CN116140564A - 高锡宽幅锡磷青铜合金带坯电磁水平连铸装置及连铸方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种高锡宽幅锡磷青铜合金带坯电磁水平连铸装置及连铸方法，连铸装置包括水平连铸炉组保温炉、结晶器、搅拌部和交流电源，本方案可避免因引入磁场发生器而导致水平连铸结晶器出现大的改动，从而使磁场发生器与水平连铸结晶器一体性，更简便、更易于安装。将磁场发生器固定在框架挡板下方，并与捣打料一起进行捣打和烧结，增加结晶器的牢固性和磁场发生器的不可动性，确保磁场发生器与保温炉因有耐火材料而实现安全距离的隔绝，进一步降低安全隐患。磁场发生器置于石墨板上侧可极大减少磁场发生器因工作时冷却对结晶前沿熔体流场和温度场的影响。磁场发生器可确保整个横断面上搅拌力均匀分布，可获得均匀的强制搅拌。
Description
技术领域
本发明涉及有色金属加工技术领域，具体而言，涉及一种高锡宽幅锡磷青铜合金带坯电磁水平连铸装置及连铸方法。
背景技术
锡磷青铜是常用的弹性铜合金，通过Sn、P元素作用和冷加工硬化可获得较好的机械性能，易于加工冲制成各种复杂形状的弹性元件，它不仅具有优良的弹性性能，且具有耐腐蚀、耐磨、无磁性的特点，是目前铜基弹性合金材料中用量最大、用途最广的弹性材料。尤其是高锡含量的锡磷青铜具有更为优异的强度、弹性、抗磁性，耐磨和耐腐蚀。
目前锡磷青铜铸造主要通过传统的铜合金水平连铸方式来进行制备加工。然而由于锡磷青铜的凝固特性，随着锡含量越高，反偏析和微观偏析现象更为严重，铸坯出现表面裂纹，形成结合弱面，出现粗大柱状晶和大量疏松等缺陷，严重影响铸坯后续的加工性能和产品的成品率。同时，水平连铸带坯由原来的430mm铸造，逐渐向650mm及以上更大宽幅的方向发展，从而进一步带来熔体流场和温度场分布不均，卷渣几率增大，拉铸难度加大等问题，从而导致石墨板损耗更为严重，石墨板开裂的几率加大。
专利CN101386060B公开了一种新型铜及铜合金板带电磁辅助铸造方法及装置，该技术主要应用在430mm宽板带连铸上，可产生强制搅拌，从而达到一致偏析、细化晶粒的目的，但该技术未考虑更宽幅度的应用，导致该发明的磁场发生器应用到宽幅时不适用，达不到应有的搅拌和细化效果。专利CN100581682C公开了一种铜合金板带的水平电磁连铸铸造装置，该技术通过施加行波磁场，可达到细化晶粒、抑制偏析的目的，但该技术没有针对宽幅和高锡的磷青铜开展工作，容易存在安全隐患，使用效果相对较差。
综上所述，现有的电磁水平连铸装置无法有针对性地对宽幅、高锡的锡磷青铜合金开展电磁水平连铸，无法解决因宽幅带来的熔体流场和温度场不均，石墨板因磁场发生器的加入导致整体石墨板氧化、开裂等问题。
发明内容
本发明提供了一种高锡宽幅锡磷青铜合金带坯电磁水平连铸装置及连铸方法，从而改善因宽幅、高锡时出现因熔体流场和温度场不均导致晶粒组织粗大、偏析加重的问题，也进一步改善石墨板的氧化和开裂问题，并提升石墨板的使用寿命。
为了实现上述目的，根据本发明的一个方面，本发明提供了一种高锡宽幅锡磷青铜合金带坯电磁水平连铸装置，包括水平连铸炉组保温炉、结晶器、搅拌部和交流电源，其中，结晶器设置在水平连铸炉组保温炉的炉口处，结晶器包括石墨板、水冷铜套、钢套和框架挡板，水冷铜套围绕石墨板设置，钢套围绕水冷铜套设置，框架挡板位于水平连铸炉组保温炉和水冷铜套之间；搅拌部固定在框架挡板的腔体内，搅拌部和结晶器捣打料捣打后烧结形成一个整体；搅拌部包括行波磁场发生器和一体成型的不锈钢外壳，行波磁场发生器的磁级根据650～700mm宽度进行多级直线排布，行波磁场发生器的外壁通过不锈钢外壳封闭，行波磁场发生器和不锈钢外壳之间的空腔用于通入冷却水。
