CN1133519C - 一种施加双频电磁场改善连铸坯质量的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于金属材料加工领域，涉及到一种通过施加双频电磁场改善连铸坯质量的方法，其特征为：在电磁结晶器[2]外侧上下依次设置两个感应线圈，上部线圈通以高频电流，下部线圈通以低频电流，铸造过程中始终保持液面与上部线圈中心面平齐，误差不超过±5mm；其优点是：(1)解决了因结晶器振动和型内电磁搅拌带来的表面振动痕、裂纹、夹杂等问题；(2)等轴晶率提高到100%，晶粒度降低了83%，表面粗糙度降低了80%，夹杂物含量降低了97%。
Description
技术领域
本发明属于金属材料加工领域，特别涉及到连续铸造技术。
背景技术
连续铸造技术取代传统的模铸法是冶金工业的一次深刻的技术革命，它不仅使铸造生产实现了机械化与自动化，大大提高了生产效率，而且减少了能源的消耗和材料的浪费，使铸坯的内外冶金质量得到很大的提高。近年来，随着连铸生产向高速、近终形和铸坯直接轧制方向发展，对连铸坯的质量提出了更高的要求。
电磁搅拌技术(EMS)是借助电磁力强迫铸坯内的钢水流动，改变了钢水凝固过程中的流动、传热和传质条件，达到改善铸坯表面及亚表面质量、扩大等轴晶率、改善或消除中心偏析和中心缩孔等目的。目前，结晶器内电磁搅拌技术(M-EMS)在连铸生产中得到广泛应用，主要能够获得如下效果：(1)在铸坯冷却速度最大的弯月面处设置搅拌器，钢水旋转运动加速了凝固方向的传热以及钢液过热的耗散，因此晶粒细化明显，等轴晶率极大地提高；(2)弯月面处金属液流动可以弥补因保护渣熔化导致的液面温度的降低，使得液面保持较高的浇注温度而不会率先凝固；同时旋转运动使得凝固前沿温度梯度变小，有利于初期凝固坯壳的均匀生长，从而避免横纵裂纹的产生；(3)旋转运动冲刷凝固前沿还会防止非金属夹杂物和气泡在最初凝固的皮下聚集，使其靠离心作用向铸坯中心聚集进而上浮到弯月面而从皮下去除。上述这些效果需要弯月面处有较强的搅拌强度，并且这些效果会随着电磁搅拌强度的增加而显著提高。但是当搅拌强度较大时会在波面形成漩涡，离心力作用使得结晶器壁附近的金属液向上突起，中心的金属液面凹陷。这种现象的负面影响表现在：(1)增大熔融金属与结晶器内壁之间的接触压力，极大地阻碍了润滑剂沿型壁流入量，从而恶化了润滑效果和降低了铸造速度；同时弯月面变得不安定，凝固坯壳生长不均匀，极易导致裂纹的生成；(2)中心涡流将保护渣卷吸到金属液内部产生夹杂缺陷；(3)在浇注方式采用浸入式水口浇注时中心涡流还会侵蚀水口，降低水口寿命；同时被侵蚀物将污染金属液，降低铸坯质量。为了解决这些问题，现有的工艺措施主要有：减小电磁搅拌所施功率或者降低搅拌器在结晶器位置所处的高度等，但这些措施要么以牺牲表面质量来提高内部质量，要么以牺牲内部质量来提高表面质量，可以说是顾此失彼，不能够全面地提高连铸坯的质量。另外，由专利USP08/472246所公开的双搅拌系统，虽然上部的辅助线圈能够控制弯月面区域因下部的主线圈电磁搅拌带来的液面波动，但在一定程度上也削弱了搅拌强度，使得内部冶金质量较单独采用下部主搅拌线圈有所下降；而且也不能消除因结晶器振动产生的振动痕、裂纹等铸坯表面缺陷；加之施加的又是低频交流电，磁场倾向诱发金属液流动，也是产生表面缺陷的动因之一。因此，就目前的工艺方法而言，铸坯表面缺陷是影响高速连铸技术、连铸连轧技术发展的主要障碍。即使工艺条件合适，也大约有40％的钢种达不到连铸连轧一体化的要求。
发明内容
