RU2745520C1

RU2745520C1 - Method for continuous casting of an ingot and a melting and casting installation for its implementation

Info

Publication number: RU2745520C1
Application number: RU2020111983A
Authority: RU
Inventors: Виктор Николаевич Тимофеев; Михаил Викторович Первухин; Николай Вячеславович Сергеев; Николай Викторович Тимофеев; Максим Юрьевич Хацаюк; Петр Алексеевич Хоменков
Original assignee: Общество с ограниченной ответственностью "Научно-производственный центр магнитной гидродинамики"
Priority date: 2020-03-23
Filing date: 2020-03-23
Publication date: 2021-03-25

Abstract

FIELD: metallurgy.SUBSTANCE: invention relates to continuous casting of aluminum alloys. The continuous casting installation contains a rotary mixer (1), a transport chute (2) with electric heaters (8) and a casting machine with a distributing funnel, a cooler and an electromagnetic crystallizer (3) with an inductor. A predetermined level of liquid metal is maintained in the chute (2), it is refined and heated to a predetermined casting temperature by a device (10) with an induction or conduction current lead. The metal is fed into the crystallizer (3) through a distributing funnel (12) with a removable nozzle (11) with an outlet that defines the cross section of the ingot. The ingot is pulled out by simultaneously changing the frequency of the current and the power consumption of the inductor at a speed (vc, m/s) determined from the ratio:vc=√(2g(h+H+zcr))±∆vcwhere g is the acceleration of gravity, m/s2, h is the level of the melt in the chute (2), m, N is the length of the removable nozzle (11), m, zcris the distance from the outlet of the removable nozzle (11) to the start of crystallization of the ingot, m, ∆vcis the correction determined by experimentally.EFFECT: increased energy efficiency and productivity of continuous casting of billets of a certain quality and various sections.6 cl, 5 dwg

Description

Изобретение относится к области металлургии, в частности к получению литых заготовок из алюминиевых сплавов путем непрерывного литья в электромагнитный кристаллизатор.The invention relates to the field of metallurgy, in particular to the production of cast billets from aluminum alloys by continuous casting into an electromagnetic mold.

Как правило, литая заготовка подвергается в последующем пластической деформации. Однако, во многом эксплуатационные качества конечного изделия определяются свойствами самой литой заготовки. Эти свойства зависят как от химического состава сплава (количество и состав легирующих компонентов), так и от условий литья и кристаллизации (температура поступающего в кристаллизатор расплава, интенсивность охлаждения, скорость вытягивания слитка, внешние воздействия на кристаллизующийся расплав и т.д.).As a rule, the cast billet undergoes subsequent plastic deformation. However, to a large extent, the performance of the final product is determined by the properties of the cast billet itself. These properties depend both on the chemical composition of the alloy (the amount and composition of alloying components) and on the casting and crystallization conditions (temperature of the melt entering the crystallizer, cooling intensity, ingot pulling rate, external influences on the crystallizing melt, etc.).

Плавку и приготовление алюминиевых сплавов можно осуществлять в индукционных печах. Особенность этих печей в наличии циркуляции расплава в ванне печи, которая оказывает положительное воздействие на процесс приготовления. Приготовление и выдержку алюминиевых сплавов осуществляют также в отражательных миксерах сопротивления. Для эффективного перемешивания расплава с легирующими компонентами миксер может быть оснащен магнитогидродинамическим перемешивателем.Smelting and preparation of aluminum alloys can be carried out in induction furnaces. The peculiarity of these furnaces is the presence of circulation of the melt in the bath of the furnace, which has a positive effect on the cooking process. Preparation and holding of aluminum alloys is also carried out in reflective resistance mixers. For efficient mixing of the melt with alloying components, the mixer can be equipped with a magnetohydrodynamic stirrer.

Из летки миксера расплав поступает в транспортный желоб для подачи его в литейную машину. Для регулирования подачи расплава в транспортный желоб и поддержания в нем заданного уровня расплава, миксер может быть выполнен поворотным. Перед поступлением в литейную машину расплав проходит через внепечные установки рафинирования с целью очистки его от неметаллических примесей.From the tap hole of the mixer, the melt enters the transport chute for feeding it into the casting machine. To regulate the supply of the melt to the transport chute and maintain a predetermined level of the melt in it, the mixer can be rotary. Before entering the casting machine, the melt passes through out-of-furnace refining units in order to clean it from non-metallic impurities.

Для получения заданных свойств некоторых алюминиевых сплавов необходимо довести температуру расплава до 900°С, в этом случае перед кристаллизацией расплав необходимо дополнительно подогревать.To obtain the desired properties of some aluminum alloys, it is necessary to bring the temperature of the melt to 900 ° C; in this case, the melt must be additionally heated before crystallization.

Большое влияние на качество литой заготовки оказывают условия кристаллизации слитков в литейной машине. В первую очередь к таким условиям относятся интенсивность охлаждения и физическое воздействие на жидкий и кристаллизующийся металл с целью интенсификации процессов теплообмена и массопереноса в затвердевающих слитках.The quality of the cast billet is greatly influenced by the crystallization conditions of the ingots in the casting machine. First of all, such conditions include the intensity of cooling and the physical effect on the liquid and crystallizing metal in order to intensify the processes of heat transfer and mass transfer in solidifying ingots.

Известно, что условия с высокими скоростями охлаждения и одновременным воздействием электромагнитного поля на кристаллизующийся слиток возникают при непрерывном литье в электромагнитный кристаллизатор (ЭМК) [1].It is known that conditions with high cooling rates and the simultaneous effect of an electromagnetic field on a crystallizing ingot occur during continuous casting into an electromagnetic crystallizer (EMC) [1].

