CN114160766A - 一种强磁场复合电磁震荡制备均质合金连铸坯的装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种强磁场复合强磁场震荡制备均质合金连铸坯的装置及方法，此装置包括强磁体、熔体存储器、结晶器、引锭装置、电磁震荡装置、冷却装置，电磁震荡装置由两片导电陶瓷以及电源组成，且结晶器中部左右两侧区域采用导电陶瓷替换直接接触熔体，左右两侧导电陶瓷分别与电源正负极连接，结晶器外围设置强磁体，电磁振荡装置及强磁场均作用于铸坯固‑液界面处，熔体凝固时长大和碰撞聚集过程被强磁场作用抑制，并且重力沉降也被有效抑制，进一步促进合金成分的均匀化，最终获得均质化的合金连铸坯。采用本发明提供的制备合金连铸坯的方法能够获得成分均匀的合金连铸坯，是一种工艺成本低，操作简单，稳定性好的均质合金连铸坯制备方法。
Description
技术领域
本发明设计一种强磁场复合电磁震荡制备均质合金连铸坯的装置及方法，适用于大部分合金的组织和成分均匀化制备，采用强磁场复合电磁震荡技术，通过连铸的方式获得大和长尺寸的合金铸坯，属于均质无偏析合金材料制备工艺技术领域。
背景技术
随着我国工业技术的快速发展，合金的凝固组织控制显得愈发重要。尤其是难混溶合金的制备在传统的铸造技术下极易形成严重的重力偏析，这是由于这类合金在凝固过程中均存在一个液-液不混溶区，由于先析出的液相和原有熔体存在巨大的密度差异，导致液相分层，最终形成互不相混溶的两相，致使在众多领域中无法展现出合金的优良性能。并且第二相组元含量越大，比重偏析就越严重。在金属凝固中引入电磁震荡时改善凝固组织的理想方法，电磁力对熔体的往复震荡会产生细化晶粒、分散效应、去除气体、提高流动性等效果。随着磁场在连铸中的应用，先后出现了利用时变磁场和稳恒磁场的电磁搅拌、电磁制动和软接触电磁连铸技术，并最终形成了三者有机结合的现代电磁连铸技术。其中电磁连铸技术可以净化熔体，改善合金元素偏析，提高铸坯表面质量，细化晶粒，提高铸坯力学性能，而结晶器是电磁连铸技术中最关键的设备或部件。
现有技术的电磁连铸用结晶器种类较多，结构各异。传统的软接触电磁连铸采用类似冷坩埚式的分瓣结构，将结晶器沿母线切割出若干切缝，这些切缝将结晶器分隔成有限个分瓣，每个分瓣单独水冷，而电磁场则由切缝透入到结晶器中，同时，分瓣的结构也使结晶器的电磁感应截面积减小，使消耗于结晶器的电磁场能量大大降低，从而保证了连铸金属熔体所需的电磁场能量。而电磁场的合适强度和范围与铸坯的材质及断面尺寸有关，且施加电磁场的频率过小，对弯月面的稳定不利，易产生铸坯表面质量恶化的倾向；频率过大，会使结晶器耗能增加，且对电磁场的屏蔽增加。但从满足生产实际需求的角度，现有技术的软接触电磁连铸仍有以下不足：
1.结晶器筒体难以达到保持良好电磁穿透力与耐磨和安全的统一；
2.无法精确控制施加电磁震荡的作用位置；
3.电磁震荡效果不明显，结晶器整体难以达到牢固耐用与装配方便的统一；
4.软接触电磁连铸时的电流、频率及其同铸造工艺的相互联系未明确。
以上不足会直接导致铸坯表面和内部质量，连铸坯易产生表面缺陷，晶粒尺寸大，形成宏观偏析，产品的综合性能不佳，成材率不高，生产效率不高及增加生产成本。因此，如何通过适当的、简单易行的电磁连铸方法制备成分均匀的合金组织成为亟待解决的问题。
发明内容
