CN109207792A

CN109207792A - 高透磁性软接触两段式铜合金结晶器及其制备和应用

Info

Publication number: CN109207792A
Application number: CN201811273062.4A
Authority: CN
Inventors: 李东刚; 田海东; 崔鹏鹤; 王强
Original assignee: Northeastern University China
Current assignee: Northeastern University China
Priority date: 2018-10-30
Filing date: 2018-10-30
Publication date: 2019-01-15
Anticipated expiration: 2038-10-30
Also published as: CN109207792B

Abstract

一种高透磁性软接触两段式铜合金结晶器及其制备和应用，属于电磁冶金设备制造领域。该结晶器采用的铜合金的成分及质量百分比为：Al<0.5％、Mn为31％～33％、Ti<0.5％、Si<0.5％，余量为Cu。该结晶器包括上述铜合金制备的结晶器上半段，纯铜制备的结晶器下半段，结晶器上半段与结晶器下半段的衔接处采用纯铜TIG焊接，焊接方式采用开V型大坡口，保证焊透并且焊缝衔接处有足够强度；在得到的高透磁性软接触两段式铜合金结晶器的上半段外侧环绕电磁感应线圈提供软接触电磁力，给出了最佳电源工作参数，为优化生产提供指导；该结晶器的冷却效果，与传统纯铜结晶器的冷却效果相当，能满足结晶器促使钢液初期凝固的固有属性。

Description

高透磁性软接触两段式铜合金结晶器及其制备和应用

技术领域

本发明涉及电磁冶金设备制造领域，特别涉及一种高透磁性软接触两段式铜合金结晶器及其制备和应用。

背景技术

钢在连铸过程中产生的表面缺陷影响铸坯的质量，造成这种表面缺陷的根本在于，拉坯过程中铸坯与结晶器壁接触产生的振痕与摩擦。对铸坯产品而言，通常需要经过表面磨削处理后才可以继续进行轧制。由于钢液与结晶器内壁接触难脱模造成的钢的表面磨削率一般为3-5％左右，如果能消除由于脱模过程中产生的表面振痕，免磨削生产出光滑表面的钢材，将极大的提高企业的经济效益。对结晶器应用软接触电磁连铸技术，使钢液受到径向指向钢液内部的电磁压力，抵消钢液对结晶器壁的压力，使结晶器壁面附近的钢液与结晶器内壁实现“软接触”，减少凝固初期坯壳与结晶器内壁的摩擦力，从而减少铸坯表面缺陷的产生。同时，感生电流产生的焦耳热还可以改善凝固区的传热条件，减轻表面缺陷的同时提高了金属的内部质量。

连铸过程中应用软接触电磁连铸技术，一方面要求结晶器有较好的导热性，保证铸坯出结晶器时，钢液放热凝固达到一定的厚度，防止鼓肚和拉漏；另一方面要求结晶器透磁率高，集肤层厚度大，导电率小，保证钢液表面产生足够大的电磁力，从而使钢液被推离开结晶器壁面，达到“软接触”效果。但通常而言，材料的导电性和导热性是正相关的，而软接触电磁连铸结晶器要求导热性好，导电性差(因代表透磁效果的集肤层厚度与电阻率正相关)，这是一个矛盾。为解决这一矛盾，有学者开发出了切缝式软接触结晶器。切缝式软接触结晶器通过在结晶器上按一定方向切出数条缝隙来减少结晶器对磁场的屏蔽，增强透磁效果。然而，这种结晶器由于切缝的存在使得磁场在结晶器内部分布不均，引起钢液表面电磁压力不均，最终导致铸坯表面容易产生缺陷，表面波纹状结构产生。该切缝式结晶器更大的缺陷是：切缝的存在削弱了结晶器的强度，连铸过程中容易发生拉漏事故。

冶金学者们随后又开发出了两段式软接触结晶器，两段式结晶器上半段通常采用高电阻率的材料制成，保证透磁效果。结晶器下半段采用高电导率的传统铜制材料制成，保证冷却效果，满足软接触电磁连铸技术对结晶器的要求。但这种结晶器存在的问题是结晶器上半段材料制备工艺困难，而且不同材质的两段结晶器在衔接处不平滑，在较大的热应力情况下容易开裂，造成铸坯表面缺陷甚至发生拉漏事故。

