CN104388689A - 一种电磁复合控制电渣重熔细晶铸造方法及装置 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种电磁复合控制电渣重熔细晶铸造方法及装置，属于金属材料制备领域。该方法利用施加的脉冲磁场与熔体中的感生电流和电渣重熔电流复合产生的周期性电磁力作用下，金属熔体产生强制对流，细化金属材料凝固组织，减少成分偏析。而且，金属液滴在方向和大小周期性变化的电磁力作用下能够碎化成细小的液滴，提高金属液滴与渣液的接触面积和接触时间，起到很好的净化作用。该装置包括电渣重熔工作电源、脉冲电源和电磁复合控制电渣重熔结晶器，结晶器设有结晶器紫铜内套、侧面冷却水套、底部冷却水套、励磁线圈。本发明可用于高温合金、高合金钢等金属材料的电渣重熔精炼，能够细化合金凝固组织，减少偏析，提高电渣重熔工艺的精炼效果。
Description
技术领域
本发明涉及一种电磁复合控制电渣重熔细晶铸造方法及装置，特别是利用脉冲磁场与熔体中的感生电流和电渣重熔电流复合产生的周期性电磁力，复合控制电渣重熔过程中金属材料的凝固组织的方法及装置，属于金属材料制备领域。
背景技术
传统电渣重熔(ESR)是利用电流通过熔渣时产生的电阻热作为热源来熔化自耗电极的合金母材，液体金属以熔滴形式经渣层下落至水冷结晶器中的金属熔池内，即渣洗清洁钢液，从而达到精炼合金的方法。
电渣重熔过程中，金属液滴大小决定了金属液滴与渣液的接触面积和接触时间，对提高杂质和夹杂物的去除效率至关重要，因为金属液滴愈小，夹杂物和杂质元素从金属液滴内部迁移到液滴表面所需的时间愈短，杂质和夹杂物更容易去除，而且金属液滴愈小，液滴在渣池中沉降的时间也愈长，精炼效果更为显著。另外，金属熔池区域金属凝固时，由于底部和结晶器内套都是通过冷却水冷却，铸锭凝固过程中很容易形成粗大的斜向上生长的柱状晶，而且柱状晶晶界附近与晶内，铸锭中心与铸锭边部都存在明显的成分偏析，晶粒粗大、成分偏析对后续的塑性变形或直接使用都会造成严重影响。
目前，对于如何有效细化金属液滴和铸锭组织，技术开发人员提出了一些相关的技术，例如：2009年上海大学钟云波教授通过施加稳恒磁场，在熔池区域产生电磁激荡效应；2013年钟教授通过改进又提出了外加瞬变磁场控制电渣熔铸的方法，通过独特的电磁力效应提高了精炼效率、细化晶粒并且成分偏析减小；东北大学李宝宽教授2009年提出了旋转电磁搅拌提高精炼效率和改善铸坯凝固组织的技术，取得了一定效果。但是纵观这些技术，其工作电流和工作电压都非常高，在工业上实施比较困难。而且只能够细化铸锭边缘组织，对铸锭心部组织的细化效果不明显。
发明内容
为了满足电渣重熔工艺对电渣锭质量和晶粒细化的要求，本发明的目的是提供一种电磁复合控制电渣重熔细晶铸造方法及装置，采用脉冲磁场作用于渣池中的金属液滴和金属熔池中金属熔体，不仅能够提高精炼效果，改善铸锭内部质量，减少偏析，而且能够细化铸锭内部组织，尤其细化铸锭中心部位的凝固组织。
本发明的技术方案如下：
一种电磁复合控制电渣重熔细晶铸造方法，利用施加的脉冲磁场与熔体中的感生电流和电渣重熔电流复合产生的周期性电磁力作用下，金属熔体产生强制对流，细化金属材料凝固组织，减少成分偏析。
所述的电磁复合控制电渣重熔细晶铸造方法，采用脉冲电源输出的可控制脉冲电流，在励磁线圈中产生脉冲磁场，其脉冲电压控制在50～200V。
