CN101905298A - 一种制备铜或铜合金板坯的装置及方法 - Google Patents

Abstract

一种制备铜或铜合金板坯的装置及方法，属于冶金技术领域，装置包括电磁发生系统、浇嘴和结晶器，浇嘴底部设有浇嘴出口，电磁发生系统包括线圈，结晶器4个侧板上开设有结晶器切缝，结晶器下方设有冷水管；线圈的中心与浇嘴出口的垂直距离为30～100mm。方法为：将铜或铜合金的熔体浇注进入结晶器进行半连续铸造，同时通过电源向线圈供电，使线圈对结晶器内的熔体施加电磁场，同时向冷水管内通水，水从出水孔出来后淋到铸锭表向。采用本发明的装置和方法与原有技术相比可以有效地消除铸造过程中粗大柱状晶。进而减少了铸造过程的裂纹开裂。

Description

一种制备铜或铜合金板坯的装置及方法

技术领域

本发明属于冶金技术领域，特别涉及一种制备铜或铜合金板坯的装置及方法。

背景技术

目前，大尺寸铜合金坯料一般采用立式半连续铸造法生产，但在现有的立式半连续铸造过程中，由于缺乏有效的调控凝固过程的手段，生产的铸坯往往存在各种缺陷，如表面粗糙、裂纹、晶粒粗大、柱状晶发达、偏析、缩孔和疏松等，这些缺陷直接影响了产品的质量、生产效率和生产成本，尤其对裂纹倾向较强的合金如铁青铜、复杂黄铜等，铸造速度快时极易产生裂纹，已成为生产中的瓶颈问题。采用无模电磁铸造方法虽然可提高铸坯的质量，但由于铜合金液完全由电磁场约束成形，工艺过程极难控制，常产生铜合金液泄漏或塌落，生产率和成品率较低。

发明内容

本发明的目的是针对铜和铜合金板坯生产中不足之处，提供一种制备铜或铜合金板坯的装置及方法，通过改进结晶器的结构，并调整铸造方案，减少铜合金铸坯内外缺陷，提高其表面质量。

本发明的制备铜或铜合金板坯的装置包括电磁发生系统、塞棒、炉头箱、浇嘴和结晶器，浇嘴底部设有浇嘴出口，电磁发生系统包括电源、供水装置、线圈和水箱，电源通过导线与线圈连接，供水装置通过管道与水箱连接，线圈位于水箱内且线圈位于结晶器外侧；结晶器包括两块大面侧板和两块小面侧板，4个侧板构成一个长方形箱体，每个侧板的内壁上设有石墨板，每个侧板内部设有一冷水腔、冷却水道和二冷水腔，一冷水腔与侧板外壁上的进水口连通，二冷水腔与侧板内壁上的出水口连通，出水口位于石墨板的下方；4个侧板及4个石墨板的上方设有压板，4个侧板的下方设有底板；其中4个侧板上开设有结晶器切缝，结晶器切缝位于相邻的两个冷却水道之间，结晶器切缝的一端位于各侧板的外壁上，另一端与石墨板连接；结晶器下方设有冷水管，冷水管上开设有水孔；线圈的中心与浇嘴出口的垂直距离为30～100mm。

上述的结晶器切缝在侧板上均匀分布，相邻的两个结晶器切缝之间的距离为20～50mm。

上述的结晶器切缝的高度为100～300mm，宽度为1～3mm。

上述的冷水管为两个，分别位于两个大面侧板的下方，冷水管与大面侧板之间的垂直距离为10～200mm 。

上述的冷水管上的水孔的轴线与水平面之间的夹角为30°～60°，且水孔位于结晶器轴线一侧。

上述的炉头箱由外壳和保温材料构成，塞棒固定在炉头箱上方，并能够上下运动，炉头箱底部连接有浇嘴，浇嘴内设有浇嘴流道分别与炉头箱内部和浇嘴出口连通，浇嘴出口的轴线与浇嘴流道的轴线之间的夹角为60°～120°

本发明制备铜或铜合金板坯的方法是：

采用上述装置，将铜或铜合金的熔体浇注到炉头箱中，向上移动塞棒使熔体进入炉头箱内和浇嘴流道内，并从浇嘴出口进入结晶器，对熔体进行半连续铸造，同时通过电源向线圈供电，使线圈对结晶器内的熔体施加电磁场，向进水口内通水使熔体凝固形成铸锭，同时向冷水管内通水，水从出水孔出来后淋到铸锭表面；其中电磁场频率为5～30Hz，熔体浇注温度为1150～1250℃，结晶器内的电磁场强度为25000～80000安匝，半连续铸造速度为50～150mm/min，结晶器的出水口的水流量为0.5～6L/min·mm，冷水管的水孔的水流量为0.5～6L/min·mm。

