CN103464706A - 连续铸造制备高取向均匀细晶组织的方法及制备装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种连续铸造制备高取向均匀细晶组织的方法和制备装置，对结晶器内金属熔体施加梯度磁场，在梯度磁场处的结晶器内插入石墨电极，并通入可以调节电流大小和频率的交流电，在梯度磁场下复合交变电场，对结晶器内金属熔体的外场复合作用，实现电磁振荡，增加形核数量，晶核在金属熔体中向下运动的过程中受到磁取向作用，最终形成高取向的细晶组织的金属材料。本发明制备装置包括中间包、水口、结晶器、牵引轧辊、外加磁场施加装置和外加电场施加装置。本发明利用磁场下交流电的振荡效应以及梯度磁场下物质的磁化力效应，获得均匀细晶组织，使晶粒进一步发生取向，形成细小均匀且具有取向的金属凝固组织，提高金属材料的性能和质量。

Description

连续铸造制备高取向均匀细晶组织的方法及制备装置

技术领域

本发明涉及一种金属材料制备工艺和设备，特别是涉及一种实现凝固组织细化的方法及专用制备装置，应用于金属材料连续制造铸造工艺技术领域。

背景技术

提高金属材料力学性能的方法很多，譬如：加工硬化、固溶强化、第二相强化、细晶强化等等。细晶强化旨在控制金属材料晶粒大小，从而达到提高材料性能的目的。金属材料的强度、硬度、塑形和韧性都随着晶粒细化而提高，因此，控制材料的晶粒大小对于提高材料性能具有重要的意义。一般情况下，细化金属铸件的晶粒可采取以下几种途径：

增加过冷度：由约翰逊-梅尔方程可导出，在t时间内形成的晶核数P(t)与形核率N及长大速率v_g之间的关系：

                                                 (1)

由上式可知，形核率N越大，晶粒越细小。同一种材料的N和v_g都取决于过冷度，增大过冷度，N迅速增大，且比v_g更快，因此，在一般凝固条件下，增加过冷度可使凝固后的晶粒细化。

形核剂的作用：由于实际的凝固都为非均匀凝固，为了提高形核率，可以在熔体中加入人工形核剂，也称孕育剂或变质剂，实际的凝固都为非均匀形核，为提高形核率，可在熔液凝固以前加入能作为非均匀形核基底的人工形核剂。

与前两种方法相比，利用动力学作用细化晶粒的优点在于偏析较小、不引入杂质元素。常用的包括两大类：机械振动和物理场。机械振动包括：机械搅拌、振动、摆动等；物理场包括：交变电场、超声波、行波磁场、旋转磁场以及电磁复合场。外场的作用通常可以导致柱状晶断裂，游离于熔体中，发生柱状晶向等轴晶的转变，从而晶粒得到细化。这些方法可以有效促进熔体流动，使得熔体内温度场均匀化，达到细化晶粒的目的。上述诸多施加外场的方法在细化晶粒的同时，存在大量的缺陷。例如，机械振荡方法需要通过振荡器与熔体接触才能将振荡力传至熔体，造成金属液的污染，同时，振荡的细化效果主要集中于振荡器附近，得到的组织不均匀。超声振荡的缺陷在于声波在高温熔体中耗散严重，细化区域有限。脉冲电流和磁场可在短时间内产生剧烈振荡，但是电流过大则易造成熔体飞溅，电流太小，会使新形成的晶粒在高温熔体中重熔，弱化细化效果。

为此，上海大学结合自身拥有的强磁体发生装置设备，通过在结晶器内金属熔体上部插入一对电极，并通入交流电，结晶器外侧施加强静磁场，利用自冷电极诱发电极附近熔体迅速形核，同时结合电磁振荡促使晶核弹射到金属熔体中，形成其后金属凝固的核心主体，获得细晶组织材料。但是这种方法并没有考虑到晶核形成后的均匀性问题，所形成的连铸组织不均匀。而且现有设计的不锈钢电极会与铝合金母液发生化学反应，不锈钢电极会污染铝合金母液。由此可见，连续铸造制备高取向均匀细晶组织的工艺和装备还有很多技术问题需要解决，目前仍然缺少制备连续铸造制备高取向均匀细晶组织的有效的手段。

