CN108465792B - 一种差相位脉冲磁场电磁连铸方法 - Google Patents

Abstract

一种差相位脉冲磁场电磁连铸方法，在水平连续铸造、立式连续铸造或半连续铸造过程中，在结晶器内沿铸锭轴向设置2n个励磁线圈；各励磁线圈分为两组；采用差相位脉冲磁场电源系统，输出两组方波脉冲电压和锯齿状脉冲电流分别作用于两组励磁线圈，作用于金属熔体和金属的糊状区域，产生两组电磁脉冲信号的相位角差为90°，在金属熔体和金属的糊状区域中构成差相位行波磁场。本发明的方法能够适应不同形状和几何尺寸的铸锭制备；使生产的产品合金元素偏析大大降低，晶粒尺寸大幅减小，力学性能和成品率显著提高。

Description

一种差相位脉冲磁场电磁连铸方法

技术领域

本发明属于金属材料加工领域，特别涉及一种差相位脉冲磁场电磁连铸方法。

技术背景

立式及水平连铸技术作为金属及合金锭坯的主要制备方法，具有生产效率高，铸造成本低，操作简单等优点；但材料铸造过程中，铸坯内外金属液冷却速率不同，外部金属液冷却快于内部金属液而先凝固，铸坯心部容易出现组织疏松；此外，对于大规格宽厚比较大的铸坯，凝固时内外温差较大，容易造成铸锭心部晶粒粗大，出现严重的宏观及微观偏析，容易产生裂纹等缺陷，极大降低了材料的力学性能和变形能力；因此，在金属坯料制备过程中改变铸锭凝固温度场，减小凝过程中铸锭内外温差，使凝固组织细化、均匀，减小凝固过程中应力的产生对于制备高性能铸坯至关重要。

近年来，在金属凝固过程中施加外场(如电场、磁场、超声场、组合外场等)改变金属凝固行为的技术得到广泛关注。研究表明，在金属和合金凝固过程中施加外场能够减小合金和金属液凝固过程中铸坯内外温差，显著细化均匀凝固组织，且对金属液无污染。

目前，超声场和电磁场是金属和合金凝固过程中应用最广的两种外场；对于超声处理熔体细化的机制，目前大多数学者认为，主要是超声作用熔体时产生的空化效应和声流效应能够搅拌熔体，增加形核率，改善合金温度场的均匀性，抑制柱状晶的生长；1935年Sokolov首次研究了超声振动下金属的凝固行为，随后Abramov和Gurevich研究了超声振动作用下不同点阵结构纯金属的凝固，发现超声处理能够使不同点阵结构的纯金属晶粒细化，力学性能提高；美国的Vladimir Ivanovich等人发明了轻合金的超声半连续铸造方法，通过实验验证了超声的细化效果；东北大学开发的镁合金变频超声半连续铸造方法，通过实验验证发现，变频超声振动能够显著细化晶粒均匀组织。

电磁场细化机制主要是通过电磁力对熔体的搅拌作用，增加形核率，使熔体温度和成分分布更加均匀，抑制枝晶生长，使枝晶球化，提高铸坯等轴晶率。自从20世纪60年代前苏联Getselev在DC半连续铸造的基础上施加线圈开发出电磁铸造(EMC)以来，电磁铸造工艺不断发展，应用日趋广泛。东北大学开发的低频电磁铸造工艺(LFEC)和低频电磁振荡工艺(LFEVC)、中国科学院金属研究所提出的低压脉冲磁场工艺均取得了很好的效果，中国专利CN101733380A、CN202192235U、CN205236987U、CN104722730A表明，施加磁场使晶粒尺寸明显细化、冷隔减轻、偏析和热裂倾向减小，变形能力显著提高。

