CN107008873A - 多模式电磁场均质化金属连铸坯的制备方法及其装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种多模式电磁场均质化金属连铸坯的制备方法及其装置，在铜合金水平连铸坯前方的金属液中施加复合的旋转磁场和交变磁场，形成复杂的混沌流动，来使固液界面前沿的成分和温度均匀，降低温度梯度，打碎枝晶尖端，进而形成晶核增殖和内生形核条件，细化和均质化连铸坯。而利用交变磁场的热效应可以消除连铸结晶器内壁快速冷却形成的激冷层，从而消除产生逆偏析的枝晶通道，进一步实现连铸坯成分的均匀化。本发明还提供一种多模式电磁场均质化铜合金水平连铸坯的装置，适用于各种具有严重偏析倾向特别是逆偏析倾向合金的连铸坯的均质化。

Description

多模式电磁场均质化金属连铸坯的制备方法及其装置
技术领域
本发明涉及一种连铸工艺及其装置，特别是涉及一种电磁连铸工艺及其装置，应用于金属凝固组织控制技术领域。
背景技术
Cu-Ni-Sn合金是一种弹性合金，具有良好的时效强化能力。Cu-Ni-Sn合金在固溶，时效热处理之后，拥有高的强度、硬度、弹性、可焊性、优良的抗热应力松弛性能、好的导电稳定性及优良的工艺性能。因此，Cu-Ni-Sn合金广泛应用于医疗、航天航海导航仪器、机械制造、电子电力和仪表制造等行业。最常见的弹性合金是铍青铜，它是一种优质的弹性材料，但是铍的氧化物或者粉尘有毒，在制造过程中会对人体或者环境造成不良影响。与铍青铜相比，Cu-Ni-Sn合金生产成本低、无毒且具有较高的热稳定性和高温强度，因此是一种很有发展前途的高导电高弹性合金，可用于部分替代铍青铜制造精密仪器、仪表的弹性元件。
采用传统的连铸工艺时，由于Cu-Ni-Sn合金的凝固温度区间很大，很容易形成发达的枝晶，凝固过程中树枝晶产生收缩，形成可供富锡液相流动的枝晶间通道，富锡液相在枝晶间通道的回流将造成严重的宏观逆偏析。Cu-Ni-Sn合金连铸时，铸锭表面由于形成严重的逆偏析，导致锡含量显著高出平均含量，严重时还将导致“锡汗”。这种宏观逆偏析的形成，会严重影响后续的材料加工过程，在后续的轧制，挤压等工艺过程中由于中心和边部的成分不均匀，很容易产生轧制裂纹等缺陷。长时间的均匀化退火甚至都无法消除这种严重的逆偏析，同时还会延长合金的生产周期，严重影响合金的生产效率。此外，长时间的退火也会增加能耗，增加合金的生产成本。逆偏析严重时，甚至要车铣掉表面严重的逆偏析层，造成材料的浪费。因此，解决铜镍锡合金的逆偏析问题一直是铜加工领域亟待解决的行业难题。目前抑制连铸坯反偏析的方法主要有：快速凝固法，电磁搅拌等。快速凝固法包括熔体纺丝法、喷射沉积法等。采用熔体纺丝法制备Cu-Ni-Sn合金在高冷却速度下，合金元素的不均匀性大大降低，制得的合金枝晶间距仅为5μm。应用喷射沉积的方法来制备Cu-Ni-Sn合金，制得的合金组织为细小的等轴晶粒，锡的含量分布比较均匀，由于细晶强化和固溶强化，硬度和力学性能得到大幅度的提高。应用快速凝固的方法虽然一定程度上能改善偏析，但由于传热速度存在限制，无法获得大尺寸的材料，同时成本高，生产效率低，无法实现大规模的工业生产。电磁搅拌应用于合金的连铸过程中，虽然能够改变枝晶的生长甚至获得非树枝晶组织，得到中心位置成分较为均匀的合金，但是靠近结晶器的强冷区域，由于冷却速度较快，电磁搅拌对枝晶间的液体的搅拌效果甚微，无法解决边部的逆偏析，甚至还会加剧逆偏析的程度。因此如何解决Cu-Ni-Sn合金以及具有相似凝固特性的其他合金连铸过程中的逆偏析问题，仍然是亟待解决的技术问题。
