CN104827007A - 大型均匀组织合金锭的连铸制备方法及磁控电渣连铸装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种大型均匀组织合金锭的连铸制备方法及磁控电渣连铸装置，将导电结晶器与竖直磁场相结合，通过分别调节流过渣池和金属熔池的交流电流强度来使重熔过程中交流电流的水平分量与外加竖直稳恒磁场相互作用而分别产生强度可调的周期反向洛伦兹力，驱使渣池和金属熔池分别获得合适的周期反向旋转运动，使渣池及金属熔池温度场均匀，同时周期反向的旋转运动打碎凝固前沿的枝晶，增加金属熔池内的形核质点；而自耗电极末端形成的熔滴受到周期反向的拖曳力促使熔滴提前滴落，减小了熔滴尺寸，增大了熔滴的渣金接触面积，提高了净化效率，最终实现改善甚至抑制大型电渣铸锭的枝晶生长，获得细化、低偏析且高洁净度的凝固组织。

Description

大型均匀组织合金锭的连铸制备方法及磁控电渣连铸装置

技术领域

本发明涉及一种金属材料的制备工艺及装置，特别是涉及一种合金连铸工艺和电渣熔炼装置，应用于特种钢电渣连铸工艺技术领域。

背景技术

电渣冶金以其净化金属，控制凝固组织以及近终成形的特点而得到广泛的应用，成为制备高洁净、高匀质特种钢以及高温合金的重要精炼手段之一。随着电渣冶金技术的不断发展，乌克兰巴顿电焊研究所和奥地利Inteco公司独立研究开发出了导电结晶器电渣重熔技术。导电结晶器技术与电流从自耗电极经过熔渣到达铸锭的传统电渣重熔过程不同，它可以有多种方式让电流经过渣池，改变了传统电渣重熔过程中温度参数与电效率之间的特定关系，大大增强了控制渣池与熔池之间热分配的能力。采用导电结晶器电渣重熔技术可以大大降低电耗，并且一定程度地均匀渣池的温度场，因此可用于电渣连铸过程。然而随着铸锭直径的增加，由于合金坯壳和合金熔体导热性的有限性，使得电渣锭中心区域合金熔体的冷却速率显著降低，凝固界面呈发达的树枝晶生长，甚至搭桥或通道，凝固界面前沿析出的溶质、气体、杂质、夹杂物在枝晶间聚集，形成严重的偏析甚至大范围的通道偏析；搭桥的枝晶使得枝晶间的合金液凝固时得不到充足的补缩，从而形成大量的缩松，甚至缩孔，严重时还会由于应力导致裂纹，使整个电渣锭性能显著降低甚至报废。因此如何解决大直径的电渣重熔锭的凝固缺陷，一直是一个没有得到很好解决的难题。

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，提供一种大型均匀组织合金锭的连铸制备方法及磁控电渣连铸装置，采用外加稳恒磁场与导电结晶器电渣连铸相互耦合工艺，通过电流环路与外加稳恒磁场相互作用，达到分别控制渣池和金属熔池中的周期反向洛伦兹力大小，即分别控制渣池和金属熔池中周期反向的流动强度来改善渣池和金属熔池中的流动及温度场分布；细化熔滴尺寸提高渣金比表面积，降低杂质和夹杂物迁移路径，提高去除细小夹杂物的效率；打碎固液界面前沿枝晶尖端来形成晶核增殖导致铸锭晶粒细化和等轴晶化；避免了凝固前沿溶质、气体、杂质等的富集，防止电渣锭内部形成枝晶搭桥或通道，进而降低合金元素的宏观偏析；促进气体或者夹杂物上浮进入渣层，提高夹杂物去除效率；从而最终获得细化、低偏析且高洁净度的均质大型电渣铸锭。

为达到上述发明创造目的，本发明的构思是：

将导电结晶器与竖直磁场相结合，即在导电结晶器水冷套内设置可以产生竖直磁场的线圈，利用导电结晶器电渣冶炼过程中通过渣池及金属熔池交流电流的水平分量与外加竖直磁场相互作用，从而产生周期反向洛伦兹力，而通过渣池及金属熔池的交流电流采用特别设计的电流环路，可以达到分别控制流经渣池和金属熔池的交流电流强度，使得渣池和金属熔池中的周期反向洛伦兹力的大小可以被分别控制，这样可使得渣池及金属熔池产生不同强度的周期反向旋转运动。对于渣池通过调节周期反向旋转运动的强度来使重熔过程中从自耗电极滴落的金属熔滴不再滴落在结晶器中心区域，促使渣池及金属熔池温度场均匀，使金属熔池更加浅平化，这样有利于避免溶质偏析，进而可以获得低偏析度的凝固组织；同时周期反向旋转运动还可以促使自耗电极末端逐渐形成的熔滴受到周期反向的拖曳力，促使熔滴提前滴落，减小了熔滴尺寸，增大了熔滴的渣金接触面积，降低杂质和夹杂物迁移路径，这样极有利于提高重熔过程的净化效率；而对于金属熔池通过调节周期反向旋转运动的强度来打碎凝固界面前沿的枝晶尖端，一定程度的增加了金属熔池内的形核质点，从而使凝固组织晶粒细化和等轴晶化；同时周期反向旋转运动可以促进气体或者夹杂物上浮进入渣层，防止电渣锭内部形成枝晶搭桥或通道；提高夹杂物去除效率并且避免了凝固前沿溶质、气体、杂质等的富集，从而有效降低合金元素的宏观偏析；可以通过特别设计的电流环路给予渣池与金属熔池合适的电流比来简单地实现分别控制渣池和金属熔池内的周期反向旋转运动的强度，也可以通过调整分别置于导电结晶器内上部和下部电磁线圈产生磁场强度的大小来控制渣池和金属熔池内的周期反向旋转运动的强度；与其它促使渣池及金属熔池产生定向旋转运动的想法相比，本构思可以降低金属熔池卷渣的可能性。因此，本发明可以实现改善大型电渣铸锭的枝晶生长，获得细化、低偏析且高洁净度的大型电渣铸锭的目的。