进一步地，石墨板的肖氏硬度为43～50HSD、密度为1.9～2.2g/cm3、热导率为400～420W/，石墨板与水冷铜套的配合面的贴合度≥95％。
进一步地，交流电源为行波磁场发生器输送的电流为380V三相交流电，三相交流电的相位和方向变化周期为3.5s。
进一步地，高锡宽幅锡磷青铜合金带坯的宽度为650～700mm、厚度为15mm～17mm。
进一步地，高锡宽幅锡磷青铜合金带坯的质量百分比组成为：Sn含量8.0～11.0wt％，P含量0.01～0.10wt％，Zn含量≤0.2wt％，Fe含量≤0.1wt％，其余为Cu和杂质元素。
进一步地，搅拌部和水平连铸炉组保温炉之间的距离L1为40～50mm，搅拌部和石墨板的中心线之间的距离L2为50～70mm。
根据本发明的另一方面，提供了一种连铸方法，连铸方法应用于上述的高锡宽幅锡磷青铜合金带坯电磁水平连铸装置，连铸方法包括：在水平连铸炉组保温炉内的熔体温度达到设定温度的情况下，启动水平连铸铸造牵引机，水平连铸铸造牵引机带动牵引板运动，牵引板以设定速度拉铸；待初始拉铸稳定后，启动交流电源使行波磁场发生器工作，行波磁场发生器的工作频率为5～50HZ、电流强度为5～30A，行波磁场发生器作用在熔体上的洛伦兹力为10～50Gs，位于石墨板结晶前沿的熔体在洛伦兹力作用下被强制搅拌，以使枝晶破碎。
进一步地，设定温度为1160～1190℃，设定速度为150～180mm/min。
进一步地，连铸方法采用拉-停-退-拉工艺，其中，引拉速度为15～25mm/s，停顿时间为1～3S，退的速度为8～10mm/s。
进一步地，连铸方法生产的带坯为高锡宽幅锡磷青铜合金带坯，高锡宽幅锡磷青铜合金带坯中心的出坯温度为350℃～380℃，整个带坯的横向温差为20℃～50℃。
应用本发明的技术方案，提供了一种高锡宽幅锡磷青铜合金带坯电磁水平连铸装置，包括水平连铸炉组保温炉、结晶器、搅拌部和交流电源，其中，结晶器设置在水平连铸炉组保温炉的炉口处，结晶器包括石墨板、水冷铜套、钢套和框架挡板，水冷铜套围绕石墨板设置，钢套围绕水冷铜套设置，框架挡板位于水平连铸炉组保温炉和水冷铜套之间；搅拌部固定在框架挡板的腔体内，搅拌部和结晶器捣打料捣打后烧结形成一个整体；搅拌部包括行波磁场发生器和一体成型的不锈钢外壳，行波磁场发生器的磁级根据650～700mm宽度进行多级直线排布，行波磁场发生器的外壁通过不锈钢外壳封闭，行波磁场发生器和不锈钢外壳之间的空腔用于通入冷却水。
本方案将磁场发生器设置在上述位置，可避免因引入磁场发生器而导致水平连铸结晶器出现大的改动，从而使磁场发生器与水平连铸结晶器一体性，更简便、更易于安装。将磁场发生器固定在框架挡板下方，并与捣打料一起进行捣打和烧结，增加结晶器的牢固性和磁场发生器的不可动性，确保磁场发生器与保温炉因有耐火材料而实现安全距离的隔绝，进一步降低安全隐患。磁场发生器置于石墨板上侧并通过耐火材料隔绝，可极大减少磁场发生器因工作时冷却对结晶前沿熔体流场和温度场的影响。磁场发生器可确保整个横断面上搅拌力均匀分布，可获得均匀的强制搅拌。
磁场发生器采用多级直线排布，主要针对更宽幅的水平连铸带坯进行直线优化排布，从而使得在结晶前沿熔体区的磁场强度分布更加均匀，从而使得电磁搅拌时锡磷青铜熔体流场和温度场更加均匀，使得整个横断面的温度分布均匀可控。同时，磁场发生器采用一体成形的不锈钢外壳进行封闭，可减少焊接区域，从而也减小因使用破损而出现安全隐患的几率，从而使得磁场发生器更加安全可靠。
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。在附图中：
图1示出了本发明的实施例提供的高锡宽幅锡磷青铜合金带坯电磁水平连铸装置的结构示意图；
图2示出了图1中的搅拌部的结构示意图；
