CN110039014B - 一种用于铜及其合金电磁半连铸用的高透磁高导热结晶器内套 - Google Patents

Abstract

一种用于铜及其合金电磁半连铸用的高透磁高导热结晶器内套，所述结晶器内套由内套基体和导磁芯组成，且内套基体呈上下两端开口的圆筒状，内套基体一端设置有向外水平延伸的边沿，边沿沿周向均匀开设有通孔，内套基体外圆套设有与边沿紧密贴合的上封板，内套基体另一端外圆设置有倒角，内套基体另一端外圆套设有下封板，且下封板与倒角面之间形成若干出水孔，所述内套基体沿轴向均匀开设有导磁孔，所述导磁孔内安装有导磁芯，内套基体外圆套设有电磁线圈。本发明利用导热系数高的纯铜作为内套基体，相比于传统的铝合金结晶器内套导热系数提高至原来的1.56‑1.98倍。

Description

一种用于铜及其合金电磁半连铸用的高透磁高导热结晶器 内套

技术领域

本发明属于冶金行业铜及其合金半连铸技术领域，具体涉及一种用于铜及其合金电磁半连铸用的高透磁高导热结晶器内套。

背景技术

电磁连续及半连续技术是利用交变磁场穿透结晶器内套作用到结晶器内部的金属熔体上，利用熔体中产生的电磁力来实现强制对流并降低熔体与内套的接触压力，改善了熔体的凝固行为，从而大大改善了铸锭的微观组织，特别是对细化粗大的柱状晶粒效果显著。目前，该技术在铝和镁合金等低密度、低熔点金属铸造领域得到较成熟的应用，但在铜及其合金铸造方面并未得到广泛应用。其根本原因是难以找到合适的针对铜这种大密度、高熔点金属的结晶器内套材质，这也是该技术目前难以实现大量工业应用的瓶颈所在。

这是由于在铜电磁铸造结晶器设计阶段，一直存在两方面的矛盾。一方面是结晶器内套要有良好的传热效果，以保证锭坯凝壳的厚度，这就要求内套材质要选用导热系数高的材料。另一方面，电磁铸造要求结晶器内套要有良好的透磁性能，以保证电磁场的作用强度和范围，这就要求内套材质要选用透磁性能优良的材料。研究表明，针对铜及其合金的电磁铸造，透过结晶器内套，即结晶器内部靠近内套处的磁感强度应大于20mT，导热系数大于200W/m·K的材料才能作为结晶器内套使用。然而，绝大多数情况下一种金属材料的导热系数和透磁性能是相互排斥的，即要么导热系数高，但透磁性能差(如纯铜)，要么导热系数低，但透磁性能良好(如铝合金)。

以目前工业常规半连续结晶器使用的纯铜内套为例，其导热能力良好，导热系数可达350W/m·K以上，但透磁过内套的磁感强度不足10mT。如果能通过技术发明，大幅提高其透磁性能，即使降低一些过剩的导热系数，也是铜及其合金电磁铸造领域的重要突破。

为了解决这一问题，一种方案是改变结晶器内套的结构，即内套通常设计为切缝式，以利于电磁场透过所切的缝隙作用于熔体。如中国发明专利ZL200410021566.9《水缝-分瓣体内水冷式软接触电磁连铸结晶器》、实用新型CN01254021.8《非均等缝隙软接触电磁连铸结晶器》、实用新型ZL200920266196.3《磁场集聚型切缝式铝合金电磁结晶器》、实用新型ZL96222452.9《金属软接触电磁连铸结晶器》和实用新型ZL99252132.7《金属软接触电磁连铸复合结晶器》所公布的电磁铸造结晶器都使用了带有切缝式结构的内套。但对内套切缝这一方案带来了内套整体结构复杂、切缝密封难度大、内套强度降低、维护维修难度大、磁场不均匀和生产安全风险高等一系列问题，应用情况并不理想；另一方案是改变内套单一材质，这种方案有两种设计：一种是分段式结晶器，如中国发明专利ZL02132867.6《软接触电磁连铸用无切缝结晶器》公布了一种由上下两种金属连接而成的内套，利用上半部分金属透磁，下半部分金属导热。但这种方案的最大缺陷是在高温热应力反复作用下，两种金属交接处极容易开裂，并且交界处极难做到平滑衔接；另一种设计为整体式，是采用铜片之间填充低电导率的合金粉末经烧结而成，这种设计可看作是切缝式方案的演化，解决了内套强度低和结构复杂的问题，但透磁性能和导热性能均不理想。

