一种自抑控流式双水口电磁复合浇铸装置的制作方法

本发明属于钢材浇铸技术领域，具体涉及一种自抑控流式双水口电磁复合浇铸装置。

背景技术：

目前生产不锈钢/碳钢复合板材的办法主要有轧制复合法、爆炸焊接法以及铸造轧制法，但这些方法成材率以及产量均很低。在1978年Manokhin等人提出一种采用双结晶器生产复合连铸坯的方法，即将第一个结晶器中铸出的坯引到第二个结晶器内，再将另一种钢液包覆在其表面，从而拉出复合铸坯，该工艺虽属连续化生产，但操作复杂，难以控制，应用受到限制。

日本Takeuchi等人在20世纪90年代末提出用恒稳磁场抑制异质钢液成分混合，在同一结晶器内实现两种钢种复合连铸的方法。结晶器内的流动比较复杂，流速也比较高，可能是因为电磁场抑制效果有限，浇铸产品达不到预期效果，日本相关单位只是做了中试试验，并没有产业化生产的后续报道。

东北大学Li等人后来提出了不依靠施加水平电磁场实现结晶器内复合浇铸的方法；为抑制两个钢种混合，在界面处添加挡板装置，并对该方法进行了物理模拟实验以及数值模拟。这种加了完整挡板结晶器可以有效地分隔上下两层的溶池，防止两种钢液混合，但是，使用的挡板使得下层熔池的夹杂物上浮受到阻碍，铸坯中夹杂物增加，降低钢的质量。

技术实现要素：

要实现有效的双钢种复合浇铸，最关键的问题是如何在不影响浇铸工艺以及铸坯质量的前提下有效抑制两种钢液交界面处的钢液混合，才能保证高效的高质量的复合连续浇铸，从而解决生产高质量复合铸坯的技术问题。针对现有技术的不足，本发明从流场的多手段控制方法和工艺控制方法出发，提出了一种自抑控流式双水口电磁复合浇铸装置，以解决现有技术中两种钢液在交界面处混合以及生产连续等技术问题。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：

一种自抑控流式双水口电磁复合浇铸装置，包括结晶器、自抑浸入式双水口装置和电磁场发生装置：所述的自抑浸入式双水口装置包括竖直设置的短式浸入式水口和长式浸入式水口，二者均呈上端开口的管形；所述的短式浸入式水口的插入深度小于长式浸入式水口插入深度；所述的短式浸入式水口和长式浸入式水口的下端分别开设有向下倾斜的短式浸入式出钢侧孔和长式浸入式出钢侧孔，分别用于导出上层钢水和下层钢水；所述的电磁场发生装置包括若干电磁体，所述的电磁体沿结晶器周向布置，用以产生水平磁场并作用于上层钢水和下层钢水的交界面，以抑制上层钢水和下层钢水混合。

进一步，在所述的结晶器内还设置有间隔式挡板控流装置；所述的间隔式挡板控流装置包括上层钢水挡板和下层钢水挡阻装置：所述的上层钢水挡板安装在所述的长式浸入式水口上，其上侧面与上层钢水和下层钢水的交界面重合，用于阻挡上层钢水向下流动；所述的下层钢水挡阻装置安装在所述的短式浸入式水口的底部，该下层钢水挡阻装置的底部具有一个水平的且与上层钢水和下层钢水的交界面重合的平面，用于阻挡下层钢水向上流动；所述的上层钢水挡板和下层钢水挡阻装置间隔设置，使二者之间形成过流通道，以保证浇铸过程中下层钢水中夹杂物上浮。

进一步，在所述的短式浸入出钢侧孔的下方还开设有抑流出钢侧孔，所述的抑流出钢侧孔向上倾斜设置，用于抵消短式浸入式出钢侧孔排出的钢水向下流动的速度。

进一步，所述的短式浸入式水口和长式浸入式水口均为耐火材料制成。

进一步，所述的长式浸入式出钢侧孔、短式浸入式出钢侧孔和抑流出钢侧孔的截面呈长方形或圆形。

进一步，所述的长式浸入式出钢侧孔的截面积大于或等于长式浸入式水口的截面面积的2倍；所述短式浸入式出钢侧孔和抑流出钢侧孔的截面积均大于或等于短式浸入式水口的截面面积的2倍。

