CN1134125A - 熔融金属的连铸方法及用于该方法的设备 - Google Patents

Abstract

本发明的目的是提供一种连续铸造熔融金属的方法，该方法可降低初始固化的不稳定性并稳定地改善润滑状况及铸件的表面特性，本发明还提供了一种用于该方法的设备。在连续铸造熔融金属的过程中，对一个绕在连续铸造铸模壁或嵌入在铸模侧壁中的螺线管式的电磁线圈施加交流电，由此对浇入以恒定速率沿铸造方向振动或不振动的铸模中并正在固化的熔融金属施加电磁力，本发明方法还包括周期性地改变施加的交流电的振幅或波形以及用于本发明方法的设备。

Description

熔融金属的连铸方法及用于该方法的设备

本发明涉及一种熔融金属的连铸方法。本发明所涉及的这种熔融金属连铸方法包括重复改变施加的交流电的特性、如振幅、频率或相位的过程，从而在施加在熔融金属上的电磁力的作用下使熔融金属与铸模分离，以减小初始固化的不稳定性，同时在铸镆与熔融金属之间形成润滑作用并改善表面性能。

在连铸过程中，通常在铸模中的一个金属熔液池的上表面加一些粉末。该粉末在熔融金属的加热作用下被熔融，同时，由于铸模壁上下振动以及被固化的外壳以恒定的速率被下拉使得被熔融的粉末流入模壁与外壳之间的缝隙中。在熔融的粉末流入过程中产生的动压力使得被固化的外壳的弯液面及顶端产生变形。由于变形是以铸模的振动周期进行的，因而在铸造金属表面形成被称为振动纹痕的周期性缩皱。

具有通常深度的规则振动纹痕有助于铸造过程的稳定性及铸造钢锭的表面质量。然而，当振动纹痕过深时，会产生铸造金属表面缺陷。而且，除了纹痕本身过深产生的问题外，还会产生诸如在纹痕底部形成Ni的正析出以及在连铸奥氏体不锈钢时需要对铸造钢锭表面进行表面研磨等问题。即使在铸造普通钢时也会发现在纹痕形成过程中，聚集在纹痕中的气泡和杂质增多。在某些情况下，甚至降低了铸造钢锭的屈服强度。

另一方面，以前在铸造小截面金属件如方钢锭时，通常用菜籽油取代粉末。这是因为在连续铸造具有小截面的金属件时浇铸是在无埋入浇口的条件下进行的，因而不能使用粉末，否则粉末会被浇铸流带走。众所周知，菜籽油在月牙面中燃烧形成石墨。石墨可防止固化的外壳粘到模壁上，但却难以在铸造的钢锭表面形成明显的振动纹痕，因而其铸造过程稳定性及铸造金属质量的稳定性都低于用粉末进行铸造的方法。

作为控制上述的初始固化的一种方法，52-32824号

未审查日本专利申请公开文本中提出了一种改进在连铸方法中改善铸锭的表面质量的方法，该方法是向一个以恒定的周期振动并连续向下拉的水冷模中浇铸熔融金属2连同润滑剂4，其中包括对绕在图2所示铸模外周上的电磁线圈连续地施加交流电的步骤，从而交变电磁场产生的电磁力的作用下使熔融金属2形成凸形曲面。另外，在未审查的64-83348号

日本专利申请公开文本中还公开了另一种在粉末铸造中改善表面特性的方法，该方法是在对铸模中的熔融金属施加电磁力时，利用一个电磁线圈，通过对其施加一个如图3所示的脉冲形式的交变磁场间断地施加电磁力。

如52-32824号                          未审查日本专利申请公开文本所公开的，通过用电磁线圈对铸模中的熔融金属连续地施加电磁力已使铸造钢锭的表面质量得到了改善。然而，被施加的电磁场不仅改变了月牙面的外廓形状，而且也对正固化的熔融金属进行加热。结果，初始固化过程不能稳定地进行。另外，如未审查的64-83348号                        日本专利申请公开文本所公开的，当用一个电磁线圈对铸模中的熔融金属间断地施加电磁力时，粉末在被固化的外壳与铸模壁之间的流动加快，由此可以改善铸造钢锭的表面特性。然而，在按照图3所示的快速接通、断开的模式通电的情况下，有时会在熔融金属池的表面产生波浪运动。这种波浪运动带来的问题是，在无电流阶段波浪运动还会持续，从而在熔融金属池的月牙面上产生绕流，以至于对施加的电磁力产生反向作用。在极限情况下，这可能导致粉末被拦截在已固化的外壳中。另一方面，在没有采用诸如粉末等润滑剂使其以液态从月牙面流经固化的外壳与铸模之间的情况下，必须改进铸造钢锭的铸造过程或表面特性，才可使其达到与经过粉末铸造后的钢锭相同的质量水平。

