CN101602095A - 一种电磁场振荡铸轧装置及方法 - Google Patents

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Abstract

一种电磁场振荡铸轧装置及方法，装置主要由铸轧机和夹送辊组成，铸轧机包括浇注咀子和上铸轧辊，其特征在于：上铸轧辊上设有励磁线圈，浇注咀子内设有电极，该电极与夹送辊分别与交流电源的两极连接。方法为：铸轧时向励磁线圈中通入直流电，使辊缝中的磁感应强度为0.1～0.7T；向夹送辊和电极中通入交流电，使辊缝间的电流密度为0.1～1A/mm2。本发明的装置和方法提高了熔体的流动性能，细化了内部组织，提高了合金元素的分布均匀性，降低了铸轧坯料产生裂纹的倾向。

Description

一种电磁场振荡铸轧装置及方法
技术领域
本发明属于冶金轧制设备技术领域，特别涉及一种电磁场振荡铸轧装置及方法。
背景技术
双辊铸轧在铝合金板带材的生产中广泛使用，各国双辊铸轧机主要用来生产铝及铝合金板带材，双辊铸轧机设备投资小、运行费用低，传统双辊铸轧技术只能用于生产凝固温度范围小的合金，对于凝固温度范围大的高合金元素合金很难铸轧成型。
采用铸轧工艺是有色金属制备板带材坯料的主要方法，也是今后钢铁材料的发展方向，铸轧坯料质量控制着材料成品的质量。由于铸轧过程的不平衡凝固，会在晶界出现网状脆性第二相，合金组织严重不均匀，强度和塑性差。目前在提高铸轧坯料质量方面的技术主要有提高铸轧速度和冷却强度，采用在铸轧区前沿电磁振荡达到搅拌和细化晶粒的目的。但是上述两种技术在实际应用中还存在很大缺陷和难题，离生产实际还有一定距离。
镁工业的发展途径是大力发展镁合金的应用，但镁合金制品的生产目前以铸造为主要手段，极大限制了镁合金的应用。因此必须大力发展镁合金的变形加工工艺，提供高性能、低价格的金属板材。为了改变镁工业的生产流程，扩大以板材为中间材料，通过各种变形加工的生产方法制造镁合金零件。但变形加工的生产方法要求板材必须适合变形的要求，有良好的冷热变形能力，因此开发生产成本低、铸轧坯料质量高的双辊铸轧技术具有十分重大意义。
电磁场振荡铸轧机是在静磁场铸轧机的基础上发展起来的一种崭新的板带材坯料生产设备，其特征是在铸轧辊缝间施加了一定强度的静磁场，同时通过金属熔体的浇注口和铸轧坯料在铸轧凝固区施加了一定频率的交流电流，一方面通过静磁场的存在，有效抑制了铸轧过程中金属熔体在铸轧区内的湍流现象，提高了流体流动的均匀性，改善了金属熔体温度场的均匀性，湍流现象的减少降低了夹杂物在铸轧过程中被裹入熔体，净化了金属熔体，同时，交流电流的引入，使得金属熔体产生横向交变的洛伦磁力，产生横向的振荡效应，金属熔体在电磁振荡作用下进行形核、凝固、变形及晶粒长大过程，首先打碎了合金结晶出的枝晶骨架，细化合金内部组织；同时提高了金属熔体的流动性，有利于后续金属熔体的补充，减少了内部裂纹产生的机会；再者，由于凝固过程的振荡作用，打乱了凝固的平衡组织，提高了合金元素在镁合金的晶内含量，提高了合金的强度和塑性；许光明、崔建忠提出了“一种静磁场双辊铸轧机”，应用上述原理已在镁合金和铝合金等材料上进行了研究工作，取得了明显的效果，所铸轧的合金枝晶组织退化，晶粒得到细化；静磁场双辊铸轧机利用直流电源在铜管制作的线圈上施加电流，把线圈产生的静磁场通过铸轧辊施加在辊缝间；降低了熔体流动的速度，提高了熔体温度的均匀性，减小了由于温度不均匀引起的热引力，减少铸轧坯料的裂纹倾向；同时，熔体流动的均匀化，降低了熔体流动的湍流，起到了减少夹杂效果，达到了净化熔体的目的。但静磁场双辊铸轧机利用纯铁制作的磁臂和磁极，把磁场引入铸轧辊缝，磁场在通过磁臂和磁极时损失很大；该装置较复杂，操作不够简便，而且晶粒细化程度仍不十分理想。
发明内容
针对以上技术问题，本发明提供一种电磁场振荡铸轧装置及方法，目的在于通过简单的铸轧设备制备出晶粒细化程度更高的铸轧坯料。
本发明的电磁场振荡铸轧设备主要由铸轧机、夹送辊和卷取机组成，铸轧机包括上铸轧辊、浇注咀子、下铸轧辊、机架和联接轴，其中上铸轧辊上设有励磁线圈，励磁线圈与上铸轧辊之间设有非导磁材料或不设有非导磁材料；浇注咀子内设有电极，该电极与夹送辊分别与交流电源的两极连接。
当励磁线圈与上铸轧辊之间不设有非导磁材料时，励磁线圈固定在机架上，励磁线圈与铸轧辊不接触；当励磁线圈与上铸轧辊之间设有非导磁材料时，励磁线圈与非导磁材料接触，非导磁材料与铸轧辊接触，并且非导磁材料固定在机架上。
当励磁线圈与上铸轧辊之间设有非导磁材料时，励磁线圈固定在非导磁材料或机架上。
励磁线圈与上铸轧辊之间的间距越小越好，在设置的间距较小的情况下，为保证励磁线圈的安全和铸轧工艺的顺利进行，用非导磁材料将励磁线圈与铸轧辊隔开。
上述的非导磁材料为铝板、铜板或1Cr18Ni9Ti不锈钢板。
上述的励磁线圈为铜管，该铜管外径为8～12mm，励磁线圈由一组线圈或两组并列线圈组成，每组励磁线圈的匝数为100～500。
本发明的电磁场振荡铸轧方法采用上述装置，按以下步骤进行：
将金属溶液通过浇注咀子进行浇注，采用铸轧机进行铸轧，同时向励磁线圈中通入直流电，使辊缝中产生的磁感应强度为0.1～0.7T；当铸轧辊压制出的铸轧坯料进入夹送辊后，向夹送辊和电极中通入交流电，使辊缝间的电流密度为0.1～1A/mm2。
本发明是在“一种静磁场双辊铸轧机”的基础上进行的改进，将励磁线圈直接设置在铸轧辊表面，缩短了磁路，减少了磁损，在相同电流条件下静磁场强度提高了1倍以上，且制作成本低，安装简单；实践证明在省去了铸轧机的各种隔磁块后，静磁场在铸轧机上的磁损少于原技术中由磁臂和磁极造成的磁损。
