CN102179505B - 一种同频脉冲磁场与脉冲电流细化金属凝固组织的方法 - Google Patents
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Abstract
一种同频脉冲磁场与脉冲电流细化金属凝固组织的方法，属金属凝固控制技术领域。该方法的主要特征是在金属凝固过程中向金属熔体内通入脉冲电流，同时对金属熔体施加与脉冲电流相同频率的脉冲磁场，通过脉冲磁场与脉冲电流的耦合作用，在熔体内产生磁-电冲击振荡效应，促进“结晶雨”的形成，起到细化金属凝固组织的效果。采用本发明的显著优势是相同作用频率和脉冲宽度的脉冲磁场与脉冲电流耦合作用具有显著的细化金属凝固组织效果，且脉冲充放电的节能效果显著。本发明可用于金属的模铸、半连铸及连铸，适合各种金属熔体的凝固组织细化。
Description
技术领域
本发明涉及金属凝固控制技术领域，特别涉及到一种同频脉冲磁场与脉冲电流细化金属凝固组织的方法。
背景技术
金属材料的凝固组织控制是改善材料性能的重要手段，特别是材料的凝固细晶技术近年来广泛受到关注，被视为提高材料性能的主要手段之一，我国提出的超级钢发展规划也将晶粒细化作为实现超级钢制备的一条重要实现途径；针对凝固细晶的技术目前已有很多，传统的方法包括：快速凝固法、化学孕育法及外场控制法等；快速凝固法受冷却强度限制及凝固缺陷控制等因素的需要，很难实现大批量金属无缺陷凝固；化学孕育法是向熔体内加入孕育剂促进形核实现晶粒细化，但化学孕育法会给金属熔体带来一定程度的污染，而且孕育颗粒会影响材料的二次组织，降低材料的性能。
利用外场作用可以改善凝固结晶过程新相形成的热力学和动力学，提高形核速度而实现细晶；现有技术中，对熔体施加电磁场、超声场以及电场都已有研究，这几种外场都有各自的优点和不足；凝固过程的电磁搅拌技术可以减少柱状晶区而增大等轴晶区，同时具有细化晶粒的效果，其不足是细化晶粒的效果不太明显；超声场对凝固细晶也有明显的作用，其显著不足时超声场在熔体内的衰减严重，是材料的凝固组织不均匀，且变幅杆会污染金属；凝固过程施加电场，当电场较弱时，效果不明显，而当电场较强时会带来安全威胁，并且消耗太多的电能；中国专利（申请号：201010167538.3，发明名称：脉冲磁致液面振荡细化金属凝固组织的方法）公开了一种在金属液面上设置线圈施加脉冲磁场细化金属熔体凝固组织的方法；然而，在金属熔体凝固过程单一的施加电磁场、超声场以及电场都存在晶粒细化效果较弱，目前还没有可以直接通过凝固控制将晶粒细化到十个微米或几个微米尺度的技术，而单靠增加外场强度的方法又会带来能耗过高、操作安全等问题，例如，施加单一施加脉冲电场，当电场强度高时有很多不安全因素，而外加电磁场强度过高时，磁场在铸型或结晶器壁的磁屏蔽损耗大幅增加，不仅浪费能源，而且使得材料的内部组织均匀性差，这是由于外场在熔体内部的不均匀所导致的；因此，研究开发一种具有更高效的控制晶粒长大和细化晶粒的外场控制方法，这种外场要兼具有节约能源、易于实现和操作安全等特征，这对实现超细晶材料的制备是具有重要意义的。
发明内容
本发明的目的是提供一种利用同频脉冲磁场与脉冲电流耦合作用实现金属凝固组织细化的方法，解决目前金属凝固组织控制存在的细化效果差、凝固组织不均匀以及外场能耗高等问题。
本发明的目的是通过以下手段来实现的：在金属凝固成形用的铸型或结晶器外安置脉冲磁场线圈，当金属熔体浇入铸型或结晶器后，在熔体内插入电极并通入与脉冲磁场频率及脉冲宽度都相同的脉冲电流，使金属熔体在脉冲磁场与脉冲电流耦合作用下凝固，脉冲磁场与脉冲电流耦合，在熔体内产生非常强的瞬态磁-电冲击振荡效应，震碎晶粒从而促进“结晶雨”的形成，增加了熔体内结晶形核的核心，保证了细化金属凝固组织的效果。