При литье слитков малого поперечного сечения в ЭМК размеры слитка соизмеримы со струей жидкого металла, подаваемого из раздаточного устройства. В этом случае часть жидкого металла над индуктором ЭМК может удерживаться от растекания элементом самой литейной оснастки. Так в [2] рассмотрена конструкция ЭМК для литья слитков малого поперечного сечения. Под действием силы тяжести струя жидкого металла вытекает из литейной оснастки и проходит через индуктор с переменным электрическим током. Магнитное поле индуктора наводит в струе жидкого металла вихревые токи, которые при взаимодействии с магнитным полем приводят к возникновению объемных электромагнитных сил, удерживающих жидкий металл от растекания. Формируемый магнитным полем столб жидкого металла в начальный момент литья упирается на токопроводящее основание, переходящее в процессе литья в кристаллизующийся слиток. Для охлаждения слитка используется кольцевой охладитель, вода из охладителя поступает на боковую поверхность слитка, жидкометаллическая масса непрерывно затвердевает и отводится вниз. Физико-механические свойства слитка, формируемого в электромагнитном поле, зависят от многих факторов, таких как конструкция кристаллизатора, геометрические размеры отливаемых слитков, состав и свойства сплавов, частота и величина тока индуктора ЭМК, скорость вытягивания слитка и других параметров.When casting ingots of small cross-section in EMC, the dimensions of the ingot are commensurate with the stream of liquid metal supplied from the dispenser. In this case, a part of the liquid metal above the EMC inductor can be kept from spreading by the element of the foundry equipment itself. So in [2] the design of an EMC for casting ingots of small cross-section is considered. Under the action of gravity, a stream of liquid metal flows out of the casting tooling and passes through an inductor with an alternating electric current. The magnetic field of the inductor induces eddy currents in the stream of liquid metal, which, when interacting with the magnetic field, lead to the emergence of volumetric electromagnetic forces that keep the liquid metal from spreading. The column of liquid metal formed by the magnetic field at the initial moment of casting rests on a conductive base, which passes into a crystallizing ingot during the casting process. To cool the ingot, an annular cooler is used, water from the cooler enters the side surface of the ingot, the liquid metal mass is continuously solidified and discharged downward. The physical and mechanical properties of an ingot formed in an electromagnetic field depend on many factors, such as the design of the mold, the geometrical dimensions of the ingots being cast, the composition and properties of the alloys, the frequency and magnitude of the current of the EMC inductor, the rate of pulling the ingot, and other parameters.

В [3] предложено устройство для непрерывного литья слитков в электромагнитном поле, содержащее индуктор и раздаточную воронку, находящуюся в зоне действия магнитного поля индуктора, рекомендовано соотношение между диаметрами слитка, индуктора и диаметра нижнего среза раздаточной воронки.In [3], a device for continuous casting of ingots in an electromagnetic field is proposed, containing an inductor and a dispensing funnel located in the zone of the magnetic field of the inductor, the ratio between the diameters of the ingot, the inductor and the diameter of the lower cut of the dispensing funnel is recommended.

Недостатком данного устройства является низкая его производительность.The disadvantage of this device is its low performance.

С целью повышения энергетической эффективности и производительности установок для литья слитков в электромагнитном поле в [4] предложено уменьшить размер индуктора и установить его на расстоянии до нижнего среза раздаточной воронки не более диаметра слитка, а диаметр выходного отверстия раздаточной воронки определять соотношением D_c>D_в<D_и, где D_в - диаметр выходного отверстия раздаточной воронки, D_и - внутренний диаметр индуктора, D_c - диаметр слитка.In order to increase the energy efficiency and productivity of installations for casting ingots in an electromagnetic field, it was proposed in [4] to reduce the size of the inductor and install it at a distance to the lower cut of the distributing funnel no more than the diameter of the ingot, and the diameter of the outlet of the distributing funnel should be determined by the ratio D _c > D _in <D _and , where D _in is the diameter of the outlet of the distributing funnel, D _and is the inner diameter of the inductor, D _c is the diameter of the ingot.

Недостатком предлагаемого устройства является то, что повышение производительности в нем достигается путем увеличения диаметра слитка. Это приводит к неравномерности структуры слитка по сечению и снижению его качества.The disadvantage of the proposed device is that the increase in productivity is achieved by increasing the diameter of the ingot. This leads to unevenness of the structure of the ingot over the section and a decrease in its quality.

В [5], с целью равномерного измельчения по сечению слитка структуры, рекомендовано выбирать частоту электромагнитного поля индуктора ЭМК исходя из зависимости, учитывающей радиус слитка и электропроводность его материала.In [5], for the purpose of uniform grinding over the cross section of the ingot structure, it is recommended to choose the frequency of the electromagnetic field of the EMC inductor based on the dependence taking into account the radius of the ingot and the electrical conductivity of its material.

Данное устройство также имеет низкие производительность и энергоэффективность.This device also has low performance and energy efficiency.