另外本发明与静磁场双辊铸轧机在技术上的改进还在于：在施加直流磁场的同时，通过浇注咀子和夹送辊之间施加交流电流，使得铸轧区的熔体在交变洛伦磁力的作用下进行凝固和变形。在提高静磁场铸轧机原有优点的基础上，利用静磁场与交流电流共同作用产生的电磁振荡，由于电流密度与两辊间距成反比，越接近凝固区域电流密度越大，振荡效果越好；通过电磁振荡打碎了凝固过程首先结晶的骨架结构，提高了熔体的流动性能，有利于后续熔体的补充，细化了内部组织，提高了合金元素的分布均匀性，降低了铸轧坯料产生裂纹的倾向。
本发明的装置和方法在实验过程中，有效解决了金属熔体不稳定，氧化膜破坏，铸轧坯料表面产生裂纹等问题，铸轧坯料内部及表面的裂纹基本不存在，提高成材率。
附图说明
图1为本发明实施例1中的电磁振荡铸轧机俯视结构示意图；
图2为本发明实施例1中的电磁振荡铸轧装置侧视剖面结构示意图；
图中1、直流电机，2、减速机，3、上联接轴，4、机架，5、上铸轧辊、6、下铸轧辊，7、水冷系统，8、直流电源，9下联接轴，10、励磁线圈，11、电极，12、夹送辊，13、卷取机，14、交流电源，15、浇注咀子，16、金属熔体，17、铸轧坯料。
图3为采用普通铸轧方式生产的镁合金微观组织显微图。
图4为采用直流电磁场铸轧方式生产的镁合金微观组织显微图。
图5为本发明实施例2中生产的镁合金微观组织显微图。
具体实施方式
本发明实施例中不设置非导磁材料时，励磁线圈与上铸轧辊之间的间距为5～10mm。
本发明实施例中采用的非导磁材料厚度为1～5mm。
本发明实施例中浇注的金属熔体为镁合金熔体和铝合金熔体，其中镁合金牌号为AZ61，铝合金为5000系铝合金。
以下为本发明优选实施例。
实施例1
电磁场振荡铸轧装置结构如图1和图2所示，直流电机1连接减速机2，减速机2连接上联接轴3和下联接轴9，上联接轴3连接上铸轧辊5，下联接轴9连接下铸轧辊6，上铸轧辊5和下铸轧辊6装配在机架4上，上铸轧辊5和下铸轧辊6的一端分别设有水冷系统7；其中上铸轧辊5上设有励磁线圈10固定在机架4上，励磁线圈10与上铸轧辊5间距为5～10mm。其中铸轧辊采用炮钢制作而成，直径500mm。
电磁场振荡铸轧装置结构如图2所示，浇注咀子15内设有电极11，电极11与夹送辊12分别通过导线与交流电源14的两极连接。
上述的励磁线圈材质为铜管，匝数为300，铜管外径为10mm。
采用上述设备生产铝合金铸轧坯料，将铝合金溶液向浇注咀子进行浇注，浇注温度为700～720℃，向励磁线圈中通入直流电，电流为800A，使辊缝中产生的磁感应强度为0.5T；向水冷系统中通入15℃的冷水，铸轧速度为1.5m/min，辊缝为5mm，铸轧区长度为60mm，浇注咀子内铝合金熔体液面高度为100mm；当铸轧辊压制出的铝合金坯料进入夹送辊后，向夹送辊和电极中通入交流电，交流电电流为100A，使辊缝间的电流密度为0.5A/mm2。
铸轧过程中金属熔体稳定，铸轧坯料表面未产生裂纹。
实施例2
电磁场振荡铸轧装置结构同实施例1，不同点在于：励磁线圈匝数500，所用的铜管外径为12mm。
采用上述设备生产镁合金铸轧坯料，将镁合金溶液向浇注咀子进行浇注，浇注温度为720℃，浇注时采用氩气进行保护；向励磁线圈中通入直流电，电流为800A，使辊缝中产生的磁感应强度为0.7T；向水冷系统中通入15℃的冷水，铸轧速度为1.5m/min，辊缝为5mm，铸轧区长度为60mm，浇注咀子内镁合金熔体液面高度为100mm；当铸轧辊压制出的镁合金坯料进入夹送辊后，向夹送辊和电极中通入交流电，交流电电流为200A，使辊缝间的电流密度为1A/mm2。
分别采用普通铸轧方式和直流电磁场铸轧方式浇注同牌号的镁合金进行对比实验，制备出的坯料微观组织分别如图3、图4和图5所示。图3为普通铸轧镁合金的显微组织，晶粒主要为发达的枝晶组织。而施加静磁场后的镁合金显微组织如图4所示，枝晶组织有一定程度的退化，晶粒得到一定程度的细化。在同时施加静磁场和交流电流铸轧时的镁合金显微组织如图5所示，镁合金的铸轧组织明显细化，组织更加均匀，枝晶进一步退化。
实施例3
电磁场振荡铸轧装置结构同实施例1，不同点在于：励磁线圈匝数100，所用的铜管外径为8mm。
电磁场振荡铸轧方法同实施例1，不同点在于：(1)直流电电流为600A，辊缝中产生的磁感应强度为0.1T；(2)夹送辊和电极中通入的交流电电流为20A，使辊缝间的电流密度为0.1A/mm2。
实施例4
电磁场振荡铸轧装置结构同实施例1，不同点在于：铸轧辊上设有非导磁材料铝板，铝板接触上铸轧辊并固定在机架上；励磁线圈分为两组，并列固定在铝板上。
电磁场振荡铸轧方法同实施例1，不同点在于：(1)直流电电流为700A，辊缝中产生的磁感应强度为0.4T；(2)夹送辊和电极中通入的交流电电流为120A，使辊缝间的电流密度为0.6A/mm2。
实施例5
电磁场振荡铸轧装置结构同实施例4，不同点在于：非导磁材料为铜板，铜板接触上铸轧辊并固定在机架上；励磁线圈分为两组，并列固定在铜板上。
电磁场振荡铸轧方法同实施例4，不同点在于：(1)直流电电流为600A，辊缝中产生的磁感应强度为0.3T；(2)夹送辊和电极中通入的交流电电流为160A，使辊缝间的电流密度为0.8A/mm2。
实施例6
电磁场振荡铸轧装置结构同实施例1，不同点在于：非导磁材料为1Cr18Ni9Ti不锈钢板，钢板接触上铸轧辊并固定在机架上；励磁线圈分为两组；并列固定在1Cr18Ni9Ti不锈钢板上。
电磁场振荡铸轧方法同实施例1，不同点在于：(1)直流电电流为600A，辊缝中产生的磁感应强度为0.2T；(2)夹送辊和电极中通入的交流电电流为80A，使辊缝间的电流密度为0.4A/mm2。

