CN101722296A - 利用吸铸研究薄带连铸凝固的物理模拟方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种薄带连铸凝固过程的物理模拟方法及其实现装置，属金属凝固组织生长过程物理模拟及控制领域。本发明提出了一种薄带连铸过程凝固过程物理模拟的方法，使物理模拟试验能达到实际薄带连铸的冷却速率，模拟薄带连铸的传热过程；通过调整合金元素成分、薄带厚度来研究薄带连铸的凝固组织演变规律及凝固的基本规律，并可对比研究薄带连铸过程中轧制力对凝固的影响规律。本发明提供了一套能够实现对薄带连铸凝固过程进行物理模拟的设备。本发明设计了结构精简，规模小、灵活巧妙的物理模拟装置。本发明装置主要参数为：极限真空度6.6×10^-4Pa，水冷铜坩埚半径25mm，坩埚数量4个，工作电流800-1000A，电磁搅拌0-200rpm。

Description

利用吸铸研究薄带连铸凝固的物理模拟方法及装置

技术领域

本发明涉及一种薄带连铸凝固物理模拟方法及其实现装置，属金属凝固组织生长过程物理模拟及控制领域。

背景技术

薄带连铸被认为是生产厚1～10mm薄带最有前途的一种近终形连铸技术，其主要优点在于：使用它可以省去热轧工艺过程，并可以节省大量成本。由于这种工艺能从熔融金属直接铸出小于10mm厚的薄带，从而省去了昂贵和复杂的热轧设备，和常规的生产工艺相比，既可以减少设备投资又可以降低生产成本30％以上。此外，由于快速凝固和直接成型的特点，采用双辊薄带连铸技术还有可能改善材料性能，并可望解决某些材料塑性差和难加工的问题，在这方面，双辊薄带连铸将起到重要的作用。它与传统的连续铸钢相比，将铸造和热轧合为一个操作，即显著缩短了生产步骤，又节约了大量的能源。由于它在经济和冶金上的突出特点，因而在世界范围内开展了许多工作来发展近终形铸造工艺。

双辊式薄带连铸技术已经在连铸生产不锈钢、碳钢上有应用，取得了一些研究成果。双辊薄带连铸过程具有亚快速凝固的特点(冷却速度为10²-10³K/s)，可以用来生产塑性差、难加工的材料，还能改善材料性能。这也使得这一技术在硅钢薄带上得到了越来越重要的应用。

而目前对薄带连铸凝固过程的研究，主要采用两种途径：一、应用数值模拟的方法，来模拟连铸过程各个部分的流场、温度场、溶质场，在此基础上来预测连铸过程的凝固过程。这种方法有其先天的缺陷，即假设了很多的前提条件，致使模拟结果和实际结果有一定的偏差。二、应用物理模拟的方法，主要是应用水、石腊或低熔点金属液来模拟连铸过程进而推断其凝固组织。但此法缺乏直接性，没有直接和凝固组织联系起来。另外即便工业试验可以解决很多模拟技术难以解决的问题，但其高成本也使得研究工作难以广泛有效地开展。

因此现在对薄带连铸过程的研究急需在研究方法上找到一个突破口，亦即如何能够回避上述两种方法的种种缺点，实现连铸过程的实验室准确模拟。其关键技术在于：(1)找到一个准确模拟薄带连铸过程凝固过程的方法，这种方法能够模拟连铸过程中传热传质过程，能够模拟连铸过程中金属晶体的生长过程。(2)能够制造实现上述模拟方法的设备。如果能够在这两个关键点上获得突破，将极大地提高薄带连铸研究水平。

发明内容

本发明的目的是提出一种研究薄带连铸凝固物理模拟实验的方法，并开发一套实现上述模拟方法的设备。

本发明提出了一种能很好模拟薄带连铸过程中凝固组织生长过程及研究其凝固基本规律的方法。本发明在发现薄带连铸生产中组织转变过程有一定相似性的基础上，通过模铸获得亚快速凝固条件下薄带，实现了对薄带连铸过程凝固组织生长过程的物理模拟，并能对比研究不同实际薄带连铸凝固形式下轧制力对薄带连铸凝固的影响。