此前，学者金百刚在专利ZL200810012349.1提供了一种软接触电磁连铸用两段式无切缝结晶器套管的制造方法，在该专利中提出以“多元少量”的原则制备出新型铜合金，利用铸造法制备了成分为Cu-10Mn-5Si-3Al-1.2P-1Ti的铜合金，由该新型铜合金制成的两段式结晶器透磁效果是传统纯铜结晶器的1.7倍。然而，这种新型合金材料只能在壁厚为5mm以下的结晶器中获得较好的透磁效果，而实际生产投入使用的传统结晶器壁厚一般为10mm。此外，上述发明专利由于所含元素较多，硅、磷含量高造成界面连接处脆性大，不易于焊接，也不利于长期在热疲劳下使用。

发明内容

本发明提供了一种高透磁性软接触两段式铜合金结晶器及其制备和应用，该方法依据“多量少元”的原则，为了使位于结晶器上半段的钢液受到更大的软接触电磁挤压力，开发出具有更高透磁性的铜合金，新型高透磁性铜合金的透磁性是传统纯铜材料的4倍；针对结晶器焊缝处衔接强度不足的问题，对结晶器上半段与下半段的焊接坡口角度进行了特殊设计，保证焊缝衔接处具有足够的强度；并且在开发出高透磁性两段式无缝软接触结晶器的基础上还给出了该新型两段式结晶器的最佳电源工作参数，进一步优化生产提供指导；初步考察了该新型两段式结晶器的冷却效果，较传统纯铜结晶器来说，冷却效果并未恶化，能满足结晶器促使钢液初期凝固的固有属性。

为实现上述目的，本发明采用以下技术方案实现：

本发明的一种铜合金，为高透磁性铜合金，其包括的成分及各个成分的质量百分比为：Al<0.5％、Mn为31％～33％、Ti<0.5％、Si<0.5％，余量为Cu。

作为优选，所述的铜合金包括的成分及各个成分的质量百分比为：Al为0.3％，Mn为32％，Ti为0.2％～0.4％，Si为0.1％～0.2％，余量为Cu；该成分是根据合金的相图主要元素在铜中的固溶度以及各元素对两段式结晶器磁导率的影响，适当改变合金中添加的元素，根据“多量少元”的原则，最终确定的。

本发明的一种高透磁性软接触两段式铜合金结晶器，包括上述高透磁性铜合金制备的结晶器上半段，纯铜制备的结晶器下半段，结晶器上半段与结晶器下半段的衔接处采用纯铜焊接，从而得到的高透磁性软接触两段式铜合金结晶器。

本发明的一种高透磁性软接触两段式铜合金结晶器的制备方法，包括以下步骤：

步骤1：铸造高透磁性软接触两段式铜合金结晶器的上半段

按高透磁性铜合金的原料和配比称量原料；其中，高透磁性铜合金，包括的成分及各个成分的质量百分比为：Al<0.5％、Mn31％～33％、Ti<0.5％、Si<0.5％，余量为Cu；

将原料混合后，装入坩埚中，再置于真空感应炉中，抽真空后，加热至高透磁性铜合金的原料全部融化后，保温20～40min，得到合金熔液；

将合金熔液取出，浇铸，采用离心铸造方法，机械加工成圆筒型铸锭，作为高透磁性软接触两段式铜合金结晶器的上半段；

步骤2：制备高透磁性软接触两段式铜合金结晶器的下半段

采用如下方法(1)、方法(2)中的一种，优选方法(1)：

(1)用现有的纯铜结晶器，根据制备的高透磁性软接触两段式铜合金结晶器上半段尺寸要求，进行机械加工去除上半段的部分，得到高透磁性软接触两段式铜合金结晶器的下半段；

(2)根据尺寸要求，采用纯铜，铸造高透磁性软接触两段式铜合金结晶器的下半段；

步骤3：焊接上半段和下半段

将采用开V型坡口的方式进行焊接，将高透磁性软接触两段式铜合金结晶器的上半段和下半段的开坡口的焊接表面进行清理，然后将上半段和下半段预热至500℃以上，焊接方式采用钨极氩弧焊，焊接焊丝采用纯铜焊接后，抛光打磨，热处理，得到高透磁性软接触两段式铜合金结晶器。

