CN102107266B - 驱动铸锭内尚未凝固的金属熔液流动的方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种驱动铸锭内尚未凝固的金属熔液流动的方法，涉及金属铸造技术领域。它是根据铸锭横截面的大小及形状划分成两个以上（含两个）区域及金属熔液的流动路径，沿着铸锭外部的边沿安置由铁芯和线圈组构成的移动磁场产生装置，其产生的移动磁场，使各个区域金属熔液分别产生流动。本发明方法合理、原理独特，装置结构简单可靠，利用该方法，通过设定的移动磁场产生的电磁力驱动熔液按确定的区域及方向流动，可以减小铸锭内熔液流场影响范围内的温差，使得熔液内的合金成分更加均匀，减小铸锭内合金成分的宏观偏析等缺陷，从而大大提高了铸锭质量。

Description

驱动铸锭内尚未凝固的金属熔液流动的方法

技术领域

本发明涉及金属铸造技术领域，尤其是一种在金属铸锭过程中驱动铸锭内尚未凝固的金属熔液流动的方法和装置。

背景技术

在金属材料的连续和半连续铸造过程中，往往需要将金属熔液铸造成不同几何形状的铸锭，如圆锭、扁锭或方锭。在铸造过程中，由于铸锭的外表面冷却速度较快，而心部冷却速度较慢，铸锭的心部与铸锭的外部存在较大的温差，这是造成铸锭心部组织疏松、晶粒粗大、出现宏观偏析，甚至产生裂纹等缺陷的重要原因。因此在铸造过程中采取适当方法，使铸锭内尚未凝固的熔液在铸锭的心部与铸锭的凝固壳间流动，从而降低铸锭心部与外部的温差，减小铸锭内合金成分的宏观偏析是降低铸锭缺陷、提高铸锭质量的重要手段。

发明内容

本发明的目的是提供一种（在金属连续和半连续铸锭过程中）驱动铸锭内尚未凝固的金属熔液流动的方法，其方法合理、原理独特，装置结构简单可靠，利用该方法，通过设定的移动磁场产生的电磁力驱动熔液按确定的区域及方向流动，可以减小铸锭内熔液流场影响范围内的温差，使得熔液内的合金成分更加均匀，减小铸锭内合金成分的宏观偏析等缺陷，从而大大提高了铸锭质量。

本发明是这样实现的：一种驱动铸锭内尚未凝固的金属熔液流动的方法，其特征在于:

a、首先根据铸锭横截面的大小及形状划分成两个以上（含两个）区域，每个区域包括一段铸锭外部的边沿；

b、设定这些区域内金属熔液的流动路径，区域的各边界作为熔液流动的路径；相邻两区域共用边界上，熔液的流动方向一致，铸锭的同一边沿相邻两区域靠近铸锭边沿部分的熔液，熔液流动方向相反;各区域金属熔液的流动路径中的一段应当流经铸锭的中心部位；

c、在铸锭的凝固壳已经形成或即将形成，铸锭内熔液尚未完全凝固的铸锭部位，围绕着铸锭外部的边沿安置由铁芯和线圈构成移动磁场产生装置，铁芯和线圈的数量及具体结构根据铸锭的品种、几何尺寸及铸锭形状确定；线圈的布置及接线方式根据设定的流动路径确定；

d、给线圈通入交流电流，使由铁芯和线圈组成的移动磁场产生装置产生移动磁场，移动磁场使金属熔液产生流动；改变线圈组中电流的方向，即可改变移动磁场的方向，进而可改变金属熔液的流动方向；根据设定的熔液流动的路径设定移动磁场的方向，即可使铸锭内的尚未凝固的熔液按设定的路径流动。

所述的根据铸锭横截面的大小及形状划分成两个以上（含两个）区域，可以这样划分：圆锭可以划分成以圆锭中心为顶点的扇形区域或以直径为界线的两个半圆区域，圆锭可分成2n（n=1，2，3…）个区域；相邻两边长度不相等的扁锭可以沿长边方向分成若干方形或矩形的区域；如果铸锭比较厚，即短边比较大，比如超过300mm，也可以在短边方向分成两个区域；方锭则可根据方锭的大小，沿一边或相邻两边划分，从而形成两个或四个区域；

所述的由铁芯和线圈组构成移动磁场产生装置的安装位置，在铸锭的外部，在铸锭的凝固壳已经形成或即将形成，铸锭内熔液尚未完全凝固的铸锭部位;这个部位往往在铸锭的结晶器附近，因此由铁芯和线圈构成移动磁场产生装置也可以安装在铸锭的结晶器外面；如果结晶器带有冷却水箱，由铁芯和线圈构成移动磁场产生装置也可以安装在铸锭的结晶器的水箱里面。

所述的线圈组的绕组形式为克兰姆绕组或采用集中绕组形式较好。其他达到要求的绕组形式也可。电流频率在0.3Hz～100Hz之间较好。

所述的金属为钢、铁、铝合金、钛合金或铜合金等黑色金属或有色金属。

本发明的积极效果是：有效解决了长期以来现有技术中一直存在的且一直未能解决的问题，其方法合理、原理独特，装置结构简单可靠，利用该方法或装置，通过设定的移动磁场产生的电磁力驱动熔液按确定的区域及方向流动，可以减小铸锭内熔液流场影响范围内的温差，使得熔液内的合金成分更加均匀，减小铸锭内合金成分的宏观偏析等缺陷，从而大大提高了铸锭质量。