根据上述发明构思，本发明采用下述技术方案：

一种大型均匀组织合金锭的连铸制备方法，采用电渣精炼工艺和竖直连铸工艺，将导电结晶器与竖直磁场相结合，通过不同的磁场发生装置分别向连铸结晶器中的渣池和金属熔池施加竖直磁场，并控制磁感应强度为0.1-2T，在连铸结晶器腔室中形成上下两个有效磁场区域，使上下两个有效磁场的磁场强度比为0.1-10可调，另外采用分别主要通过渣池和金属熔池的两条供电回路，其中渣池供电回路主要穿过连铸结晶内的上半部有效磁场区域的渣池，其中金属熔池供电回路主要穿过连铸结晶内的下半部有效磁场区域的金属熔池，控制通过渣池与金属熔池的两条供电回路中的电流比为0.1-2可调，在电渣冶炼过程中，同时施加交变电流或交变磁场，利用导电结晶器中通过渣池及金属熔池电流的水平分量与外加竖直磁场相互作用，从而产生周期反向洛伦兹力，使得渣池和金属熔池产生不同强度的周期反向旋转运动，使穿过渣池的金属熔滴受到周期反向的拖曳力，通过调节施加于渣池和金属熔池的电流比来分别控制在渣池内和在金属熔池内的周期反向旋转运动的强度，通过调整分别置于导电结晶器内的上下两个有效磁场区域产生的磁场强度来控制在渣池内和在金属熔池内的周期反向旋转运动的强度，最终获得符合质量要求的大型合金铸锭。

作为本发明优选的技术方案，大型均匀组织合金锭的连铸制备方法，包括如下步骤：

a. 扩大导电结晶器内壁到外壁的距离，从而可以在导电结晶器上半部以及下半部水冷套内分别安装能够产生竖直磁场的磁场发生装置，磁场发生装置优选采用电磁线圈，导电结晶器供电方式为双回路供电，其中一条供电回路主要由电渣冶炼电源、电极、渣池和相关导电组件构成，其中另一条由电渣冶炼电源、辊轮电极、铸锭、金属熔池和相关导电组件构成；

b. 将引锭杆送入导电结晶器内接近电结晶器内腔四分之一至三分之一的高度处时，向导电结晶器内通入一次冷却水和二次冷却水，然后将预熔渣倒入导电结晶器内，并迅速降下电极，使电极浸入渣池30～100mm深度，并启动电渣冶炼电源，电渣冶炼电源优选采用变频电源，向渣池通入电流，开始电渣冶炼过程，此时使通过熔渣池与金属熔池的电流比为1.5～2；

c. 启动引锭杆开始下拉，当引锭杆下拉接近100～200mm后，控制导电结晶器下半部内置的磁场发生装置，产生磁场强度为0.8～1.2T的竖直磁场，在导电结晶器内部形成下半部有效磁场区域；

d. 当导电结晶器内金属熔池液面达到距离结晶器上端口的三分之一附近处时，控制导电结晶器上半部内置的磁场发生装置，产生磁场强度接近1.0T的竖直磁场，在导电结晶器内部形成上半部有效磁场区域，并将通过熔渣池与金属熔池的电流比调整为0.5～0.7，在导电结晶器内通过熔渣池及金属熔池交流电流的水平分量与外加竖直磁场相互作用，从而分别在渣池及金属熔池内产生不同强度周期反向洛伦兹力，促使渣池及金属熔池产生强度不同的周期反向旋转运动；重熔过程中通过渣池与金属熔池的两条供电回路中的电流比由两条供电回路中的变阻器来调节，通过调节不同的电流比来实现分别控制渣池和金属熔池内的周期反向旋转运动的强度；

e. 重熔过程结束，关闭电渣冶炼电源，待铸锭完全冷却后，移除导电结晶器内的磁场，并关闭导电结晶器一次冷却水与二次冷却水，完成大型合金铸锭的连铸过程。

作为上述技术方案进一步优选的技术方案，磁场发生装置产生的磁场为稳恒磁场或低频交变磁场，当磁场发生装置产生低频交变磁场时，其频率范围为0.01-25Hz可调。

作为上述技术方案进一步优选的技术方案，电渣冶炼电源提供的电流为恒流或交变电流，当电渣冶炼电源提供交变电流时，电压在10-700V可调，频率在5-100Hz范围内可调，熔炼电流在150-50000A范围内可调，电流波形可以为正弦波、方波或三角波。