实际生产与应用中发现，现有超声在金属熔体中传播存在严重的衰减和频率漂移两个问题，且现有超声设备的有效输出功率有限，导致其作用范围有限；另一方面，现有超声变幅杆需直接与金属液接触，因此超声变幅杆的耐高温腐蚀性和空化腐蚀问题仍亟待解决；以上缺点导致超声处理熔体技术仍无法应用于工业生产；低频电磁铸造技术(LFEC、LFEVC)对于直径大于300mm的铸锭细化效果有限，低压脉冲磁场工艺只有在一定电磁条件下细化效果显著，当电磁频率进一步增大时，晶粒尺寸反而增大；此外，现有电磁场施加方式在大规格非轴对称扁坯制备过程中，针对不同部位电磁条件不可调节，无法实现不同位置温度场的调节与控制。

发明内容

针对现有水平连续铸造、立式连续铸造和半连续铸造工艺中施加电磁场作用时高度方向电磁不可调节、电磁作用范围及效果有限、电磁利用率低以及等问题，本发明提供一种差相位脉冲磁场电磁连铸方法，采用多组螺线管线圈，将线圈分组的方法，实现多组线圈之间独立调节，实现连铸过程中不同形状规格坯料制备过程中不同部位的磁场控制，增强磁场细化作用，改善铸锭性能。

本发明的差相位脉冲磁场电磁连铸方法为：

在水平连续铸造、立式连续铸造或半连续铸造过程中，在结晶器内沿铸锭轴向设置2n个励磁线圈，n为大于等于1的自然数；各励磁线圈分为两组，每组n个励磁线圈；采用差相位脉冲磁场电源系统，输出两组方波脉冲电压和锯齿状脉冲电流分别施加于两组励磁线圈，使励磁线圈产生脉动磁场作用于金属熔体和金属的糊状区域，两组励磁线圈各自产生一组脉冲电磁信号，两组电磁脉冲信号的相位角差为90°，从而产生变化的磁场作用于金属熔体和金属的糊状区域，在金属熔体和金属的糊状区域中构成差相位行波磁场。

上述方法中，通过调节电源系统产生的电流强度I＝1～300A，电磁频率f＝2～60Hz，占空比D＝5～80％，在金属熔体和金属的糊状区域中获得目标磁场强度B＝20～200mT。

上述方法中，2n个励磁线圈设置在结晶器外套内，通过循环冷却水对励磁线圈进行冷却，同时对凝固过程中的金属进行冷却。

上述方法中，差相位脉冲磁场电源系统包括变压器、可控硅控制器及可控硅组件、无极电容、电解电容、IGBT控制器及组件和PLC控制器。

上述方法中，励磁线圈的形状为圆环形或矩形，每个励磁线圈绕匝数6～100匝，叠层数2～15层；当励磁线圈为圆环形时，每个励磁线圈环绕在金属熔体外围；当励磁线圈为矩形时，至少2个励磁线圈单体构成一个励磁线圈，均匀环绕在金属熔体外围。

上述方法中，励磁线圈采用的电磁线为双层聚酰亚胺-氟46复合薄膜包扁铜线。

上述方法中，位于结晶器外套内的励磁线圈与结晶器内套的间距5～15mm，与结晶器外套的间距20～40mm。

上述方法中，对于立式连续铸造或半连续铸造，顶部的励磁线圈高度高于或等于金属熔体液面，底部的励磁线圈距离结晶器内套底部10～30mm，在连铸过程中选择与铸造合金的液穴深度等高的励磁线圈及以上的励磁线圈进行工作；对于水平连续铸造，2n个励磁线圈固定在结晶器内，其中靠近结晶器出口的励磁线圈所在的垂面位于金属的糊状区域，另外在流道的加热装置外部沿轴向环绕设置至少2个流道励磁线圈，相邻的两个流道励磁线圈间距为20～100mm。

上述方法中，各励磁线圈分为A和B两组，线圈总数为2n，A和B两组线圈的数量分别为i和j，i、j、n满足以下条件：i+j＝2n，其中，n∈N*且i，j<2n。

本发明的主要技术思想：

改变传统连铸过程中单一励磁线圈组成方式及作用效果有限的谐波磁场，将励磁线圈分组并分别施加脉冲负载的方法，不仅能够实现针对不同部位施加不同电磁条件，使电磁作用范围更广且根据需要可调节，同时可有效净化金属液，提高铸坯质量；改变现有供电方式，针对不同分组励磁线圈的输入电流形成90度的相位差，不同相位脉冲之间的电磁力相互作用，连铸过程中沿铸造方向形成行波磁场即产生波形振动，显著增强对金属液的扰动与搅拌作用，提高电磁利用率，从而制备出细晶、均匀、纯净的合金锭坯。