Наиболее близким к предлагаемому способу по сущности является способ непрерывного литья слитка, включающий подачу жидкого металла через литейную оснастку (раздаточную воронку), кристаллизацию с формированием жидкой фазы слитка под воздействием электромагнитного поля и вытягивание слитка [6]. При этом предлагается формировать жидкую фазу слитка при одновременном изменении величины и частоты напряженности пульсирующего магнитного поля равномерной интенсивности по периметру расположенного в переходной области "жидкая - твердая фаза" столба слитка, а скорость вытягивания слитка определять из условия, учитывающего величину, частоту и высоту пульсирующего магнитного поля, диаметра слитка и интенсивности его охлаждения. Изменение этих параметров позволяет формировать переходную зону между жидкой и твердой фазами слитка среднего, верхнего или нижнего уровня кристаллизации слитка. Так при одной и той же интенсивности охлаждения слитка низкая скорость вытягивания слитка позволяет получить верхний уровень кристаллизации, а высокая скорость вытягивания слитка приводит к нижнему уровню кристаллизации. По мнению авторов, в данном устройстве литья слитков, наиболее прогрессивным литьем является литье со скоростью, при которой происходит формирование среднего уровня кристаллизации, когда обеспечивается достаточное охлаждение слитка и происходит формирование устойчивой корочки, исключающей аварийное протекание жидкого металла.Closest to the proposed method in essence is a method of continuous casting of an ingot, including the supply of liquid metal through the casting equipment (distributing funnel), crystallization with the formation of the liquid phase of the ingot under the influence of an electromagnetic field and pulling the ingot [6]. In this case, it is proposed to form the liquid phase of the ingot while simultaneously changing the magnitude and frequency of the intensity of the pulsating magnetic field of uniform intensity along the perimeter of the ingot column located in the transition region "liquid - solid phase" field, diameter of the ingot and the intensity of its cooling. Changing these parameters makes it possible to form a transition zone between the liquid and solid phases of the ingot of the middle, upper or lower level of crystallization of the ingot. Thus, at the same rate of ingot cooling, a low rate of ingot pulling allows obtaining the upper level of crystallization, and a high rate of pulling the ingot leads to a lower level of crystallization. According to the authors, in this ingot casting device, the most progressive casting is casting at a rate at which an average level of crystallization is formed, when sufficient cooling of the ingot is ensured and a stable crust is formed, which excludes an emergency flow of liquid metal.

Наиболее близким к заявляемому устройству для непрерывного литья слитка является представленная в [2 с. 8-10, 48-50] плавильно-литейная установка, содержащая миксер с магнитогидродинамическим (МГД) перемешивателем, транспортный желоб с электронагревателями, устройство рафинирования жидкого металла и литейную машину с литейной оснасткой (далее раздаточной воронкой), охладителем и индуктором электромагнитного кристаллизатора. В миксере с использованием МГД перемешивателя осуществляется приготовление расплава, который после из миксера поступает в транспортный желоб и далее через устройство рафинирования - в литейную машину, где происходит кристаллизация слитка.Closest to the claimed device for continuous casting of an ingot is presented in [2 p. 8-10, 48-50] a melting and casting installation containing a mixer with a magnetohydrodynamic (MHD) stirrer, a transport chute with electric heaters, a liquid metal refining device and a casting machine with a casting equipment (hereinafter a distributing funnel), a cooler and an inductor of an electromagnetic crystallizer. In the mixer, using the MHD mixer, the melt is prepared, which then enters the transport chute from the mixer and then through the refining device to the casting machine, where the ingot crystallizes.

Поскольку скорость вытягивания слитка оказывает наибольшее влияние на производительность процесса, определяемого как количество массы металла, отлитого в единицу времени, то работа устройства на среднем уровне кристаллизации не позволяет обеспечить требования производства по производительности. Также к недостаткам следует отнести низкую энергоэффективность, что обусловлено отсутствием связи между потребляемой ЭМК мощностью и скоростью вытягивания.Since the rate of pulling the ingot has the greatest effect on the productivity of the process, which is defined as the amount of mass of metal cast per unit of time, the operation of the device at the average level of crystallization does not allow meeting production requirements in terms of productivity. Also, the disadvantages include low energy efficiency, which is due to the lack of connection between the power consumed by the EMC and the pulling speed.

В основу предлагаемого изобретения положена задача повышения энергоэффективности и производительности при непрерывном литье заготовок определенного качества и сечения (круглого, прямоугольного, крестообразного и т.д.).The proposed invention is based on the task of increasing energy efficiency and productivity during continuous casting of billets of a certain quality and section (round, rectangular, cruciform, etc.).

Поставленная задача решается тем, что в способе непрерывного литья слитка, включающем подачу жидкого металла из транспортного желоба в электромагнитный кристаллизатор через раздаточную воронку, кристаллизацию с формированием жидкой фазы слитка под воздействием электромагнитного поля индуктора электромагнитного кристаллизатора и вытягивание слитка, согласно изобретению, перед подачей в кристаллизатор в транспортном желобе осуществляют поддержание заданного уровня жидкого металла, его рафинирование и подогрев до температуры литья определенного сплава, а вытягивают слиток посредством одновременного изменения частоты тока и потребляемой мощности индуктора со скоростьюThe problem is solved by the fact that in the method of continuous casting of an ingot, including the supply of liquid metal from a transport chute into an electromagnetic crystallizer through a distributing funnel, crystallization with the formation of a liquid phase of an ingot under the influence of the electromagnetic field of an inductor of an electromagnetic crystallizer and pulling an ingot, according to the invention, before feeding into the crystallizer in the transport chute, a predetermined level of liquid metal is maintained, it is refined and heated to the casting temperature of a certain alloy, and the ingot is pulled out by simultaneously changing the current frequency and power consumption of the inductor at a rate

где

Where

g - ускорение свободного падения, м/с²;g - acceleration of gravity, m / s ² ;

h - уровень расплава в транспортном желобе, м;h is the level of the melt in the transport chute, m;

Н - длина съемного насадка в раздаточной воронке, м;Н - the length of the removable nozzle in the dispensing funnel, m;

z_кр - расстояние от выходного отверстия насадка до начала кристаллизации слитка, м;z _cr - distance from the outlet of the nozzle to the beginning of crystallization of the ingot, m;

Δν_с - поправка к скорости вытягивания слитка, определяемая экспериментально.Δν _s - correction to the rate of ingot pulling, determined experimentally.