所述的电磁复合控制电渣重熔细晶铸造方法，电渣重熔细晶铸造过程中，脉冲磁场的频率控制在2.5～20Hz范围内。
所述的电磁复合控制电渣重熔细晶铸造方法，具体按以下步骤进行：
(a)将励磁线圈安装在渣池和金属熔池部位，并与脉冲电源输出端连接；
(b)启动电渣重熔炉，通过铸造机控制电渣铸锭下行的速度，当渣池和金属熔池在结晶器中的位置稳定之后，开启脉冲电源，采用脉冲电源输出的可控制脉冲电流，在励磁线圈中产生脉冲磁场，控制脉冲磁场的电压与频率，脉冲电压控制在50～200V；电渣重熔细晶铸造过程中，脉冲磁场的频率控制在2.5～20Hz范围内；
(c)脉冲磁场与熔体中的感生电流和电渣重熔电流复合产生的周期性电磁力作用下，金属熔体产生强制对流，抑制金属熔池中固液界面附近晶核的长大，细化金属材料凝固组织，减少成分偏析；
(d)金属液滴在方向和大小周期性变化的电磁力作用下能够碎化成液滴，提高金属液滴与渣液的接触面积和接触时间，起到净化作用；
(e)当电渣重熔结束并且铸锭完全凝固后，关闭脉冲电源，使励磁线圈停止工作，关闭电渣重熔电源，取出自耗金属电极，并取出铸锭。
所述方法专用的电磁复合控制电渣重熔细晶铸造装置，该装置包括电渣重熔工作电源、脉冲电源和电磁复合控制电渣重熔结晶器，结晶器设有结晶器紫铜内套、侧面冷却水套、底部冷却水套、励磁线圈，具体结构如下：
结晶器紫铜内套内的底部设置与电渣铸锭同材质的引锭，结晶器紫铜内套外侧设置侧面冷却水套，侧面冷却水套的下部侧面设置侧面冷却水套进水口，侧面冷却水套的上部侧面设置侧面冷却水套出水口，励磁线圈设置于冷却水套内的冷却水中，励磁线圈与脉冲电源连接；
电渣重熔工作电源分别与金属电极和紫铜电极板连接，金属电极的一端伸至结晶器紫铜内套中，通过金属电极使结晶器紫铜内套中形成渣池和金属熔池，渣池位于金属熔池顶部；紫铜电极板设置于引锭的底部，与引锭接触；紫铜电极板的底部设置底部冷却水套，底部冷却水套的底部设置下拉杆和底部冷却水套进水口，底部冷却水套进水口穿设于下拉杆中，底部冷却水套的侧面设置底部冷却水套出水口。
所述的电磁复合控制电渣重熔细晶铸造装置，结晶器的外壳为铸铁材质，结晶器的上下法兰为不锈钢材质，且厚度均为5～10mm。
所述的电磁复合控制电渣重熔细晶铸造装置，结晶器内套采用紫铜材质，厚度为15～25mm，形状为喇叭状，且上口小、下口大，倾斜角度为1～6°。
所述的电磁复合控制电渣重熔细晶铸造装置，磁感应线圈直接浸泡在结晶器冷却水套内，用于产生脉冲磁场，励磁线圈由横截面尺寸为3×8mm塑封扁铜线绕制而成，高50～85mm，总匝数为50～300。
所述的电磁复合控制电渣重熔细晶铸造装置，首先将结晶器安装到电渣重熔铸造平台，在紫铜水冷结晶器内套里盛有熔融的电渣，自耗金属电极一端插入熔渣内，自耗金属电极、渣池、金属熔池、引锭、紫铜电极板通过导线和电渣重熔工作电源形成回路；在通电过程中，渣池释放焦耳热，将自耗金属电极端头逐渐熔化，熔融金属汇聚成液滴，穿过渣池，落入结晶器，形成金属熔池，受水冷作用，迅速在引锭顶部凝固形成钢锭。
本发明的设计思想是：
本发明利用脉冲磁场与熔体中的感生电流和电渣重熔电流复合产生的周期性电磁力作用于金属熔池中金属熔体产生强制对流和强烈振荡，促进晶核向中心游离，并能够有效抑制晶核的长大，从而达到细化金属材料凝固组织，减少成分偏析的目的。而且，金属液滴在方向和大小周期性变化的电磁力作用下能够碎化成细小的液滴，提高了金属液滴与渣液的接触面积和接触时间，从而提高渣池的精炼效果。