图3示出了采用本发明方案的实施例1生产的带坯的上表面；
图4示出了采用本发明方案的实施例1生产的带坯的下表面；
图5示出了采用本发明中的对比例1生产的带坯的上表面；
图6示出了采用本发明中的对比例1生产的带坯的下表面；
图7为本发明的实施例1和对比例1前后致密度；
图8为本发明的实施例1的宏观形貌一；
图9为本发明的实施例1的宏观形貌二；
图10为本发明的对比例1的宏观形貌一；
图11为本发明的对比例1的宏观形貌二；
图12为本发明实施例1的均匀化退火组织；
图13为本发明对比例1的均匀化退火组织；
图14为本发明实施例1的各层的锡元素分布情况；
图15为本发明对比例1的各层的锡元素分布情况。
其中，上述附图包括以下附图标记：
10、水平连铸炉组保温炉；20、结晶器；21、石墨板；22、水冷铜套；23、钢套；24、框架挡板；30、搅拌部；31、行波磁场发生器；32、不锈钢外壳；40、交流电源；50、牵引板。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。以下对至少一个示例性实施例的描述实际上仅仅是说明性的，决不作为对本发明及其应用或使用的任何限制。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
如图1至图2所示，本发明提供了一种高锡宽幅锡磷青铜合金带坯电磁水平连铸装置，包括水平连铸炉组保温炉10、结晶器20、搅拌部30和交流电源40，其中，结晶器20设置在水平连铸炉组保温炉10的炉口处，结晶器20包括石墨板21、水冷铜套22、钢套23和框架挡板24，水冷铜套22围绕石墨板21设置，钢套23围绕水冷铜套22设置，框架挡板24位于水平连铸炉组保温炉10和水冷铜套22之间；搅拌部30固定在框架挡板24的腔体内，搅拌部30和结晶器20捣打料捣打后烧结形成一个整体；搅拌部30包括行波磁场发生器31和一体成型的不锈钢外壳32，行波磁场发生器31的磁级根据650～700mm宽度进行多级直线排布，行波磁场发生器31的外壁通过不锈钢外壳32封闭，行波磁场发生器31和不锈钢外壳32之间的空腔用于通入冷却水。
本方案将行波磁场发生器31设置在上述位置，可避免因引入行波磁场发生器31而导致水平连铸结晶器20出现大的改动，从而使行波磁场发生器31与水平连铸结晶器20一体性，更简便、更易于安装。将行波磁场发生器31固定在框架挡板24下方，并与捣打料一起进行捣打和烧结，增加结晶器20的牢固性和行波磁场发生器31的不可动性，确保行波磁场发生器31与保温炉因有耐火材料而实现安全距离的隔绝，进一步降低安全隐患。行波磁场发生器31置于石墨板21上侧并通过耐火材料隔绝，可极大减少行波磁场发生器31因工作时冷却对结晶前沿熔体流场和温度场的影响。行波磁场发生器31可确保整个横断面上搅拌力均匀分布，可获得均匀的强制搅拌。
并且，行波磁场发生器31采用多级直线排布，主要针对更宽幅的水平连铸带坯进行直线优化排布，从而使得在结晶前沿熔体区的磁场强度分布更加均匀，从而使得电磁搅拌时锡磷青铜熔体流场和温度场更加均匀，使得整个横断面的温度分布均匀可控。同时，行波磁场发生器31采用一体成形的不锈钢外壳32进行封闭，可减少焊接区域，从而也减小因使用破损而出现安全隐患的几率，从而使得行波磁场发生器31更加安全可靠。
在本方案中，石墨板21的肖氏硬度为43～50HSD、密度为1.9～2.2g/cm3、热导率为400～420W/m·K，石墨板21与水冷铜套22的配合面的贴合度≥95％。其中，贴合度也可以理解为配合面的接触面积占配合面总面积的比值。