Поставленная задача решается тем, что в плавильно-литейной установке для непрерывного литья слитка, содержащей по меньшей мере один поворотный миксер, транспортный желоб с электронагревателями, устройство рафинирования жидкого металла и литейную машину с раздаточной воронкой, охладителем и индуктором электромагнитного кристаллизатора, согласно изобретению, транспортный желоб содержит устройство подведения электрического тока для дополнительного подогрева и рафинирования жидкого металла, охладитель установлен вокруг слитка с возможностью его перемещения по вертикальной оси, в кристаллизаторе установлен датчик скорости вытягивания слитка, а раздаточная воронка имеет съемный насадок с выходным отверстием, соответствующим сечению получаемого слитка.The problem is solved by the fact that in a melting and casting installation for continuous casting of an ingot, containing at least one rotary mixer, a transport chute with electric heaters, a liquid metal refining device and a casting machine with a distributing funnel, a cooler and an inductor of an electromagnetic crystallizer, according to the invention, a transport the chute contains a device for supplying an electric current for additional heating and refining of liquid metal, a cooler is installed around the ingot with the possibility of its movement along the vertical axis, the ingot pulling speed sensor is installed in the mold, and the distributing funnel has a removable nozzle with an outlet corresponding to the section of the obtained ingot.

При этом в транспортном желобе плавильно-литейной установки для дополнительного подогрева и рафинирования жидкого металла может использоваться устройство подведения электрического тока к расплаву с индукционным или кондукционным токоподводом.In this case, a device for supplying electric current to the melt with an induction or conduction current lead can be used in the transport chute of the melting and casting installation for additional heating and refining of liquid metal.

Также индуктор электромагнитного кристаллизатора в плавильно-литейной установке может иметь обмотку из W витков, последовательно соединенных и подключенных к источнику однофазного напряжения с возможностью регулирования амплитуды и частоты напряжения.Also, the inductor of an electromagnetic crystallizer in a melting and casting installation can have a winding of W turns, connected in series and connected to a single-phase voltage source with the ability to adjust the amplitude and frequency of the voltage.

Также индуктор электромагнитного кристаллизатора в плавильно-литейной установке может иметь обмотку из W витков, которые подключены к источнику многофазного напряжения таким образом, что напряжение каждого витка сдвинуто по фазе от напряжений соседних витков на угол Ψ=360/W электрических градусов, и источник имеет возможность регулирования частоты и электрической мощности нагрузки.Also, the inductor of an electromagnetic crystallizer in a melting and casting installation can have a winding of W turns, which are connected to a multiphase voltage source in such a way that the voltage of each turn is phase-shifted from the voltages of adjacent turns by an angle Ψ = 360 / W electrical degrees, and the source has the ability regulation of frequency and electrical power of the load.

Изобретение поясняется чертежами, где на фиг. 1 схематично представлена плавильно-литейная установка, реализующая заявляемый способ; на фиг. 2 - электромагнитный кристаллизатор; на фиг. 3 показаны индукторы электромагнитного кристаллизатора с различными обмотками: а) - трехфазная обмотка с фазной зоной 120°, в) - двухфазная обмотка с фазной зоной 90°, с) - трехфазная обмотка с фазной зоной 60°; на фиг. 4 а), в), с) представлены векторные диаграммы токов соответствующих обмоток; на фиг. 5 изображены зависимости составляющих электромагнитной силы от частоты тока индуктора.The invention is illustrated by drawings, where Fig. 1 schematically shows a melting and casting installation that implements the inventive method; in fig. 2 - electromagnetic crystallizer; in fig. 3 shows inductors of an electromagnetic crystallizer with different windings: a) - a three-phase winding with a phase zone of 120 °, c) - a two-phase winding with a phase zone of 90 °, c) - a three-phase winding with a phase zone of 60 °; in fig. 4 a), c), c) vector diagrams of currents of the corresponding windings are presented; in fig. 5 shows the dependences of the components of the electromagnetic force on the frequency of the inductor current.

Плавильно-литейная установка содержит, по крайней мере, одно дозирующее устройство, например, поворотный миксер 1, транспортный желоб 2 и электромагнитный кристаллизатор 3. Температурный режим жидкого металла (расплава) 4 в ванне миксера обеспечивается энергией электронагревателей 5, а управление происходит от сигнала термопары 6. Управление же заданным уровнем расплава в транспортном желобе 2 происходит по сигналу датчика уровня 7 (например, лазерного). Для предварительного нагрева футеровок транспортного желоба и ЭМК до начала заполнения их жидким металлом на транспортном желобе 2 установлены электронагреватели 8. Управление режимом работы нагревателей 8 осуществляется сигналом от термопары 9, установленной непосредственно перед электромагнитным кристаллизатором 3. В транспортном желобе 2 для подведения электрического тока к жидкому металлу с целью дополнительного его подогрева и рафинирования используется устройство 10 с индукционным или кондукционным токоподводом. Для формирования определенной формы сечения литой заготовки используется съемный насадок 11, установленный в раздаточной воронке 12, длиной H и с выходным отверстием, соответствующим сечению получаемого слитка. С целью формирования электромагнитных сил в жидком металле после насадка 11 установлен, по крайней мере, один индуктор 13, подключенный к источнику питания 14. Индуктор охватывает литую заготовку и его сечение соответствует сечению слитка, например, для заготовки круглого сечения используется цилиндрический индуктор. Как правило, индуктор изготавливают из медной трубки и охлаждают его водой.The smelting and casting installation contains at least one dosing device, for example, a rotary mixer 1, a transport chute 2 and an electromagnetic crystallizer 3. The temperature regime of liquid metal (melt) 4 in the mixer bath is provided by the energy of electric heaters 5, and the control comes from a thermocouple signal 6. Control of the predetermined level of the melt in the transport chute 2 occurs by the signal of the level sensor 7 (for example, laser). To preheat the linings of the transport chute and EMC before filling them with liquid metal, electric heaters 8 are installed on the transport chute 2. The operating mode of the heaters 8 is controlled by a signal from a thermocouple 9 installed directly in front of the electromagnetic crystallizer 3. In the transport chute 2 for supplying electric current to the liquid metal, for the purpose of its additional heating and refining, a device 10 with an induction or conduction current lead is used. To form a certain shape of the section of the cast billet, a removable nozzle 11 is used, installed in the dispensing funnel 12, length H and with an outlet corresponding to the section of the obtained ingot. In order to generate electromagnetic forces in the liquid metal, at least one inductor 13 is installed after the nozzle 11, connected to a power source 14. The inductor covers the cast billet and its section corresponds to the section of the ingot, for example, a cylindrical inductor is used for a round billet. Typically, the inductor is made from a copper tube and cooled with water.

