CN100345645C - 采用电磁压力对切缝式结晶器铜管密封的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及电磁软接触连铸用切缝式结晶器，尤其涉及切缝式结晶器铜管密封的方法。一种采用电磁压力对切缝式结晶器铜管密封的方法，其特征是首先将密封介质填充到切缝式结晶器铜管的切缝处，接着在结晶器铜管外围并紧靠铜管设置电磁工作线圈，电磁工作线圈接高能率电磁脉冲电流发生电源，铜管内置有内芯模，然后高能率电磁脉冲电流发生电源输出强脉冲电流，脉冲电流经电磁工作线圈后产生交变磁场，产生指向铜管中心的电磁压力，使铜管发生缩径塑性变形，塑性变形使铜管与密封介质形成紧密结合。本发明能满足高频电磁场对结晶器铜管的绝缘和导磁性能的要求，具有高刚度、高强度、长寿命、高透磁效率等优点，适合工业生产的要求。

Description

采用电磁压力对切缝式结晶器铜管密封的方法
(一)技术领域
本发明涉及电磁软接触连铸用切缝式结晶器，尤其涉及切缝式结晶器铜管密封的方法。
(二)背景技术
电磁软接触连铸结晶器铜管主要有两大类：一是在结晶器铜管上按一定的方式切割若干缝隙(以下简称切缝)，让高频电磁场透过切缝到达钢液表面，其中结晶器铜管材质与传统结晶器的完全相同。另一类结晶器铜管不切缝，而是把铜管分成上下两段，其中靠近电磁场作用区域的上段采用高电阻率和高热导的材料制造，下段仍采用与普通连铸结晶器铜管材质一样的铜合金制造。第二类结晶器整体刚度高，但结晶器铜管上段的材质目前很难找到，而且铜管上下两段的连接同样存在问题。
目前，电磁软接触连铸结晶器铜管绝大部分都是切缝式的。连铸过程中，结晶器铜管在高温作用下产生热胀冷缩效应，切缝有被压缩或胀大的趋势，如果切缝弥合会阻止电磁场的透入；又由于整个结晶器铜管都包围在冷却水之中，切缝式铜管必须进行密封处理，起到缝间绝缘和阻挡冷却水的作用。密封介质要求为抗电磁性材质，能绝缘和承受高温，并能与结晶器铜管高强度连接。目前适合缝间密封的材质主要有云母片、陶瓷、碳化钨以及高温水泥、长石片等。
由于密封介质为非金属的矿物，不具备可焊接性能，要把介质与铜管可靠连接起来相当困难，目前主要采用的方法有：把陶瓷等介质粉末或颗粒填充到结晶器铜管切缝处，然后在铜管再结晶温度以下烧结实现密封，该方法理论上可行，但实际上由于烧结的高温作用对铜管的强度有一定影响，另外由于受到烧结温度的限制，密封强度不太可靠，仍有开裂等情况。还有一种方法是把陶瓷或云母片薄片经过金属化预处理，在陶瓷或云母片表面均匀的镀上金属表层，通过钎焊与铜管连接起来，这种方法对金属预处理和焊接工艺要求很高，制造费用昂贵。
(三)发明内容
本发明的目的在于提供一种采用电磁压力对切缝式结晶器铜管密封的方法，以解决陶瓷等密封介质与铜管之间无法连接的问题，满足高频电磁场对结晶器铜管的绝缘和导磁性能的要求，具有高刚度、高强度、长寿命、高透磁效率等优点，适合工业生产的要求。
本发明是这样实现的：一种采用电磁压力对切缝式结晶器铜管密封的方法，其特征是首先将密封介质填充到切缝式结晶器铜管的切缝处，接着在结晶器铜管外围并紧靠铜管设置电磁工作线圈，电磁工作线圈接高能率电磁脉冲电流发生电源，铜管内置有内芯模，然后高能率电磁脉冲电流发生电源输出强脉冲电流，脉冲电流经电磁工作线圈后产生交变磁场，产生指向铜管中心的电磁压力，使铜管发生缩径塑性变形，塑性变形使铜管与密封介质形成紧密结合。
上述的采用电磁压力对切缝式结晶器铜管密封的方法，所述在电磁工作线圈与铜管之间装有磁驱动圆柱环和弹性介质圆柱环，弹性介质圆柱环紧靠结晶器铜管。
