CN104785739A - 在稳态磁场条件下连铸过程二次冷却区晶粒细化的方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种在稳态磁场条件下连铸过程二次冷却区晶粒细化的方法及装置，通过seebeck效应在二次冷却区固液界面前沿产生的热电流与稳态磁场相互作用产生热电磁力，热电磁力使横向生长的柱状晶被打断，产生柱状晶—等轴晶转变，同时也引起熔体的流动，起到搅拌作用，柱状晶碎片游离在连铸坯的液相穴中成为新的晶核，提高了等轴晶数量，抑制了柱状晶生长，扩大了等轴晶区，细化了连铸坯晶粒。本发明解决了连铸过程中二次冷却区存在的横向柱状晶长大形成穿晶以及连铸坯晶粒细化的问题，抑制了柱状晶的生长，扩大了等轴晶区，克服了现有技术中初生坯壳屏蔽交变电磁场的难题，显著提升铸坯质量，节约能耗，有利于大规模工业化应用。

Description

在稳态磁场条件下连铸过程二次冷却区晶粒细化的方法及装置

技术领域

本发明涉及一种金属凝固方法和装置，特别是涉及一种金属连铸方法和装置，应用于连铸技术领域。

背景技术

连铸技术是现代钢铁生产中应用最广泛的成形技术。连铸过程中，钢水是分段凝固的。钢液首先在结晶器形成初生坯壳，然后在二次冷却区喷水冷却至完全凝固。从结晶器出来的连铸坯，其液相穴很长。进入二次冷却区后，由于冷却的不均匀，致使连铸坯在传热快的局部区域柱状晶优先发展，当两边的柱状晶相连时，或由于等轴晶下落被柱状晶捕捉，就会出现“搭桥”现象，即所谓的穿晶。这时液相穴的钢水被“凝固桥”隔开，桥下残余钢液因凝固产生的收缩，得不到桥上钢液的补充，形成疏松和缩孔，并伴随严重的偏析。

为了解决这种问题，现有的技术手段是采用电磁搅拌技术。即在感应线圈中通入交变电流产生交变电磁场，从而在液相穴内部产生电磁力，对钢液进行搅拌。电磁搅拌一方面可以加速钢液流动，加快消除过热度；另一方面，熔体流动导致枝晶在根部熔断，流动的钢液将树枝晶带走成为新的形核核心；再者，电磁搅拌的作用也可机械地折断正在长大的树枝晶，消除柱状晶的搭桥，增加等轴晶晶核，使凝固前沿发生柱状晶—等轴晶转变，扩大等轴晶区。但是现有技术仍存在许多难以克服的问题，其一，由于连铸设备的设计要求，在连铸坯两侧同时放置搅拌器的空间有限，所以实际生产中大多在二冷区单侧安装一个电磁搅拌器，但这就导致了搅拌效率低，需要较大电流的问题，影响了搅拌器的使用寿命；其二，现有的电磁搅拌器所产生的电磁场为交变电磁场，其磁场强度较低，一般磁场强度<1T，因此电磁力较低，限制了电磁搅拌的作用范围和作用强度，使生产中出现产品质量不稳定的现象；其三，连铸坯的初生坯壳会对交变电磁场产生屏蔽作用，减弱搅拌效果，且磁场强度越大屏蔽越明显。

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不足，提供一种在稳态磁场条件下连铸过程二次冷却区晶粒细化的方法及装置，利用磁场强度低于1T的稳态磁场实现连铸过程二次冷却区晶粒细化工程。本发明利用稳态磁场在金属凝固过程中诱发热电磁效应，产生柱状晶-等轴晶转变，提高等轴晶数量，扩大等轴晶区。

为达到上述发明创造目的，本发明采用如下发明构思：

根据seebeck效应，金属凝固时铸坯内的固－液两相具有不同的热电势值，且沿固－液界面存在一个温度梯度，那么固－液两相之间就会产生热电流，它与外加的稳态磁场相互作用就会产生一种驱动流体运动的电磁力，即热电磁力。热电磁力一方面作用于熔体，引起熔体流动，另一方面，热电磁作用于固相可以使枝晶发生断裂，在凝固前沿形成等轴晶，这两者共同作用抑制了柱状晶的发展从而起到细化晶粒的作用。本发明应用该原理发明了一种利用稳态磁场实现连铸过程中二次冷却区晶粒细化的方法及其装置。