对于脉冲磁场应用于金属熔体静态凝固的研究表明，脉冲磁场产生的脉冲电磁力作用于金属熔体，使熔体产生强制对流和强烈振荡，可以碎化粗大枝晶，增加形核率，合金晶粒细化效果明显。另外，低频脉冲磁场对金属熔体穿透力更强，可以实现更大面积铸锭的铸造。对于电磁复合控制电渣重熔细晶铸造工艺来说，重要的是结晶器的设计和工艺参数的匹配，本发明结晶器是在传统电渣重熔结晶器的基础上进行改进创新，并通过与冷却水强度、铸造速度和电渣重熔交变电流等工艺参数的匹配，获得表面质量好、组织均匀、晶粒细化的电渣铸锭。
与现有技术相比，本发明的优点及有益效果主要有：
1、本发明提供的电磁复合控制电渣重熔细晶铸造方法及装置，脉冲电压控制范围为50～200V，脉冲磁场频率控制范围为2.5～20Hz，与现有技术相比，存在工作电压低，工作频率低等特点，在工业上实施比较容易。
2、本发明结晶器的上下法兰的材质均采用不导磁的不锈钢，磁力线可顺利通过，从而保证通过熔体中的脉冲磁场不发生变形，磁场强度不会减弱。
3、本发明结晶器中的励磁线圈由横截面尺寸为3×8mm扁铜线绕制而成，高50～85mm，总匝数为50～300，与脉冲电源相匹配产生的脉冲磁场作用于金属熔体，能够获得很好的细化效果。
总之，本发明涉及的方法和装置可用于高温合金、高合金钢等金属材料的电渣重熔精炼，能够细化合金凝固组织，减少偏析，提高电渣重熔工艺的精炼效果。
附图说明
图1是本发明电磁复合控制电渣重熔细晶铸造的装置示意图。其中，1金属电极；2结晶器紫铜内套；3渣池；4金属熔池；5电渣铸锭；6侧面冷却水套进水口；7紫铜电极板；8底部冷却水套出水口；9下拉杆；10底部冷却水套进水口；11电渣重熔工作电源；12励磁线圈；13脉冲电源；21底部冷却水套；22侧面冷却水套；23侧面冷却水套出水口；24结晶器；25引锭。
图2(a)-(c)是本发明电磁复合控制电渣重熔细晶铸造过程中电磁复合作用机制示意图。其中，图2(a)为输入励磁线圈的脉冲电流波形图；图2(b)为脉冲电流处于上升段时脉冲磁场与感生电流复合作用示意图；图2(c)为脉冲电流处于下降段时脉冲磁场与感生电流复合作用示意图；图中，14脉冲磁场；15感生电流；16洛伦兹力。
图3是脉冲磁场作用于金属熔池的流场分布计算结果示意图。图中，17金属电极；18渣池；19金属熔池；20电渣铸锭。
具体实施方式
在具体实施方式中，本发明提供一种电磁复合控制电渣重熔细晶铸造方法，具体按以下步骤进行：
(a)将设计成一定电感量(其范围为1.0×103～5.0×103μH)的励磁线圈安装在渣池和金属熔池部位，并与脉冲电源输出端连接；
(b)启动电渣重熔炉(电磁复合控制电渣重熔结晶器)，通过铸造机控制电渣铸锭下行的速度，当渣池和金属熔池在结晶器中的位置稳定之后，开启脉冲电源，采用脉冲电源输出的可控制脉冲电流，在励磁线圈中产生脉冲磁场，控制脉冲磁场的电压与频率，脉冲电压控制在50～200V；电渣重熔细晶铸造过程中，脉冲磁场的频率控制在2.5～20Hz范围内；
(c)脉冲磁场与熔体中的感生电流和电渣重熔电流复合产生的周期性洛伦兹力作用下，金属熔体产生强制对流，抑制了金属熔池中固液界面附近晶核的长大，细化金属材料凝固组织，减少成分偏析；
(d)金属液滴在方向和大小周期性变化的洛伦兹力作用下能够碎化成细小的液滴，提高了金属液滴与渣液的接触面积和接触时间，起到了很好的净化作用；
