CN109692942A - 利用超声波改善真空上铸法模铸铸锭质量的装置和方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及钢铁冶金模铸领域，尤其是一种改善真空上铸法模铸铸锭质量的利用超声波改善真空上铸法模铸铸锭质量的装置和方法，包括钢锭模，包括侧壁超声波装置和底部超声波装置，其中侧壁超声波装置的侧壁导波探头设置于钢锭模的侧壁的中部或上部处，底部超声波装置的底部导波探头设置于钢锭模的铸锭模底部壁面上。通过创造有利于气体和大颗粒夹杂物上浮去除的条件，降低钢中气体和夹杂物的含量。同时增加结晶形核的核心数量，产生结晶雨，增加铸锭下部结晶形核核心，铸锭整体凝固组织细化，破坏铸锭凝固过程中上部出现的“搭桥现象”，提高铸锭致密度减轻铸锭疏松缩孔和减轻宏观偏析。本发明尤其适用于改善真空上铸法模铸铸锭质量的工艺之中。

Description

利用超声波改善真空上铸法模铸铸锭质量的装置和方法

技术领域

本发明涉及钢铁冶金模铸领域，尤其是一种利用超声波改善真空上铸法模铸铸锭质量的装置和方法。

背景技术

随着钢铁冶炼工艺技术的不断发展，特别是连铸技术的发展，模铸工艺已经逐渐的被连铸工艺所代替，如板材，线材等模铸工艺，无论是钢锭模成本还是钢锭模质量都无法与连铸相竞争。但对一些特殊的钢种，比如大型的锻铸钢件，压缩一定比的钢材，小批量特种钢还需要模铸工艺。真空上铸模铸设备包括主要钢包，真空罐，钢锭模，保温帽和绝热板等。与提升铸锭质量设备及方法有关的使用新发明主要有以下几项：

(1)CN 205989042U，《一种铸坯超声波共振装置》。本实用新型公开了一种铸坯超声波共振装置，该铸坯位于连铸机辊道，包括超声波发生装置、超声波功率放大装置和若干个超声波发射装置，所述超声波发生装置产生超声波通过超声波功率放大装置放大，然后传递给和干个超声波发射装置，超声波发射装置位于相邻的连铸机辊道之间，超声波发射装置位于可升降装置上。本实用新型的一种铸坯超声波共振装置，通过超声波使铸坯内部两相区产生共振，破坏铸坯凝固过程中出现的“搭桥现象”，从而减少铸坯疏松现象，提高铸坯质量。该发明所述的铸坯超声波共振装置，位于连铸机辊道，用于破坏连铸坯凝固过程中出现的“搭桥现象”，减少连铸坯疏松现象，提高连铸坯质量。而本专利将超声波应用于真空上铸法模铸过程，改善铸坯质量。

(2)CN 204455251U，《一种在电渣重熔中导入超声波的装置》。本实用新型公开了一种在电渣重熔中导入超声波的装置，属于电渣重熔技术领域。本实用新型包括变压器、导线、电极夹持器、自耗电极和结晶器，还包括超声波发生机构、侧壁导波探头和底部导波探头，结晶器冷却壁侧壁在高度方向上等间距地安装一排侧壁导波探头，上述一排侧壁导波探头中的一个与一个超声波发生机构的输出端相连；结晶器冷却壁底部上安装三个底部导波探头，上述三个底部导波探头分别与三个超声波发生机构的输出端相连；超声波发生机构包括超声波电源、超声波换能器和变幅杆。本实用新型的主要功能是:(1)、降低钢中气体和夹杂物的含量；(2)、使冶炼钢种获得致密均匀的结晶组织。该发明将超声波导入电渣重熔过程中，超声波探头安于结晶器侧壁及底部，主要功能是降低钢中气体和夹杂物的含量；使冶炼钢种获得致密均匀的结晶组织。而本专利将超声波应用于真空上铸法模铸过程，超声波探头安于钢锭模侧壁和底部，改善模铸坯质量。