发明内容

为了解决现有技术问题，本发明的目的在于克服已有技术存在的缺陷，提供一种连续铸造制备高取向均匀细晶组织的方法及制备装置，利用磁场下交流电的振荡效应以及梯度磁场下物质的磁化力效应，在梯度磁场下通过在连铸结晶器内插入石墨电极，使石墨电极间的高频电流复合外加梯度磁场在结晶器内形成大量晶核，晶粒在长大过程中因振动波动破碎进一步增殖，晶粒在下降过程受到梯度磁场的牵引力形成均匀细化组织，同时具有磁各向异性的晶粒在下降的过程发生取向，进而形成高取向的形成细小均匀且具有取向的金属凝固组织，提高金属材料的性能和质量。

为达到上述发明创造目的，本发明采用下述技术方案：

一种连续铸造制备高取向均匀细晶组织的方法，其特征在于：

a. 对结晶器内金属熔体施加梯度磁场：利用强磁体装置产生稳恒的梯度磁场，通过调节强磁体装置相对于结晶器的位置来获得不同磁场梯度，所施加磁场强度B的大小控制在0~14T范围内连续可调，根据不同的熔体形成的晶核种类不同，对应采用所需要的梯度磁场，并将梯度磁场强度因子

的大小控制在0～150 T²/m范围内，其中梯度磁场强度因子

为磁场强度B与磁场梯度的乘积，z为距离磁场中心的距离；

b. 对结晶器内金属熔体施加交变电场：在梯度磁场处的结晶器内插入石墨电极，并通入可以调节电流大小和频率的交流电，在梯度磁场下复合交变电场，使结晶器内的金属熔体处于交变的电场之内，所采用的交流电强度I的范围为0~10000A，交流电频率为10~10000Hz；

c. 对结晶器内金属熔体的外场复合作用：通过施加的交流电和外加的稳恒磁场实现电磁振荡作用，增加形核数量，同时结合梯度磁场的磁化力作用促使晶核均匀分布于金属熔体中；

d. 形成高取向均匀细晶组织：晶核在金属熔体中向下运动的过程中受到磁取向作用，最终形成高取向的细晶组织的金属材料，晶粒细化作用程度随磁场强度B和电流强度I乘积增大而增加。

对于金属熔体为纯铝液或铝合金熔体，在结晶器内插入电极处的铝合金熔温度优选为650~700℃，所施加的磁场强度B的大小优选控制在0.5~6T范围内连续可调，形成均匀细晶组织所需要的梯度磁场强度因子的范围优选控制在0.95~150 T²/m范围内，采用的交流电强度I的范围优选为1.6~20 A，交流电频率优选为50Hz。

对于金属熔体为纯铝液或铝合金熔体，作为本发明上述技术方案的改进，形成均匀细晶组织所需要的梯度磁场强度因子

的范围控制在8.5~16.2 T²/m范围内。

作为本发明上述技术方案的改进，在设定过冷度条件下，使形核率N增加，使金属凝固组织的晶粒细化。

本发明还提供一种实施连续铸造制备高取向均匀细晶组织的方法的制备装置，主要包括中间包、水口、结晶器、牵引轧辊、外加磁场施加装置和外加电场施加装置，中间包内的金属熔体通过水口浇注进入结晶器内腔中，牵引轧辊将凝固的铸坯从结晶器的前端拉出，外加磁场施加装置采用设置于结晶器外部的稳恒磁体，利用稳恒磁体产生稳恒的梯度磁场，通过调节稳恒磁体相对于结晶器内的金属熔体的位置获得对应的所需磁场梯度，并在稳恒磁体和结晶器外侧之间设置水冷套，外加电场施加装置采用石墨电极，将石墨电极插入梯度磁场处的结晶器内的金属熔体内，置于结晶器外部的交流电源与石墨电极电连接，并向结晶器内的金属熔体内通入可以调节电流大小和频率的交流电流，通过稳恒的梯度磁场和交变的电场，使结晶器内的金属熔体形成高取向均匀细晶铸坯组织。

作为本发明制备装置的改进，在结晶器外部还设有过冷装置，通过控制过冷装置使结晶器内的金属熔体处于设定的过冷度条件下。

本发明与现有技术相比较，具有如下显而易见的突出实质性特点和显著优点：

1. 本发明克服现有技术的不足，可以较为系统地控制梯度磁场下电流的具体主要参数，以取得金属凝固组织的最佳细化效果，利用磁场下交流电的振荡效应以及梯度磁场下物质的磁化力效应，获得均匀细晶组织，晶粒在磁场作用下进一步发生取向，形成细小均匀且具有取向的金属凝固组织，提高金属材料的性能和质量；