发明内容
本发明的目的在于克服已有技术存在的不足，为了解决现有技术问题，提供一种多模式电磁场均质化金属连铸坯的制备方法及其装置，在金属凝固过程中，采用多模式电磁场对金属连铸坯进行均质化处理，通过改变连铸过程中连铸坯凝固界面处合金的散热方式，消除径向枝晶和表面激冷层的形成，同时利用多模式电磁场产生的复杂流动，消除固液界面前沿的成分过冷以及成分的宏观偏析，打碎枝晶，并形成晶核增殖以及形成内生生长条件，进而可以获得全等轴晶的连铸坯，实现铜合金连铸坯的均质化。
为达到上述目的，本发明的构思如下：
由于逆偏析的产生主要归因于连铸结晶器的激冷层，因此如果能将激冷层消除，同时能够实现固液界面前沿温度和成分的均匀化，同时能细化连铸的凝固组织甚至获得等轴晶，对于具有高偏析倾向的金属的连铸中逆偏析的消除，就能很好解决。为此，本发明构思在连铸结晶器的石墨管外部设置交变磁场发生器，将结晶器适当加热，金属液与连铸坯的凝固潜热全部由二冷水带走；同时在连铸坯固液界面前沿采用旋转磁场以及交变磁场，来产生混合流动，就可以使成分和温度均匀化，且流动可以打碎固液界面前沿的枝晶，形成晶核增殖，进而细化连铸坯组织，消除逆偏析及实现成分组织的均质化。
根据上述构思，本发明采用如下技术方案：
一种通过连铸工艺制备均质化金属铸坯的方法，当采用连铸工艺对存在宏观偏析倾向的金属进行制备时，利用多模式电磁场，在金属连铸坯的固液界面前方的金属液中分别施加复合的旋转磁场和交变磁场，在待凝固的金属液中形成复杂的混沌流动，来使金属凝固区域的固液界面前沿的成分和温度均匀化，降低固液界面前沿的金属液的温度梯度，打碎初生的枝晶尖端，进而在固液界面前沿的金属液中形成晶核增殖和内生形核条件，细化和均质化连铸坯凝固组织，同时，固液界面前沿的金属在交变磁场的作用下产生热效应，能消除铸坯表层中由于连铸结晶器内壁快速冷却形成的激冷层，从而在铸坯表层中消除产生逆偏析的枝晶通道，使铸坯表层凝固组织晶粒细化，进一步实现连铸坯成分的均匀化，最终获得均质化的金属铸坯。
作为本发明的优选的技术方案，在金属连铸坯的固液界面前沿的金属液中，沿着金属液凝固的演进方向，依次施加旋转磁场和交变磁场，其中交变磁场作用的位置更加靠近金属凝固区域的固液界面前沿。
本发明上述方案优选适用于铜、铝、镁、钛、锌、锡、铅、镍等金属及其合金的连铸过程。进一步优选适用于Cu-Ni-Sn合金连铸过程。
本发明上述方案优选适用于金属的水平连铸、立式连铸或上引连铸工艺过程；优选适合于圆坯、方坯、板坯或异形坯的连铸。优选还适应于上述截面的管坯的连铸。
作为本发明优选的技术方案，施加交变磁场的频率为中频、高频或工频，且交变磁场频率范围为100-200000Hz，磁场强度为0.01-1000mT，功率为0.1-1000Kw；施加的旋转磁场的频率为0.01-100Hz，且能实现周期反转，周期反转的频率为0.01-10Hz，其磁感应强度为0.01-1000mT。
作为本发明优选的技术方案，采用连铸工艺制备连铸坯的牵引速度为0.01-300mm/s，连铸坯的截面积为0.1-30000cm2。