本发明通过以上技术手段，具有以下优点和积极效果：

1、差相位脉冲磁场电磁连铸方法与装置可实现对电磁搅拌线圈大小、安放数量及安放位置的调整，能够适应不同形状和几何尺寸的铸锭制备；

2、可以根据铸锭的合金种类、规格和形状调节磁场施加条件，以及线圈的分组及组合方式，以达到最优的处理效果，使生产的产品合金元素偏析大大降低，晶粒尺寸大幅减小，力学性能和成品率显著提高；

3、可产生相位差为90度的脉冲电流，实现沿铸造方向对金属液的波形搅拌与扰动，显著增强电磁力对合金熔体的搅拌作用，提高电磁利用率；

4、产生的电磁力作用于金属熔体时，不与金属液直接接触，清洁无污染；

5、在达到相同作用效果的情况下，使用较低频频和较小电流，更加节能；

6、装置结构简单紧凑，便于安装和调整，适应性强，可用于连续铸造、半连续铸造和水平铸造等。

附图说明

图1为本发明的差相位脉冲电源系统的原理图；

图2为本发明实施例1中差相位脉冲电磁系统产生的典型电压与电流波形图；图中，U_A、A组励磁线圈电压，U_B、B组励磁线圈电压，I_A、A组励磁线圈电流，I_B、组励磁线圈电流，U_max、电压峰值，U_min、电压最小值，I_max、电流峰值，I_min、电流最小值，f₁、A组励磁线圈频率，D1、A组励磁线圈占空比，T₁、A组励磁线圈周期，f₂、B组励磁线圈频率，D₂、B组励磁线圈占空比，T₂、B组励磁线圈周期，相位角差，(a)为第一组脉冲信号，(b)为第二组脉冲信号；

图3为本发明实施例中的差相位脉冲磁场电磁连铸方法中励磁线圈工作方式示意图；其中，(a)为实施例1，(b)为实施例2；

图4为本发明实施例1中的差相位脉冲磁场电磁连铸方法工作时金属熔体振荡对流示意图；

图5为本发明实施例中的差相位脉冲磁场电磁连铸方法工作方式用于连铸、半连铸或水平铸造时的装置结构示意图；其中，(a)为立式连续铸造或半连续铸造；(b)为水平连续铸造；

图中，1、B组线圈，2、A组线圈，3、磁力线，4、结晶器内腔，5、励磁线圈，6、金属熔体液面，7、金属熔体对流轨迹，8、金属熔体，9、金属糊状区域，10、金属固相区域，11、结晶器外套，12、冷却水入口，13、线圈支撑块，14、固定螺柱，15、线圈压板，16、盖板，17、垫片，18、盖板固定螺栓，19、密封圈，20、结晶器内套，21、冷却水出口，22、中间包，23、加热装置，24、二冷水，25、牵引装置，26、流道，27、流道励磁线圈。

具体实施方式

下面结合附图对本发明方法和装置进一步说明，用于进一步解释和说明本发明方法，不作为对本发明的限定。

本发明实施例中差相位脉冲磁场电磁连铸方法工作方式用于连铸或半连铸的装置结构如图5(a)所示，由结晶器外套11和结晶器内套20构成的冷却水夹套内的各励磁线圈5之间用线圈支撑块13支撑并隔断，最底部的励磁线圈5下方设置一个线圈支撑块13支撑并与冷却水夹套11隔断，最顶部的励磁线圈5用线圈压板15压住固定；各线圈支撑块13及线圈压板15通过一个固定螺栓14固定在一起。