行波磁场发生器31的存在，会对现有材质石墨板21有一定影响，通过控制石墨板21的密度值、硬度值、热导率、膨胀系数大小，来降低石墨板21出现开裂和氧化的几率，若石墨板21硬度太高，其铸坯表面质量相对较差，若膨胀系数太高，石墨板21因热涨冷缩导致的开裂几率加大。同时对石墨板21与水冷铜套22的贴合度进行限定，贴合度越好，石墨板21冷却效果越均匀，出现开裂的几率就小。
在本方案中，交流电源40为行波磁场发生器31输送的电流为380V三相交流电，三相交流电的相位和方向变化周期为3.5s。
在本方案中，高锡宽幅锡磷青铜合金带坯的宽度为650～700mm、厚度为15mm～17mm。高锡宽幅锡磷青铜合金带坯的质量百分比组成为：Sn含量8.0～11.0wt％，P含量0.01～0.10wt％，Zn含量≤0.2wt％，Fe含量≤0.1wt％，其余为Cu和杂质元素。
进一步地，搅拌部30和水平连铸炉组保温炉10之间的距离L1为40～50mm，搅拌部30和石墨板21的中心线之间的距离L2为50～70mm。L2上述范围内，磁场发生器产生的磁场分布更加均匀，磁场强度大小正好可以将石墨板21结晶前沿的已凝固枝晶破碎并重熔到铜合金熔体中，形成更多形核核心，流场和温度分布更加均匀；而距离过大磁场强度衰减过大，磁场分布不均，影响搅拌效果，距离过小干涉到石墨板21冷却效果，并存在安全隐患，同时整体的磁场强度分布不均且过大，反而恶化流场和温度场的均匀性，导致铸坯边部开裂。L1在上述范围内，搅拌部30下方的铜合金熔体正好处于结晶前沿区域，可以将已凝固枝晶破碎并重熔到铜合金熔体中，形成更多非异质形核核心，并且在这个距离范围对石墨板21长度的影响最小，且保持足够的安全性；若L1过大，会导致石墨板21长度过长，带坯拉坯困难，且结晶前沿后移，使得凝固后移，使得电磁搅拌无法破碎枝晶，若L1过小，没有足够的安全距离，炉膛热辐射容易影响搅拌部30的冷却，使得搅拌部30的冷却强度加大，从而影响到石墨板21的冷却效果和结晶前沿位置。
本发明还提供了一种连铸方法，连铸方法应用于上述的高锡宽幅锡磷青铜合金带坯电磁水平连铸装置，连铸方法包括：在水平连铸炉组保温炉10内的熔体温度达到设定温度的情况下，启动水平连铸铸造牵引机，水平连铸铸造牵引机带动牵引板50运动，牵引板50以设定速度拉铸；待初始拉铸稳定后，启动交流电源40使行波磁场发生器31工作，行波磁场发生器31的工作频率为5～50HZ、电流强度为5～30A，行波磁场发生器31作用在熔体上的洛伦兹力为10～50Gs，位于石墨板21结晶前沿的熔体在洛伦兹力作用下被强制搅拌，以使枝晶破碎。
其中，设定温度为1160～1190℃，设定速度为150～180mm/min。
进一步地，连铸方法采用拉-停-退-拉工艺，其中，引拉速度为15～25mm/s，停顿时间为1～3S，退的速度为8～10mm/s。
进一步地，连铸方法生产的带坯为高锡宽幅锡磷青铜合金带坯，高锡宽幅锡磷青铜合金带坯中心的出坯温度为350℃～380℃，整个带坯的横向温差为20℃～50℃。
本方案中由于水平连铸拉铸的是宽幅高锡的锡磷青铜水平连铸带坯，宽幅会使带坯的宽厚比进一步加大，从而使熔体流场和温度场分布不均更为严重，高锡使得锡元素的偏析进一步加重；结晶器中钢套刚性不足、石墨板越长开裂的可能性越增大，因此，需要在电磁发生器整体设计、电磁发生器安装位置、电磁工艺参数、石墨板21材质和长度、石墨板21与水冷铜套22的贴合度等方面进行协同设计和协同控制，进而解决因宽幅高锡锡磷青铜水平连铸带坯带来的问题。
并结合有效的拉铸工艺，从而实现宽幅高锡锡磷青铜整个横断面的结晶线呈现平直、均匀的分布，达到成分均匀和温度均匀的目的，使得整个横断面上的温度偏差控制在50℃以内，并使整个铸坯出坯口的结晶温度控制在较高的温度范围内，从而减少拉铸难度，提升锡元素的固溶量，减少锡元素的偏析。更进一步获得细晶、偏析小、致密度高、表面质量优的宽幅高锡锡磷青铜合金带坯。
