一种通过旋转抑制汇流漩涡的装置及方法

1.本发明属于钢铁连铸生产技术领域，更具体地说，涉及一种通过旋转抑制汇流漩涡的装置及方法。


背景技术：

2.在水利工程中，水力结构进水口和出水口处经常有涡流，其中，吸气漩涡对水力结构和水力机械具有一定的破坏作用。shapiro通过安装在大水箱底部的水力实验来研究汇流漩涡的形成。在尽可能减少干扰的条件下，在排空的末期，出口上方会形成漩涡，该漩涡转方向为逆时针方向。在南半球的悉尼，按照相同的实验条件，发现汇流漩涡的方向绝大部分是顺时针的。
3.在冶金反应器浇注过程、化工萃取分离、水利工程状态监控等工业领域，汇流漩涡的控制具有重要的实际意义。研究两相汇流漩涡抽吸的动力学特性，实现对漩涡抽吸过程的主动控制，具有重要的科研价值与工程应用前景。在连续铸钢过程中，钢包出钢时，随着钢液位的不断下降，液位开始下降，当液位下降到临界高度(涡尖延伸到喷嘴上缘的液位)时，钢渣将完全被吸入钢水中，同时会吸入空气。汇流漩涡会使涡流夹带钢渣和空气会造成钢液污染和二次氧化。同时也会带来夹杂物难以上浮、水口堵塞、长水口及中间包内衬腐蚀、钢渣清理困难等问题。
4.为了防止汇流漩涡的危害，工业上常用的方法是：当汇流漩涡达到或者即将达到汇流漩涡形成的临界高度时，停止浇注，从而避免汇流漩涡形引起的卷渣和卷吸空气对钢液造成污染，该方法的缺点是停浇后钢包内剩余的钢液量较大，增加了生产成本。
5.经检索，中国专利申请号201410805369.x，发明名称为：一种通过钢包底部环出钢口吹氩气控制钢包下渣的方法，申请公布日为：2017年10月24日，该申请案在钢包底部出钢口周围的环形透气砖将氩气吹入钢液，使流体在经过出钢口周围的氩气环后旋转速度大幅降低甚至消失，从而能够消除汇流漩涡所引起的下渣，抑制汇流漩涡和排流沉坑所引起的下渣。该方法对氩气流量有特殊要求，太小的氩气流量效果不明显，太大的氩气流量会使钢包内的钢液的湍动加剧，有二次卷渣的可能。


技术实现要素：

6.1、要解决的问题
7.鉴于现有的钢包在浇注末期易出现汇流漩涡，当漩涡产生时会卷入钢液表面的渣层，被卷入的钢渣以及空气，会对钢液造成污染，从而导致铸坯缺陷的问题，本发明提供了一种通过旋转抑制汇流漩涡的装置及方法，通过外加的旋转动量，驱动钢包和钢包内的钢液顺时针和逆时针间歇旋转，进而达到消除钢液在浇注末期汇流漩涡的目的，减少钢液的注余量，从而解决汇流漩涡引起钢液质量下降的问题。
8.2、技术方案
9.为了解决上述问题，本发明所采用的技术方案如下：
10.本发明的一种通过旋转抑制汇流漩涡的装置，包括钢包和旋转机构，所述的旋转机构包括动力齿轮、旋转轴以及转盘基座，其中，钢包通过旋转轴与转盘基座相连接，钢包外壁上设有与动力齿轮相互啮合的从动齿轮，动力齿轮的驱动力通过从动齿轮传递给钢包，钢包带动钢液进行转动。
11.进一步地，所述的动力齿轮连接有升降机构和控制器，其中，升降机构通过升降轴带动动力齿轮进行升降，控制器用于控制动力齿轮的转速及方向。
12.进一步地，所述的钢包外周设有上部支撑轴承和底端支撑轴承，该上部支撑轴承设置高度为0.95-1.05h，底端支撑轴承设置高度为0.1-0.2h，从动齿轮的设置高度为0.3-0.4h，其中，h为钢包正常工作液面高度。
13.进一步地，还包括旋转磁场发生机构，所述的旋转磁场发生机构包括多组磁场搅拌器，该磁场搅拌器包括环形轭铁、绕组线圈以及壳体，其中，环形轭铁套设在钢包的外周，绕组线圈缠绕在环形轭铁上。