所述的步骤1中，所述的坩埚优选为石墨坩埚。

所述的步骤1中，所述的原料为电解铝、电解锰、电解铜、海绵钛和工业硅，原料的质量纯度均大于99.9wt.％。

所述的步骤1中，作为优选，圆筒型铸锭的内径为135～145mm，更优选为139mm，外径为155～165mm，更优选为159mm，高为115～125mm，更优选为120mm。

所述的步骤2中，所述的高透磁性软接触两段式铜合金结晶器的下半段的尺寸为：内径为135～145mm，更优选为139mm，外径为155～165mm，更优选为159mm，并且，上半段和下半段，内外径相同。

所述的步骤3中，所述的将上结晶器和下结晶器的焊接表面进行清理的方法为：用盐酸去除表层油和氧化层后，再用酒精进行清理。

所述的步骤3中，所述的开V型坡口，坡口角度范围为90°～120°。

所述的步骤3中，所述的焊接，焊接电流为：200～350A，优选为280A。

所述的步骤3中，所述的热处理的工艺为：退火温度为500～600℃，保温3～5h，随炉冷却至300～350℃后，取出空冷至室温。

作为优选，退火温度为550℃，保温4h，随炉冷却至320℃后，取出空冷至室温。

本发明的一种高透磁性软接触两段式铜合金结晶器，按上述制备方法制得。

本发明的一种高透磁性软接触两段式铜合金结晶器的应用，为将高透磁性软接触两段式铜合金结晶器用于软接触电磁连铸生产。

所述的高透磁性软接触两段式铜合金结晶器的应用，在使用过程中，在高透磁性软接触两段式铜合金结晶器上半段外侧环绕安装电磁感应线圈提供电磁力，高透磁性软接触两段式铜合金结晶器的工作参数为：

电磁感应线圈的电源频率为2500Hz～4000Hz、线圈距结晶器顶端10mm～60mm、线圈电流强度在1000A～2000A。

优选的工作参数为：电磁感应线圈的电源频率2500Hz，线圈匝数为8匝，线圈安装在距结晶器上沿40mm的位置，线圈电流强度为2000A；在此条件下，高透磁性软接触两段式铜合金结晶器的软接触电磁力为1.13×10⁵N/m³，集肤层厚度为13.23mm，电磁力在铸坯表面沿周向分布均匀，软接触效果使得钢液凝固过程中易于脱出结晶器，避免铸坯表面形成波浪形振纹，满足软接触电磁连铸生产要求。同时，模拟在该条件下高透磁性软接触两段式铜合金结晶器的冷却效果，其冷却结果表明：结晶器的冷面最高温度与热面最高温度均小于铜合金的再结晶温度与冷却水的沸腾温度，表明两段式结晶器冷却性能达到要求。

与现有技术相比，本发明的一种高透磁性软接触两段式铜合金结晶器及其制备和应用，其有益效果是：

本发明的高透磁性软接触两段式铜合金结晶器结构简单，设计符合钢厂实际工况要求。在透磁性方面，新型两段式结晶器较传统结晶器相比提升4倍，在铸坯表面可形成足够大的电磁压力，保证弯月面附近的磁场分布均匀、满足软接触连铸生产要求达到软接触的效果；在界面强度方面，衔接处采用钨极氩弧焊进行焊接，对焊接部位的坡口进行了特殊设计，并且结晶器内壁上半段与下半段衔接处采用机械方式抛光打磨，保证连接处衔接平滑，使结晶器可以在温度梯度极高的情况下不会因热应力过高发生开裂，减少了铸坯缺陷产生的同时也减少了事故发生率；在冷却效果方面，保证弯月面下方的液态金属具有良好的冷却效果，从而满足钢液在结晶器内能够形成具有一定厚度的坯壳的要求，避免拉漏事故的发生。并且，还指出了该两段式结晶器运行的最佳线圈位置、电源频率、电流强度等运行参数，为两段式结晶器的投入使用提供了指导。