作为上述技术方案进一步优选的技术方案，自耗电极及浇注的液态合金是高温合金、钛合金、铜合金、高速钢和轴承钢中适合电渣重熔的任意一种合金。

作为上述技术方案进一步优选的技术方案，连铸的铸锭为圆形铸锭、方形铸锭或是截面为非圆且非方的异型铸锭，适于连铸的铸锭的断面面积为100-2500mm直径的圆铸锭等截面面积。

作为上述技术方案进一步优选的技术方案，当通过渣池与金属熔池的电流比为1时，使置于导电结晶器内上部的电磁线圈产生磁场强度异于下部电磁线圈产生磁场强度，强度比为0.1-10范围内可调。

一种实施本发明大型均匀组织合金锭的连铸制备方法的磁控电渣连铸装置，由导电结晶器、电磁发生装置、电极、电渣冶炼电源、供电回路、变阻器和辊轮电极组成，电磁发生装置在导电结晶器的内腔中生成竖直磁场，向导电结晶器中通入一次冷却水和二次冷却水，导电结晶器一分为二，由上半部结晶器和下半部分结晶器两个相对独立组装连接安装，扩大导电结晶器内壁到外壁的距离，从而可以在导电结晶器上半部以及下半部独立的水冷套内分别安装能够产生竖直磁场的电磁发生装置，在导电结晶器上半部和下半部之间设有导电环，导电环与导电结晶器中的渣池、金属熔池或渣金界面保持导电接触，形成并联的两条供电回路，其中一条供电回路由电渣冶炼电源、一个变阻器、电极、渣池、导电环构成，穿过导电结晶器内的上半部有效磁场区域和渣池，其中另一条供电回路由电渣冶炼电源、另一个变阻器、辊轮电极、铸锭、金属熔池和导电环构成，穿过导电结晶器内的下半部有效磁场区域的金属熔池，采用两条供电回路控制分别通过渣池与金属熔池的两条供电回路中的电流比，将导电结晶器内的渣池和金属熔池中生成的电流中与竖直磁场相结合，在导电结晶器内，通过分别控制两个电磁发生装置分别向导电结晶器中的渣池和金属熔池施加竖直磁场，在导电结晶器内腔室中形成上下两个磁场强度可调的有效磁场区域，在电渣冶炼过程中，同时施加交变电流或交变磁场，利用通过渣池和金属熔池的电流的水平分量与外加竖直磁场相互作用，从而产生周期反向洛伦兹力，使得渣池和金属熔池产生不同强度的周期反向旋转运动，使穿过渣池的金属熔滴受到周期反向的拖曳力，通过调节施加于渣池和金属熔池的电流比来分别控制在渣池内和在金属熔池内的周期反向旋转运动的强度，通过调整分别置于导电结晶器内的上下两个有效磁场区域产生的磁场强度来控制在渣池内和在金属熔池内的周期反向旋转运动的强度，最终获得符合质量要求的大型合金铸锭。

作为本发明磁控电渣连铸装置优选的技术方案，导电结晶器的形状至少包括直筒型和T型，对于直筒型的导电结晶器，导电环与上半部和下半部的结晶器之间用耐热绝缘体隔开；对于T型的导电结晶器，导电环的安装至少包括两种方案：其中一种安装方案为，导电环分别与上半部和下半部的结晶器之间用耐热绝缘体隔开，导电环安装位于T型的导电结晶器直筒段与收缩段交界位置处；其中另一种安装方案为是将导电环制作成与导电结晶器上部内径相匹配的长筒状并嵌于T型的导电结晶器上部直筒段，导电环的底部到达T型的导电结晶器直筒段与收缩段交界位置处。

作为上述技术方案进一步优选的技术方案，电极为自耗电极棒或非耗用电极棒，当采用自耗电极棒时，自耗电极棒与金属熔池的金属材料相同，冶炼过程为电渣重熔，当采用非耗用电极棒时，冶炼过程通过液态金属浇注的方式开始电渣连铸过程，非耗用电极棒与金属熔池的金属材料不同，采用耐热高电导率的电极材料，将电缆连接在非耗用电极棒上，将非耗用电极棒浸入导电结晶器内的渣池中，或将非耗用电极棒浸入盛有金属液的中间包内，电渣连铸开始时，使由电渣冶炼电源、变阻器、非耗用电极棒、中间包中金属液、中间包水口浇注的金属液柱、渣池、导电环构成穿过渣池的供电回路闭合导通。

作为上述技术方案进一步优选的技术方案，电渣冶炼电源输出变频的交变电流，且电磁发生装置生成交变磁场。

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. 本发明将产生竖直磁场的电磁线圈设置在导电结晶器水冷套内部，可以降低导电结晶器壁对磁场的屏蔽作用，同时采用向线圈通入直流或低频电流来产生竖直磁场降低了集肤效应的影响，与此同时相比于只通过外加旋转磁场使渣池及金属熔池作旋转运动的想法，本发明构思是通过有效利用导电结晶器冶炼的交流电流与磁场相互作用来驱使渣池及金属熔池作旋转运动，不需要为磁场线圈通入非常大的电流来产生竖直磁场，这都极大的节省了能耗；