利用稳态磁场实现连铸过程中二次冷却区晶粒细化的装置包括连铸机以及稳态磁场发生装置。连铸机从上到下依次由钢包，中间包，结晶器以及二次冷却区内的调坯辊和冷却水喷头组成，稳态磁场发生装置，即磁体，安装在二次冷却区冷却水喷头的外侧，其范围覆盖整个二冷区，目的在于使液相穴均处于稳态磁场的作用下，钢液自钢包流经中间包，结晶器在二次冷却区形成连铸坯，此时的连铸坯内部并未完全凝固，而是呈“V”字形的液相穴，经过喷水冷却才能逐渐凝固。此时将稳态磁场作用于正在凝固的液相穴可以诱发热电磁效应，在液相穴内部产生热电磁力，热电磁力作用于柱状晶以及熔体可以引发柱状晶—等轴晶转变，扩大等轴晶区，细化连铸坯组织。

根据上述发明构思，本发明采用下述技术方案：

一种在磁场条件下连铸过程二次冷却区晶粒细化的方法，连铸过程中，处于二次冷却区的连铸坯外部是初生坯壳而内部是呈“V”字形的液相穴，在连铸机的二次冷却区外安装磁场发生器，产生作用于连铸坯的液相穴的范围的磁场强度小于1.0T的稳态磁场，稳态磁场的磁场强度不随时间发生变化，调整稳态磁场的磁场强度，使磁场与连铸坯内的液相穴内的金属熔体中热电流相互作用产生电磁力，折断连铸坯内的金属凝固界面前沿的初生柱状晶，在金属凝固界面前沿形成等轴晶，使连铸坯内部发生柱状晶向等轴晶转变，同时连铸坯内的液相穴内电磁力还驱动金属熔体的流动，使连铸坯内的液相穴的金属熔体温度场和金属液成分趋向均匀化，降低金属熔体的过热度。

一种连铸坯晶粒细化装置，由结晶器、调坯辊、冷却水喷头和磁场发生器组成，金属液经过结晶器后形成连铸坯，冷却水喷头对位于连铸机的二次冷却区的连铸坯区段进行喷水冷却，使位于二次冷却区的连铸坯区段外层和内部分别形成初生坯壳和“V”字形的液相穴，磁场发生器设置于冷却水喷头的外侧，磁场发生器向液相穴内施加磁场强度小于1.0T的稳恒磁场，使稳恒磁场覆盖到整个二次冷却区，稳态磁场的磁场强度不随时间发生变化，通过控制磁场发生器调整稳态磁场的磁场强度，使磁场与液相穴内的金属熔体中热电流相互作用产生电磁力，实现液相穴内的金属熔体的动量传输、热量传输和质量传输，使液相穴内的金属熔体温度场、金属液成分趋向均匀化。

作为本发明优选的技术方案，磁场发生器由磁体和直流电源组成，磁体利用直流电源供应的直流电在液相穴内产生稳态磁场，通过控制直流电源来调整所施加的稳态磁场的磁场强度，磁体的安装位置覆盖整个二次冷却区，磁体以非接触方式安装于冷却水喷头的外侧。

本发明在金属凝固过程中，在铸坯固－液两相具有不同的热电势，且沿固-液界面存在一个温度梯度，即在固相和液相之间就会产生热电流。热电流与外加磁场相互作用就会产生一种驱动熔体流体运动的电磁力，产生热电磁对流效应。利用稳态磁场在金属熔体中的热电磁效应，驱使柱状晶-等轴晶转变，这已经被许多研究所证实。另外，稳态磁场不受初生坯壳屏蔽，这一特点克服了凝固坯壳对交变电磁场的屏蔽作用，增大了电磁力，可以有效的细化晶粒组织，提高了连铸坯质量。本发明所提到的装置十分简单，有利于大规模工业化生产和应用。

本发明由于热电磁效应，磁场与金属熔体中热电流相互作用，在枝晶尺度产生一个足以将枝晶折断的热电磁力。这个热电磁力作用在由于横向温度梯度较大而生长的柱状晶上，柱状晶由于机械力的作用折断，在凝固前沿形成等轴晶，发生柱状晶—等轴晶转变，避免了横向柱状晶的过度生长而在连铸坯中形成穿晶，抑制了柱状晶的发展。同时，热电磁力会促进金属熔体的流动，加快消除过热度，破碎的枝晶在熔体中游离，成为一个个新的晶核，增加了铸坯中等轴晶晶核的数量，扩大了等轴晶区，起到了细化晶粒的作用。另外，本发明还通过外部调控系统来调节磁场强度大小以此来控制晶粒细化的效果，能实现自动控制和远程控制。