本发明技术方案突出的实质性特点和显著的进步主要体现在：
1、本发明根据水平连铸带坯宽幅特点设计多级排布的行波磁场发生器31以及行波磁场发生器31的优化安装，使得结晶前沿处磁场强度趋向于分布均匀，在进行强制搅拌时形成流场和温度场更加均匀，不会出现湍流的情况，从而使得结晶前沿凝固区形成大量破碎的结晶晶核，从而形成均匀细小等轴晶，结合界面消除，反偏析和微观偏析得到抑制，铸坯质量得到提升；
2、本发明将搅拌部30、结晶器20的框架挡板24、石墨板21、水冷铜套22和钢套23进行协同考虑，从而使得电磁铸造装置的安装更加方便，运行更加安全，使用寿命更长，更进一步提升石墨板21拉铸寿命，降低石墨板21开裂几率，从而解决因宽幅高锡锡磷青铜水平连铸带坯带来的问题。
为了更清楚地说明本方案，下方对应用本方案的具体实施例进行说明。
实施例1(参照图3至图15)：
将多级直线排布行波磁场发生器31置于框架挡板24内并固定，行波磁场发生器31安装在石墨板21上侧，水冷铜套22和钢套23的左侧，并通过结晶器捣打料进行捣打并烧结，与结晶器20形成一个整体，其中石墨板肖氏硬度为48HSD，密度为2.1g/cm3，热导率为420W/(m·K)，石墨板与水冷铜套贴合度为96％。将形成整体的结晶器安装到水平连铸炉组保温炉10上，当锡含量为8.2％的锡磷青铜熔体温度达到1190℃时，水平连铸铸造牵引机启动，带动牵引板50运动，拉铸速度为170mm/min，其中引拉速度20mm/s，停顿时间2s，退的速度9mm/s，待拉铸稳定后，启动交流电源40，行波磁场发生器31开始工作，工作频率为20HZ，电流强度为30A，行波磁场发生器作用在锡青铜熔体的洛伦兹力为40Gs，石墨板结晶前沿的锡磷青铜合金溶体在洛伦兹力作用下，熔体受到强制搅拌，结晶前沿凝固枝晶得到破碎重熔到熔体中，形成更多的形核核心，从而使横向上的流场和温度场更加均匀，得到间距相等、平直的结晶线，从而获得晶粒组织均匀细小、偏析小、致密度高、铸坯质量优异的高锡宽幅锡磷青铜带坯，带坯中心出坯口温度为350℃，整个带坯横向温差为35℃。
实施例2：
将多级直线排布行波磁场发生器31置于框架挡板24内并固定，行波磁场发生器31安装在石墨板21上侧，水冷铜套22和钢套23的左侧，并通过结晶器捣打料进行捣打并烧结，与结晶器20形成一个整体，其中石墨板肖氏硬度为43HSD，密度为1.9g/cm3，热导率为400W/(m·K)，石墨板与水冷铜套贴合度为95％。将形成整体的结晶器安装到水平连铸炉组保温炉10上，当锡含量为8％的锡磷青铜熔体温度为1190℃时，水平连铸铸造牵引机启动，带动牵引板50运动，拉铸速度为150mm/min，其中引拉速度15mm/s，停顿时间2s，退的速度8mm/s，待拉铸稳定后，启动交流电源40，行波磁场发生器31开始工作，工作频率为20HZ，电流强度为30A，行波磁场发生器作用在锡青铜熔体的洛伦兹力为30Gs，石墨板结晶前沿的锡磷青铜合金溶体在洛伦兹力作用下，熔体受到强制搅拌，结晶前沿凝固枝晶得到破碎重熔到熔体中，形成更多的形核核心，从而使横向上的流场和温度场更加均匀，得到间距相等、平直的结晶线，从而获得晶粒组织均匀细小、偏析小、致密度高、铸坯质量优异的高锡宽幅锡磷青铜带坯，带坯中心出坯口温度为350℃，整个带坯横向温差为40℃。
实施例3：
