CN117182013A - 一种有色合金连铸中氧化夹杂电磁净化装置及净化方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种有色合金连铸中氧化夹杂电磁净化装置及净化方法，该装置包括沿作业方向依次设置的熔化装置、一次净化装置、二次净化保温装置、铸造装置，熔化装置包括熔化炉、设于熔化炉外圈的加热部件；一次净化装置包括设于熔化炉出口端的浅平圆形浇道、设于浇道外圈的电磁场发生部件、设于浇道出口内壁处的过滤管、靠近浇道的加热源；二次净化保温装置包括设于浇道出口下方的保温炉、设于保温炉外圈的加热部件、设于保温炉内壁处的过滤管、设于保温炉底部的电磁场发生部件；铸造装置包括结晶器、设于结晶器出口端的牵引机构、沿牵引机构牵引方向设有的二冷水机构、剪切机构。与现有技术相比，本发明能有效去除氧化渣实现有色合金熔体的净化。

Description

一种有色合金连铸中氧化夹杂电磁净化装置及净化方法

技术领域

本发明涉及，尤其是涉及一种有色合金连铸中氧化夹杂电磁净化装置及净化方法。

背景技术

有色合金，例如铜锡合金由于强度高、韧性好，同时具有优异的耐磨、耐腐蚀以及导电性能，被广泛运用于轴承轴瓦材料、耐蚀海水管道、电信号传输连接器与高速电气化铁路接触线等重要工业领域。然而，在熔炼过程中不可避免的会引入各种夹杂，使得冷热性、成型性、耐蚀性遭到破坏；同时还会增加熔体粘度，降低铸造性能，促进形成疏松，孔洞等铸造缺陷。在变形过程中，夹杂物周围形成应力集中，为疲劳裂纹的萌生提供核心，影响裂纹扩展过程；显著降低材料的塑性、韧性和疲劳寿命。这些夹杂的来源有原料带入的，也有熔铸过程中形成以及执行工艺不严格造成的。若想消除常规熔炼中带来的夹杂缺陷等，就必须开发相应的技术方案保证熔体的纯净度。

现有专利CN201710786418.3公开了一种净化金属熔体的泡沫陶瓷及其制备方法。其优点是过滤效果好，不需要消耗额外能量；但是不足之处是净化效果不稳定，对流速稳定性要求高，处理量较小，随着时间的推移，净化效率降低。专利CN200810069907.8公开了一种吹气精炼装置，吹气精炼除杂的优点是可有效去除熔体中溶解的气体，可部分去除夹杂物；不足之处是对细小夹杂物去除效果不佳。针对含锡铜合金中形貌、尺寸不一的夹杂物，需要探索一种更有效的去除方法。

电磁净化技术因其无接触，环保高效的优势受到了广泛关注。1900年，E.Gates通过施加正交的电场和磁场从矿物中分离金、银等贵重金属，此后，这一方法在选矿过程中得到了发展。1953年，D.Leenov和A.Kolin首次从理论上揭示了利用金属熔体与熔体内部其他相的导电性差异分离异质相的原理。近年来，日本、美国和中国的研究者分别通过试验研究，论证了电磁分离金属熔体中非金属夹杂物方法的可行性。专利CN202210630198.6公开了一种压铸锌合金工业生产过程中夹杂物电磁净化装置及其方法，但其电磁净化系统主要作用于保温炉内，净化范围有限。

发明内容

本发明的目的就是为了克服现有技术的缺点而提供一种有色合金连铸中氧化夹杂电磁净化装置及净化方法。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

