 应用于老式设计感应器的复杂电配接的目的旨在也允许使用根据锭模宽度调节驱动力的 部件。因此所针对的目的是在大表面端部区域中把熔融金属向外“推”的力，比起作用在 另一大表面上的相对的相同端部区域中、且朝相反方向(因此向内推)的力更强。因此与 前述的在金属流正前冲撞端部小表面之前希望减缓金属流的考虑相反的是，根据该文献， 所述作业方式允许同时使金属在弯月面的轴向转动运动和在此处与锭模壁接触的金属的 温度都相当均勻。实际上，尽管该文献在这一点上并不明确，但从分析可看出只有在锭模 中的金属浴的自然流体动力学呈“双环”类型的结构的条件下，才会真正考虑使用刚提到的 实施部件达到这种目标。下面将提到在描述熔融金属在锭模内的循环方式方面该表达所覆盖的意义—— 其尤其与“单环”方式相反。目前来说，将意识到，如果使金属在弯月面呈椭圆轴向旋转的方 案的提议如此冗长并且在文献中已存在了这么多年，这说明还未找到一种最佳方法。然而， 确切地正是因为本发明将熔融金属在锭模内的循环方式当作首要重要性加以考量，本发明 因而为此提出一种用于保证液态金属在整个或几乎整个铸造过程中在弯月面处的稳定、均 勻的轴向椭圆形旋转运动的最佳方法。
发明内容
为此，本发明的目的首先是一种使熔融金属在扁坯连铸的锭模中进行椭圆轴向电 磁旋转的方法，所述锭模设有没入式铸造注口，所述注口定中心在铸造轴线上并具有面向 锭模端部小表面开放的侧向输出孔，在该方法中，按照锭模每个大表面两个感应器的方式， 在锭模大表面上安装至少四个多相感应器，这些感应器产生沿锭模宽度的滑动磁场；并且 调节并排位于锭模同一大表面上的感应器，以形成一具有四个驱动力的系统，其中的两个 驱动力与任一对相对于铸造轴线彼此呈对角线就位的感应器相关并把金属从所述注口推 向所述小表面，因此“向外”推动，而另外两个驱动力本身与另一对彼此处于对角线上的感 应器相关并把金属从所述小表面推向所述注口，因此是“向内”推动，这四个驱动力的联合 应用总体上赋予熔融金属在弯月面的椭圆轴向旋转运动，该方法的特征在于，为了在铸造 过程中使弯月面处的所述旋转运动均勻化，按使所述驱动力相互间差异化的方式调节这些 驱动力的强度，以便在一大表面附近，如果金属在此处的“向内”的流动比“向外”流动更强， 就将最高强度施加给把金属“向外”推动的两个力，而相反地，如果金属在此处“向内”的流 动比“向外”的流动弱，就把最高强度施加给把金属“向内”推动的两个力。“金属的自然流动”意指根据铸造条件确定的、而感应器未被供给电流的流动。在一优选实施例中，使与每对相对铸造轴线彼此呈对角线就位的感应器的驱动力 的强度相互间相等。在另一优选实施例中，如果并且只有如果金属浴在锭模中的自然流动模式为“非 稳态流动”类型，使所有驱动力相互间在强度上相等。
根据其中直接考虑熔融金属在弯月面处流动的该方法第一主要变型，在锭模同一大表面附近测量熔融金属在弯月面的“向内”流动的速度和“向外”流动的速度；产生以幅 度和符号的代表测得所述速度之间差异的差动信号；并且通过向其施加一持续地趋于使所 述差动信号趋向于零的强度偏差，调节“向内”推动的力和“向外”推动的力之间的驱动力差异。根据第二主要变型——其中以预测方式考虑金属在弯月面的流动，通过考虑铸造 固有的参数来预测熔融金属在锭模内的自然流动模式；然后使驱动力相互间差异化，以便 如果金属浴的自然流动模式是“单环”类型，就进一步增强把金属“向内”推动的力，而相反 地，如果金属浴的自然流动模式是“双环”类型，就进一步增强把金属“向外”推动的力。优选地，不仅预测自然流动模式，还预测金属在弯月面流动的自然速度，并调节 “向外”推动的驱动力和“向内”推动的驱动力之差，使该差与预测的在弯月面的自然速度呈 比例。本发明的目标还在于实施在其变型中的所述方法的电磁设备，在该变型中，测量 熔融金属在弯月面的流动速度以实现熔融金属在扁坯连铸的锭模的上部分中进行椭圆旋 转，所述锭模设有在铸造轴线上对中的没入式铸造注口，并且所述注口具有相对锭模端部 小表面开放的侧向输出孔，所述电磁设备包括至少四个分开的具有滑动磁场的多相感应 器，这些感应器按照锭模每个大表面两个感应器的方式安装在锭模大表面上，并排位于锭 模同一大表面上的感应器产生的驱动力在相互间相同的方向上、而在与另一大表面上的相 对的两个感应器所产生的驱动力方向相反的方向上，将熔融金属沿锭模宽度推动，从而形 成一具有四个驱动力的系统，其中的两个驱动力与任一对相对于铸造轴线呈对角线就位的 感应器相关并把金属从所述注口推向所述小表面，因此“向外”推动，而另外两个驱动力本 身与另一对处于对角线上的感应器相关并把金属从所述小表面朝所述注口“向内”推动，其 特征在于，为了在弯月面实现均勻的轴向旋转运动，该设备包括-向感应器多相供给电流的供电装置，该供电装置配有使每个感应器作用于锭模 中铸造熔融金属的驱动力差异化的部件；-速度测量部件，用以在锭模同一大表面附近测量熔融金属在弯月面的“向内”流 动的速度和“向外”流动的速度，并产生代表测得所述速度之差的幅度和符号上的差动信 号；-和控制所述供电装置的控制部件，所述控制部件能够响应所述差动信号而作用 于使驱动力差异化的部件，以使所述差动信号趋于零。