CN1142043C - 一种不等宽缝隙的电磁铸型和利用该铸型进行铸造的方法 - Google Patents
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Abstract
铸造领域的一种不等宽缝隙的电磁铸型，铸型特征：距铸型上端面10-30mm处开设多个不等宽缝隙的电磁铸型4的缝隙结构，其下半部为等宽缝隙7，上半部是长为50-80mm的不等宽缝隙11；铸型外侧设有其上端面与液面10处于同一水平面的高频线圈6；对应直浇道9出口处设有电磁铁5；铸型出口处设有低频搅拌线圈3。使用该铸型时，铸造中应保持液面与高频线圈上端面同一水平面高度，其误差为±10mm。优点：(1)节电17%，(1)降低粗造度43%，(3)提高等轴晶比率26%。
Description
技术领域
本发明涉及到金属电磁连续铸造的铸型和铸造方法，属于金属铸造领域。
背景技术
液体金属的电磁连续铸造是近十年发展起来的一种先进铸造方法，由于它能极大地提高连铸坯的质量，所以被认为是21世纪金属成形的新方法。
电磁连铸是于电磁铸型外侧设置通有交流电的电磁线圈，电磁线圈中的交变电流在电磁铸型内形成交变磁场，并在金属液中诱导出感应电流，带有感应电流的金属液在交变磁场中受到从电磁铸型壁指向中心的电磁力的作用，使其在铸造过程中保持离开型壁，即：使金属液面不随电磁铸型上下振动而变形，消除因铸型振动引起的种种缺陷，改善连铸铸坯表面质量的铸造方法。依据这一原理，人们首先是采用在连铸铸型外设置通有工频交流电的电磁线圈方法，取得了一定的效果；但是，工频交流电易使液体金属内会产生搅拌流，形成铸造缺陷。因此，铸型结构和施加磁场的方式成为实现电磁连铸至关重要的问题。
1994年日本住友金属公司JP06277803专利中提出了施加复合电磁场的电磁连铸方法。为了使3.4kHz的中频磁场能穿透金属铸型作用于液体金属，提出了铸型壁上均匀地开设等宽缝隙的电磁铸型，并在中频线圈的外侧设置磁石，以便减轻液面流动，保护液面安定的技术方案，已成为现有技术中的典型。该技术改善了铸坯的表面质量。但是，仍然存在着以下不足：①由于现有技术使用等宽缝隙电磁铸型，所以进入铸型内的磁场较少，浪费电能，②由于采用螺旋式电磁线圈会使电磁铸型内的磁场分布不均匀，而引起金属液面不安定，影响铸坏表面质量，③铸坯内部组织等轴晶比率低，并有疏松和夹杂等铸造缺陷。
发明内容
本发明的目的就是要克服现有技术存在的(1)电磁铸型内磁场强度低，磁场分布不均匀，(2)铸坯中心部等轴晶比率少、缩松等铸造缺陷的不足，并在保证铸坯表面质量的基础上，提出一种能增加电磁铸型内磁场强度，使磁场分布均匀，增加等轴晶比率，获得高质量连铸坯的一种不等宽缝隙的电磁铸型的技术解决方案。
上述现有电磁连铸存在的不足主要原因是，由于电磁铸型设计不合理和晶粒细化措施不当所致。具体分析如下：
在电磁连续铸造过程中，电磁线圈产生的电磁场必须透过电磁铸型才能对液态金属起作用。但是，一般来说，电磁场通过导体时会引起强度衰减，可用下式表示
H＝Hoexp(-z/δ)exp[j(ωt-z/δ)]Ho是导体表面磁场强度的振幅，H是铸型内部的磁场强度，j是电流密度，z是从导体表面到导体内的距离，δ是磁场的渗透深度。所以，高频电磁场不能穿透铜制电磁铸型进入铸型内，只能通过型壁的缝隙对液体金属起作用。因此，电磁铸型的缝隙越宽，铸型内磁场强度越大，电源的效率越高。
由于螺旋式高频线圈磁场分布的不均匀性，若型壁上开设等宽缝隙，则电磁铸型内沿铸造方向形成不均匀的磁场分布，这种不均匀的磁场分布将产生不均匀的电磁力，容易引起金属液流动，形成铸造缺陷。
