CN115945670A - 一种纳米晶母合金熔铸系统及熔铸方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及冶金技术领域，公开了一种纳米晶母合金熔铸系统及熔铸方法，该系统包括：熔炉、浇钢道和钢锭模装置；熔炉用于熔炼钢液，浇钢道用于将熔炉熔炼的钢液浇注到钢锭模装置中，钢锭模装置包括钢锭模本体，钢锭模本体用于容纳由浇钢道浇注的钢液；浇钢道包括耐火材料填充层以及玻璃内衬；钢锭模装置还包括液冷板；每次浇注完成后清理浇道，只需清理玻璃内衬，采用少量塑性料固定新的玻璃内衬即可再次浇钢，极大的降低了浇道本体的磨损，提升了浇道的使用寿命；由于液冷板内部流通冷却液，提升了纳米晶母合金的冷却速度，保障了钢锭模本体的使用寿命，同时提升了制备的效率以及产品的质量。

Description

一种纳米晶母合金熔铸系统及熔铸方法

技术领域

本发明涉及冶金技术领域，特别涉及一种纳米晶母合金熔铸系统及熔铸方法。

背景技术

常规的纳米晶母合金的制备，通常是通过熔炉生成钢液，再将钢液通过浇钢道浇注在模具中，等母合金成型后再取出。

但是，在钢液冷却过程中，金属降温凝固释放的大量的热被锭模本体吸收，吸收后通过热辐射传导到空气中，热交换速度慢，模具与钢液接触的部位容易出现粘连、划伤、掉块等现象，降低了生产效率的同时，还影响了模具的使用寿命，提升了成本；另外也降低了母合金产品的质量。

因此，如何提高纳米晶母合金熔铸的效率、提升产品质量，且降低生产成本，成为了本领域一个亟待解决的技术问题。

另外，高端纳米晶带材向超宽超薄方向发展，要求钢液具有更高的流动性和洁净度。纳米晶合金熔体因为含有大量的Nb元素具有很高的粘度，因而流动性很差，可以通过大幅度提升钢液温度或者添加Si、B、P等类金属元素来提高熔体的流动性。而且制备18um以下纳米晶超薄带必须使用超窄0.2mm以下超窄嘴缝喷嘴，钢液中夹杂物一旦在喷嘴处聚集结瘤，就会改变喷嘴钢液流场造成带面划痕等缺陷，甚至引起包动造成制带终止，这就对钢液纯净度提出了更高的要求。而工业磷铁、磷铁等原料含有大量的Al杂质，直接影响钢液的洁净度。因此，降低钢液中Al杂质含量是生产宽幅超薄带材必须解决的问题，是提高母合金质量必须要解决的问题之一。

发明内容

本发明的目的在于提供一种纳米晶母合金熔铸系统及熔铸方法，纳米晶母合金熔铸系统能够提高纳米晶母合金熔铸的效率、提升产品质量，且降低生产成本。

为了达到上述目的，本发明提供以下技术方案：

一种纳米晶母合金熔铸系统，包括：熔炉、浇钢道、以及钢锭模装置；熔炉用于熔炼钢液，浇钢道用于将熔炉制备的钢液浇注到钢锭模装置中，钢锭模装置包括钢锭模本体，钢锭模本体用于容纳由浇钢道浇注的钢液、以令钢液在钢锭模本体中冷却；浇钢道由外到内依次包括外壳、耐火材料填充层以及玻璃内衬；玻璃内衬的内腔构成浇道本体，浇道本体用于流通钢液；钢锭模装置还包括液冷板，液冷板安装于钢锭模本体的底部，液冷板内部流通冷却液。

这种纳米晶母合金熔铸系统，在钢液通过浇钢道由熔炉浇注至钢锭模本体时，由于耐火材料填充层的内腔中设置有玻璃内衬，玻璃的材质表面较为光滑、且与钢液不浸润，能够提升钢液的流速，且玻璃在高温下的热稳定较好、热传导系数低，能够减少氧化和温降，不易与钢液反应而污染钢液；浇钢完成后，玻璃材质冷却会发生晶型转变从而形成裂纹，易于浇道本体表面的清理，清理后的玻璃残渣和残钢可以回炉重熔，玻璃熔化后可以形成保护渣，钢液收得率高。每次浇注完成后清理浇道，只需清理玻璃内衬，采用少量塑性料固定新的玻璃内衬即可再次浇钢，极大的降低了浇道本体的磨损，提升了浇道的使用寿命；

另外，浇注时，由于液冷板内部流通冷却液，且液冷板安装于钢锭模本体的底部，则冷却液能够实现对钢锭模本体的降温，从而提升纳米晶母合金的冷却速度，保障了钢锭模本体的使用寿命，同时提升了制备的效率以及产品的质量。

因此，这种纳米晶母合金熔铸系统，能够提高纳米晶母合金熔铸的效率、提升产品质量，且降低生产成本。

可选地，耐火材料填充层包括石墨内衬以及设置于石墨内衬外层的电磁加热层；电磁加热层用于感应加热石墨内衬以提升浇道本体的温度。

可选地，石墨内衬与电磁加热层之间设置有保温层。

可选地，钢锭模装置还包括风冷装置；风冷装置能够对钢锭模本体吹出冷空气。

可选地，钢锭模装置包括框架以及安装于框架的浇钢盘和多个模具，多个模具构成钢锭模本体；浇钢盘具有一条流道，流道上具有多个出钢口，多个出钢口与多个模具一一对应设置；在任一对互相对应的出钢口和模具中：模具通过出钢口与流道连通。

可选地，每个模具与框架均可拆卸连接。

可选地，钢锭模装置还包括移动装置和驱动装置；钢锭模本体和液冷板均安装于移动装置；移动装置具有轮滚，驱动装置用于驱动滚轮以令移动装置移动，使得钢锭模本体能够对准浇道本体。