本发明的技术方案之一为提供一种有色合金连铸中氧化夹杂电磁净化装置，包括沿作业方向依次设置的熔化装置、一次净化装置、二次净化保温装置、铸造装置，

熔化装置：包括熔化炉、设于所述熔化炉外圈的加热部件；

一次净化装置：包括设于所述熔化炉出口端的浇道、设于所述浇道外圈的电磁场发生部件、设于所述浇道出口内壁处的过滤管、靠近所述浇道的加热源，所述浇道为浅平圆形；

二次净化保温装置：包括设于所述浇道出口下方的保温炉、设于所述保温炉外圈的加热部件、设于所述保温炉内壁处的过滤管、设于所述保温炉底部的电磁场发生部件；

铸造装置：包括设于所述保温炉出口端的结晶器、设于所述结晶器出口端的牵引机构、沿所述牵引机构牵引方向设有的二冷水机构、剪切机构。

在一些具体实施方式中，所述加热部件选自感应加热线圈、电阻丝加热器、天然气加热器中的任意一种。

在一些具体实施方式中，所述加热源为天然气加热源。

在一些具体实施方式中，所述过滤管为泡沫陶瓷过滤管。

在一些具体实施方式中，所述牵引机构的牵引方式选自水平牵引或垂直牵引中的任意一种。

在一些具体实施方式中，所述剪切机构的剪切方式选自液压剪刀剪切、锯床剪切或火焰切割中的任意一种。

本发明的技术方案之二为提供一种有色合金连铸中氧化夹杂电磁净化方法，包括如下步骤：

S1、将若干种有色金属材料投入熔化炉中，通过加热部件加热成熔体；

S2、熔体从熔化炉的出口流到浇道，加热源加热避免熔体凝固，在电磁场发生部件的电磁搅拌作用下，驱动熔体流动，使得熔体中的夹杂物富集在浇道边壁处，形成氧化渣，在浇道边壁处的过滤管对其进行收集，完成一次净化；

S3、一次净化后的熔体进入保温炉，加热部件加热避免熔体凝固，在电磁场发生部件的电磁搅拌作用下，驱动熔体流动，使得熔体中的夹杂物富集在保温炉边壁处，形成氧化渣，在保温炉边壁处的过滤管对其进行收集，完成二次净化；

S4、将二次净化后的熔体流进结晶器凝固，在牵引机构作用下得到长连铸坯，依次经二冷水机构冷却，经剪切机构剪切成任意长度的连铸坯。

在一些具体实施方式中，于S1步骤，所述有色金属材料选自电解铜板、含锡铜合金、工业纯锡、锌及其合金、铝及其合金、镁及其合金中的任意一种或多种。

在一些具体实施方式中，于S2步骤，通过改变通入电磁场发生部件中的交变电流的电流强度对夹杂物去除程度进行调控，所通入电磁场发生部件的交流电的电流强度为1-1000A；

通过改变通入电磁场发生部件中的交变电流的电流频率对夹杂物去除程度进行调控，所通入电磁场发生部件的交流电的电流频率为0.01-1000Hz；

通过改变通入电磁场发生部件中的交变电流的方向对夹杂物去除程度进行调控，形成的搅拌方式选自连续搅拌、交替搅拌或间歇搅拌中的任意一种；

电磁场发生部件作用的时间为1-1000s，浇道长度为0.1-10m。

更优选的电流强度为1-50A；电流频率为1-100Hz，电磁场发生部件作用的时间为1-100s。

在一些具体实施方式中，于S3步骤，通过改变通入电磁场发生部件中的交变电流的电流强度对夹杂物去除程度进行调控，所通入电磁场发生部件的交流电的电流强度为1-1000A；