此外，未审查的2-37943号                         日本专利申请公开文本还公开了改善表面特性的方法，该方法不使用诸如粉末和菜籽油等传统的润滑剂，而是通过在低于月牙面的位置上开始固化来排除月牙面的绕流。在该方法中，采用诸如石墨或矾土石墨等具有预定的电导的耐高温材料制作铸模，并且该铸模在绕在其上的电磁线圈的电磁作用下可以产生热量，用以控制钢锭的固化程度。使用这种方法，可以在熔融金属在其表面以下的部分固化的同时进行连续铸造。根据以上所述的专利方法，当熔融金属在被加热的铸模壁上固化时，在该部分沿着铸件被拉的方向变成完全固态之前不可避免地处于固-液两相状态。由于固-液两相部分不具有足够的强度，因而在拉铸件的时候有时会使该部分分开。这样就无法稳定地进行铸造。如上所述，在熔融金属上也施加电磁力，用以降低金属与铸模之间的接触压力，即降低金属与铸模之间的接触电阻。当为了稳定初始固化而提高电磁力时，在铸模与金属中的热量也随之增加，结果还是不能获得初始固化的稳定性。

本发明的目的是提供一种连续铸造熔融金属的方法，该方法可解决由传统的加电磁力式的铸造方法带来的缺陷，即可抑制初始固化的不稳定因素，从而稳定地获得改善润滑作用及改善铸造金属表面特性的效果。本发明的另一目的是提供一种不采用粉末对熔融金属连续铸造的方法。这是因为该方法可以通过稳定铸造过程来稳定对铸件表面特性具有直接影响的初始固化过程。

如图17中的电磁力产生原理的示意图所示，在本发明连续铸造熔融金属的方法中，对一个绕在连续铸造铸模壁或嵌入在铸模侧壁中的螺线管式的电磁线圈5施加交流电，由此给浇入铸模并很快开始固化的熔融金属2施加电磁力的同时进行连续铸造。电磁力18的方向取决于感应电流20的方向及感应磁场19的方向。在本发明中，施加给熔融金属2的电磁力的方向总是使得熔融金属2与铸模1的侧壁分离的方向。在该方法中，施加的交流电呈图1所示的步进式。如图1(a)所示，大电流阶段表示为t1，小电流阶段表示为t2。其中，大电流用于施加为改变月牙面外廓所需要的电磁力，而在大电流阶段前后施加的小电流则用于完成除改变月牙面外廓之外的其他功能，二者配合工作。图1(b)表示了另一种方案，其中先施加大电流以产生为改变月牙面外廓所需要的电磁力，然后施加小电流用于完成除改变月牙面外廓之外的其他功能。在一对或几对这样的电流组配之后设置一段无电流阶段(t_{OF F})，用以抑制在施加连续电流或脉冲电流阶段(该阶段被称为t_ON)产生的熔融金属初始固化的不稳定因素。从而获得稳定的改善润滑及改善铸件表面特性的效果。此外，在上述施加电流的过程中，在施加电流的一个周期中对月牙面变形有影响的施加大电流的时间所占的比例最好为0.2至0.8。这样，可以最大程度地改善模壁与固化的外壳之间的润滑作用及铸件的表面特性。

此外，在不采用粉末或采用在熔融金属的月牙面中呈非液态的菜籽油的情况下对熔融金属进行连续铸造时，在一个绕在一个连续铸造模上的电磁线圈中施加交流电，从而对铸模中的熔融金属月牙面施加间断的电磁力。由此加快了正在月牙面中固化的金属的周期性变形和过流，因而获得规则的振动纹痕。这样可以稳定连续铸造中的初始固化。以下将介绍该方法的具体技术特性。

第一，周期性地改变交流电的振幅、频率、相位或类似特性，即改变施加在绕连续铸造模外周设置的螺线形电磁线圈上的电流波形，同时，铸模以恒定的周期振动。这样，施加在被浇入到铸模中的熔融金属上的电磁力将随交流电变化而变化。

当施加电磁力的周期与铸模振动的周期同步从而在通电阶段出现负条纹阶段时，在铸件表面的周向上形成均匀的振动纹痕。由此铸件可以获得良好的表面特性。此外，当施加电磁力的阶段中怵正条纹阶段时，铸件表面上的纹痕形成将得到抑制，由此可获得具有光滑表面的铸件。

第二，对设置在一个不振动的连续铸模的外周上的螺线形电磁线圈施加周期性改变的交流电，这样，施加在被浇入到铸模中的熔融金属上的电磁力将随交流电变化而变化。由此可在铸件表面上形成等同于振动纹痕的纹痕。

在第一和第二方法中，采用了三个步骤作为对电磁线圈施加周期性变化的交流电的手段，其中，施加在被浇入到铸模中的熔融金属上的电磁力将随交流电变化而变化。具体措施如下：

(1)在电磁线圈上施加脉冲交流电，在一个交替地施加磁场阶段和一个交替地不施加磁场阶段的共同作用下使电磁波的一个周期变为一个间断的磁场，从而对被浇入到铸模中的熔融金属施加一个间断的电磁力。

(2)在电磁线圈上施加一个随振幅大小变化的交流电。这样，在合成的电磁波形中的一个周期内不存在不施加交变磁场的阶段。由此对被浇入到铸模中的熔融金属施加一个随交流电振幅变化而变化的电磁力。

(3)在电磁线圈上施加一个随频率高低变化的交流电。这样，在合成的电磁波形中的一个周期内不存在不施加交变磁场的阶段。由此对被浇入到铸模中的熔融金属施加一个随交流电频率变化而变化的电磁力。在这些步骤中，步骤(2)和(3)是步进式通电过程，该过程提供步进形电磁波形，以下将对此作进一步说明。