(e)当电渣重熔结束并且铸锭完全凝固后，关闭脉冲电源，使励磁线圈停止工作，关闭电渣重熔电源，取出自耗金属电极，并取出铸锭。
为了实现电磁复合控制电渣重熔细晶铸造，本发明提供一种电磁复合控制电渣重熔细晶铸造装置，用于电渣重熔细晶铸造工艺中，包括脉冲电源和电磁复合控制电渣重熔结晶器等，脉冲电源可以调节输出电压，并通过编程控制脉冲磁场的频率。
如图1所示，本发明用于电磁复合控制电渣重熔细晶铸造的装置主要包括电渣重熔工作电源11、脉冲电源13和电磁复合控制电渣重熔结晶器24，结晶器24由结晶器紫铜内套2、侧面冷却水套22、底部冷却水套21、励磁线圈12等构成，具体结构如下：
结晶器紫铜内套2内的底部设置与电渣铸锭5同材质的引锭25，结晶器紫铜内套2外侧设置侧面冷却水套22，侧面冷却水套22的下部侧面设置侧面冷却水套进水口6，侧面冷却水套22的上部侧面设置侧面冷却水套出水口23，励磁线圈12设置于冷却水套22内的冷却水中，励磁线圈12与脉冲电源13连接。
电渣重熔工作电源11分别与金属电极1和紫铜电极板7连接，金属电极1的一端伸至结晶器紫铜内套2中，通过金属电极1使结晶器紫铜内套2中形成渣池3和金属熔池4，渣池3位于金属熔池4顶部。紫铜电极板7设置于引锭25的底部，与引锭25接触。紫铜电极板7的底部设置底部冷却水套21，底部冷却水套21的底部设置下拉杆9和底部冷却水套进水口10，底部冷却水套进水口10穿设于下拉杆9中，底部冷却水套21的侧面设置底部冷却水套出水口8。
结晶器24的外壳为铸铁材质，结晶器24的上下法兰为不锈钢材质，且厚度均为5～10mm。结晶器24上下法兰的材质均采用不导磁的不锈钢，磁力线可顺利通过，从而保证通过熔体中的脉冲磁场不发生变形，磁场强度受影响。
结晶器内套2采用紫铜材质，厚度为15～25mm，形状为喇叭状，且上口小、下口大，倾斜角度为1～6°。在脉冲磁场作用下，能够减小铸造过程中金属熔体与结晶器内壁间的摩擦力，从而获得表面质量良好的电渣铸锭。
磁感应线圈12直接浸泡在结晶器冷却水套内，通过电感和通量计算设计磁感应线圈12，用于产生脉冲磁场，励磁线圈12由横截面尺寸为3×8mm塑封扁铜线绕制而成，高50～85mm，总匝数为50～300。励磁线圈直接浸泡于冷却水中，不仅能够降低励磁线圈的工作温度，而且还可起挡水板的作用，增加冷却水在水套中的流动距离。
如图1所示，本发明提供的电磁复合控制电渣重熔细晶铸造方法及装置可以用于生产不同尺寸和规格的电渣铸锭，首先将结晶器24安装到电渣重熔铸造平台，在紫铜水冷结晶器24内套里盛有熔融的炉渣(熔渣)，自耗金属电极1一端插入熔渣内，自耗金属电极1、渣池3、金属熔池4、引锭25、紫铜电极板7通过导线和电渣重熔工作电源11形成回路。在通电过程中，渣池3释放焦耳热，将自耗金属电极1端头逐渐熔化，熔融金属汇聚成液滴，穿过渣池3，落入结晶器，形成金属熔池4，受水冷作用，迅速在引锭25顶部凝固形成钢锭(电渣铸锭5)。
下面通过实施例对本发明进一步详细说明。
实施例1
