CN1358590A - 用来将出铁槽按要求调温的方法和用来实施这种方法的出铁槽 - Google Patents

Abstract

为了对连接在一用于由铜或铜合金组成的储存容器(3)和至少一个连铸结晶器(6)之间的出铁槽(5)按要求调温出铁槽(5)的槽壁(13)和槽底(14)在内侧至少局部设有具有在10^－1Ω·m到10^－6Ω·m之间的特定电阻的,对于金属熔液(2)耐热的外壳层(15)。外壳层(15)用一围绕出铁槽(5)设置的电加热装置感应加热。

Description

用来将出铁槽按要求调温的方法 和用来实施这种方法的出铁槽

在用于由铜或铜合金组成的金属熔液的连铸设备上的工作场地的负荷至少部分地与连铸设备的出铁槽的温升有直接的关系。出铁槽是金属熔液在它里面从贮存容器，例如化铁炉或高炉或铁水包流到连续铸造结晶器内的那个部分，然后金属熔液在结晶器内硬化成金属锭。

出铁槽在连续浇铸过程开始前，从而在装入金属熔液之前急剧地加热。只有这样才能确保，金属熔液不提前硬化正常地到达连铸结晶器。

在现有技术中出铁槽在浇铸铜或铜合金金属熔液时用燃气燃烧器加热。这个过程可以用可接受的技术费用和用比较高的加热速度实现。

但是用燃气燃烧器加热有一系列缺点。在这方面首先要提到可观的噪声发射，其原因是从燃烧器喷嘴中喷出的燃气的速度很高。其次由于燃气在燃烧区域内高的流动速度和由于热量扬起渣粒形状的尘粒、起氧化皮的铸造金属、附着在出铁槽上的残余熔液或粉末形的保护性熔剂中的挥发性成分，并至少部分到达连铸设备的周围，在那里它们可能导致操作人员的健康损害。此外燃烧器的灼热火焰通常从出铁槽中喷出来，从而由于热量对工作场地产生不小的负荷。

在采用燃烧器时的另一个问题是出铁槽壁温度调节的精确度。

在待加热出铁槽内过程开始以前其槽壁并非到处都是一样的温度，因为燃烧器火焰本身同样不是到处都具有相同的温度。这种特性来自于每个燃烧器火焰内具有相互不同的温度的地点不同的燃烧区的存在。由此在出铁槽壁上得到不同位置不同的温度。不同温度区的位置取决于燃烧空间内火焰的导向，具体来说火焰导向又主要是燃烧空间和燃烧器几何形状的结果。在出铁槽的情况下燃烧空间是出铁槽，其轮廓可能经受过变形，而且是通过由于受热量和金属熔液的作用造成外壳或出铁槽覆盖层的磨损以及通过金属炉渣和金属凝固壳的烘烤产生的变形。燃烧器喷嘴由于热作用同样经受磨损。

因此由于上面提到的区域不匀匀性出铁槽壁的温度不能可重现地可靠而准确地这样调整，使得总体而言对于每次浇铸过程得到准确的相同的平均壁温。这导致，在浇铸过程中流过出铁槽的金属熔液在不同的浇铸段以不同的方式向槽壁发送热量和/或从槽壁上吸收热量。

出铁槽内的金属熔液温度通过用燃烧器直接给金属熔液加热也不能足够快地调节，因为例如在燃烧器/金属熔液界面上的热交换不够大。

因此在实际上，金属熔液在流过出铁槽时大多放出热量。金属熔液冷却的程度通常在浇铸开始时大于以后，如果出铁槽壁通过从金属熔液中吸收热量均匀加热的话。这导致，在连铸结晶器中的硬化过程从金属熔液温度出发、在浇铸过程期间不断变化并且不是能毫无问题地加以调节的。

与此相关还有一些其他不利影响。

在冷却期间浇铸的金属熔液在金属锭模型中自然地得到一个体积收缩。因为在金属锭内部的冷却与表面附近区域相比不得不有不同的进展，由此在金属锭内产生机械内应力，这在不同程度上影响由金属锭提供的材料的可加工性。