14.进一步地，所述的绕组线圈为铜管线圈，且采用芯克兰姆绕组法，该铜管线圈中通有冷却水。
15.进一步地，所述的磁场搅拌器设置有三组，且沿竖直方向上下分布，三组磁场搅拌器采用三相对称交流电。
16.利用上述的装置抑制汇流旋涡的方法，包括以下步骤：
17.步骤一、根据长水口的直径和偏心率计算漩涡形成的临界高度，上升动力齿轮，使动力齿轮与从动齿轮保持啮合状态，同时，将上部磁场搅拌器设置在临界高度位置处；
18.步骤二、根据漩涡形成的临界高度，计算出钢包内开始卷渣的临界总质量；
19.步骤三、实时记录钢包的质量，当钢包质量达到卷渣的临界总质量时，打开电机电源，并通过控制器控制钢包进行旋转，带动钢水运动；同时接通磁场搅拌器的三相对称正弦交流电，对钢水施加电磁力使钢水顺、逆时针间歇运动抑制漩涡的形成；
20.步骤四、钢包浇注结束后，关闭电机电源，断开旋转磁场发生装置电源。
21.进一步地，所述的步骤一中，利用公式(1)计算得出漩涡形成的临界高度，
22.h0＝65.276+1.427d-76.778ε
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(1)
23.其中，h0为临界高度，d为长水口直径，ε为长水口偏心率。
24.进一步地，所述的步骤二中，利用公式(2)、(3)计算得出钢包临界总质量，
25.m0＝vρ+m
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(2)
26.v＝1/3πh0[r2+(r+h0cotθ)2+r(r+h0cotθ)]
ꢀꢀꢀ
(3)
[0027]
其中，m0为临界总质量；v为临界高度下的钢液总体积；r为钢包下底半径；ρ为钢液密度；m为空包质量；θ为钢包侧壁面和底面的倾角。
[0028]
进一步地，所述的步骤三中，利用公式(4)、(5)、(6)计算得出钢水中的产生电磁力，
[0029][0030][0031]
[0032]
其中，b为磁感应强度；b0为搅拌器内腔的磁感应强度幅值；r为钢包内腔半径；r0为搅拌器内腔的半径；p为极对数；为电流密度；σ为钢水电导率；为感应电势；为滑差速度，即磁场与钢水相对运动的速度；为电磁力。
[0033]
3、有益效果
[0034]
相比于现有技术，本发明的有益效果为：
[0035]
(1)鉴于现有的钢包在浇注末期易出现汇流漩涡，从而引起卷渣等问题，影响钢水质量，本发明的一种通过旋转抑制汇流漩涡的装置，通过外部的旋转动力驱动钢包转动，进而驱使钢液运动，从而达到改变漩涡强度以及漩涡方向的效果，使漩涡的形成减弱甚至消失，进而抑制漩涡的形成；
[0036]
(2)本发明的一种通过旋转抑制汇流漩涡的装置，通过控制器来控制钢包不同的旋转模式，可实现钢包的顺时针、逆时针间歇均匀旋转，使得钢包内钢液切向运动的方向不断地改变，从而使得切向速度方向不断变化，最终使得切向速度变得较小，从而抑制了汇流漩涡的形成；同时，通过顺时针、逆时针间歇均匀旋转使两个方向的动量相抵消，既能对漩涡起到良好的抑制效果，又不会因为外加旋转使钢液产生新的漩涡；
[0037]
(3)本发明的一种通过旋转抑制汇流漩涡的装置，旋转磁场发生装置采用三相对称交流电，在钢包内激发沿圆周呈正弦分布的磁场，当搅拌器激发的旋转磁场以同步速度切割钢水时，就在其中感生起感应电流，感应电流与钢水相互作用产生电磁力，由于搅拌器为圆筒形，在钢水中感生的电磁力左右成对且方向相反，形成电磁力矩，三组磁场搅拌器分别在不同高度使钢水做方向相反的旋转运动，从而进一步抑制漩涡形成；同时，相邻两组磁场搅拌器之间激发相反方向的磁场，使钢液以相反的方向运动，以达到最佳防漩效果。