需要补充说明的是，拉伸测试试验表明，高透磁性软接触两段式铜合金结晶器衔接处的焊缝区抗拉强度高于纯铜一侧。在万能拉伸试验机上进行拉伸测试实验，测试结果表明，拉伸断口位置处呈现韧性断裂，断裂位置发生在纯铜一侧，高透磁性铜合金的拉伸强度达到402Mpa。

附图说明

图1为高透磁性软接触两段式铜合金结晶器整体纵向剖视图；

图中，1为高透磁性软接触两段式铜合金结晶器上半段，2为高透磁性软接触两段式铜合金结晶器下半段，3为电磁感应线圈，4为熔融金属液，5为弯月面，6为固液两相区，7为凝固坯壳，8为上半段与下半段焊缝衔接处，9为径向电磁力，图中，放大部分为高透磁性软接触两段式铜合金结晶器焊接工艺局部示意图；其中，∠1为结晶器上段焊缝与水平方向的夹角。

图2为透磁性两段式软接触铜合金结晶器的拉伸试验示意图；

其中，1为高透磁性铜合金制成的上半段，2为纯铜制成的下半段，8为上半段与下半段焊缝衔接处，A为断口处。

图3为高透磁性软接触两段式铜合金结晶器经过拉伸试验的断口处A的SEM图；

图4为高透磁性软接触两段式铜合金结晶器上半段、下半段距焊缝中心处不同位置的硬度。

图5为高透磁性软接触两段式铜合金结晶器与纯铜结晶器的透磁效果对比图。

图6为高透磁性软接触两段式铜合金结晶器与纯铜结晶器的冷却效果对比图。

图7为各元素对高透磁性软接触两段式铜合金结晶器磁导率的影响(作为制备上半段高透磁铜合金的“多量少元”原则下的选料依据)。

图8为本发明实施例1的铜合金的显微组织图。

图9为对比例的铜合金的显微组织图。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明作进一步的详细说明。

以下实施中，所使用的电解锰、电解铝、海绵钛、电解铜以及工业硅的纯度均大于99％。

以下实施中，所采用的真空感应熔炼炉为ZG—0.01型真空感应熔炼炉。

以下实施例中，硬度测试采用维氏硬度计进行测试，硬度计采用HV-3型，载荷为3Kg，加载时间15s。

以下实施例中，拉伸强度测试按照GB/T228-2002加工成实验样品，每个试样测试三次，取平均值。拉伸测试在MT585万能拉伸试验机进行，应变速率为0.3mm/min。

实施例1

一种铜合金，为高透磁性铜合金，其包括的成分及各个成分的质量百分比为：Al为0.3％、Mn为32％、Ti<0.5％、Si<0.5％，余量为Cu。

一种高透磁性软接触两段式铜合金结晶器，其整体纵向剖视图见图1，该高透磁性软接触两段式铜合金结晶器包括上述高透磁性铜合金制备的高透磁性软接触两段式铜合金结晶器上半段1，纯铜制备的高透磁性软接触两段式铜合金结晶器下半段2，高透磁性软接触两段式铜合金结晶器上半段1与高透磁性软接触两段式铜合金结晶器下半段2的衔接处8采用纯铜焊接，从而得到的高透磁性软接触两段式铜合金结晶器。

一种高透磁性软接触两段式铜合金结晶器的制备方法，包括以下步骤：

步骤1：铸造高透磁性软接触两段式铜合金结晶器的上半段

按高透磁性铜合金的原料和配比称量原料；其中，高透磁性铜合金，包括的成分及各个成分的质量百分比为：Al为0.3％、Mn为32％、Ti<0.5％、Si<0.5％，余量为Cu；

将原料混合后，装入石墨坩埚中，再置于真空感应炉中，抽真空后，加热至高透磁性铜合金的原料全部融化后，保温30min，得到合金熔液；

将合金熔液取出，浇铸，采用离心铸造方法，加工成圆筒型铸锭，机械加工成内径139mm外径159mm高为120mm的圆筒型铸锭，作为高透磁性软接触两段式铜合金结晶器的上半段；