通过改变通入电磁场发生部件中的交变电流的电流频率对夹杂物去除程度进行调控，所通入电磁场发生部件的交流电的电流频率为0.01-1000Hz；

通过改变通入电磁场发生部件中的交变电流的方向对夹杂物去除程度进行调控，形成的搅拌方式选自连续搅拌、交替搅拌或间歇搅拌中的任意一种；

电磁场发生部件作用的时间为1-1000s。

更优选的电流强度为1-50A；电流频率为1-100Hz，电磁场发生部件作用的时间为1-100s。

在一些具体实施方式中，于S4步骤，二冷水机构出的冷却水流量范围为1-1000m³/h。

更优选的范围为1-100m³/h。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

(1)本发明通过两次连续的电磁净化去除熔体中的氧化渣，从而实现熔体内各类夹杂物的高效电磁分离。一次净化为通过在熔化炉与保温炉之间的浇道实现的电磁净化，在熔体流动的过程中利用所产生的离心力将大尺寸氧化夹杂物分离至浇道外壁处富集形成氧化渣，再通过安装在侧壁的过滤管收集氧化渣，实现在浇道中“动态”、“小体积”地去除熔体中氧化渣的功能；二次净化为在保温炉中实现的电磁净化，电磁驱动保温炉中熔体搅拌流动，利用所产生的离心力将氧化夹杂物(包括一次净化未除尽的大尺寸氧化夹杂物以及熔体中的小尺寸氧化夹杂物)分离至保温炉外壁处富集形成氧化渣，再通过安装在保温炉侧壁的过滤管收集氧化渣，实现在保温炉中“静态”、“大体积”地去除熔体中氧化渣的功能，最终均通过扒渣或更换过滤管的方式去除外壁处的氧化渣实现有色合金熔体的净化。

(2)本发明将熔化炉和保温炉之间浇道由常规长方体形状改为浅平圆形，提高了电磁净化效率。

(3)本发明适用的原料范围广，如含锡铜合金或其它铜合金、铝合金、锌合金、镁合金等，适用的连铸方式也不限于水平和垂直，用途广泛。

附图说明

图1为本发明有色合金连铸中氧化夹杂电磁净化装置结构的主视图。

图2为本发明有色合金连铸中氧化夹杂电磁净化装置结构的俯视图。

图3为本发明生产过程中熔体内夹杂物电磁净化原理的示意图。

图4为本发明实施例1生产过程中含锡铜合金熔体搅拌氧化夹杂物分布的实物图。

图5为本发明实施例1、对比例1分别在不同电磁搅拌电流、无电磁作用对含锡铜合金熔体处理后，其含有5μm及以上夹杂物数量密度的对比图。

图6为本发明实施例1、对比例1分别在不同电磁搅拌频率、无电磁作用对含锡铜合金熔体处理后，其含有5μm及以上夹杂物数量密度的对比图。

图7为本发明实施例1对不同尺寸氧化夹杂物去除效率统计。

图8为本发明实施例1、对比例2在不同电磁搅拌电流作用下对含锡铜合金熔体处理后，其含有5μm及以上夹杂物数量密度的对比图。

图9为本发明实施例1、对比例2在不同电磁搅拌频率作用下对含锡铜合金熔体处理后，其含有5μm及以上夹杂物数量密度的对比图。

图10为本发明对比例2对不同尺寸氧化夹杂物去除效率统计。

图中标记如下：

1为熔化炉，2为炉口，3为原料，4为加热部件，5为熔体，6为浇道，7为加热源，8为电磁场发生部件，9为过滤管，10为保温炉，11为夹杂物，12为受迫流动，13为结晶器，14为牵引机构，15为长连铸坯，16为二冷水机构，17为剪切机构。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。本实施例以本发明技术方案为前提进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

以下各实施例中，如无特别说明的原料或处理技术，则表明其均为本领域的常规市售原料产品或常规处理技术。

以下各实施例中，如无特别说明的功能部件或结构，则表明其均为本领域为实现对应功能而采用的常规部件或常规结构。

实施例1：

如图1-2所示，为一种含锡铜合金水平连铸生产过程中氧化夹杂物电磁净化整体流程的装置，包括沿作业方向依次设置的熔化装置、一次净化装置、二次净化保温装置、铸造装置，熔化装置包括熔化炉1、设于熔化炉1外圈的加热部件4(加热部件为感应加热线圈)；一次净化装置包括设于熔化炉1出口端的浅平圆形的浇道6、设于浇道6外圈的电磁场发生部件8(电磁场发生部件8为电磁搅拌线圈)、设于浇道6出口内壁处的过滤管9(过滤管9为泡沫陶瓷过滤管)、靠近浇道6的加热源7(加热源7为天然气加热源)；二次净化保温装置包括设于浇道6出口下方的保温炉10、设于保温炉10外圈的加热部件4(加热部件4为感应加热线圈)、设于保温炉10内壁处的过滤管9(过滤管9为泡沫陶瓷过滤管)、设于保温炉10底部的电磁场发生部件8(电磁场发生部件8为电磁搅拌线圈)；铸造装置包括设于保温炉10出口端的结晶器13、设于结晶器13出口端的牵引机构14(牵引机构14为水平牵引机构)、沿牵引机构14牵引方向设有的二冷水机构16、剪切机构17(剪切机构17为液压剪刀)。