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. 本发明通过seebeck效应在连铸坯柱状晶附近产生的热电流与稳态磁场相互作用生成热电磁力，热电磁力使横向生长的柱状晶被打断，产生柱状晶—等轴晶转变，同时也引起熔体的流动，起到搅拌作用，柱状晶碎片游离在连铸坯的液相穴中成为新的晶核， 提高了等轴数量中成为新的晶核， 提高了等轴数量抑制了柱状晶生长， 扩大了等轴晶区， 细化了连铸坯晶粒，即本发明通过在二次冷却区施加稳态磁场，利用热电磁效应细化晶粒组织，获得良好的细化效果，克服了传统电磁搅拌在交变磁场条件下初生坯壳对电磁场的屏蔽作用；

2. 本发明在原有连铸设备不发生较大改变的情况下，仅在二次冷却区位置安装磁体，设备工艺简单，有利于大规模工业化应用；

3. 本发明相比于电磁搅拌技术能耗更低，操作简单，且对连铸过程没有其他影响；

4. 本发明解决了连铸过程中二次冷却区存在的横向柱状晶长大形成穿晶以及连铸坯晶粒细化的问题，抑制了柱状晶的生长，扩大了等轴晶区，克服了现有技术中初生坯壳屏蔽电磁场的难题，显著提升铸坯质量，节约能耗，有利于大规模工业化应用。

附图说明

图1是采用本发明优选实施例连铸坯晶粒细化装置的连铸工艺设备结构示意图。

具体实施方式

本发明的优选实施例详述如下：

在本实施例中，参见图1，一种连铸坯晶粒细化装置，由结晶器3、调坯辊5、冷却水喷头6和磁场发生器7组成，金属液经过结晶器3后形成连铸坯8，冷却水喷头6对位于连铸机的二次冷却区的连铸坯8区段进行喷水冷却，使位于二次冷却区的连铸坯8区段外层和内部分别形成初生坯壳和“V”字形的液相穴4，磁场发生器7设置于冷却水喷头6的外侧， 磁场发生器7向液相穴4内施加磁场强度小于1.0T的稳恒磁场，使稳恒磁场覆盖到整个二次冷却区，稳态磁场的磁场强度不随时间发生变化，通过控制磁场发生器7调整稳态磁场的磁场强度，使磁场与液相穴4内的金属熔体中热电流相互作用产生电磁力，实现液相穴4内的金属熔体的动量传输、热量传输和质量传输，使液相穴4内的金属熔体温度场、金属液成分趋向均匀化。在磁体施加的稳恒磁场作用下，连铸坯8液相穴4内横向生长的树枝晶被打断形成破碎的枝晶游离在熔体中，成为等轴晶晶核，细化了连铸坯8的晶粒。当磁体产生磁场时，由于稳态磁场为直流稳态磁场，连铸坯8的初生坯壳并不会对静磁场产生屏蔽作用，因此不会减弱稳态磁场的细化效果。

在本实施例中，参见图1，磁场发生器7由磁体和直流电源组成，磁体利用直流电源供应的直流电在液相穴4内产生稳态磁场，通过控制直流电源来调整所施加的稳态磁场的磁场强度，磁体的安装位置覆盖整个二次冷却区，磁体以非接触方式安装于冷却水喷头6的外侧。

在本实施例中，参见图1，为了实现利用稳态磁场细化二次冷却区连铸坯组织的方法，本实施例连铸坯晶粒细化装置包括连铸过程中所使用的连铸机以及稳态磁场发生装置。连铸机主要包括钢包1、中间包2、结晶器3、调坯辊5以及冷却水喷头6，钢包1中的钢液依次流经中间包2和结晶器3后，再经冷却水喷头6喷水冷却进一步凝固形成连铸坯8，此时二次冷却区的连铸坯8外层是初生坯壳，内部则是呈“V”字形的液相穴4。磁体在连铸坯8内部的液相穴4中产生稳态磁场，磁场作用范围覆盖液相穴4，使液相穴内的枝晶和熔体受到热电磁力的作用。在磁体施加的稳态磁场作用下，连铸坯8中液相穴4内横向生长的柱状晶被打断在凝固前沿形成等轴晶，随着等轴晶数量的增大，抑制了柱状晶的生长，发生柱状晶—等轴晶转变。另外，热电磁力作用于熔体引起流动，加快消除过热度并且带走一部分枝晶碎片，增加了等轴晶晶核数量，细化了连铸坯8的晶粒。当磁体产生磁场时，由于稳态磁场为静磁场，连铸坯8的初生坯壳并不会产生屏蔽作用，因此不会减弱稳态磁场的细化效果。