步骤2：铸造高透磁性软接触两段式铜合金结晶器的下半段

采购内径139mm，外径为159mm的商用纯铜结晶器，切除掉上半段，切除高度为120mm，得到高透磁性软接触两段式铜合金结晶器的下半段；

步骤3：焊接上半段和下半段

将采用坡口角度范围为90°～120°的开V型坡口的方式、焊接深度为10mm进行焊接，焊接处的示意图见图1，将高透磁性软接触两段式铜合金结晶器的上半段和下半段的开坡口的焊接表面用盐酸去除表层油和氧化层后，再用酒精进行清理，然后将上半段和下半段预热至500℃以上，焊接方式采用钨极氩弧焊(即图1中141表示的TIG)，焊接焊丝采用纯铜焊接，焊接电流为280A，焊接后，抛光打磨，热处理，得到高透磁性软接触两段式铜合金结晶器。

所述的热处理的工艺为：退火温度为550℃，保温4h，随炉冷却至320℃后，取出空冷至室温。

对本实施例制备的高透磁性软接触两段式铜合金结晶器上半段、下半段距焊缝中心处不同位置的硬度进行测试，其测试结果见图4，从硬度测试结果表明，上半段与下半段衔接处的硬度在上半段高透磁性铜合金一侧最高，在下半段纯铜一侧最小，焊接时，采用熔点较高的紫铜作为焊丝，在焊缝的交界处的糊状区的形成了较好的冶金结合。对焊接区域进行拉伸强度测试，其拉伸测试示意图见图2，并对焊缝处的断裂位置通过扫描电子显微镜进行扫描观察(见图3)，从图中可以看出焊缝断裂的部位有明显的韧窝，表明断口处为纯铜，说明焊缝处的强度要高于纯铜一侧，发现焊缝处的强度要高于纯铜侧，并且两段式结晶器上半段与下半段衔接良好，无明显焊缝。硬度测试与拉伸试验都表明两段式结晶器衔接处的焊缝区抗拉强度高于纯铜，采用钨极氩弧焊(TIG)焊后，焊缝强度满足衔接要求。

通过本实施例制备的高透磁性软接触两段式铜合金结晶器和纯铜结晶器的透磁效果进行对比，得到的对比图见图5，通过小线圈法测定了高透磁性两段式结晶器的透磁效果；具体为：将探测线圈放置在结晶器内，保持线圈轴线与Z轴平行，探测线圈两端与伏特表相连，由伏特表进行读数；从结晶器顶部起，每隔10mm进行一次测试，当探测线圈内的磁场发生变化时，线圈两端将产生感应电动势，并由伏特表读出感应电动势的数值。通过表达式进而求出磁感应强度，从而检测到结晶器内纵向磁感应强度分布。结果表明，在相同的电磁参数下，该新型高透磁性软接触两段式铜合金结晶器的透磁效果是传统纯铜结晶器的四倍。

同时，模拟在该条件下高透磁性软接触两段式铜合金结晶器的冷却效果，本实施例制备的高透磁性软接触两段式铜合金结晶器与纯铜结晶器的冷却效果对比图见图6，其冷却结果表明：结晶器的冷面最高温度与热面最高温度均小于铜合金的再结晶温度与冷却水的沸腾温度，表明两段式结晶器冷却性能达到要求。

一种高透磁性软接触两段式铜合金结晶器的使用方法，为在高透磁性软接触两段式铜合金结晶器上半段1外侧环绕安装电磁感应线圈3提供电磁力，高透磁性软接触两段式铜合金结晶器的工作参数为：

电磁感应线圈的电源频率为2500Hz、电磁感应线圈匝数为8匝，电磁感应线圈距结晶器顶端40mm、电磁感应线圈电流强度在2000A。

在该高透磁性软接触两段式铜合金结晶器使用过程中，由于高透磁性软接触两段式铜合金结晶器的软接触电磁力为1.13×10⁵N/m³，通过公式可以计算出集肤层厚度为13.23mm，其中，δ为集肤层厚度，mm，μ为导体的电导率，S/m，ω为磁场的角频率，rad/s，σ为导体的磁导率，H/m；单位均为国际单位，电磁力在铸坯表面沿周向分布均匀，软接触效果使得钢液凝固过程中易于脱出结晶器，避免铸坯表面形成波浪形振纹，满足软接触电磁连铸生产要求。熔融金属液4形成弯月面5，随着铸造工艺的进行，熔融金属液形成固液两相区6，在固液两相区6外侧区域形成凝固坯壳7。