在上述步骤中，无论是否采用粉末，只要通过按照下述方式改变施加给电磁线圈的交流电流就可以获得稳定的控制。

具体地说，就是当铸模振动时，铸模振动的频率(f_M)和交流电频率(f_P)的范围是通过如下公式确定的：0.69≤1n(f_p/f_m)≤9.90。在电磁线圈上施加一个调制的电流，用以取代周期地改变施加给电磁线圈的交流电振幅的强弱。调制电流信号波的频率根据铸模振动频率设定。此外，调制电流的载波频率(f_C)及铸模的振动频率(f_M)范围根据如下公式确定：0.69≤1n(fc/f_m)≤9.90。该调制电流可选调幅电流、调频电流或相位调制电流。当铸模不振动时，f_C的频率范围为1至5赫兹，这通常是铸模振动采用的频率。以下介绍实施例。其中：

图1(a)表示了一个不包括无电流阶段的步进式施加电流的模式，而图1(b)表示了一个包括无电流阶段的步进式施加电流的模式；

图2表示了设置在一个连续铸模上的电磁线圈与熔融金属的月牙面及粉末之间的相对关系；

图3表示了前面提到过的施加脉冲电磁场的模式；

图4(a)表示了在施加电磁力时月牙面变形的状态，而图4(b)表示一个在不施加电磁力时月牙面的静态形状，图4(c)则表示在经历了施加电磁力和不施加电磁力的重复过程后被固化的外壳的形状。

图5(a)表示的模式是，在反复施加一个由大电流阶段与小电流阶段组成的施加电流阶段后有一段无电流阶段，而图5(b)表示的模式是由两个小电流阶段和一组位于两小电流阶段之间的大电流阶段组构成的模式，其中大电流阶段组中的各电流阶段的电流大小不同。图5(c)表示的模式是，在一组电流不同的大电流阶段组后有一个小电流阶段，而后有一段无电流阶段；

图6表示了在实验马口铁铸造时所采用的设备的总体结构；

图7表示了用图6所示设备获得的铸件的表面粗糙度与施加在铸模上的步进式电流及磁力线密度之间的关系；

图8表示了用图6所示设备获得的铸件的表面粗糙度与施加大电流时间在整个施加电流时间中所占比例的关系；

图9表示了连续铸模与月牙面及根据本发明设置的电磁线圈之间的结构关系；

图10表示了采用菜籽油对熔融金属进行连续铸造的传统方法；

图11表示了用图2所示传统方法获得的铸造钢锭的表面状态；

图12表示了用图1所示的本发明方法获得的铸造钢锭的表面状态；

图13表示了在图1所示的方法中施加给电磁线圈的脉冲电流波形；

图14表示了在图1所示的方法中施加给电磁线圈的步进式电流波形；

图15表示了在铸模的机械振动频率与为保持月牙面稳定而施加给线圈的脉冲交流电流频率之间的关系；

图16表示了本发明的连续铸造设备的总体结构；

图17表示了本发明的电磁力的工作原理；

图18(a)表示了图8所示设备的总体结构，图18(b)表示了图18(a)中的A部分的放大图；

图19是举例说明本发明的调幅交流电波形的图表；

图20是举例说明本发明的调频交流电波形的图表。

在64-83348号                        未审查日本专利申请公开文本详细地叙述了通过在连续铸造熔融金属过程中施加电磁力而加快粉末流入初始固化部分的效果及改善铸件表面特性的效果。即如图4(a)所示，当施加电磁力时，在铸模和已固化的外壳6顶部之间的间隙增大。如图4(b)所示，当随后断掉电磁力时，在熔融金属2的静压力P作用下，固化的外壳6的顶端又退回到铸模壁处。这种周期性重复的“开”、“关”过程使固化的外壳6形成了如图4(c)所示的缩颈状态。重复进行这种缩颈形成过程即可加快作为润滑剂的粉末流入铸模与固化的外壳之间的速率。本发明人曾用低熔点合金做过铸造实验。结果证明通过施加一个连续的电流和一个上述的脉冲电流可以间断地施加电磁力。实验中还发现，在单纯采用连续电流或脉冲电流的磁场中进行铸造，会由于初始固化不稳定而产生一些缺陷。即、当单纯采用连续电流时，正在固化的熔融金属在熔融金属感应电流的作用下被加热，这使得月牙面发生变化，因而固化过程不能进行完全。结果，粉末流量有时不足，由此损害了铸件的表面特性。

当仅仅施加如图13所示的由无电流阶段t_OFF和有电流阶段t_ON构成的脉冲电流以获得图南所示的磁力线时，电流振幅瞬间从0变到最大值。由此引起的月牙面形状的显著变化导致熔融金属池的月牙面上产生波浪运动。在波浪运动引起的绕流作用下，粉末有时会被裹到熔融金属中并被封闭在固化的外壳中，从而形成表面缺陷。