2. 现有技术通畅使用的是不锈钢电极，它会与铝合金母液发生化学反应，导致铝合金母液受到污染，而本发明在结晶器内插入石墨电极，对金属熔体无污染，保障了金属凝固组织的洁净质量；

3. 本发明的石墨电极间的高频电流复合外加磁场在结晶器内形成大量晶核，晶粒在长大过程中因振动波动破碎进一步增殖，晶粒在下降过程受到梯度磁场的牵引力形成均匀细化组织，同时具有磁各向的晶粒在下降的过程发生取向，进而形成高取向的均匀细晶组织；

4. 本发明通过复合外场的作用，金属凝固组织均可以得到不同程度的细化，显著提高了金属材料的强度的韧性等物理性能； 

5. 本发明能应用于连续铸造生产具有高取向均匀细晶组织的金属材料，有望制备出洁净、高性能、高取向的金属制品，并大大降低硅钢片的生产成本。

附图说明

图1是本发明实施例一实施连续铸造制备高取向均匀细晶组织金属材料的制备装置结构示意图。

图2是本发明实施例一金属材料制备的原理示意图：图2(a)是插入石墨电极之前的结晶器内金属凝固铸坯的纵截面组织结构状态示意图；图2(b)是插入石墨电极后金属晶核聚集在电极附近并由于重力的作用开始向下运动的状态示意图；图2(c)是在本发明梯度磁场下复合电场形成取向均匀的细晶组织结构的演进状态示意图。

图3是在不同磁场强度和不同电流大小下的纯铝铸坯的纵截面宏观组织对比图：图3(a)是对比例一在无外场作用下的纯铝铸坯的纵截面宏观组织显微镜照片；图3(b)是对比例二在单独施加电流条件下的纯铝铸坯的纵截面宏观组织显微镜照片；图3(c)是对比例三在单独施加磁场条件下的纯铝铸坯的纵截面宏观组织显微镜照片；图3(d)是本发明实施例一在同时施加磁场和交流电条件下制备纯铝铸坯的纵截面宏观组织显微镜照片。

图4是本发明在不同的复合外场下的相同电磁力大小的纯铝铸坯的纵截面宏观组织显微镜照片对比图：图4(a)是本发明实施例二制备的纯铝铸坯的纵截面宏观组织显微镜照片；图4(b)是是本发明实施例三制备的纯铝铸坯的纵截面宏观组织显微镜照片；图4(c)是是本发明实施例四制备的纯铝铸坯的纵截面宏观组织显微镜照片；图4(d)是是本发明实施例五制备的纯铝铸坯的纵截面宏观组织显微镜照片。

具体实施方式

本发明的优选实施例详述如下：

实施例一：

在本实施例中，选择99.99%的高纯铝为原料，将高纯铝重熔后浇入中间包1，通过控制结晶器5温度使得石墨电极3附近处的温度处于700℃。打开交流电源2的发生装置，调节交流电流的大小和频率，通过牵引轧辊8引出纯铝铸坯7试样。参见图1～图3，本实施例实施连续铸造制备高取向均匀细晶组织的方法的制备装置主要包括中间包1、水口4、结晶器5、牵引轧辊8、外加磁场施加装置和外加电场施加装置，中间包1内的铝液熔体通过水口4浇注进入结晶器5内腔中，牵引轧辊8将凝固的铸坯7从结晶器5的前端拉出，外加磁场施加装置采用设置于结晶器5外部的稳恒磁体6，利用稳恒磁体6产生稳恒的梯度磁场，通过调节稳恒磁体6相对于结晶器5内的铝液熔体的位置获得对应的所需磁场梯度，并在稳恒磁体6和结晶器5外侧之间设置水冷套，使热量隔离磁场，以保护磁场施加装置，外加电场施加装置采用石墨电极3，将石墨电极3插入梯度磁场处的结晶器5内的铝液熔体内，置于结晶器5外部的交流电源2与石墨电极3电连接，并向结晶器5内的铝液熔体内通入可以调节电流大小和频率的交流电流，通过稳恒的梯度磁场和交变的电场，使结晶器5内的铝液熔体形成高取向均匀细晶铸坯组织。