对比例

一种铜合金，其包括的成分及各个成分的质量百分比为：Al为1.773％、Mn为39.6％、Ti<0.5％、Si<0.5％，余量为Cu。该铜合金成分是根据合金相图中主要元素在铜中的固溶度(表1)适当改变合金中添加的元素，根据“多量少元”的原则，最终确定的。

表1重要合金元素在铜中固溶度

一种高透磁性软接触两段式铜合金结晶器，同实施例1，不同之处在于，高透磁性软接触两段式铜合金结晶器上半段采用的铜合金为本对比例的铜合金成分；

一种高透磁性软接触两段式铜合金结晶器的制备方法，同实施例1，不同之处在于，采用的焊接坡口为45°。

对实施例1和对比例的铜合金进行显微组织分析，得到的分析图见图8(实施例1)和图9(对比例)，通过对铜合金调整Mn含量后的高低倍显微组织图进行分析，发现在锰元素含量达到40％时，由于Mn含量的提高造成Mn-Si相增多并且导致合金中的析出相Mn₅Si₃变得粗大。虽然Mn₅Si₃可以导致合金的电阻率升高，然而随着Mn元素含量的提高很容易形成第二相，过多的Mn₅Si₃不仅不会使电阻率升高，反而会降低铜合金的电阻率，同时过多粗大、脆性的Mn₅Si₃会导致合金的力学性能恶化，使合金存在热脆性。

同时，合金组元中的Al元素可以引起合金晶格的强烈畸变，可以大幅度地提高电阻率。然而，过高含量的铝元素又会降低铜合金的塑性。为了在不影响铜合金力学性能的前提下提高铜合金的电阻率，根据各元素对铜合金电阻率的影响(见图7)以及“高固溶度、低析出相”原则，在Al为1.773％、Mn为39.6％的基础上，减少铝的含量为0.3％，锰的含量为32％(实施例1)。

通过实施例1和对比例1制备的铜合金进行对比，实施例1的电阻率接近对比例的同时，机械加工性能与延展性能要远远好于对比例；同时，由于结晶器铜管壁厚在10mm以上，在焊接工艺方面将焊接坡口由45°改进为90°～120°大大缩短了焊接工时，并且新的合金成分配比使结晶器上半段与结晶器下半段连接面更均质，无明显突变界面保证在高温度梯度的环境下不会开焊；采用大坡口，焊口内外两侧更容易焊透，连接面强度更高。

实施例2

一种铜合金，为高透磁性铜合金，其包括的成分及各个成分的质量百分比为：Al为0.2％、Mn为31.5％、Ti<0.5％、Si<0.5％，余量为Cu。

一种高透磁性软接触两段式铜合金结晶器，同实施例1。

步骤1：铸造高透磁性软接触两段式铜合金结晶器的上半段

将高纯度的电解铝、电解锰、电解铜、海绵钛以及工业硅，按照质量百分比为：Al<2％、Mn31.5％、Ti<0.5％、Si<0.5％，余量为Cu，称量后混合，装入石墨坩埚中；将石墨坩埚放入真空感应炉内，抽真空；开启感应加热设备，待合金全部融化后，再保温40分钟，停止感应加热设备；将合金溶液浇铸，采用离心铸造方法，加工成圆筒型铸锭，作为高透磁性软接触两段式铜合金结晶器的上半段；

步骤2：铸造高透磁性软接触两段式铜合金结晶器的下半段

采用纯铜进行铸造，采用离心铸造方法，加工成圆筒型铸锭，得到高透磁性软接触两段式铜合金结晶器的下半段；

步骤3：焊接上半段和下半段

采用钨极氩弧焊接法制备高透磁性软接触两段式结晶器：焊接前将上半段和下半段的焊接处进行开坡口处理，坡口角度为90°～120°，用酒精及盐酸将坡口洗净；对纯铜套管的下半段以及铜合金套管的下半段预热到500℃以上，选择紫铜焊丝进行焊接，焊接电流为280A；焊接后，抛光打磨，进行热处理，其中，退火工艺为：退火温度为550℃，保温4h，随炉冷却到320℃后取出试样空冷；

