连铸方法及其设备 【发明领域】
本发明涉及一种连铸方法，以及在本方法中使用的设备。更具体地说，本发明涉及一种连铸方法及在本方法中使用的设备，其可以恰当地控制流出的金属液的流动状态，这样，减少了金属液中残留的非金属夹杂和气泡的数量，从而生产出高质量的连铸坯。
【发明背景】
从二十世纪六十年代起，开始在世界范围内采用金属液的连铸工艺。这种工艺与一般的铸锭工艺比有很多优点，因此很大一部分钢是用连铸工艺生产的。
连铸金属的质量用表面质量和内部质量来分类，而这些质量与金属液在铸模内的流动密切相关。
图1a和1b示出了在连铸工艺中通常使用地铸模。在上述附图中，金属液通过一个浸入式喷嘴11注入铸模10内，浸入式喷嘴11有两个流出孔11a。从两个流出孔流出的金属液形成喷向铸模窄面13的射流，射流冲击窄面13后分成一股上升流U和一股下降流D。即，射流分成四股环流：U1、U2、D1和D2。在图1b中，代码S表示环流的转向点。
流入到铸模中的金属液含有诸如Al2O3、MnO、SiO2之类的非金属夹杂(在下面称为“夹杂”)，这些夹杂是在预处理阶段形成的或者来自耐火材料。金属液还含有惰性气体的气泡(下面称为“气泡”)，惰性气体吹进浸入式喷嘴11中用来防止其堵塞。气泡的尺寸从几微米到几毫米。在上环流中包含的夹杂和气泡的密度低于金属液，因此，它们受到与重力方向相反的浮力，将沿着金属液的流动方向与浮力方向的加和方向而移动，逐渐移向金属液面，被熔渣14捕获。
但是，在下环流D中的夹杂和气泡在向上环流U运动之前通过喷嘴流出孔11a附近的射流区域。射流的速度大于由浮力引起的上升速度，所以夹杂和气泡几乎不能流出射流。因而，在下环流D中的夹杂和气泡不能达到金属液面，而一直随着下环流循环运动。因此，这些夹杂和气泡很容易残留在铸造金属中。特别是，在弧形连铸机中，下环流中的粒子由于受浮力的作用而作螺旋运动，最终残留在凝固层中，即在铸件的上层。从而在铸件的上层形成一层夹杂/气泡的富集区。
当轧制铸坯时，残留的夹杂和气泡暴露到表面，形成表面缺陷。或者它们仍残留在铸坯中，在退火时气泡膨胀而引起内部缺陷。
为了解决这个问题，提高铸坯质量，传统的方法是调整浸入式喷嘴的流出孔倾角到一个适当值θ，以提高铸坯质量。浸入式喷嘴的流出孔倾角θ对金属液的流动有很大影响。
如果流出孔倾角θ增大，下降流增多，而上升流减少。结果，金属液在其液面处的流动速度降低，形成一个金属液的稳定表面。因此，提高了可加工能力，初始固化稳定地进行，也就提高了铸坯的表面质量。但是，如果流出孔倾角θ增大，大量的夹杂和气泡将深深地残留在铸坯的内部，因为它们不能上浮到金属液面，从而损害了铸坯的内部质量。
另一方面，如果流出孔倾角θ减小，下降流减少，因此可以减少夹杂和气泡造成的缺陷。但如果流出孔倾角θ减小，上升流增多，金属液在液面处的速度大大加快。由于金属液面处的熔渣的带入和涡流的形成，这将造成铸坯表面质量的下降。当铸造速度快时，这些问题将更加严重。
这样，如果仅使用浸入式喷嘴，控制金属液的流动将受到限制。因此，如图2a所示，在紧靠着浸入式喷嘴流出孔11a的下方安装了电磁制动控制器(EMBR)20。从而利用由磁场和流动产生的洛仑兹力来降低流速(瑞典专利SE8,003,695和美国专利4,495,984提出了这一方法)。
图2a的方法已经实用化，但目前不再使用了，因为射流将沿着避免磁场的流动阻力的方向发生偏转，而不是在磁场作用下降低流速。
为解决这一问题，如图2b和2c所示，磁场在整个铸模的宽度上水平分布(瑞典专利SE9,100,184，美国专利5,404,933和日本专利申请No.Hei-2-284750)。但在上述的方法中都存在偏转现象。
当不施加直流磁场时，从浸入式喷嘴11的侧出口11a流出的金属液形成如图3a所示的流场。如果在整个铸模宽度上施加磁场，流股的分布如图3b所示。也就是，与存在磁场的情况相比，射流明显地沿着铸模的厚度方向分布。因此，降低了射流朝向铸模窄面运动的平均速度。