本实施例连续铸造制备高取向均匀细晶组织的方法，具体为：

a. 对结晶器5内铝液施加梯度磁场：利用强磁体装置产生稳恒的梯度磁场，通过调节强磁体装置相对于结晶器5的位置来获得不同磁场梯度，所施加磁场强度B的大小控制在0.5T；

b. 对结晶器5内铝液施加交变电场：在梯度磁场处的结晶器内插入石墨电极3，并通入可以调节电流大小和频率的交流电，在梯度磁场下复合交变电场，使结晶器5内的铝液处于交变的电场之内，所采用的交流电强度I的范围为10A，交流电频率为50Hz；

c. 对结晶器5内铝液的外场复合作用：通过施加的交流电和外加的稳恒磁场实现电磁振荡作用，增加形核数量，同时结合梯度磁场的磁化力作用促使晶核均匀分布于铝液中；

d. 形成高取向均匀细晶纯铝金属组织：晶核在铝液中向下运动的过程中受到磁取向作用，最终形成具有高取向的细晶组织的铝金属材料，晶粒细化作用程度随磁场强度B和电流强度I乘积增大而增加。

本实施例通过连续铸造制备高取向均匀细晶组织的方法在得到稳定连铸组织后，关闭交流电源2，停止实验，将纯铝铸坯7自然冷却至室温，凝固后所得到的纯铝金相组织，参见图3(d)，铝凝固组织出现均匀的细化晶粒。

参见图1和图2，本实施例的连续铸造制备高取向均匀细晶组织的方法原理及其过程概述如下：

未插入石墨电极之前，参见图2(a)，结晶器内金属凝固铸坯的纵截面组织结构状态显示倾向于形成较大晶粒，在连铸过程中，浇注纯Al进入结晶器5中，将一对石墨电极3电路接通，石墨电极3处的的铝液在互相垂直的交流电和外加静磁场的作用下产生振荡，振荡力的反复拉伸与压缩作用，增加了铝液熔体对高温固相化合物及准固相原子团簇的润湿，减少了以它们为基底的异质形核临界自由能，使潜在晶核形成真正核心的数量增加。因此，电极附近铝液急剧形核，新形成的晶核将随着石墨电极3振荡被大量连续的弹入铝液熔体中，参见附图2(b)，同时熔体振荡均匀了温度场，消除过热度，因此弹射入金属熔体的晶核能保存下来，不被重熔。新形核的Al晶粒在重力和电磁力的双重作用下形成组织均匀的细晶组织。同时磁各向异性的晶粒在磁场中发生取向，最终形成具有高取向的均匀细晶组织。

对于固相与液相密度不同的合金体系，例如纯铝体系(

)。因此，新形核的Al颗粒由于重力的作用向下运动，见附图2(b)。本实施例是将电极至于梯度磁场位置，新形核的晶粒在下落的过程中将受到磁力的作用，颗粒在磁场中受到的磁化力F _Z 为

                                                       (2)

此处，

是磁化率；

 轴向方向的梯度磁场；z距离磁场中心的距离；

是真空磁导率其大小为

。对于顺磁性物质上梯度磁场(z > 0)产生向上的磁化力，对于反磁性物质则产生向下的磁化力。对于顺磁性的Al颗粒，向上的磁化力在z>0的位置产生。有效磁化力由下式表示

                                                 (3)

此处，

 和

 分别是固态Al和液态Al的磁化率，对于不施加磁场时的有效重力为

                                                        (4) 

因此Al颗粒在梯度磁场中受到的合力为

                               (5)

本实施例在梯度磁场下复合电场下，下运动的细化的纯铝晶粒堆积结合形成取向均匀的细晶凝固组织，参见图2(c)。

本实施例的优点是在结晶器5内插入石墨电极3，以前使用的是不锈钢电极，它会与纯铝母液发生化学反应，导致纯铝母液受到污染。石墨电极3间的高频电流复合外加磁场在结晶器5内形成大量晶核，晶粒在长大过程中因振动波动破碎进一步增殖，晶粒在下降过程受到梯度磁场的牵引力形成均匀细化组织，同时具有磁各向的晶粒在下降的过程发生取向，进而形成高取向的均匀细晶组织。通过复合外场的作用，纯铝凝固组织均可以得到不同程度的细化，晶粒的大小对材料的强度的韧性具有较大的影响。

对比例一：

参见图3(a)，所施加的磁场强度B为0 T，所采用的交流电强度I为0 A，此时铝液熔体处于无外场作用条件下，从纯铝液熔体的凝固组织铸坯的纵截面宏观组织照片可以看出，组织较为粗大，且组织分布不均匀。