基于上述装置对含锡铜合金中的氧化渣进行电磁净化，包括如下步骤：

(1)将熔炼合金原料3电解铜板和工业纯锡(含锡量为6.0wt.％)通过熔化炉1的炉口2加入到熔化炉1中，在感应加热线圈中通入直流电，通过感应传热方式，将熔炼合金原料3熔化成含锡铜合金的熔体5并保温；

(2)熔体5从熔化炉1流至浇道6，在浇道6入口和出口处设置的天然气加热源保证浇道6中熔体5的温度，防止其在浇道6中凝固。同时开启在浅平圆形浇道6侧面设有的电磁搅拌线圈，在电磁搅拌线圈中通入大小分别为30A，40A和50A，频率分别为10Hz，25Hz和50Hz的交变电流连续搅拌，利用电磁搅拌线圈产生的电磁力来驱动熔体5的受迫流动12，熔体5在浇道6中通过利用离心力将大尺寸的夹杂物11驱赶至浇道6边壁处富集，形成含锡铜合金氧化夹杂物，并通过联合使用放置在浇道6侧面的泡沫陶瓷过滤管对其进行收集，并最终通过扒渣或者更换泡沫陶瓷过滤管的方式对其进行清除；

(3)当经过上述浇道6一次净化后的熔体5进入到保温炉10，同样也是通过感应线圈加热并保温，此加热过程通过快速热电偶测温，防止熔体5凝固。开启保温炉10底部设置的电磁搅拌线圈，同样通入大小分别为30A、40A和50A，频率分别为10Hz、25Hz和50Hz的交变电流，电磁处理5-20min，利用电磁搅拌线圈产生的洛伦兹力来驱动熔体5的受迫流动12，熔体5在保温炉10中利用离心力将一次净化后未除尽的大尺寸的夹杂物11以及熔体5中小尺寸的夹杂物11驱赶至保温炉10边壁处富集，并通过联合使用放置在保温炉10边部的泡沫陶瓷过滤管对其进行收集，并最终通过扒渣或者更换泡沫陶瓷过滤管的方式对其进行清除。通过浇道6和保温炉10的双重电磁净化作用，从而净化含锡铜合金的熔体5。

图3为生产过程中熔体内夹杂物电磁净化原理的示意图。图中B为磁场，J为电流，在电流驱动的磁场作用力下，在所产生的电磁离心力F_E的作用下将熔体中的氧化夹杂物分离至外围富集形成氧化渣。

图4为本实施例1生产过程中含锡铜合金熔体搅拌氧化夹杂物分布的实物图。氧化夹杂物富集在熔体的外圈。

(4)将最终二次净化后含锡铜合金的熔体5通过结晶器13凝固，实现含锡铜合金的冷却成型成含锡铜合金的长连铸坯15；开启水平牵引机构，在一定长度处用二冷水机构16进一步降温冷却，并通过液压剪刀切割成任意长度的连铸坯，实现含锡铜合金水平连铸过程的连续化生产。

如图7所示，为实施例1中，在不同电磁搅拌电流和频率处理不同时间后，对1μm和5μm及其以上尺寸氧化夹杂物去除效率统计。从图中可以看出，对于1μm和5μm及其以上尺寸氧化夹杂物去除的最高效率均可达到50％以上，为在30A、25Hz处理5min后，1μm和5μm及其以上尺寸氧化夹杂物去除效率分别为57.75％和60.76％。图中也表明了，在高电流高频率的条件下，反而生成了大量的夹杂物。