与没有施加磁场的情况相比，由于射流速度的降低，几微米到几百微米的夹杂和气泡从下降流区域到上升流区域要经过很长一段距离。
同时，通过喷嘴吹到金属液里的惰性气体的大部分为几个毫米大小，并从窄面之间浮到金属液面(上浮距离与金属液的注入速度和吹入气体的量有关。当吹入的气体量最小时这一距离约为从流出口附近到窄面；当吹入的气体量最大时这一距离约为从紧靠流出口的上方到窄面)。如果主流股的速度快，惰性气体气泡的上浮不会对主流股的流动方向有大的影响。但，由于施加磁场使主流股的速度下降时，惰性气体的浮力对主流股的流动方向有大的影响。由于受惰性气体的浮力和紧靠浸入式喷嘴下方的磁场流动阻力的作用，主流股向金属液面方向升高。当射流充分处理后，惰性气体浮力的影响消失，射流沿着铸造方向降低形成S形，如图3b(这称作“浸入式喷嘴附近的非凝固上升金属液流”)。这样，射流以大的角度冲击铸模的窄面。
当射流冲击铸模窄面而被分成流股时，流股的流量取决于冲击角度。例如，如果发生垂直冲击，上、下流股的流量相同。但是，如果冲击角度减小，下流股的流量增加。在此条件下，下流股与上流股的流量之比取决于铸造速度、喷嘴流出孔倾角、惰性气体吹入量和磁场强度。但在通常的工作条件下，如果没施加磁场，这个比例约为6∶4。如果在整个宽度上施加磁场，这个比例约为8∶2。因此，如果用传统方法施加磁场，下流股的流量增加而上流股的流量减少。相应地就降低了紧靠金属液面下的金属液的流速，并减小了金属液弯月面的高度差。这样，稳定了金属液面，因此提高了表面质量。
但是，由于下流股流量的增加，大量的夹杂和气泡卷入环流中。因此，当在整个宽度上施加磁场时，由于平均速度的降低，抵消了上浮机会的增加。所以，由于不能去除夹杂和细小的惰性气体气泡，铸坯的内部质量无法提高。
发明概述
为了解决上述问题，本发明者进行了理论研究和模拟试验。在这些研究和分析的基础上，本发明者提出了本发明。
因此，本发明的目的是提供一种连铸方法，其中在与金属液流出的方向平行的方向上施加了感应直流磁场，这样减少了惰性气体气泡和诸如Al2O3、MnO之类的非金属夹杂的残留量，从而提高了铸坯的内部质量。
本发明的另一个目的是提供一种连铸设备，这种设备用于实施上述本发明的方法。
为达到上述目的，本发明的连铸方法包括以下步骤：通过浸入式喷嘴的流出孔向铸模中注入金属液；对注入的金属液施加磁场；其中，磁场的主磁力线从紧靠浸入式喷嘴流出孔上方与金属液的流出方向平行分布。
本发明的另一个方面是，本发明的连铸设备包括：安装有浸入式喷嘴的铸模，浸入式喷嘴有一对朝向铸模窄面的流出孔；以及在铸模内建立磁场的电磁制动控制器，电磁制动器包括：环绕铸模的基架；从铸模宽面附近伸出的铁芯和绕在铁芯上的感应线圈；一对与铁芯相连的电磁转换元件，它与铸模的宽面保持一定距离，并紧靠在浸入式喷嘴的流出孔上方，朝向铸模的窄面与金属液的流出方向平行。
并且，本发明的设备还包括控制浸入式喷嘴附近非凝固上升金属液流的装置。
附图简述
参照以下附图并通过对具体实施例的详细描述，本发明的以上目的和其它优点将会更明显地体现出来。图中：
图1表示通常铸模内的金属液的液流，图1a是顶视图，图1b是侧剖视图；
图2a、图2b、图2c表示传统连铸设备的组成，其上安装有不同的电磁制动器；
图3a和图3b表示有和没有电磁制动器的铸模内的金属液流；
图4表示本发明的连铸设备组成，图4a是顶视图，图4b是侧剖视图，图4c是一个关键部分的立体图；
图5表示本发明连铸设备组成的另一个实施例，图5a是侧剖视图，图5b是一个关键部分的立体图；
图6表示连铸设备的侧剖视图，其中包括第二实施例中的电磁转换元件；
图7表示本发明的铸模内的金属液的流动；
图8a和图8b对比地表示了本发明连铸设备不同实施例的金属液的流动。
优选实施例
本发明的根本所在是在紧靠铸模中的浸入式喷嘴的流出口上方建立适当的磁场，磁场的方向与金属液流出方向平行。
