CN1288790A - 一种施加复合电磁场的金属连续铸造方法 - Google Patents
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Abstract
铸造领域的一种施加复合电磁场的金属连续铸造方法,包括电磁铸型(4)、液体金属(8)、电磁线圈和浇注、拉坯、冷却、供电系统,特征:在铸型外侧,距其上端面30—100mm处设置与液面(10)处于同一水平面、频率为10—100kHz的高频线圈(6);在对应直浇道(9)出口处设有电磁铁(5);在电磁铸型出口下方,设有频率为3—60Hz的低频搅拌线圈(3);铸造中始终保持液面与高频线圈上端面高度误差±10mm。优点:(1)降低表面粗糙度32%,(2)减少夹杂和疏松,(3)提高等轴晶比率24%。
Description
本发明涉及到电磁连续铸造方法，属于金属材料铸造领域。
连续铸造是通过向底部置于底座的铸型内连续浇注液体金属，不断拉动底座而生产铸坯的方法。这种方法现已成为钢铁材料的主要生产方法，目前发达国家的连铸比已达99％，我国也接近70％。这是由于连铸和模铸相比能提高生产效率、节能。因此，提高连铸铸坯的质量是获得优质钢材的关键。
在连续铸造过程中，通常将粉末状润滑剂加入到铸型内的金属液面上，其熔化后进入液体金属和铸型之间，形成保护膜，防止铸型被高温液体金属损坏。为了使润滑剂能顺利地流入铸型和铸坯之间，生产中采用了上下振动铸型的方法。但是，铸型振动会引起液面的周期变形，使铸坯表面产生振纹，并在振纹处形成偏析、裂纹等缺陷。同时铸坯内部还存在夹杂、中心偏析、疏松等缺陷，这将极大地影响了连铸坯的质量。为了解决这一质量问题，在连铸铸型外设置通有交流电的线圈，线圈中的交变电流在铸型内形成交变磁场，并在液体金属中诱导出感应电流，带有感应电流的液体金属在交变磁场中受到从铸型壁指向中心的电磁力的作用，使液面处的液体金属的在铸造过程中保持离开铸型壁，不随铸型振动而变形，因而消除了因铸型振动引起的种种表面缺陷。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，使铸型内的液体金属受电磁力作用离开铸型壁，增大了润滑剂流路的厚度，减轻了液体金属和铸型之间的接触压力，改善了铸坯的表面质量。但是，由于使用的是工频交流电，液体金属内会产生搅拌流，容易将润滑剂和夹杂卷进金属液池深处，形成铸造缺陷。
1994年专利JP06277803提出了施加复合电磁场的电磁连铸方法，即：于铸型外侧施加中频交流磁场，既改善了铸坯的表面质量，又减轻了液面处的搅拌流，为了使中频磁场能穿透金属铸型作用于液体金属，使用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，进一步减轻液面流动，保持液面安定的技术方案，已成为现有技术中的典型。该技术用电磁铸型取代无缝隙的连铸铸型，在电磁铸型外侧设置通有3.4kHz交流电的中频线圈，为了使液面安定，中频线圈外侧安装了磁石。铸造时，先将底座置入电磁铸型内，通过直浇道向电磁铸型内浇注液体金属，随着向下拉动底座，实现连续铸造。由于中频线圈产生的电磁力支持液体金属离开电磁铸型，磁石抑制了液面流动，使液面安定，改善了铸坯的表面质量。但是，利用上述技术生产的铸坯，仍然存在中心部等轴晶比率少、偏析、疏松和夹杂等难以克服的缺陷。
本发明的目的是在保证铸坯表面质量的基础上，克服现有技术存在的(1)铸坯中心部等轴晶比率少、偏析、疏松，(2)内部夹杂多的铸造缺陷。并提出一种能达到改善铸坯表面质量、抑制液池内搅拌流、增加等轴晶比率、消除中心部偏析和疏松，从而获得高质量连铸坯的一种施加复合电磁场的金属连续铸造方法的技术解决方案。
经分析现有连铸坯表面缺陷产生的主要原因是由于铸型上下振动使液面周期变形，以及液体金属接触激冷铸型所引起的。如果在液面附近设置高频线圈可以在液体金属中产生交变磁场b和感应电流j，交变磁场和感应电流的交互作用使液体金属受到由型壁指向电磁铸型中心的电磁力F＝j×b，在此电磁力的作用下，液体金属离开电磁铸型，使其不随电磁铸型振动而变形，可以改善现有连铸坯的表面质量，感应电流j产生的焦耳热q＝j2/σ使金属液处于缓慢冷却状态，也改善铸坯的表面质量。并且，通过高频线圈的电流频率越高，引起液面流动越小，产生的焦耳热越大，越有利于改善铸坯的表面质量。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，液体金属以速度u经直浇道流出后，在铸坯凝固壳处以速度u1和u2分别向下和向上流动。若在此处设置直流电磁铁，则液体金属内存在垂直于铸造方向、进入纸面的恒定磁场B，导电率为σ的液体金属在磁场B中流动时产生感应电流，
j1＝σ(u1×B)，j2＝σ(u2×B)液体金属所受的电磁力为
F1＝-σB2u1，F2＝-σB2u2速度为u1、u2的液体金属流受到和流动方向相反的电磁力F1、F2作用，抑制了其在电磁铸型内的流动，减轻了杂质的卷入量，可提高铸坯内部质量；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，当树枝晶相互搭接后堵塞了液体金属的补缩通道，易产生疏松缺陷，在铸坯凝固一段时间后，施加低频交流电磁场b，则在铸坯金属液池内诱发电动势E＝-b/t，产生感应电流j＝σE，电流和磁场作用形成电磁驱动力f＝j×b，使液体金属流动，这减少了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，减轻了疏松和偏析缺陷。