以下结合实施例及其附图作详述说明，但不作为对本发明的限定。

附图说明

图1为在铸造过程中，铸锭的横截面为圆形，绕组方式为克兰姆绕组驱动金属熔液流动的方法示意图。

图2为在铸造过程中，铸锭的横截面为矩形的扁锭，绕组方式为集中绕组驱动金属熔液流动的方法示意图。

图中各标号说明：1-铁芯，2-铸锭，3-线圈，4-区域分界面，+ -线圈绕制时的起始端，- -线圈绕制时的末端。

具体实施方式

以下所描述的具体实施例仅用以进一步解释本发明，并不适于限定本发明。

在铸造过程中，铸锭横截面可为圆形、矩形、方形等形状，本方法首先是将不同横截面的铸锭按其不同的形状划分成若干个区域，可以在每个区域外部边沿布置由三个线圈3组成的线圈组，不同规格的铸锭可以布置不同数量的线圈组，大规格的铸锭往往需要布置较多的线圈组；不同的供电方式（如三相供电，各相相位差120°；两相供电，相电位差90°等）也会影响线圈组的数量和每组线圈的数量。给线圈组通以交流电流，使铁芯1和线圈组产生移动磁场，该移动磁场使铸锭的每个区域产生特定的流场。下面分别附图对上述情况加以说明，线圈的绕组形式可为：克兰姆绕组、集中绕组，采用三相交流供电。

划分的每个区域包括一段铸锭外部的边沿，围绕着这个边沿安置由铁芯1和线圈3构成移动磁场产生装置，在线圈3中通以交流电流，形成移动磁场，移动磁场作用于铸锭内的金属熔液，驱动金属熔液流动。

实施例1：

见图1，所示铸锭的横截面为圆形，绕组方式为克兰姆绕组：

将圆锭横截面划分成 2n个区域，取n=1，即2×1=2 两个区域：区域1、区域2。在区域1、区域2内设定金属熔液流动的方向如图1所示。在铸锭2的外部设置由铁芯1和线圈3组成的移动磁场产生装置。在每个区域外部所对应的铁芯1上绕制由三个线圈3组成的线圈组，分别为A相线圈、B相线圈、C相线圈，每个线圈3的引线由“+”、“-”号标示，共12处接线点，按A、B、C三相交流电供电，线圈的绕线方向、安置及次序如图1所示。

具体接线方式为：所有线圈3的标有“-”的引线相连接；两个A相线圈的标有“+”号的引线相连接后接到三相电源的A相；两个B相线圈的标有“+”号的引线相连接后接到三相电源的B相；  两个C相线圈的标有“+”号的引线相连接后接到三相电源的C相； 

采取如上所示的接线方式，给线圈组通以交流电后，形成两个相邻区域移动方向相反的移动磁场，磁场方向如图1所示。两个移动磁场使金属熔液在铸锭边沿产生两个流向相反的流场，两个流场在两个区域的分界面4处汇合，沿着分界面4流动，在分界面4处，相邻两区域流场的流向相同，流场的轨迹即是设置的金属熔液流动路径。

通过改变各线圈组中线圈3的接线方式， 可改变磁场方向，即可改变金属熔液的流动方向。如将两个A相线圈的标有“+”号的引线相连接后接到三相电源的B相；两个B相线圈的标有“+”号的引线相连接后接到三相电源的A相，即可实现移动磁场方向的改变。

实施例2：

见图2，在铸造过程中，形成的铸锭为扁锭，绕组方式为集中绕组：扁锭的区域划分可以沿长边方向分成若干方形或长方形，图2以将扁锭横截面划分成区域1、区域2、区域3三个区域为例加以说明。

沿着铸锭的两个长边分别设置由铁芯1和线圈3组成的移动磁场产生装置。设定金属熔液流动的方向如图3所示。在每个区域外部所对应的铁芯1上绕制由三个线圈3组成的线圈组，每个线圈3的引线由“+”、“-”号标示，共36处接线点，线圈的绕制方向如图所示。

具体接线方式为：所有线圈3的标有“-”的引线相连接；六个A相线圈的标有“+”号的引线相连接后接到三相电源的A相；六个B相线圈的标有“+”号的引线相连接后接到三相电源的B相；  六个C相线圈的标有“+”号的引线相连接后接到三相电源的C相。

采取如上接线方式，给线圈组通以交流电后，形成三个沿着铸锭外沿相邻两区域移动方向相反的移动磁场，磁场方向如图2所示，三个移动磁场使金属熔液产生三个在铸锭边沿部分流向相反，在铸锭流场的分界面流向相同的流场，该流场即是金属熔液设置的流动路径。