图4表示本发明连铸设备第一个实施例的组成，图4a是顶视图，图4b是侧剖视图。
本发明的连铸设备包括：带有一对流出孔11a的浸入式喷嘴11；安装有浸入式喷嘴的铸模10，流出孔11a朝向铸模10的窄面13；用于在铸模10内建立感应磁场的电磁制动控制器40。
本发明连铸设备的主要特征是电磁制动控制器。图4c详细表示了电磁制动控制器(EMBR)。
如图4c所示，本发明的电磁制动控制器40包括：环绕铸模10的基架43；从铸模宽面12附近伸出的铁芯44；一对与铁芯44相连的电磁转换元件41和42，它与铸模10的宽面12保持一定距离。
基架43可以与铁芯44作成一体；或者与铁芯分开制作，以使基架可以在宽面方向上移动。对于后一种情况，感应线圈45容易缠绕。
感应线圈45绕在铁芯44上，从而在铸模内产生感应电流。
并且，电磁转换元件41和42连在铁芯44上，与铸模的宽面保持一定距离，这样对铸模施加感应直流磁场。本发明的电磁转换元件41和42安装在紧靠浸入式喷嘴的流出口11a的上方，朝向铸模的窄面13，并与金属液的流出方向平行。也就是，电磁制动控制器40的电磁转换元件41和42应安装成与金属液的流出方向平行。电磁转换元件41和42的作用是，在把磁场导入铸模之前改变铁芯磁场磁力线的分布。因此，它们不必仅是单独的一件，可以是多件。
电磁制动控制器40用来控制浸入式喷嘴附近非凝固金属液的上升流。控制器40的结构根据金属液流出孔倾角的不同而不同。流出孔倾角θ向下倾斜1到90度。电磁转换元件41和42的安装即使在倾角θ改变的情况下也应与金属液的流出方向平行。
同时，如图4b所示，电磁制动控制器40内的电磁转换元件41和42可以一直延伸到铸模的窄面13。但是，重要的一点是，元件41和42应当覆盖紧靠在浸入式喷嘴最近处的金属液射流的上方(或者惰性气体浮出最多)的区域。在紧靠金属液射流上方的区域，惰性气体的浮出最多。因此，在此区域，可以观察到大量气泡，这一区域的尺寸取决于浇铸速度和惰性气体吹入量。在通常的条件下，上述区域位于浸入式喷嘴与窄面之间。在此情况下，电磁制动控制器40覆盖紧靠金属液射流的上方区域，基架53、铁芯54和感应线圈55的结构如图5b所示，它们与图4c中的相似。但是，转换元件51和52变短以使它仅覆盖紧靠在金属液射流的上方区域。
也就是说，电磁制动控制器40，最低限度应当覆盖离浸入式喷嘴最近处金属液射流正上方的区域，并且最多延伸至铸模窄面。
现在将描述使用以上连铸设备的连铸方法。
一般地，如果导体穿过磁力线运动时，导体内将产生感应电流。由于感应电流与磁场之间的相互作用将产生洛仑兹力，其作用方向与导体运动方向相反，正比于导体运动速度和磁场强度平方的乘积。洛仑兹力降低射流速度，改变射流方向，或者把一股射流体分成多股。因此，如果对射流施加适当的磁场，就能严格地调整射流的速度和方向。
本发明基于以上原理。即，在金属的连铸过程中，把残余的夹杂和气泡减少到最低程度，以提高铸坯的内部质量。但是，如下所述，本发明的方法与传统的方法有本质的不同。
也就是，如果铸坯中残余的夹杂和气泡减少到最低程度，夹杂和气泡应该在环流上层的含量达到最大，即它们都应上浮。
为得到以上结果，需满足以下条件：
第一，必须在射流分成上升流和下降流之前降低从流出孔流出的射流速度。这样就有足够的时间保证上升流中的夹杂和气泡向上升流的表面浮起。
第二，必须控制射流的方向以减小金属液射流与窄面冲击的角度。这样上升流的数量增多，更多的夹杂和气泡便包含在上升流中。
为达到以上目的，在图4和图5的连铸设备中，磁力线与金属液射流的流出方向平行。
也就是，如果磁场分布平行于金属液射流的流出方向，射流的形状如图7所示。从而，射流形状的顶视图如图3b的上部，前视图如图3a的下部。这样降低了所有金属液射流的速度。因此，在本发明中，射流沿着铸模厚度方向分布并且速度降低了，从而有足够的时间保证夹杂和气泡的上浮。同时，图4b的A部分受到浮力，射流的上升由于施加在其上的磁场产生的流动阻力而阻止了。进而，射流的方向没有改变，充分保证了冲击的角度(在窄面上)，以便不增加下降流的数量。
