CN101612655A - 铜合金板带电磁辅助铸造方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种铜合金板带电磁辅助铸造方法，在保温炉侧面安装电磁辅助铸造装置，电磁辅助铸造装置包括线性磁场发生器、石墨结晶器和结晶器填料框架，线性磁场发生器设置在石墨结晶器上方，并位于石墨结晶器与结晶器填料框架之间；线性磁场发生器通入频率可调的交流电，驱动磁场发生器产生频率可调的感应磁场，感应磁场的频率在10～35赫兹，感应磁场垂直于拉坯方向，磁场方向为双向往复，磁场的换向周期为7～15秒；感应磁场作用于石墨结晶器内熔体结晶前沿，细化铸坯微观组织、降低熔体含气量、提高铸坯致密度、促使合金元素均匀分布、抑制合金元素的偏析与反偏析。

Description

铜合金板带电磁辅助铸造方法

技术领域

本发明涉及一种铜合金板带电磁辅助铸造方法，属于有色金属制备加工技术领域。

背景技术

作为一种短流程制备技术，板带水平连铸技术从20世纪70年代出现至今，得到快速发展和广泛的应用，目前在铜及铜合金制备加工领域得到推广。

磷青铜板带具有广阔的市场，随着锡含量增加，磷青铜的机械性能显著提高，但是偏析程度增加，加工难度随之增加。因此高锡含量的磷青铜板带产量极低。

采用电磁辅助铸造工艺，通过优化电磁辅助铸造工艺，可以改善铸坯的铸造组织，抑制偏析，细化晶粒，改善坯料加工性能，提高成材率和产品质量。

近年来，通过施加磁场改善铸造合金微观组织的方法受到重视。

专利号为02149110.0的中国专利公开了一种用于铜及铜合金水平电磁连续铸造的方法和装置，采用了在水平连续铸造结晶器的外侧、于固定在结晶器上的冷水套上，施加中、高频电流的压力磁场和工、低电流的旋转磁场；水冷套的圆周沿轴向为磁性与非磁性相间排列结构，以冷却水控制铸造管坯的铸造速度。专利申请号为02119403.3的中国专利申请公开了一种铜管坯水平电磁连铸结晶器，由结晶器内层、外层、搅拌电磁感应线圈、激振电磁感应线圈、约束电磁感应线圈、上述电磁线圈外侧的磁轭和结晶器壁外层上的缝隙所构成；上述线圈或并列放置，或重叠放置，或只放置其中一种或两种线圈。分别采用在管坯结晶器外侧施加旋转磁场或组合磁场。

专利申请号为02221779.7的中国专利申请公开了一种水平连铸电磁搅拌结晶装置，施加旋转磁场，改善铸坯的微观组织。

专利申请号为2005 10047193.7的中国专利申请公开了一种铜合金板带的水平电磁连续铸造方法和装置，通过施加行波磁场，产生强制搅拌。

但是现有电磁辅助连铸工艺尚待进一步优化。

发明内容

本发明的目的是克服现有水平连铸技术在制备易偏析铜合金板带生产过程存在的偏析与反偏析现象以及铸坯微观组织粗大和不均匀现象，提供一种科学的电磁辅助铸造方法，实现锡磷青铜等易偏析铜合金板坯的高效制备。

本发明的目的通过以下技术方案来实现：

铜合金板带电磁辅助铸造方法，在保温炉侧面安装电磁辅助铸造装置，所述电磁辅助铸造装置包括线性磁场发生器、石墨结晶器和结晶器填料框架，所述线性磁场发生器设置在石墨结晶器上方，并位于石墨结晶器与结晶器填料框架之间，特点是：所述线性磁场发生器通入频率可调的交流电，驱动线性磁场发生器产生频率可调的感应磁场，感应磁场的频率在10～35赫兹，感应磁场垂直于拉坯方向，感应磁场方向为双向往复，磁场的换向周期为7～15秒；所述感应磁场作用于石墨结晶器内熔体结晶前沿，熔体在感应磁场作用下凝固。