将多级直线排布行波磁场发生器31置于框架挡板24内并固定，行波磁场发生器31安装在石墨板21上侧，水冷铜套22和钢套23的左侧，并通过结晶器捣打料进行捣打并烧结，与结晶器20形成一个整体，其中石墨板肖氏硬度为50HSD，密度为2.2g/cm3，热导率为420W/(m·K)，石墨板与水冷铜套贴合度为98％。将形成整体的结晶器安装到水平连铸炉组保温炉10上，当锡含量为10％的锡磷青铜熔体温度为1170℃时，水平连铸铸造牵引机启动，带动牵引板50运动，拉铸速度为170mm/min，其中引拉速度20mm/s，停顿时间1s，退的速度9mm/s，待拉铸稳定后，启动交流电源40，行波磁场发生器31开始工作，工作频率为50HZ，电流强度为20A，行波磁场发生器作用在锡青铜熔体的洛伦兹力为40Gs，石墨板结晶前沿的锡磷青铜合金溶体在洛伦兹力作用下，熔体受到强制搅拌，结晶前沿凝固枝晶得到破碎重熔到熔体中，形成更多的形核核心，从而使横向上的流场和温度场更加均匀，得到间距相等、平直的结晶线，从而获得晶粒组织均匀细小、偏析小、致密度高、铸坯质量优异的高锡宽幅锡磷青铜带坯，带坯中心出坯口温度为380℃，整个带坯横向温差为30℃。
实施例4：
将多级直线排布行波磁场发生器31置于框架挡板24内并固定，行波磁场发生器31安装在石墨板21上侧，水冷铜套22和钢套23的左侧，并通过结晶器捣打料进行捣打并烧结，与结晶器20形成一个整体，其中石墨板肖氏硬度为45HSD，密度为2.0g/cm3，热导率为415W/(m·K)，石墨板与水冷铜套贴合度为96％。将形成整体的结晶器安装到水平连铸炉组保温炉10上，当锡含量为8％的锡磷青铜熔体温度为1190℃时，水平连铸铸造牵引机启动，带动牵引板50运动，拉铸速度为180mm/min，其中引拉速度25mm/s，停顿时间3s，退的速度10mm/s，待拉铸稳定后，启动交流电源40，行波磁场发生器31开始工作，工作频率为50HZ，电流强度为30A，行波磁场发生器作用在锡青铜熔体的洛伦兹力为20Gs，石墨板结晶前沿的锡磷青铜合金溶体在洛伦兹力作用下，熔体受到强制搅拌，结晶前沿凝固枝晶得到破碎重熔到熔体中，形成更多的形核核心，从而使横向上的流场和温度场更加均匀，得到间距相等、平直的结晶线，从而获得晶粒组织均匀细小、偏析小、致密度高、铸坯质量优异的高锡宽幅锡磷青铜带坯，带坯中心出坯口温度为350℃，整个带坯横向温差为50℃。
实施例5：
将多级直线排布行波磁场发生器31置于框架挡板24内并固定，行波磁场发生器31安装在石墨板21上侧，水冷铜套22和钢套23的左侧，并通过结晶器捣打料进行捣打并烧结，与结晶器20形成一个整体，其中石墨板肖氏硬度为43HSD，密度为1.9g/cm3，热导率为400W/(m·K)，石墨板与水冷铜套贴合度为97％。将形成整体的结晶器安装到水平连铸炉组保温炉10上，当锡含量为9％的锡磷青铜熔体温度为1180℃时，水平连铸铸造牵引机启动，带动牵引板50运动，拉铸速度为160mm/min，其中引拉速度18mm/s，停顿时间2s，退的速度10mm/s，待拉铸稳定后，启动交流电源40，行波磁场发生器31开始工作，工作频率为50HZ，电流强度为5A，行波磁场发生器作用在锡青铜熔体的洛伦兹力为20Gs，石墨板结晶前沿的锡磷青铜合金溶体在洛伦兹力作用下，熔体受到强制搅拌，结晶前沿凝固枝晶得到破碎重熔到熔体中，形成更多的形核核心，从而使横向上的流场和温度场更加均匀，得到间距相等、平直的结晶线，从而获得晶粒组织均匀细小、偏析小、致密度高、铸坯质量优异的高锡宽幅锡磷青铜带坯，带坯中心出坯口温度为380℃，整个带坯横向温差为20℃。
实施例6：