本发明的技术原理是：生产铜或铜合金时，在结晶器外侧设置电磁线圈，线圈中施加低频电流，这样在结晶器内就会产生低频电磁场，在铜熔体中产生感生电流，电流与磁场相互作用下产生一个洛伦兹力。由于铸锭与结晶器几何形状在垂直方向的不对称性，使得磁力线相对于铸锭的中心线发生了显著的偏转，导致熔体内部Lorentz力的时间平均值同时存在垂直分量和水平分量。其中水平分量为与金属静压力梯度平衡的有势力，而垂直分量为有旋力场，起到了搅拌熔体的作用。Lorentz力水平分量使得熔体自由表面形成凸起的弯月形，从而减小了熔体与结晶器接触高度和接触压力，实现了所谓的软接触，改变了一次冷却区热通量的大小与分布情况，起到了减弱一次冷却强度的作用，使初生凝固壳形成位置下降，表面渗出现象减弱。Lorentz力垂直分量形成的有旋力场起到了电磁搅拌的作用，流动场与无心感应炉中熔融金属的流动场类似，测量表明熔体内部的温度场受到电磁搅拌的强烈影响，有旋分量产生的强迫对流将中心区域的过热熔体带向铸锭的边缘区域，因此消除了中心区域的局部过热，减小整个液相区内温度差，使熔体温度低于液相线温度。对于具有较宽结晶温度区间的合金，两相区可能扩展到整个液相区，强迫对流将初生凝固壳处形成的枝晶臂熔断并带入液穴内部形成异质结晶核心，起到了晶粒细化和抑制枝晶生长的作用，消除铜和铜合金铸锭中的粗大柱状晶。

本发明通过在侧板上设置切缝，使电磁场对熔体的作用更强，对流效果更明显，由于凝固过程的改变使合金晶粒内固溶的合金元素含量增加。由于晶粒细化晶界增加，从而凝固末期残余液相浓度降低，并且金属间化合物细化、含量减少。因此凝固后期以及冷却过程中的合金强度与塑性都显著提高，铸锭的抗裂纹能力增加。同时在二冷水腔下方安置冷水管进行三次水冷是为了补偿大面中心冷却不足。

采用本发明的装置和方法与原有技术相比可以有效地消除铸造过程中粗大柱状晶。进而减少了铸造过程的裂纹开裂。

附图说明

图1为本发明实施例中的制备铜及铜合金板坯装置结构示意图；

图2为本发明实施例中结晶器的主视图；

图3为图2的俯视图；

图4为本发明实施例中的电磁发生装置结构示意图；

图中1、塞棒；2.铜熔体；3、炉头箱；4、浇嘴流道；5、浇嘴；6.浇嘴出口；7、压板；8、石墨板；9、结晶器；10、进水口；11、冷却水道；12、电磁发生系统；13、二冷水腔；14、底板；15、出水口；16、冷水管；17、冷水通道；18、二冷水；19、三冷水；20、熔体液面；21、液态区；22、液相线；23、两相区；24、固相线；25、固态区；26、结晶器切缝；27、大面侧板；28、小面侧板；29、螺母；30、螺杆；31、过度板；32、电源；33、供水装置；34、出水管；35、入水管；36、水箱水管；37、导线；38、线圈；39、水箱。

图5为本发明实施例1中的制备的C19210铜合金铸锭及传统DC铸造方法制备的C19210铜合金铸锭的纵横断面组织照片图；

图中a、传统DC铸造方法制备的C19210铜合金铸锭横断面组织图；b、传统DC铸造方法制备的C19210铜合金铸锭纵断面组织图；c、本发明的方法制备的C19210铜合金铸锭横断面组织图；d、本发明的方法制备的C19210铜合金铸锭纵断面组织图。

具体实施方式

本发明实施例中的电磁发生系统包括电源、供水装置、线圈和水箱，电源通过导线与线圈连接，供水装置通过管道与水箱连接，线圈位于水箱内且线圈位于结晶器外侧，其中线圈由耐水耐压铜线缠绕而成的，当电流通过铜线时会产生焦耳热，因此通电的同时要用供水装置提供的冷却水将线圈冷却。

本发明实施例中的塞棒由石墨加工而成，被固定在炉头箱上，并且可以自由上下直线运动；炉头箱由外面的铁皮和内部的保温材料制成，与塞棒接触位置由石墨制成，并镶嵌在保温材料中；浇嘴由石墨加工而成，用螺纹连接在炉头箱下面。

本发明实施例中的结晶器的侧板由紫铜加工而成，4块侧板通过连接螺栓将大小面壁紧固成一体，构成长方形结晶器箱体，各侧板的内表面下方设置有一道燕尾槽，用于设置安放石墨板；结晶器内壁上位于石墨板下方的部分经过镀铬处理；石墨板通过压板固定在结晶器的各侧板上。