上述的采用电磁压力对切缝式结晶器铜管密封的方法，所述密封介质为薄片状，密封介质尺寸略小于结晶器铜管切缝尺寸；对与铜管切缝相接触的密封介质薄片表面进行毛化处理，并涂抹粘结剂，将密封介质插入铜管切缝内并与铜管粘合在一起。
本发明采用高能率电磁脉冲电流产生交变磁场对铜管产生强大的电磁力，使铜管在切缝处发生快速的缩径塑性变形，产生金属晶间滑移、位错、甚至流变变形，铜管合金晶粒在塑变作用下向陶瓷等密封介质快速扩散，使金属和陶瓷间相互结合、胶链，从而达到金属与非金属之间的异种材质的连接，实现了铜管切缝的密封。这种连接方式的连接强度很高，甚至超过铜本身的强度，符合结晶器铜管的密封要求。本发明对切缝式结晶器铜管的密封方法，操作方便，工艺控制简单，制造成本低，且高能率电磁脉冲电流的发生电源是现有的成熟设备，可实现对铜管塑性变形的加工。
(四)附图说明
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步说明。
图1为切缝式结晶器铜管结构示意图；
图2为本发明采用电磁压力对切缝式结晶器铜管密封的方法结构示意图；
图3为装有弹性介质圆柱环的对切缝式结晶器铜管密封的结构示意图。
图中：1结晶器铜管，2切缝，3密封介质，4内芯模，5电磁工作线圈，6高能率电磁脉冲发生电源，7磁驱动圆柱环，8弹性介质圆柱环。
(五)具体实施方式
参见图1、图2，一种采用电磁压力对切缝式结晶器铜管密封的方法，首先，根据结晶器铜管1切缝2的尺寸选择薄片状密封介质3，比如陶瓷片、碳化钨片、云母片等，要求密封介质3宽度略小于铜管1的壁厚，防止凸出铜管1以外，密封介质3厚度略小于切缝2宽度，使密封介质3能够顺利填充到切缝2内并不产生松动和脱落。为了增加密封介质3表面与铜管切缝2的接触面积和强度，密封介质3表面可以进行毛化处理，即人为增加密封介质3表面的粗糙度。为了防止填充到结晶器铜管切缝2中的密封介质3松动和脱落或者在切缝2内残留空气，可以预先在密封介质3表面涂抹一层粘结胶或凡士林等，起固定和排除空气作用，将密封介质3填充到切缝式结晶器铜管1的切缝2处。
接着，在结晶器铜管1外围并紧靠铜管1设置电磁工作线圈5，电磁工作线圈5接高能率电磁脉冲电流发生电源6，铜管1内置有内芯模4。
然后，高能率电磁脉冲电流发生电源6(又称电磁成形机)内由升压变压器把交流电升高压至几千伏～几十千伏之间，由整流电路把高压交流电变为高压直流电并对电容器开始充电，充电达到预定值后(一般充电到电容器饱和)，闭合放电开关对电磁工作线圈5快速放电使电磁工作线圈5内产生强大的脉冲电流，电流强度一般在几十～几百千安培，脉冲电流经电磁工作线圈5后产生交变磁场，进而在铜管1表层感应出涡电流，交变磁场与涡电流相互作用产生指向铜管1中心的电磁压力，使铜管1发生缩径塑性变形甚至流变变形。塑性变形使铜管1合金晶粒之间产生滑移、位错并向密封介质3快速扩散，使铜管1材质和密封介质3形成晶间结合、胶结，从而达到金属与非金属之间异种材质的复合连接，使铜管1与密封介质3形成紧密结合，实现了铜管切缝2的密封。为了防止铜管1塑性变形时向铜管1内凹陷，铜管1内放置内芯模4阻止铜管1向内凹陷，只让铜管1在长度方向上变形延长。