为了解决现有技术问题，本发明的目的在于克服已有技术存在的不足，提供一种强磁场复合电磁震荡制备均质合金连铸坯的装置及方法，在结晶器外围施加一个强磁场，由于强磁场是一种能量密度很高的能量场，其可以抑制难混溶合金组织中偏析相生长和偏析相之间的碰撞/聚集，因此可以抑制合金熔体中偏析相的长大，同时对其他合金体系在固液界面处的初生晶粒也有着显著的细化效果。此外强磁场对合金熔体对流的抑制，将会降低固液界面处溶质的偏析。
为达到上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种强磁场复合电磁震荡制备均质合金连铸坯的装置，包括加热炉装置和结晶器装置，加热炉装置包括熔体存储器、加热控制器、加热器件、加热炉水冷套和耐火保温层，耐火保温层外围由加热炉水冷套进行保护，熔体存储器用于装入金属熔体，熔体存储器的外围设有加热器件，加热器件外部依次设有耐火保温层和加热炉水冷套，将包裹在耐火陶瓷管中的热电偶伸入到熔体储存器内部的金属熔体中，反馈熔体的实时温度给加热控制器，所述加热控制器通过电信号控制包裹在耐火保温层中的加热器件，将金属熔体加热到需要保温的温度；
在加热炉装置的下方设置结晶器装置，结晶器装置包括结晶器、导电陶瓷、电源、循环冷却水，在熔体存储器中的金属熔体保温设定时间后，金属熔体进入结晶器进行凝固，所述结晶器中部左右两侧被分别连着电源正负极的导电陶瓷组成的电磁震荡器，且结晶器外围设置有强磁体，电磁振荡器与强磁体产生的作用均作用于铸坯固液界面处，金属熔体凝固时长大和碰撞聚集过程被强磁场作用抑制，并且偏析相的重力沉降也被抑制；设置引锭杆，由引锭机抽拉引锭杆对铸坯进行连铸；将凝固后的连铸坯从结晶器中拉出，结晶器上通有循环冷却水，作为第一次冷却；设置二冷水喷嘴，所述二冷水喷嘴作为强制冷却装置，向连铸坯喷淋冷却介质，促进冷却，制备连铸坯。
优选地，所述金属熔体采用具有重力偏析特征的难混溶合金。
优选地，所述结晶器的内套材质为石墨、不锈钢、铜或者其他高温抗/弱磁性合金。
优选地，电磁震荡器中的导电陶瓷采用导电高温抗/弱磁性金属片和石墨片，且其在结晶器中左右两侧的位置为金属凝固区的固-液界面前沿，导电陶瓷直接接触熔体；所接电源的电流以及频率可调，电流为交变和脉冲电流；且交变电流大小为0.1-20000A，频率为0.01-10000Hz；脉冲电流大小为0.1-20000A，频率为0.01-10000Hz。
优选地，强磁体为匀强磁场，磁感应强度为0-100T可调，且强磁场作用的位置应靠近金属凝固区的固-液界面前沿；强磁体采用超导线圈、Bitter电阻铜片或其他磁体做成的强磁体。
优选地，强磁体施加的磁场的磁感应强度为24-100T。
优选地，适用于金属的下引连铸工艺过程，铸坯为圆坯、方坯、板坯或者异形坯。
优选地，冷却喷嘴喷淋的冷却介质为水、惰性低温气体或者水气复合介质。
优选地，引锭机抽拉引锭杆对铸坯进行连铸的牵引速度为0.0001-500mm/s。
一种利用本发明强磁场复合电磁震荡制备均质合金连铸坯的装置的强磁场复合电磁震荡制备均质合金连铸坯的方法，在结晶器本体中设置导电陶瓷直接接触熔体，通过导电陶瓷，在熔体内通入具有设定频率的交变电流，利用导电陶瓷在金属凝固区的固-液界面前沿施加电磁震荡，并在结晶器外围施加一个强磁场，将强磁场与交变电流的相互作用，产生交变的电磁振荡力，使熔体产生扰动；强磁场的磁感应强度、频率和交变电流的电流大小、频率可调。电磁振荡器与强磁体产生的细化效果均作用于铸坯固液界面处，熔体凝固过程中组织和成分的偏析，以及偏析相的长大和碰撞聚集过程均被强磁场作用抑制，且偏析相的重力沉降过程将受到显著地抑制。强磁场复合电磁振荡进一步促进合金成分的均匀化，最终获得组织和成分均匀化的合金连铸坯。