Claims (5)

1、一种电磁场振荡铸轧装置，主要由铸轧机和夹送辊组成，铸轧机包括浇注咀子和上铸轧辊，其特征在于：上铸轧辊上设有励磁线圈，励磁线圈与上铸轧辊之间设有非导磁材料或不设有非导磁材料；浇注咀子内设有电极，该电极与夹送辊分别与交流电源的两极连接。
2、根据权利要求1所述的一种电磁场振荡铸轧装置，其特征在于当励磁线圈与上铸轧辊之间设有非导磁材料时，励磁线圈与非导磁材料接触，非导磁材料与上铸轧辊接触。
3、根据权利要求1所述的一种电磁场振荡铸轧装置，其特征在于所述的励磁线圈为铜管，铜管外径为8～12mm，励磁线圈的匝数为100～500。
4、根据权利要求1所述的一种电磁场振荡铸轧装置，其特征在于所述的非导磁材料为铜板、铝板或1Cr18Ni9Ti不锈钢板。
5、一种利用权利要求1所述的装置实施电磁振荡铸轧的方法，其特征在于按以下步骤进行：将金属溶液通过铸轧机的浇注咀子进行浇注，然后进行铸轧，同时向励磁线圈中通入直流电，使辊缝中的磁感应强度为0.1～0.7T，当铸轧辊压制出的铸轧坯料进入夹送辊后，向夹送辊和电极中通入交流电，使辊缝间的电流密度为0.1～1A/mm2。
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