本发明的目的还在于用于实施在其变型中的所述方法的电磁设备，在所述变型 中，以预测方式考虑熔融金属在弯月面的流动以获得熔融金属浴在扁坯连铸的锭模中的椭 圆轴向旋转，所述锭模设有在铸造轴线上对中的没入式铸造注口，并且所述注口具有相对 锭模端部小表面开放的侧向输出孔，所述电磁设备包括至少四个具有滑动磁场的多相感应 器，这些感应器根据锭模每个大表面两个感应器的方式安装在锭模大表面上，并排位于锭 模同一大表面上的感应器产生的驱动力在相互间相同的方向上、而在与另一大表面上的相 对的两个感应器所产生的驱动力方向相反的方向上，将熔融金属沿锭模宽度推动，从而形 成一具有四个驱动力的系统，其中的两个驱动力与任一对相对于铸造轴线呈对角线就位的 感应器相关并把金属从所述注口推向所述小表面，因此“向外”推动，而另外两个驱动力本身与另一对处于对角线上的感应器相关并把金属从所述小表面向所述注口“向内”推动，该设备的特征在于，为了实现在弯月面处的均勻的轴向旋转运动，该设备包括-向感应器多相供给电流的供电装置，该供电装置配有使每个感应器作用于锭模 中铸造熔融金属的驱动力差异化的部件；-识别部件，用以识别熔融金属浴在锭模中的自然流动模式；-和控制所述供电装置的控制部件，所述控制部件能够响应所述流动模式的识别 部件而作用于使驱动力差异化的部件，以便如果金属浴的自然流动模式为“单环”类型，就 进一步增强把金属“向内”推动的力，并且相反地，如果金属浴的自然流动模式为“双环”类 型，就进一步增强把金属“向外”推动的力。在一优选实施变型中，所述供电装置的控制部件作用于使驱动力强度差异化的部 件，以便如果并且只有如果金属浴的自然流动模式为“非稳态流动”类型，就使所有驱动力 的强度相等。在一完全自动化的优选实施变型中，识别金属浴在铸造锭模内部的流动模式的部 件是预测性质的，并由一信息系统构成，该信息系统包括带有读写存储器的程控计算机，借 助从铸造参数描述自然流动的流体力学数学模型构建成的识别图表(和/或它们的解析形 式)记录在该读写存储器中，氩流量、铸造扁坯的直截面、注口的几何形状和浸入深度以及 铸造速度即为所述铸造参数。在此阶段适于回顾的是，“单环”、“双环”和“非稳态流动”需要在铸造过程中金属 浴在扁坯锭模内的自然流体动力学所采取的可能形态加以理解。如将要了解的，根据本发 明的相同基础，实际上正是这些形态并且只有这些形态决定需施加于锭模的驱动电磁力场 布局(topologie)，以便使弯月面具有均勻的和发展良好的椭圆轴向旋转运动。同样，看来 适当地还明确均勻旋转运动所含的意义以及有权对铸造金属质量方面期待的益处。
下面将在参照作为示例给出的附图对本发明及其实施部件进行更详细描述的范 围内了解这些细节，附图如下-图Ia和Ib分别表示“单环”类型的结构和“双环”类型的结构，这些结构在浇铸 过程中于扁坯连续铸造锭模内，形成在与锭模大表面平行且经过铸造轴线的锭模主要中间 平面B中，其中铸造注口中心定位在铸造轴线上；-图2a和2b以从锭模上方观看示出熔融金属在锭模中的自然流动分别为“单环” 类型和“双环”类型的情况下，金属在弯月面处的流动运动；-图3a示意表示根据本发明的适用于图2a“单环”类型的熔融金属自然流动的弯 月面处驱动电磁力场图；-图3b示意表示根据本发明的适用于图2b“双环”类型的熔融金属自然流动的弯 月面处的另一驱动电磁力场图；-图4同样以俯视图表示通过把符合图3a的驱动力场施加于图2a“单环”类型 的表面运动布局、或者通过把符合图3b的驱动力场施加于图2b “双环”类型的表面运动布 局，而在弯月面处所得到的熔融金属的均勻循环运动；-图5示意表示根据本发明一设备的实施例，其通过测量控制熔融金属在扁钢连铸锭模的弯月面处的流动模式，以便在锭模中实现图4的熔融金属的均勻轴向旋转运动；-图6示意表示根据本发明的一设备的实施例，其通过预测控制熔融金属在扁钢 连铸锭模内的自然流动模式，以便在弯月面处实现图4的金属的均勻轴向旋转运动。