本发明通过对电磁线圈施加一个步进式周期性变化的交流电解决了上述问题。

图1表示了施加步进式电流的电流波形。如图1(a)所示，施加步进式电流的一个周期是由一个大电流阶段t1和一个小电流阶段t2构成的。这样，在电磁力没有完全断掉而只是施加了一个不影响月牙面变形而仅影响月牙面稳定的小电流阶段，熔融金属池中的月牙面的绕流显著减少，由此解决了裹携粉末的问题。另外，这样还可以抑制热量产生，从而通过根据熔融金属移动的相应时间来选择大电流阶段t1和小电流阶段t2保证使初始固化稳定进行。此外，如图1(b)所示，步进式电流模式也可以是周期性地施加大电流阶段、接着是小电流阶段、而后是无电流阶段。

此外，可以按照图5所示方式选择各种模式的步进式施加电流的方式。这些模式都可以达到减少施加脉冲电流过程中产生的绕流及提高稳定性的目的。例如，图5(a)中表示的模式是，在至少重复两次由大电流阶段及随后的小电流阶段构成的通电过程之后是一个无电流阶段并且周期性地重复该通电过程与无电过程。另外，通过在图5(b)所示的模式中只需在其小电流阶段之后加上一个无电流阶段即可得到图5(c)所示的模式。采用图5所示的用大电流阶段与小电流阶段进行组合的方式即可保证在熔融金属月牙面形状保持恒定并抑制感应电流产生的热量的同时稳定地使初始固化外壳不断增大。

通过这种步进式施加电流的方法获得间断施加电磁力的方式，对于稳定润滑效果和改善铸件表面质量都有显著的效果，无论铸模振动还是不振动都是如此。

另外，本发明人还发现，如果将施加大电流的时间t1与通电时间t1+t2之比选择在0.2至0.8范围，则可最大程度地改善铸模壁和固化外壳之间的润滑状况及改善铸件的表面质量。该比例范围的下限是根据改变月牙面形状和加快粉末流动所需要的通电时间来确定的。该比例范围的上限是根据抑制月牙面绕流及防止热产生所需要的施加小电流时间确定的。此外，这里所说的“粉末”是指通常用在连续铸造的铸模中并被熔融在熔融金属池中的月牙面上的润滑剂，因而也可称为流体。

此外，在不采用粉末或在熔融金属的月牙面中不是以液态存在的菜籽油对熔融金属进行连续铸造的过程中采用的方法将在下面介绍。

在铸件表面上形成的振动纹痕对于稳定形成初始固化外壳起着重要的作用。即、在连续铸造模中沿铸模周向均匀地开始固化、沿铸造的纵向均匀地开始固化并沿该纵向有规律地重复固化过程对于稳定地获得良好的铸件表面质量是至关重要的。例如，在初始固化不均匀的情况下会产生裂缝，这样铸造速度就难以超过一定的值。

在考察和研究初始固化过程中，本发明人已经证实了以下事实，即粉末在铸模中的月牙面中被熔融并具有一定的粘度。因此，熔融的粉末将铸模的振动作为动压力传给月牙面，进而加速了月牙面的周期性变形及熔融的钢铁的周期性溢流。该周期性变形和周期性溢流导致规则的、明显的振动纹痕形成。

与之不同的是，当按照图10所示方式不采用粉末对熔融金属进行连续铸造时，铸模的振动不一定被传到熔融金属的月牙面部分。例如，在铸造一个具有小横截面的金属如钢锭时所采用的菜籽油不是以液态起润滑作用的。沿连续铸造模11的一铜板加入的仅够形成油渍的菜籽油均匀地燃烧着，直至到达月牙面3处形成石墨为止。这样有助于放置已固化的外壳粘到铸模壁上。然而，此处没有介质将铸模振动传到正在固化的月牙面部分。因此，在铸件上难以形成规则的振动纹痕，因而通常也无法获得良好的铸件表面质量。

在采用菜籽油进行铸造获得的钢锭上会形成一些振动纹痕，尽管它们并不明显。在这种情况下，是这样考虑纹痕形成机理的：在月牙面振动时，特别是在铸模下降时，外壳顶部发生变形，同时铸模壁也已经在加热作用下产生些微变形。铸模壁的热变形随熔融金属与铸模接触的状态不同而不同而且在周向上不一定是均匀变形。在此情况下，如图11所示，被铸造的金属件14表面上形成的振动纹痕周向均匀度不如图12所示的在采用粉末时铸造而成的铸件上的振动纹痕。因此，铸造过程及由此获得的铸造金属表面特性既不稳定也不够好。

另一方面，为加快粉末进入固化的外壳和铸模壁之间的速度，本发明提供一种方法，其中包括对绕着一个连续铸造模设置的电磁线圈施加如图13所示的脉冲交流电，由此向铸模内的熔融金属月牙面上开始固化的部分施加间断的交流磁场，并反复施加对该部分具有排斥作用的电磁力。本发明还提及了未审查的64-83348号                   日本专利申请公开文本。本发明人进一步研究了不采用注入菜籽油作润滑剂(菜籽油在月牙面中不是以液态存在)的情况，发现在此情况下如果通过施加图13所示的脉冲交流电产生间断的磁场，可大大地改善初始固化情况。而在已知技术中，由于固化不能完全受铸模变形的控制，因而不理想。