这样在材料强度过高时可能在待加工材料内产生裂纹，这在许多情况下导致加工问题或导致成品的不良性能。材料的成形加工性能也不均匀，因为这与金属锭内的内应力有关。这使得加工过程在无误差加工方面必须这样地处置，使具有不利应力状况或可成形性较差的材料也要变得可以加工。但是这取决于加工的经济性制约。

属于现有技术的还有其他加热方法，它们应用于用于冶金出铁槽的不同应用场合。在应用这些加热方法的情况下可以至少避免一些用燃气燃烧器加热所表现出来的问题。

例如已知真空炉出铁槽的加热用一设置在它上方的辐射加热装置进行。它建立在加热的金属丝的基础之上，并且通常是在真空熔化和浇铸设备中。然而辐射加热只具有比较小的功率密度，因此加热作为连铸设备的一个组成部分的时间要比用燃气燃烧器加热长得多。因此在原则上它仅仅适用于有足够的时间用来加热的应用场合。此外可以断定，由于功率密度小它不可能调节在流量为每小时几吨的工业运行生产过程的条件下流动金属熔液的温度。

另一种辐射加热装置采用加热的碳化硅材料棒。这里也存在具有上述不利影响的小的辐射密度的基本缺点。此外因为碳化硅材料在空气中比较快地氧化和毁坏，这种加热棒的使用寿命比较短。其次，它对机械应力反应非常敏感，因此容易断掉。因此从加热作为连铸设备组成部分的出铁槽来看它是不适合的。

此外金属的感应加热是应用很广的技术。它经常用在感应熔化炉中。直接在连铸设备连铸结晶器之前的金属熔液感应加热也是公知的。

FR-PS1.465.577介绍了一种装置，在该装置中金属熔液在连续浇铸过程中从一储存容器通过一密封的管状耐火输入管流向连铸结晶器，并在此时感应加热。输入管是封闭的，仅在末端开口，由此可以防止金属熔液与外界空气反应。

但是这种类型的装置仅仅适用于那种金属熔液输入管和连铸结晶器紧密连接的特殊浇铸设备，因此它不适合于用在在铜或铜合金连续浇铸时常见的浇铸过程，在那里连铸结晶器单独设置，并且连铸结晶器的装灌状态可以用肉眼检查。此外缺点是，连铸结晶器由于紧密连接在金属熔液封闭的输入管上很难接近。也就是说结晶器壁在浇铸后必须经常清理掉不希望的附着的炉渣等等。

在FR-PS1319891中介绍了一种连铸设备，特别是用于钢的连铸设备的浇口盘(Tundish)，它设有圆周方向的感应线圈。这个线圈承担两个功能，而且始终是同时承担两个功能。一方面通过线圈使金属熔液进行完全确定的旋转运动，以便更好地精炼。为此钢熔液添加一定的合金元素，它引起化学反应和反应产品，它们对于液态钢的处理是特有的。这种剧烈的和特征性的熔液旋转运动以50至60Hz的频率进行。另一个功能是通过在熔液内产生的电流使熔液加热。

因此这个法国专利资料的设想不适用于加热贮存容器和连铸结晶器之间的还是空的出铁槽。因为出铁槽不含有金属熔液，也不可能耦合感应场。其次这个建议也不能有效地应用于那种在流过出铁槽时不应该剧烈翻滚的金属熔液。但是在许多情况下在浇铸由铜或铜合金组成的金属熔液时希望尽可能平稳地流动，因为这样和金属熔液一起流动的颗粒可以沉淀，并避免与外界空气发生不希望的反应。

此外对于在钢连铸时的出铁槽在某些情况下采用等离子加热，以便在过程开始前预热空的出铁槽或Tundish。由于等离子比较高的温度虽然得到合适的加热时间。这种加热也能用在浇铸期间，以便精确地调整金属熔液在流过出铁槽时的温度。但是这种方法的缺点是，由于等离子体温度非常高金属可能蒸发，但是金属蒸汽特别是在金属具有升高的蒸汽压力时是有问题的，因此对于铜和铜合金由于铜和某些容易挥发的合金元素，例如锌和铝的蒸发等离子加热是不合适的和因此是不利的。