本发明所用的脉冲磁场与通入熔体的脉冲电流的脉冲宽度和作用频率相同，即同时达到峰值，脉冲磁场与脉冲电流的脉冲宽度为10μs-50ms，作用频率为0.1-10 Hz，通过控制脉冲磁场的输入电流，控制脉冲磁场的峰值强度为0.1-10T，通入熔体的脉冲电流峰值密度为0.1-10 A/cm2。
以下结合本发明的示意图(见图1)，说明实现本发明的具体方案如下：
一种在同频脉冲磁场与脉冲电流耦合作用实现金属凝固组织细化的新方法，主要包括以下步骤：
a）金属熔体5浇注到铸型或结晶器内，特别说明的是，由于脉冲磁场及脉冲电流的热效应微弱，可以忽略其热效应对凝固的影响，因此，浇注温度与无外场下的浇注温度相同，其过热度无需调整；
b）脉冲磁场线圈5安置在铸型壁模或结晶器壁3的外侧，线圈高度与铸型壁模或结晶器壁内熔体的高度相同，使熔体在磁场范围内凝固；
c）将电极插入熔体，然后接通脉冲电场电源1，通过调压电阻8调整调整熔体内通入的脉冲电流参数；
d）向脉冲磁场的线圈中通入脉冲电流，脉冲磁场与通入熔体的脉冲电流用相同的脉冲电流波形，即脉冲宽度和脉冲频率完全相同，调整脉冲磁场的控制参数到规定范围；
e）直至金属完全凝固，关闭脉冲磁场与脉冲电流的电源；
实现本发明方法装置方面的特征是：
f）当金属熔体在固定铸型内凝固时，向熔体内通入脉冲电流的两个电极可以是一个固定于铸型底模2，一个安插在熔体液面上或铸型上部或顶部，如图1所示；
g）当金属熔体在半连铸或连铸结晶器内凝固时，向熔体内通入脉冲电流的两个电极分别安置于结晶器相对的两个壁面的上部和下部，也可以将底电极安置于引锭杆上，而顶电极安插在熔体液面上；
h）应当指出，从铸型或结晶器的其它位置向熔体内引入脉冲电流，即引入脉冲电流的电极换装在铸型或结晶器的其他部位，也属于本发明要保护的方案。
实现本发明的脉冲磁场与通入熔体的脉冲电流的参数方面的特征是：
i）脉冲磁场脉冲宽度为10μs-50ms，作用频率为0.1-10 Hz，通过控制脉冲磁场输入电流，控制脉冲磁场的峰值磁感应强度为0.1-10T；
j）通入熔体的脉冲电流的参数为：脉冲宽度为10μs-50ms，作用频率为0.1-10 Hz，脉冲电流峰值密度为：0.1-10 A/cm2；
k）脉冲磁场与通入熔体的脉冲电流用相同的脉冲波形，即脉冲宽度和脉冲频率完全相同，这样，脉冲磁场与熔体内的电流包括感应电流和通入的脉冲电流则同时达到最大值，在熔体内产生瞬态电磁激振效应；
l) 电源方面，本发明中脉冲磁场的电源与通入熔体的脉冲电流的电源可以是两个，即分开供电，也可以是同一个脉冲电源，通过并联或串联的方式向熔体及脉冲磁场线圈供电。
与现有技术相比本发明具有以下优点和技术效果：
1）本发明利用脉冲磁场与脉冲电流的协同耦合作用，对金属凝固组织起到显著的细化效果；晶粒可以细化到5-6μm以下，柱状晶区显著减小甚至消失，等轴晶区扩大到90%以上，凝固组织的均匀性明显改善，晶粒显著细化；而不施加外场时的晶粒在几十个至几百微米以上，粗大的柱状晶区的比例大于50%，凝固组织中激冷层、柱状晶区、粗大等轴晶区明显；
2）本发明利用脉冲磁场与脉冲电流的协同耦合作用，磁场与电流的作用相叠加，作用效果相互增强，比单一施加电磁场或电场的效果显著提高，现有技术中，单一施加脉冲电场或脉冲磁场时，晶粒的粒度也仅能控制在20-50μm的范围，因此，采用本发明的技术效果非常显著；
3）采用本发明，熔体内通入微弱的脉冲电流，脉冲磁场的效果就显著增加，比单独施加脉冲磁场时，可以节约50%左右的能源消耗，主要是磁场的输入电流可以大幅降低，消耗在铸型或结晶器壁的磁屏蔽损耗显著降低；
4）本发明的磁场与电流都采用脉冲充放电技术，比普通的直流电或交流电具有显著的节能效果，脉冲磁场比普通直流或交流磁场节约能源60%以上，且脉冲磁场与脉冲电流具有独特的强冲击振荡效应，特别是本发明的脉冲磁场与脉冲电流以及熔体的感应电流同时达到最大值，产生瞬态电磁冲击力，对细化金属凝固组织非常有利，所以晶粒细化效果显著；