具体实施例方式在这些图中，相同的零件采用相同的参考标号表示。首先，需要指出的是，作用在单位液态金属量上以把液态金属朝产生该力的磁场 的传播方向上带动的电磁力F可通过关系式F= σ. V. Brff2来估算，其中σ是金属的导电 率，Beff是磁感应的有效强度，而V是相对于金属的磁场的相对滑动速度。该相对速度通过 关系式V = 2 τ . f，-ν给出，其中τ是感应器的极距(pas polaire)，f是供给该感应器的 电流的频率，而ν是承受磁场的、假设在与磁场相同的方向上传播的金属的速度。还应指出 的是，通过安培定理，Brff从通过感应器导体中的电流的有效强度Irff直接得出。因为按一般规律，感应器极距T是由结构确定的一固定量，可以看出，或者能通过 供给电流的强度Irff控制驱动力F的强度，或者如果为此拥有变频电源供应器时则通过该 电流的频率f控制驱动力F的强度。下面，为了简化假设通过供应电流的强度控制驱动力， 则调节供电以使供电频率处于3Hz、甚至更低的低值，以便在感应器附近的熔融金属中得到 磁感应的足够穿透深度，并考虑到待穿过的锭模的壁厚和形成它的金属成分。为了清楚起见，已致力于从液态金属驱动力方面、而非滑动磁场方面来阐述本发 明的实施，当然正是这些磁场通过与金属的相互作用产生这些驱动力，并且这些磁场由感 应器产生，通过控制输入感应器的电流(强度或频率)操控这些感应器的运行。现在关于熔融金属浴在扁坯连续铸造锭模内的自然流体动力学——其中通过带 有侧向输出孔的没入式中心注口给锭模提供熔融金属，已经能阐明的是该流体动力学可 按照三种可能的循环模式表现，即两个主要的稳态模式和一个非稳态模式。第一个稳态模式为“双环(double boucle)，，模式(更为熟悉的是英文“double roll”)。根据图Ib和2b所示的该模式，通过中心定位在铸造轴线A上的没入式注口 3的 侧孔2到达锭模的每个金属流1，以使得其在冲击后分为两股相反的流7和流8的一入射角 和一运动量，到达锭模的端部小表面5上。流8在深度上下沉，而流7则沿小表面5上升直 到弯月面4，在该弯月面，一旦到达该位高，流7则发展成为片层(lame) 16，片层16沿大表 面12、12’朝锭模轴A行进，以在轴A处与来自另一小表面5’的相应的片层16’相遇。第二种稳态模式称为“单环(simple boucle)，，(即英文“singleroll”)。在如图 Ia和2a所示的该模式中，关于输入流1的相关功率的前述条件并未得到满足。来自于注口 中氩喷射的、分散在金属流中的气泡的阿基米德浮力因而具有决定性作用源自几乎所有 金属流1的流9从注口孔2出来后不久，就向弯月面4上升，因此其成为熔融金属从注口 3 向每个小表面5和5’行进的熔融金属循环的源地(siSge)，表面流一旦到达小表面就向锭 模底部下沉。如果需要，可以在2002年10月14、15和16日在(英国)伯明翰举行的第四届欧 洲连续铸造研讨会上介绍的Pierre H. Dauby及其同事的题为“On the effect of liquid steel flow pattern on slab quality and the need fordynamic electromagnetic control in the mold(液态钢流动模式对扁坯品质的影响以及在模具中动态电磁控制的需求)”的文章中找到对这两种金属流动模式的详细描述，该文章的内容通过参考并入本案 中。这两种主要模式由一种未示出的、但幸好较不常见的模式补充完整，该模式表现 锭模内流动的通常暂态性的、但不总为暂态性的不稳定性。已知的是一个原因在于这一事 实在铸造过程中，一铸造参数或者有意地(例如铸造过程中尺寸的改变)或者偶然地(例 如氩流量)改变。这可能足以迫使锭模中的金属循环具有“单环”流动与“双环”流动之间 的转换，并且反之亦然，无需做任何事情来防止上述情况的发生、甚至都不了解。可能找到 的另一个原因是输出流中突然出现非对称性——这例如注口的一个侧孔出现部分堵塞后 所导致的。另一个此外可能最常见的原因还可能是决定铸造的四个基本参数(扁坯的宽 度、铸造速度、氩流量和注口孔的浸入深度)的数值的“不利”组合，这种不利组合因而产生 导致复杂和随机的空间能量分布的混乱流体动力学现象，从而可能出现例如“双环”模式和 “单环”模式之间的持久波动，并且反之亦然。实际上，很难简单描述该第三种模式，除非提 及熔融金属质量在锭模中、于注口各侧的“左-右”摆晃现象并且在弯月面处呈横摆和纵摇 形式的反响，如果这些现象持续太长时间则甚至可能影响铸造的成功。如果例如在注口与 小表面之间大约一半距离处进行的金属在弯月面的速度测量波动且得到平均为零的结果， 则应识别为所述“非稳态流动”模式。