本发明的基本构思是在型壁上沿铸造方向开设等宽缝隙的电磁铸型外侧，设置有高频交流电的高频线圈，高频线圈上端面与液面处在同一水平面上；在高频线圈下面，对应直浇道出口附近设置直流电磁铁；在电磁铸型出口下面设置有低频交流电的低频搅拌线圈；铸造过程中，先将底座置入电磁铸型内，分别接通高频线圈、直流电磁铁和低频搅拌线圈的电源，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，随着向下拉动底座，实现复合电磁场作用下的连续铸造。
本发明所提出的一种施加复合电磁场的金属连续铸造方法，主要是由电磁铸型[4]、电磁线圈、液体金属[8]、浇注系统、拉坯系统、冷却系统和供电系统所构成，其特征在于：在电磁铸型[4]的外侧，距其上端面30-100mm处设置有其上端面与液面[10]处于同-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]；在电磁铸型[4]出口的下方，设置有频率为3-60Hz、电流为100-200A的低频搅拌线圈[3]；铸造过程中，先将底座[1]置入电磁铸型[4]内，开动冷却系统，再将感应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]上端面在同一水平面上，其误差应在±10mm范围之内，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，启动拉坯系统，凝固后的铸坯[2]在拉坯系统的作用下，随底座[1]连续向下运动，此时，应使液面始终保持在与高频线圈上端面相同的水平面上，其液面高度的波动误差为±10mm，停止浇注时，应切断电源，关闭冷却系统，停机。
本发明适用于圆坯、方坯的连铸；一般铸坯断面尺寸较小时，施加于高频线圈的功率和高频线圈上端面与电磁铸型上端面的距离均应取下限值，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)用高频线圈[6]替代了现有技术中的中频线圈[12]和磁石[11]，不但保证了金属液面的安定，而且可向液体金属提供更多的焦耳热，使铸坯的表面质量更好，表面粗造度降低32％，(2)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，(3)在电磁铸型[4]出口下面设置低频搅拌线圈[3]，提高铸坯等轴晶的比率24％，减轻了铸坯内部的疏松。
下面结合附图进一步说明本发明的细节。
图1是本发明所设计电磁铸型、高频线圈、直流电磁铁和低频搅拌线圈的整体布置正视剖面结构示意图。
在电磁铸型[4]的外侧，于液面[10]高度处设置有高频线圈[6]，高频线圈的上端面与液面处于同一水平面；在高频线圈下面，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]被浇注到电磁铸型内，凝固后的铸坯[2]在拉坯系统的作用下，随底座[1]连续向下运动。符号[7]为电磁铸型的等宽缝隙，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。
正方形电磁铸型[4]的4个型壁面，在每个型壁上都沿铸造方向开设5条平行的等宽缝隙[7]，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]安装在电磁铸型[4]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。
图中显示的两块直流电磁铁[5]设置在电磁铸型[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。
图中显示的由4组独立线圈组成的低频搅拌线圈[3]是设置在电磁铸型下方，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是现有技术的电磁铸型、电磁线圈、磁石整体布置的正视剖面结构示意图。
在电磁铸型[4]外侧，液面[10]附近设置有频率为3.4kHz的中频线圈[12]；在中频线圈[12]外面，对应液面位置设置两块磁石[11]；液体金属[8]经直浇道[9]被浇注到电磁铸型内，凝固后的铸坯[2]在拉坯系统的作用下，随底座[1]连续向下运动。符号[7]为电磁铸型的等宽缝隙，使用过程中用耐火材料添塞。
图6是高频电磁场改善铸坯表面质量原理示意图。
液体金属[8]被浇注到电磁铸型[4]内后，在型壁处首先形成凝固壳状铸坯[2]；在电磁铸型[4]外侧，于液面[10]高度处设置高频线圈[6]后，液体金属中会产生向上的交变磁场b和指向纸面内的感应电流j；j和b作用产生由型壁指向电磁铸型中心的电磁力F＝j×b；同时，高频线圈向金属液提供焦耳热q＝j2/σ，用虚线箭头表示。结果可以保持液面安定，并使其在缓慢冷却条件下凝固，改善了铸坯的表面质量。符号[7]为电磁铸型的等宽缝隙，使用过程中用耐火材料添塞。
