CN101386060A - 一种新型铜及铜合金板带电磁辅助铸造方法及装置 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种新型铜及铜合金板带电磁辅助铸造方法及装置，在铜及铜合金板坯水平连铸结晶器部位设置定磁场发生装置，外加磁场强度50～2000高斯；并在石墨结晶器横向侧的两侧壁之间横向施加电流，电流强度1～2000安培，电流沿横向形成回路，电流回路垂直于板带轴向；改变磁场方向或者改变电流方向可改变电磁搅拌的方向，形成与拉坯方向一致或相反方向的强制搅拌，搅拌可以是轴向的持续或间歇性搅拌；使结晶前沿的熔体受到洛仑兹力作用被强制搅拌，促使凝固区域形成大量游离晶核，有助于生成等轴晶，抑制偏析和反偏析、细化铸造组织、提高板坯表面质量和板带加工成品率；易于实现高锡含量青铜板坯的连续生产，简化均匀化处理工艺。
Description
技术领域
本发明涉及一种新型铜及铜合金板带电磁辅助铸造方法及装置，属于有色金属加工技术领域。
背景技术
传统的铜合金板带采用半连铸或全连铸工艺制备坯锭，然后经过热轧开坯、冷轧加工等工艺制备出板带产品。20世纪80年代开始，国内铜加工行业开始采用水平连续铸造技术制备厚度14～18mm的带坯，板坯宽度通常在300～650mm之间，理论上水平连铸工艺可以获得任意大卷重的坯料，板坯经过开卷、铣面、冷轧等工序，制备出各种厚度规格的板带产品。尽管该技术不能全面取代块式法铜合金板带加工工艺，但是铜板坯水平连铸技术具有节能、环保、高效、节约投资等优点，特别适用于易偏析铜合金板带的制备。
目前传统的水平连铸铜合金板带不能完全满足铜合金板带的制备加工要求，主要表现为表面粗糙、裂纹，铸造组织粗大、疏松，偏析、反偏析等缺陷。以锡磷青铜、镍青铜、锌白铜等合金品种为例，合金含量较高时，铸造组织粗大、偏析及反偏析现象比较严重，合金板带坯料及板带产品的成品率较低。
针对板带水平连铸技术存在的不足，国内外开展了大量的研究；电磁冶金技术在金属连铸工艺方面的应用研究是关注的焦点之一。
专利96121903.3在钢板坯的结晶器宽边施加了方向可变的磁场，在结晶区域形成稳定的强制搅拌，改善钢板坯的表面质量、抑制夹杂缺陷。专利US-PN4846255及US-PN4741383采用软接触和电磁铸造的方式制造金属薄板坯。与之相仿，专利200510021740.4采用中频磁场制备金属薄带，为一种近终形余热热轧工艺技术。上述技术适用于钢薄带的制备，采用软接触或电磁铸造原理，不涉及铜合金板带制备加工。
专利200510047193.7通过施加行波磁场，产生强制搅拌，达到抑制偏析、细化晶粒的目的。该技术在结晶器与保温炉之间安装电磁发生装置，搅拌器本体与保温炉近距离接触，存在一定安全隐患，适用性稍差。
专利02149110.0及专利02119403.3分别公开了一种铜管坯电磁连铸方法，在管坯结晶器外侧施加旋转磁场或组合磁场，制备管坯。专利02221779.7提供了铜合金水平连铸电磁搅拌结晶装置，通过旋转磁场改善铸造组织。
上述技术均不涉及铜及铜合金板坯的制备工艺与装备。
发明内容
本发明的目的是克服现有技术存在的不足，提供一种铜及铜合金板带电磁辅助铸造方法及其装置，旨在有效提高铜合金板带的成品率，抑制偏析、细化组织、改善表面质量。