本发明与现有技术相比较，具有如下显而易见的突出实质性特点和显著优点：
1.本发明强磁场复合电磁震荡制备均质合金连铸坯的装置及方法，与传统软接触电磁连铸所采用的分瓣式结晶器不同；本发明直接利用导电陶瓷替换结晶器左右两侧部分区域，且其替换结晶器的位置为金属凝固区的固-液界面前沿，并连接电源，通电的导电陶瓷可直接接触熔体；通过导电陶瓷，在熔体内通入具有一定频率的交变电流，与外加的稳恒磁场相互作用，产生交变的电磁振荡力，使熔体产生扰动，起到弥散合金元素，增加熔体整体过冷度，破碎初生枝晶的作用；
2.本发明装置及方法可按照实验要求设定通入电流的大小、交变/脉冲的形式选择以及频率，避免了传统软接触电磁连铸中施加电磁场强度与结晶器之间的相互制约关系；因此，通过强磁场和电磁振荡的复合作用，可获得成分均匀的合金；
3.本发明还采用连铸技术，实现了长尺寸、大体积均质合金的简单制备，成本低廉；
4.本发明中强磁场复合电磁震荡制备均质合金连铸坯的装置及方法，可实现对一般合金体系以及第具有重力偏析特征的难混熔合金的均质化简易制备，解决了现有的均质合金制备材料成分偏析，制备工艺复杂，成型材料尺寸小的问题。
附图说明
图1是本发明优选实施例强磁场复合电磁震荡制备均质合金连铸坯的装置示意图。
图2是图1中的强磁场复合电磁震荡制备均质合金连铸坯的装置中结晶器以及电磁振荡装置局部放大示意图。
图中，附图标记及对应的零部件名称：1-加热控制器，2-加热炉水冷套，3-加热器件，4-熔体存储器，5-耐火保温层，6-强磁体，7-结晶器，8-导电陶瓷，9-电源，10-循环冷却水，11-二冷水喷嘴，12-引锭机，13-引锭杆，14-铸坯，15-金属熔体，16-耐火陶瓷管，17-热电偶。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作详细说明，本发明设计的工艺方法及参数包括但不限于以下实施例。
实施例一
在本实施例中，参见图1和图2，一种强磁场复合电磁震荡制备均质合金连铸坯的装置，包括加热炉装置和结晶器装置，其特征在于：所述加热炉装置包括熔体存储器4、加热控制器1、加热器件3、加热炉水冷套2和耐火保温层5，耐火保温层5外围由加热炉水冷套2进行保护，熔体存储器4用于装入金属熔体15，熔体存储器4的外围设有加热器件3，加热器件3外部依次设有耐火保温层5和加热炉水冷套2，将包裹在耐火陶瓷管16中的热电偶17伸入到熔体储存器4内部的金属熔体15中，反馈熔体的实时温度给加热控制器1，所述加热控制器1通过电信号控制包裹在耐火保温层5中的加热器件3，将金属熔体15加热到需要保温的温度；
在加热炉装置的下方设置结晶器装置，结晶器装置包括结晶器7、导电陶瓷8、电源9、循环冷却水10，在熔体存储器4中的金属熔体15保温设定时间后，金属熔体15进入结晶器7进行凝固，所述结晶器7中部左右两侧被分别连着电源9正负极的导电陶瓷8组成的电磁震荡器，且结晶器7外围设置有强磁体6，电磁振荡器与强磁体6产生的作用均作用于铸坯14固液界面处，金属熔体15凝固时长大和碰撞聚集过程被强磁场作用抑制，并且偏析相的重力沉降也被抑制；设置引锭杆13，由引锭机12抽拉引锭杆13对铸坯14进行连铸；将凝固后的连铸坯14从结晶器7中拉出，结晶器7上通有循环冷却水10，作为第一次冷却；设置二冷水喷嘴11，所述二冷水喷嘴11作为强制冷却装置，向连铸坯14喷淋冷却介质，促进冷却，制备连铸坯。