(3)CN 105316488B，《一种高速、低夹杂物的电渣重熔装置及其重熔方法》。本发明公开了一种高速、低夹杂物的电渣重熔装置及其重熔方法，属于电渣重熔领域。本发明的电渣重熔装置包括自耗电极、结晶器、超声波发生装置和电极驱动机构，电极驱动机构中的假电极一端与自耗电极固连，假电极另一端与固定装置上的轴承相连，并通过调速电机控制假电极转动，变压器一端通过电刷与假电极电连接，因此在重熔过程中，自耗电极在不断转动，同时受到来自底部的超声波影响。基于本发明的重熔装置所采取的重熔方法加快了自耗电极熔炼，减少能耗，而且所制备的电渣锭组织均匀、夹杂物少，具有较好的品质。该发明将超声波导入电渣重熔过程中，超声波探头只安于结晶器底部，所制备的电渣锭组织均匀、夹杂物少，具有较好的品质。而本专利将超声波应用于下铸法模铸过程，超声波探头安于钢锭模侧壁和底部，用于改善模铸坯质量。

(4)CN 101485064B，《用于金属及合金凝固的高声强超声处理装置及其处理方法》。本发明提供一种高声强超声处理装置，用于金属及合金高温熔体凝固场合时的晶粒细化、除气及成分均匀化，其包括超声波发生器、换能器、变幅杆和祸合头，其中，所述超声波发生器包括频率锁相跟踪模块，对所述超声波发生器的工作频率自动进行跟踪、检测及调节匹配频率，实现所述超声波发生器与换能器系统的高频共振。通过采用频率锁相跟踪模块，解决了频率下降漂移问题，即使在不同的高温熔体中，也能获得与在额定频率处开机时相同的超声效果，从而实现金属及合金凝固时的晶粒细化、除气及成分均匀化。该发明在使用超声波处理金属熔体时采用超声波直接导入的方式，该导入方式下超声波耦合头需插在浇冒口处直接与高温金属熔体直接接触，所以变幅杆与耦合头为空心结构，需要通入冷却水或压缩空气进行冷却。而本专利将超声波应用于下铸法模铸过程中，超声波通过钢锭模侧壁和底部导入高温钢液中，此导入方式下超声波工具头不与高温钢液直接接触。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种改善真空上铸法模铸铸锭质量的利用超声波改善真空上铸法模铸铸锭质量的装置和方法。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：利用超声波改善真空上铸法模铸铸锭质量的装置，包括钢锭模，包括侧壁超声波装置和底部超声波装置，其中侧壁超声波装置的侧壁导波探头设置于钢锭模的侧壁的中部或上部处，底部超声波装置的底部导波探头设置于钢锭模的铸锭模底部壁面上。

进一步的是，所述底部超声波装置的底部导波探头处设置有变幅杆。

进一步的是，所述底部超声波装置还包括超声波电源和超声波换能器，所述变幅杆通过超声波换能器与超声波电源连通。

进一步的是，所述侧壁超声波装置的侧壁导波探头处设置有变幅杆。

进一步的是，所述侧壁超声波装置还包括超声波电源和超声波换能器，所述变幅杆通过超声波换能器与超声波电源连通。

进一步的是，所述底部导波探头通过焊接结构设置于钢锭模的底部壁面处。

进一步的是，所述底部导波探头通过锁紧螺栓结构设置于钢锭模的底部壁面处。

进一步的是，所述钢锭模顶部设置有保温帽。

进一步的是，所述钢锭模顶部内缘壁面上设置有绝热板。

进一步的是，在钢锭模铸浇注完成后，启动侧壁超声波装置和底部超声波装置，利用侧壁超声波装置的侧壁导波探头和底部超声波装置的底部导波探头导入超声波，并直至铸锭完全凝固结束。