对比例二：

参见图3(b)，所施加的磁场强度B为0 T，所采用的交流电强度I为10 A，即在向铝液熔体单独施加电流条件下，相比于不施加磁场和电流的对比例一中的纯铝组织，铸坯的组织并无显著变化。

对比例三：

参见图3(c)，所施加的磁场强度B为10 T，所采用的交流电强度I为0A，即在向铝液熔体单独施加磁场条件下，相比于不施加磁场和电流的对比例一中的纯铝组织，铸坯的组织并无显著变化。

在图3中，在不同磁场强度和不同电流大小条件下，综合分析对比例一～对比例三和实施例一的纯铝铸坯的纵截面宏观组织可知，单独施加10T磁场和10A电流，参见图3(a)、图3(b)和图3(c)，相比于不施加磁场和电流的组织，铸坯的组织并无显著变化。但是，当同时施加磁场和交流电之后，铸坯晶粒发生了显著地细化，并且从图3(d)中可以发现，铸坯下方的晶粒较铸坯上方的晶粒更细。

实施例二：

本实施例与实施例一基本相同，特别之处在于：

在本实施例中，参见图4(a)，金属熔体为纯铝液熔体，所施加的磁场强度B的大小控制在0.5 T，形成均匀细晶组织所需要的梯度磁场强度因子

的范围控制在0.95 T²/m范围内，采用的交流电强度I的范围为20 A，交流电频率为50Hz，铸坯下方的晶粒较铸坯上方的晶粒更细，铸坯的组织不均匀。

实施例三：

本实施例与上述实施例基本相同，特别之处在于：

在本实施例中，参见图4(b)，金属熔体为纯铝液熔体，所施加的磁场强度B的大小控制在1.5 T，形成均匀细晶组织所需要的梯度磁场强度因子

的范围控制在8.5 T²/m范围内，采用的交流电强度I的范围为6.5A，交流电频率为50Hz，整个铸坯的晶粒都得到细化，铸坯的组织非常均匀。

实施例四：

本实施例与上述实施例基本相同，特别之处在于：

在本实施例中，参见图4(c)，金属熔体为纯铝液熔体，所施加的磁场强度B的大小控制在2 T，形成均匀细晶组织所需要的梯度磁场强度因子

的范围控制在16.2 T²/m范围内，采用的交流电强度I的范围为5A，交流电频率为50Hz，整个铸坯的晶粒都得到细化，铸坯的组织非常均匀。

实施例五：

本实施例与上述实施例基本相同，特别之处在于：

在本实施例中，参见图4(d)，金属熔体为纯铝液熔体，所施加的磁场强度B的大小控制在6 T，形成均匀细晶组织所需要的梯度磁场强度因子的范围控制在150 T²/m范围内，采用的交流电强度I的范围为1.6A，交流电频率为50Hz，铸坯上方的晶粒较铸坯下方的晶粒更细，铸坯的组织不均匀。

在图4中，在不同磁场强度、不同梯度磁场和不同电流大小条件下，综合分析实施例二～对比例五的纯铝铸坯的纵截面宏观组织可知，在相同电磁力大小的情况下，不同的磁场梯度对晶粒的作用不同，从而得到组织均匀的细晶组织。从图4(a) ～图4(d)显示的是洛伦兹力大小相同的情况下，梯度磁场强度因子

的大小依次为0.95 T²/m、8.5 T²/m、16.2 T²/m、150 T²/m的铸坯纵截面组织。通过对比，可以发现在度磁场强度因子

较小或较大的条件下，铸坯的组织不均匀。度磁场强度因子

较小时，磁化力不足以悬浮Al晶核；磁化力较大时，磁化力将Al晶核聚集在电极附近。由此可见，只有调节度磁场强度因子

为8.5 T²/m~16.2 T²/m时，才可以得到均匀的细晶组织，晶粒在磁场作用下进一步发生取向，形成细小均匀且具有取向的金属凝固组织，提高金属材料的性能和质量。

实施例六：

本实施例与上述实施例基本相同，特别之处在于：

在本实施例中，在结晶器5外部还设有过冷装置，通过控制过冷装置使所述结晶器5内的金属熔体处于设定的过冷度条件下。在过冷度条件下，使纯铝熔体凝固形核率N显著增加，使金属凝固组织的晶粒进一步细化。