在本实施例中，参见附图1和附图2，本实例制备Al-10wt.％Bi难混熔合金的铸坯14，首先将工业纯Al和工业纯Bi按照比例配制，工业纯Al和工业纯Bi的总质量为100kg，将其放入熔体储存器4中，由耐火陶瓷管16包裹的热电偶17传递信号，通过加热器件3对原料加热到合金熔点以上50℃左右，即1100℃，原料全部熔化后保温30min，然后开始连铸。开启强磁体6，将中心磁场强度升到24T。将连接导电陶瓷8的电源9设置为交流160A，频率为90Hz。同时开启循环冷却水10和二冷水喷嘴11，其中保证11冷却水流量在5000m3/hr，再开启引锭机12，使引锭杆13的速度为30mm/s向下抽拉，获得金属铸坯14。
本实施例实施强磁场复合电磁震荡制备均质合金连铸坯的方法，在结晶器7的本体中设置导电陶瓷8直接接触金属熔体15，通过导电陶瓷8，在金属熔体15内通入具有设定频率的交变电流，利用导电陶瓷8在金属凝固区的固-液界面前沿施加电磁震荡，并在结晶器7外围施加一个强磁场，将强磁场与交变电流的相互作用，产生交变的电磁振荡力，使金属熔体15产生扰动；强磁场的磁感应强度、频率和交变电流的电流大小、频率可调。
实施例二
本实施例与上述实施例基本相同，特别之处在于：
在本实施例中，所述结晶器7的内套材质为石墨、不锈钢、铜或者其他高温抗/弱磁性合金。电磁震荡器中的导电陶瓷8采用导电高温抗/弱磁性金属片和石墨片。所接电源9的电流以及频率可调，电流为交变和脉冲电流。强磁体6采用超导线圈、Bitter电阻铜片或其他磁体做成的强磁体。适用于金属的下引连铸工艺过程，铸坯14为圆坯、方坯、板坯或者异形坯。冷却喷嘴11喷淋的冷却介质为水、惰性低温气体或者水气复合介质。本实施例采用更多选择，丰富磁场复合强磁场震荡制备均质合金连铸坯的装置和方法的功能，实现更多方式的金属材料制备的控制工艺的调控。
上述实施例强磁场复合强磁场震荡制备均质合金连铸坯的装置包括强磁体6、熔体存储器4、结晶器7、引锭装置、电磁震荡装置、冷却装置，电磁震荡装置由两片导电陶瓷8以及电源9组成，且结晶器7中部左右两侧区域采用导电陶瓷8替换直接接触熔体，左右两侧导电陶瓷7分别与电源9正负极连接，结晶器7外围设置强磁体6，电磁振荡装置及强磁场均作用于铸坯固-液界面处，熔体凝固时长大和碰撞聚集过程被强磁场作用抑制，并且重力沉降也被有效抑制，进一步促进合金成分的均匀化，最终获得均质化的合金连铸坯。采用本发明实施例提供的制备合金连铸坯的方法能够获得成分均匀的合金连铸坯，是一种工艺成本低，操作简单，稳定性好的均质合金连铸坯制备方法。
上面对本发明实施例结合附图进行了说明，但本发明不限于上述实施例，还可以根据本发明的发明创造的目的做出多种变化，凡依据本发明技术方案的精神实质和原理下做的改变、修饰、替代、组合或简化，均应为等效的置换方式，只要符合本发明的发明目的，只要不背离本发明的技术原理和发明构思，都属于本发明的保护范围。
Claims (10)
1.一种强磁场复合电磁震荡制备均质合金连铸坯的装置，包括加热炉装置和结晶器装置，其特征在于：所述加热炉装置包括熔体存储器(4)、加热控制器(1)、加热器件(3)、加热炉水冷套(2)和耐火保温层(5)，耐火保温层(5)外围由加热炉水冷套(2)进行保护，熔体存储器(4)用于装入金属熔体(15)，熔体存储器(4)的外围设有加热器件(3)，加热器件(3)外部依次设有耐火保温层(5)和加热炉水冷套(2)，将包裹在耐火陶瓷管(16)中的热电偶(17)伸入到熔体储存器(4)内部的金属熔体(15)中，反馈熔体的实时温度给加热控制器(1)，所述加热控制器(1)通过电信号控制包裹在耐火保温层(5)中的加热器件(3)，将金属熔体(15)加热到需要保温的温度；