本发明的有益效果是：通过超声波使铸锭中上部两相区产生空化效应及振动搅拌，创造有利于气体和大颗粒夹杂物上浮去除的条件，降低钢中气体和夹杂物的含量。同时增加结晶形核的核心数量，产生结晶雨，增加铸锭下部结晶形核核心，铸锭整体凝固组织细化，破坏铸锭凝固过程中上部出现的“搭桥现象”，提高铸锭致密度减轻铸锭疏松缩孔和减轻宏观偏析。本发明尤其适用于改善真空上铸法模铸铸锭质量的工艺之中。

附图说明

图1是本发明的结构示意图。

图中标记为：超声波电源1、超声波换能器2、变幅杆3、侧壁导波探头4、底部导波探头5、钢锭模6、钢锭模7、保温帽8。

具体实施方式

下面结合附图对本发明进一步说明。

如图1所示的利用超声波改善真空上铸法模铸铸锭质量的装置，包括钢锭模6，包括侧壁超声波装置和底部超声波装置，其中侧壁超声波装置的侧壁导波探头4设置于钢锭模7的侧壁的中部或上部处，底部超声波装置的底部导波探头5设置于钢锭模7的铸锭模底部壁面上。

随着机械行业的发展，人们对钢品质的要求越来越高。提高钢的品质主要有:(1)高洁净度，钢中气体和夹杂物含量低；(2)组织均匀致密，减轻在钢液的凝固过程中所产生的成分偏析、组织不均匀、缩孔和疏松等缺陷。目前国内大多数钢厂模铸生产的钢锭结晶组织已很难满足后续生产的需要，特别是超大型模铸锭，经过锻造或锻轧过后难以通过超声波探伤检测。铸锭在凝固过程中，当大型铸锭形成坯壳后，液相穴依然很长，由于铸锭表面冷却强度不均匀，致使冷却强度大的局部区域柱状晶优先发展，当两边的柱状晶相连或等轴晶下落被柱状晶捕捉，就会出现“搭桥现象”。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，最终形成细微的孔隙，称之为疏松。分散分布于整个断面的孔隙称为一般疏松，在树枝晶间的空隙称为枝晶疏松，铸锭中心线附近的的空隙称为中心疏松。一般疏松和枝晶疏松在轧制过程中均能焊合，唯有中心疏松伴有明显的中心偏析现象，轧制后完全不能焊合，中心疏松和中心偏析严重时，还会导致中心裂纹，严重影响铸锭质量及后续生产。金属超声凝固技术是在金属凝固过程中或在金属凝固前通过对金属熔体施加高强度超声来控制金属凝固过程中组织和性能的方法。利用超声波振动处理金属熔体可以实现细化晶粒、排除气体、减小偏析等作用。总结前人们的工作，超声波的细晶作用如下：空化现象引起的空冷；振荡器的冷却和搅拌；坩埚壁的冷却；脉冲超声的时间延迟。事实上，根据克劳修斯-克拉柏龙方程(Clausious-Clapyron Equation)，这种超声波的细晶作用原理是，某一强度的超声波所引起的压力冲击波作用，导致液相转变为固相。本发明在钢锭模铸浇注完成后，启动侧壁超声波装置和底部超声波装置，利用侧壁超声波装置的侧壁导波探头4和底部超声波装置的底部导波探头5导入超声波，并直至铸锭完全凝固结束。通过侧壁和底部导波探头导入超声波，利用超声波的空化效应、声波效应以及机械效应，创造有利于气体和大颗粒夹杂物上浮去除的条件，降低钢中气体和夹杂物的含量；增加结晶形核的核心数量，产生结晶雨，增加铸锭下部结晶形核核心，铸锭整体凝固组织细化；破坏铸锭凝固过程中上部出现的“搭桥现象”，增强冒口补缩，提高铸锭致密度减轻铸锭疏松缩孔和减轻宏观偏析。