2. 本发明采用双回路供电方式冶炼，有效利用了导电结晶器电渣冶炼的交流电流，通过供电回路中的变阻器分别调节流过渣池和金属熔池的交流电流强度来使重熔过程中交流电流的水平分量与外加竖直磁场相互作用而分别产生强度可调的周期反向洛伦兹力，促使渣池及金属熔池分别产生合适强度的周期反向旋转运动来均匀渣池及金属熔池的温度场，对于渣池通过调节周期反向旋转运动的强度来使重熔过程中从自耗电极滴落的金属熔滴不再滴落在结晶器中心区域，促使渣池及金属熔池温度场均匀，使金属熔池更加浅平化，这样有利于避免溶质偏析可以获得低偏析度的凝固组织；同时周期反向旋转运动还可以促使自耗电极末端逐渐形成的熔滴受到周期反向的拖曳力，促使熔滴提前滴落，减小了熔滴尺寸，增大了熔滴的渣金接触面积，降低杂质和夹杂物迁移路径，这样极有利于提高重熔过程的净化效率；而对于金属熔池通过调节周期反向旋转运动的强度来打碎凝固前沿的枝晶尖端，一定程度的增加了金属熔池内的形核质点，从而使凝固组织晶粒细化和等轴晶化；同时周期反向旋转运动可以促进气体或者夹杂物上浮进入渣层，防止电渣锭内部形成枝晶搭桥或通道，提高夹杂物去除效率并且避免了凝固前沿溶质、气体、杂质等的富集，进而降低合金元素的宏观偏析；

3.本发明通过特别设计的电流环路给予渣池与金属熔池合适的电流比来简单地实现分别控制渣池和金属熔池内的周期反向旋转运动的强度，也可以通过调整分别置于导电结晶器内上部和下部电磁线圈产生磁场强度的大小来控制渣池和金属熔池内的周期反向旋转运动的强度；

4. 与其他促使渣池及金属熔池产生定向旋转运动的想法相比，本发明构思是驱使渣池及金属熔池产生周期反向的旋转运动，这样降低了金属熔池卷渣的可能性；

5.本发明通过分别调节流过渣池和金属熔池的交流电流强度来使重熔过程中交流电流的水平分量与外加竖直磁场相互作用而分别产生强度可调的周期反向洛伦兹力，促使渣池及金属熔池分别产生合适强度的周期反向旋转运动，通过调节特别设计的双供电回路来给予渣池与金属熔池最佳的电流比来最终获得凝固组织细小均匀、偏析小、洁净度高的大型合金铸坯。

附图说明

图1是本发明实施例一磁控电渣连铸装置结构示意图。

图2是本发明实施例一电渣冶炼交变电流不同半周期时的机理示意图。

图3是本发明实施例二磁控电渣连铸装置结构示意图。

图4是本发明实施例二电渣冶炼交变电流不同半周期时的机理示意图。

图5是本发明实施例三磁控电渣连铸装置结构示意图。

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，参见图1和图2，大型均匀组织合金锭的连铸制备方法的磁控电渣连铸装置，由导电结晶器1、电磁发生装置2、电极3、电渣冶炼电源11、供电回路12、变阻器13和辊轮电极14组成，导电结晶器1的形状为直筒型，电极3为自耗电极棒，自耗电极棒与金属熔池7的金属材料相同，冶炼过程为电渣重熔，电磁发生装置2在导电结晶器1的内腔中生成竖直磁场15，向导电结晶器1中通入一次冷却水9和二次冷却水10，导电结晶器1一分为二，由上半部结晶器和下半部分结晶器两个相对独立组装连接安装，扩大导电结晶器1内壁到外壁的距离，从而可以在导电结晶器1上半部以及下半部独立的水冷套内分别安装能够产生竖直磁场15的电磁发生装置2，在导电结晶器1上半部和下半部之间设有导电环4，导电环4与上半部和下半部的结晶器之间用耐热绝缘体5隔开，导电环4与导电结晶器1中的渣池6、金属熔池7或渣金界面保持导电接触，形成并联的两条供电回路12，其中一条供电回路12由电渣冶炼电源11、一个变阻器13、电极3、渣池6、导电环4构成，穿过导电结晶器1内的上半部有效磁场区域和渣池6，其中另一条供电回路12由电渣冶炼电源11、另一个变阻器13、辊轮电极14、铸锭8、金属熔池7和导电环4构成，穿过导电结晶器1内的下半部有效磁场区域的金属熔池7，采用两条供电回路12控制分别通过渣池6与金属熔池的7两条供电回路12中的电流比，将导电结晶器1内的渣池6和金属熔池7中生成的电流16中与竖直磁场15相结合，在导电结晶器1内，通过分别控制两个电磁发生装置2分别向导电结晶器1中的渣池6和金属熔池7施加竖直磁场15，在导电结晶器1内腔室中形成上下两个磁场强度可调的有效磁场区域，在电渣冶炼过程中，同时施加交变电流和稳恒磁场，利用通过渣池6和金属熔池7的电流16的水平分量17与外加竖直磁场15相互作用，从而产生周期反向洛伦兹力18，使得渣池6和金属熔池7产生不同强度的周期反向旋转运动19，使穿过渣池6的金属熔滴受到周期反向的拖曳力，通过调节施加于渣池6和金属熔池7的电流比来分别控制在渣池6内和在金属熔池7内的周期反向旋转运动19的强度，通过调整分别置于导电结晶器1内的上下两个有效磁场区域产生的磁场强度B来控制在渣池6内和在金属熔池7内的周期反向旋转运动19的强度，最终获得符合质量要求的大型合金铸锭。