5）由于脉冲磁场与脉冲电流的强度显著降低，所以操作安全系数提高，克服了单一施加脉冲磁场或熔体内通入高密度脉冲电流时的金属飞溅等不安全问题；
6）本发明的装备价格相对低廉，操作简单安全，能源消耗低，可用于超大型铸件的凝固细晶控制，也适用于铜、铝、钢等的半连铸或连铸生产，易于工业采用；
7）本发明的适用范围广，只要金属的导电性好于硅（半导体），均可以采用，特别适用于导电性好的金属导体，如铜、铝、钢等。
附图说明
图1 本发明方法的示意图；
图注：1脉冲电场电源；2铸型底模或结晶器引锭杆；3铸型壁模或结晶器壁；4电
极；5金属熔体；6脉冲磁场线圈；7控制开关；8调压电阻；
图2 实施例1纯铝在石墨铸型凝固获得的铸态试样中心部位的晶粒组织图；
图3 无外场条件下铸态试样中心部位的晶粒组织图，与实施例1对比；
图4 实施例2纯铝在铜结晶器内连铸获得的铸坯芯部的晶粒组织图；
图5无外场条件下铸态试样中心部位的晶粒组织图，与实施例2对比。
具体实施方式
以下结合实施例对本发明作进一步的阐述；实施例仅用于说明本发明，而不是以任何方式来限制本发明。
实施例1：同频脉冲磁场与脉冲电流控制纯铝在石墨型内的凝固组织
实验过程如下：
熔体准备：工业纯铝1kg（99.7%）在720℃下熔炼；
铸型：电极石墨铸型，烘烤到400℃，石墨铸型的尺寸为Φ160×150mm，石墨铸型底部中心安置钨电极，钨电极与铸型间用刚玉管绝缘，在石墨铸型使用前插入底电极；
凝固过程：铝熔体经脱气后在温度降低到700℃时，浇注到石墨铸型内，将另一个钨电极插入熔体，然后开启脉冲磁场并接通脉冲电流的电源，调节脉冲磁场的参数为：脉冲宽度为10μs，作用频率为10Hz，磁场的峰值磁感应强度为0.1T；通入熔体内的脉冲电流的脉冲宽度为10μs，作用频率为10Hz，峰值电流密度为：0.1 A/cm2；直至铝完全凝固，关闭脉冲磁场与脉冲电流的电源，取试样进行金相组织观察。
图2为该实施例获得的铸态试样中心部位的晶粒组织图，从凝固理论可知，铸样中心部位是晶粒最粗大的等轴晶组织，由图2可见，采用本发明后，铸态试样中心的晶粒最大尺寸为5-6μm，晶粒尺寸的均匀度非常高；为对比本发明的效果，在同样的条件下，不施加脉冲磁场与脉冲电流，即在无外场条件下进行凝固实验，获得的铸样取中心部位进行金相分析，图3给出了无外场条件下铸态试样中心部位的晶粒组织图，由图2（b）可见，无外场时，晶粒尺寸在50-60μm以上，且晶粒为条状，具有柱状晶的部分特征。
实施例2：同频脉冲磁场与脉冲电流细化纯铝在水冷铜结晶器内的连铸凝固
实验过程如下：
熔体准备：工业纯铝500kg（99.7%）在720℃下熔炼；
铜结晶器：连铸结晶器尺寸为Φ280×250mm，在引锭杆上安置底电极，电极与引锭杆之间用刚玉管绝缘，在开浇前安置好底电极；
凝固过程：铝熔体经脱气后在温度降低到710℃时，浇注到结晶器内并同时启动半连铸引锭拉坯，拉坯速度为0.2m/min,当结晶器内液面稳定后，将另一个钨电极插入熔体，然后开启脉冲磁场并接通脉冲电流的电源，调节脉冲磁场的参数为：脉冲宽度为50ms，作用频率为0.1Hz，磁场的峰值强度为10T；通入熔体内的脉冲电流的脉冲宽度为50ms，作用频率为0.1Hz，峰值电流密度为：10 A/cm2；直至熔体浇注完，关闭脉冲磁场与脉冲电流的电源，取试样进行金相组织观察。
图4为该实施例获得的铸态试样的晶粒组织图，从凝固理论可知，铸样中心部位是晶粒最粗大的等轴晶组织，由图4可见，采用本发明后，铸态试样中心的晶粒最大尺寸为4-5μm；为对比本发明的效果，在同样的条件下，不施加脉冲磁场与脉冲电流，即在无外场条件下进行连铸实验，获得的铸样取中心部位进行金相分析，图5给出了无外场条件下铸态试样中心部位的晶粒组织图，由图5可见，无外场时，晶粒尺寸在40-50μm左右，具有柱状晶的部分特征。