回顾这些内容后，还应明确当术语“均勻”用于定性说明熔融金属在弯月面的轴向 旋转运动时该术语“均勻”必须表达的含义、以及如可在图4中示意看到的这种轴向旋转在 冶金方面的意义。当沿锭模壁的速度在弯月面所有点全都相等(或基本相等)时，就构成 熔融金属在弯月面的均勻轴向旋转运动。否则，由于熔融金属是不可压缩的液体，因而将不 可避免地以偶发和不可控制的方式产生再循环的微小回路，正如所了解的，这些再循环的 微小回路可能转化为对铸造金属的冶金纯度非常有害的局部涡旋。这就是说，使金属在弯月面轴向旋转的公知好处实际上产生于转归于该旋转运动 的两个主要功能。第一个功能是“搅动”金属浴的功能，其使得弯月面处热均衡化。否则，会在此形 成局部温度梯度，局部温度梯度会无可挽回地导致与锭模冷却铜壁接触的第一表层固化的 非均质性，并且产生已知的会在固化过程中在产品上出现裂缝和与此有关的穿孔危险性的后果。第二个功能是固化前缘的“刷洗”。熔融金属内部不可避免地存在的气泡或非金属 颗粒，常常被经历分枝状成长的固化前缘的孔洞(infractuositS)吸附，成为习惯称为的 夹杂物。如果刷扫流的速度超过每个情况所固有的一限值，这些气泡和颗粒将被释放并与 金属流一起被带走，直至在表面被澄析出，在表面这些气泡和颗粒被漂浮的覆盖熔渣俘获。 这样，固化铸造产品的表皮层没有夹杂物，因此得到的产品质量良好。需要指出的是，通过水平扫掠前缘的金属流所产生的前缘刷洗，还有助于通过使 此处速度均勻，而实现熔融金属自由表面的温度均勻。正如已经强调指出的，熔融钢是液 体，因此是物质的不可压缩状态，在表面的任何的速度非均勻性都可能是偶发性出现局部 涡流的原因，而局部涡流是通过把表面覆盖粉末带到金属浴中深处而导致金属污染的起 因。作出这些说明后，现在首先进行这样的假设金属浴循环为“单环”模式。
从锭模上方观看的弯月面上产生的金属自然循环运动的图像由图2a表示出。正如可看到的，在某种程度上，涉及的是在注口 3附近二侧形成的两个相反的稻草扫帚头，在 注口处还集聚着的初始连铸流1(输出射流1)迅速分离，延伸成为一直传播到小表面5附 近的多个平行连铸流组成的一流束9，这些平行的连铸流此时在小表面5处向下弯曲，以下 降到锭模深处(参见图la)。现在参照对应图3a，该图表示本发明的适用于“单环”情况的实施。锭模具有确定 待铸造的扁坯尺寸的伸长状的矩形直截面。没入式注口3在铸造轴线A上对中心。产生沿 锭模宽度滑动磁场的四个平坦多相(此例中采用三相)感应器10a、10b、10c和10d，根据 每个大表面两个感应器的方式，面对锭模大表面12和12’安装。感应器IOa和IOb对齐安 装在大表面12上并在注口 3的两侧，而感应器IOc和IOd同样如此地安装在相对的大表面 12’上。这四个感应器形成在锭模几何形状中的一对称组合体，既相对于铸造轴线A轴向对 称同时又相对于锭模的与大表面12、12’平行并通过铸造轴线A的主要中间平面B呈平面 对称。因此，例如，感应器IOa同时是相对于主要中间平面B对面布置的感应器IOd的对称 物、相对于第二中间平面(未示出)的并排布置的感应器IOb的对称物、以及是相对于铸造 轴线3(铸造轴线本身位于主要中间平面B和第二中间平面的交点)按对角线布置的感应 器IOc的对称物。正如可看到的，该结构使得每个感应器覆盖其定中心在上的大表面12、12’的大 约一半宽度。该覆盖可以只是局部的，因为磁场不需要一直作用到端部小端面5、5’上，另 外也不需要作用于注口 3处。相反，在两个并置的感应器之间设置几厘米的自由空间可能 是有用的，以便可以在该空间中放置锭模结构的机械加固装置。感应器与它们的供电装置的连接使得并排位于锭模同一大表面上的感应器产生 这样的磁场这些磁场朝相互间相同的方向上、而与另一大表面上的两个相对感应器所产 生的磁场方向相反的方向滑动。锭模中存在熔融金属时，因而产生一具有四种驱动力的系 统，每个驱动力与一不同的感应器相关-第一对力，它们在每个大表面12和12’上呈对角线相对(与感应器IOa和IOc 相关的力)，把金属从小表面5和5’推向铸造轴线3，为了简化，将该对力称为“向内”推动 的力；-和第二对力，它们沿另一对角线互相相对(与感应器IOb和IOd相关的力)，把 金属从铸造轴线3推向小表面5和5’，将该对力称为“向外”推动的力。为了清楚起见，这些力沿相关感应器、利用位于锭模内于大壁附近的矢量表示。根据本发明一主要特征，与锭模一大表面相面对的两个并排感应器所产生的液态 金属驱动力的强度相互不同。在应用于锭模内呈“单环”型金属循环的本情况下，如图3a所示，该特征意味着 “向内”推动的呈对角线的一对力(粗箭头)的强度高于“向外”推动的呈对角线的另一对 力(细箭头)的强度。实际上，感应器IOa和IOc以与弯月面上的自然流动相“逆流”的方式起作用(参 见图2a)，它们要产生的驱动力大于它们的相邻感应器IOb和IOd的驱动力，感应器IOb和 IOd以与弯月面上的自然流动“共流”的方式起作用。如将要理解的，这是为了在大表面附 近锭模宽度的所有宽度点上得到在强度上速度基本相同的强制流动。