一种纳米晶母合金熔铸方法，适用于上述的任一种纳米晶母合金熔铸系统，包括如下步骤：

母合金钢液熔炼步骤：在熔炉中，采用纯铁、结晶硅、硼铁、磷铁、铌铁和铜作为原料，经熔炼得到母合金钢液；

浇铸步骤：将制得的所述母合金钢液经浇钢道浇注至钢锭模本体；然后所述母合金钢液在钢锭模本体中进行冷却，以形成母合金钢锭。

可选地，在母合金钢液熔炼步骤中，所述经熔炼得到母合金钢液具体包括以下步骤：

(1)一次纯铁布料，一次熔化，一次保温，一次打渣；

(2)二次铜、硼铁布料，二次熔化，二次保温，二次打渣；

(3)三次铌铁布料，三次熔化，三次保温，一次造渣，三次打渣；

(4)四次磷铁布料，四次熔化，四次保温，二次造渣，四次打渣；

(5)五次结晶硅布料，五次熔化，高温均质化，五次打渣；

(6)降温，六次保温，六次打渣；

(7)出钢得到母合金钢液，所述出钢的温度为1200-1250℃；

可选地，母合金为FeSiBPNbMoCu系纳米晶母合金；其中，杂质铝的质量含量在0.002％以下。

优选地，所述FeSiBPNbMoCu系纳米晶母合金，按原子百分比计，Si:0.1～15％，B:0.1～10％，P:0～10％，Nb:0.1～4％，Mo:0～4％，Cu:0.5～2％，其余为Fe；

本发明的母合金钢液熔炼工艺，从组分含量最高、最洁净的原料开始化料，分步去铝打渣，对铝含量高的原料加入后通过特定除渣剂去铝，保证每次进行下一步化料前，钢液都预先实现该原材料的高洁净化，充分利用原料吸放热进行化钢温度设计，加快冶炼节奏，通过高温均质化实现钢液性质温度，最终实现高洁净母合金一次冶炼成功喷带。

可选地，所述制备方法中，所述原料磷铁中Al含量≥0.3wt％、铌铁中Al含量≥0.3wt％。本发明方法无论原料中Al含量高还是低均可以将最终得到的母合金中的Al含量控制在0.002wt％以下，本发明方法尤其适合磷铁和铌铁中Al含量高于0.3wt％的。

可选地，所述制备方法中，以重量计，原料按照纯铁：结晶硅：硼铁：磷铁：铌铁：铜＝740:80:46:44:80:10进行配料。

可选地，步骤(1)中，所述一次纯铁布料为：根据炉容一次性加入全部纯铁。

可选地，步骤(1)中，所述一次熔化前还进行烘炉：启炉前将底吹氩压力给至最大以功率100kW，烘炉10min。烘炉阶段通氩气防止纯铁被氧化，烘炉完成关闭氩气。

可选地，步骤(1)中，所述一次熔化为：在冶炼炉所能达到的最大功率即1000kW下化钢，待纯铁全部化清后打开氩气阀门，使得氩气每秒冒出约1～2个气泡。熔化纯铁时吹氩搅动钢液实现钢液均温，将功率调整至最大，以保证熔化纯铁所需温度，避免温度不足。

更进一步地，所述纯铁全部化清的时间为40～60min。

可选地，步骤(1)中，所述一次保温为：继续以最大功率1000kW将钢水升温至1600±10℃，然后调整功率至520kW，保温5min，保温过程不盖炉盖。不盖炉盖能够使得钢液在电磁搅拌下充分吸氧，充分烧损纯铁中含有的铝以形成Al₂O₃，降低钢液Al含量至0.002wt％以下。

可选地，步骤(1)中，所述一次打渣为：一次保温结束后打净纯铁的夹杂物渣，使得钢液Al含量0.002wt％以下。

可选地，步骤(2)中，所述二次铜、硼铁布料为：分批次加入铜和硼铁。每批次的添加量为8～12kg，优选10kg，添加频率为：每批次铜/硼铁化清后，加入下一批次，直至所有铜/硼铁添加完毕且全部化清。加入全部铜时钢液熔点降低，粘度降低，流动性提升；加入硼铁时会使钢液降温50℃，并进一步降低钢液熔点、增加流动性。

可选地，步骤(2)中，所述二次熔化为：功率调整至最大1000kW，开大氩气，在20～50L/min大流量氩气下搅拌，直至所有铜/硼铁添加完毕全部化清，然后调整氩气阀门，使得氩气每秒冒出约1～2个气泡，开始二次保温。后续每次熔化时都是采用大气流搅拌，作用有三，一是使得颗粒状原料快速混入钢液，加快熔化速率；二是利用气流搅拌使得炉内上下层钢液快速换热；三是通过氩气搅拌，使得空气进入钢液，钢液富氧，快速去铝。

可选地，步骤(2)中，所述二次保温为：利用硼铁熔化吸热效应将钢液降温，并调整功率至500kW，在1580℃±10℃保温2min，保温过程中不盖炉盖。

可选地，步骤(2)中，所述二次打渣为：保温结束后打净硼铁的夹杂物渣，使得钢液Al含量0.003wt％以下。

可选地，步骤(3)中，所述三次铌铁布料为：分批次加入铌铁。加入铌铁会使钢液温度降低100℃。

可选地，每批次的添加量为8～12kg，优选10kg，添加频率为：每批次铌铁化清后，加入下一批次，直至所有铌铁添加完毕且全部化清。

可选地，步骤(3)中，所述三次熔化为：功率调整至最大1000kW，开大氩气，在20～50L/min大流量氩气下搅拌，直至所有铌铁添加完毕全部化清，然后调整氩气阀门，使得氩气每秒冒出约1～2个气泡，开始三次保温。

可选地，步骤(3)中，所述三次保温为：利用铌铁熔化吸热效应将钢液降温，并调整功率至480kW，在1550℃±5℃保温5min，保温过程中不盖炉盖。

可选地，步骤(3)中，所述一次造渣为：加入高温造渣剂吸渣。黏性的高温造渣剂吸附铌铁里面的Al，铌铁的加入使钢液粘度变大，流动性变差，钢液中生成的Al₂O₃上浮变难，因此钢液中铝含量略有升高。