将多级直线排布行波磁场发生器31置于框架挡板24内并固定，行波磁场发生器31安装在石墨板21上侧，水冷铜套22和钢套23的左侧，并通过结晶器捣打料进行捣打并烧结，与结晶器20形成一个整体，其中石墨板肖氏硬度为46HSD，密度为2.05g/cm3，热导率为410W/(m·K)，石墨板与水冷铜套贴合度为98％。将形成整体的结晶器安装到水平连铸炉组保温炉10上，当锡含量为11％的锡磷青铜熔体温度为1160℃时，水平连铸铸造牵引机启动，带动牵引板50运动，拉铸速度为165mm/min，其中引拉速度20mm/s，停顿时间3s，退的速度10mm/s，待拉铸稳定后，启动交流电源40，行波磁场发生器31开始工作，工作频率为30HZ，电流强度为30A，行波磁场发生器作用在锡青铜熔体的洛伦兹力为50Gs，石墨板结晶前沿的锡磷青铜合金溶体在洛伦兹力作用下，熔体受到强制搅拌，结晶前沿凝固枝晶得到破碎重熔到熔体中，形成更多的形核核心，从而使横向上的流场和温度场更加均匀，得到间距相等、平直的结晶线，从而获得晶粒组织均匀细小、偏析小、致密度高、铸坯质量优异的高锡宽幅锡磷青铜带坯，带坯中心出坯口温度为360℃，整个带坯横向温差为40℃。
对比例1(参照图3至图15)：
对比例1与实施例1的区别在于对比例1未施加电磁场，对实施例1和对比例1中的锡磷青铜选取整个带坯的横截面，观察其凝固组织、致密度、元素偏析和均匀化退火组织情况。
测试方法：
微观组织考察：蔡司Axio Imager 2光学显微镜；
致密度：Ray-Ran EXPLORER PRO密度天平；
宏观组织观察：奥林巴斯SZX10体视显微镜；
组织分析：均匀化组织测试，采用扫描电镜EBSD进行分析；
元素分析：美国热电直读光谱仪对锡磷青铜进行逐层分析。
从以上结果和对比中，可以得出，采用本方案，石墨板结晶前沿的锡磷青铜合金溶体在洛伦兹力作用下，熔体受到强制搅拌，结晶前沿凝固枝晶得到破碎重熔到熔体中，形成更多的形核核心，从而使横向上的流场和温度场更加均匀，得到间距相等、平直的结晶线，从而获得晶粒组织均匀细小、偏析小、致密度高、铸坯质量优异的高锡宽幅锡磷青铜带坯，从而改善因宽幅、高锡时出现因熔体流场和温度场不均导致晶粒组织粗大、偏析加重的问题，也进一步改善了整体石墨板的氧化和开裂问题，并提升了石墨板的使用寿命。
综上所述，以上对比说明本发明实施方案在宽幅高锡电磁铸造装置施加磁场，从而细化铸坯铸造组织和后续均匀化组织，抑制锡元素的反偏析和微观偏析，提升铸坯的致密度，改善锡磷青铜铸坯的铸造质量，从而解决宽幅高锡锡磷青铜合金带坯制备问题。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，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)
1.一种高锡宽幅锡磷青铜合金带坯电磁水平连铸装置，其特征在于，包括水平连铸炉组保温炉(10)、结晶器(20)、搅拌部(30)和交流电源(40)，其中，
所述结晶器(20)设置在所述水平连铸炉组保温炉(10)的炉口处，所述结晶器(20)包括石墨板(21)、水冷铜套(22)、钢套(23)和框架挡板(24)，所述水冷铜套(22)围绕所述石墨板(21)设置，所述钢套(23)围绕所述水冷铜套(22)设置，所述框架挡板(24)位于所述水平连铸炉组保温炉(10)和所述水冷铜套(22)之间；
所述搅拌部(30)固定在所述框架挡板(24)的腔体内，所述搅拌部(30)和所述结晶器(20)捣打料捣打后烧结形成一个整体；所述搅拌部(30)包括行波磁场发生器(31)和一体成型的不锈钢外壳(32)，所述行波磁场发生器(31)的磁级根据650～700mm宽度进行多级直线排布，所述行波磁场发生器(31)的外壁通过所述不锈钢外壳(32)封闭，所述行波磁场发生器(31)和所述不锈钢外壳(32)之间的空腔用于通入冷却水。
2.根据权利要求1所述的高锡宽幅锡磷青铜合金带坯电磁水平连铸装置，其特征在于，所述石墨板(21)的肖氏硬度为43～50HSD、密度为1.9～2.2g/cm3、热导率为400～420W/(m·K)，所述石墨板(21)与所述水冷铜套(22)的配合面的贴合度≥95％。