最后属于现有技术的还有，金属熔液通过一感应行波场输送通过出铁槽(DE-PS2212924)。这种输送也可以克服重力进行。为了能够输送金属熔液，在输送槽下面安装一专门的直线感应器。输送槽本身具有一非导电的外壳。这种类型的在感应行波场影响下的输送槽适合于用于加热流过输送槽的金属熔液，其中加热始终是作为熔液输送时的副产品。因此在这种类型的输送槽中输送功率和金属熔液的加热各自存在一定的决定于应用场合的比例关系，例如取决于输送高度。

从现有技术出发本发明的目的是，创造对一连接在用于由铜或铜合金组成的金属熔液的储存容器和至少一个连铸结晶器之间的出铁槽按要求调温的方法以及用来实施这个方法的出铁槽，从而使浇铸过程用尽可能恒定的过程参数在一合适的过程窗口中运行并可以避免金属熔液温度的波动，使得可以完全排除在加工由浇铸的带有与此相关的成品的不良性能的金属锭组成的材料时出现的加工问题。

就目的方法部分的解决方案方面来说，它按照本发明在于权利要求1的特征。

现在起本发明第一次允许，作为用于由铜或铜合金组成的金属熔液的连铸设备的组成部分的出铁槽在空的状态下用感应方法加热。

在按本发明的方法中出铁槽是将金属熔液引向一连铸结晶器还是在一多重连铸设备中引向多个连铸结晶器是无关紧要的。在出铁槽中金属熔液的输送也没有必要，因为金属熔液表面的水平由于地球引力沿流动方向逐渐降低。

在按本发明的方法中出铁槽的槽壁和槽底内侧至少局部设有具有在10^-1Ω·m至10^-6Ω·m之间的特定电阻的外壳层，此外其特性这样地设计，使它相对于金属熔液足够耐热。

其次外壳层与围绕出铁槽设置的电加热装置相组合。

这里选择这样的外壳层，其导电性足够好，从而可以流过充分的感应产生的加热电流。其次与加热装置感应耦合的外壳层进行一定的几何设计，以便能感应足够的加热功率。外壳层还这样地选择，使它覆盖出铁槽内容纳金属熔液的空间的足够大的表面，以便确保充分地加热。

这种方法具有一系列优点。感应加热使由于噪音、灰尘和热量造成的工作场面的负荷明显小于在用燃气加热器加热时。同时它使槽壁具有均匀的温度。因此在加热时可以可重复地很好调整空出铁槽的温度。这种方法的效果是，金属熔液和槽壁之间的热交换在接着用金属熔液装灌出铁槽时和开始浇铸时可以更好地控制。那么相应地也可以可重复地可靠达到最佳过程参数的过程窗口。

其次除空出铁槽按要求的均匀加热外按本发明的方法使得可以在出铁槽装灌金属熔液后补偿金属熔液的温度波动。权利要求2的特征特别适用于此目的，按该权利要求外壳层的感应调温得到控制或调节。

为此例如金属熔液的温度可以通过温度传感器，例如***金属熔液内的热敏元件加以连续测量。然后通过调节回路在每一时刻这样地调节感应加热装置的加热功率，使金属熔液在流过出铁槽后的温度几乎保持不变。这造成一差不多均匀的具有特别小波动的过程流程，这使得可以可重复地调整金属锭的各处均匀的硬化组织，从而可使从金属锭上切下的材料的以后的成形和加工过程以最佳的方式与其组织相匹配。

在连续浇铸由铜或铜合金组成的金属熔液时通常不同于在现有技术中所提到的例子，不希望在出铁槽内出现金属熔液的剧烈涡流。金属熔液与外界空气的接触对金属熔液的性能具有不利的影响。由于涡流也使夹带的和不希望的颗粒的上浮更加困难。因此为此加热装置这样设计，根据权利要求3的特征由于各自所用的频率外壳层内感应功率的主要部分转化为热量。然后通过热量从槽壁向金属熔液传导使金属熔液加热。

其次本发明认识到，在浇铸过程开始时出铁槽具有均匀的高的浇铸温度对于良好的结果是一个重要的前提，这个温度可以可重复地调整并尽可能靠近当时的金属熔液的熔点。因此按照权利要求4的特征出铁槽外壳层的温度在浇铸开始前应感应加热到金属熔液液化温度(以℃为单位)的大致50％以上，最好是80％以上。用可感应加热的出铁槽这个程序可以可靠地和在可以接受的加热时间内得到保证。