更进一步地，所述高温造渣剂的组分如下：以重量计，70.5～76.5wt％SiO₂，9～13wt％Al₂O₃，2.5～2.9wt％Fe₂O₃，0.15～0.25wt％MgO，1.0～2.6wt％CaO，3.0～6.0wt％Na₂O，3.5～4.8wt％K₂O，粒径为1-1.5mm。使用量一般是每吨钢1～3公斤。

可选地，步骤(3)中，所述三次打渣为：三次保温结束后打净铌铁的夹杂物渣，使得钢液中铝含量0.005wt％以下。

可选地，步骤(4)中，所述四次磷铁布料为：分批次加入磷铁。磷铁的加入会使钢水温度降低100℃，钢液粘度降低，钢液流动性大幅提升。

更进一步地，每批次的添加量为8～12kg，优选10kg，添加频率为：每批次磷铁化清后，加入下一批次，直至所有磷铁添加完毕且全部化清。

可选地，步骤(4)中，所述四次熔化为：功率调整至最大1000kW，开大氩气，在20～50L/min大流量氩气下搅拌，直至所有磷铁添加完毕全部化清，然后调整氩气阀门，使得氩气每秒冒出约1～2个气泡，开始四次保温。

可选地，步骤(4)中，所述四次保温为：利用磷铁熔化吸热效应将钢液降温，并调整功率至320kW，在1450℃±10℃保温2min。

可选地，步骤(4)中，所述二次造渣为：加低温造渣剂。黏性的低温造渣剂吸附磷铁里面的Al，使铝含量进一步降低，钢液中铝含量0.004％以下。

更进一步地，所述低温造渣剂的组分如下：以重量计，72.5～78.5wt％SiO₂，7～12wt％Al₂O₃，2.5～3.7wt％Fe₂O₃，0.15～0.25wt％MgO，1.0～1.6wt％CaO，3.0～4.0wt％Na₂O，3.5～4.5wt％K₂O，1.5～2.5wt％P₂O₅，粒径为0.5-1mm。使用量一般是每吨钢1～3公斤。

可选地，步骤(4)中，所述四次打渣为：四次保温结束后打净磷铁的夹杂物渣，使得钢液Al含量0.004wt％以下。

可选地，步骤(5)中，所述五次结晶硅布料为：分批次加入结晶硅；每批次的添加量为8～12kg，优选10kg，添加频率为：每批次结晶硅化清后，加入下一批次，直至所有结晶硅添加完毕且全部化清。加入金属结晶硅会使钢水温度升高100℃，同时提高钢液流动性。

可选地，步骤(5)中，所述五次熔化为：保持功率至320kW，开大氩气，在20～50L/min大流量氩气下搅拌，直至所有结晶硅添加完毕全部化清，然后调整氩气阀门，使得氩气每秒冒出约1～2个气泡。

可选地，步骤(5)中，所述高温均质化为：利用结晶硅熔化放热效应将钢液升温，并调整功率至500kW，在1580℃±10℃进行五次保温，保温5min，保温过程中不盖炉盖。钢液均质化过程，同时钢液处于流动性非常好的状态，有利于氧化物夹杂的上浮和去除。

可选地，步骤(5)中，所述五次打渣为：五次保温结束后打净结晶硅的高温夹杂物渣，使得钢液Al含量0.003wt％以下。

可选地，步骤(6)中，所述降温为：调整功率至0功率，软吹氩，氩气流量为3～10L/min，调整功率至260kW，在1250℃±10℃进行六次保温，保温30min，保温过程中盖上炉盖。

可选地，步骤(6)中，所述六次打渣为：六次保温结束后打净母合金的低温夹杂物渣，使得钢液Al含量0.002wt％以下，等待出钢。

可选地，步骤(7)中，所述出钢的温度为1200-1250℃。

与现有技术相比，本发明至少具有如下有益效果：

本发明提供的熔铸系统中的浇钢道设置有可加热石墨内衬，电磁加热层可以在30秒内加热至1000℃，通过石墨内衬补热和钢液电磁感应加热同时对浇道本体内的钢液进行加热，可大幅提高加热效率和加热稳定性性，且无钢液时通过石墨内衬辐射补热能使浇道保持在较高温度，可实现低温钢液传输，出钢温度可以控制在1200-1250℃，进行低温浇钢，降低了钢液的烧损和高温氧化，所得母合金晶粒更加细小均匀，制带效果更佳。

浇钢道内层设置高洁净玻璃内衬：玻璃与钢液不浸润可以极大的提升钢液流速，减少氧化和温降，玻璃高温热稳定好、不与钢液反应污染钢液，浇钢完成后玻璃冷却会形成裂纹，易于浇道清理，清理后的玻璃残渣和残钢可以回炉重熔，玻璃熔化后可以形成保护渣，钢液手得率高。每次浇注完成清理浇道，只需清理玻璃层，采用少量塑性料固定新的玻璃内衬即可再次浇钢，极大的降低了浇钢道即流钢槽耐火材料的磨损，提升了浇道的使用寿命，可实现钢液高洁净传输。

本发明提供的熔铸系统配合低温浇钢工艺，联用快冷钢锭模装置，钢锭模装置中的液冷板安装于钢锭模本体的底部，液冷板内部流通冷却液；风冷装置能够排出冷空气以实现对母合金表面的降温。这种快冷纳米晶钢锭模装置，当高温液态金属钢液浇注进模具后，由于液冷板内部流通冷却液，且液冷板安装于钢锭模本体的底部，则冷却液能够实现对钢锭模本体的降温；当高温液态金属凝壳后，可启动风冷装置，对母合金表面排出冷空气，进一步进行降温。快速冷却可以使母合金的晶粒尺寸均匀、母合金易破碎。

本发明纳米晶母合金熔铸系统能够提高纳米晶母合金熔铸的效率、提升产品质量，且降低生产成本。

另外，本发明熔铸方法中的熔炼工艺，可以制备杂质铝的质量含量在0.002％以下的FeSiBPNbMoCu系纳米晶母合金钢液，配合后续的浇铸步骤可以得到高质量的母合金钢锭，晶粒尺寸均匀，易于破碎。