对比例1：

与实施例1相比，绝大部分都相同，区别在于，在步骤(2)和步骤(3)中均未开启电磁搅拌线圈进行电磁净化。

对比例2：

与实施例1相比，绝大部分都相同，区别在于，在步骤(2)中未开启电磁搅拌线圈进行电磁净化。

检测由对比例1、对比例2处理的含锡铜合金的熔体中大于5μm及以上夹杂物数量密度、1μm和5μm及其以上尺寸氧化夹杂物去除效率。

如图5和6所示，为实施例1和对比例1中，分别在保温炉10中以不同电磁搅拌电流和频率作用下，对含锡铜合金熔体处理后，其含有5μm及以上夹杂物数量密度的对比图。实施例1在保温炉10中在25Hz的固定条件下，分别以30A、40A以及50A处理20min(在浇道6中也以相同的频率以及电流进行处理)，实施例1处理后的熔体中含有的5μm及以上夹杂物数量密度明显低于对比例1未进行电磁处理的熔体。实施例1在保温炉10中在30A的固定条件下，分别以10Hz、25Hz、50Hz处理20min(在浇道6中也以相同的频率以及电流进行处理)，实施例1处理后的熔体中含有的5μm及以上夹杂物数量密度明显低于对比例1未进行电磁处理的熔体。从图中也可以看出，并不是电流和频率越高，处理效果越好，这是因为，较大的电磁搅拌力会反向驱使熔体形成卷渣，从而生成夹杂物。

如图8和9所示，为实施例1和对比例2中，分别在保温炉10中以不同电磁搅拌电流和频率作用下，对含锡铜合金熔体处理后，其含有5μm及以上夹杂物数量密度的对比图。对比例2为在25Hz、30A的条件下处理20min，实施例1(在浇道6中也以相同的频率以及电流进行处理)处理后的熔体中含有的5μm及以上夹杂物数量密度明显低于对比例2处理后的熔体。对比例2在30A、25Hz的条件下处理20min，实施例1(在浇道6中也以相同的频率以及电流进行处理)处理后的熔体中含有的5μm及以上夹杂物数量密度明显低于对比例2处理后的熔体。

如图10所示，为对比例2中，在不同电磁搅拌电流和频率处理不同时间后，对1μm和5μm及其以上尺寸氧化夹杂物去除效率统计。从图中可以看出，对于1μm和5μm及其以上尺寸氧化夹杂物去除的最高效率均在50％以下，为在30A、25Hz处理5min后，1μm和5μm及其以上尺寸氧化夹杂物去除效率分别为38.1％和47.5％，明显低于实施例1处理的效果。

上述的对实施例的描述是为便于该技术领域的普通技术人员能理解和使用发明。熟悉本领域技术的人员显然可以容易地对这些实施例做出各种修改，并把在此说明的一般原理应用到其他实施例中而不必经过创造性的劳动。因此，本发明不限于上述实施例，本领域技术人员根据本发明的揭示，不脱离本发明范畴所做出的改进和修改都应该在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种有色合金连铸中氧化夹杂电磁净化装置，其特征在于，包括沿作业方向依次设置的熔化装置、一次净化装置、二次净化保温装置、铸造装置，

熔化装置：包括熔化炉(1)、设于所述熔化炉(1)外圈的加热部件(4)；

一次净化装置：包括设于所述熔化炉(1)出口端的浇道(6)、设于所述浇道(6)外圈的电磁场发生部件(8)、设于所述浇道(6)出口内壁处的过滤管(9)、靠近所述浇道(6)的加热源(7)，所述浇道(6)为浅平圆形；

二次净化保温装置：包括设于所述浇道(6)出口下方的保温炉(10)、设于所述保温炉(10)外圈的加热部件(4)、设于所述保温炉(10)内壁处的过滤管(9)、设于所述保温炉(10)底部的电磁场发生部件(8)；

铸造装置：包括设于所述保温炉(10)出口端的结晶器(13)、设于所述结晶器(13)出口端的牵引机构(14)、沿所述牵引机构(14)牵引方向设有的二冷水机构(16)、剪切机构(17)。