本实施例采用的金属熔体为GH4169镍基高温合金。应用本实施例磁控电渣连铸装置制备大型均匀组织合金锭的磁控电渣连铸方法是利用与导电结晶器1重熔过程中交流电流16水平分量17相互作用的外加竖直磁场15在渣池6和金属熔池7内分别产生强度可控的与冶炼交变电流频率一致的周期反向洛伦兹力18，即矢量力F，交流电流16水平分量17为J，磁场磁力线为B，参见图2，分别在渣池6和金属熔池7内产生不同强度的周期反向旋转运动19，通过两条供电回路12中的变阻器13来调节两条供电回路12的电流比来分别控制渣池6和金属熔池7内的周期反向旋转运动19的强度，从而获得凝固组织细小均匀、偏析小、洁净度高的GH4169镍基高温合金。

参见图1和图3，本实施例大型均匀组织合金锭的连铸制备方法，包括如下步骤：

a. 采用直筒型导电结晶器1，导电结晶器1的通钢口径为1500mm，用于连铸圆形截面铸坯，将导电结晶器1内壁到外壁的距离扩大，在导电结晶器1上半部以及下半部水冷套内分别安装能够产生竖直磁场的电磁线圈，作为电磁发生装置2，将导电环4设置在导电结晶器1上半部与下半部之间，而导电环4与导电结晶器1上半部与下半部分别由耐热绝缘体5隔开。

b. 将引锭杆送入导电结晶器1内四分之一高度，然后将导电结晶器1的两条供电回路12设置为分别由变频的电渣冶炼电源11、变阻器13、自耗电极、渣池6、导电环4构成和由变频的电渣冶炼电源11、变阻器13、辊轮电极14、铸锭8、金属熔池7、导电环4构成，向导电结晶器1通入一次冷却水9和二次冷却水10后将预熔渣倒入导电结晶器1内，并迅速降下自耗电极，使自耗电极浸入渣池6深度为50mm至100mm，并启动电渣冶炼电源11通入交流电流16，开始重熔过程，通过调节供电回路12中的变阻器13使通过渣池6与金属熔池7的电流比为1.5；

c. 启动引锭杆开始下拉，当引锭杆下拉100mm后，向导电结晶器1下半部内置的电磁线圈中通入直流电流来产生向上的1.2T磁感应强度的竖直磁场15，来与通过渣池6的交流电流16的水平分量17相互作用产生周期反向的洛伦兹力18，驱使渣池6开始产生周期反向旋转运动19。当导电结晶器1内金属熔池7液面达到距离导电结晶器1上端口的三分之一处时，向导电结晶器1上半部内置的电磁线圈通入直流电流来产生向上的1T磁感应强度的竖直磁场15；由于重熔过程初期渣池6需要大量的焦耳热，而当重熔过程达到稳定后，渣池6需要的焦耳热有所减小，同时破碎铸锭8凝固前沿的枝晶需要较大的洛伦兹力18，故将通过渣池6与金属熔池7的电流比调整为0.5；竖直磁场15与通过渣池6和金属熔池7的不同强度的交流电流16的水平分量17相互作用在渣池6和金属熔池7中产生不同强度的周期反向的洛伦兹力18，驱使渣池6和金属熔池7开始产生周期反向旋转运动19，周期反向旋转运动19增加了渣池6及金属熔池7中的对流强度，使重熔过程中从自耗电极滴落的金属熔滴不再滴落在导电结晶器1中心区域，都促使渣池6及金属熔池7温度场均匀，使金属熔池7更加浅平化，这样有利于避免溶质偏析可以获得低偏析度的GH4169镍基高温合金凝固组织；与此同时金属熔池7内较强的周期反向旋转运动19可以打碎凝固前沿的枝晶，一定程度的增加了金属熔池7内的形核质点，从而使GH4169镍基高温合金凝固组织更加细化，与此同时周期反向旋转运动19可以促进气体或者夹杂物上浮进入渣池6，提高夹杂物去除效率并且避免了凝固前沿溶质、气体、杂质等的富集，降低了GH4169镍基高温合金凝固组织的偏析程度；周期反向旋转运动19还可以促使自耗电极末端逐渐形成的熔滴受到周期反向的拖曳力，促使熔滴提前滴落，减小了熔滴尺寸，增大了熔滴的渣金接触面积，降低杂质和夹杂物迁移路径，这样极有利于提高重熔GH4169镍基高温合金过程的净化效率；

d.待重熔过程结束，关闭电渣冶炼电源11，待GH4169镍基高温合金铸锭8完全冷却后，停止向导电结晶器1内置电磁线圈通入直流电流，并关闭导电结晶器1的一次冷却水9与二次冷却水10，取出凝固组织细小均匀、偏析小、洁净度高的GH4169镍基高温合金铸锭。