如果在一个大表面上的两个并排感应器的力相等，则“向内”推动并且因此应克服在所考虑的一半宽度上的自然流动的逆反流的力，将产生必然比紧邻的另一半宽度上的更弱的流动，这将导致非均勻的 整体流动。因此可以理解的是，根据本发明，图3a所示的差动成对驱动力组(作用力IOa和 IOc比作用力IOb和IOd推力更强)的应用，导致弯月面4处的熔融金属具有一整体运动， 该整体运动从图2a上所示的自然形态转变到如图4上所示的围绕铸造轴线A的稳定并成 形的椭圆回旋形态。如已经强调过的，正是供给感应器的电流的强度是操纵这些力的强度的、因此操 纵“向内”推动的力对和“向外”推动的力对之间差距以实施本发明的优先起作用者。因此 随着金属沿大壁的流动越不均勻，该差距将越大，以便更好地使金属相对每个感应器的移 动速度相等，金属在弯月面的轴向椭圆旋转运动将越均勻，并且很好地发展到弯月面表面。 最佳调节位置显然随每次铸造的固有特性变化。例如通过安放直接测量在弯月面于注口各 侧的局部速度的仪器以调节驱动力或者通过预测管理——下面将参照图5和6对其进行描 述，就可达到这一点，无论如何接近这一点。在金属浴在锭模中的自然流动模式为“双环”类型的情况下(参见图2b)，也将得 到关于金属在弯月面的旋转运动的稳定和均勻特征的类似结果。为此通过参照图3b，可发现与图3a布置相反的布置占优势正是“向外”推动的力 对10b、10d这次比“向内”推动的力对10a、IOc更强有力。按照该布置，该组差动力对的应 用导致赋予在弯月面的熔融金属以一种整体运动，该种整体运动从图2b的自然形态转变 到图4所示的稳定且均勻的围绕铸造轴线A的椭圆回旋形态。相反，在“非稳态流动”的情况下，“向内”推动的力的强度与“向外”推动的力的强 度之差优选为零，并且强度增加到在弯月面得到尽可能均勻的轴向旋转运动。共同参照图5和6，现在更具体地描述符合本发明的根据两个实施变型的电磁设 备的组成、以及四个感应器相互之间的电连接及四个感应器与它们的多相供电装置的电连 接。所示设备在运行位置安装在扁坯铸造锭模上，为了不使图无用地过度繁杂，图中只简单 示出了锭模的在铸造轴线A上对中的单一没入式注口 3、大表面12、12’和端部小表面5。在考虑的例子中，两个相互呈对角线就位的感应器与同一供电装置连接。因此感 应器IOa和IOc与供电装置15a连接，而感应器IOb和IOd与供电装置15b连接。当然，需遵守的极性顺序是将保证磁场在所需方向上滑动的顺序。因此，根据例举 的配装，感应器产生如图Ic和2c上所示的水平滑动的相应磁场，以便实现金属在弯月面的 回旋运动，该回旋运动从上方观看在如图3所示的顺时针方向上进行。可以理解的是，如果 由于任何原因，希望在弯月面进行逆时针运动，则只需颠倒感应器的极性。供电装置由两个分开的相同电源供应器15a和15b组成，其中每个供电装置设有 用于使每对感应器的驱动力强度差异化的部件。每对呈对角线布置的、因此配对的感应器 与一个且只与单一个供电装置连接该对感应器IOa和IOc由电源供应器15a供电，而该对 感应器IOb和IOc由电源供应器15b供电。要提及的是这涉及多相供电，优选是双相或三 相供电，以便感应器能够产生滑动磁场。如已经说到的，对变频晶体管供电装置，优选选择 VVVF(变压变频)型的变频式晶体管电源供应器，以便能够很容易地调节输送给感应器的 电流强度、因此调节磁场强度，并且调节电流频率、因此调节滑动磁场的移动速度。
如果金属浴的自然流动为“单环”型的，则调节供电，以便通过选择电流强度(必 要时也可选择其频率)，正是电源供应器15a使它供给的两个处于对角线的感应器IOa和 IOc产生的驱动金属力要大于另外两个与电源供应器15b连接的呈对角线的感应器IOb和 IOd所产生的驱动金属力。如果金属浴的自然流动为“双环”型，情况则相反。在“非稳态 流动”的情况下，则调节两个电源供应器15a和15b，以给它们输送相同的电流强度以使四 个感应器产生。根据本发明的设备的两个实施变型的不同在于控制这些电源供应器的方式。根据图5所示的第一变型并以直接测量弯月面上的速度为基础，通过调 节器13根 据上述标准控制电源供应器15a和15b。调节器13的作用在于根据其从流体速度测量部件 接收到的弯月面处的速度信息，持续调节要施加给应产生最强推力的感应器对与另一对感 应器之间的电流强度差。所述测量部件由两个速度测量探测器20和21构成。这些探测器在弯月面的不同 位点、在注口 3 二侧稍微没入到熔融金属中，优选距注口相等距离，并距锭模的同一大壁、 这里是大壁12同样相等距离。其可以是机械探测器，在机械探测器中扭矩在金属流脉冲下 形成，因此其直接取决于流动中的金属的速度。这些速度传感器将它们的信息以带有表示 测得速度方向的符号的信号形式传递给调节器13。