本发明的目的通过以下技术方案来实现：
一种新型铜及铜合金板带电磁辅助铸造装置，包括水平连铸炉组、石墨结晶器及金属水冷结晶器，石墨结晶器安装在水平连铸炉组的侧面，石墨结晶器的外侧设置有金属水冷结晶器，特点是：还包括磁场发生装置和直流电源，所述磁场发生装置是永磁体或电磁铁绕组，该磁场发生装置在石墨结晶器上下两侧同时布置，安装在金属水冷结晶器的外侧或安装于金属水冷结晶器的内部；所述直流电源的一电极与石墨结晶器横向侧的一侧壁电性连接，直流电源的另一电极与石墨结晶器横向侧的另一侧壁电性连接，从而，直流电源在石墨结晶器横向侧的两侧壁之间构成电回路。
进一步地，上述的一种新型铜及铜合金板带电磁辅助铸造装置，所述直流电源的一极通过石墨电极与石墨结晶器横向侧的一侧壁电性连接，直流电源的另一极通过石墨电极与石墨结晶器横向侧的另一侧壁电性连接。
更进一步地，使用上述的装置进行铜及铜合金板带电磁辅助铸造的方法，特点是：水平连铸炉组内的铜合金液达到1000～1200℃时，启动牵引机，带动铜合金板坯运动，直流电源的一电极与石墨结晶器横向侧的一侧壁电性接通，直流电源的另一电极与石墨结晶器横向侧的另一侧壁电性接通，在石墨结晶器横向侧的两侧壁之间形成电流回路，电流强度在1～2000安培；磁场发生装置产生50～2000高斯的磁场，熔体通过贯穿石墨结晶器的磁场时，受到洛仑兹力作用，电磁力对石墨结晶器内凝固前沿的熔体形成强制性搅拌。
本发明技术方案突出的实质性特点和显著的进步主要体现在：
通过在铜及铜合金板坯水平连铸结晶器部位设置定磁场发生装置，并在石墨结晶器横向侧的两侧壁之间横向施加电流，电流沿横向形成回路，电流回路垂直于板带轴向；改变磁场方向或者改变电流方向可以改变电磁搅拌的方向，形成与拉坯方向一致或相反方向的强制搅拌，搅拌可以是轴向的持续或间歇性搅拌；从而，使结晶前沿的熔体受到洛仑兹力作用被强制搅拌，促使凝固区域形成大量游离晶核，有助于生成等轴晶，抑制柱状及枝晶生长，抑制偏析和反偏析、细化铸造组织、提高板坯表面质量和板带加工成品率，尤其提高合金含量较高以及易偏析、热加工困难的铜合金板带的成品率，改善铜合金板坯铸造质量。所施加的磁场发生装置为定磁场，是永磁铁或电磁铁绕组，安装方便，运行安全可靠；该技术方案实现了高锡含量青铜板坯的连续生产，简化了均匀化处理工艺，堪称是具有新颖性、创造性、实用性的新技术。
附图说明
下面结合附图对本发明技术方案作进一步说明：
图1：本发明的结构示意图；
图2：磁场发生装置置于结晶器内，横向施加电流的示意图；
图3：磁场发生装置置于结晶器外，横向施加电流的示意图；
图4：搅拌效果示意图。
图中各附图标记的含义见下表：
| 附图标记 | 含义 | 附图标记 | 含义 | 附图标记 | 含义 |
| 1 | 水平连铸炉组 | 2 | 石墨结晶器 | 3 | 磁场发生装置 |
| 4 | 直流电源 | 5 | 水冷结晶器 | 6 | 板坯 |
具体实施方式