本实施例实现一种制备大型均匀组织合金锭的磁控电渣连铸装置及方法，用于改善电渣锭的枝晶生长，获得细化且低偏析的凝固组织。本实施例将导电结晶器1与竖直磁场15相结合，通过分别调节流过渣池6和金属熔池7的交流电流强度来使重熔过程中交流电流16的水平分量17与外加竖直稳恒磁场相互作用而分别产生强度可调的周期反向洛伦兹力18，驱使渣池6和金属熔池7分别获得合适的周期反向旋转运动19，使渣池6及金属熔池7温度场均匀，同时周期反向的旋转运动19打碎凝固前沿的枝晶尖端，增加金属熔池7内的形核质点并且避免了凝固前沿溶质、气体、杂质等的富集；而自耗电极末端形成的熔滴受到周期反向的拖曳力促使熔滴提前滴落，减小了熔滴尺寸，增大了熔滴的渣金接触面积，降低杂质和夹杂物迁移路径，提高了净化效率，从而最终获得凝固组织细小均匀、偏析小、洁净度高的大型合金铸锭8。

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3和图4，在磁控电渣连铸装置中，导电结晶器1的形状为T型，将导电环4制作成与导电结晶器1上部内径相匹配的长筒状并嵌于T型的导电结晶器1上部直筒段，导电环4的底部到达T型的导电结晶器1直筒段与收缩段交界位置处。应用本实施例磁控电渣连铸装置，制备大型均匀组织合金锭的磁控电渣连铸方法可以极大的改善高速钢的铸坯质量，不仅可以细化高速钢铸坯的凝固组织，降低偏析程度，而且极大的提高了高速钢铸坯的洁净度。

参见图3和图4，本实施例大型均匀组织合金锭的连铸制备方法，包括如下步骤：

a. 采用T型的导电结晶器1，T型导电结晶器1的通钢口径为500mm，应用于圆形截面铸坯的铸造，将T型导电结晶器1内壁到外壁的距离扩大，在T型导电结晶器1上半部以及下半部水冷套内分别安装能够产生竖直磁场的电磁线圈，导电环4设计为与T型导电结晶器1上部内径相匹配的长筒状并嵌于T型结晶器1直筒段。

b. 将引锭杆送入T型导电结晶器1内三分之一高度，然后将T型导电结晶器1的两条供电回路12设置为分别由变频的电渣冶炼电源11、变阻器13、自耗电极、渣池6、导电环4构成和由电渣冶炼电源11、变阻器13、辊轮电极14、铸锭8、金属熔池7、导电环4构成；向T型导电结晶器1通入一次冷却水9和二次冷却水10，后将预熔渣倒入T型导电结晶器1内，同时并迅速降下1000mm直径高速钢自耗电极，使自耗电极浸入渣池6深度为30mm至80mm，并启动变频的电渣冶炼电源11通入交流电流16，开始重熔过程，通过调节供电回路12中的变阻器13使通过渣池6与金属熔池7的电流比为2；

c. 启动引锭杆开始下拉，当引锭杆下拉200mm后，向T型导电结晶器1下半部和上半部内置的电磁线圈分别通入直流电流来产生向上的0.8T和1.0T磁感应强度的竖直磁场15，并将通过渣池6与金属熔池7的电流比调整为0.7；竖直磁场15与通过渣池6和金属熔池7的不同强度的交流电流16的水平分量17相互作用在渣池6和金属熔池7中产生不同强度的周期反向的洛伦兹力18，驱使渣池6和金属熔池7开始产生周期反向旋转运动19，周期反向旋转运动19增加了渣池6及金属熔池7中的对流强度，使重熔过程中从自耗电极滴落的金属熔滴不再滴落在导电结晶器1中心区域都促使渣池6及金属熔池7温度场均匀，使金属熔池7更加浅平化，这样有利于避免溶质偏析可以获得低偏析度的高速钢凝固组织；与此同时金属熔池7内周期反向旋转运动19可以打碎凝固前沿的枝晶，一定程度的增加了金属熔池7内的形核质点，从而使高速钢凝固组织更加细化，与此同时周期反向旋转运动19可以促进气体或者夹杂物上浮进入渣池6，提高夹杂物去除效率并且避免了凝固前沿溶质、气体、杂质等的富集，降低了凝固组织的偏析程度；周期反向旋转运动19还可以促使自耗电极末端逐渐形成的熔滴受到周期反向的拖曳力，促使熔滴提前滴落，减小了熔滴尺寸，增大了熔滴的渣金接触面积，降低杂质和夹杂物迁移路径，这样极有利于提高重熔高速钢过程的净化效率；

d. 待重熔过程结束，关闭电渣冶炼电源11，待高速钢铸锭8完全冷却后，停止向导电结晶器1内置电磁线圈通入直流电流，并关闭T型导电结晶器1一次冷却水9与二次冷却水10，实现获得凝固组织细小均匀、偏析小、洁净度高的高速钢。

实施例三：

本实施例与前述实施例基本相同，特别之处在于：

在本实施例中，参见图5，在磁控电渣连铸装置中，导电结晶器1的形状也为T型，导电环4分别与上半部和下半部的结晶器之间用耐热绝缘体5隔开，导电环4安装位于T型的导电结晶器1直筒段与收缩段交界位置处，使导电环4的安装更加简单。

实施例四：

本实施例与前述实施例基本相同，特别之处在于：

在本实施例中，在磁控电渣连铸装置中，电极3为非耗用电极棒，通过液态金属浇注的方式开始电渣连铸过程，非耗用电极棒与金属熔池7的金属材料不同，采用耐热高电导率的电极材料，将电缆连接在非耗用电极棒上，将非耗用电极棒浸入导电结晶器1内的渣池6中，减少能量消耗，保证电渣连铸的质量和效果。