Для охлаждения жидкого металла и его кристаллизации используется охладитель 15 с отверстиями, обращенными к слитку, расположенный вокруг слитка и имеет возможность перемещения по вертикальной оси. Для измерения скорости вытягивания слитка в непосредственной близости к нему в кристаллизаторе установлен датчик 16 скорости. Для осуществления начала литья и предотвращения неконтролируемого слива металла при аварийном отключении индуктора в ЭМК используется запирающее устройство 17. Отвердевший слиток вытягивается из кристаллизатора посредством роликов 18, приводимых во вращение электроприводом с частотным регулированием.To cool the liquid metal and crystallize it, a cooler 15 with holes facing the ingot is used, located around the ingot and has the ability to move along the vertical axis. To measure the speed of pulling the ingot in close proximity to it, a speed sensor 16 is installed in the mold. To carry out the start of casting and prevent uncontrolled drainage of metal in case of emergency shutdown of the inductor in the EMC, a locking device 17 is used. The solidified ingot is pulled out of the mold by means of rollers 18 driven in rotation by an electric drive with frequency control.

Осуществление изобретения.Implementation of the invention.

Перед началом литья запирающее устройство 17 в ЭМК находится в нижнем положении и запирает отверстие в насадке 11. Внутренние области транспортного желоба 2 и раздаточной воронки 12 электромагнитного желоба 3 надеваются электронагревателями 8 до температуры, близкой к температуре T₁ расплава поворотного миксера 1. Путем поворота миксера 1 транспортный желоб 2 и раздаточная воронка 12 ЭМК заполняются расплавом до уровня h. Если температура T₁ расплава ниже необходимой температуры Т₂ литья определенного расплава, то происходит его дополнительный подогрев за счет электрического тока в жидком металле при включении устройства 10 токоподвода (например, как в [8]).Before the start of casting, the locking device 17 in the EMC is in the lower position and locks the hole in the nozzle 11. The inner regions of the transport chute 2 and the dispensing funnel 12 of the electromagnetic chute 3 are put on by electric heaters 8 to a temperature close to the temperature T _{1 of the} melt of the rotary mixer 1. By rotating the mixer 1 transport chute 2 and a dispensing funnel 12 EMC are filled with melt to level h. If the temperature T _{1 of the} melt is lower than the required temperature T _{2 of} casting a certain melt, then it is additionally heated due to the electric current in the liquid metal when the current supply device 10 is turned on (for example, as in [8]).

Путем ввода с нижней части кристаллизатора твердой литой заготовки (затравки) запирается нижнее отверстие насадка 11. От источника питания 14 на индуктор 13 подается переменное напряжение. Если индуктор многофазный (m=2,3), то к его обмотке подается соответствующее многофазное напряжение. Под воздействием напряжения в индукторе 13 возникает переменный электрический ток, создающий переменное магнитное поле. В охладитель 15 под давлением подается вода, и включается электропривод, приводящий в движение ролики 18 вытягивания слитка. Под действием охлаждающей воды, которая поступает на боковую поверхность слитка, жидкометаллическая масса непрерывно затвердевает и отводится вниз со скоростью ν_c. При начале кристаллизации на расстоянии z=z_кр от конца насадка (z=0), образуется двухфазная область 19, разделяющая движущийся металл заготовки на жидкую часть 20 и отвердевший слиток 21. Форма двухфазной области 19 зависит от эффективности охлаждения и скорости вытягивания слитка ν_c.By introducing a solid cast billet (dummy bar) from the bottom of the mold, the lower opening of the nozzle 11 is closed. An alternating voltage is supplied to the inductor 13 from the power source 14. If the inductor is polyphase (m = 2.3), then the corresponding polyphase voltage is applied to its winding. Under the influence of voltage in the inductor 13, an alternating electric current is generated, creating an alternating magnetic field. Water is supplied to the cooler 15 under pressure, and an electric drive is turned on, which drives the rollers 18 for pulling the ingot. Under the action of cooling water, which enters the side surface of the ingot, the liquid metal mass solidifies continuously and is removed downward at a rate of ν _c . At the beginning of crystallization at a distance z = z _cr from the end of the packing (z = 0), a two-phase region 19 is formed, dividing the moving metal of the workpiece into a liquid part 20 and a solidified ingot 21. The shape of the two-phase region 19 depends on the cooling efficiency and the rate of drawing the ingot ν _c ...

При наличии электрического тока в единице расплава выделяется в единицу времени энергия:In the presence of an electric current in a unit of melt, energy is released per unit of time:

где

и

- векторы, плотности тока и напряженности электрического поля, соответственно;Where

and

- vectors, current density and electric field strength, respectively;

и

- векторы скорости расплава и действующей на него электромагнитной силы, соответственно;

and

- vectors of the melt velocity and the electromagnetic force acting on it, respectively;

- модуль плотности тока, А/м²;

- current density modulus, A / m ² ;

σ - удельная электропроводность расплава, 1/Ом*м.σ is the specific electrical conductivity of the melt, 1 / Ohm * m.

Первое слагаемое в правой части (1) определяет тепловую энергию, а второе - определяет механическую работу, совершаемую в расплаве при протекании электрического тока.The first term on the right-hand side of (1) determines the thermal energy, and the second determines the mechanical work performed in the melt when an electric current flows.