附图说明
[0038]
图1为本发明的一种通过旋转抑制汇流漩涡的装置的结构示意图；
[0039]
图2为本发明中钢包的结构示意图；
[0040]
图3为本发明中磁场搅拌器示意图。
[0041]
图中：1、钢包；11、钢包主体；12、长水口；
[0042]
21、动力齿轮；22、旋转轴；23、转盘基座；24、从动齿轮；
[0043]
3、控制器；4、升降轴；5、上部支撑轴承；6、底端支撑轴承；
[0044]
7、磁场搅拌器；71、环形轭铁；72、绕组线圈；73、壳体。
具体实施方式
[0045]
下面结合具体实施例对本发明进一步进行描述。
[0046]
实施例1
[0047]
结合图1、图2所示，本实施例的一种通过旋转抑制汇流漩涡的装置，包括钢包1和旋转机构，所述的钢包1为中心开孔的钢包，其由钢包主体11和长水口12组成，长水口12位于钢包1的底部。
[0048]
所述的旋转机构包括动力齿轮21、旋转轴22、转盘基座23以及从动齿轮24，其中，从动齿轮24固定在钢包1外壁，动力齿轮21由电机驱动带动从动齿轮23转动，进而带动钢包
1及钢包1内的钢液同步转动，从而抑制汇流旋涡的形成。同时，长水口12与钢包1同步旋转，使得长水口12内的钢液在水平方向具有一定的速度，从而减小了长水口12注流对于中间包的冲击。
[0049]
另外，动力齿轮3还连接有升降机构和控制器3，该升降机构通过升降轴4带动动力齿轮21进行自由升降。在钢包浇注初期，汇流旋涡还未形成，此时，旋转机构处于低位，不需要承受钢包的重量。当钢包内钢液的重量达到或者即将达到临界汇流漩涡的钢液重量时，升降机构升起，可最大程度地减小其负重，增加其使用寿命。控制器3用于控制动力齿轮21的转速及方向。具体地可实现钢包的加速、减速和匀速转动，以及顺时针、逆时针旋转。本实施例中，从动齿轮24固定在钢包1外壁，使用时，动力齿轮21在电机的驱动下旋转，通过升降机构使得动力齿轮21与从动齿轮24啮合，从而带动钢包1旋转，由于钢包顺、逆间歇旋转，不停地改变钢液切向速度方向，使得钢液切向速度不断减小，抑制浇注末期钢包长水口处漩涡的形成。其中，动力齿轮21的旋转方向和速度可进行独立地调节。
[0050]
所述的钢包1外周还设有上部支撑轴承5和底端支撑轴承6，钢包1通过该上部支撑轴承5和底端支撑轴承6固定在钢包平台(图中为示出)上。上部支撑轴承5设置高度为0.95-1.05h，从动齿轮23设置高度为0.3-0.4h，底端支撑轴承6设置高度为0.1-0.2h，上部支撑轴承5半径为所在钢包高度下半径的1.02-1.05倍，从动齿轮23半径为所在钢包高度下半径的1.05-1.1倍，底端支撑轴承6半径为所在钢包高度下半径的1.02-1.1倍。其中，h为钢包1正常工作液面高度，另外，本实施例中的钢包1整体呈上大下小的圆台结构，钢包侧壁与底面的倾角为θ(锐角)。具体到本实施例中，钢包1底部直径为2.70m，钢包高度为2.80m，钢包顶部直径为2.85m，钢包底部直径为2.70m，倾角θ为87
°
，钢包正常工作液面高度为2.4m。
[0051]