实施例五：

本实施例与实施例四基本相同，特别之处在于：

在本实施例中，在磁控电渣连铸装置中，电极3为非耗用电极棒，通过液态金属浇注的方式开始电渣连铸过程，将非耗用电极棒浸入盛有金属液的中间包内，电渣连铸开始时，使由电渣冶炼电源11、变阻器13、非耗用电极棒、中间包中金属液、中间包水口浇注的金属液柱、渣池6、导电环4构成穿过渣池6的供电回路12闭合导通，在中间包中对金属液进行精炼，增加形核质点，提高连铸质量。

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，只要不背离本发明大型均匀组织合金锭的连铸制备方法及磁控电渣连铸装置的技术原理和发明构思，都属于本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种大型均匀组织合金锭的连铸制备方法，采用电渣精炼工艺和竖直连铸工艺，其特征在于：将导电结晶器与竖直磁场相结合，通过不同的磁场发生装置分别向连铸结晶器中的渣池和金属熔池施加竖直磁场，并控制磁感应强度为0.1-2T，在连铸结晶器腔室中形成上下两个有效磁场区域，使上下两个有效磁场的磁场强度比为0.1-10可调，另外采用分别主要通过渣池和金属熔池的两条供电回路，其中渣池供电回路主要穿过连铸结晶内的上半部有效磁场区域的渣池，其中金属熔池供电回路主要穿过连铸结晶内的下半部有效磁场区域的金属熔池，控制通过渣池与金属熔池的两条供电回路中的电流比为0.1-2可调，在电渣冶炼过程中，同时施加交变电流或交变磁场，利用导电结晶器中通过渣池及金属熔池电流的水平分量与外加竖直磁场相互作用，从而产生周期反向洛伦兹力，使得渣池和金属熔池产生不同强度的周期反向旋转运动，使穿过渣池的金属熔滴受到周期反向的拖曳力，通过调节施加于渣池和金属熔池的电流比来分别控制在渣池内和在金属熔池内的周期反向旋转运动的强度，通过调整分别置于导电结晶器内的上下两个有效磁场区域产生的磁场强度来控制在渣池内和在金属熔池内的周期反向旋转运动的强度，最终获得符合质量要求的大型合金铸锭。

2.根据权利要求1所述大型均匀组织合金锭的连铸制备方法，其特征在于，包括如下步骤：

a. 扩大所述导电结晶器内壁到外壁的距离，从而可以在导电结晶器上半部以及下半部水冷套内分别安装能够产生竖直磁场的磁场发生装置，所述导电结晶器供电方式为双回路供电，其中一条供电回路主要由电渣冶炼电源、电极、渣池和相关导电组件构成，其中另一条由电渣冶炼电源、辊轮电极、铸锭、金属熔池和相关导电组件构成；

b. 将引锭杆送入导电结晶器内接近电结晶器内腔四分之一至三分之一的高度处时，向导电结晶器内通入一次冷却水和二次冷却水，然后将预熔渣倒入导电结晶器内，并迅速降下电极，使电极浸入渣池30～100mm深度，并启动电渣冶炼电源，向渣池通入电流，开始电渣冶炼过程，此时使通过渣池与金属熔池的电流比为1.5～2；

c. 启动引锭杆开始下拉，当引锭杆下拉接近100～200mm后，控制导电结晶器下半部内置的磁场发生装置，产生磁场强度为0.8～1.2T的竖直磁场，在导电结晶器内部形成下半部有效磁场区域；

d. 当导电结晶器内金属熔池液面达到距离结晶器上端口的三分之一附近处时，控制导电结晶器上半部内置的磁场发生装置，产生磁场强度接近1.0T的竖直磁场，在导电结晶器内部形成上半部有效磁场区域，并将通过渣池与金属熔池的电流比调整为0.5～0.7，在导电结晶器内通过渣池及金属熔池交流电流的水平分量与外加竖直磁场相互作用，从而分别在渣池及金属熔池内产生不同强度周期反向洛伦兹力，促使渣池及金属熔池产生强度不同的周期反向旋转运动；

e. 重熔过程结束，关闭电渣冶炼电源，待铸锭完全冷却后，移除导电结晶器内的磁场，并关闭导电结晶器一次冷却水与二次冷却水，完成大型合金铸锭的连铸过程。

3.根据权利要求1或2所述大型均匀组织合金锭的连铸制备方法，其特征在于：所述磁场发生装置产生的磁场为稳恒磁场或低频交变磁场，当所述磁场发生装置产生低频交变磁场时，其频率范围为0.01-25Hz可调。

4.根据权利要求1或2所述大型均匀组织合金锭的连铸制备方法，其特征在于：所述电渣冶炼电源提供的电流为恒流或交变电流，当所述电渣冶炼电源提供交变电流时，电压在10-700V可调，频率在5-100Hz范围内可调，熔炼电流在150-50000A范围内可调，电流波形可以为正弦波、方波或三角波。

5.根据权利要求1或2所述大型均匀组织合金锭的连铸制备方法，其特征在于：自耗电极及浇注的液态合金是高温合金、钛合金、铜合金、高速钢和轴承钢中适合电渣重熔的任意一种合金。