应用本实施例制备的高透磁性软接触两段式铜合金结晶器，进行钢的软接触电磁连铸时，其工作效果如图1所示，高透磁性软接触两段式铜合金结晶器上半段1由高透磁性的铜合金制成，高透磁性软接触两段式铜合金结晶器下半段2由高导热性的纯铜制成，采用钨极氩弧焊进行焊接。在结晶器外面环绕设置电磁感应线圈3，电磁感应线圈3产生的电磁场穿透结晶器壁作用到内部熔融金属液4上，熔融金属液4受到径向指向液柱中心的电磁力，形成弯月面5。

对该高透磁性两段式软接触结晶器透磁效果进行数值模拟，分别考察了在电磁感应线圈的电源频率为2500Hz～4000Hz、电磁感应线圈距结晶器顶端0mm～100mm、电磁感应线圈的电流强度在1000A～2000A的情况下，结晶器内部的磁场分布与电磁力分布。最终确定了高透磁性软接触两段式铜合金结晶器的最佳工作参数为：电磁感应线圈电流强度为2000A，电磁感应线圈的电源频率2500Hz，电磁感应线圈匝数为8匝，电磁感应线圈安装在距结晶器上沿40mm的位置，此时的集肤层厚度为13.23mm，电磁力大小为1.13×10⁵N/m³。利用电磁场测试中的固定线圈法测试高透磁性软接触两段式铜合金结晶器的透磁效果：将探测线圈放置在结晶器内，保持线圈与Z轴平行，探测线圈两端与伏特表相连。当探测线圈内的磁场发生变化时，在伏特表读出感应电动势的数值。在相同的工作参数下与传统铜制结晶器的透磁效果对比，新型高透磁性两段式结晶器的透磁效果是纯铜结晶器的4倍。

本发明对比高透磁性软接触两段式铜合金结晶器与传统连铸结晶器内的透过磁感应强度，测试结果如图5所示。高透磁性软接触两段式铜合金结晶器的上半段由电阻率为1.73×10^-6Ω·m的铜基合金组成，下半段由电阻率为1.678×10^-8Ω·m的纯铜材料组成，壁厚为10mm。传统连铸纯铜结晶器的电阻率为1.678×10^-8Ω·m，壁厚为5mm。对比试验均采用优选的电源线圈参数。磁感应强度测试结果表明，尽管高透磁性软接触两段式铜合金结晶器的壁厚为纯铜结晶器壁厚的2倍，但透磁效果相较于纯铜结晶器大幅提高，并且磁感应强度峰值明显，高透磁性软接触两段式铜合金结晶器的透磁效果大约是纯铜结晶器的4倍；如果折算为相同壁厚，高透磁性软接触两段式铜合金结晶器的透磁效果大约是纯铜结晶器的8倍。

本发明的高透磁性软接触两段式铜合金结晶器内壁温度与外壁温度分布如图6所示。曲线a为高透磁性两段式结晶器外壁面温度分布曲线，曲线b为高透磁性两段式结晶器的内壁面温度分布曲线。模拟结果显示，结晶器的热面最高温度为529K，冷面最高温度为364K，分别小于铜的再结晶温度550K和冷却水的沸腾温度373K，结果表明，两段式结晶器壁可以满足连铸对结晶器冷却性能的要求。

实施例3

一种铜合金，为高透磁性铜合金，其包括的成分及各个成分的质量百分比为：Al为0.4％、Mn为33％、Ti<0.5％、Si<0.5％，余量为Cu。

一种高透磁性两段式软接触结晶器，包括由高锰铜合金制成的高透磁性软接触两段式铜合金结晶器上半段1、纯铜制成的高透磁性软接触两段式铜合金结晶器下半段2，高透磁性软接触两段式铜合金结晶器上半段1与高透磁性软接触两段式铜合金结晶器下半段2通过开V型坡口的方式进行焊接，焊丝选用纯铜。高透磁性软接触两段式铜合金结晶器上半段焊缝与水平方向的夹角(∠1)范围为：45°～60°；高透磁性软接触两段式铜合金结晶器的外径为159mm，内径为139mm，高透磁性软接触两段式结晶器总高度为850mm，其中，高透磁性软接触两段式铜合金结晶器上半段1的高度为120mm。