进一步地，上述铜合金板带电磁辅助铸造方法所述线性磁场发生器通入电流强度为1～100安培频率可调的交流电。

更进一步地，上述的铜合金板带电磁辅助铸造方法所述线性磁场发生器通入电流强度为20～50安培频率可调的交流电。

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：

①降低工作频率，有利于增加磁场穿透能力和纵向磁场分布均匀，取低频的上限端(10～35赫兹)，可以更有效地抑制元素反偏，从而降低板带轧制过程的开裂缺陷率，提高了合金的成材率，设备运行能耗降低，合金板带铸造组织显著改善；

②感生磁场方向为双向往复式，磁场的换向周期为7～15秒，磁场方向垂直于拉坯方向，并周期性改变方向，往复式的电磁场对于结晶前沿的熔体进行对称、均匀的强制搅拌，增加游离晶核数量并使之均匀分布，使熔体中合金元素分布更均匀，抑制偏析和反偏析，起到了均匀成分、细化组织的作用；

③采用本发明工艺方法制备的板坯，其组织均匀性与致密性大大提高，板坯塑性加工性能提高5～10％，均匀化退火时间缩短50％，显著降低了生产成本。

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：本发明工艺设备的结构示意图；

图2：实施例1～3Sn元素偏析情况对比示意图；

图3a：未施加磁场板坯水平面铸造组织宏观形貌图；

图3b：实施例4施加磁场板坯水平面铸造组织宏观形貌图；

图3c：实施例5施加磁场板坯水平面铸造组织宏观形貌图；

图3d：实施例6施加磁场板坯水平面铸造组织宏观形貌图；

图4a：传统工艺的板坯截面宏观形貌图；

图4b：实施例7板坯截面宏观形貌图；

图4c：实施例8板坯截面宏观形貌图；

图4d：实施例9板坯截面宏观形貌图；

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	锭坯	2	石墨结晶器	3	水冷铜套
4	结晶器填料框架	5	线性磁场发生器	6	保温炉

具体实施方式

如图1所示，铜合金板带电磁辅助铸造工艺设备，在保温炉6的侧面安装电磁辅助铸造装置，电磁辅助铸造装置包括线性磁场发生器5、石墨结晶器2、水冷铜套3和结晶器填料框架4，板坯水平连铸线性石墨结晶器5与保温炉6对接，线性磁场发生器5设置在石墨结晶器2上方、并位于石墨结晶器2与结晶器填料框架4之间，水冷铜套3也设置在石墨结晶器2与结晶器填料框架4之间、并位于线性磁场发生器5的后侧。线性磁场发生器工作电源为频率可调的交流电(工频交流电整流成直流电后，再逆变为频率可调的交流电)，线性磁场发生器生成感应磁场，由于存在集肤效应，感应磁场对熔体的作用深度随着磁场频率的升高而降低，经过优化的感应磁场频率范围是10～35赫兹；磁场的工作电流为1～100安培，其中最佳的电流范围为20～50安培，电磁力作用于石墨结晶器2结晶前沿区域内的熔体。

具体铸造时，当保温炉内铜合金熔体温度达到铸造温度(铸造温度为1210～1280℃)时，开动铸造牵引机，调整水压与拉铸速度，进行水平连续铸造，开启线性磁场发生器5的电源，输入频率可调的交流电，设置磁场发生器参数，驱动磁场发生器产生频率可调的感应磁场，感应磁场的频率在10～35赫兹，磁场方向为双向往复，磁场的换向周期为7～15秒；感应磁场作用于石墨结晶器内熔体结晶前沿，细化铸坯微观组织、降低熔体含气量、提高铸坯致密度、均匀合金元素、抑制偏析与反偏析，熔体在感应磁场作用下凝固，由牵引机带动铜合金锭坯6运动。观察水平连铸锭坯表面变化情况，若凝固线形状发生单侧凸起或不规则变化，则调整电流或频率，当凝固线趋于平直后设备即运行稳定，保持状态连续生产带坯。