本发明一种利用多模式电磁场的连铸装置，包括结晶器、冷却喷嘴、引铸机、引锭杆，引铸机牵引引锭杆对铸坯进行连铸，将凝固后的铸坯从结晶器中拉出，冷却喷嘴作为二冷区的水冷装置，在金属熔炉的侧壁设置金属液输出管道，金属液输出管道采用由内衬砖和炉壳复合壁制成，在金属液输出管道末端连接结晶器，在金属液输出管道外部设置旋转磁场搅拌器，驱动流经金属液输出管道的金属液内部产生螺旋形流动，对金属液进行螺旋搅拌，形成金属液搅拌区域，而在结晶器的外围设置一个交变磁场发生器，交变磁场发生器产生交变磁场，使结晶器内的金属液中感生电流，对结晶器内的金属液形成感应加热效应，消除铸坯表层中由于连铸结晶器内壁快速冷却形成的激冷层，从而在铸坯表层中消除产生逆偏析的枝晶通道，并使铸坯表层凝固组织晶粒细化。交变磁场发生器施加于金属液所产生的热量也通过冷却喷嘴对二冷区进行冷却而带走。利用交变磁场发生器在金属液中施加的交变磁场使结晶器中的金属液产生沿径向的电磁挤压力，在靠近结晶器内壁的金属液中产生一系列环形微流，形成微流区域。环形微流与旋转磁场搅拌器产生的螺旋形金属液流动进行复合，在结晶器内的金属液凝固界面前沿区域产生混沌流动，从而使固液界面前沿的温度和浓度均匀化，降低固液界面前沿金属液的温度梯度，消除金属液的成分过冷，获得初生晶核的内生生长条件，抑制枝晶生长并促进等轴晶的形成，并通过混沌流动将打碎枝晶，形成晶核增殖，最终通过金属液凝固获得主要为等轴晶的金属凝固组织。
上述结晶器的内套的材质优选采用石墨、不锈钢、铜或其他高温合金；金属熔炉优选采用工频炉、中频炉或者石墨加热炉。
作为上述方案的进一步优选的技术方案，金属熔炉包括炉体、加热体、热电偶和炉壳盖板，加热体设置在炉体下半部位置处，对熔池的下部熔沟内的金属液进行加热，热电偶检测即将进入金属液输出管道的金属液的温度，设置固体材料棒浸入到金属熔炉内的金属液中，使固体材料棒浸入金属液的部分逐渐融化对金属液进行补充，通过自动机械控制，将固体材料棒以设定的速度压入到金属液中，并控制固体材料棒的压入速度与铸坯的引出速度相匹配，使金属熔炉内的金属液的液面高度维持稳定。
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.本发明利用交变磁场的热效应，消除连铸结晶器内壁快速冷却形成的激冷层，从而消除形成向表面区域抽吸的枝晶通道，因而能更好地消除逆偏析，进一步实现连铸坯成分的均匀化；
2.本发明采用螺旋形旋转磁场复合交变磁场，与交变磁场诱导生成的径向挤压流场的复合，形成混沌流动，能较好的使固液界面前沿的成分和温度场更为均匀，有利于消除宏观偏析；同时混沌流动还能打碎界面前沿的枝晶尖端，形成晶核增殖，而复合流动还能消除界面前沿的温度梯度，形成内生生长，本发明能获得晶粒细化甚至等轴晶的连铸坯，使连铸坯实现成分和组织的均质化，能适应于存在严重宏观偏析的金属的连铸过程；
3.本发明能实现具有严重偏析倾向的合金连铸坯的均质化，同时还可以用于消除合金连铸坯内部的疏松、缩孔，消除凝固相变应力，防止裂纹的产生，同时由于交变磁场的约束作用，还可以提升连铸坯的表面质量。
附图说明
图1为本发明实施例一利用多模式电磁场的连铸装置的一体化熔铸装置结构示意图。
图2为本发明实施例一通过连铸工艺制备均质化金属铸坯的方法的原理示意图。