本发明的目的是：在保证铸坯内部质量的基础上，提供一种在连续铸造过程中控制结晶器内熔融金属运动状态及凝固成形从而全面提高连铸坯质量的工艺方法。使用该方法不仅能够解决目前由于结晶器内电磁搅拌带来得弯月面波动、保护渣通道受阻、润滑效果恶化、保护渣卷吸和水口侵蚀等问题，而且能够消除铸坯表面振动痕、裂纹等表面缺陷，使表面变得光滑，从而有利于高速连铸技术的进一步发展和连铸连轧工艺一体化的顺利实现。
本发明的基本构想是：与二冷区电磁搅拌(S-EMS)相比，结晶器内电磁搅拌不仅能够细化铸坯的凝固组织，而且搅拌作用促进内外金属液的热交换，有助于避免因保护渣融熔带来的液面温度的降低，使得液面始终保持较高的浇注温度；同时冲刷作用减小了凝固前沿的温度梯度，有利于初期凝固坯壳的均匀生长，这正是生产中广泛采用结晶器内电磁搅拌技术的根本原因。但是结晶器内电磁搅拌会在金属液面形成漩涡，会带来弯月面的不稳定以及结晶器内壁与金属液之间的接触压力增大，使得保护渣通道受阻、润滑效果恶化，这不仅缩短了结晶器的使用寿命，降低了铸造速度，也是产生表面缺陷从而影响连铸连轧工艺一体化实现的主要原因。另外，漩涡还会导致保护渣卷吸和水口侵蚀等问题，因此，或许降低电磁搅拌功率或搅拌器位置就成为避免这些缺陷的首选方法。但是如果单纯降低了搅拌线圈的功率或降低了结晶器内电磁搅拌线圈位置，虽然液面不形成漩涡，但是上述结晶器内电磁搅拌的优点也就体现不出来，或者说这与二冷区电磁搅拌(S-EMS)作用没有什么区别了。因此，在保证铸坯内部质量的前提下，若再能施加一种电磁场来替代结晶器内电磁搅拌所起到得改善铸坯表面质量的作用，即能够保证液面有较高的浇注温度来避免因保护渣熔化带来的表面温度的降低；同时可以适当降低搅拌线圈的位置，使得弯月面处金属液面不形成漩涡，则弯月面稳定、润滑通道畅通，就会避免内部夹杂和表面缺陷，从而生产出内外优质的铸坯。
基于上述构想，实现本发明的技术方案是：在侧壁开缝的电磁结晶器2外侧上下依次安置两个感应线圈，上部的线圈与高频电源相连(简称高频线圈)，主要实现“软接触”连续铸造；下部的线圈与低频电源相连(简称低频线圈)，目的是产生电磁驱动力，获得晶粒结构细小的凝固组织。具体特征在于：由于施加高频电磁场，考虑到导体表面存在集肤效应，对于传统结晶器来说，磁场不能够有效地进入到结晶器内部，因此本发明采用冷坩锅式电磁结是器2，在结晶器上部距结晶器顶端面40-150mm处设置一个高频线圈4，使其与高频电源相通，电源频率范围为10-100kHz，功率范围为20-80kw在高频线圈下面，距结晶器顶端面150-250mm设置一个低频线圈5，使其与低频电源相连，电源频率范围3-60Hz，功率范围为10-40kw。操作过程中，首先，将底模8置入电磁结晶器2内，开动冷却系统，冷却水流量为20-50m3/h：然后，将熔化的液体金属1通过浸入式浇道3浇注到电磁结晶器内，当液态金属1的浇注液面达到高频线圈4顶端面时启动拉坯系统和振动系统，凝固后的铸坯6在拉坯系统的作用下随底模8连续向下运动，这时分别接通高频线圈4和低频搅拌线圈5的电源；操作过程中要始终保持液面与高频线圈中心面平齐，其误差为±5mm。根据铸坯尺寸和浇注钢种，通过调节两个线圈的相对位置以及两个线圈各自的电气参数，就能够获得优质的连铸坯。
与现有技术相比本发明具有以下优点和效果：(1)在弯月面附近设置高频线圈，高频磁场产生的电磁压力减轻了因电磁搅拌带来的金属液与结晶器内壁接触压力，减小了液态保护渣在初生凝固坯壳与结晶器壁之间强制性流入、流出过程中受到的阻碍，缓和结晶器周期性振动过程中保护渣通道内的动压变化，使钢液弯月面所受扰动减轻、提高弯月面的稳定性，从而减轻铸坯表面振动痕、减小表面裂纹的发生几率，有利于改善铸坯的初始凝固过程；(2)高频电磁场的感应加热功能及其对钢液熔池所产生的搅拌作用，减小弯月面区域钢液熔池的温度梯度，有利于初生凝固坯壳的均匀生长，