6.根据权利要求1或2所述大型均匀组织合金锭的连铸制备方法，其特征在于：连铸的铸锭为圆形铸锭、方形铸锭或是截面为非圆且非方的异型铸锭，适于连铸的铸锭的断面面积为100-2500mm直径的圆铸锭等截面面积。

7.一种实施权利要求1所述大型均匀组织合金锭的连铸制备方法的磁控电渣连铸装置，由导电结晶器（1）、电磁发生装置（2）、电极（3）、电渣冶炼电源（11）、供电回路（12）、变阻器（13）和辊轮电极（14）组成，电磁发生装置（2）在所述导电结晶器（1）的内腔中生成竖直磁场（15），向所述导电结晶器（1）中通入一次冷却水（9）和二次冷却水（10），其特征在于：所述导电结晶器（1）一分为二，由上半部结晶器和下半部分结晶器两个相对独立组装连接安装，扩大所述导电结晶器（1）内壁到外壁的距离，从而可以在所述导电结晶器（1）上半部以及下半部独立的水冷套内分别安装能够产生竖直磁场（15）的所述电磁发生装置（2），在所述导电结晶器（1）上半部和下半部之间设有导电环（4），所述导电环（4）与所述导电结晶器（1）中的渣池（6）、金属熔池（7）或渣金界面保持导电接触，形成并联的两条供电回路（12），其中一条供电回路（12）由电渣冶炼电源（11）、一个变阻器（13）、所述电极（3）、渣池（6）、所述导电环（4）构成，穿过所述导电结晶器（1）内的上半部有效磁场区域和渣池（6），其中另一条供电回路（12）由电渣冶炼电源（11）、另一个变阻器（13）、辊轮电极（14）、铸锭（8）、金属熔池（7）和导电环（4）构成，穿过所述导电结晶器（1）内的下半部有效磁场区域的金属熔池（7），采用两条供电回路（12）控制分别通过渣池（6）与金属熔池的（7）两条供电回路（12）中的电流比，将所述导电结晶器（1）内的渣池（6）和金属熔池（7）中生成的电流（16）中与竖直磁场（15）相结合，在导电结晶器（1）内，通过分别控制两个所述电磁发生装置（2）分别向所述导电结晶器（1）中的渣池（6）和金属熔池（7）施加竖直磁场（15），在所述导电结晶器（1）内腔室中形成上下两个磁场强度可调的有效磁场区域，在电渣冶炼过程中，同时施加交变电流或交变磁场，利用通过渣池（6）和金属熔池（7）的电流（16）的水平分量（17）与外加竖直磁场（15）相互作用，从而产生周期反向洛伦兹力（18），使得渣池（6）和金属熔池（7）产生不同强度的周期反向旋转运动（19），使穿过渣池（6）的金属熔滴受到周期反向的拖曳力，通过调节施加于渣池（6）和金属熔池（7）的电流比来分别控制在渣池（6）内和在金属熔池（7）内的周期反向旋转运动（19）的强度，通过调整分别置于所述导电结晶器（1）内的上下两个有效磁场区域产生的磁场强度（B）来控制在渣池（6）内和在金属熔池（7）内的周期反向旋转运动（19）的强度，最终获得符合质量要求的大型合金铸锭。

8.根据权利要求7所述磁控电渣连铸装置，其特征在于：所述导电结晶器（1）的形状至少包括直筒型和T型，对于直筒型的导电结晶器（1），所述导电环（4）与上半部和下半部的结晶器之间用耐热绝缘体（5）隔开；对于T型的导电结晶器（1），所述导电环（4）的安装至少包括两种方案：其中一种安装方案为，所述导电环（4）分别与上半部和下半部的结晶器之间用耐热绝缘体（5）隔开，所述导电环（4）安装位于T型的所述导电结晶器（1）直筒段与收缩段交界位置处；其中另一种安装方案为是将所述导电环（4）制作成与所述导电结晶器（1）上部内径相匹配的长筒状并嵌于T型的所述导电结晶器（1）上部直筒段，所述导电环（4）的底部到达T型的所述导电结晶器（1）直筒段与收缩段交界位置处。

9.根据权利要求7或8所述磁控电渣连铸装置，其特征在于：所述电极（3）为自耗电极棒或非耗用电极棒，当采用自耗电极棒时，所述自耗电极棒与金属熔池（7）的金属材料相同，冶炼过程为电渣重熔，当采用非耗用电极棒时，冶炼过程通过液态金属浇注的方式开始电渣连铸过程，非耗用电极棒与金属熔池（7）的金属材料不同，采用耐热高电导率的电极材料，将电缆连接在非耗用电极棒上，将非耗用电极棒浸入导电结晶器（1）内的渣池（6）中，或将非耗用电极棒浸入盛有金属液的中间包内，电渣连铸开始时，使由电渣冶炼电源（11）、变阻器（13）、非耗用电极棒、中间包中金属液、中间包水口浇注的金属液柱、渣池（6）、所述导电环（4）构成穿过渣池（6）的供电回路（12）闭合导通。

10.根据权利要求7或8所述磁控电渣连铸装置，其特征在于：所述电渣冶炼电源（11）输出变频的交变电流，且所述电磁发生装置（2）生成交变磁场。