用直浇道浇注时，流出直浇道液体金属的流动是形成铸坯内部夹杂的主要原因，若抑制了流出直浇道液体金属的流动，可减轻杂质的卷入量，提高铸坯内部质量；液体金属在铸型中凝固时，若温度梯度大，则形成粗大的树枝晶；若在铸坯凝固过程中的某个阶段，适当增加液体金属流动，可减少铸坯金属液池内的温度梯度，并打碎了部分树枝晶，有利于形成等轴晶，减轻了疏松。
本发明的基本构思是在电磁铸型型壁上，开设沿铸造方向或型壁厚度方向不等宽的缝隙，增加铸型内的磁场强度，并使磁场分布均匀；在电磁铸型的上半部施加高频磁场，使液体金属在缓慢冷却条件下凝固，并保持液面稳定，可改善铸坯的表面质量；若在直浇道出口处施加直流电磁场，则恒定磁场与液体金属流作用产生与流动方向相反的电磁力，可抑制流出直浇道液体金属的流动；在铸坯凝固过程中施加低频交流电磁场，则在铸坯金属液池内诱发电动势，产生感应电流，电流和磁场作用形成电磁搅拌力，可提高铸坯内部质量；铸造过程中，先将底座置入电磁铸型内，再分别接通高频线圈、直流电磁铁和低频搅拌线圈的电源，然后将感应炉中熔化的液体金属通过直浇道浇注到电磁铸型内，始终保持液面与高频线圈上端面在同一水平面，最后，凝固后的铸坯在拉坯力的作用下，随底座连续向下运动。
本发明所提出的一种不等宽缝隙的电磁铸型，其铸型主要包括内部水冷和在型壁上沿铸造方向开设多个相互平行的等宽缝隙7结构，其特征在于：在该电磁铸型的型壁上，距上端面10-30mm处沿铸造方向开设多个长度为150-300mm，其下半部是宽为0.3-0.6mm的等宽缝隙7结构部分，其上半部是沿型壁厚度方向或者铸造方向的不等宽缝隙11结构部分，由不等宽缝隙结构部分与等宽缝隙结构部分共同构成不等宽缝隙电磁铸型4的缝隙结构，其中，不等宽缝隙11结构部分的长度为50-80mm；在不等宽缝隙电磁铸型4的外侧，于液体金属弯月面处设置有其上端面与液面10处于同一水平面、频率为10-100kHz、功率为40-100kW的高频线圈6；在高频线圈6下方，于对应直浇道9出口位置处，设置有磁感应强度为1500-2000G的直流电磁铁5；在不等宽缝隙电磁铸型4的出口处，设置有频率为3-60Hz、电流为100-200A的低频搅拌线圈3。本发明的进一步的特征在于：不等宽缝隙11其结构是在型壁内侧宽为0.3-0.6mm的等宽缝隙7上半部的面上，距其型壁内侧为0-1.0mm处，沿壁厚方向开设其型壁外侧缝隙宽度为2.0-5.0mm的不等宽缝隙结构，或者是将缝隙的上半部开设成其上端头宽为1.0-2.0mm，下端头为0.3-0.6mm，沿铸造方向逐渐变窄，而型壁内外缝隙宽度相等的不等宽缝隙结构。
一种利用不等宽缝隙的电磁铸型进行连续铸造的方法，主要包括液体金属8、浇注、冷却、拉坯和供电步骤，其特征在于，铸造过程中其步骤如下：
第一步，将底座1置入不等宽缝隙电磁铸型4内，启动冷却阀；
第二步，将电炉中熔化的液体金属8通过直浇道9浇注到电磁铸型内，并要保持液面10与高频线圈6的上端面处于同一水平面，其误差应在±10mm范围之内；
第三步，分别接通高频线圈6、直流电磁铁5和低频搅拌线圈3的电源；
第四步，启动拉坯步骤，使凝固后的铸坯2在拉坯力的作用下，随底座1连续向下运动，此时，应使液面与高频线圈上端面始终处在同一水平面的位置，其要求的误差范围保持不变；
第五步，停止浇注时，切断电源，关闭冷却阀，停机。
本发明适用于圆坯、方坯和板坯的电磁连铸；一般铸坯断面尺寸较小时，铸型的缝隙宽度、不等宽缝隙的长度、缝隙距铸型上端面的距离、高频线圈上端面与电磁铸型上端的距离以及施加于高频线圈的功率均应取下限值，铸坯断面尺寸较大时，则应取上限值；通过高频线圈交流电的频率从10kHz到100kHz都可以使用，频率较高时，表面质量更好，但电源效率低；铸坯断面尺寸较小时，直流电磁铁的磁感应强度和低频搅拌线圈的电流强度取下限值，低频搅拌线圈交流电的频率取上限值，否则直流电磁铁的磁感应强度和低频搅拌线圈的电流强度取上限值，低频搅拌线圈交流电的频率取下限值；铸造过程中应保持液面和高频线圈上端面的距离差为±10mm，最好二者处于同一水平面。