如图1所示的新型铜及铜合金板带电磁辅助铸造装置，包括水平连铸炉组1、石墨结晶器2、磁场发生装置3和直流电源4及金属水冷结晶器5，石墨结晶器2安装在水平连铸炉组1的侧面，石墨结晶器2的外侧设置有金属水冷结晶器5，磁场发生装置3为永磁体或电磁铁绕组，该磁场发生装置3在石墨结晶器2上下两侧同时布置，如图2，磁场发生装置3安装在金属水冷结晶器5的内部，如图3，磁场发生装置3安装在金属水冷结晶器5的外侧；直流电源4的一极通过石墨电极与石墨结晶器2横向侧的一侧壁电性连接，直流电源4的另一极通过石墨电极与石墨结晶器2横向侧的另一侧壁电性连接，从而，直流电源4在石墨结晶器2横向侧的两侧壁之间构成电回路。
通过在铜及铜合金板坯水平连铸结晶器部位设置定磁场发生装置3，外加磁场强度50～2000高斯；并在石墨结晶器2横向侧的两侧壁之间横向施加电流，电流强度1～2000安培，电流沿横向形成回路，电流回路垂直于板带轴向。改变磁场方向或者改变电流方向可以改变电磁搅拌的方向，形成与拉坯方向一致或相反方向的强制搅拌，搅拌可以是轴向的持续或间歇性搅拌，熔体搅拌效果如图4所示。从而，使结晶前沿的熔体受到洛仑兹力作用被强制搅拌，促使凝固区域形成大量游离晶核，有助于生成等轴晶，抑制柱状及枝晶生长，从而抑制偏析和反偏析、细化铸造组织、提高板坯表面质量和板带加工成品率，尤其提高合金含量较高以及易偏析、热加工困难的铜合金板带的成品率。
实施例1
将磁场发生装置3固定在金属水冷结晶器5的内部，如图2，石墨结晶器2连同金属水冷结晶器5安装到水平连铸炉组1上，当水平连铸炉组1内的铜合金液达到1000～1200℃时，启动牵引机，开始连续铸造，带动铜合金板坯6运动，直流电源4的一电极与石墨结晶器2横向侧的一侧壁电性接通，直流电源4的另一电极与石墨结晶器2横向侧的另一侧壁电性接通，在石墨结晶器横向侧的两侧壁之间形成电流回路，电流强度在50～500安培；磁场发生装置3产生150～1000高斯的磁场，熔体通过贯穿石墨结晶器2的磁场时，受到洛仑兹力作用，电磁力对石墨结晶器2内凝固前沿的熔体形成强制性搅拌。直到表面颜色为灰白相间、凝固痕平直为止，保持此稳定状态，进行生产。
利用剪扳机截取板带试样，观察其凝固组织，测试其力学性能。铸态试样屈服强度为300～350MPa，伸长率45～55％；均匀化退火时间由8～12小时降为4小时以下，铸造温度降低20～30℃。
实施例2
将磁场发生装置3固定在金属水冷结晶器5的外侧，如图3，石墨结晶器2连同金属水冷结晶器5安装到水平连铸炉组1上，当水平连铸炉组1内的铜合金液达到1000～1200℃时，启动牵引机，开始连续铸造，带动铜合金板坯6运动，直流电源4的一电极与石墨结晶器2横向侧的一侧壁电性接通，直流电源4的另一电极与石墨结晶器2横向侧的另一侧壁电性接通，在石墨结晶器横向侧的两侧壁之间形成电流回路，电流强度在50～500安培；磁场发生装置3产生50～500高斯的磁场，熔体通过贯穿石墨结晶器2的磁场时，受到洛仑兹力作用，电磁力对石墨结晶器2内凝固前沿的熔体形成强制性搅拌。直到表面颜色为灰白相间、凝固痕平直为止，保持此稳定状态，进行生产。
利用剪扳机截取板带试样，观察其凝固组织，测试其力学性能。铸态试样屈服强度降为300～350MPa，伸长率45～55％；均匀化退火时间由8～12小时降为4小时以下，铸造温度降低20～30℃。
要强调的是，外加电流方向、电流强度、通电时间间隔可调，对铜板坯凝固前端的熔体实现强度、方向和频率可控制的强制性电磁搅拌，电磁力对熔体的搅拌方向与搅拌强度通过调整电流与磁场参数而变化。