本发明的利用吸铸研究薄带连铸凝固的物理模拟方法，该方法利用纽扣炉和吸铸系统实现薄带凝固过程的物理模拟；熔炼室(1)及吸铸室(5)的真空度通过分子泵系统包括机械泵的前级泵获得；原料放入水冷铜坩埚(3)内，通过钨电极(2)非接触引弧，待原料全部熔化后，由坩埚底部施加电磁搅拌使原料成分均匀；然后将金属液吸铸至铜模具(6)内，铜模通过不同配合方式可获得三种不同厚度；在水冷坩埚底部导流管处放置一个快速热电偶(7)以采集真实的浇注温度，在铜模具内部再放置一条快速热电偶采集实际冷却曲线；温度数据通过快速热测控软件系统(8)传送到电脑(4)；该方法的特征在于：

a)在满足实际薄带连铸生产冷却条件的基础上，减小装置的规模，从而节约实验成本并减少试验周期，并能巧妙地模拟薄带连铸，研究金属在亚快速凝固条件下的凝固基本规律；

b)在电弧炉+吸铸系统中将金属液快速浇注进铜模里获得不同厚度的薄带，而这些薄带能很好的模拟实际薄带连铸中半固态型组织，研究薄带在亚快速凝固条件下的凝固基本规律；

c)薄带连铸中金属凝固过程的最主要包括两个特征：一是激冷条件下的亚快速凝固，二是铜辊对钢液的挤压作用，采用纯铜模具以保证凝固速率，并可对比研究无轧制力作用下薄带的凝固规律；

d)在水冷铜坩埚底部导流管末端布置快速电偶来获得真实的浇注温度，在铜模内部布置快速热电偶，采集凝固过程中实时温度变化，以更准确的研究薄带凝固规律；

e)在真空电弧熔炼炉的基础上改造，巧妙的设计铜模来获得不同厚度的薄带，以研究不同冷却条件下金属的凝固，模具可通过两半模具的上下组合，可以形成三种模腔厚度获得3种不同厚度的薄带。

薄带连铸技术的基本原理是将金属液浇入两个逆向旋转的金属辊子及两侧的侧封中间形成熔池区，经过轻微轧制和复杂的热传导过程而形成薄带，金属液接触水冷辊套部分经传导散热，首先成为半凝固层，然后在双辊的逆向转动下进入吻合点，并最终成为薄带。所以，薄带连铸中金属凝固过程的最主要特征有两点：一是激冷条件下的亚快速凝固，二是铜辊对钢液的挤压作用；薄带连铸过程按全凝固点的位置可以分为轧制型、凝固结束型和半固态型三种类型，其中轧制型是薄带在二辊最小间隙以上凝固完毕，全凝固点位于铸辊出口上方，此时薄带在成形并离开辊缝前会受到铸辊的挤压作用。半固态型是薄带出辊后仍有未凝固完的金属液，全凝固点位于铸辊出口下，而凝固结束型则是薄带在两辊最小间隙处刚好凝固完全，凝固点位于铸辊出口处，固体金属几乎不发生挤压变形。半固态型和凝固结束型在其凝固过程中，均不会受到铸辊的挤压，不存在轧制作用。本设备保留了激冷特征，其提供的薄带凝固过程及凝固组织与双辊薄带凝固过程及凝固组织相似；由于在模铸条件下排除了轧制力的作用，可用于对比研究轧制力在薄带连铸过程中的影响。