实施例1

3t水平连铸炉，生产合金牌号为C51900。磁场发生器工作频率10Hz，工作电流10A，双向往复搅拌，搅拌周期为7秒，合金熔体温度为1155～1175℃，按照水平连铸工艺参数生产。对比检验结果表明，施加电磁搅拌作用后，合金元素Sn沿板坯厚度方向的反偏析程度降低，表层最高含锡量由11wt％下降为10.2％，心部含锡量为6.1wt％，如图2所示C51900板坯Sn元素沿厚度方向的分布曲线。

实施例2

3t水平连铸炉，生产合金牌号为C51900。磁场发生器工作频率15Hz，工作电流60A，双向往复搅拌，搅拌周期为10秒，合金熔体温度为1160～1170℃，按照水平连铸工艺参数生产。对比检验结果表明，施加电磁搅拌作用后，合金元素Sn沿板坯厚度方向的反偏析程度降低，表层最高含锡量由11wt％下降为9.7％，心部含锡量为6.2wt％，如图2所示C51900板坯Sn元素沿厚度方向的分布曲线。

实施例3

3t水平连铸炉，生产合金牌号为C51900。磁场发生器工作频率25Hz，工作电流90A，双向往复搅拌，搅拌周期为15秒，合金熔体温度为1150～1155℃，按照水平连铸工艺参数生产。对比检验结果表明，施加电磁搅拌作用后，合金元素Sn沿板坯厚度方向的反偏析程度降低，表层最高含锡量由11wt％下降为9.5％，心部含锡量为6.2wt％，如图2所示C51900板坯Sn元素沿厚度方向的分布曲线。

实施例4

3t水平连铸炉，生产合金为C52100。磁场发生器工作频率25Hz，工作电流20A，双向往复搅拌，合金熔体温度为1165～1175℃。板坯水平面铸造组织与未施加磁场板坯铸造组织形貌及晶粒尺寸基本一致，如图3a、3b所示。

实施例5

3t水平连铸炉，生产合金为C52100。磁场发生器工作频率25Hz，工作电流30A，双向往复搅拌，合金熔体温度为1160～1170℃。板坯组织得到细化，观察水平面铸造组织，平均晶粒尺寸减小35％，如图3a、3c所示。

实施例6

3t水平连铸炉，生产合金为C52100。磁场发生器工作频率25Hz，工作电流60A，双向往复搅拌，合金熔体温度为1175～1185℃。板坯组织得到细化，观察水平面铸造组织，平均晶粒尺寸减小大于50％，如图3a、3d所示。

实施例7

3t水平连铸炉，生产合金为C52400。磁场发生器工作频率35Hz，工作电流30A，合金熔体温度为1165～1170℃。板坯微观组织细化，羽状晶基本消失，等轴晶比例由＜30％上升为＞50％，晶粒尺寸分布均匀程度显著提高，施加磁场后，板坯铸造组织得到明显改善，板坯横截面的铸造组织宏观形貌如图4b所示，传统工艺的板坯截面宏观形貌如图4a所示。

实施例8

3t水平连铸炉，生产合金为C52400。磁场发生器工作频率35Hz，工作电流50A，合金熔体温度为1170～1175℃。板坯微观组织细化，羽状晶基本消失，等轴晶比例由＜30％上升为＞50％，晶粒尺寸分布均匀程度显著提高，施加磁场后，板坯铸造组织得到明显改善，板坯横截面的铸造组织宏观形貌如图4c所示。

实施例9

3t水平连铸炉，生产合金为C52400。磁场发生器工作频率35Hz，工作电流100A，合金熔体温度为1175～1195℃。板坯微观组织细化，羽状晶基本消失，等轴晶比例由＜30％上升为＞50％，晶粒尺寸分布均匀程度显著提高，施加磁场后，板坯铸造组织得到明显改善，板坯横截面的铸造组织宏观形貌如图4d所示。