本实施例中，电渣重熔合金为H13高合金钢，按重量百分比计，电渣采用70％CaF2、15％CaO和15％Al2O3，工作电流为10000A，结晶器内径尺寸为电极与渣界面温度最高可达1900℃～2000℃，渣面温度一般为1400℃～1800℃左右，当自耗金属电极一端插入熔渣内，自耗金属电极、渣池、金属熔池、引锭、紫铜电极板通过导线和电渣重熔工作电源即可形成回路，在通电过程中，渣池释放焦耳热，将自耗金属电极端头逐渐熔化，熔融金属汇聚成液滴，穿过渣池，落入结晶器，形成金属熔池。开启脉冲电源，脉冲电压为120～200V，脉冲频率为2.5～10Hz，铸锭下行速度为8mm/min。按该工艺可获得表面质量好，内部组织均匀，等轴晶比率高，晶粒明显细化的H13高合金钢铸锭。
实施例2
本实施例中，电渣重熔合金为H13高合金钢，按重量百分比计，电渣采用70％CaF2、15％CaO和15％Al2O3，工作电流为13000A，结晶器内径尺寸为电极与渣界面温度最高可达1900℃～2000℃，渣面温度一般为1400℃～1800℃左右，当自耗金属电极一端插入熔渣内，自耗金属电极、渣池、金属熔池、引锭、紫铜电极板通过导线和电渣重熔工作电源即可形成回路，在通电过程中，渣池释放焦耳热，将自耗金属电极端头逐渐熔化，熔融金属汇聚成液滴，穿过渣池，落入结晶器，形成金属熔池。开启脉冲电源，脉冲电压为120～200V，脉冲频率为2.5～10Hz，铸锭下行速度为6mm/min。按该工艺可获得表面质量好，内部组织均匀，等轴晶比率高，晶粒明显细化的H13高合金钢铸锭。
如图2(a)-(c)所示，本发明电磁复合控制电渣重熔细晶铸造过程中电磁复合作用机制。
从图2(a)可以看出，输入励磁线圈的电流是具有一定频率的脉冲电流，通过励磁线圈产生具有一定频率且大小不断变化的脉冲磁场，作用于金属熔体产生感生电流；其中，横坐标为作用时间，纵坐标为电流大小。
从图2(b)可以看出，当输入脉冲电流处于上升段时，熔体中的感生电流15为顺时针方向(从熔体上方往下看)，脉冲磁场14与感生电流15复合作用于金属熔体产生洛伦兹力16，其方向由结晶器内壁指向熔体中心位置。
从图2(c)可以看出，当输入脉冲电流处于下降段时，熔体中感生电流15为逆时针方向(从熔体上方往下看)，脉冲磁场14与感生电流15复合作用于金属熔体产生洛伦兹力16，其方向由熔体中心位置指向结晶器内壁。
如图3所示，从脉冲磁场作用于金属熔池的流场分布计算结果可以看出，由于脉冲磁场的作用，金属熔池中产生了强烈的对流；其中，横纵坐标代表流场分布模拟计算过程中所设置的相对位置关系。模拟计算结果表明，通电过程中，渣池18(同图1中的3)释放焦耳热，将自耗金属电极17(同图1中的1)端头逐渐熔化，熔融金属汇聚成液滴，穿过渣池18，落入结晶器，形成金属熔池19(同图1中的4)，脉冲磁场作用于金属熔体产生熔体流动，通过铸造机控制电渣铸锭20(同图1中的5)下行的速度。
实施例结果表明，本发明是利用施加的脉冲磁场与熔体中的感生电流和电渣重熔电流复合产生的周期性电磁力作用下，金属熔体产生强制对流，细化金属材料凝固组织，减少成分偏析。而且，金属液滴在方向和大小周期性变化的电磁力作用下能够碎化成细小的液滴，提高了金属液滴与渣液的接触面积和接触时间，起到了很好的净化作用。
Claims (9)
1.一种电磁复合控制电渣重熔细晶铸造方法，其特征在于，利用施加的脉冲磁场与熔体中的感生电流和电渣重熔电流复合产生的周期性电磁力作用下，金属熔体产生强制对流，细化金属材料凝固组织，减少成分偏析。
2.按照权利要求1所述的电磁复合控制电渣重熔细晶铸造方法，其特征在于：采用脉冲电源输出的可控制脉冲电流，在励磁线圈中产生脉冲磁场，其脉冲电压控制在50～200V。