3.根据权利要求1所述的高锡宽幅锡磷青铜合金带坯电磁水平连铸装置，其特征在于，所述交流电源(40)为所述行波磁场发生器(31)输送的电流为380V三相交流电，所述三相交流电的相位和方向变化周期为3.5s。
4.根据权利要求1所述的高锡宽幅锡磷青铜合金带坯电磁水平连铸装置，其特征在于，所述高锡宽幅锡磷青铜合金带坯的宽度为650～700mm、厚度为15mm～17mm。
5.根据权利要求1所述的高锡宽幅锡磷青铜合金带坯电磁水平连铸装置，其特征在于，所述高锡宽幅锡磷青铜合金带坯的质量百分比组成为：Sn含量8.0～11.0wt％，P含量0.01～0.10wt％，Zn含量≤0.2wt％，Fe含量≤0.1wt％，其余为Cu和杂质元素。
6.根据权利要求1所述的高锡宽幅锡磷青铜合金带坯电磁水平连铸装置，其特征在于，所述搅拌部(30)和所述水平连铸炉组保温炉(10)之间的距离L1为40～50mm，所述搅拌部(30)和所述石墨板(21)的中心线之间的距离L2为50～70mm。
7.一种连铸方法，其特征在于，所述连铸方法应用于权利要求1至6中任一项所述的高锡宽幅锡磷青铜合金带坯电磁水平连铸装置，所述连铸方法包括：
在水平连铸炉组保温炉(10)内的熔体温度达到设定温度的情况下，启动水平连铸铸造牵引机，所述水平连铸铸造牵引机带动牵引板(50)运动，所述牵引板(50)以设定速度拉铸；
待初始拉铸稳定后，启动交流电源(40)使行波磁场发生器(31)工作，所述行波磁场发生器(31)的工作频率为5～50HZ、电流强度为5～30A，所述行波磁场发生器(31)作用在熔体上的洛伦兹力为10～50Gs，位于石墨板(21)结晶前沿的熔体在洛伦兹力作用下被强制搅拌，以使枝晶破碎。
8.根据权利要求7所述的连铸方法，其特征在于，所述设定温度为1160～1190℃，所述设定速度为150～180mm/min。
9.根据权利要求7所述的连铸方法，其特征在于，所述连铸方法采用拉-停-退-拉工艺，其中，引拉速度为15～25mm/s，停顿时间为1～3S，退的速度为8～10mm/s。
10.根据权利要求7所述的连铸方法，其特征在于，所述连铸方法生产的带坯为高锡宽幅锡磷青铜合金带坯，所述高锡宽幅锡磷青铜合金带坯中心的出坯温度为350℃～380℃，整个带坯的横向温差为20℃～50℃。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202211105860.2A CN116140564A (zh) | 2022-09-09 | 2022-09-09 | 高锡宽幅锡磷青铜合金带坯电磁水平连铸装置及连铸方法 |
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| CN116140564A true CN116140564A (zh) | 2023-05-23 |
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Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN118086718A (zh) * | 2024-04-25 | 2024-05-28 | 中铝科学技术研究院有限公司 | 铜合金丝材、其制备方法及应用 |
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2022
- 2022-09-09 CN CN202211105860.2A patent/CN116140564A/zh active Pending
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