本发明熔炼系统和方法制备的母合金钢锭用于生产纳米晶薄带材，可实现宽幅超薄纳米晶带材生产，产品性能稳定，产量高。

附图说明

构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。其中：

图1为本发明实施例提供的纳米晶母合金熔铸系统中各结构的关系示意图；

图2为本发明实施例提供的纳米晶母合金熔铸系统中钢锭模装置的部分结构示意图；

图3为本发明实施例提供的纳米晶母合金熔铸系统中钢锭模装置的侧视图；

图4为本发明实施例提供的纳米晶母合金熔铸系统中浇钢道的结构示意图；

图5为本发明实施例提供的纳米晶母合金熔铸系统的浇钢道中石墨内衬和电磁加热层的位置示意图；

图6为本发明实施例提供的纳米晶母合金熔铸方法的流程图；

图7为本发明实施例提供的纳米晶母合金熔铸方法形成的母合金钢锭的微观图。

图标：1-熔炉；2-浇钢道；3-钢锭模装置；4-钢锭模本体；5-外壳；6-耐火材料填充层；7-玻璃内衬；8-浇道本体；9-液冷板；10-石墨内衬；11-电磁加热层；12-保温层；13-框架；14-浇钢盘；15-模具；16-流道；17-出钢口；18-小车；19-工作台；20-滚轮。

具体实施方式

下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。各个示例通过本发明的解释的方式提供而非限制本发明。实际上，本领域的技术人员将清楚，在不脱离本发明的范围或精神的情况下，可在本发明中进行修改和变型。例如，示为或描述为一个实施例的一部分的特征可用于另一个实施例，以产生又一个实施例。因此，所期望的是，本发明包含归入所附权利要求及其等同物的范围内的此类修改和变型。

在本发明的描述中，术语“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明而不是要求本发明必须以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。本发明中使用的术语“相连”、“连接”、“设置”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接；可以是直接相连，也可以通过中间部件间接相连，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语的具体含义。

图1为本发明实施例提供的纳米晶母合金熔铸系统中各结构的关系示意图；图2为本发明实施例提供的纳米晶母合金熔铸系统中钢锭模装置的部分结构示意图；图3为本发明实施例提供的纳米晶母合金熔铸系统中钢锭模装置的侧视图；图4为本发明实施例提供的纳米晶母合金熔铸系统中浇钢道的结构示意图；如图1-图4所示，本发明实施例提供了一种纳米晶母合金熔铸系统，包括：熔炉1、浇钢道2、以及钢锭模装置3；熔炉1用于熔炼钢液，浇钢道2用于将熔炉1制备的钢液浇注到钢锭模装置3中，钢锭模装置3包括钢锭模本体4，钢锭模本体4用于容纳由浇钢道2浇注的钢液、以令钢液在钢锭模本体4中冷却；浇钢道2由外到内依次包括外壳5、耐火材料填充层6以及玻璃内衬7；玻璃内衬7的内腔构成浇道本体8，浇道本体8用于流通钢液；钢锭模装置3还包括液冷板9，液冷板9安装于钢锭模本体4的底部，液冷板9内部流通冷却液。

本实施例中，在钢液通过浇钢道2由熔炉1浇注至钢锭模本体4时，由于耐火材料填充层6的内腔中设置有玻璃内衬7，玻璃的材质表面较为光滑、且与钢液不浸润，能够提升钢液的流速，且玻璃在高温下的热稳定较好、热传导系数低，能够减少氧化和温降，不易与钢液反应而污染钢液；浇钢完成后，玻璃材质冷却会发生晶型转变从而形成裂纹，易于浇道本体8表面的清理，清理后的玻璃残渣和残钢可以回炉重熔，玻璃熔化后可以形成保护渣，钢液收得率高。每次浇注完成后清理浇道，只需清理玻璃内衬7，采用少量塑性料固定新的玻璃内衬7即可再次浇钢，极大的降低了浇道本体8的磨损，提升了浇道的使用寿命；

浇注时，由于液冷板9内部流通冷却液，且液冷板9安装于钢锭模本体4的底部，则冷却液能够实现对钢锭模本体4的降温，从而提升纳米晶母合金的冷却速度，保障了钢锭模本体4的使用寿命，同时提升了制备的效率以及产品的质量。

因此，这种纳米晶母合金熔铸系统，能够提高纳米晶母合金熔铸的效率、提升产品质量，且降低生产成本。

图5为本发明实施例提供的纳米晶母合金熔铸系统的浇钢道中石墨内衬和电磁加热层的位置示意图，如图5所示，作为一种可选的实施例，耐火材料填充层6包括石墨内衬10以及设置于石墨内衬10外层的电磁加热层11；电磁加热层11用于感应加热石墨内衬10以提升浇道本体8的温度。

本实施例中，电磁加热层11的设置，能够对石墨内衬10进行快速加热，感应加热方式可以石墨补热层在30秒内加热至1000度，从而大幅提高加热效率以及加热稳定性。浇钢前开通电磁感应加热装置，通过电磁感应实现石墨内衬10快速升温，石墨内衬10通过辐射和传导对近邻耐火材料进行浇钢前的预热，由于石墨加热速度很快，可以在极短时间内将浇钢道2预热到设计的浇道浇钢温度。

参考图5，作为一种可选的实施例，石墨内衬10与电池加热层之间设置有保温层12。

本实施例中，保温层12的设置能够进一步防止石墨内衬10被加热后的温度散失，从而更加有效地保障了加热的效率。

作为一种可选的实施例，钢锭模装置3还包括风冷装置；风冷装置能够对钢锭模本体4吹出冷空气。

本实施例中，当高温钢液在钢锭模本体4中冷却凝壳后，可启动风冷装置，对母合金表面排出冷空气，进一步进行降温，进一步提升了生产效率。

参考图2和图3，作为一种可选的实施例，钢锭模装置3包括框架13以及安装于框架13的浇钢盘14和多个模具15，多个模具15构成钢锭模本体4；浇钢盘14具有一条流道16，流道16上具有多个出钢口17，多个出钢口17与多个模具15一一对应设置；在任一对互相对应的出钢口17和模具15中：模具15通过出钢口17与流道16连通。