图7是直流电磁铁抑制金属液流动原理示意图。
液体金属[8]经直浇道[9]，以速度u流出后，在电磁铸型[4]内铸坯[2]凝固壳处分别以速度u1、u2向下和向上流动。设置在直浇道出口附近的直流电磁铁在液体金属内形成方向指向纸面内的恒定磁场B，则导电率为σ、流速为u1、u2的液体金属在磁场B中流动时，受到和流动方向相反的电磁力F1＝-σB2u1和F2＝-σB2u2的作用，结果抑制了直浇道浇注引起的流动，减轻了铸造过程产生的夹杂。符号[7]和[10]分别为电磁铸型的等宽缝隙和液面。
本发明的具体实施例如下：
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。采用本发明施加复合电磁场的金属连续铸造方法，其步骤如下：
第一步准备铸型和线圈
采用的铜制电磁铸型[4]其内部尺寸100×100×400mm，外部尺寸146×146×400mm，在距型壁上端面20mm处沿4个侧面开设20条其宽度为0.4mm，长度为160mm的等宽缝隙[7]；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65kW，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
用电炉将碳素钢坯料熔化至1600℃，保温、精炼除渣，待用。
第三步连续铸造
先将底座[1]置入电磁铸型[4]内，接通冷却系统经检查正常后，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[4]内，保持液面[10]与高频线圈[6]上端面在同一水平面内，其允许误差为±10mm，并向铸型内添加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，启动拉坯系统以0.6m/min的速度向下拉动底座[1]，随着钢水的不断浇入和底座[1]的下移，始终应保持液面高度与高频线圈的上端面在相同的水平面上及其允许的误差值；停止浇注时，应切断电源，关闭冷却系统，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0.22mm，断面的夹杂物数量为0.2个/100cm2，等轴晶比率为71％。
这个结果与现有技术相比，表面粗糙度降低29％，夹杂物数量从1个/100cm2降低到0.2个/100cm2，等轴晶比率增加22％。
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。采用本发明施加复合电磁场的金属连续铸造方法，其步骤如下：。
第一步准备铸型和线圈
采用的铜制电磁铸型[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条宽度为0.4mm，长度为160mm的等宽缝隙[7]；高频线圈[6]为4匝，内部尺寸φ130×80mm，外部尺寸φ154×65mm，高频电流频率80kHz，施加功率为60kW，高频线圈[6]上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]的频率为50Hz，电流120A，安装在距电磁铸型[4]出口80mm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，检测其表粗糙度为0.2mm，断面的夹杂物数量为0.2个/100cm2，等轴晶比率为73％。
这个结果与现有技术相比，表面粗糙度降低35％，夹杂物数量从1个/100cm2降低到0.2个/100cm2，等轴晶比率增加26％。
Claims (1)
1.一种施加复合电磁场的金属连续铸造方法，主要是由电磁铸型[4]、液体金属[8]、设在电磁铸型[4]外侧的电磁线圈、浇注系统、拉坯系统、冷却系统和供电系统所构成，其特征在于：
a)、在电磁铸型[4]的外侧，距其上端面30-100mm处设置有一个上端面与液面[10]处于同一水平面、频率为10-100kHz、功率为40-100kW的高频线圈[6]，
b)、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0直流电磁铁[5]，
c)、在电磁铸型[4]出口的下方，设置有频率为3-60Hz、电流为100-200A的低频搅拌线圈[3]，
d)、铸造过程中，先将底座[1]置入电磁铸型[4]内，开动冷却系统，再将感应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]上端面在同一水平面上，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，启动拉坯系统，凝固后的铸坯[2]在拉坯系统的作用下，随底座[1]连续向下运动，此时，应使液面始终保持在与高频线圈上端面相同的水平面上，其液面高度的波动误差为±10mm，停止浇注时，应切断电源，关闭冷却系统，停机。
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