上面结合附图对本发明实施例进行了说明，但本发明不限于上述实施例，还可以根据本发明的发明创造的目的做出多种变化，凡依据本发明技术方案的精神实质和原理下做的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，只要符合本发明的发明目的，只要不背离本发明连续铸造制备高取向均匀细晶组织的方法及制备装置的技术原理和发明构思，都属于本发明的保护范围。 

Claims (6)

1.一种连续铸造制备高取向均匀细晶组织的方法，其特征在于：

a. 对结晶器内金属熔体施加梯度磁场：利用强磁体装置产生稳恒的梯度磁场，通过调节强磁体装置相对于结晶器的位置来获得不同磁场梯度，所施加磁场强度B的大小控制在0~14T范围内连续可调，根据不同的熔体形成的晶核种类不同，对应采用所需要的梯度磁场，并将梯度磁场强度因子                                               

的大小控制在0～150 T²/m范围内，其中梯度磁场强度因子

为磁场强度B与磁场梯度的乘积，z为距离磁场中心的距离；

b. 对结晶器内金属熔体施加交变电场：在梯度磁场处的结晶器内插入石墨电极，并通入可以调节电流大小和频率的交流电，在梯度磁场下复合交变电场，使结晶器内的金属熔体处于交变的电场之内，所采用的交流电强度I的范围为0~10000A，交流电频率为10~10000Hz；

c. 对结晶器内金属熔体的外场复合作用：通过施加的交流电和外加的稳恒磁场实现电磁振荡作用，增加形核数量，同时结合梯度磁场的磁化力作用促使晶核均匀分布于金属熔体中；

d. 形成高取向均匀细晶组织：晶核在金属熔体中向下运动的过程中受到磁取向作用，最终形成高取向的细晶组织的金属材料，晶粒细化作用程度随磁场强度B和电流强度I乘积增大而增加。

2.根据权利要求1所述的连续铸造制备高取向均匀细晶组织的方法，其特征在于：金属熔体为纯铝液或铝合金熔体，在结晶器内插入电极处的铝合金熔温度为650~700℃，所施加的磁场强度B的大小控制在0.5~6T范围内连续可调，形成均匀细晶组织所需要的梯度磁场强度因子

的范围控制在0.95~150 T²/m范围内，采用的交流电强度I的范围为1.6~20 A，交流电频率为50Hz。

3.根据权利要求2所述的连续铸造制备高取向均匀细晶组织的方法，其特征在于：形成均匀细晶组织所需要的梯度磁场强度因子

的范围控制在8.5~16.2 T²/m范围内。

4.根据权利要求1～3中任意一项所述的连续铸造制备高取向均匀细晶组织的方法，其特征在于：在设定过冷度条件下，使形核率N增加，使金属凝固组织的晶粒细化。

5.一种实施权利要求1～3中任意一项所述的连续铸造制备高取向均匀细晶组织的方法的制备装置，主要包括中间包（1）、水口（4）、结晶器（5）、牵引轧辊（8）、外加磁场施加装置和外加电场施加装置，所述中间包（1）内的金属熔体通过所述水口（4）浇注进入所述结晶器（5）内腔中，所述牵引轧辊（8）将凝固的铸坯（7）从所述结晶器（5）的前端拉出，其特征在于：所述外加磁场施加装置采用设置于所述结晶器（5）外部的稳恒磁体（6），利用所述稳恒磁体（6）产生稳恒的梯度磁场，通过调节稳恒磁体（6）相对于所述结晶器（5）内的金属熔体的位置获得对应的所需磁场梯度，并在所述稳恒磁体（6）和所述结晶器（5）外侧之间设置水冷套，所述外加电场施加装置采用石墨电极（3），将所述石墨电极（3）插入梯度磁场处的所述结晶器（5）内的金属熔体内，置于所述结晶器（5）外部的交流电源（2）与所述石墨电极（3）电连接，并向所述结晶器（5）内的金属熔体内通入可以调节电流大小和频率的交流电流，通过稳恒的梯度磁场和交变的电场，使所述结晶器（5）内的金属熔体形成高取向均匀细晶铸坯组织。

6.根据权利要求5所述的制备装置，其特征在于：在所述结晶器（5）外部还设有过冷装置，通过控制所述过冷装置使所述结晶器（5）内的金属熔体处于设定的过冷度条件下。

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