调节器13接收这些速度信号，实际上是代数差，以建立与速度差成比例的指令信 号，并且其符号指示出在注口两侧与探测器20和21接触的两股金属流中最强的那股金属 流，并且因此指示出两对感应器中的哪一对应产生较小的推力。该指令允许电源供应器 15a、15b给感应器输送适当的电流强度、因此即差动强度并且它们之间的差表现为差动推 力，这些差动推力在金属上的作用导致指令信号趋向于零，从而保证所寻求的金属在弯月 面的旋转运动的均勻性。如果两个探测器的速度信号在零的周围波动，则熔融金属在弯月面的运动是不稳 定的，并且需施加在两对感应器之间的电流强度之差将为零。当然，对弯月面处速度的驱动力调节的该回路必须以启动阶段为前提。铸造开始时，四个驱动力在强度上将相等。为了确定想法，“向内”推动的力(感应 器IOaUOc)和“向外”推动的力(感应器10b、10d) —样例如能利用每个感应器500A的电 流产生。然后，调节器13通过位于与感应器IOb和IOa相对的壁12附近的探测器20、21 进行第一次测量金属流的速度，并建立表示它们的差异的信号。可以理解的是，该差动信号 在幅度和符号上取决于金属在锭模中的自然流动模式。根据需要，参照图2a和2b，以便事 实上可看到如果流动模式是“单环”的(图2a)，探测器20将测出的速度明显大于探测器 21测得的速度，而如果流动为“双环”的(图2b)，结果则相反。因此该差动信号的符号将 告知调节器13关于流动模式的认定，并且其幅度允许其建立用以控制电源供应器15a、15b 的强度偏差信号。然后，力的呈环路状的调节可以确定并且基本接替铸造周期，而无论锭模 中熔体的自然流动模式的变化如何。更普遍的说，预先选择电流强度(和频率)的设定值，并且在严格意义上的调节阶 段之前、启动金属旋转时施加给四个感应器。根据铸造金属级别和/或寻求的质量目标，该 预先选择可以人工进行，或者根据记录数值自动进行，例如在可程控式自动装置中。(例如PLC型的)该可程控式自动装置可以包含调节器13。图6所示的该设备的第二实施变型是基于熔融金属自然流动的预测方法。根据前 面陈述过的标准控制电源供应器15a和15b，是借助控制部件16实施的。控制部件16有 利地由已知并且市场上具备的“PLC”(PLC=可编程逻辑控制器)型可程控自动装置构成， 其作用是计算并把电流强度(并根据需要还有频率)的设定值分别施加给电源供应器15a 和15b，因此这里PLC 16是将确定两对感应器中的哪一对应产生最强推力的系统机构，但 这次是响应对锭模中金属浴自然流动模式的预测识别，而不再是籍由“调节”以取消来自直 接测量弯月面处速度的偏差信号。因此，PLC 16通过用于识别锭模中金属浴流动模式的识别部件17，接收对于该任 务它需要的信息。要指出的是，因此所述识别部件取代第一实施变型的速度传感器，因为如下面将 要解释的，这些速度传感器不大容易应用在连续铸造锭模中。识别部件17由具有读写存储器的PC(个人电脑)型标准计算机构成，存储器包含 该识别所需的工具。在该阶段有用的要明确，“流动模式识别”不仅应理解为定性预测涉及的是“单环” 型还是“双环”型或是“非稳态”型的流动，还应理解为定量预测金属在弯月面的流动速度， 当然为零的预测速度归为非稳态流动。
因此基本上，这些工具由构建在流体力学的数学模型上的适当软件构成，该软件 一方面能够从两个初始固定的铸造参数——即锭模厚度和注口几何形状——出发、并且另 一方面从四个在铸造过程中会变化的量值——即铸造扁坯的宽度、铸造速度、注口孔的浸 入深度和氩的注入流量——出发，预测金属浴在锭模中的流动模式。所有这些数据——无 论两个一组的固定数据还是四个一组的可变数据都一样，优选通过从铸造设备的总计算机 19自动获取来输入，从而控制铸造作业。为了迅速识别流动模式，该软件所产生的结果可以 具体化为PLC可以使用的算图的形式，PLC可通过自动读取使用或转为解析形式后使用。还可以涉及把这些“两个一组_四个一组”的量组的可能数值与它们中每一个所 推测的流动模式结合的数据库。在铸造过程中，使铸造固有的一组瞬时“两个一组-四个一 组”数据随时间定期与该数据库的数据进行比较，则可以得到与铸造数据最佳对应的存储 资料，并且因此可以定性和定量地识别熔融金属在锭模内的自然流动模式。最后，对每个这样计算的流动模式，PC 17给出的结果当然能够提供金属在弯月面 的自然平均速度的数字化值，该值可以使控制装置PLC 16确定一偏差值，例如200A (或者 如果启动初始电流已经预先选择为500A，则对于两个更强的为600A，而另外两个为400A)， 并且在此意义上指令电源供应器15a和15b，以使它们输送相对应的电流强度给相关的成 对感应器。总之，识别部件17因此为控制部件16提供一信号，该信号的幅度与熔融金属在弯 月面的自然流动速度成比例，且该信号的符号(根据该速度的方向是向内或向外)提供是 “单环”还是“双环”流动类型的识别。控制器16因而根据占优势的流动类型确定两对感应 器中的哪一对应当产生最强推力。控制器16还计算两对相关感应器之间的供电电流强度 差，以使该电流强度差与金属在弯月面的平均速度成比例，并且将对应设定值传递给电源 供应器15a和15b。