对于薄带连铸凝固的研究，有的是直接分析工业生产的产品，有的是采用实验铸机改变实验条件研究，一般的薄带连铸模拟试验机都采取双辊或单辊的形式，这些方法都存在实验成本高，实验周期长等问题。并且在实际操作过程中，工艺参数的控制很难准确获得不同凝固形式的铸态组织，而该设备首先能实现薄带连铸的铸带传热条件的模拟，冷却强度与实际薄带连铸接近；其次能够实现薄带的无轧制成型和数据的实时采集。最后，某些特殊金属如硅钢等的熔炼需要特定的气氛条件，而且在薄带的凝固过程中也易氧化，所以也需要特定的保护气氛，本设备能在真空电弧熔炼炉腔体内保证较高的金属液纯净度。

本发明开发了一套能够实现对薄带连铸过程凝固模拟的设备。

针对于上述模拟方法的要求，通过对真空电弧熔炼炉+吸铸设备进行改造，在冷却条件接近的基础上，能节约实验成本和实试验周期，并巧妙的模拟薄带连铸的凝固过程，研究其凝固基本规律。该物理模拟装置主要由真空系统、熔炼系统、充气系统、吸铸铜模具和数据采集系统组成。

其中关键部分：

熔炼系统，该主要为电弧熔炼炉，电弧熔炼阳极采用水冷铜坩埚，坩埚数量为4个，坩埚半径25mm；钨电极，引弧方式为非接触，电弧熔炼稳定工作电流800-1000A；坩埚底部加电磁搅拌，搅拌强度范围为0-200rpm；真空室内有机械手翻转。

温度测控系统，由快速热测控软件系统、热电偶和工控机构成。两路快速电偶能同步采集到浇注温度和薄带的凝固温度曲线。

真空系统及充气系统，对于易氧化的金属在熔炼和凝固过程中都需要一定的气氛保护；该系统为分子泵系统包括机械泵的前级泵，真空测量采用数显真空计；真空系统可根据不同试验原料的具体情况来选择真空度，电弧熔炼室极限真空度6.6×10^-4Pa(冷态)。

本发明装置具有的主要参数为：极限真空度6.6×10^-4Pa，水冷铜坩埚半径25mm，坩埚数量4个，引弧方式为非接触式，工作电流800-1000A，电磁搅拌0-200rpm。铜模通过两半模具的上下组合，可以形成三种厚度的内腔，分别为2mm、4mm、6mm。

附图说明

图1为利用吸铸研究薄带连铸凝固的物理模拟方法的装置示意图。

图2为本发明真空吸铸模具。

图1中各数字代号表示如下：

1.熔炼室  2.钨电极  3.水冷铜坩埚  4.电脑  5.吸铸室  6.铜模具  7.热电偶  8.数据采集系统

具体实施方式

现结合附图将本发明的具体实施例进一步说明如后。

采用牌号为Si含量为3.0wt％的硅钢为原料，准备好模具和数据采集系统，将配好成分的原料混合放置进电弧熔炼炉的铜坩埚里。开机械泵预抽真空到3-7Pa，再开分子泵抽真空，到真空度为5×10^-3Pa，关闭分子泵阀门，停止分子泵和机械泵。往纽扣炉内充高纯氩气到-0.08MPa(0.2大气压)。用电弧将原料熔化成液态，然后在继续熔炼的同时，开磁搅拌促使合金成分均匀，磁搅拌电流约为0-8A。反复熔炼搅拌合金3-5次。将熔配好的合金移至浇铸坩埚。引弧熔炼，到合金全部熔化的时候适当加大引弧电流，使合金液顺着导流管流下浇铸到模具中成型。