总之，从产品质量和生产安全的角度来看，整体式结晶器具有较大优势，是未来电磁铸造结晶器的主要发展趋势，但目前仍需攻克其内套透磁和导热不能兼顾的瓶颈。

发明内容

本发明设计一种用于铜及其合金电磁半连铸用的兼具有高透磁和高导热性能的整体式结晶器内套，以解决背景技术中存在的问题，并使内套的强度不降低，以保证生产安全。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种用于铜及其合金电磁半连铸用的高透磁高导热结晶器内套，所述结晶器内套由内套基体和导磁芯组成，且内套基体呈上下两端开口的圆筒状，内套基体一端设置有向外水平延伸的边沿，边沿沿周向均匀开设有通孔，内套基体外圆套设有与边沿紧密贴合的上封板，内套基体另一端外圆设置有倒角，内套基体另一端外圆套设有下封板，且下封板与倒角面之间形成若干出水孔，所述内套基体沿轴向均匀开设有导磁孔，所述导磁孔内安装有导磁芯，内套基体外圆套设有电磁线圈。

所述导磁孔呈矩阵式分布于内套基体上，且导磁孔设置有1-5o的锥度，导磁孔最大内径d₁为1-10mm，相邻两个水平导磁孔圆心之间的距离L₁为10-50mm，相邻两个竖直导磁孔圆心之间的距离L₂为10-50mm，所述最顶端的导磁孔圆心到内套基体上表面之间的距离L₃≥50mm，所述最底端的导磁孔圆心到内套基体下表面之间的距离L₄≤50mm。

所述的导磁芯为上下两底面为弧面的圆柱形，带有和内套基体上导磁孔相同度数和方向的锥度，导磁芯的上底面的弧面与内套基体内壁的弧面重合，下底面的弧面与内套基体外壁的弧面重合。

所述导磁芯的外径为d₂为1-10mm，且导磁芯与导磁孔过盈配合，导磁芯的长度与内套基体厚度相同。

所述导磁芯为304或321不锈钢。

所述内套基体为无氧铜、铬铜和铬锆铜，当内套基体为铬铜(CuCr)时，其中Cr的质量分数为0.1％-1.0％；当内套基体为铬锆铜(CuCrZr)时，其中Cr的质量分数为0.1％-0.8％，Zr的质量分数为0.3％-0.6％。

本发明的有益效果为：

1、本发明结构简单，设计紧凑，通用性好，外形与传统电磁铸造结晶器内套无分别，可在现有传统电磁铸造结晶器中直接替换安装，方便更新换代。

2、本发明利用透磁性能良好的304或321不锈钢导磁芯导磁，在相同电磁场作用下，相比于传统的纯铜结晶器内套，结晶器中心部位的磁场强度提高到原来的2.4-7倍。

3、本发明利用导热系数高的纯铜作为内套基体，相比于传统的铝合金结晶器内套，本发明的导热系数提高至原来的1.56-1.98倍。

4、本发明可有效细化纯铜铸锭的粗大的柱状晶粒，提高产品质量。

5、本发明所采用的内套基体材质和导磁芯材质的膨胀系数相近，可保证结晶器在多次反复热应力作用下不变形及开裂，最大程度地保证了生产安全。

6、本发明适用于铜、铝和镁合金的半连续铸造，也可用于模铸。

附图说明

图1是结晶器内套右半剖面图；

图2是结晶器内套右半正视图；

图3是结晶器内套右半俯视图；

图4是导磁芯剖面图；

图5是采用实心纯铜内套利用电磁铸造制备的纯铜锭坯纵截面微观组织；

图6是采用本发明内套利用电磁铸造制备的纯铜锭坯纵截面微观组织；

1-内套基体；2-导磁孔；3-导磁芯；4-边沿；5-上封板；6-电磁线圈；7-下封板；8-出水孔，9-通孔，10-倒角。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。