На расположенную в расплаве частицу действует Архимедова сила:An Archimedean force acts on a particle located in the melt:

где

- ускорение свободного падения, м/с²;Where

- acceleration of gravity, m / s ² ;

γ - плотность расплава, кг/м³;γ is the density of the melt, kg / m ³ ;

γ₁ и V₁ - плотность и объем частицы, соответственно.γ ₁ and V ₁ - density and volume of the particle, respectively.

Кроме силы (2) на частицу действует дополнительная сила, вызванная протеканием по расплаву электрического токаIn addition to force (2), an additional force acts on the particle, caused by the flow of an electric current through the melt

где k - эмпирический коэффициент, равный 0,75.where k is an empirical coefficient equal to 0.75.

Здесь знак "минус" указывает на то, что электромагнитная сила

направлена к центру проводника, а сила, выталкивающая частицу на поверхность, направлена противоположно.Here, the minus sign indicates that the electromagnetic force

is directed to the center of the conductor, and the force pushing the particle to the surface is directed in the opposite direction.

Таким образом, пропускание по расплаву электрического тока способствует его дополнительному нагреву, выталкиванию из него неметаллических включений и газовых пузырьков, т.е. рафинированию жидкого металла.Thus, passing an electric current through the melt contributes to its additional heating, pushing out of it non-metallic inclusions and gas bubbles, i.e. refining liquid metal.

При взаимодействии магнитного поля индуктора ЭМК с индуцированными токами в каждом элементарном объеме жидкого металла возникает электродинамическая сила, комплексный вектор средней за период объемной плотности которой определяется из выражения [2]When the magnetic field of the EMC inductor interacts with the induced currents, an electrodynamic force arises in each elementary volume of the liquid metal, the complex vector of the volumetric density averaged over the period is determined from the expression [2]

где

- сопряженный комплекс вектора плотности тока, А/м²;Where

- conjugate complex of the current density vector, A / m ² ;

- комплексный вектор магнитной индукции, Тл;

- complex vector of magnetic induction, T;

- векторное произведение векторов;

- vector product of vectors;

и

- единичные векторы цилиндрической системы координат.

and

- unit vectors of a cylindrical coordinate system.

Удержание металла от растекания обеспечивается радиальной составляющей объемной плотности силы,The retention of the metal from spreading is provided by the radial component of the bulk density of the force,

а составляющая силы

создает тяговое усилие на перемещение расплава по оси слитка, и его перемешивание.and the component of the force

creates a traction force to move the melt along the axis of the ingot, and its mixing.

где

и

- скалярные произведения величин.Where

and

- scalar products of quantities.

Здесь

и

- составляющие векторов плотности тока и магнитной индукции по осям координат.Here

and

- components of vectors of current density and magnetic induction along the coordinate axes.

Электромагнитное давление Р_эм, сжимающее жидкую фазу слитка в радиальном направлении, определяется составляющей

а именноThe electromagnetic pressure P _em , compressing the liquid phase of the ingot in the radial direction, is determined by the component

namely

Проинтегрировав удельные электромагнитные силы по всему объему слитка, где действует электромагнитное поле индуктора, получим интегральные тангенциальную и радиальную силы, действующие на металл в слитке, НHaving integrated the specific electromagnetic forces over the entire volume of the ingot, where the electromagnetic field of the inductor acts, we obtain the integral tangential and radial forces acting on the metal in the ingot, N

На фиг. 5 представлены зависимости этих сил, полученные расчетным путем. Из представленных зависимостей следует, что эффективное перемешивание жидкого металла происходит при более низкой частоте тока индуктора (ƒ<1 кГц), а существенное электромагнитное давление возникает при более высоких частотах. Это обстоятельство необходимо учитывать при управлении режимами работы ЭМК.FIG. 5 shows the dependences of these forces obtained by calculation. From the presented dependences it follows that effective mixing of the liquid metal occurs at a lower frequency of the inductor current (ƒ <1 kHz), and significant electromagnetic pressure occurs at higher frequencies. This circumstance must be taken into account when controlling the operating modes of the EMC.

Обмотка индуктора ЭМК может быть выполнена из W витков (фиг. 3), которые могут быть соединены последовательно и подключены к источнику однофазного напряжения частотой ƒ. Такой индуктор создает пульсирующее магнитное поле, в области которого преобладает

составляющая магнитной индукции. Радиальная составляющая присутствует только на краях индуктора. Обмотка индуктора с числом витков, например W=3.4.6 (фиг. 3) может быть подключена к источнику многофазного (m=2,3) напряжения частотой ƒ. В этом случае в области индуктора радиальная составляющая магнитной индукции «бежит» в направлении оси z, то есть индуктор создает бегущее магнитное поле. Такой индуктор осуществляет как перемешивание жидкого металла, так и радиальное давление на его поверхность.The winding of the EMC inductor can be made of W turns (Fig. 3), which can be connected in series and connected to a single-phase voltage source with a frequency of ƒ. Such an inductor creates a pulsating magnetic field, in the area of which

component of magnetic induction. The radial component is present only at the edges of the inductor. The inductor winding with the number of turns, for example W = 3.4.6 (Fig. 3) can be connected to a multiphase (m = 2.3) voltage source with frequency ƒ. In this case, in the region of the inductor, the radial component of the magnetic induction "runs" in the direction of the z axis, that is, the inductor creates a traveling magnetic field. Such an inductor carries out both mixing of liquid metal and radial pressure on its surface.

Рассмотрим физические процессы в жидкой фазе слитка, с учетом действующих на него сил.Consider the physical processes in the liquid phase of the ingot, taking into account the forces acting on it.