与现有技术相比本发明具有以下优点：(1)使用本发明的不等宽电磁铸型铸造，在高频线圈施加相同电源功率时，铸型内金属液面处的磁感应强度增大，可以节省电力17％，(2)液面处磁场分布均匀，铸坯的表面粗造度降低43％，(3)在对应直浇道9出口位置处设置直流电磁铁5，减轻了铸造过程产生的夹杂，夹杂物数量从1个/100cm2降低到0.2个/100cm2，低频磁场的电磁搅拌作用，使铸坯心部等轴晶的比率提高26％，高频磁场还可以防止低频电磁搅拌引起的液面紊乱，保持液面安定。
附图说明
下面结合附图进一步说明本发明的细节。
图1是本发明所设计的不等宽缝隙的电磁铸型、高频线圈和低频搅拌线圈以及直流电磁铁整体布置的正视剖面结构示意图。
在不等宽缝隙电磁铸型4的外侧，于液面10高度处设置通有高频交流电的高频线圈6，高频线圈的上端面与液面处在同一水平面上；在高频线圈下方，对应直浇道9出口位置处设置有直流电磁铁5；在电磁铸型出口下方处设置有低频搅拌线圈3；液体金属8经直浇道9被浇注到不等宽缝隙电磁铸型内，使凝固后的铸坯2在拉坯力的作用下，随底座1连续向下运动。符号7和符号11分别是电磁铸型的等宽缝隙和不等宽缝隙，使用过程中用耐火材料添塞。符号A-A和符号B-B是两个不同断面的断面符号。
图2是图1的俯视结构示意图。
方形不等宽缝隙电磁铸型4的4个型壁面，在每个型壁上都沿铸造方向开设3条相互平行的等宽缝隙7，在等宽缝隙的上半部距型壁内侧0-1.0mm处开设长为50-80mm的沿壁厚方向的不等宽缝隙11。缝隙用耐火材料添塞，以防金属液从直浇道9浇注到铸型后从缝隙漏出；高频线圈6安装在不等宽缝隙电磁铸型4的外侧，符号10为液体金属的液面。
图3是图1的A-A断面结构示意图。
图中显示出2块直流电磁铁5，设置在方形不等宽缝隙电磁铸型4的两个相对应的外侧面，符号2是已凝固的铸坯，符号8是未凝固的液体金属。
图4是图1的B-B断面结构示意图。
图中显示出由4组独立线圈组成的低频搅拌线圈3，是设置在不等宽缝隙电磁铸型的下方，分别位于铸坯2外侧的4个侧面，符号8是未凝固的液体金属。
图5是本发明提出的沿壁厚方向不等宽缝隙电磁铸型正视结构示意图。
图中显示的是由4块型壁组成的方形不等宽缝隙电磁铸型的一个侧壁的正视结构，在不等宽缝隙电磁铸型4的每一块型壁上，距铸型上端面10-30mm处沿铸造方向均匀开设3条其内侧为等宽缝隙7，在等宽缝隙7的上半部、距型壁内侧0-1.0mm处开设长度为50-80mm的沿型壁厚度方向不等宽缝隙11。符号A-A是断面符号。
图6是图5的A-A断面结构示意图。
沿壁厚方向不等宽缝隙电磁铸型4的4个侧面由4块内部水冷的型壁组成，在每一面型壁上都有宽为0.3-0.6mm的等宽缝隙7和在距型壁内侧为0-1.0mm处，向型壁外侧开设有宽为2.0-5.0mm沿型壁厚度方向逐渐加宽的不等宽缝隙11。
图7是图5的正视剖面结构示意图。
由4块型壁组成的不等宽缝隙电磁铸型4，在距其上端面一定距离开设有相互平行的缝隙，被剖开的两个相对侧壁的缝隙显示出其下半部为等宽缝隙7，其上半部在等宽缝隙侧边距内侧壁一定距离，向外侧壁方向开设逐渐加宽的不等宽缝隙11结构，该不等宽缝隙在型壁内侧的宽度与等宽缝隙的宽度相等，而在型壁外侧的宽度则大于在其内侧的宽度。处在本图正面的侧壁，实际上是从铸型内部看侧壁，其各条缝隙上下均是与等宽缝隙同宽的结构。图中的虚线表示处在本图正面侧壁上的3条不等宽缝隙11的外侧边。
图8是本发明所设计的沿铸造方向不等宽缝隙电磁铸型正视结构示意图。