这样，包含在下降流中的夹杂和气泡降低到了最低限度。
同时，金属液的冲击角度随着浸入式喷嘴流出角度、施加的磁场长度和磁场强度的不同而改变。如果冲击角度没有必要地向上，金属液面的流动速度变得太快。因此，设计上浮时间时，必须能够在最少数量的上升流中最大程度地实现上浮。
电磁制动控制器40的最大长度是从金属液的流出点到窄面。金属液射流随磁场长度的变化如图8所示。
图8a表示了在从流出孔11a到窄面距离的1/4区域内上浮活跃发生的情况，即电磁制动控制器40仅覆盖此区域(紧靠金属液的上方)。图8b的情况是控制器40一直沿伸到窄面。在上述的两个图中，表示了流出的金属液射流的流动状态。从上述两图中可以看出，二者彼此几乎是相同的。这是由于大部分的惰性气体从流出孔附近上浮到金属液面，并且惰性气体的上浮轻微地带动了金属液的流动。但是，也可以看出磁场对窄面附近金属液的流动不能产生大的影响。
因此，如果要在上浮活跃的区域防止流动向上发生，上述两种情况下整个金属液的流动将变成相同状态。进而，在窄面附近远离上浮活跃的区域，金属液沿铸模的厚度方向铺展，并且速度降低。因此，这一区域的洛仑兹力可以忽略。所以，电磁制动控制器40至少要覆盖惰性气体上浮活跃区域是重要的。在此区域之外，磁场的分布是不重要的。因此，应提供如图6所示的多个电磁转换元件，以使得不损坏对非凝固金属液流动的抑制。并且这些元件应延伸到上浮活跃区域之外直到窄面。在这种情况下，对窄面附近的射流的精细调整是可能的。图6表示了安装在上浮活跃区域之外窄面附近的具有不同角度的电磁转换元件，以使冲击角度稍微向上调整，达到防止非凝固上升金属液射流。图6还表示了另一种情况，即电磁转换元件安装在窄面附近的射流下面以降低下降流的速度。为了在窄面附近精细调整，可以把不同形状的电磁转换元件安装在窄面附近。
当用上述连铸设备进行连铸时，约35～40％的金属液射流为上升流。
这里，电磁制动控制器40的磁力线密度优选为1000～6000高斯。如果磁力线的密度低于1000高斯，不能充分地调整射流；而超过6000高斯时，也不可能对射流再作更多的调整。
下面将根据一些试验例子对本发明进行描述。<对比例1>
按照通常的铸造条件，金属液的注入速度为2.6t/min，流出孔下倾，倾角在0～25°之间。不采用磁场，进行计算机辅助模拟试验。这样，可对上环流和下环流进行对比，以测量夹杂和气泡的数量。
在没有磁场的情况下，35～40％的金属液射流为上升流，其余的为下降流。射流到达窄面的时间约为0.55～1秒。因此，约70％的夹杂和气泡包含在上环流中，而其余的则包含在下环流中。<对比例2>
试验条件与对比例1相同，施加如图2b所示的磁场，进行计算机辅助模拟试验。这样，可对上环流和下环流进行对比，以测量夹杂和气泡的数量。
在此情况下，仅有10～20％的金属液射流形成上环流，约34％的夹杂和气泡上浮到上环流中，而其余的66％包含在下环流中。射流到达窄面的时间平均约为1.4～3秒。
从上面的结果可以看出，施加磁场的结果比没有施加磁场的差。这与实际工厂的情况相同。<发明例>
试验条件与对比例1相同，施加如图4b所示的磁场，进行计算机辅助模拟试验。这样，可对上环流和下环流进行对比，以测量夹杂和气泡的数量。这里，施加磁场的磁力线密度在1000～6000高斯之间变化。
在本发明例中，约35～40％的金属液射流为上升流，射流到达窄面的时间平均约为1.4～3秒。并且，约93％的夹杂和气泡在上环流中，而仅有7％残留在下环流中。从而使夹杂和气泡与金属液的分离达到非常高的程度。
按照如上所述的本发明，提高了非金属夹杂和气泡的分离能力。因此，由非金属夹杂和气泡引起的铸坯的内部缺陷明显降低。