实施例3：同频脉冲磁场与脉冲电流细化纯铜在水冷不锈钢结晶器内的半连铸凝固
实验过程如下：
熔体准备：工业纯铜150kg（99.9%）在1200℃下熔炼；
铜结晶器：连铸结晶器尺寸为Φ280×250mm，在不锈钢引锭杆上安置底电极，电极与引锭杆之间用刚玉管绝缘，在开浇前安置好底电极；
凝固过程：铜熔体经脱气后在温度降低到1150℃时，浇注到结晶器内并同时启动半连铸引锭拉坯，拉坯速度为0.5m/min,当结晶器内液面稳定后，将另一个钨电极插入熔体，然后开启脉冲磁场并接通脉冲电流的电源，调节脉冲磁场的参数为：脉冲宽度为1.0μs，作用频率为1.0 Hz，磁场的峰值强度为1T；通入熔体内的脉冲电流的脉冲宽度为1.0μs，作用频率为1.0 Hz，峰值电流密度为：1.0 A/cm2；直至熔体浇注完，关闭脉冲磁场与脉冲电流的电源，取试样进行金相组织观察，铸坯断面晶粒最粗大部位的晶粒尺寸为4-5μm；为对比本发明的效果，在同样的条件下，单一施加相同电磁参数的脉冲磁场，熔体内不通入脉冲电流，铸坯中心试样晶粒最粗大，约在40-50um，晶粒最小的铸坯断面边缘，晶粒尺寸也在10um 以上。
实施例4：同频脉冲磁场与脉冲电流细化合金钢在水冷铜模内的凝固
实验过程如下：
熔体准备：40Cr合金钢10kg在1580℃下熔炼后，在1535℃时，浇注到砂型铸模内；
铸模底部和顶部安装电极，砂型外部安置脉冲磁场线圈，砂型的尺寸为Φ80×250mm，在开浇前安置好底电极；
凝固过程：钢液温度为1535℃时，浇注到砂型内，将另一个钨电极插入熔体，然后开启脉冲磁场并接通脉冲电流的电源，调节脉冲磁场的参数为：脉冲宽度为1.0μs，作用频率为1.0 Hz，磁场的峰值强度为1T；通入熔体内的脉冲电流的脉冲宽度为1.0μs，作用频率为1.0 Hz，峰值电流密度为：1.0 A/cm2；直至熔体浇注完，关闭脉冲磁场与脉冲电流的电源，取试样进行金相组织观察，铸坯断面晶粒最粗大部位的晶粒尺寸为5-6μm；为对比本发明的效果，在同样的条件下，单一施加相同电参数的脉冲电场，铸坯中心试样晶粒最粗大部位约为40-50um，晶粒最小的铸坯断面边缘，晶粒尺寸也在30um 以上。
Claims (3)
1.一种同频脉冲磁场与脉冲电流细化金属凝固组织的方法，其特征在于：在金属凝固成形用的铸型或结晶器外安置脉冲磁场线圈，脉冲磁场线圈安置在铸型壁模或结晶器壁的外侧，线圈高度与铸型壁模或结晶器壁内熔体的高度相同，当金属熔体浇入铸型或结晶器后，在熔体内插入电极，并同时通入脉冲磁场和脉冲电流，脉冲磁场的作用频率及脉冲宽度与脉冲电流相同，使金属熔体在脉冲磁场与脉冲电流耦合作用下凝固，实现凝固组织的细化，所述脉冲磁场脉冲宽度为10μs-50ms，作用频率为0.1-10 Hz，通过控制脉冲磁场输入电流，控制脉冲磁场的峰值磁感应强度为0.1-10T；所述脉冲电流的参数为：脉冲宽度为10μs-50ms，作用频率为0.1-10 Hz，脉冲电流峰值密度为：0.1-10 A/cm2。
2.如权利要求1所述的一种同频脉冲磁场与脉冲电流细化金属凝固组织的方法，其特征在于：金属熔体在固定铸型内凝固时，向熔体内通入脉冲电流的两个电极中一个固定于铸型底部，另一个安插在熔体液面上或铸型的上部或顶部。
3.如权利要求1所述的一种同频脉冲磁场与脉冲电流细化金属凝固组织的方法，其特征在于：金属熔体在半连铸或连铸结晶器内凝固时，向熔体内通入脉冲电流的两个电极分别安置于结晶器相对的两个壁面的上部和下部，或将底电极安置于引锭杆上，而顶电极安插在熔体液面上。
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