实施例的试验数据表明，当输入电流大于20安培时，羽状晶基本消失，板坯铸造组织形貌得到本质性改善；随着输入电流强度的增加，板坯细化效果逐渐显著，但细化效果没有随着电流强度增加呈而单线性增加。

磁场频率对于电磁力的作用效果有较大影响，由于金属熔体的集肤效应，距离铸坯表面越远，磁场强度越弱，电磁力也就越小，其衰减程度与频率的1/2次幂成反比关系，因此随着频率增加，作用于熔体心层与表层的电磁力差异逐渐增大，不利于铸造组织的均匀分布。选择较低的工作频率，有利于得到相对均匀的铸造组织。当频率介于10～35赫兹时，可以取得明显的细化效果，选择较低频时，板坯的组织均匀性相对增加，表明较低频率更有利于改善板坯的铸造组织。

施加电磁场后，除铸造组织得到细化外，板坯的致密性得到改善，合金元素分布也趋于均匀化，锡磷青铜合金铸造过程中常见的反偏析现象得到很大程度的有效抑制。该工艺技术极大地提高了锡磷青铜板坯的加工性能，降低了轧制板带的开裂缺陷率，提高了合金的成材率。

由于反偏析得到抑制，微观组织得到改善，微观缺陷密度下降，使得铸造板坯的均匀化退火时间大幅度缩减，从而降低了能耗、设备损耗以及人工成本，可以生产传统工艺难以制备的C52400板带。试验数据表明，多数锡磷青铜合金牌号采用本发明工艺方法制备的板坯，均可以采用短时间均匀化处理工艺，部分合金牌号可以免除均匀化处理，直接进行轧制加工，均得到合格的板带产品。

鉴于细化效果与能耗的综合考虑，推荐优先选用频率15～35赫兹、电流20～50安培作为锡磷青铜板坯电磁辅助铸造的工艺参数。该工艺获得的水平连铸板坯，等轴晶比例提高50～100％，均匀化退火时间由原来的8小时以上降低到4～5小时，部分牌号均匀化退火时间下降到4小时以下，开坯及中精轧过程，板坯塑性加工能力提高5～12％。

综上所述，采用本发明技术方案，磁场分布均匀，设备运行能耗低，合金板带铸造组织得到显著改善。感生磁场方向为双向往复式，磁场的换向周期为7～15秒，磁场方向垂直于拉坯方向，并周期性改变方向，往复式的电磁场对于结晶前沿的熔体进行对称、均匀的强制搅拌，增加游离晶核数量并使之均匀分布，使熔体中合金元素分布更均匀，抑制偏析和反偏析，起到了均匀成分、细化组织的作用。采用本发明工艺方法制备的板坯，其组织均匀性与致密性大大提高，板坯塑性加工能力提高，退火时间缩短，提高了生产效率，降低了生产成本。

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.铜合金板带电磁辅助铸造方法，在保温炉侧面安装电磁辅助铸造装置，所述电磁辅助铸造装置包括线性磁场发生器、石墨结晶器和结晶器填料框架，所述线性磁场发生器设置在石墨结晶器上方，并位于石墨结晶器与结晶器填料框架之间，其特征在于：所述线性磁场发生器通入频率可调的交流电，驱动线性磁场发生器产生频率可调的感应磁场，感应磁场的频率为10～35赫兹，感应磁场方向为双向往复，感应磁场的换向周期为7～15秒；所述感应磁场作用于石墨结晶器内熔体结晶前沿，熔体在感应磁场作用下凝固。

2.根据权利要求1所述的铜合金板带电磁辅助铸造方法，其特征在于：所述线性磁场发生器通入电流强度为1～100安培频率可调的交流电。

3.根据权利要求2所述的铜合金板带电磁辅助铸造方法，其特征在于：所述线性磁场发生器通入电流强度为20～50安培频率可调的交流电。

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