2.根据权利要求1所述的一种有色合金连铸中氧化夹杂电磁净化装置，其特征在于，所述加热部件(4)选自感应加热线圈、电阻丝加热器、天然气加热器中的任意一种。

3.根据权利要求1所述的一种有色合金连铸中氧化夹杂电磁净化装置，其特征在于，所述加热源(7)为天然气加热源。

4.根据权利要求1所述的一种有色合金连铸中氧化夹杂电磁净化装置，其特征在于，所述过滤管(9)为泡沫陶瓷过滤管。

5.根据权利要求1所述的一种有色合金连铸中氧化夹杂电磁净化装置，其特征在于，所述牵引机构(14)的牵引方式选自水平牵引或垂直牵引中的任意一种。

6.根据权利要求1所述的一种有色合金连铸中氧化夹杂电磁净化装置，其特征在于，所述剪切机构(17)的剪切方式选自液压剪刀剪切、锯床剪切或火焰切割中的任意一种。

7.一种有色合金连铸中氧化夹杂电磁净化方法，基于如权利要求1-6任一所述的电磁净化装置，其特征在于，包括如下步骤：

S1、将若干种有色金属材料投入熔化炉(1)中，通过加热部件(4)加热成熔体(5)；

S2、熔体(5)从熔化炉(1)的出口流到浇道(6)，加热源(7)加热避免熔体(5)凝固，在电磁场发生部件(8)的电磁搅拌作用下，驱动熔体(5)流动，使得熔体(5)中的夹杂物富集在浇道(6)边壁处，形成氧化渣，在浇道(6)边壁处的过滤管(9)对其进行收集，完成一次净化；

S3、一次净化后的熔体(5)进入保温炉(10)，加热部件(4)加热避免熔体(5)凝固，在在电磁场发生部件(8)的电磁搅拌作用下，驱动熔体(5)流动，使得熔体(5)中的夹杂物富集在保温炉(10)边壁处，形成氧化渣，在保温炉(10)边壁处的过滤管(9)对其进行收集，完成二次净化；

S4、将二次净化后的熔体(5)流进结晶器(13)凝固，在牵引机构(14)作用下得到长连铸坯(15)，依次经二冷水机构(16)冷却，经剪切机构(17)剪切成任意长度的连铸坯。

8.根据权利要求7所述的一种有色合金连铸中氧化夹杂电磁净化方法，其特征在于，于S1步骤，所述有色金属材料选自电解铜板、含锡铜合金、工业纯锡、锌及其合金、铝及其合金、镁及其合金中的任意一种或多种。

9.根据权利要求7所述的一种有色合金连铸中氧化夹杂电磁净化方法，其特征在于，于S2步骤，通过改变通入电磁场发生部件(8)中的交变电流的电流强度对夹杂物去除程度进行调控，所通入电磁场发生部件(8)的交流电的电流强度为1-1000A；

通过改变通入电磁场发生部件(8)中的交变电流的电流频率对夹杂物去除程度进行调控，所通入电磁场发生部件(8)的交流电的电流频率为0.01-1000Hz；

通过改变通入电磁场发生部件(8)中的交变电流的方向对夹杂物去除程度进行调控，形成的搅拌方式选自连续搅拌、交替搅拌或间歇搅拌中的任意一种；

电磁场发生部件(8)作用的时间为1-1000s，浇道长度为0.1-10米。

10.根据权利要求7所述的一种有色合金连铸中氧化夹杂电磁净化方法，其特征在于，于S3步骤，通过改变通入电磁场发生部件(8)中的交变电流的电流强度对夹杂物去除程度进行调控，所通入电磁场发生部件(8)的交流电的电流强度为1-1000A；

通过改变通入电磁场发生部件(8)中的交变电流的电流频率对夹杂物去除程度进行调控，所通入电磁场发生部件(8)的交流电的电流频率为0.01-1000Hz；

通过改变通入电磁场发生部件(8)中的交变电流的方向对夹杂物去除程度进行调控，形成的搅拌方式选自连续搅拌、交替搅拌或间歇搅拌中的任意一种；

电磁场发生部件(8)作用的时间为1-1000s。