因而减少铸坯横纵裂纹生成的可能性；(3)高频线圈产生的电磁压力使金属液与铸坯之间以“软接触”状态实现连续铸造，初生凝固坯壳与结晶器内壁接触压力的减轻有助于减小拉坯阻力、促进保护渣的消耗，有利于高速连铸技术的发展；同时表面振动痕消失，表面变得光滑，表面平均粗糙度较未施加高频电磁场降低了80％，不需要轧制前清理或少清理，因而有利于连铸连轧工艺的顺利实现；(4)高频线圈的设置降低了低频搅拌线圈在结晶器内的搅拌位置，液面搅拌强度减弱，液面稳定性提高，因而减少了保护渣被卷入金属液内部的可能性；同时降低低频线圈的搅拌位置相当于减小了水口浸入深度，水口受冲刷侵蚀程度相对变小。
附图说明
附图是在电磁结晶器外施加双频电磁场的结构示意图。
图中，[1].液态金属，[2].结晶器，[3].浸入式浇道，[4].高频线圈，
[5].低频线圈，[6].铸坯，[7].保护渣，[8].底摸，
代表方向垂直纸面向外，代表方向垂直纸面向里。
具体实施方式
以下结合附图详细叙述本发明的原理和最佳实施例：
铸造过程中，液态金属1经浸入式浇口浇注到侧壁开缝的电磁结晶器2后，在结晶器壁处首先形成凝固壳状铸坯6，铸坯芯部仍然是液态。在结晶器2外侧，在距液面下150-250mm。高度处设置低频线圈5，施加的交变低频电磁场会在结晶器内产生垂直指向结晶器中心轴线的交变磁场Bx，液态金属中则产生向上的感应电流Jz，Jz和Bx相互作用产生指向纸面的电磁力F1＝Jz×Bx，在相对于铸坯中心轴线的对称点上同样也产生一个大小等于F1的的电磁力，而方向却与之相反，这每一对大小相等、方向相反的电磁力组成的力距就能使液态金属转动起来，搅拌作用有助于浇注金属液过热的快速释放，因而可以获得晶粒结构细小的凝固组织。与此同时在距电磁结晶器顶端面40-150mm处设置一个高频线圈5，使得浇注液面始终保持在与高频线圈中心面处于同一水平面。高频电磁场作用会在液态金属中产生向上的交变磁场Bz和指向纸面内的感应电流Jx，Jx和Bz相互作用产生垂直结晶器壁指向结晶器中心轴线的电磁力F2＝Jx×Bz。电磁力F2能够抵消在弯月面附近由于电磁搅拌作用产生的离心力(方向远离结晶器中心)，使弯月面保持稳定。随着高频线圈功率的增加，金属液面与结晶器壁之间的接触压力减小，液面形状由平变为凸。若功率再增加，则凸起的弯月面会彻底与结晶器内壁分离。这样就减轻了因电磁搅拌带来的金属液与结晶器内壁接触压力，减小了液态保护渣在初生凝固坯壳与结晶器壁之间强制性流入、流出过程中受到的阻碍，促进保护渣的消耗，有利于高速连铸技术的进一步发展；同时也缓和结晶器周期性振动过程中保护渣通道内的动压变化，使钢液弯月面所受扰动减轻、提高弯月面的稳定性，从而减轻或消除铸坯表面振动痕、减小表面裂纹的发生几率，改善了铸坯的初始凝固过程。与此同时，高频交变磁场还具有加热功能，感应电流Jx产生的焦耳热q＝Jx2/σ使金属液处于缓冷却状态，减小弯月面区域钢液熔池内以及凝固前沿的温度梯度，有利于初生凝固坯壳的均匀生长，因而减少铸坯横纵裂纹生成的可能性。另外，高频线圈的设置降低了低频线圈的搅拌位置，相当于减小了水口的浸入深度，则金属液旋转侵蚀水口的问题也得到解决。
本发明适用于圆坯和方坯的连铸，一般根据铸坯断面尺寸和浇注钢种来确定所施电源功率以及线圈所在位置。一般铸坯断面尺寸较小时，施加高频和低频线圈的功率取下限；尺寸较大时，施加高频和低频线圈的功率取上限。对于合碳量较低的钢种，低频线圈的位置取上限；否则，含碳量较高时低频线圈的位置取下限。浇注过程中液面位置要始终保持在与高频线圈中心面处于同一水平面，误差保持在±5mm之内。
实施例1：