如上所述，通过对月牙面间断地施加磁场产生对初始固化部分间断地施加排斥作用的电磁力。结果，即使不能采用可将铸模振动传给固化的外壳上的粉末，也可以通过施加间断排斥的磁场使所产生的周期性外壳变形及熔融金属的周期性溢流导致规则的振动纹痕形成。这样就可以保证在铸件周向上的初始固化具有一定的稳定性。

特别是在负条纹阶段、即铸模下降的速度大于铸造速率的情况下施加排斥磁场肯定能够形成振动纹痕。因此，这种模式在稳定铸造过程和铸件表面特性方面最为有效。另一方面，如果在铸模振动过程中的正条纹阶段施加排斥磁场，振动纹痕的形成会得到抑制因而铸件可获得平滑的表面。由于在这种情况下初始固化不一定稳定，因而应当以较低的铸造速度进行铸造。另外，通过施加脉冲电流获得间断电磁力是指各周期由一个通电阶段与一个非通电阶段组合而成的模式。此外，通过施加步进式电流获得间断电磁力是指由一个高强度磁场与一个低强度磁场组合而成的通电模式。两种模式都被证明具有足够的效果。用步进式电流控制磁场强度可借助于调正施加给电磁线圈的交流电的振幅或频率。

在通过对铸模施加机械振动来进行连续铸造时，无论采用粉末铸造或是非粉末铸造，对电磁线圈施加施加脉冲形式的交流电，由此对铸模中的熔融金属间断地施加一个电磁力，结果在初始固化部分铸模与铸件之间的接触压力被间断地减小。在上述连续铸造中，通过以铸模振动频率(F_M)设定增强和减弱电流振幅的重复频率(F_T)使施加电磁力与铸模振动处于相同周期内。这样就可以控制固化的外壳的重叠及熔融金属的溢流，由此形成振动纹痕。

在使铸模机械振动的同时进行连续铸造的情况下，若如确定的脉冲交流电频率(F_P)与铸模振动频率(F_M)不相称，则在熔融金属的月牙面会产生稳定的波浪，这使得月牙面及固化过程不稳定。通过各种实验发现，根据图15所示公式：0.69≤1n(f_p/f_m)≤9.90设定f_M和f_P可以抑制在月牙面中的熔融金属表面振动干涉，从而稳定固化过程。该f_P/f_M比值的下限受稳定月牙面的要求限定。而其上限是根据为稳定生成固化所限定的热量确定的。

产生间断电磁力的线圈电流不限于脉冲或步进式电流，可以用诸如调幅、调频或相位调制电流等调制电流来产生电磁力。在这些情况下，调制电流的信号波的频率(f_S)相应于脉冲交流电振幅增强和减弱的重复频率，而载波频率(f_C)对应于f_P。因而，在施加上述的脉冲交流电的情况下，通过以铸模振动频率设定信号波的频率以及从公式：0.69≤1n(f_p/f_m)≤9.90确定的范围中设定载波频率(f_C)和铸模振动频率(f_M)可以达到同样的效果。

即使在铸模不振动，也可以通过电磁场来控制受机械振动影响的润滑作用。由于在此情况下不存在f_M，因而f_C通常在1至5赫兹的范围内选择。f_M通常在该范围内。

在本发明中，即使不使用润滑剂，只要使冷模沿着垂直于铸造方向振动，同时施加上述的步进式电磁场就可减少固化的外壳与铸模之间的摩擦阻力。如果使用润滑剂则可进一步降低固化的外壳与铸模壁之间的摩擦阻力，因而可通过连续铸造获得具有良好的表面质量的铸件。此外，本发明方法也可用在未审查的2-37943号                日本专利申请公开文本中公开的用热模使熔融金属在其表面之下固化来进行连续铸造的方法中。即、当采用步进式电磁场时，通过强脉冲电磁力的作用使得正在固化的金属在施加预定的热量的同时与铸模壁轻轻地接触，由此稳定熔融金属表面之下的固化过程从而完成连续铸造。

以下将借助于实施例说明本发明的特征。

例1

用图6所示的设备铸造马口铁。绕铸模设置一个电磁线圈。对线圈施加如图1(b)所示的步进式电流。该马口铁以12cm/min的速率被铸成一个直径为3cm的圆柱形铸件，与此同时，铸模以60周/min在0.3cm的行程内振动。为比较起见，在施加图13所示的脉冲电流的同时进行铸造。施加步进式电流及施加脉冲式电流的速率各为60周/分钟。在施加步进式电流时，大电流和小电流分别设定在600A和180A，而施加大电流的时间与总的通电时间之比为0.3。另一方面，脉冲电流在通电时的电流设定为600A。结果，对最终产品检查后发现，在两种情况下，使用电磁力时在铸造马口铁表面形成的平均纹痕深度(D)与不使用电磁力时在铸造马口铁表面形成的平均纹痕深度(D0)之比均为0.1。这说明表面质量已经明显地改善了。图7表示了在采用步进式电流时进行连续铸造获得的效果。在本实施例的条件下，磁力线密度为73×10^-4。图7中的符号分别表示以下意义：B：磁力线密度(t)；D：在施加磁场的情况下获得的铸件的表面粗糙度(无量纲)；D0：在不施加磁场的情况下获得的铸件的表面粗糙度(无量纲)。