如图1-图4所示，一种用于铜及其合金电磁半连铸用的高透磁高导热结晶器内套，所述结晶器内套由内套基体1和导磁芯2组成，且内套基体1呈上下两端开口的圆筒状，内套基体1为无氧铜、铬铜和铬锆铜，当内套基体1为铬铜(CuCr)时，其中Cr的质量分数为0.1％-1.0％；当内套基体1为铬锆铜(CuCrZr)时，其中Cr的质量分数为0.1％-0.8％，Zr的质量分数为0.3％-0.6％，在成分限定内的铬和锆的作用是以合金元素的形式提高铜的硬度和耐磨性，从而提高内套的整体强度和使用寿命，内套基体1的膨胀系数为17.3×10^-6/℃，所述内套基体1一端设置有向外水平延伸的边沿4，边沿4沿周向均匀开设有通孔9，内套基体1外圆套设有与边沿4紧密贴合的上封板5，上封板5上开设有与边沿4通孔9对应的孔，上封板5孔与边沿4的通孔9内穿有螺钉，且螺钉与螺母螺纹连接使上封板5和边沿4固定安装，内套基体1另一端外圆设置有倒角10，内套基体1另一端外圆套设有下封板7，且下封板7与倒角10面之间形成若干出水孔8，所述内套基体1沿轴向均匀开设有导磁孔2，所述导磁孔2呈矩阵式分布于内套基体1上，导磁孔2设置有1-5o的锥度，且导磁孔2的最大内径d₁为1-10mm，且导磁孔2的最大内径处位于内套基体1的外表面处，导磁孔2的内径过小透磁效果不好，内径过大则会损害内套基体1的整体强度，相邻两个水平导磁孔2圆心之间的距离L₁为10-50mm，相邻两个竖直导磁孔2圆心之间的距离L₂为10-50mm，当相邻两个水平导磁孔2圆心之间的距离和相邻两个竖直导磁孔2圆心之间的距离过小，则导致透磁孔2数量过多，分布过于密集，对内套基体1整体强度产生损害，当相邻两个水平导磁孔2圆心之间的距离和相邻两个竖直导磁孔2圆心之间的距离过大，则导致透磁孔2数量过少，分布过于稀疏，导致透磁效果不好以及透过的磁场分布不均匀，导磁孔2设置有1-5o锥度，且锥度由内套基体1的外表面向内表面延伸，便于在导磁孔2内安装导磁芯3，所述最顶端的导磁孔2圆心到内套基体1上表面之间的距离L₃≥50mm，所述最底端的导磁孔2圆心到内套基体1下表面之间的距离L₄≤50mm，范围对应电磁线圈6的安装位置，在这一范围内安装导磁芯3可以产生最显著的透磁效果，所述导磁孔2内安装有导磁芯3，导磁芯3的膨胀系数为17.0×10^-6/℃，所述的导磁芯3为上下两底面为弧面的圆柱形，带有和内套基体1上导磁孔2相同度数和方向的锥度，导磁芯3的上底面的弧面与内套基体1内壁的弧面重合，下底面的弧面与内套基体1外壁的弧面重合，导磁芯3安装至导磁孔2内后外露部分可以与与内套基体1的内壁和外壁完全重合，从而在铸造过程中，金属凝壳在内套基体1内侧向下移动时不会受到阻碍，同时冷却水在内套基体1外侧流动时也不会受到阻碍，所述导磁芯3的外径d₂为1～10mm，且导磁芯3与导磁孔2过盈配合，在铸造过程中导磁芯3能牢固固定在导磁孔2中不脱落，导磁芯3的长度与内套基体1厚度相同，便于完全堵住导磁孔2且两边没有突出，所述导磁芯3为304或321不锈钢，内套基体1外圆套设有电磁线圈6。