某单位生产断面为100×100mm的小方坯，材料为优质碳素钢，合碳量为0.18％，要求铸坯表面粗糙度＜0.2，铸坯内等轴晶比率大于75％，夹杂物数量少于0.8个/100cm2，用作轧制线材。生产过程中，本发明选定的技术参数为：采用铜制电磁结晶器2，其内部尺寸100×100×400mm，外部尺寸146×146×400mm，在距结晶器上端面20mm处沿4个侧面纵向开设了20条宽度为0.4mm、长度为280mm的等间距缝隙；在距结晶器2顶端50mm处设置高频线圈4，其匝数为5匝，内部尺寸为150×150×70mm，外部尺寸174×174×70mm，高频电源频率为40kHZ；施加功率为45kw。结晶器内磁感应强度Bz的最大值为330G；在距结晶器2则顶端200mm处设置低频线圈5，匝数为2000匝，所施电源频率为50Hz，功率为15kw，结晶器内磁感应强度Bx的最大值为380G。结晶器内冷却水流量为20m3/h，铸造速度为1.2m/min。
实施例2：
某单位生产断面为φ100mm的圆坯，材料为低合金钢，要求铸坯表面粗糙度＜0.25，铸坯内等轴晶比率大于70％，夹杂物数量少于1个/100cm2，用作轧制管材。生产过程中，本发明选定的技术参数为：采用铜制电磁结晶器2，其内部尺寸φ100×400m，外部尺寸φ144×400mm，在距结晶器2上端面20mm处沿圆周侧面纵向开设16条宽度为0.4mm、长度为280mm的等间距缝隙；在距结晶器2顶端50mm处设置高频线圈4，匝数为4匝，其内部尺寸小154×60mm，外部尺寸小176×60mm。所施高频电源频率为25kHz，功率为40kw，结晶器内磁感应强度Bz的最大值为300G；在距结晶器2顶端200mm处设置低频线圈5，匝数为1500匝，所施电源的频率为50Hz，功率为10KW，结晶器内磁感应强度Bx的最大值为340G。结晶器内冷却水流量为15m3/h，铸造速度为0.9m/min。
实施例1，2的结果表明：当单独设置低频搅拌线圈时，晶粒明显细化，原来粗大的柱状晶转变为细小的等轴晶，等轴晶率增加到100％，而且平均晶粒度较未设置低频线圈前的120μm下降到20μm，降低了83％，但是，表面振动痕仍就明显，且内部夹杂物数量为3个/100cm3。当同时设置高频、低频线圈时，不仅获得了与单独设置低频线圈相同的等轴晶率和平均晶粒度，而且连铸坯表面质量也得到改善。表面平均粗造度较未设置高频线圈前的125μm下降到了25μm，降低了80％，而且振动痕消失、表面光滑，夹杂物数量也从未设置高频线圈前的3个/100cm3降低到0.1个/100cm3，降低了97％。
Claims (1)
1.一种施加双频电磁场改善连铸坯质量的方法，主要是由侧壁开缝的电磁结晶器[2]、液体金属[1]、液体金属[1]、设置在电磁结晶器[2]外侧的高频线圈[4]、低频或工频线圈[5]以及相关电源系统所构成，其特征于：
(a)在电磁结晶器[2]的外侧、上下端面之间、40-150mm处设置高频线圈[4]，施加电源的频率为10-100kHz、功率为20-80kw；
(b)在电磁结晶器[2]的外侧、上下端面之间、距其上端面150-250mm处设置有一个频率为3-60kHz、功率为10-40kw的低频线圈[5]；
(c)首先，将底模[8]置入电磁结晶器[2]内，开动冷却系统，冷却水流量为20-50m3/h；然后，将熔化的液体金属[1]通过浸入式浇道[3]浇注到电磁结晶器内，当液态金属[1]的浇注液面达到高频线圈[4]顶端面时启动拉坯系统和振动系统，铸坯[6]引随底模[8]连续向下运动，此时，分别接通高频线圈[4]和低频线圈[5]的电源；操作过程中保持液面与高频线圈中心面平齐，液面波动误差为±5mm。
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