其中，液冷板9可具有多列用于流通冷却液的冷却管路，冷却管路的延伸方向与每个模具的排列方向互相垂直，二者互相配合形成格栅结构，通过冷却管路能够实现对模具的急冷，模具中的母合金由于在栅格的流道与栅格位置冷速不均会造成局部应力集中，而且纳米晶母合金含10％以上的类金属元素属于脆性合金，因此纳米晶母合金急冷情况下通过栅格结构在应力作用可自然分裂成巧克力装的小块，更加便于母合金的脱模以及后续的收集，从而进一步提升生产效率。

本实施例中，由于流道16的多个出钢口17与多个模具15一一对应设置，在钢液浇注时，只需将钢液先浇注至流道16，然后钢液即可分别由不同的出钢口17流入不同的模具15，从而实现快速浇注多个模具15，进一步提升了浇注的效率。

作为一种可选的实施例，每个模具15与框架13均可拆卸连接。

本实施例中，模具15与框架13可拆卸连接的方式，若某个模具15损坏，则可单独的将该损坏的模具15拆卸下来进行更换，无需整体更换所有模具15，提升了操作便利性的同时，还节省了生产成本。

继续参考图3，作为一种可选的实施例，钢锭模装置3还包括移动装置和驱动装置；钢锭模本体4和液冷板9均安装于移动装置；移动装置具有滚轮20，驱动装置用于驱动滚轮20以令移动装置移动，使得钢锭模本体4能够对准浇道本体8。

本实施例中，如图3所示，移动装置可为小车18，小车18具有工作台19，工作台19具有中空腔体，液冷板9安装于中空腔体，钢锭模本体4安装于工作台19的表面，滚轮20位于工作台19的底部。如此设置能够便于钢锭模本体4能够对准浇道本体8，进一步增加了浇注时的便利性，提升生产效率。

图6为本发明实施例提供的纳米晶母合金熔铸方法的流程图，如图6所示，本发明实施例还提供了一种纳米晶母合金熔铸方法，适用于上述的任一种纳米晶母合金熔铸系统，包括如下步骤：

步骤S100：在熔炉中，采用纯铁、结晶硅、硼铁、磷铁、铌铁和铜作为原料，制备母合金钢液；

步骤S200：将制得的钢液经浇钢道浇注至钢锭模本体；钢液在钢锭模本体中进行冷却，以形成母合金钢锭。

作为一种可选的实施例，制备母合金钢液具体包括以下步骤：

步骤S101：一次纯铁布料，一次熔化，一次保温，一次打渣；

步骤S102：二次铜、硼铁布料，二次熔化，二次保温，二次打渣；

步骤S103：三次铌铁布料，三次熔化，三次保温，一次造渣，三次打渣；

步骤S104：四次磷铁布料，四次熔化，四次保温，二次造渣，四次打渣；

步骤S105：五次结晶硅布料，五次熔化，高温均质化，五次打渣；

步骤S106：降温，六次保温，六次打渣；

步骤S107：出钢。

下面通过具体实施例和对比例对本发明熔铸方法进行说明和解释。

以下实施例中，针对高磷、高铌纳米晶成分，可基于各组分占比(设2000kg纳米晶合金的组分按照铁：结晶硅：硼铁：磷铁：铌铁：铜＝1480:160:92:88:160:20进行配料)及杂质含量(纳米晶原材料中铝含量分别为：纯铁(0.0022％)，结晶硅(0.03％)、硼铁(0.014％)、磷铁(0.32％)、铌铁(0.3％)、铜(0.014％)；各组分Al含量约为：纯铁(0.03256)：结晶硅(0.048)：硼铁(0.0128)：磷铁(0.2816)：铌铁(0.48)：铜(0))，充分利用各组分熔点(各组分熔点：纯铁(1534℃)，结晶硅(1410℃)、硼铁(1500℃)、磷铁(1200℃)、铌铁(1560℃)、铜(1080℃))及加入后吸放热的情况，优化加料顺序，联用高温和低温造渣剂，分步去除各组分中铝夹杂，同时采用高温熔体均质化处理，使得所得FeSiBPNbMoCu系纳米晶母合金为超低铝高磷高铌纳米晶母合金钢液，得到的母合金钢液为Fe₇₇Si₁₂B₆P₂Nb₂Cu₁，其中，铝的质量含量在0.002％以下，磷、铌含量高，原子百分比都为2％；从而降低了钢液中的杂质，提升了生产效率及产品质量。

实施例1

一种超低铝纳米晶母合金的熔铸方法，设2000kg纳米晶合金的组分按照纯铁：结晶硅：硼铁：磷铁：铌铁：铜＝1480:160:92:88:160:20进行配料，具体包括以下步骤：

(1)根据炉容一次性加入全部纯铁进行一次纯铁布料；然后启炉前将底吹氩压力给至最大以功率100kW，烘炉10mi n。烘炉阶段通氩气防止纯铁被氧化，烘炉完成关闭氩气；随后在冶炼炉所能达到的最大功率即1000kW下化钢，待纯铁全部化清后打开氩气阀门，使得氩气每秒冒出约1～2个气泡，纯铁全部化清的时间约为50mi n；继续以最大功率1000kW将钢水升温至1600±10℃，然后调整功率至520kW进行一次保温，保温5mi n，保温过程不盖炉盖，使得钢液在电磁搅拌下充分吸氧，充分烧损纯铁中含有的铝以形成Al₂O₃；一次保温结束后进行一次打渣，打净纯铁的夹杂物渣，使得钢液Al含量0.002wt％以下；