为了实现对底部超声波装置的底部导波探头5进行灵活的调节，可以选择这样的方案：所述底部超声波装置的底部导波探头5处设置有变幅杆3。进一步，还可以优选所述底部超声波装置还包括超声波电源1和超声波换能器2，所述变幅杆3通过超声波换能器2与超声波电源1连通。同样的，为了实现对侧壁导波探头4的超声波进行灵活的调节，可以选择这样的方案：所述超声波装置的侧壁导波探头4处设置有变幅杆3。进一步，还可以优选所述超声波装置还包括超声波电源1和超声波换能器2，所述变幅杆3通过超声波换能器2与超声波电源1连通。

就底部导波探头5的固定方式而言，可以选择：所述底部导波探头5通过焊接结构设置于钢锭模6的底部壁面处。也可以选择：所述底部导波探头5通过锁紧螺栓结构设置于钢锭模6的底部壁面处。一般，为了保证超声波的效果，优选所述侧壁导波探头4或底部导波探头5之间为等间距设置。

另外，为了保证隔热的效果，优选在所述钢锭模6顶部设置保温帽8，以及优选在所述钢锭模6顶部内缘壁面上设置绝热板7。

本发明通过超声波使铸锭中上部两相区产生空化效应及振动搅拌，创造有利于气体和大颗粒夹杂物上浮去除的条件，降低钢中气体和夹杂物的含量。同时增加结晶形核的核心数量，产生结晶雨，增加铸锭下部结晶形核核心，铸锭整体凝固组织细化，破坏铸锭凝固过程中上部出现的“搭桥现象”，提高铸锭致密度减轻铸锭疏松缩孔和减轻宏观偏析。

Claims (10)

1.利用超声波改善真空上铸法模铸铸锭质量的装置，包括钢锭模(6)，其特征在于：包括侧壁超声波装置和底部超声波装置，其中侧壁超声波装置的侧壁导波探头(4)设置于钢锭模(7)的侧壁的中部或上部处，底部超声波装置的底部导波探头(5)设置于钢锭模(7)的铸锭模底部壁面上。

2.如权利要求1所述的利用超声波改善真空上铸法模铸铸锭质量的装置，其特征在于：所述底部超声波装置的底部导波探头(5)处设置有变幅杆(3)。

3.如权利要求2所述的利用超声波改善真空上铸法模铸铸锭质量的装置，其特征在于：所述底部超声波装置还包括超声波电源(1)和超声波换能器(2)，所述变幅杆(3)通过超声波换能器(2)与超声波电源(1)连通。

4.如权利要求1、2或3所述的利用超声波改善真空上铸法模铸铸锭质量的装置，其特征在于：所述侧壁超声波装置的侧壁导波探头(4)处设置有变幅杆(3)。

5.如权利要求4所述的利用超声波改善真空上铸法模铸铸锭质量的装置，其特征在于：所述侧壁超声波装置还包括超声波电源(1)和超声波换能器(2)，所述变幅杆(3)通过超声波换能器(2)与超声波电源(1)连通。

6.如权利要求1、2或3所述的利用超声波改善真空上铸法模铸铸锭质量的装置，其特征在于：所述底部导波探头(5)通过焊接结构设置于钢锭模(6)的底部壁面处。

7.如权利要求1、2或3所述的利用超声波改善真空上铸法模铸铸锭质量的装置，其特征在于：所述底部导波探头(5)通过锁紧螺栓结构设置于钢锭模(6)的底部壁面处。

8.如权利要求1、2或3所述的利用超声波改善真空上铸法模铸铸锭质量的装置，其特征在于：所述钢锭模(6)顶部设置有保温帽(8)。

9.如权利要求1、2或3所述的利用超声波改善真空上铸法模铸铸锭质量的装置，其特征在于：所述钢锭模(6)顶部内缘壁面上设置有绝热板(7)。

10.利用超声波改善真空上铸法模铸铸锭质量的方法，其特征在于：在钢锭模铸浇注完成后，启动侧壁超声波装置和底部超声波装置，利用侧壁超声波装置的侧壁导波探头(4)和底部超声波装置的底部导波探头(5)导入超声波，并直至铸锭完全凝固结束。