本发明实施例中的冷水管用304不锈钢制成。

本发明实施例中C19210铜合金的化学成分按重量百分比为Fe 0.05～0.15％，P0.025～0.04％，余量为铜；C19400铜合金的化学成分按重量百分比为Fe 2.1～2.6％，P0.015～0.15％，Zn0.05～0.2％，余量为铜；C51900铜合金的化学成分按重量百分比为Sn6.0～7.0％，P0.1～0.25％，余量为铜。

实施例1

制备铜及铜合金板坯装置结构如图1所示，包括电磁发生系统12、塞棒1、炉头箱3、浇嘴5和结晶器9，浇嘴5底部设有浇嘴出口6，电磁发生系统12包括电源32、供水装置33、线圈38和水箱39，电源32通过导线37与线圈38连接，供水装置33通过水箱水管36与水箱39连接，线圈38位于水箱39内且线圈位于结晶器9外侧；结晶器9包括两块大面侧板27和两块小面侧板28，4个侧板构成一个长方形箱体，通过螺母29和螺杆30固定在一起，大面侧板27和小面侧板28之间设有过度板31，每个侧板的内壁上设有石墨板8，每个侧板内部设有一冷水腔、冷却水道11和二冷水腔13，一冷水腔与侧板外壁上的进水口10连通，二冷水腔13与侧板内壁上的出水口15连通，出水口13位于石墨板8的下方；4个侧板及4个石墨板的上方设有压板7，4个侧板的下方设有底板14。

4个侧板上开设有结晶器切缝26，结晶器切缝26位于相邻的两个冷却水道11之间，结晶器切缝26的一端位于各侧板的外壁上，另一端与石墨板8连接。

结晶器9下方设有冷水管16，冷水管16上开设有水孔。

线圈38的中心与浇嘴出口6的垂直距离为80mm。

上述的结晶器切缝26在侧板上均匀分布，相邻的两个结晶器切缝26之间的距离为30mm。

上述的结晶器切缝26的高度为270mm，宽度为2.5mm。

上述的冷水管为两个，分别位于两个大面侧板的下方，冷水管与大面侧板之间的垂直距离为50mm。

上述的冷水管16上的水孔的轴线与水平面之间的夹角为45°，且水孔位于结晶器9轴线一侧。

上述的炉头箱3由外壳和保温材料构成，塞棒1固定在炉头箱3上方，并能够上下运动，炉头箱3底部连接有浇嘴5，浇嘴5内设有浇嘴流道4分别与炉头箱3内部和浇嘴出口6连通，浇嘴出口6的轴线与浇嘴流道4的轴线之间的夹角为110°。

采用上述装置制备C19210铜合金，将铜合金的熔体浇注到炉头箱中，向上移动塞棒使熔体进入炉头箱内和浇嘴流道内，并从浇嘴出口进入结晶器，对熔体进行半连续铸造，同时通过电源向线圈供电，使线圈对结晶器内的熔体施加电磁场，向进水口内通水，水在冷却水道内流动对熔体进行一次冷却，然后二冷水18从出水口流出，二次冷却使熔体凝固形成铸锭(即固态区)，同时向冷水管内通水，三冷水19从出水孔出来后淋到铸锭表面；熔池内为铜熔体2，整个熔池的最上面是熔体液面20，液态区21和两相区23之间是液相线22，两相区23和固态区25之间是固相线24。

其中电磁场频率为15Hz，熔体浇注温度为1180℃，结晶器内的电磁场强度为60000安匝，半连续铸造速度为80mm/min，出水口流出的总水量为4L/min·mm，水孔流出的总水量为1L/min·mm

获得的C19210铜合金铸锭尺寸为200×400×8000mm；晶粒为细小柱状，晶粒内Fe含量11wt％，裂纹率为0。

采用传统DC铸造方法制备同种类型的铜合金铸锭，其晶粒为粗大柱状，晶粒内Fe含量11wt％，裂纹率为60％。

实施例2

制备铜及铜合金板坯装置结构同实施例1，不同点在于：线圈38的中心与浇嘴出口的垂直距离为40mm；相邻的两个结晶器切缝之间的距离为25mm；结晶器切缝的高度为150mm，宽度为2mm；冷水管与大面侧板之间的垂直距离为15mm；冷水管上的水孔的轴线与水平面之间的夹角为30°；浇嘴出口的轴线与浇嘴流道的轴线之间的夹角为90°。

采用上述装置制备C19400铜合金，方法同实施例1，不同点在于：其中电磁场频率为5Hz，熔体浇注温度为1150℃，结晶器内的电磁场强度为25000安匝，半连续铸造速度为50mm/min，出水口流出的总水量为0.5L/min·mm，水孔流出的总水量为3L/min·mm。