(2)接着依次加入全部铜和全部硼铁进行二次铜、硼铁布料，分批次加入铜，每批次10kg铜化清后，加入下一批次，全部铜加入时由于铜量少及温度高而快速熔化，钢液熔点降低，粘度降低，流动性提升；分批次加入硼铁，每批次10kg硼铁化清后，加入下一批次，加入硼铁时会使钢液降温50℃，并进一步降低钢液熔点、增加流动性，功率调整至最大1000kW，保证加硼铁过程中熔化顺利进行；开大氩气，在20～50L/mi n大流量氩气下搅拌，直至所有铜/硼铁添加完毕全部化清，然后调整氩气阀门，使得氩气每秒冒出约1～2个气泡，开始二次保温，利用硼铁熔化吸热效应将钢液降温，并调整功率至500kW，在1580℃±10℃保温2mi n，保温过程中不盖炉盖；之后进行二次打渣，打净硼铁的夹杂物渣，使得钢液Al含量0.003wt％以下；

(3)接着进行三次铌铁布料，具体地分批次加入铌铁，每次加入10kg铌铁，待其化清后，加入下一批次，直至所有铌铁添加完毕且全部化清；铌铁的加入会使钢液温度降低100℃，因此铌铁进行三次熔化时功率调整至最大1000kW，开大氩气，在20～50L/mi n大流量氩气下搅拌，直至所有铌铁添加完毕全部化清，然后调整氩气阀门，使得氩气每秒冒出约1～2个气泡，开始三次保温；利用铌铁熔化吸热效应将钢液降温，并调整功率至480kW，在1550℃±5℃保温5mi n，保温过程中不盖炉盖；之后加入高温造渣剂进行一次造渣吸渣，其中，高温造渣剂的组分如下：以重量计，76wt％SiO₂，11.5wt％Al₂O₃，2.6wt％Fe₂O₃，0.2wt％MgO，1.5wt％CaO，3.8wt％Na₂O，4.4wt％K₂O，粒径为1-1.5mm；通过黏性的高温造渣剂吸附铌铁里面的Al，但是由于铌铁的加入使钢液粘度变大，流动性变差，因此钢液中生成的Al₂O₃上浮变难，钢液中铝含量略有升高；最后进行三次打渣，打净铌铁的夹杂物渣，使得钢液中铝含量0.005wt％以下；

(4)接着进行四次磷铁布料，具体地分批次加入磷铁，每次加入10kg磷铁，待其化清后，加入下一批次，直至所有磷铁添加完毕且全部化清；磷铁的加入会使钢液粘度降低，流动性大幅提升，同时钢水温度降低100度，根据磷铁熔点功率调整至最大1000kW，开大氩气，在20～50L/mi n大流量氩气下搅拌，直至所有磷铁添加完毕全部化清，然后调整氩气阀门，使得氩气每秒冒出约1～2个气泡，开始四次保温；利用磷铁熔化吸热效应将钢液降温，并调整功率至320kW，在1450℃±10℃保温2mi n；之后加低温造渣剂进行二次造渣，其中，低温造渣剂的组分如下：以重量计，77wt％SiO₂，10wt％Al₂O₃，2.5wt％Fe₂O₃，0.2wt％MgO，1.2wt％CaO，3.1wt％Na₂O，4wt％K₂O，2wt％P₂O₅，粒径为0.5-1mm；黏性的低温造渣剂吸附磷铁里面的Al，使铝含量进一步降低；最后进行四次打渣，打净磷铁的夹杂物渣，使得钢液Al含量0.004wt％以下；

(5)接着进行五次结晶硅布料，停电，分批次加入结晶硅；每批次的添加量为8～12kg，优选10kg，添加频率为：每批次结晶硅化清后，加入下一批次，直至所有结晶硅添加完毕且全部化清，金属结晶硅的加入会提高钢液流动性同时使钢水温度升高100℃，保持功率在320kW，开大氩气，在50-200L/mi n大流量氩气下搅拌，直至所有结晶硅添加完毕全部化清，然后调整氩气阀门，使得氩气每秒冒出约1～2个气泡；之后进行高温均质化，也就是利用结晶硅熔化放热效应将钢液升温，并调整功率至500kW，在1580℃±10℃进行五次保温，保温5mi n，保温过程中不盖炉盖，由于钢液均质化过程，且同时钢液处于流动性非常好的状态，因此利于氧化物夹杂的上浮和去除；最后进行五次打渣，打净结晶硅的高温夹杂物渣，使得钢液Al含量0.003wt％以下；

(6)接着降温，调整功率至0功率，软吹氩，氩气流量为3～10L/mi n，调整功率至260kW，在1250℃±10℃进行六次保温，保温30min，保温过程中炉盖。六次保温结束后进行六次打渣，打净母合金的低温夹杂物渣，使得钢液Al含量0.002wt％以下，等待出钢。

(7)最后出钢，出钢的温度为1250℃左右。钢液中Al含量为0.0015wt％。

(8)将制得的钢液经浇钢道浇注至钢锭模本体；钢液在钢锭模本体中进行冷却，得到母合金钢锭。

图7为本发明实施例提供的纳米晶母合金熔铸方法形成的母合金钢锭的微观图，母合金钢锭的微观结构可参考图7。

本发明熔铸方法得到的母合金钢锭晶粒尺寸均匀，成分无偏析，容易破碎。

实施例2

一种超低铝纳米晶母合金的熔铸方法，与实施例1的区别在于步骤(3)中，高温造渣剂的组分如下：以重量计，SiO₂ 76.5wt％，Al₂O₃ 11wt％，Fe₂O₃2.5wt％，MgO 0.25wt％，CaO1.6wt％，Na₂O 4.0wt％，K₂O 4.15wt％。

其余设置，均与实施例1相同。

步骤(7)得到的钢液中Al含量为0.0016wt％。

本发明熔铸方法得到的母合金钢锭晶粒尺寸均匀，成分无偏析，容易破碎。

实施例3

一种超低铝纳米晶母合金的熔铸方法，与实施例1的区别在于步骤(3)中，高温造渣剂的组分如下：以重量计，SiO₂ 75.5wt％，Al₂O₃ 12wt％，Fe₂O₃2.6wt％，MgO 0.2wt％，CaO1.5wt％，Na₂O 3.8wt％，K₂O 4.4wt％。