本实施例的一种通过旋转抑制汇流漩涡的装置，升降机构为气缸，当钢包质量达到临界卷渣的临界总质量时，启动电机，动力齿轮21的驱动力通过从动齿轮24传递给钢包1，钢包1带动钢液进行转动。同时通过控制器3，控制钢包1按照顺时针、逆时针间歇均匀旋转，转速为1-1.6r/s，优选为以1.25r/s的角速度按顺时针、逆时针间歇旋转。根据试验结果，钢包内钢液在达到临界高度后，自由钢液表面在2.5秒后开始出现水面凹陷，因此最佳旋转间隔为2秒。本方案在抑制漩涡形成的同时，通过顺时针、逆时针间歇均匀旋转使两个方向的动量相抵消。既能对漩涡起到良好的抑制效果，又不会因为外加旋转使钢液产生新的漩涡。其中，旋转提供的角动量计算公式为
[0052]
实施例2
[0053]
由于钢包1浇注末期，钢包1底部和自由液面位置处的钢液受力不同，底部钢液受到了钢包1底部的摩擦作用以及出流口较大的抽吸作用，而钢液的自由液面处涉及到空气、渣和钢液的三相作用，漩涡强度也不同，为了进一步保证对漩涡形成的抑制效果。
[0054]
本实施例的一种通过旋转抑制汇流漩涡的装置，在实施例1的基础上还设置了旋转磁场发生机构，该旋转磁场发生机构设置在临界高度以下的位置，其包括多组上、下分布的磁场搅拌器7。如图3所示，该磁场搅拌器7包括环形轭铁71、绕组线圈72以及壳体73。其中，壳体73为非磁不锈钢制成，可对环形轭铁71和绕组线圈72起到一定的防护作用，另外还可以阻隔铸坯的辐射热。绕组线圈72套在环形轭铁71上形成一感应器，用于激发旋转磁场，环形轭铁71套设在钢包1的外周，从钢包的四周对钢液进行扰动。本实施例中，磁场搅拌器7采用环形铁芯克兰姆绕组，绕组材质为铜管绕制，12个绕组线圈72全部套在环形轭铁71上。
磁场搅拌器7的冷却方式为水冷，即在绕组中的铜管中通水冷却。当然，绕组方式不仅限于克兰姆绕组，若为凸极式，则绕组材质为铜扁线，每个凸极上套一个o型绕组。本实施例的磁场搅拌器7所采用的输入电源包括但不仅限于三相对称正弦交流电，也可为三角波电流、三相120
°
方波电流等对称电流，也可在实施过程中使钢液达到顺、逆时针间歇旋转的效果。另外，磁场搅拌器7所采用的对级数包括但不仅限于两对极，也可以是4对极、6对极、8对极甚至更多。同样的，本实施方案中磁场搅拌器7为三组，三组磁场搅拌器防漩效果最佳，但不仅限于三组。
[0055]
三组磁场搅拌器7采用三相对称交流电，在钢包1内不同高度激发三组沿圆周呈正弦分布的磁场，当搅拌器激发的旋转磁场以同步速度切割钢水时，就在其中感生起感应电流，感应电流与钢水相互作用产生电磁力，由于搅拌器为圆筒形，在钢水中感生的电磁力左右成对且方向相反，形成电磁力矩，促使钢包内的钢液做旋转运动。进一步地，磁场搅拌器7采用正反向交替运行方式，磁场搅拌器7各相绕组施以同一频率和强度的电流，并按设定时间改变相序，令其激发的磁场按照设定的时间正反交替变换运动方向，使钢液顺、逆时针间歇旋转达到消除漩涡的目的。且相邻两组磁场搅拌器7激发相反的磁场，使钢液以相反的方向运动，以达到最佳防漩效果。
[0056]
本实施例中，由于磁场搅拌器7的铁芯闭合，磁路也是闭合的，在内腔激发出轴对称的旋转磁场，在钢液中产生电磁力，感生的功率几乎全部用于带动钢水运动，效率非常高。随着磁场的增加，漩涡的形成高度显著下降。通过多次试验，当磁场达到0.17～0.2t时，漩涡的形成被明显抑制。
[0057]