另一方面，在仅仅施加脉冲电流的同时进行连续铸造获得的铸件的表面上可以看到硅油的痕迹，该硅油被用作粉末。然而，在采用步进式电流进行连续铸造获得的铸件的表面上没有看到硅油的痕迹。关于硅油的这种结果在用电磁力进行连续铸造时情况都是一样的。

例2

在例1的条件下施加如图1(a)所示的步进式电流，其通电的频率为300周/分钟。将铸件的表面质量与采用连续电流获得的铸件的表面质量相比，结果发现用步进式电流获得的铸件的表面极为光滑，而用连续电流获得的铸件表面上发现泛出许多熔融金属的痕迹，这是由于初始固化的进程不合适造成的。

例3

在用例1中的步进式电流进行铸造的条件下，大电流时间(t1)与整个周期(t1+t2)的比例为0至1.0不等。图8表示了表面粗糙度、即D/D0相应与不同的比例的变化。在图8中，D表示在施加磁场的情况下获得的铸件的表面粗糙度(无量纲)，而D0：表示在不施加磁场的情况下获得的铸件的表面粗糙度(无量纲)。

从结果中可以看出，当施加大电流的时间与整个时间的比为0.2至0.8时，表面粗糙度系数D/D0最小。

以上实施例说明，采用步进式电流可以加快粉末的润滑作用，从而可改善铸件的表面特性。

例4

图9表示了用于本发明实施例的设备的总体结构。在铸模1的外周设置了一个电磁线圈5并间断地施加一个预定的交变磁场。用该设备将一个普通的中碳钢铸造成一个钢锭。其铸造条件如下：铸造速率：2.4m/min；铸模的横截面尺寸：130mm×130mm，铸模的振动行程：±4mm；以及振动频率：190cpm。在进行铸造时，从铸模的铜板上方沿着铜板滴入菜籽油，其滴入量仅够形成油渍。

图11表示了在不施加电磁力的情况下获得的铸造钢锭的表面状态。在其表面上可以看到缩皱的痕迹而且其间距不等。不过，间距的平均值基本上等于铸造速率除以铸模振动数的商。因此，可以认为该缩皱是由于铸模振动产生的。铸件不仅在凹处、凸处以及部分纵向裂纹中而且在振动纹痕中均出现紊乱的痕迹。因此还需要对钢锭进行调制处理。另一方面，图12表示了在铸模振动的负条纹阶段间断地施加脉冲电磁力获得的铸造钢锭的表面特性。在铸造钢锭16的表面形成了极为明显的振动纹痕15，并且钢锭无表面缺陷。

例5

在例4的条件下进行铸造实验，施加一个脉冲电流使得所产生的电磁力与铸模振动的正条纹阶段同步。在铸造钢锭上形成的振动纹痕很浅，所以钢锭的表面极为光滑。

例6

在例4的条件下进行铸造实验，对电磁线圈施加一个如图14所示的步进式电流。虽然在例1中的比较例中通过单纯地施加脉冲电流在振动纹痕之间会出现一些缩皱，但在本例中所获得的铸造钢锭上没有这种缩皱。

之所以没有形成缩皱是因为施加步进式电流抑制了在仅施加脉冲电流时会在月牙面中产生的波浪运动。

例7

在例4的条件下进行铸造实验，制造时铸模不振动。当用电磁力进行铸造时，固化的外壳频繁地与铸模壁粘连，在铸造钢锭上可以看到许多痕迹。与上述的铸造过程相比，在铸造过程中施加脉冲电磁力的情况下铸造稳定并且由此获得的铸造钢锭上有明显的振动纹痕。

由上述例子可以看出，在不采用润滑剂对熔融金属连续铸造时，若在连续铸造的同时施加一个与铸模振动同步的脉冲电磁力或铸模不振动都可得到明显的振动纹痕。

例8

图18表示了本发明权利要求14范围内的实施例中所采用的设备的总体结构。图18(b)表示了图18(a)中A部分的细节，其中标识号31表示一个防裂环部分。在图18中，绕铸模1上部的外周设置了一个高频电磁线圈29并在线圈上施加一高频磁场。此外，绕铸模1下部的外周设置了一个低频电磁线圈30并在线圈上施加一低频磁场。使用这种设备可将普通的中碳钢连续铸造成钢锭。

用一个横截面为160mm×160mm的铸模以2m/min的速率连续铸钢。在电磁线圈29上加上一个频率为10赫兹的正弦波高频磁场并加上200kw的功率作为线圈的负载功率。此外，还施加一个如图1(b)所示的步进式电流以便对电磁线圈30施加一个低频磁场。磁场大小为0.3泰斯拉，此为最大磁力线密度。用上述方式铸造钢锭，铸模振动阻力比不施加低频磁场但其他条件相同的铸模振动阻力低60％。