此外内部的试验得到，在采用按本发明的方法时在延迟较长的时间后出现与跟随在加热阶段和过程开动以后接着的本身的浇铸过程有关的其他优点。

在连铸方法中获取的材料的质量主要取决于铸造缺陷，如气孔、内部组织裂纹、夹杂物和其他组织缺陷的数量。试验令人意外地表明，铸造组织的质量不仅在铸锭的在开始浇铸后的开头40cm之内，而且在更后面，例如在另外一米多铸件长度以后，也好于在用燃气燃烧器加热出铁槽时。其原因从本发明方面来看在于，通过出铁槽的感应加热较早地达到具有更高稳定性的过程状态。

试验还表明，在起始阶段的速度可以提高将近20％。

迄今浇铸过程以较小的牵引速度开始，因为特别是在根部区域内可能出现铸造组织的不完善，如气孔或裂纹。在许多情况下浇铸速度受以下原因的限制，即在冷却时铸锭内出现机械内应力，内应力随浇铸速度的增加而加大，最后在一一定的临界速度之上时导致裂纹，如果内应力超过材料强度的话。

在过程开始时硬化曲线离稳定状态还比较远，这种稳定状态-取决于待浇铸的尺寸-常常只有在0.5至2m以后才能达到。因此牵引速度逐渐地或分级地提高，其中应注意，不能达到临界浇铸速度。

现在由于出铁槽的感应加热按本发明存在这样的可能性，在起动阶段把这个临界速度提高到更高的数值。这里按照本发明的看法，金属熔液在感应加热时与用燃气加热相比较少污染和在加热及开始浇铸时总体上比较均匀的温度传导起主要的作用，因为用这种方法比较可靠地达到一可重复的确定的过程状态。还可以通过在浇铸过程中对出铁槽壁有控制的感应加热精确地调整最佳的过程窗口，如果为此利用一对金属熔液的温度进行测量并通过感应加热装置加以调节的调节回路的话。

关于本发明的目的的另一部分可在权利要求5的特征中看出其解决办法。

如果槽壁表面积与槽的体积之比比较大，那么波动的或不规律的平均壁温的影响便特别有害。例如在一窄长的出铁槽时不同的壁温的影响特别大，而在紧凑的、短、宽而深的出铁槽时比较小。因此本发明设想，出铁槽的长度和其宽度之比≥3。这些尺寸与出铁槽区域的和金属熔液相接触的最大尺寸相匹配。

电加热装置以感应线圈的形式在水平面内绕出铁槽延伸，其中线圈轴垂直于出铁槽的纵轴设置。但是这里重要的是，出铁槽从上方可以很好地接近，因为金属熔液必须用防护性熔剂覆盖，并且出铁槽大多在浇铸完残剩金属以后必须清理。

与加热装置感应耦合的外壳层只要满足一定的几何要求就可以了，从而可以感应足够的加热功率。因此本发明设想，外壳层的厚度在9至150mm范围内变动。

按照权利要求6的特征，如果外壳层具有20至80mm之间的厚度特别有利。

按本发明根据权利要求7的特征，如果耐热的内部外壳层由一种例如石墨、陶土石墨、碳或碳化硅这样的材料或者由具有两种或几种这些单个成分的混合物组成的话，证明是合适的。

下面借助于在附图中表示的实施例对本发明作较详细的说明。附图表示：

图1  一连铸设备的示意垂直纵剖视；

图2  图1的连铸设备的出铁槽的示意顶视图；

图3  图2中的出铁槽沿III-m线从箭头IIIa方向看的垂直纵剖视；

图4  图2的视图沿IV-IV线向箭头IVa方向看的垂直横剖视；

图5至9  按图1至3的带有不同流动方向的感生电流的出铁槽的示意横剖视。

图1中示意表示的用于由铜或铜合金组成的金属熔液2的连铸设备1首先包括一可倾倒的带有浇注唇4的炉子3。其次连铸设备1包括一作为炉子3和连铸结晶器6之间的连接环节的出铁槽5。如由图2和3可以更清楚地看到的，出铁口5具有一内部长度L，它和其内部宽度B的比值≥3。