在加热炉装置的下方设置结晶器装置，结晶器装置包括结晶器(7)、导电陶瓷(8)、电源(9)、循环冷却水(10)，在熔体存储器(4)中的金属熔体(15)保温设定时间后，金属熔体(15)进入结晶器(7)进行凝固，所述结晶器(7)中部左右两侧被分别连着电源(9)正负极的导电陶瓷(8)组成的电磁震荡器，且结晶器(7)外围设置有强磁体(6)，电磁振荡器与强磁体(6)产生的作用均作用于铸坯(14)固液界面处，金属熔体(15)凝固时长大和碰撞聚集过程被强磁场作用抑制，并且偏析相的重力沉降也被抑制；设置引锭杆(13)，由引锭机(12)抽拉引锭杆(13)对铸坯(14)进行连铸；将凝固后的连铸坯(14)从结晶器(7)中拉出，结晶器(7)上通有循环冷却水(10)，作为第一次冷却；设置二冷水喷嘴(11)，所述二冷水喷嘴(11)作为强制冷却装置，向连铸坯(14)喷淋冷却介质，促进冷却，制备连铸坯。
2.根据权利要求1所述强磁场复合电磁震荡制备均质合金连铸坯的装置，其特征在于：所述金属熔体(15)采用具有重力偏析特征的难混溶合金。
3.根据权利要求1所述强磁场复合电磁震荡制备均质合金连铸坯的装置，其特征在于：所述结晶器(7)的内套材质为石墨、不锈钢、铜或者其他高温抗/弱磁性合金。
4.根据权利要求1所述强磁场复合电磁震荡制备均质合金连铸坯的装置，其特征在于：电磁震荡器中的导电陶瓷(8)采用导电高温抗/弱磁性金属片和石墨片，且其在结晶器(7)中左右两侧的位置为金属凝固区的固-液界面前沿，导电陶瓷(8)直接接触熔体；所接电源(9)的电流以及频率可调，电流为交变和脉冲电流；且交变电流大小为0.1-20000A，频率为0.01-10000Hz；脉冲电流大小为0.1-20000A，频率为0.01-10000Hz。
5.根据权利要求1所述强磁场复合电磁震荡制备均质合金连铸坯的装置，其特征在于：强磁体(6)为匀强磁场，磁感应强度为0-100T可调，且强磁场作用的位置应靠近金属凝固区的固-液界面前沿；强磁体(6)采用超导线圈、Bitter电阻铜片或其他磁体做成的强磁体。
6.根据权利要求1所述强磁场复合电磁震荡制备均质合金连铸坯的装置，其特征在于：强磁体(6)施加的磁场的磁感应强度为24-100T。
7.根据权利要求1所述强磁场复合电磁震荡制备均质合金连铸坯的装置，其特征在于：适用于金属的下引连铸工艺过程，铸坯(14)为圆坯、方坯、板坯或者异形坯。
8.根据权利要求1所述强磁场复合电磁震荡制备均质合金连铸坯的装置，其特征在于：冷却喷嘴(11)喷淋的冷却介质为水、惰性低温气体或者水气复合介质。
9.根据权利要求1所述强磁场复合电磁震荡制备均质合金连铸坯的装置，其特征在于：引锭机(12)抽拉引锭杆(13)对铸坯(14)进行连铸的牵引速度为0.0001-500mm/s。
10.一种利用权利要求1所述强磁场复合电磁震荡制备均质合金连铸坯的装置的强磁场复合电磁震荡制备均质合金连铸坯的方法，其特征在于：在结晶器本体中设置导电陶瓷直接接触熔体，通过导电陶瓷，在熔体内通入具有设定频率的交变电流，利用导电陶瓷在金属凝固区的固-液界面前沿施加电磁震荡，并在结晶器外围施加一个强磁场，将强磁场与交变电流的相互作用，产生交变的电磁振荡力，使熔体产生扰动；强磁场的磁感应强度、频率和交变电流的电流大小、频率可调。
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