3.按照权利要求1所述的电磁复合控制电渣重熔细晶铸造方法，其特征在于：电渣重熔细晶铸造过程中，脉冲磁场的频率控制在2.5～20Hz范围内。
4.按照权利要求1所述的电磁复合控制电渣重熔细晶铸造方法，其特征在于，具体按以下步骤进行：
(a)将励磁线圈安装在渣池和金属熔池部位，并与脉冲电源输出端连接；
(b)启动电渣重熔炉，通过铸造机控制电渣铸锭下行的速度，当渣池和金属熔池在结晶器中的位置稳定之后，开启脉冲电源，采用脉冲电源输出的可控制脉冲电流，在励磁线圈中产生脉冲磁场，控制脉冲磁场的电压与频率，脉冲电压控制在50～200V；电渣重熔细晶铸造过程中，脉冲磁场的频率控制在2.5～20Hz范围内；
(c)脉冲磁场与熔体中的感生电流和电渣重熔电流复合产生的周期性电磁力作用下，金属熔体产生强制对流，抑制金属熔池中固液界面附近晶核的长大，细化金属材料凝固组织，减少成分偏析；
(d)金属液滴在方向和大小周期性变化的电磁力作用下能够碎化成液滴，提高金属液滴与渣液的接触面积和接触时间，起到净化作用；
(e)当电渣重熔结束并且铸锭完全凝固后，关闭脉冲电源，使励磁线圈停止工作，关闭电渣重熔电源，取出自耗金属电极，并取出铸锭。
5.一种权利要求1所述方法的电磁复合控制电渣重熔细晶铸造装置，其特征在于，该装置包括电渣重熔工作电源、脉冲电源和电磁复合控制电渣重熔结晶器，结晶器设有结晶器紫铜内套、侧面冷却水套、底部冷却水套、励磁线圈，具体结构如下：
结晶器紫铜内套内的底部设置与电渣铸锭同材质的引锭，结晶器紫铜内套外侧设置侧面冷却水套，侧面冷却水套的下部侧面设置侧面冷却水套进水口，侧面冷却水套的上部侧面设置侧面冷却水套出水口，励磁线圈设置于冷却水套内的冷却水中，励磁线圈与脉冲电源连接；
电渣重熔工作电源分别与金属电极和紫铜电极板连接，金属电极的一端伸至结晶器紫铜内套中，通过金属电极使结晶器紫铜内套中形成渣池和金属熔池，渣池位于金属熔池顶部；紫铜电极板设置于引锭的底部，与引锭接触；紫铜电极板的底部设置底部冷却水套，底部冷却水套的底部设置下拉杆和底部冷却水套进水口，底部冷却水套进水口穿设于下拉杆中，底部冷却水套的侧面设置底部冷却水套出水口。
6.按照权利要求5所述的电磁复合控制电渣重熔细晶铸造装置，其特征在于，结晶器的外壳为铸铁材质，结晶器的上下法兰为不锈钢材质，且厚度均为5～10mm。
7.按照权利要求5所述的电磁复合控制电渣重熔细晶铸造装置，其特征在于，结晶器内套采用紫铜材质，厚度为15～25mm，形状为喇叭状，且上口小、下口大，倾斜角度为1～6°。
8.按照权利要求5所述的电磁复合控制电渣重熔细晶铸造装置，其特征在于，磁感应线圈直接浸泡在结晶器冷却水套内，用于产生脉冲磁场，励磁线圈由横截面尺寸为3×8mm塑封扁铜线绕制而成，高50～85mm，总匝数为50～300。
9.按照权利要求5所述的电磁复合控制电渣重熔细晶铸造装置，其特征在于，首先将结晶器安装到电渣重熔铸造平台，在紫铜水冷结晶器内套里盛有熔融的电渣，自耗金属电极一端插入熔渣内，自耗金属电极、渣池、金属熔池、引锭、紫铜电极板通过导线和电渣重熔工作电源形成回路；在通电过程中，渣池释放焦耳热，将自耗金属电极端头逐渐熔化，熔融金属汇聚成液滴，穿过渣池，落入结晶器，形成金属熔池，受水冷作用，迅速在引锭顶部凝固形成钢锭。
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