其余设置，均与实施例1相同。

步骤(7)得到的钢液中Al含量为0.0017wt％。

本发明熔铸方法得到的母合金钢锭晶粒尺寸均匀，成分无偏析，容易破碎。

实施例4

一种超低铝纳米晶母合金的熔铸方法，与实施例1的区别在于步骤(4)中，低温造渣剂的组分如下：以重量计，SiO₂ 78.5wt％，Al₂O₃ 9.0wt％，Fe₂O₃2.55wt％，MgO 0.15wt％，CaO1.3wt％，Na₂O 3.2wt％，K₂O 3.7wt％，P₂O₅1.6wt％。

其余设置，均与实施例1相同。

步骤(7)得到的钢液中Al含量为0.0018wt％。

本发明熔铸方法得到的母合金钢锭晶粒尺寸均匀，成分无偏析，容易破碎。

实施例5

一种超低铝纳米晶母合金的熔铸方法，与实施例1的区别在于步骤(4)中，低温造渣剂的组分如下：以重量计，SiO₂ 75.5wt％，Al₂O₃ 10wt％，Fe₂O₃2.6wt％，MgO 0.2wt％，CaO1.5wt％，Na₂O 3.5wt％，K₂O 4.2wt％，P₂O₅ 2.5wt％。

其余设置，均与实施例1相同。

步骤(7)得到的钢液中Al含量为0.0017wt％。

本发明熔铸方法得到的母合金钢锭晶粒尺寸均匀，成分无偏析，容易破碎。

对比例1

一种纳米晶母合金的熔铸方法，与实施例1的区别在于，没有步骤(2)，将原步骤(2)中的铜和硼铁布料改至步骤(3)的布料中进行。

其余设置，均与实施例1相同。

步骤(7)得到的钢液中Al含量为0.0025wt％。

对比例2

一种纳米晶母合金的熔铸方法，与实施例1的区别在于，没有步骤(5)中的高温均质化过程，在大流量氩气下搅拌后直接进行步骤(6)。

其余设置，均与实施例1相同。

步骤(7)得到的钢液中Al含量为0.0026wt％。

对比例3

一种纳米晶母合金的熔铸方法，与实施例1的区别在于，步骤(3)中未使用高温造渣剂。

其余设置，均与实施例1相同。

步骤(7)得到的钢液中Al含量为0.0035wt％。

对比例4

一种纳米晶母合金的熔铸方法，与实施例1的区别在于，步骤(4)中未使用低温造渣剂。

其余设置，均与实施例1相同。

步骤(7)得到的钢液中Al含量为0.0031wt％。

以上所述仅为本发明的优选实施例，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种纳米晶母合金熔铸系统，其特征在于，包括：熔炉、浇钢道、以及钢锭模装置；

所述熔炉用于熔炼钢液，所述浇钢道用于将所述熔炉熔炼的钢液浇注到所述钢锭模装置中，所述钢锭模装置包括钢锭模本体，所述钢锭模本体用于容纳由所述浇钢道浇注的钢液、以令钢液在所述钢锭模本体中冷却；

所述浇钢道由外到内依次包括外壳、耐火材料填充层以及玻璃内衬；所述玻璃内衬的内腔构成浇道本体，所述浇道本体用于流通钢液；

所述钢锭模装置还包括液冷板，所述液冷板安装于所述钢锭模本体的底部，所述液冷板内部流通冷却液。

2.根据权利要求1所述的纳米晶母合金熔铸系统，其特征在于，所述耐火材料填充层包括石墨内衬以及设置于所述石墨内衬外层的电磁加热层；

所述电磁加热层用于感应加热所述石墨内衬以提升所述浇道本体的温度。

3.根据权利要求2所述的纳米晶母合金熔铸系统，其特征在于，所述石墨内衬与所述电磁加热层之间设置有保温层。

4.根据权利要求1所述的纳米晶母合金熔铸系统，其特征在于，所述钢锭模装置还包括风冷装置；

所述风冷装置能够对所述钢锭模本体吹出冷空气。

5.根据权利要求1所述的纳米晶母合金熔铸系统，其特征在于，所述钢锭模装置包括框架以及安装于所述框架的浇钢盘和多个模具，多个所述模具构成所述钢锭模本体；

所述浇钢盘具有一条流道，所述流道上具有多个出钢口，多个出钢口与多个模具一一对应设置；

在任一对互相对应的出钢口和模具中：所述模具通过所述出钢口与所述流道连通。

6.根据权利要求5所述的纳米晶母合金熔铸系统，其特征在于，每个所述模具与所述框架均可拆卸连接。

7.根据权利要求1-6任一项所述的纳米晶母合金熔铸系统，其特征在于，所述钢锭模装置还包括移动装置和驱动装置；

所述钢锭模本体和所述液冷板均安装于所述移动装置；

所述移动装置具有轮滚，所述驱动装置用于驱动所述滚轮以令所述移动装置移动，使得所述钢锭模本体能够对准所述浇道本体。

8.一种纳米晶母合金熔铸方法，适用于如权利要求1-7任一项所述的纳米晶母合金熔铸系统，其特征在于，包括如下步骤：

母合金钢液熔炼步骤：在熔炉中，采用纯铁、结晶硅、硼铁、磷铁、铌铁和铜作为原料，经熔炼得到母合金钢液；

浇铸步骤：将制得的所述母合金钢液经浇钢道浇注至钢锭模本体，然后所述母合金钢液在钢锭模本体中进行冷却，以形成母合金钢锭。

9.根据权利要求1所述的纳米晶母合金熔铸系统，其特征在于，在母合金钢液熔炼步骤中，所述经熔炼得到母合金钢液依次包括以下步骤：

(1)一次纯铁布料，一次熔化，一次保温，一次打渣；

(2)二次铜、硼铁布料，二次熔化，二次保温，二次打渣；

(3)三次铌铁布料，三次熔化，三次保温，一次造渣，三次打渣；

(4)四次磷铁布料，四次熔化，四次保温，二次造渣，四次打渣；

(5)五次结晶硅布料，五次熔化，高温均质化，五次打渣；

(6)降温，六次保温，六次打渣；

(7)出钢得到母合金钢液，所述出钢的温度为1200-1250℃；

所述母合金钢液为FeSiBPNbMoCu系纳米晶母合金；其中，杂质铝的质量含量在0.002％以下。

10.根据权利要求9所述的纳米晶母合金熔铸系统，其特征在于，所述FeSiBPNbMoCu系纳米晶母合金，按原子百分比计，Si:0.1～15％，B:0.1～10％，P:0～10％，Nb:0.1～4％，Mo:0～4％，Cu:0.5～2％，其余为Fe；