本发明实施例中，进行立式连续铸造或半连铸铸造时，励磁线圈5、线圈支撑块13、压板15和固定螺栓14位于结晶器外套11内，通过循环冷却水对励磁线圈5进行冷却，同时对凝固过程中的金属进行冷却，结晶器外套11顶部通过盖板固定螺栓18和垫片17与盖板16固定在一起，并且通过固定螺栓18和密封圈19与结晶器内套20固定在一起；工作时，最顶部的励磁线圈位于金属熔体液面6的相同水平面或更高，与金属熔体8区域相对，最底部的励磁线圈与金属糊状区域9的底部相对，最底部的励磁线圈距离结晶器内套底部高度差为10～30mm，在连铸过程中选择与铸造合金的液穴深度等高的励磁线圈及以上的励磁线圈进行工作；如图5(a)所示。

本发明实施例中，进行水平连续铸造时，中间包22与结晶器内套20之间的流道26设有加热装置23，2n个励磁线圈5固定在结晶器外套内，其中靠近结晶器出口(或牵引装置25)的励磁线圈5所在的垂面位于金属的糊状区域9，另外在流道的加热装置23外部沿轴向环绕设置至少2个流道励磁线圈27，相邻的两个流道励磁线圈27间距为20～100mm；全部励磁线圈5任意组合构成两组励磁线圈，每个励磁线圈各自固定，如图5(b)所示。

本发明实施例中，通过二冷水24对励磁线圈5进行冷却，同时对凝固过程中的金属进行冷却；二冷水24从冷却水入口12流入，从冷却水出口21排出；如图5所示。

本发明实施例中，位于结晶器外套内的励磁线圈与结晶器内套的间距5～15mm，与结晶器外套的间距20～40mm。

本发明实施例中处理的熔体为铝合金、镁合金、铜合金或钢铁。

实施例1

差相位脉冲磁场电磁连铸方法中的差相位脉冲电源系统的原理如图1所示，相脉冲电源系统将输入的三相交流电通过变压器输出直流电压，再通过可控硅控制器及可控硅组件和电解电容的整流滤波，经IGBT触发单元，后经无极电容与负载线圈并联组件构成LC振荡回路，通过PLC控制器的调节输出的两组相位角差为90度的方波脉冲电压和锯齿状脉冲电流；

差相位脉冲电磁系统产生的典型电压与电流波形如图2所示，差相脉冲电源系统产生的两组典型脉冲信号，图2(a)所示为A组脉冲信号，电压呈方波，电流为锯齿状脉冲波形，与图2(b)所示B组脉冲信号相位角差90度，其中，电磁参数(负载频率f、电流强度I、占空比D)可调，电流强度I的可调范围为1～300A，电磁频率f可调范围为2～60Hz，占空比D可调范围为5～80％；

将电磁线圈沿铸造方向固定在铸造结晶器内，将励磁线圈分为两组或选择两组需要施加电流的线圈，每组线圈之间分别串联；

如图3(a)所示，采用间隔线圈串联的方式，将1#、3#、5#线圈串联记为A组线圈，将2#、4#、6#线圈串联记为B组线圈；

或如图3(b)所示，采用顺序串联的方式，将1#、2#、3#线圈串联记为A组线圈，将4#、5#、6#线圈串联记为B组线圈；

将A、B两组电磁线圈分别与差相位脉冲磁场电源系统的A、B两组输出端连接，当通过脉冲电流时，随时间呈周期变化的脉冲电流经负载线圈在铸造结晶器内部形成随时间不断变化沿铸造方向的行波磁场，某时刻磁力线的变化如图3所示；磁力线3的的大小与方向随时间不断变化，引起结晶器内熔体振荡对流，如图4所示，使金属熔体产生脉动对流(金属熔体对流轨迹7)，结晶器内金属液面6呈水波式波动，通过上述磁场处理的熔体较未处理时的液穴变浅且中心与边部温差减小，金属熔体8经冷却进入金属糊状区域9，直至金属固相区域10，最终凝固成铸锭，该凝固铸锭组织具有细晶、均质和低铸造应力等特点；差相位脉冲磁场电磁连铸方法工作方式的装置结构如图5(a)所示；