Допустим, что струя жидкого металла истекает под действием силы тяжести. На выходе из отверстия насадка (z=0) скорость расплава равна

м/с. С ростом z скорость жидкого металла ν(z) возрастает, а радиус струи r(z) уменьшается [7].Let us assume that a stream of liquid metal flows out under the influence of gravity. At the outlet of the nozzle orifice (z = 0), the melt velocity is

m / s. With increasing z, the velocity of the liquid metal ν (z) increases, and the radius of the jet r (z) decreases [7].

В единице объема струи жидкого металла на расстоянии z от отверстия должен выполняться баланс давлений:In a unit volume of a stream of liquid metal at a distance z from the hole, the pressure balance should be:

- давление динамического напора, Н/м²;

- dynamic head pressure, N / m ² ;

ρgz(h+H+z) - гидростатическое давление, Н/м²;ρgz (h + H + z) - hydrostatic pressure, N / m ² ;

- давление сил поверхностного натяжения, Н/м²;

- pressure of surface tension forces, N / m ² ;

ρ - плотность расплава, кг/м³;ρ is the density of the melt, kg / m ³ ;

σ - коэффициент поверхностного натяжения, Н/м;σ - coefficient of surface tension, N / m;

r(z) - радиус струи на расстоянии z от выходного отверстия насадка, м.r (z) is the radius of the jet at a distance z from the outlet of the nozzle, m.

При скорости ν_c=0 (начало литья) давление динамического напора отсутствует, и электромагнитное давление должно уравновешивать гидростатическое давление жидкой фазы, то естьAt a speed ν _c = 0 (the beginning of casting), there is no dynamic head pressure, and the electromagnetic pressure must balance the hydrostatic pressure of the liquid phase, that is

В этот момент индуктор электромагнитного кристаллизатора должен создавать максимальную радиальную составляющую электромагнитной силы и потреблять максимальный ток I_m=I_max тем больше, чем больше z_кр.At this moment, the inductor of the electromagnetic crystallizer must create the maximum radial component of the electromagnetic force and consume the maximum current I _m = I _max , the more the more z _cr .

Допустим, что индуктор выключен или отсутствует (Р_эм=0), и жидкий металл свободно истекает из отверстия насадка 11 под действием силы тяжести. Пренебрегая силами поверхностного натяжения (σ=0) и учитывая, что Р_эм=0, из (10) можно определить скорость жидкого металла, при которой давление в объеме струи будет отсутствовать, и струя будет сохранять свою форму без электромагнитного давления, получимSuppose that the inductor is turned off or absent (P _em = 0), and liquid metal flows freely from the hole of the nozzle 11 under the action of gravity. Neglecting the forces of surface tension (σ = 0) and taking into account that P _em = 0, from (10) it is possible to determine the velocity of the liquid metal at which there will be no pressure in the volume of the jet and the jet will retain its shape without electromagnetic pressure, we obtain

Величина Δν_c вводится для поправки скорости вытягивания слитка от факторов, которые не были учтены при выводе формулы (12).The value of Δν _c is introduced to correct the rate of pulling the ingot from factors that were not taken into account when deriving formula (12).

Допустим, что при z=z_кр происходит кристаллизация металлического расплава, и твердая часть слитка 21 посредством роликов 18 вытягивается вниз со скоростью ν_c=ν_c(z_кр). В этом случае все процессы в жидкой части слитка (z<z_кр) происходят аналогично процессам, протекающим в свободно падающей струе жидкости в поле тяжести. В связи с этим струя сохраняет свою форму без электромагнитного давления за счет сил поверхностного натяжения, а значит и без потребления электрической энергии индуктором (I_и=0).Let us assume that at z = z _cr the crystallization of the metal melt occurs, and the solid part of the ingot 21 is pulled down by the rollers 18 at a speed ν _c = ν _c (z _cr ). In this case, all processes in the liquid part of the ingot (z <z _cr ) proceed similarly to the processes occurring in a freely falling liquid stream in a gravity field. In this regard, the jet retains its shape without electromagnetic pressure due to surface tension forces, and therefore without the consumption of electrical energy by the inductor (I _and = 0).

Таким образом, при изменении скорости вытягивания от 0 до ν_с(z_кр) величина электрического тока индуктора может изменяться от I_max до 0, при этом с ростом скорости вытягивания слитка потребление энергии уменьшается. Скорость вытягивания слитка ν_с существенно определяет и производительность заявляемой установки. Если, например, литая заготовка имеет круглое сечение радиусом r_с, то количество продукции в единицу времени определяется какThus, with a change in the pulling speed from 0 to ν _s (z _cr ), the value of the electric current of the inductor can change from I _max to 0, while with an increase in the pulling speed of the ingot, the energy consumption decreases. The rate of pulling the ingot ν _s significantly determines the productivity of the claimed installation. If, for example, a cast billet has a circular cross-section with a radius of r _s , then the number of products per unit time is determined as

При увеличении скорости вытягивания слитка ν, повышается производительность литейной установки, одновременно уменьшается и количество электроэнергии, затрачиваемой на создание электромагнитного давления, необходимого для удержания формы жидкой фазы. В связи с этим следует отметить, что количество электроэнергии, затрачиваемой на единицу продукции уменьшается, следовательно, энергоэффективность литья возрастает.With an increase in the ingot pulling speed ν, the productivity of the casting installation increases, and at the same time the amount of electricity consumed to create the electromagnetic pressure required to maintain the shape of the liquid phase decreases. In this regard, it should be noted that the amount of electricity consumed per unit of production decreases, therefore, the energy efficiency of casting increases.