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2，一种利用多模式电磁场的连铸装置，包括结晶器7、冷却喷嘴9、引铸机11、引锭杆12，引铸机11牵引引锭杆12对铸坯10进行连铸，将凝固后的铸坯10从结晶器7中拉出，冷却喷嘴9作为二冷区的水冷装置，在金属熔炉2的侧壁设置金属液输出管道，金属液输出管道采用由内衬砖和炉壳复合壁8制成，在金属液输出管道末端连接结晶器7，结晶器7的内套为石墨衬套，在金属液输出管道外部设置旋转磁场搅拌器5，驱动流经金属液输出管道的金属液3内部产生螺旋形金属液流动17，对金属液3进行螺旋搅拌，形成金属液搅拌区域，而在结晶器7的外围设置一个交变磁场发生器6，交变磁场发生器6采用交变磁场发生器线圈制成，交变磁场发生器6产生交变磁场，使结晶器7内的金属液3中感生电流，对结晶器7内的金属液3形成感应加热效应，消除铸坯10表层中由于连铸结晶器7内壁快速冷却形成的激冷层，从而在铸坯10表层中消除产生逆偏析的枝晶通道，使铸坯10表层凝固组织晶粒细化。交变磁场发生器6施加于金属液3所产生的热量也通过冷却喷嘴9对二冷区进行冷却而带走。利用交变磁场发生器6施加的交变磁场，使结晶器7中的金属液3产生沿径向的电磁挤压力，在靠近结晶器7内壁的金属液3中产生一系列环形微流16，形成微流区域。环形微流16与旋转磁场搅拌器5产生的螺旋形金属液流动17进行复合，在结晶器7内的金属液凝固界面前沿区域产生混沌流动，从而使固液界面前沿的温度和浓度均匀化，降低固液界面前沿金属液3的温度梯度，消除金属液3的成分过冷度，获得初生晶核的内生生长条件，抑制枝晶生长并促进等轴晶的形成，并通过混沌流动将打碎枝晶，形成晶核增殖，最终通过金属液凝固获得主要为等轴晶的金属凝固组织。
在本实施例中，参见图1和图2，金属熔炉2包括炉体、加热体13、热电偶14和炉壳盖板15，加热体13设置在炉体下半部位置处，对熔池的下部熔沟4内的金属液进行加热，热电偶14检测即将进入金属液输出管道的金属液的温度，设置固体材料棒1浸入到金属熔炉2内的金属液3中，使固体材料棒1浸入金属液3的部分逐渐融化对金属液进行补充，通过自动机械控制，将固体材料棒1以设定的速度压入到金属液3中，并控制固体材料棒1的压入速度与铸坯10的引出速度相匹配，使金属熔炉2内的金属液3的液面高度维持稳定。
参见图1和图2，本实施例制备Cu-15wt.％Ni-8wt.％Sn合金的铸坯10，加热炉2的合金总容量为1000kg，加热炉2采用工频加热，铜合金液采用电解铜、电解镍、工业纯锡进行熔配。结晶器7的石墨衬套的内控直径为120mm。将电解铜、电解镍、工业纯锡按比例加入到加热炉2中进行熔化和温度均匀，将铜合金液的温度控制在1200℃，保温30分钟后开始连铸。开启旋转磁场搅拌器5，调整其频率为50Hz，中心磁感应强度为500mT。开启冷却喷嘴9，保持冷却水流量在5000m3/hr。开启引铸机11，使引铸杆12的速度为30mm/s，同时通过自动机械将固体材料棒1以设定的速度压入到加热炉2中，该速度与连铸坯10引出速度匹配。当连铸坯10稳定引出后，开启交变磁场发生器6的控制电源，使交变磁场发生器6的输入功率控制在20Kw，此时将引铸机11的速度调整为10mm/s，此时由于旋转磁场发生器5在石墨衬套内的金属液中产生螺旋形金属液流动17，同时交变磁场发生器6形成径向挤压流动，交变磁场发生器6在石墨衬套中还将感生出电流将其加热，消除激冷层，螺旋形金属液流动17和径向挤压流动复合将产生混沌流动，从而使连铸坯10的凝固界面前沿的成分和温度均匀，进而实现连铸坯10凝固组织的细化和均质化。