通过改变各线圈组中线圈3的接线方式， 可改变磁场方向，即可改变金属熔液的流动方向。如将六个A相线圈的标有“+”号的引线相连接后接到三相电源的B相；六个B相线圈的标有“+”号的引线相连接后接到三相电源的A相，即可实现移动磁场方向的改变。

合理的设定铸锭的区域及熔液流动方向，通过移动磁场产生的电磁力驱动熔液按确定的区域及方向流动，可减小铸锭内流场影响范围内的温差，同时可以使得熔液内的合金成分更加均匀，达到提高铸锭质量的目的。

应当说明，所说的扁锭、方锭或圆锭，是一种比较宏观的定义，扁锭可以有比较大的圆角，圆锭可以包括椭圆的形式等，这些不影响本发明的实施。

线圈3的绕组形式可为克兰姆绕组、也可以采用集中绕组等形式，这些均为电机行业的常规技术。

调整线圈3中线圈的圈数，或改变通过线圈3的电流的大小即可调整磁场的强度，从而调整在熔液中产生的电磁推力，达到调整熔液的流动速度的目的。调整通入线圈3的相应线圈的电流方向，即可调整磁场的方向，进而调整熔液流动的方向。改变线圈3中电流的频率，可以改变电磁力在铸锭中的影响范围和电磁推力的大小。电流频率一般在0.3Hz—100Hz之间。

在安装由线圈3及铁芯1所组成的移动磁场产生装置时，需要考虑与铸锭结晶器的连接，如果结晶器带有冷却水箱，由铁芯1和线圈3构成的移动磁场产生装置可以安装在结晶器水箱内，由于铁芯和线圈在水中浸泡，需要做好铁芯的防腐和线圈的绝缘问题，这是常规技术容易解决的。所述的金属为钢、铁、铝合金、钛合金或铜合金等黑色金属或有色金属。

Claims (6)

1.一种驱动铸锭内尚未凝固的金属熔液流动的方法，其特征在于:

a、首先根据铸锭（2）横截面的大小及形状划分成两个以上区域，每个区域至少包括一段铸锭外部的边沿；

b、设定这些区域内金属熔液的流动路径，区域的各边界作为熔液流动的路径；相邻两区域共用边界上，熔液的流动方向一致，铸锭的同一边沿相邻两区域靠近铸锭边沿部分的熔液，熔液流动方向相反; 各区域金属熔液的流动路径中的一段应当流经铸锭的中心部位；

c、在铸锭的凝固壳已经形成或即将形成，铸锭内熔液尚未完全凝固的铸锭部位，围绕着铸锭外部的边沿安置由铁芯（1）和线圈（3）构成移动磁场产生装置，铁芯（1）和线圈（3）的数量及具体结构根据铸锭的品种、几何尺寸及铸锭形状确定；线圈（3）的布置及接线方式根据设定的流动路径确定；

d、给线圈（3）通入交流电流，使由铁芯（1）和线圈（3）组成的移动磁场产生装置产生移动磁场，移动磁场使金属熔液产生流动；改变线圈组中电流的方向，即可改变移动磁场的方向，进而可改变金属熔液的流动方向；根据设定的熔液流动的路径设定移动磁场的方向，即可使铸锭内的尚未凝固的熔液按设定的路径流动。

2.根据权利要求1 所述的驱动铸锭内尚未凝固的金属熔液流动的方法，其特征在于所述的根据铸锭（2）横截面的大小及形状划分成两个以上区域，区域划分方法为：圆锭划分成以圆锭中心为顶点的扇形区域或以直径为界线的两个半圆区域，圆锭可分成2n 个区域，n=1，2，3… ；相邻两边长度不相等的扁锭沿长边方向分成若干方形或矩形的区域；如果铸锭比较厚，即短边比较大，超过300mm，不仅在长边方向分成若干方形或矩形的区域，还需在短边方向分成两个区域；方锭则根据方锭的大小，沿一边或相邻两边划分，从而形成两个或四个区域。

3.根据权利要求1 所述的驱动铸锭内尚未凝固的金属熔液流动的方法，其特征在于所述的由铁芯（1）和线圈（3）构成移动磁场产生装置的安装位置为，在铸锭的外部，在铸锭的凝固壳已经形成或即将形成，铸锭内熔液尚未完全凝固的铸锭部位; 这个部位往往在铸锭的结晶器附近，因此由铁芯（1）和线圈（3）构成移动磁场产生装置安装在铸锭的结晶器外面；如果结晶器带有冷却水箱，由铁芯（1）和线圈（3）构成移动磁场产生装置安装在铸锭的结晶器的水箱里面。

4.根据权利要求1、2 或3 所述的驱动铸锭内尚未凝固的金属熔液流动的方法，其特征在于所述的线圈（3）的绕组形式为克兰姆绕组或采用集中绕组形式。

5.根据权利要求4 所述的驱动铸锭内尚未凝固的金属熔液流动的方法，其特征在于电流频率在0.3Hz ～ 100Hz 之间。

6.根据权利要求4 所述的驱动铸锭内尚未凝固的金属熔液流动的方法，其特征在于所述的金属为钢、铁、铝合金、钛合金或铜合金。