对实施例1的导磁性进行分析，其中表1为现有内套无导磁孔导磁芯的结晶器实心内套透磁性能和平均导热系数数据表，表中第一种实心铜内套是目前工业生产铜及铜合金的成熟结晶器内套，第二种实心铝合金内套是工业生产铝、镁等低熔点合金的电磁铸造成熟结晶器内套。在相同内套直径和电磁场下，实心铜内套的透磁性能极弱(内套边部和中心磁感应强度低)，但导热性能优良(导热系数高)，而实心铝合金内套的透磁性能较好，但导热性能不佳。表2为本发明实施例1结晶器内套透磁性能和平均导热系数数据表，表3为本发明实施例1改变导磁孔2水平距离和垂直距离的结晶器内套透磁性能和平均导热系数数据表，表4为本发明实施例1改变直径的结晶器内套透磁性能和平均导热系数数据表，表5为本发明实施例1改变电磁场频率后的结晶器内套透磁性能和平均导热系数数据表，表6为本发明实施例1改变电磁场励磁电流后的结晶器内套透磁性能和平均导热系数数据表。表1-6中的透磁性能数据是利用特斯拉计在结晶器内部靠近内套(据内套5mm)处和结晶器中心部位测量5次取平均数所得到的数值，结晶器内部靠近内套处数值反映了磁场刚刚透过内套后剩余磁场强度的大小，结晶器中心部位数值反映了磁场到达中心处剩余磁场强度的大小。这两个数值分别反映了电磁铸造过程中电磁力对锭坯边部金属液和中心部位金属液的搅拌作用强弱，剩余磁场强度越大，则搅拌作用越强；表1-6中的平均导热系数是采用GB/T3651-2008所规定的方法和设备测量，同一内套测量5次取平均值为该内套的平均导热系数，该数值反映了内套导热性能的高低，平均导热系数越大，则该内套导热性能越高，平均导热系数越小，则该内套导热性能越低。

通过表1和表2、表3、表4、表5、表6对比分析得出，现有实心铜内套无导磁孔导磁芯的结晶器内套，结晶器内部靠近内套处磁场强度为8mT，结晶器内部中心位置磁场强度5mT，平均导热系数为384；实心铝合金结晶器内套，结晶器内部靠近内套处磁场强度为26mT，结晶器内部中心位置磁场强度15mT，平均导热系数为170W/m·K；通过表2结晶器内部靠近内套处磁场强度的平均值为25.44mT，结晶器内部中心位置磁场强度18.9mT，平均导热系数为301.22W/m·K；通过表3得出结晶器内部靠近内套基体1处磁场强度的平均值为28.33mT，结晶器内部中心位置磁场强度20.83mT，平均导热系数为285.17W/m·K；通过表4得出结晶器内部靠近内套基体1处磁场强度的平均值为31.33mT，结晶器内部中心位置磁场强度23.67mT，平均导热系数为299W/m·K；通过表5得出结晶器内部靠近内套基体1处磁场强度的平均值为38mT，结晶器内部中心位置磁场强度28.5mT，平均导热系数为265.5W/m·K；通过表6得出结晶器内部靠近内套基体1处磁场强度的平均值为25mT，结晶器内部中心位置磁场强度18.5mT，平均导热系数为265W/m·K。

图5是采用表1中实心纯铜内套和磁场参数利用电磁铸造制备的铜锭坯纵截面微观组织，可见柱状晶粒非常粗大，大部分柱状晶粒从上到下贯穿截面；图6是采用带有导磁芯内套，参数为表2第3行所列，利用电磁铸造制备的铜锭坯纵截面微观组织，可见晶粒细化效果明显，特别是对中心部位的晶粒细化效果非常显著，并且基本消除了从上到下贯穿截面的粗大柱状晶粒。