在本实施例中，通过外部控制系统来调节磁体向连铸坯8中施加的磁场强度，通过调节磁体施加的磁场强度，即可实现对热电磁力的控制，设备操作简单，方便快捷。

在连铸过程中，在二次冷却区金属液进一步冷却形成连铸坯8，连铸坯8包括外部的初生坯壳以及内部的“V”字型液相穴4，在连铸机的二次冷却区外安装磁体， 使磁体产生的稳态磁场作用于液相穴4的范围，调节磁体施加的磁场强度，设定至需要的磁场强度。连铸坯8内的液相穴4受稳态磁场的作用产生热电磁力，热电磁力不仅作用于枝晶打断了正在横向生长的柱状晶，产生柱状晶—等轴晶转变，而且作用于熔体引起其流动，加快消除过热度，柱状晶碎片增加了等轴晶晶核的数目，使中心等轴晶晶体数目增加，细化了晶粒，抑制了柱状晶的生长，扩大了等轴晶区，提高了连铸坯质量。在连铸设备上安装磁体后，连铸过程便可在二次冷却区实现晶粒细化。

本实施例利用磁场发生装置在连铸机二次冷却区产生稳态磁场，根据seebeck效应，连铸坯8的液相穴4的固液界面处存在温度梯度和不同的热电势，因此会产生热电流，磁场与热电流相互作用，产生热电磁力。由于连铸坯横向温度梯度较大，因此连铸坯8的液相穴4中会出现横向生长的柱状晶，热电磁力作用在柱状晶上使其断裂，在凝固前沿形成等轴晶，随着凝固前沿等轴晶数量的增多，柱状晶的生长将被抑制，因此会发生柱状晶—等轴晶转变，扩大了等轴晶区，从而达到了细化连铸坯组织的目的。

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，只要不背离本发明在稳态磁场条件下连铸过程二次冷却区晶粒细化的方法及装置的技术原理和发明构思，都属于本发明的保护范围。

Claims (3)

1.一种在稳态磁场条件下连铸过程二次冷却区晶粒细化的方法，连铸过程中，处于二次冷却区的连铸坯外部是初生坯壳而内部是呈“V”字形的液相穴，其特征在于：在连铸机的二次冷却区外安装稳态磁场发生器，产生作用于连铸坯的液相穴的范围的磁场强度小于1.0T的稳态磁场，稳态磁场的磁场强度不随时间发生变化，调整稳态磁场的磁场强度，使磁场与连铸坯内的液相穴内的金属熔体中热电流相互作用产生电磁力，折断连铸坯内的金属凝固界面前沿的初生柱状晶，在金属凝固界面前沿形成等轴晶，使连铸坯内部发生柱状晶向等轴晶转变，同时连铸坯内的液相穴内电磁力还驱动金属熔体的流动，使连铸坯内的液相穴的金属熔体温度场和金属液成分趋向均匀化，降低金属熔体的过热度。

2.一种连铸坯晶粒细化装置，由结晶器（3）、调坯辊（5）、冷却水喷头（6）和磁场发生器（7）组成，金属液经过所述结晶器（3）后形成连铸坯（8），所述冷却水喷头（6）对位于连铸机的二次冷却区的连铸坯（8）区段进行喷水冷却，使位于二次冷却区的连铸坯（8）区段外层和内部分别形成初生坯壳和“V”字形的液相穴（4），其特征在于：所述磁场发生器（7）设置于所述冷却水喷头（6）的外侧， 所述磁场发生器（7）向液相穴（4）内施加磁场强度小于1.0T的稳恒磁场，使稳恒磁场覆盖到整个二次冷却区，稳态磁场的磁场强度不随时间发生变化，通过控制所述磁场发生器（7）调整稳态磁场的磁场强度，使磁场与液相穴（4）内的金属熔体中热电流相互作用产生电磁力，实现液相穴（4）内的金属熔体的动量传输、热量传输和质量传输，使液相穴（4）内的金属熔体温度场、金属液成分趋向均匀化。

3.根据权利要求2所述连铸坯晶粒细化装置，其特征在于：所述磁场发生器（7）由磁体和直流电源组成，所述磁体利用所述直流电源供应的直流电在液相穴（4）内产生稳态磁场，通过控制所述直流电源来调整所施加的稳态磁场的磁场强度，所述磁体的安装位置覆盖整个二次冷却区，所述磁体以非接触方式安装于所述冷却水喷头（6）的外侧。