本发明通过结合自抑浸入式双水口、控流装置、电磁场、浇铸工艺等控制手段，控制结晶器内的流场，抑制浇铸过程中两个钢种的界面混合程度，从而实现双钢种的复合连续浇铸。本发明可应用于内层和外层分别为两个不同钢种的板坯、方坯、矩形坯、圆坯、异型坯等双钢种复合产品的连续浇铸生产。

与现有的技术相比，本发明具有如下有益效果：

1、通过自抑浸入式双水口和间隔式挡板控流装置控制结晶器内的主流股的方向，有效抑制主流股对上层钢水和下层钢水的交界面处冲击，抑制了交界面处钢水的混合。

2、利用电磁发生装置抑制无挡板处钢水混合，与自抑浸入式双水口和间隔式挡板控流装置结合，更加完整的抑制了整个界面处钢水混合。

3、采用异过热度浇铸方式，从减小温度差以及密度差的角度上，更好的控制了界面处钢水的混合，保证了复合浇铸的顺行。

附图说明

图1为本发明的结构示意图；

图2为短式浸入式水口的结构示意图；

图3为长式浸入式水口的结构示意图。

附图中：1—结晶器；2—短式浸入式水口；21—短式浸入式出钢侧孔；22—抑流出钢侧孔；3—长式浸入式水口；31—长式浸入式出钢侧孔；4—电磁体；5—上层钢水挡板；6—下层钢水挡阻装置。

图中，a为上层钢水的流动方向，b、c分别代下层钢水撞击坯壳后形成的向下和向上流动的钢水的方向。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明作进一步详细说明。

一种自抑控流式双水口电磁复合浇铸装置，如图1-3所示，包括结晶器1，自抑浸入式双水口装置和电磁场发生装置；所述的自抑浸入式双水口装置包括竖直设置的短式浸入式水口2和长式浸入式水口3，二者均呈上端开口的管形；所述的短式浸入式水口2的在结晶器1内插入深度小于长式浸入式水口3插入深度；所述的短式浸入式水口2和长式浸入式水口3的下端分别开设有向下倾斜的短式浸入式出钢侧孔21和长式浸入式出钢侧孔31，分别用于导出上层钢水和下层钢水。

所述的电磁场发生装置包括若干电磁体4，所述的电磁体4沿周向布设置在在结晶器1的外围壁上，用以产生水平磁场并作用于上层钢水和下层钢水的交界面位置，以抑制上层钢水和下层钢水混合。

如图1、3所示，长式浸入式水口3的角度向下倾斜，减弱长式浸入式水口3产生的上回旋流，从而减弱上回旋流对界面冲击。施加电磁场对钢水的混合进行抑制，水平磁场对垂直穿过水平磁场的钢水产生抑制作用，从而抑制上层钢水和下层钢水在交界处的混合。为保证对两个混合程度的抑制效果达到最佳，电磁场应在两种钢水交界面处达到最大，为此电磁体4的安装位置应与两种钢水交界面位置相对应。

作为优化，在所述的结晶器1内还设置有间隔式挡板控流装置；所述的间隔式挡板控流装置包括上层钢水挡板5和下层钢水挡阻装置6：

所述的上层钢水挡板5安装在所述的长式浸入式水口3上，其上侧面与上层钢水和下层钢水的交界面重合，用于阻挡上层钢水向下流动。所述的下层钢水挡阻装置6安装在所述的短式浸入式水口2的底部，该下层钢水挡阻装置6的底部具有一个水平的且与上层钢水和下层钢水的交界面重合的平面，用于阻挡下层钢水向上流动。所述的上层钢水挡板5和下层钢水挡阻装置6间隔设置，以使二者之间形成过流通道，以保证浇铸过程中下层钢水中夹杂物可以上浮。