luca cristofano等人将自由表面漩涡的形成过程分为四个阶段。出钢过程中，产生卷渣现象都出现在漩涡的第四阶段，即漩涡底部到达长水口12位置。当钢液高度临近汇流漩涡临界高度时，启动电机带动动力齿轮21，同时升降机构动作，使动力齿轮21上升至从动齿轮24的高度，并与从动齿轮24啮合。在动力齿轮21的带动下，钢包在一定速度下按顺、逆时针间歇旋转，使得钢包内部钢液切向速度方向不断改变，并逐渐较小，无法快速在一个方向上形成漩涡。同时接通磁场搅拌器7的三相对称交流电，电磁力对钢包内部的钢液进行旋转搅拌，从而进一步抑制漩涡的形成。
[0058]
实施例3
[0059]
本实施例的一种通过旋转抑制汇流漩涡的方法，包括以下步骤，
[0060]
步骤一、根据长水口12的直径和偏心率计算漩涡形成的临界高度，上升动力齿轮21，使动力齿轮21与从动齿轮24保持啮合状态，同时，将上部磁场搅拌器7设置在临界高度位置处。该临界高度由公式(1)计算得到，
[0061]
h0＝65.276+1.427d-76.778ε
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(1)
[0062]
其中，h0为临界高度，d为长水口12直径，ε为长水口12偏心率。
[0063]
步骤二、根据漩涡形成的临界高度，计算出钢包内开始卷渣的临界质量，该临界质量由公式(2)、(3)计算得到，
[0064]
m0＝vρ+m
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(2)
[0065]
v＝1/3πh0[r2+(r+h0cotθ)2+r(r+h0cotθ)]
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(3)
[0066]
其中，m0为临界总质量；v为临界高度下的钢液总体积；r为钢包下底半径；ρ为钢液密度；m为空包质量；θ为钢包侧壁面和底面的倾角。
[0067]
步骤三、实时记录钢包1的质量，当钢液达到卷渣的临界质量时，打开电机电源，并通过控制器控制钢包进行旋转，带动钢水运动；同时接通磁场搅拌器7的三相对称正弦交流电，对钢水施加电磁力使钢水顺、逆时针间歇运动抑制漩涡的形成。此时，钢水中产生的电磁力根据公式(4)、(5)、(6)计算得出，
[0068][0069][0070][0071]
其中，b为磁感应强度；b0为搅拌器内腔的磁感应强度幅值；r为钢包内腔半径；r0为搅拌器内腔的半径；p为极对数；为电流密度；σ为钢水电导率；为感应电势；为滑差速度，即磁场与钢水相对运动的速度；为电磁力。
[0072]
步骤四、钢包浇注结束后，关闭电机电源，断开旋转磁场发生装置电源。
[0073]
本实施例的一种通过旋转抑制汇流漩涡的方法，利用外部旋转动量抑制钢包长水口处形成漩涡，通过控制器来调节钢包不同的旋转模式，以及外部磁场搅拌器7激发的电磁力，进而驱使钢液运动，从而达到改变漩涡强度以及漩涡方向的结果，使漩涡的形成减弱甚至消失，进而抑制漩涡的形成。同时，该反涡流技术从根本上破坏了涡流形成的流场，积极消除或抑制了涡流的形成。本实施例中，不需要对钢包1的结构进行任何改动，并可以达到提高金属液的洁净度和提升金属收得率的目的。同时，使钢液温度得到稳定控制，显著提升了产品性能。
[0074]
以上示意性的对本发明及其实施方式进行了描述，该描述没有限制性，附图中所示的也只是本发明的实施方式之一，实际的结构并不局限于此，实施例1和实施例2中的两种方案可单独使用，也可组合使用。所以，如果本领域的普通技术人员受其启示，在不脱离本发明创造宗旨的情况下，不经创造性的设计出与该技术方案相似的结构方式及实施例，均应属于本发明的保护范围。