如果PLC 16从PC 17接收到幅度为零的信号，则它消除供电电流强度(和频率) 差，并将相同的供电电流(和频率)设定值发送给四个感应器，该设定值与根据铸造金属的 级别和/或寻求的质量目标预先选择或预先记录的值相对应。可以理解的是，本发明使铸造过程中金属在弯月面的轴向旋转获得“线状”均质 性。借助自动获取确定流动模式的四个一组的可变参数，可以随着铸造的进行通过回应这 些到达PC 17的四个一组的数值，在每个时刻，对感应器推力施加足够的差异化，其将持续 保证得到在弯月面的均勻转动，而无论铸造过程中锭模内接续的流动模式如何均如此。因 此，与适应一个并只适应单一流动模式的、因此适合于仅是总铸造时间一部分的铸造顺序 的已知先前系统相反地，本发明在整个铸造期间或者几乎整个铸造期间对于可能的不稳定 流动顺序，都能保证铸造有效最佳“覆盖”。“调节”系统与“预测”系统之间的选择由使用者决定，使用者根据其 意愿或需要实 施选择。这里要简单指出的是，“预测”实施变型在软件设备上当然有稍微要求更高，但相反 地，它具有常常是决定性的优点弯月面没有任何仪器浸入，并且没有速度传感器的最好几 个小时的有限寿命限制。当然本发明并不限于上面描述的例子，而是在所附权利要求给出的其定义得到满 足的范围内，本发明可延伸到多种变型和等同方案。因此，与给定电源供应器15a或15b连接的形成对的感应器可以如图5、6所示的 互相并联地电连接、或者串联。同样，可以设置与感应器同样多的电源供应器。则其中的每个感应器通过它专用 的电源供应器被供给电流，这样尤其可增加调节灵活性，同时根据需要允许在对角线上的 感应器所产生的力的强度中产生轻微不平衡。实际上，如果对角线上的两个感应器的驱动力相等可能看来更加合理的话，但 这并不是本发明的必要设置。这些力本身实际上互相之间在强度上可以不同，即便这样 评估使得在弯月面得到均勻旋转的第一标准——即熔融金属经过每个感应器前的速度相 等——得到满足而所期望的。同样，感应器的数量可以大于四个，当然在这种情况下，该数量应保持成对，以便 使锭模的每个大表面配有相同数量的感应器。另外，对于可能提出的了解感应器应安装在锭模什么高度上的问题，给出的答案 是原则上不一定必须将这些感应器向上升到弯月面位高。如果感应器设计成用于足够的电 功率并因此产生足够的力，则将感应器设置在甚至弯月面以下几十厘米处，都可以在弯月 面实现相当稳定和均勻的旋转运动。
权利要求
使熔融金属在扁坯连铸的锭模中进行椭圆轴向电磁旋转的方法，所述锭模设有没入式铸造注口，所述注口定中心在铸造轴线上并具有面向锭模端部小表面开放的侧向输出孔，在该方法中，按照锭模每个大表面两个感应器的方式，在锭模大表面上安装至少四个多相感应器，这些感应器产生沿锭模宽度的滑动磁场；并且调节并排位于锭模同一大表面上的感应器，以形成一具有四个驱动力的系统，其中的两个驱动力与任一对相对于铸造轴线呈对角线就位的感应器相关并把金属从所述注口推向所述小表面，因此“向外”推动，而另外两个驱动力本身与另一对处于对角线上的感应器相关并把金属从所述小表面推向所述注口，因此是“向内”推动，这四个驱动力的联合应用总体上赋予熔融金属在弯月面的椭圆轴向旋转运动，该方法的特征在于，为了在铸造过程中使熔融金属在弯月面的所述旋转运动均匀，以使所述驱动力相互间差异化的方式调节这些驱动力的强度，以便考虑在一大表面附近，如果金属在此的“向内”的流动比“向外”流动更强，就将更高的强度施加给把金属“向外”推动的两个力，而相反地，如果金属在此“向内”的流动比“向外”的流动弱时，就把更高的强度施加给把金属“向内”推动的两个力。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，在锭模同一大表面附近测量熔融金属在弯 月面的“向内”流动的速度和“向外”流动的速度；产生代表测得速度之差的幅度和符号式 差动信号；并且通过施加一持续地趋于使所述差动信号趋向于零的差量，调节“向内”推动 的力和“向外”推动的力之间的驱动力差异。
3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，通过考虑铸造固有的参数，识别熔融金属在 锭模内的自然流动模式；然后使驱动力相互间差异化，以便如果金属浴的自然流动模式是 “单环”类型就进一步增强把金属“向内”推动的力，而相反地，如果金属浴的自然流动模式 是“双环”类型就进一步增强把金属“向外”推动的力。