获得的C19400铜合金铸锭尺寸为80×160×2000mm；晶粒为细小柱状，晶粒内Fe含量1.72wt％，裂纹率为0。

采用传统DC铸造方法制备同种类型的铜合金铸锭，其晶粒为粗大柱状，晶粒内Fe含量0.96wt％，裂纹率为40％。

实施例3

制备铜及铜合金板坯装置结构同实施例1，不同点在于：线圈38的中心(轴线中心)与浇嘴出口的垂直距离为40mm；相邻的两个结晶器切缝之间的距离为50mm；结晶器切缝的高度为300mm，宽度为3mm；冷水管与大面侧板之间的垂直距离为200mm；冷水管上的水孔的轴线与水平面之间的夹角为60°；浇嘴出口的轴线与浇嘴流道的轴线之间的夹角为60°°。

采用上述装置制备C51900铜合金，方法同实施例1，不同点在于：其中电磁场频率为30Hz，熔体浇注温度为1250℃，结晶器内的电磁场强度为80000安匝，半连续铸造速度为150mm/min，出水口流出的总水量为6L/min·mm，水孔流出的总水量为2L/min·mm。

获得的C51900铜合金铸锭尺寸为80×160×2000mm；晶粒为细小柱状，晶粒内Sn含量4.93wt％，距大面表面距离0mm处的Sn偏析为6.52wt％，距大面表面距离10mm处的Sn偏析为6.55wt％，距大面表面距离20mm处的Sn偏析为6.63wt％，距大面表面距离30mm处的Sn偏析为6.45，距大面表面距离40mm处的Sn偏析为6.35wt％。

采用传统DC铸造方法制备同种类型的铜合金铸锭，其晶粒为粗大柱状，晶粒内Sn含量3.47wt％，裂纹率为40％，距大面表面距离0mm处的Sn偏析为7.69wt％，距大面表面距离10mm处的Sn偏析为6.46，距大面表面距离20mm处的Sn偏析为6.54wt％，距大面表面距离30mm处的Sn偏析为6.3wt％，距大面表面距离40mm处的Sn偏析为6.1wt％。

Claims (6)

1.一种制备铜或铜合金板坯的装置，包括电磁发生系统、塞棒、炉头箱、浇嘴和结晶器，浇嘴底部设有浇嘴出口，电磁发生系统包括线圈，结晶器包括两块大面侧板和两块小面侧板，4个侧板构成一个长方形箱体，每个侧板的内壁上设有石墨板，每个侧板内部设有一冷水腔、冷却水道和二冷水腔，一冷水腔与侧板外壁上的进水口连通，二冷水腔与侧板内壁上的出水口连通，出水口位于石墨板的下方；其特征在于：4个侧板上开设有结晶器切缝，结晶器切缝位于相邻的两个冷却水道之间，结晶器切缝的一端位于各侧板的外壁上，另一端与石墨板连接；结晶器下方设有冷水管，冷水管上开设有水孔；线圈的中心与浇嘴出口的垂直距离为30～100mm。

2.根据权利要求1所述的一种制备铜或铜合金板坯的装置，其特征在于所述的结晶器切缝在侧板上均匀分布，相邻的两个结晶器切缝之间的距离为20～50mm。

3.根据权利要求1所述的一种制备铜或铜合金板坯的装置，其特征在于所述的结晶器切缝的高度为100～300mm，宽度为1～3mm。

4.根据权利要求1所述的一种制备铜或铜合金板坯的装置，其特征在于所述的冷水管为两个，分别位于两个大面侧板的下方，冷水管与大面侧板之间的垂直距离为10～200mm。

5.根据权利要求1所述的一种制备铜或铜合金板坯的装置，其特征在于所述的冷水管上的水孔的轴线与水平面之间的夹角为30°～60°，且水孔位于结晶器轴线一侧。

6.采用权利要求1所述的装置制备铜或铜合金板坯的方法，其特征在于按以下步骤进行：将铜或铜合金的熔体浇注到炉头箱中，向上移动塞棒使熔体进入炉头箱内和浇嘴流道内，并从浇嘴出口进入结晶器，对熔体进行半连续铸造，同时通过电源向线圈供电，使线圈对结晶器内的熔体施加电磁场，向进水口内通水使熔体凝固形成铸锭，同时向冷水管内通水，水从出水孔出来后淋到铸锭表面；其中电磁场频率为5～30Hz，熔体浇注温度为1150～1250℃，结晶器内的电磁场强度为25000～80000安匝，半连续铸造速度为50～150mm/min，结晶器的出水口的水流量为0.5～6L/min·mm，冷水管的水孔的水流量为0.5～6L/min·mm。

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