图中显示的是由4块型壁组成的方形不等宽缝隙电磁铸型的一个侧壁的正视结构，在不等宽缝隙电磁铸型4的每一块型壁上，距铸型上面10-30mm处沿铸造方向开设3条长度为150-300mm的缝隙，该缝隙其上半部的上端头宽1.0-2.0mm、下端头宽0.3-0.6mm、长度为50-80mm的沿铸造方向不等宽缝隙11，而下半部为型壁内外缝隙宽度相等的等宽缝隙7结构，由上半部的不等宽缝隙和下半部的等宽缝隙共同组成该电磁铸型的不等宽缝隙结构。符号A-A是断面符号。
图9是图8的A-A断面结构示意图。
沿铸造方向不等宽缝隙电磁铸型4的4个侧面由4块内部水冷的型壁组成，在每一块型壁上都有下半部是宽为0.3-0.6mm的等宽缝隙7和上半部是其上端头宽为1.0-2.0mm沿铸造方向不等宽缝隙11，由上半部的不等宽缝隙和下半部的等宽缝隙共同组成该电磁铸型的不等宽缝隙结构。
图10是在高频线圈作用下不等宽缝隙结构电磁铸型内的磁场强度和分布以及与已有技术的比较示意图。
在不等宽缝隙电磁铸型4的外侧，距其上端面50mm处设置高频线圈6；测试了电磁铸型内的磁场分布，横坐标表示距其电磁铸型上端面的距离，单位是mm，纵坐标表示铸型轴心处的磁感应强度，单位是G；符号◆是采用已有等宽缝隙电磁铸型时的磁场分布，符号▲和符号●分别是采用本发明提出的沿壁厚方向或沿铸造方向不等宽缝隙电磁铸型时的磁场分布。在施加相同电源功率条件下，与已有等宽缝隙电磁铸型相比，使用本发明的不等宽电磁铸型时。铸型上半部的磁感应强度增大，且分布均匀。
具体实施方式
实施例1
某单位生产断面尺寸为100×100mm的小方坯，材料为优质碳素钢，要求铸坯表面粗糙度＜0.25，铸坯内等轴晶比率大于65％、夹杂物数量少于1个/100cm2，用作轧制线材。采用本发明电磁铸型进行连续铸造的方法，其步骤如下：
第一步，准备铸型和线圈
采用的铜制壁厚方向不等宽缝隙电磁铸型4，其内部尺寸100×100×400mm，外部尺寸146×146×400mm，距铸型上端面20mm处开设20条长度为250mm的缝隙，其中上半部的不等宽缝隙11长80mm，距型壁内侧0.5mm处，其型壁内侧的缝隙宽度为0.4mm，而其型壁外侧的缝隙宽度为5mm；高频线圈6为6匝，内部尺寸150×150×80mm，外部尺寸174×174×80mm，高频电流频率20kHz，施加功率为55kw，高频线圈6上端面距电磁铸型上端面70mm；直流电磁铁的磁感应强度2000G，安装在高频线圈的下方30mm处；低频搅拌线圈3频率为10Hz，电流150A，安装在距电磁铸型4出口100mm处。检查合格后备用。
第二步，坯料熔化
用电炉将碳钢坯料熔化至1600℃，保温、精炼除渣，待用。
第三步，连续铸造
先将底座1置入不等宽缝隙电磁铸型4内，启动冷却阀，经检查正常后，再将中间包中1520℃的液体金属8经直浇道9浇注到电磁铸型内，并保持液面10与高频线圈6上端面处于同一水平面，其误差应在±10mm范围之内，向铸型内添加BZW3保护渣；然后，分别接通高频线圈6、直流电磁铁5和低频搅拌线圈3的电源；最后，启动拉坯步骤，使凝固后的铸坯2在拉坯力的作用下，以0.6m/min的速度随底座1连续向下运动，此时，应使液面与高频线圈上端面始终处在同一水平面的位置，要求的误差范围保持不变；停止浇注时，切断电源，关闭冷却阀，停机。
第四步，质量检查
将铸坯按1.5m长度切断、冷却后，检测其表面粗糙度为0.18mm，断面的夹杂物数量为0.2个/100cm2，等轴晶比率为73％，电源输出功率55kW。
这个结果与现有技术相比，表面粗糙度降低42％，夹杂物数量从1个/100cm2降低到0.2个/100cm2，等轴晶比率增加26％，电能消耗降低15.4％。
实施例2