一种高透磁性软接触两段式结晶器，在应用于软接触电磁连铸工艺时的最佳工作参数为：线圈电流强度2000A，电源频率2500Hz，线圈顶端距结晶器上沿40mm，液面高度为770mm。

应用本实施例的高透磁性软接触两段式铜合金结晶器，进行钢的软接触电磁连铸时，其工作效果如图1所示，高透磁性软接触两段式铜合金结晶器上半段1由高透磁性的铜合金制成，高透磁性软接触两段式铜合金结晶器下半段2由高导热性的纯铜制成，采用钨极氩弧焊进行焊接。在高透磁性软接触两段式铜合金结晶器外面设置电磁感应线圈3，电磁感应线圈3产生的电磁场穿透结晶器壁作用到内部熔融金属液4上，熔融金属液4受到指向液柱中心的电磁力，形成弯月面5。

上面所述仅是发明专利的基本原理，并非对本发明做任何限制，凡是依据本发明对其进行等同变化和修饰，均在本专利技术保护方案的范畴之内。

Claims

1.一种铜合金，其特征在于，该铜合金为高透磁性铜合金，其包括的成分及各个成分的质量百分比为：Al<0.5％、Mn为31％～33％、Ti<0.5％、Si<0.5％，余量为Cu。

2.如权利要求1所述的铜合金，其特征在于，所述的铜合金包括的成分及各个成分的质量百分比为：Al为0.3％，Mn为32％，Ti为0.2％～0.4％，Si为0.1％～0.2％，余量为Cu。

3.一种高透磁性软接触两段式铜合金结晶器，其特征在于，该高透磁性软接触两段式铜合金结晶器包括权利要求1或2任意一项所述的铜合金制备的结晶器上半段，纯铜制备的结晶器下半段，结晶器上半段与结晶器下半段的衔接处采用纯铜焊接，从而得到的高透磁性软接触两段式铜合金结晶器。

4.权利要求3所述的高透磁性软接触两段式铜合金结晶器的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1：铸造高透磁性软接触两段式铜合金结晶器的上半段

按高透磁性铜合金的原料和配比称量原料；其中，高透磁性铜合金，包括的成分及各个成分的质量百分比为：Al<0.5％、Mn为31％～33％、Ti<0.5％、Si<0.5％，余量为Cu；

步骤2：制备高透磁性软接触两段式铜合金结晶器的下半段

采用如下方法(1)、方法(2)中的一种：

步骤3：焊接上半段和下半段

5.如权利要求4所述的高透磁性软接触两段式铜合金结晶器的制备方法，其特征在于，所述的步骤1中，圆筒型铸锭的内径为135～145mm，外径为155～165mm，高为115～125mm。

6.如权利要求4所述的高透磁性软接触两段式铜合金结晶器的制备方法，其特征在于，所述的步骤2中，所述的高透磁性软接触两段式铜合金结晶器的下半段的尺寸为：内径为135～145mm，外径为155～165mm，并且，上半段和下半段，内外径相同。

7.如权利要求4所述的高透磁性软接触两段式铜合金结晶器的制备方法，其特征在于，所述的步骤3中，所述的开V型坡口，坡口角度范围为90°～120°。

8.如权利要求4所述的高透磁性软接触两段式铜合金结晶器的制备方法，其特征在于，所述的步骤3中，所述的焊接，焊接电流为：200～350A；所述的热处理的工艺为：退火温度为500～600℃，保温3～5h，随炉冷却至300～350℃后，取出空冷至室温。

9.权利要求3所述的高透磁性软接触两段式铜合金结晶器的应用，其特征在于，将高透磁性软接触两段式铜合金结晶器用于软接触电磁连铸生产；

10.如权利要求9所述的高透磁性软接触两段式铜合金结晶器的应用，其特征在于，电磁感应线圈的电源频率2500Hz，线圈匝数为8匝，线圈安装在距结晶器上沿40mm的位置，线圈电流强度为2000A；在此条件下，高透磁性软接触两段式铜合金结晶器的软接触电磁力为1.13×10⁵N/m³，集肤层厚度为13.23mm，电磁力在铸坯表面沿周向分布均匀。