在出铁槽5内有从炉子3中浇出的金属熔液2，它被保护性熔剂7与外界8隔绝。

在出铁槽5的背向炉子3的一端设有一流出口9，它可以通过一塞子10关闭。通过流出口9和连接在它上面的输入管11将金属熔液2引入连铸结晶器6，在那里它硬化成金属锭12。

其次如图1至4可见，出铁槽5的槽壁13和槽底14设有一对于金属熔液耐热的内外壳层15，它可以由石墨、陶土石墨、碳或碳化硅或者由两种或多种这些单个成分的混合物组成。外壳层15的厚度D在20mm和80mm之间变动。外壳层15的材料具有在10^-1Ω·m到10^-6Ω·m的特殊的电阻。

外壳层15覆盖出铁槽5的与金属熔液2接触的内表面的至少三分之一的槽壁13和槽底14的表面部分。尤其是外壳层15覆盖出铁槽5内表面的一米以上。

外壳层15用一围绕出铁槽5的按图2至4设置的电加热装置16加热。加热装置16有电流流过的导线连续地沿出铁槽5的侧壁17以及端壁18延伸。

加热装置16以最好在1000Hz到8000Hz之间的频率运行。空出铁槽5以及金属熔液2的加热按要求控制或调节，以便用这种方法保证空出铁槽5的均匀加热和在装灌3的出铁槽时保证金属熔液2在出铁槽5内尽可能小的运动。

对于空出铁槽5的感应加热和对于金属熔液2的加热电流从哪个方向流过能导电的外壳层15是次要的。

例如按图5在左侧外壳层15中的感应电流19流向离开观察者的方向。在右侧在外壳层中的感应电流19流向观察者。

按图6的实施形式电流的方向相反。

在图7的实施形式中感应电流19逆时针流过外壳层15的壁和底，而在图8的实施形式中顺时针流过。

在图9的实施形式中感应电流19只在外壳层15的壁中流过，而且如图所示是顺时针。它也可以逆时针或在两个壁中反方向流动。

图形标记表

1   连铸设备

2   金属熔液

3   炉子

4   浇注唇

5   出铁槽

6   连铸结晶器

7   保护性熔剂

8   外界

9   流出口

10  塞子

11  输入管

12  金属锭

13  槽壁

14  槽底

15  外壳层

16  加热装置

17  5的侧壁

18  5的端壁

19  电流

B   5的内部宽度

D   15的厚度

L   5的内部长度

Claims (7)

1.用于连接在用于由铜或铜合金组成的金属熔液(2)的储存容器(3)和至少一个连铸结晶器(6)之间的出铁槽(5)的按要求调温的方法，其中出铁槽(5)的槽壁(13)和槽底(14)内侧至少局部设有具有在10^-1Ω·m到10^-6Ω·m之间的特殊电阻的、对于金属熔液(2)耐热的外壳层(15)，并且外壳层(15)用一电加热装置(16)感应加热，加热装置设置在外壳层(15)之外  。

2.按权利要求1的方法，其中对外壳层(15)的感应调温加以控制或调节。

3.按权利要求1或2的方法，其中加热装置(16)以100Hz到15000Hz，尤其是1000Hz到8000Hz之间的频率运行。

4.按权利要求1至3之任一项的方法，其中外壳层(15)在开始浇铸前感应加热到金属熔液(2)液化温度(℃)的50％以上，尤其是80％以上的温度。

5.用来实施按权利要求1至4之任一项的方法的出铁槽，它在其长(L)宽(B)比≥3的情况下具有一对于金属熔液(2)耐热的带有在10^-1Ω·m到10^-6Ω·m之间的特定电阻以及在9mm到150mm范围内的厚度(D)的内部外壳层(15)，其内表面至少等于出铁槽(5)被金属熔液(2)覆盖的内表面的三分之一，其中在***上设有至少沿槽壁(13)纵向有电流(19)流过并与外壳层(15)相结合的加热装置(16)的导线。

6.按权利要求5的出铁槽，它具有厚度(D)在20mm到80mm之间的外壳层(15)。

7.按权利要求5或6的出铁槽，其中外壳层(15)由石墨、陶土石墨、碳或碳化硅或者由具有两种或多种这些单个成分的混合物组成。

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