通过表2、表3、表4、表5和表6与表1进行对比可知，本发明与现有工业上成熟应用的实心纯铜内套相比较，透磁性能提高至原来的2.4-7倍，导热系数仅下降了12.24％-30.21％，下降的导热系数仍大大高于铜半连续铸造结晶器内套的最低导热系数要求；本发明与现有工业上成熟应用的实心铝合金内套相比较，透磁性能有一定程度的提高，导热系数提高至原来的1.56-1.98倍。可见，本发明相比于实心纯铜内套，牺牲少许原本过剩的导热系数，获得了大幅提升的透磁性能；本发明相比于实心铝合金内套，不仅提升了透磁性能，同时还大幅提高了导热系数。可见，本发明全面满足了电磁铸造结晶器高透磁性能和高导热系数的技术要求。

通过图5和图6所示的在电磁铸造过程中分别采用目前工业应用的实心纯铜内套和本发明内套所获得的铸锭微观组织对比，铜铸锭产品的粗大柱状晶粒得到有效细化，从而提高了铜铸锭的锻造性能和力学性能，产品质量得到提高，可见本发明具有显著的技术进步和有益的技术效果。

表1为现有实心铜内套无导磁孔导磁芯的结晶器内套和实心铝合金内套导磁性和平均导热系数数据表

表2为本发明实施例1结晶器内套导磁性和平均导热系数数据表

表3为本发明实施例1改变导磁孔水平距离和垂直距离的结晶器内套导磁性和平均导热系数数据表

表4为本发明实施例1改变直径的结晶器内套导磁性和平均导热系数数据表

表5为本发明实施例1改变电磁场频率后的结晶器内套导磁性和平均导热系数数据表

表6为本发明实施例1改变电磁场励磁电流后的结晶器内套导磁性和平均导热系数数据表

Claims (3)

1.一种用于铜及其合金电磁半连铸用的高透磁高导热结晶器内套，其特征在于，所述结晶器内套由内套基体和导磁芯组成，且内套基体呈上下两端开口的圆筒状，内套基体一端设置有向外水平延伸的边沿，边沿沿周向均匀开设有通孔，内套基体外圆套设有与边沿紧密贴合的上封板，内套基体另一端外圆设置有倒角，内套基体外圆套设有下封板，且下封板与倒角面之间形成若干出水孔，所述内套基体沿轴向均匀开设有导磁孔，所述导磁孔内安装有导磁芯，内套基体外圆套设有电磁线圈；

所述导磁孔呈矩阵式分布于内套基体上，且导磁孔设置有1-5^o的锥度，导磁孔内径d₁为1-10mm，相邻两个水平导磁孔圆心之间的距离L₁为10-50mm，相邻两个竖直导磁孔圆心之间的距离L₂为10-50mm，最顶端的导磁孔圆心到内套基体上表面之间的距离L₃≥50mm，最底端的导磁孔圆心到内套基体下表面之间的距离L₄≤50mm；

所述的导磁芯上下两底面为弧面，带有和内套基体上导磁孔相同度数和方向的锥度，导磁芯的上底面的弧面与内套基体内壁的弧面重合，下底面的弧面与内套基体外壁的弧面重合；

所述导磁芯的外径d₂为1-10mm，且导磁芯与导磁孔过盈配合，导磁芯的长度与内套基体厚度相同。

2.根据权利要求1所述的一种用于铜及其合金电磁半连铸用的高透磁高导热结晶器内套，其特征在于：所述导磁芯为304或321不锈钢。

3.根据权利要求1所述的一种用于铜及其合金电磁半连铸用的高透磁高导热结晶器内套，其特征在于：所述内套基体为无氧铜、铬铜或铬锆铜，当内套基体为铬铜时，其中Cr的质量分数为0.1%-1.0%；当内套基体为铬锆铜时，其中Cr的质量分数为0.1%-0.8%，Zr的质量分数为0.3%-0.6%。

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