这一设计目的是控制主流股对界面的冲击，从而抑制上、下层钢水在交界面的混合。如图1所示：上层钢水挡板5对短式浸入式水口2产生的主流股进行控制，下层钢水挡阻装置6对长式浸入式水口3产生的上回旋流进行控制。远离主流股的位置无挡板设置，保证复合浇铸过程中夹杂物上浮，实现高品质复合浇铸。

作为优化，在所述的短式浸入出钢侧孔的下方还开设有抑流出钢侧孔22，所述的抑流出钢侧孔22向上倾斜设置，用于抵消短式浸入式出钢侧孔21排出的钢水向下流动的速度。

短式浸入式水口2下部斜向上的对斜向下侧孔流出的下回旋流进行了抑制，使得短式浸入式水口2产生的流股如图1中所示，从而抑制了下回旋流对钢水交界面的冲击。

作为优化，所述的短式浸入式水口2和长式浸入式水口3均为耐火材料制成。

作为进一步优化，所述的长式浸入式出钢侧孔31、短式浸入式出钢侧孔21和抑流出钢侧孔22的截面呈长方形或圆形。

作为更进一步优化，所述的长式浸入式出钢侧孔31的截面积大于或等于长式浸入式水口3的截面面积的2倍；所述短式浸入式出钢侧孔21和抑流出钢侧孔22的截面积均大于或等于短式浸入式水口2的截面面积的2倍。

在实际操作中，还应通过异过热度浇铸方式进行生产控制，以减小两个钢种界面处的温度差和密度差。如图1中结晶器1内上下两个熔池内上层钢水和下层钢水热物性参数不同，浇铸过程中需考虑由于温度差产生的对流以及密度差。针对上部熔池密度大、液相线低的钢种，浇铸过程中应采用上部过热度大于下部过热度的浇铸方式，减小温度差和密度差，保证复合浇铸的顺行。

此外，在实际操作中还将双水口、间隔式挡板控流装置、电磁发生装置以及异过热度浇铸控制方式进行优化结合考量，保证界面处钢液混合程度最小，熔池分层效果最佳，提出基于自抑控流双水口的电磁复合浇铸技术。具体可从以下角度进行思考和评估：

（1）结合自抑浸入式双水口、非连续挡板控流、电磁场发生装置的复合浇铸优化：通过数值模拟研究及物理模拟研究相结合，分析自抑浸入式双水口结构参数以及非连续挡板控流装置结构参数、尺寸与安装位置对结晶器1内流场的影响，并进行优化设计；确定浇铸过程工艺参数，实现上、下两层钢液混合程度的最小化。通过数值模拟探讨电磁场装置工艺参数（包括电磁装置安装位置、作用宽度、电流、频率、绕阻等）对上下层钢液界面处混合的抑制作用，获得最优电磁操作工艺参数。根据上述优化，获得利于复合浇铸的流场，保证界面混合程度较小，最终确定自抑浸入式双水口、非连续挡板控流、电磁场发生装置的参数。

（2）耦合流动-传热-电磁场的凝固行为、电磁参数、异过热度浇铸工艺设计：耦合流动-传热-电磁场对复合浇铸的凝固传热行为进行数值模拟研究，确定合适的电磁参数（电流以及频率）以及浇铸过程工艺参数（拉速）。在上述流动-传热-电磁场数学模型基础上，针对两钢种的热物性参数差异，分析双水口异过热度对连铸坯流动凝固的影响，获得适宜的过热度控制参数。最终确定合适的复合浇铸过程的过热度、电磁参数以及工艺参数。

（3）基于自抑控流双水口的电磁复合浇铸技术的应用：将上述研究获得参数应用于实际生产，生产过程中对数据进行进一步采集、分析以及优化，从而为实际生产制定出适合复合浇铸的参数。

本发明的上述实施例仅仅是为说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其他不同形式的变化和变动。这里无法对所有的实施方式予以穷举。凡是属于本发明的技术方案所引申出的显而易见的变化或变动仍处于本发明的保护范围之列。