某单位生产断面尺寸为Φ80mm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＞70％、夹杂物数量少于1个/100cm2，用作轧制管材。采用本发明电磁铸型进行连续铸造的方法，其步骤如下：
第一步，准备铸型和线圈
采用的铜制沿铸造方向不等宽缝隙电磁铸型4其内部尺寸Φ80×400mm，外部尺寸Φ120×400mm，在距型壁上端面15mm处，沿其壁等距离开设12条长度为160mm的缝隙，其中上半部的不等宽缝隙11长60mm，上端头缝隙宽为1.5mm，下端头缝隙宽为0.3mm；高频线圈6为4匝，内部尺寸Φ130×65mm，外部尺寸Φ154×65mm，高频电流频率80kHz，施加功率为49kW，高频线圈6其上端面距电磁铸型上端面50mm；直流电磁铁的磁感应强度1500G，安装在高频线圈的下方30mm处；低频搅拌线圈3频率为50Hz，电流120A，安装在距电磁铸型4出口100mm处。
第二步和第三步与实施例1相同，在此省略叙述。
第四步，质量检查
将铸坯按1.5m长度切断、冷却后，检测其表面粗糙度为0.17mm，断面的夹杂物数量为0.2个/100cm2，等轴晶比率为74％，电源输出功率49kW。
这个结果与现有技术相比，表面粗糙度降低45％，夹杂物数量从1个/100cm2降低到0.2个/100cm2，等轴晶比率增加26％，电能消耗降低18.3％。
Claims (3)
1、一种不等宽缝隙的电磁铸型，其铸型主要包括内部水冷和在型壁上沿铸造方向开设多个相互平行的等宽缝隙[7]结构，其特征在于：
a)、在该电磁铸型的型壁上，距上端面10-30mm处沿铸造方向开设多个长度为150-300mm，其下半部是宽为0.3-0.6mm的等宽缝隙[7]结构部分，其上半部是沿型壁厚度方向或者铸造方向的不等宽缝隙[11]结构部分，由不等宽缝隙结构部分与等宽缝隙结构部分共同构成不等缝隙电磁铸型[4]的缝隙结构，其中，不等宽缝隙[11]结构部分的长度为50-80mm；
b)、在不等宽缝隙电磁铸型[4]的外侧，于液体金属弯月面处设置有其上端面与液面[10]处于同一水平面、频率为10-100kHz、功率为40-100kW的高频线圈[6]；
c)、在高频线圈[6]下方，于对应直浇道[9]出口位置处，设置有磁感应强度为1500-2000G的直流电磁铁[5]；
d)、在不等宽缝隙电磁铸型[4]的出口处，设置通有频率为3-60Hz、电流为100-200A的低频搅拌线圈[3]。
2、按照权利要求1所述的一种不等宽缝隙的电磁铸型，其特征在于：不等宽缝隙[11]其结构是在型壁内侧宽为0.3-0.6mm的等宽缝隙[7]上半部的面上，距其型壁内侧为0-1.0mm处，沿壁厚方向开设其型壁外侧缝隙宽度为2.0-5.0mm的不等宽缝隙结构，或者是将缝隙的上半部开设成其上端头宽为1.0-2.0mm，下端头为0.3-0.6mm，沿铸造方向逐渐变窄，而型壁内外缝隙宽度相等的不等宽缝隙结构。
3、一种利用权利要求1-2之一所述电磁铸型进行连续铸造的方法，主要包括液体金属[8]、浇注、冷却、拉坯和供电步骤，其特征在于，铸造过程中其步骤如下：
第一步，将底座[1]置入不等宽缝隙电磁铸型[4]内，启动冷却阀；
第二步，将电炉中熔化的液体金属[8]通过直浇道[9]浇注到电磁铸型内，并要保持液面[10]与高频线圈[6]的上端面处于同一水平面，其误差应在±10mm范围之内；
第三步，分别接通高频线圈[6]、直流电磁铁[5]和低频搅拌线圈[3]的电源；
第四步，启动拉坯步骤，使凝固后的铸坯[2]在拉坯力的作用下，随底座[1]连续向下运动，此时，应使液面与高频线圈上端面始终处在同一水平面的位置，其要求的误差范围保持不变；
第五步，停止浇注时，切断电源，关闭冷却阀，停机。
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