在本实施例中，参见图1和图2，通过在铜合金熔炼炉的水平炉口管外施加一个频率可变的旋转磁场发生器5，在炉口管内部产生螺旋形的铜合金液的流动，而在连铸结晶器7的外围设置一个可变频的螺线管线圈，该螺线管产生的高频磁场在连铸结晶器7的石墨管中感生电流，形成感应加热效应，从而可以避免结晶器壁面激冷层的形成，全部的热量均通过二冷的喷水冷却而带走。而在凝固界面前沿，该螺线管磁场还将产生沿径向的电磁挤压力(Pinch Force)效应，从而在凝固界面前沿的熔液中产生螺线管交变磁场诱导产生的特有的四区流动(即螺线管磁场中部磁场产生的电磁力较大，向心部挤压，从而形成背向的四区流动形态)。该流动与前面的旋转磁场产生的螺旋形流动复合，将在凝固界面产生混沌流动，从而可以使固液界面前沿的温度、浓度均匀，降低温度梯度，消除成分过冷，获得内生生长条件，抑制枝晶而促进等轴晶的形成，即使有枝晶的生成，其生长方向也为轴向，而上述的混沌流动也将打碎枝晶，形成晶核增殖，同样可以获得等轴晶的凝固组织。采用本实施例方法，由于消除了径向的结晶器内的激冷层，又使固液界面前沿的成分和温度均匀，并获得全等轴晶连铸坯，因此其逆偏析现象将最大程度消除，从而获得均质化的连铸坯。本实施例实现具有严重偏析倾向的Cu-Ni-Sn合金连铸坯的均质化，同时还能消除Cu-Ni-Sn合金连铸坯内部的疏松、缩孔，还能消除Cu-Ni-Sn合金凝固相变应力，防止合金裂纹的产生；同时由于交变磁场的约束作用，还可以提升连铸坯的表面质量。
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，采用立式连铸方式，采用多模式电磁场来消除连铸坯边部因激冷作用而形成的严重逆偏析，同时由多模式电磁场产生混沌流动，来调控铜合金水平连铸坯微观组织并消除铜合金中心部位的偏析，获得均质化、晶粒细化的铜合金连铸坯。
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、组合或简化，均应为等效的置换方式，只要符合本发明的发明目的，只要不背离本发明多模式电磁场均质化金属连铸坯的制备方法及其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)

1.一种通过连铸工艺制备均质化金属铸坯的方法，其特征在于：当采用连铸工艺对存在宏观偏析倾向的金属进行制备时，利用多模式电磁场，在金属连铸坯的固液界面前沿的金属液中分别施加复合的旋转磁场和交变磁场，在待凝固的金属液中形成复杂的混沌流动，来使金属凝固区域的固液界面前沿的成分和温度均匀化，降低固液界面前沿的金属液的温度梯度，打碎初生的枝晶尖端，进而在固液界面前沿的金属液中形成晶核增殖和内生形核条件，细化和均质化连铸坯凝固组织。同时，固液界面前沿的金属在交变磁场的作用下产生热效应，能消除铸坯表层中由于连铸结晶器内壁快速冷却形成的激冷层，从而在铸坯表层中消除产生逆偏析的枝晶通道，使铸坯表层凝固组织晶粒细化，进一步实现连铸坯成分的均匀化，最终获得均质化的金属铸坯。
2.根据权利要求1所述通过连铸工艺制备均质化金属铸坯的方法，其特征在于：在金属连铸坯的固液界面前沿的金属液中，沿着金属液凝固的演进方向，依次施加旋转磁场和交变磁场，其中交变磁场作用的位置更加靠近金属凝固区域的固液界面前沿。
3.根据权利要求1或2所述通过连铸工艺制备均质化金属铸坯的方法，其特征在于：适用于铜、铝、镁、钛、锌、锡、铅、镍等金属及其合金的连铸过程。
4.根据权利要求3所述通过连铸工艺制备均质化金属铸坯的方法，其特征在于：适用于铜镍锡合金连铸过程。
5.根据权利要求1或2所述通过连铸工艺制备均质化金属铸坯的方法，其特征在于：适用于金属的水平连铸、立式连铸或上引连铸工艺过程；适合于圆坯、方坯、板坯或异形坯的连铸。