Вместе с тем, необходимо подчеркнуть, что для измельчения структуры литой заготовки и улучшения ее физико-механических свойств необходимо перемешивать жидкую фазу слитка на границе кристаллизации в течение всего процесса литья, что и позволяет осуществить заявляемая установка. Для этого достаточно использовать индуктор с бегущим магнитным полем. В соответствии с фиг. 5 такой индуктор создаст, как радиальную составляющую силы, обеспечивающий электромагнитное давление на боковую поверхность слитка, так и тангенциальную составляющую силы, обеспечивающую перемешивание расплава вблизи фронта кристаллизации. Для усиления перемешивания необходимо переходить к более низким частотам питающего индуктор напряжения. В этом случае радиальное давление ослабевает. Такой режим целесообразно использовать, если скорость вытягивания слитка близка к величине, определяемой выражением (12).At the same time, it should be emphasized that in order to refine the structure of the cast billet and improve its physical and mechanical properties, it is necessary to mix the liquid phase of the ingot at the crystallization boundary during the entire casting process, which allows the claimed installation to be carried out. To do this, it is sufficient to use an inductor with a traveling magnetic field. Referring to FIG. 5, such an inductor will create both a radial force component providing electromagnetic pressure on the side surface of the ingot and a tangential force component providing melt mixing near the crystallization front. To enhance mixing, it is necessary to go to lower frequencies of the voltage supplying the inductor. In this case, the radial pressure decreases. It is advisable to use such a mode if the rate of pulling the ingot is close to the value determined by expression (12).

Выбор числа витков обмотки индуктора определяется диаметром слитка и типом источника питания.The choice of the number of turns of the inductor winding is determined by the ingot diameter and the type of power source.

Таким образом, заявляемое изобретение позволяет повысить как производительность плавильно-литейной установки, так и ее энергоэффективность при непрерывном литье, при этом также обеспечить и необходимое качество продукции, т.е. полученного слитка.Thus, the claimed invention makes it possible to increase both the productivity of the melting and casting installation and its energy efficiency during continuous casting, while also ensuring the required product quality, i.e. received ingot.

Источники информацииSources of information

1. Непрерывное литье в электромагнитный кристаллизатор / З.Н. Гецелев [и др.], <Металлургия>, 1983. - 152 с.1. Continuous casting into an electromagnetic crystallizer / ZN. Getselev [and others], "Metallurgy", 1983. - 152 p.

2. Современные электротехнологии для производства высококачественных алюминиевых сплавов, /монография/ Первухин М.В., Тимофеев В.Н. - Красноярск, СФУ, 2015. - 156 с.2. Modern electrical technologies for the production of high-quality aluminum alloys, / monograph / Pervukhin MV, Timofeev VN. - Krasnoyarsk, Siberian Federal University, 2015 .-- 156 p.

3. Патент на полезную модель RU №48836. Опубл. 10.11.2005.3. Patent for utility model RU No. 48836. Publ. 10.11.2005.

4. Патент на полезную модель RU №86511. Опубл. 10.09.2009.4. Patent for utility model RU No. 86511. Publ. 09/10/2009.

5. Патент на изобретение RU №2477193. Опубл. 27.08.2012.5. Patent for invention RU No. 2477193. Publ. 27.08.2012.

6. Патент на изобретение RU №2395364. Опубл. 27.07.2010.6. Patent for invention RU No. 2395364. Publ. 07/27/2010.

7. https://studref.com/475066/bzhd/primery_ispolzovaniya_uravneniya_bernulli/.7.https: //studref.com/475066/bzhd/primery_ispolzovaniya_uravneniya_bernulli/.

8. Патент на полезную модель RU №192356. Опубл. 13.09.2019.8. Patent for utility model RU No. 192356. Publ. 13.09.2019.

Claims

1. A method of continuous casting of an ingot, including feeding liquid metal from a mixer through a transport chute into an electromagnetic crystallizer through a distributing funnel, crystallizing liquid metal with the formation of a liquid phase of an ingot under the influence of an electromagnetic field of an inductor of an electromagnetic crystallizer and pulling an ingot from a crystallizer, characterized in that before feeding of liquid metal into the electromagnetic crystallizer in the transport chute, a given level of liquid metal is maintained, it is refined and heated to the casting temperature of a certain alloy, the liquid metal is fed into the electromagnetic crystallizer through a distributing funnel with a removable nozzle with an outlet corresponding to the cross section of the obtained ingot, and the ingot is pulled by simultaneously changing the frequency of the current and the power consumption of the inductor at a rate determined from the ratio:

v _c - the speed of pulling the ingot, m / s;

g - acceleration of gravity, m / s ² ;

h is the level of liquid metal in the transport chute, m;

Н - the length of the removable nozzle of the dispensing funnel, m;

z _kp - distance from the outlet of the removable nozzle of the distributing funnel to the beginning of crystallization of the ingot, m;

Δν _c - correction to the rate of ingot pulling, determined experimentally, m / s.

2. Installation for continuous casting of an ingot, containing at least one rotary mixer, a transport chute with electric heaters and a casting machine with a distributing funnel, a cooler and an electromagnetic crystallizer with an inductor, characterized in that the transport chute contains a device for supplying electric current for additional heating and refining liquid metal, the cooler is located around the ingot in the casting machine with the ability to move along the vertical axis, in the electromagnetic mold near the ingot there is a sensor for the ingot pulling speed, and the distributing funnel has a removable nozzle with an outlet corresponding to the section of the resulting ingot.

3. Installation according to claim. 2, characterized in that it contains a device with an induction current lead for supplying electric current to the liquid metal located in the transport chute.

4. Installation according to claim. 2, characterized in that it contains a device with a conductive current lead for supplying electric current to the liquid metal located in the transport chute.

5. Installation according to claim 2, characterized in that the inductor of the electromagnetic crystallizer has a winding of W turns, connected in series and connected to a single-phase voltage source with the ability to regulate the amplitude and frequency of the voltage.

6. Installation according to claim. 2, characterized in that the inductor of the electromagnetic crystallizer has a winding of W turns, which are connected to a multiphase voltage source providing a phase shift of the voltage of each turn from the voltages of adjacent turns by an angle Ψ = 360 / W electrical degrees, and the multiphase voltage source is configured to control the frequency and electrical power of the load.