薄带厚度	最大冷却速率	实际硅含量
			2mm	3624K/s	2.18wt.％

本发明的利用吸铸研究薄带连铸凝固的物理模拟方法的装置(图1)，该装置由真空系统、熔炼系统、充气系统、吸铸系统和数据采集系统组成，其特征在于：熔炼系统为电弧熔炼炉方式，电弧熔炼阳极采用水冷铜坩埚，钨电极，引弧方式为非接触式，坩埚底部加电磁搅拌，吸铸室5位于熔炼室1的下方，熔炼室1分别与真空系统及充气系统相连，真空系统为分子泵系统包括机械泵；水冷铜坩埚3位于钨电极2的下方且非接触，铜模具6位于吸铸室5内，且位于水冷铜坩埚3的下方；在水冷坩埚底部导流管处放置一个快速热电偶7以采集真实的浇注温度，在铜模具(图2)内部再放置一条快速热电偶采集实际冷却曲线；两路快速热电偶通过数据采集系统8与电脑4相连。该装置具有的主要参数为：极限真空度6.6×10^-4Pa，水冷铜坩埚半径25mm，坩埚数量4个，工作电流800～1000A，电磁搅拌0～200rpm；铜模通过两半模具的上下组合，可以形成三种厚度的内腔，分别为2mm、4mm、6mm。

Claims (3)

1.一种利用吸铸研究薄带连铸凝固的物理模拟方法，该方法利用纽扣炉和吸铸系统实现薄带凝固过程的物理模拟；熔炼室(1)及吸铸室(5)的真空度通过分子泵系统包括机械泵的前级泵获得；原料放入水冷铜坩埚(3)内，通过钨电极(2)非接触引弧，待原料全部熔化后，由坩埚底部施加电磁搅拌使原料成分均匀；然后将金属液吸铸至铜模具(6)内，铜模通过不同配合方式可获得三种不同厚度；在水冷坩埚底部导流管处放置一个快速热电偶(7)以采集真实的浇注温度，在铜模具内部再放置一条快速热电偶采集实际冷却曲线；温度数据通过快速热测控软件系统(8)传送到电脑(4)；该方法的特征在于：

a)在满足实际薄带连铸生产冷却条件的基础上，减小装置的规模，从而节约实验成本并减少试验周期，并能巧妙地模拟薄带连铸，研究金属在亚快速凝固条件下的凝固基本规律；

b)在电弧炉+吸铸系统中将金属液快速浇注进铜模里获得不同厚度的薄带，而这些薄带能很好的模拟实际薄带连铸中半固态型组织，研究薄带在亚快速凝固条件下的凝固基本规律；

c)薄带连铸中金属凝固过程的最主要包括两个特征：一是激冷条件下的亚快速凝固，二是铜辊对钢液的挤压作用，采用纯铜模具以保证凝固速率，并可对比研究无轧制力作用下薄带的凝固规律；

d)在水冷铜坩埚底部导流管末端布置快速电偶来获得真实的浇注温度，在铜模内部布置快速热电偶，采集凝固过程中实时温度变化，以更准确的研究薄带凝固规律；

e)在真空电弧熔炼炉的基础上改造，巧妙的设计铜模来获得不同厚度的薄带，以研究不同冷却条件下金属的凝固，模具可通过两半模具的上下组合，可以形成三种模腔厚度获得3种不同厚度的薄带。

2.一种利用吸铸研究薄带连铸凝固的物理模拟方法的装置，该装置由真空系统、熔炼系统、充气系统、吸铸系统和数据采集系统组成，其特征在于：熔炼系统为电弧熔炼炉方式，电弧熔炼阳极采用水冷铜坩埚，钨电极，引弧方式为非接触式，坩埚底部加电磁搅拌，吸铸室(5)位于熔炼室(1)的下方，熔炼室(1)分别与真空系统及充气系统相连，真空系统为分子泵系统包括机械泵；水冷铜坩埚(3)位于钨电极(2)的下方且非接触，铜模具(6)位于吸铸室(5)内，且位于水冷铜坩埚(3)的下方；在水冷坩埚底部导流管处放置一个快速热电偶(7)以采集真实的浇注温度，在铜模具内部再放置一条快速热电偶采集实际冷却曲线；两路快速热电偶通过数据采集系统(8)与电脑(4)相连。

3.如权利要求2所述的装置，该装置具有的主要参数为：极限真空度6.6×10^-4Pa，水冷铜坩埚半径25mm，坩埚数量4个，工作电流800～1000A，电磁搅拌0～200rpm；铜模通过两半模具的上下组合，可以形成三种厚度的内腔，分别为2mm、4mm、6mm。

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