和/或，步骤(1)中，

所述一次纯铁布料为：根据炉容一次性加入全部纯铁；

所述一次熔化前还进行烘炉：启炉前将底吹氩压力给至最大，以功率100kW，烘炉10min；

所述一次熔化为：在冶炼炉所能达到的最大功率即1000kW下化钢，待纯铁全部化清后打开氩气阀门，使得氩气每秒冒出约1～2个气泡；

所述纯铁全部化清的时间为40～60min；

所述一次保温为：继续以最大功率1000kW将钢水升温至1600±10℃，然后调整功率至520kW，保温5min，保温过程不盖炉盖；

所述一次打渣为：一次保温结束后打净纯铁的夹杂物渣，使得钢液Al含量0.002wt％以下；

和/或，步骤(2)中，

所述二次铜、硼铁布料为：分批次加入铜和硼铁；

每批次的添加量为8～12kg，优选10kg，添加频率为：每批次铜/硼铁化清后，加入下一批次，直至所有铜/硼铁添加完毕且全部化清；

所述二次熔化为：功率调整至最大1000kW，开大氩气，在大流量氩气下搅拌，直至所有铜/硼铁添加完毕全部化清，然后调整氩气阀门，使得氩气每秒冒出约1～2个气泡，开始二次保温；

所述二次保温为：利用硼铁熔化吸热效应将钢液降温，并调整功率至500kW，在1580℃±10℃保温2min，保温过程中不盖炉盖；

所述二次打渣为：保温结束后打净硼铁的夹杂物渣，使得钢液Al含量0.003wt％以下；

和/或，步骤(3)中，

所述三次铌铁布料为：分批次加入铌铁；

每批次的添加量为8～12kg，优选10kg，添加频率为：每批次铌铁化清后，加入下一批次，直至所有铌铁添加完毕且全部化清；

所述三次熔化为：功率调整至最大1000kW，开大氩气，在大流量氩气下搅拌，直至所有铌铁添加完毕全部化清，然后调整氩气阀门，使得氩气每秒冒出约1～2个气泡，开始三次保温；

所述三次保温为：利用铌铁熔化吸热效应将钢液降温，并调整功率至480kW，在1550℃±5℃保温5min，保温过程中不盖炉盖；

所述一次造渣为：加入高温造渣剂吸渣；

所述高温造渣剂的组分如下：以重量计，70.5～76.5wt％SiO₂，9～13wt％Al₂O₃，2.5～2.9wt％Fe₂O₃，0.15～0.25wt％MgO，1.0～2.6wt％CaO，3.0～6.0wt％Na₂O，3.5～4.8wt％K₂O，粒径为1-1.5mm；

所述三次打渣为：三次保温结束后打净铌铁的夹杂物渣，使得钢液Al含量0.005wt％以下；

和/或，步骤(4)中，

所述四次磷铁布料为：分批次加入磷铁；

每批次的添加量为8～12kg，优选10kg，添加频率为：每批次磷铁化清后，加入下一批次，直至所有磷铁添加完毕且全部化清；

所述四次熔化为：功率调整至最大1000kW，开大氩气，在大流量氩气下搅拌，直至所有磷铁添加完毕全部化清，然后调整氩气阀门，使得氩气每秒冒出约1～2个气泡，开始四次保温；

所述四次保温为：利用磷铁熔化吸热效应将钢液降温，并调整功率至320kW，在1450℃±10℃保温2min，保温过程中不盖炉盖；

所述二次造渣为：加低温造渣剂；

所述低温造渣剂的组分如下：以重量计，72.5～78.5wt％SiO₂，7～12wt％Al₂O₃，2.5～3.7wt％Fe₂O₃，0.15～0.25wt％MgO，1.0～1.6wt％CaO，3.0～4.0wt％Na₂O，3.5～4.5wt％K₂O，1.5～2.5wt％P₂O₅，粒径为0.5-1mm；

所述四次打渣为：四次保温结束后打净磷铁的夹杂物渣，使得钢液Al含量0.004wt％以下；

和/或，步骤(5)中，

所述五次结晶硅布料为：分批次加入结晶硅；

每批次的添加量为8～12kg，优选10kg，添加频率为：每批次结晶硅化清后，加入下一批次，直至所有结晶硅添加完毕且全部化清；

所述五次熔化为：保持功率至320kW，开大氩气，在大流量氩气下搅拌，直至所有结晶硅添加完毕全部化清，然后调整氩气阀门，使得氩气每秒冒出约1～2个气泡；

所述高温均质化为：利用结晶硅熔化放热效应将钢液升温，并调整功率至500kW，在1580℃±10℃进行五次保温，保温5min，保温过程中不盖炉盖；

所述五次打渣为：五次保温结束后打净结晶硅的高温夹杂物渣，使得钢液Al含量0.003wt％以下；

和/或，步骤(6)中，

所述降温为：调整功率至0功率，软吹氩，氩气流量为3～10L/min，调整功率至260kW，在1250℃±10℃进行六次保温，保温30min，保温过程中盖上炉盖；

所述六次打渣为：六次保温结束后打净母合金的低温夹杂物渣，使得钢液Al含量0.002wt％以下，等待出钢。

Images