例9

图16示意表示了本发明设备的一个实施例。用于驱动电磁线圈5的动力源24上附设了一个波形发生器23。通过这些装置为3猃提供励磁电流。在第一例中，在不施加电流的情况下，用图16所示设备以150cm/min速率进行铸造。在铸模的振动影响下，由此获得的铸件表面上形成周期变化的凹、凸部分，其平均表面粗糙度为320μm。此外，在铸件表面的一部分沿振动方向形成横向裂纹。在第二例中，在用图16所示设备进行铸造的同时连续地施加振幅为3000A频率为60赫兹的交流电。在这样得到铸件上会形成缺陷及由于裹携的粉末的作用形成表面缩皱。与不施加电磁力铸造而成的铸件相比，在这样得到的铸件上形成的缺陷及由于裹携的粉末的作用形成的表面缩皱将有损于铸件的表面特性及表层之下的特性。之所以出现上述缺陷是因为熔融金属的不稳定流动导致月牙面不稳定。

在本发明的实施例中，频率为60赫兹、振幅为3000A的交流电与周期为0.5秒的脉冲波形组合施加给励磁线圈。当施加这样的励磁电流时，频率为60赫兹的高频部分被平均地分配给铸模中的熔融钢。电磁力每0.25秒接通、断开一次。施加电磁力的频率与铸模上升运动同步。铸造的速率为150cm/min。铸件上的周期性凹、凸部分减少，其平均表面粗糙度是不施加电磁力得到的铸造扁锭的表面粗糙度的三分之一。

此外，该方法对铸件表层下面缺陷形成具有抑制作用。而且，当以200cm/min的速率进行铸造时，可以稳定地进行铸造并且在铸造金属表面及其表层下面的特性与用150cm/min铸造速率获得的铸造金属相同。

其次，在施加与铸模下移运动同步的电磁力的同时进行铸造的情况下，若其它条件与上述条件相同，则由此获得的铸件的表面粗糙度为150μm，而且在铸件表面形成的横向裂缝也得到了抑制。此外，在给励磁线圈施加一个诸如调幅、调频或相位调制的调制电流的同时进行铸造的情况下，所获得的铸件的表面特性同于施加励磁电流获得的铸件的表面特性。图19表示了本例中的调幅调制交流电的波形。图20表示了调频交流电的波形。

从上述例子中可以看出，在铸模不振动时施加脉冲电磁力或在铸模振动时施加与铸模振动同步的脉冲电磁力情况下对熔融金属采用无润滑剂连续铸造可在铸件表面形成明显的振动纹痕，同时可改善铸件的质量和铸造过程的稳定性。

如上所述，本发明提出的方法是通过在开始固化的熔融金属的月牙面上施加电磁力，使粉末流动加快从而达到改善润滑条件及铸件表面质量的目的。该方法包括对绕铸模的月牙面设置的一个电磁线圈施加步进式电流的步骤。所述步进式电流由一个用于影响月牙面变形的大电流阶段和一个与大电流功能不同的小电流组成。这样可使初始固化稳定地进行，从而防止粉末在月牙面的绕流作用下被裹携，因此可显著改善润滑状况及铸件的表面质量。

此外，根据本发明，只要对开始固化的熔融金属的月牙面施加一个脉冲式电磁力或步进式电磁力，则即使在不采用润滑剂进行连续铸造的情况下，连续铸造中的初始固化也可有规律地反复进行。由此可在铸件表面形成明显的振动纹痕并可明显地改善铸件的表面特性及铸造过程的稳定性。

Claims (18)

1、一种熔融金属的连铸方法，其中包括对一个绕在连续铸造铸模壁或嵌入在铸模侧壁中的螺线管式的电磁线圈施加交流电，由此对浇入铸模中并正在固化的熔融金属施加电磁力的步骤，施加给熔融金属的电磁力的方向总是使得熔融金属与铸模的侧壁分离的方向，其特征在于所述方法还包括周期性改变所加电流的振幅或波形的步骤，由此改善润滑状况及铸件的表面特性。

2、一种熔融金属的连铸方法，其中包括对一个绕在连续铸造铸模壁或嵌入在铸模侧壁中的螺线管式的电磁线圈施加交流电，由此对浇入铸模中并正在固化的熔融金属施加电磁力的步骤，其特征在于所述方法还包括周期性改变所加电流的振幅或波形使其形成一个由一个可改变月牙面形状的大电流与一个小电流组成的步进式电流的步骤，由此改善润滑状况及铸件的表面特性。

3、一种熔融金属的连铸方法，其中包括对一个绕在连续铸造铸模壁或嵌入在铸模侧壁中的螺线管式的电磁线圈施加交流电，由此对浇入以恒定速率振动的铸模中并正在固化的熔融金属施加电磁力的步骤，其特征在于所述方法还包括周期性改变所加电流的振幅或波形以使交流电与铸模振动周期同步，从而形成一个由一个可改变月牙面形状的大电流与一个小电流组成的步进式电流的步骤，由此改善润滑状况及铸件的表面特性。

4、一种熔融金属的连铸方法，其中包括对一个绕在连续铸造铸模壁或嵌入在铸模侧壁中的螺线管式的电磁线圈施加交流电，由此对浇入以恒定速率振动的铸模中并正在固化的熔融金属施加电磁力的步骤，其特征在于所述方法还包括周期性改变所加电流的振幅或波形以使交流电与铸模振动周期同步，从而使交流电形成一个由一个可改变月牙面形状的通电阶段与一个非通电阶段构成的脉冲电流，由此改善润滑状况及铸件的表面特性。