实施例1，首先选用Ag-Cu结晶器铜管1，采用中间切缝形式对Ag-Cu结晶器铜管1实施切缝2，切缝2宽度为0.6mm，切缝2的端部加工为圆角(直径等于缝宽)。密封介质3为ZrO2陶瓷片，ZrO2陶瓷片为绝缘和不导磁介质，耐温高于1000℃，抗压强度＞800Mpa，热膨胀系数与结晶器铜管1的热膨胀系数相近。将ZrO2陶瓷片加工成0.54～0.58mm厚的薄片，薄片两端加工成圆形，薄片表面毛化后粗糙度为Ra12.5～50um之间。为了防止陶瓷片塞入切缝2内后发生松动或脱落或在切缝2残留空气，结晶器切缝2内全部涂抹凡士林，然后把陶瓷片插入铜管切缝2内固定，多余的凡士林被挤出防止了空气的残留。
在紧靠已经填充好ZrO2陶瓷片的结晶器铜管1外部设置电磁工作线圈5，电磁工作线圈5高度大于切缝2总长度，利用高能率电磁脉冲发生电源6对电磁工作线圈5提供大功率脉冲电流，电流强度10kA～400kA之间。依靠脉冲电流诱发的交变磁场对铜管1产生电磁压力使之发生快速塑性甚至流变变形，从而使陶瓷片密封在切缝2内。电磁脉冲发生电压5～20kV，电容器电容量20～3000uF。如选用电磁脉冲发生电压为6kV，电容器电容量为800uF。
参见图3，在上述采用电磁压力对切缝式结晶器铜管密封的基础上，在电磁工作线圈5与铜管1之间还装有磁驱动圆柱环7和弹性介质圆柱环8，弹性介质圆柱环8紧靠结晶器铜管1；磁驱动圆柱环7由紫铜等材质制成，弹性介质圆柱环8为聚氨脂等材质制成。通电后，电磁工作线圈5产生的高能率脉冲磁场首先对磁驱动圆柱环7产生电磁压力，再通过弹性介质圆柱环8把电磁力传递到铜管1，使铜管1发生缩径塑性变形，铜管1与密封介质3形成紧密结合，从而实现铜管切缝2的密封。
实施例2，利用紫铜磁驱动圆柱环7和聚氨酯圆柱环8把电磁压力传递到结晶器铜管1使之发生缩径塑性变形，紫铜磁驱动圆柱环7紧靠电磁工作线圈5，聚氨脂圆柱环8紧靠结晶器铜管1，高度与电磁工作线圈5相同。其它结构和电磁参数与实施例1完全相同。
本发明操作简单，密封可靠，适合方坯、圆坯，通体切缝、上端通体切缝或中间切缝，缝宽0.2mm～10mm之间的电磁软接触连铸结晶器铜管1的切缝2密封。同时，本发明全部塑变和密封都是在接近常温的条件下工作的，远远低于铜的再结晶温度，对铜管1本身的强度和刚度没有任何影响。本发明塑性变形促使铜管1进一步加工硬化，提高了铜管1的强度和刚度，对连铸结晶器寿命的提高有显著作用。
本发明采用电磁压力使结晶器铜管1发生缩径塑性变形的密封方法，让连铸结晶器的密封更加可靠，透磁效率高，并具有足够的整体刚度和强度，安全系数大，使用寿命长，能够满足工业生产使用要求。

Claims (4)

1.一种采用电磁压力对切缝式结晶器铜管密封的方法，其特征是首先将密封介质填充到切缝式结晶器铜管的切缝处，接着在结晶器铜管外围并紧靠铜管设置电磁工作线圈，电磁工作线圈接高能率电磁脉冲电流发生电源，铜管内置有内芯模，然后高能率电磁脉冲电流发生电源输出强脉冲电流，脉冲电流经电磁工作线圈后产生交变磁场，产生指向铜管中心的电磁压力，使铜管发生缩径塑性变形，塑性变形使铜管与密封介质形成紧密结合。
2.根据权利要求1所述的采用电磁压力对切缝式结晶器铜管密封的方法，其特征是在电磁工作线圈与铜管之间装有磁驱动圆柱环和弹性介质圆柱环，弹性介质圆柱环紧靠结晶器铜管。
3.根据权利要求1或2所述的采用电磁压力对切缝式结晶器铜管密封的方法，其特征是密封介质为薄片状，密封介质尺寸略小于结晶器铜管切缝尺寸。
4.根据权利要求3所述的采用电磁压力对切缝式结晶器铜管密封的方法，其特征是对与铜管切缝相接触的密封介质薄片表面进行毛化处理，并涂抹粘结剂，将密封介质插入铜管切缝内并与铜管粘合在一起。
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