电磁搅拌使得结晶器内部温度场分布更加均匀，有利于合金元素的均匀分布，因此有利于抑制合金元素的偏析与反偏析；由于偏析现象得到很大程度的抑制，大大改善合金的冷热加工性能，简化均匀化处理工艺，节能降耗。
持续或间歇式的搅拌，破坏了熔体在结晶前沿的顺序结晶方式，制造了大量的游离晶核，游离于熔体内部的晶核成为新的形核中心。随着搅拌作用的加强，游离晶核数量增加，增加了形核密度，等轴晶比例随之增加。因此电磁搅拌明显细化板坯的铸造组织，抑制柱状晶及树枝晶的生长，提高等轴晶比例。
熔体在外加电磁场作用下强制流动，使结晶前沿的弯月面形状发生变化；强制搅拌将高温熔体输送到结晶前沿，使得凝固线前移，并且使弯月面弧顶高度下降，结晶前沿的温度场分布均匀性增加，凝固线更加平缓。可见，结晶器内的电磁搅拌有利于改善板带坯的表面质量，将减小板带坯的表面铣削量，提高板带成材率和板带加工的成品率。
综上所述，本发明的技术方案所施加磁场为定磁场，磁场发生装置是永磁铁或电磁铁绕组，安装方便，运行安全可靠；通过电磁搅拌，细化铸造组织，抑制偏析和反偏析缺陷，改善铜合金板坯铸造质量；实现高锡含量青铜板坯的连续生产，简化了均匀化处理工艺，应用前景非常看好。
以上仅是本发明的具体应用范例，对本发明的保护范围不构成任何限制。凡采用等同变换或者等效替换而形成的技术方案，均落在本发明权利保护范围之内。
Claims (3)
1.一种新型铜及铜合金板带电磁辅助铸造装置，包括水平连铸炉组(1)、石墨结晶器(2)及金属水冷结晶器(5)，石墨结晶器(2)安装在水平连铸炉组(1)的侧面，石墨结晶器(2)的外侧设置有金属水冷结晶器(5)，其特征在于：还包括磁场发生装置(3)和直流电源(4)，所述磁场发生装置(3)是永磁体或电磁铁绕组，该磁场发生装置(3)在石墨结晶器(2)上下两侧同时布置，安装在金属水冷结晶器(5)的外侧或安装于金属水冷结晶器(5)的内部；所述直流电源(4)的一电极与石墨结晶器(2)横向侧的一侧壁电性连接，直流电源(4)的另一电极与石墨结晶器(2)横向侧的另一侧壁电性连接，从而，直流电源(4)在石墨结晶器(2)横向侧的两侧壁之间构成电回路。
2.根据权利要求1所述的一种新型铜及铜合金板带电磁辅助铸造装置，其特征在于：所述直流电源(4)的一电极通过石墨电极与石墨结晶器(2)横向侧的一侧壁电性连接，直流电源(4)的另一电极通过石墨电极与石墨结晶器(2)横向侧的另一侧壁电性连接。
3.权利要求1所述的装置进行铜及铜合金板带电磁辅助铸造的方法，其特征在于：水平连铸炉组(1)内的铜合金液达到1000～1200℃时，启动牵引机，带动铜合金板坯(6)运动，直流电源(4)的一电极与石墨结晶器(2)横向侧的一侧壁电性接通，直流电源(4)的另一电极与石墨结晶器(2)横向侧的另一侧壁电性接通，在石墨结晶器(2)横向侧的两侧壁之间形成电流回路，电流强度在1～2000安培；磁场发生装置(3)产生50～2000高斯的磁场，熔体通过贯穿石墨结晶器(2)的磁场时，受到洛仑兹力作用，电磁力对石墨结晶器(2)内凝固前沿的熔体形成强制性搅拌。
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