6.根据权利要求1或2所述通过连铸工艺制备均质化金属铸坯的方法，其特征在于：施加交变磁场的频率为中频、高频或工频，且交变磁场频率范围为100-200000Hz，磁场强度为0.01-1000mT，功率为0.1-1000Kw；施加的旋转磁场的频率为0.01-100Hz，且能实现周期反转，周期反转的频率为0.01-10Hz，其磁感应强度为0.01-1000mT。
7.根据权利要求1或2所述通过连铸工艺制备均质化金属铸坯的方法，其特征在于：采用连铸工艺制备连铸坯的牵引速度为0.01-300mm/s，连铸坯的截面积为0.1-30000cm2。
8.一种利用多模式电磁场的连铸装置，包括结晶器(7)、冷却喷嘴(9)、引铸机(11)、引锭杆(12)，所述引铸机(11)牵引所述引锭杆(12)对铸坯(10)进行连铸，将凝固后的铸坯(10)从结晶器(7)中拉出，所述冷却喷嘴(9)作为二冷区的水冷装置，其特征在于：在金属熔炉(2)的侧壁设置金属液输出管道，金属液输出管道采用由内衬砖和炉壳复合壁(8)制成，在金属液输出管道末端连接所述结晶器(7)，在金属液输出管道外部设置旋转磁场搅拌器(5)，驱动流经金属液输出管道的金属液(3)内部产生螺旋形金属液流动(17)，对金属液(3)进行螺旋搅拌，形成金属液搅拌区域，而在所述结晶器(7)的外围设置一个交变磁场发生器(6)，所述交变磁场发生器(6)产生交变磁场，使结晶器(7)内的金属液(3)中感生电流，对结晶器(7)内的金属液(3)形成感应加热效应，能消除铸坯(10)表层中由于连铸结晶器(7)内壁快速冷却形成的激冷层，从而在铸坯(10)表层中消除产生逆偏析的枝晶通道，使铸坯(10)表层凝固组织晶粒细化，交变磁场发生器(6)施加于金属液(3)所产生的热量也通过冷却喷嘴(9)对二冷区进行冷却而带走，利用交变磁场发生器(6)施加的交变磁场，使结晶器(7)中的金属液(3)产生沿径向的电磁挤压力，在靠近结晶器(7)内壁的金属液(3)中产生一系列环形微流(16)，形成微流区域，使环形微流(16)与旋转磁场搅拌器(5)产生的螺旋形金属液流动(17)进行复合，在结晶器(7)内的金属液凝固界面前沿区域产生混沌流动，从而使固液界面前沿的温度和浓度均匀化，降低固液界面前沿金属液(3)的温度梯度，消除金属液(3)的成分过冷度，获得初生晶核的内生生长条件，抑制枝晶生长并促进等轴晶的形成，并通过混沌流动将打碎枝晶，形成晶核增殖，最终通过金属液凝固获得主要为等轴晶的金属凝固组织。
9.根据权利要求8所述利用多模式电磁场的连铸装置，其特征在于：所述结晶器(7)的内套的材质为石墨、不锈钢、铜或其他高温合金；金属熔炉(2)采用工频炉、中频炉或者石墨加热炉。
10.根据权利要求8所述利用多模式电磁场的连铸装置，其特征在于：所述金属熔炉(2)包括炉体、加热体(13)、热电偶(14)和炉壳盖板(15)，所述加热体(13)设置在炉体下半部位置处，对熔池的下部熔沟(4)内的金属液进行加热，所述热电偶(14)检测即将进入金属液输出管道的金属液的温度，设置固体材料棒(1)浸入到金属熔炉(2)内的金属液(3)中，使固体材料棒(1)浸入金属液(3)的部分逐渐融化对金属液进行补充，通过自动机械控制，将固体材料棒(1)以设定的速度压入到金属液(3)中，并控制固体材料棒(1)的压入速度与铸坯(10)的引出速度相匹配，使金属熔炉(2)内的金属液(3)的液面高度维持稳定。
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