5、如权利要求1至4之一所述的熔融金属的连铸方法，其特征在于，对月牙面变形有影响的大电流通电时间与每周期通电时间之比至少0.2至0.8，由此改善润滑状况及铸件的表面特性。

6、如权利要求1至5之一所述的熔融金属的连铸方法，其特征在于，在铸造过程中不使用润滑剂，或者使用在熔融金属的月牙面上不呈液态存在的菜籽油，在电磁线圈上施加的交流电可以是步进式电流或脉冲式电流。

7、如权利要求6所述的熔融金属的连铸方法，其特征在于，施加电磁力的周期与铸模振动周期同步，并且通电阶段处于负条纹阶段，即在该阶段铸模下降的速度高于铸造速率，由此在铸件表面的周向上形成均匀的振动纹痕。

8、如权利要求6所述的熔融金属的连铸方法，其特征在于，施加电磁力的周期与铸模振动的周期同步，并且并且通电阶段处于正条纹阶段，即在该阶段铸模下降的速度低于铸造速率，由此消除铸件上的振动纹痕或使其变浅。

9、一种熔融金属的连铸方法，其在铸造过程中不使用润滑剂，或者使用在熔融金属的月牙面上不呈液态存在的菜籽油，所述方法包括对绕连续铸造模壁(铸模不振动)外周设置的电磁线圈施加交流电，该交流电以步进或脉冲的方式变化，从而在浇入到铸模中的熔融金属上施加一个随交流电变化的电磁力，由此在铸件上形成相应的纹痕。

10、如权利要求1至9之一所述的熔融金属的连铸方法，其特征在于，在电磁线圈上施加一个在一个电磁波形周期内包括一个高频电流和低频电流的交流电，由此在已经浇入到铸模中的熔融金属上施加一个随交流电频率变化的电磁力。

11、如权利要求3至9之一所述的熔融金属的连铸方法，其特征在于，铸模振动的频率(f_M)和交流电频率(f_P)的范围是通过如下公式确定的：0.69≤1n(f_p/f_m)≤9.90。

12、如权利要求3至9之一所述的熔融金属的连铸方法，其特征在于，(1)在电磁线圈上施加一调制电流；(2)调制电流信号波的频率(f_S)是以铸模振动频率(f_M)设定的；以及(3)载波频率(f_c)和铸模振动频率(f_M)通过如下工时确定：0.69≤1n(f_p/f_m)≤9.90，以此替代施加振幅周期性增大和减小的交流电。

13、如权利要求1至9之一所述的熔融金属的连铸方法，其特征在于，施加在电磁猃上的交流电为用诸如调幅、调频或相位调制电流等调制交流电流。

14、一种熔融金属的连铸方法，其中包括对一个绕在连续铸造铸模壁或嵌入在铸模侧壁中的螺线管式的电磁线圈施加交流电，由此对浇入以恒定速率振动的铸模中并正在固化的熔融金属施加电磁力的步骤，其特征在于所述方法还包括使反复施加的交流电成为一个各周期一个大电流与一个小电流组成的步进式电流的步骤，由此使模壁沿着垂直于铸造方向的方向振动，从而改善润滑状况及铸件的表面特性。

15、一种熔融金属的连铸方法，其中包括对一个绕在连续铸造铸模壁或嵌入在铸模侧壁中的螺线管式的电磁线圈施加交流电，由此对浇入以恒定速率沿铸造方向振动的铸模中并正在固化的熔融金属施加电磁力的步骤，其特征在于所述方法还包括，其特征在于所述方法还包括使反复施加的交流电成为一个各周期一个大电流与一个小电流组成的步进式电流的步骤，由此调正被加热的铸模的温度，这种变化着的电磁力施加在铸模中的熔融金属或在铸模中处于半固化状态或固化状态的金属上，以使该金属与铸模分开，由此降低正固化的金属与铸模之间的接触压力，从而获得良好的铸件表面质量。

16、一种熔融金属的连铸方法，其中包括使施加在电磁线圈上的交流电形成步进形式的步骤，由此使不振动的冷模沿着垂直于铸造方向振动并调正正被加热的铸模的温度，由此降低已经开始固化的金属与铸模壁之间的接触阻力，从而改善润滑状况及铸件的表面特性。

17、一种用于连续铸造熔融金属的设备，其中包括一个连续铸造模，一个绕在连续铸造铸模壁或嵌入在铸模侧壁中的螺线管式的电磁线圈，一个动力源或用于施加交流电的波形发生器，该交流电周期性地改变施加给电磁线圈的电流振幅或波形。

18、一种用于连续铸造熔融金属的设备，其中包括一个用于容装处于熔融状态的熔融金属的容器，该容器具有隔热结构或具有诸如感应加热等加热功能，一个与上述容器连接并用于固化熔融金属的水冷铸模，一个在容器与水冷铸模连接部分绕熔融金属设置的的螺线管式的电磁线圈，以及一个动力源或用于施加交流电的波形发生器，该交流电周期性地改变施加给电磁线圈的电流振幅或波形。

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