所述A、B两组脉冲信号的负载线圈数量不仅局限于上述数量以及连接方式，可根据需要和工艺进行调整，记线圈总数为2n，A、B两组线圈的数量分别为i和j，i、j、n满足以下条件：i+j＝2n，其中，n∈N*且i，j<2n；

根据铸造合金的种类和工艺连铸结晶器结构有所区别，待连续铸造或半连续铸造进行时，励磁线圈等相关部件固定在铸造台上，电磁线圈5与所述电源系统连接，由于铸造过程中励磁线圈发热，通过冷却水对励磁线圈降温。

实施例2

进行水平连续铸造，差相位脉冲磁场电磁连铸方法中的差相位脉冲电源系统的原理同实施例1；

差相位脉冲磁场电磁连铸方法工作方式的装置结构如图5(b)所示，金属熔体通过中间包22进入结晶器内套20(铸造型腔)，为了防止金属熔体在转包过程中降温太快，在流道26外设置加热线圈23，同时施加磁场使其温度分布更加均匀，保证金属熔体进入结晶器内套20前保持适当温度，确保洛伦兹力能充分作用于金属熔体8，通过循环冷却水对金属熔体8进行一次降温，进入金属糊状区域9，最终形成凝壳，在结晶器内套20底端出口处根据铸造工艺和铸造合金特性，确定是否使用二冷水24(二次冷却水)对铸锭表面进行降温，最终形成铸锭，通过牵引装置25完成连续生产。

以上所述实施方法仅是对本发明的优先实施方式进行描述，并非对于本发明的适用范围进行限定，在不脱离本发明思想的前提下，针对本发明做出的各种变形和改进，均应纳入本发明专利权利要求书的保护范围内。

Claims (6)

1.一种差相位脉冲磁场电磁连铸方法，其特征在于：在水平连续铸造、立式连续铸造或半连续铸造过程中，在结晶器内沿铸锭轴向设置2n个励磁线圈，n为大于等于1的自然数；各励磁线圈分为两组，每组n个励磁线圈；采用差相位脉冲磁场电源系统，输出两组方波脉冲电压和锯齿状脉冲电流分别作用于两组励磁线圈，使励磁线圈产生脉冲磁场作用于金属熔体和金属的糊状区域，两组励磁线圈各自产生一组脉冲电磁信号，两组脉冲电磁信号的相位角差为90º，从而产生变化的磁场作用于金属熔体和金属的糊状区域，在金属熔体和金属的糊状区域中构成差相位行波磁场。

2.根据权利要求1所述的一种差相位脉冲磁场电磁连铸方法，其特征在于通过调节电源系统产生的电流强度I=1~300A，电磁频率ƒ=2~60Hz，占空比D=5~80%，在金属熔体和金属的糊状区域中获得目标磁场强度B=20~200mT。

3.根据权利要求1所述的一种差相位脉冲磁场电磁连铸方法，其特征在于所述的差相位脉冲磁场电源系统包括包括变压器、可控硅控制器及可控硅组件、无极电容、电解电容、IGBT控制器及组件和PLC控制器。

4.根据权利要求1所述的一种差相位脉冲磁场电磁连铸方法，其特征在于所述的励磁线圈的形状为圆环形或矩形，每个励磁线圈绕匝数6~100匝，叠层数2~15层；当励磁线圈为圆环形时，每个励磁线圈环绕在金属熔体外围；当励磁线圈为矩形时，一个励磁线圈由至少2个励磁线圈单体构成，均匀环绕在金属熔体外围。

5.根据权利要求1所述的一种差相位脉冲磁场电磁连铸方法，其特征在于所述的励磁线圈与结晶器内套的间距5~15mm，与结晶器外套的间距20~40mm。

6.根据权利要求1所述的一种差相位脉冲磁场电磁连铸方法，其特征在于所述的金属熔体为铝合金、镁合金、铜合金或钢铁。