4.如权利要求1、2或3所述的方法，其特征在于，使与同一对的呈对角线就位的两个感 应器相关的两个驱动力的强度相等。
5.如权利要求1、2或3所述的方法，其特征在于，如果并且只有如果金属浴在锭模中的 自然流动模式为“非稳态流动”类型，使所有驱动力相互间在强度上相等。
6.用于实施如权利要求2所述的方法的电磁设备，所述方法使熔融金属在扁坯连铸的 锭模(1)的上部分中进行椭圆轴向旋转，所述锭模设有在铸造轴线(A)上对中的没入式铸 造注口(3)，并且所述注口(3)具有相对锭模端部小表面开放的侧向输出孔(4)，所述电磁 设备包括至少四个分开的产生滑动磁场的多相感应器(10a、10b、10c、10d)，这些感应器按 照锭模每个大表面两个感应器的方式安装在锭模大表面(12、12’ )上，并排位于锭模同一 大表面(12)上的感应器(10a、10b)产生的驱动力在相互间相同的方向上、而在与另一大表 面(12’ )上的相对的两个感应器(10c、10d)所产生的驱动力方向相反的方向上，将熔融金 属沿锭模宽度推动，并且其特征在于该电磁设备包括-给感应器多相供给电流的供电装置(15a、15b)，该供电装置配有使每个感应器作用 于锭模中铸造熔融金属的驱动力差异化的部件；_速度测量部件(20、21)，用以在锭模同一大表面(12)附近测量熔融金属在弯月面的 “向内”流动的速度和“向外”流动的速度，并产生代表测得所述速度之差的幅度和符号方面 的差动信号；-和控制所述供电装置的控制部件(13)，所述控制部件能够响应所述差动信号而作用 于使驱动力差异化的部件，以使所述差动信号趋于零。
7.用于实施如权利要求3所述的方法的电磁设备，所述方法使熔融金属在扁坯连铸的 锭模(1)的上部分中进行椭圆轴向旋转，所述锭模设有在铸造轴线(A)上对中的没入式铸 造注口(3)，并且所述注口(3)具有相对锭模端部小表面开放的侧向输出孔(4)，所述电磁 设备包括至少四个分开的产生滑动磁场的多相感应器(10a、10b、10c、10d)，这些感应器根 据锭模每个大表面两个感应器的方式安装在锭模大表面(12、12’ )上，并排位于锭模同一 大表面(12)上的感应器(10a、10b)产生的驱动力在相互间相同的方向上、而在与另一大表 面(12’ )上的相对的两个感应器(10c、10d)所产生的驱动力方向相反的方向上，将熔融金 属沿锭模宽度推动，并且其特征在于该设备包括-向感应器多相供给电流的供电装置(15a、15b)，该供电装置配有使每个感应器作用 于锭模中铸造熔融金属的驱动力差异化的部件；-识别部件(17)，用以识别熔融金属浴在锭模中的自然流动模式是“单环”还是“双环，，；-和控制所述供电装置的控制部件(16)，所述控制部件能够响应所述识别部件(17)而 作用于使驱动力差异化的部件，以便如果金属浴的自然流动模式为“单环”类型，就进一步 增强把金属“向内”推动的力，并且相反地，如果金属浴的自然流动模式为“双环”类型，就 进一步增强把金属“向外”推动的力。
8.如权利要求6或7所述的电磁设备，其特征在于，调节所述供电装置(15a、15b)的控 制部件(13或16)，以便作用于使驱动力强度差异化的部件，从而如果并且只有如果金属浴 的自然流动模式为“非稳态流动”类型，就使所有驱动力的强度相等。
9.如权利要求6或7所述的电磁设备，其特征在于，所述供电装置由两个分开的电源供 应器(15a和15b)构成，每个电源供应器供给一对并且只供给单对在锭模大表面(12、12’) 上呈对角线布置的感应器(10a、10c和10b、10d)。
全文摘要
四个分开的具有滑动磁场的多相感应器(10a、10b、10c、10d)按锭模每个大表面两个感应器的方式安装在锭模大表面(12、12’)上，并排位于锭模同一大表面(12)上的感应器(10a、10b)产生的驱动力在相互间相同的方向上、而在与另一大表面(12’)上的相对的两个感应器(10c、10d)所产生的驱动力方向相反的方向上，将熔融金属沿锭模宽度推动，使驱动力相互间差异化的方式调节这些驱动力的强度，以便考虑在一大表面附近，如果金属在此的“向内”的流动比“向外”流动更强，就将更高的强度施加给把金属“向外”推动的两个力，而相反地，如果金属在此“向内”的流动比“向外”的流动弱时，就把更高的强度施加给把金属“向内”推动的两个力。本发明的实施可在整个铸造过程中实现很好发展且均匀的金属在弯月面的轴向旋转运动，而无论金属浴在锭模内的自然流动模式如何。
文档编号B22D11/115GK101827670SQ200780101117
公开日2010年9月8日 申请日期2007年12月17日 优先权日2007年12月17日
发明者S·孔斯特莱希 申请人:罗泰莱克公司