CN1290644C - 一种激发金属液形核的方法和装置 - Google Patents
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Abstract
本发明属于金属铸造领域，是一种凝固过程中激发金属液形核的方法和装置，它包括至少一个具有冷却能力的晶核发射器1和振动发生源2，该冷却的晶核发射器1浸入铸造或连铸前的金属液体6中，使得金属液在晶核发射器上迅速形成初生晶核，晶核发射器1的高频小振幅振动使得晶核被大量、连续不断的弹射到金属液体中，形成其后金属凝固过程中生成大量等轴晶的核心8。达到提高铸件内部等轴晶率的目的，同时可改善铸坯中心缩孔和疏松。
Description
技术领域
本发明属于金属铸造领域，特别涉及铸造过程提高铸件内部等轴晶率的方法及促进金属液形核的装置。
背景技术
在现有金属的铸造及连铸生产技术中，由于选分结晶所造成的铸件和连铸坯中心质量降低，尤其是高合金钢、高碳钢铸件及连铸坯所产生的中心偏析、中心缩孔、中心疏松等问题是影响后部轧材质量的核心问题。为了解决上述问题，长期以来在该技术方面开发了许多专利和技术，这些专利和技术主要有电磁搅拌技术和超声振动破碎枝晶技术。中国专利号ZL 99250649.2和ZL 01106053.0都是连铸结晶器电磁搅拌器的典型使用方法，是在连铸结晶器的外侧放置电磁感应线圈或搅拌器，当电磁感应线圈或搅拌器通入一定频率的交变电流时，就会产生电磁场，该磁场穿透结晶器铜板和金属凝固壳并在液态金属中产生感生电流，液态金属相当于一载流体，该载流体又受磁场作用，便在载流体中产生电磁力，从而使液态金属产生强迫对流，流动的液态金属将冲刷凝固壳的前沿，并折断和破碎树枝晶，这些折断和破碎树枝晶将成为以后等轴晶生长的核心，从而达到了电磁搅拌器提高铸坯等轴晶率的目的。
电磁搅拌器的应用是提高铸坯内部质量的有效方法。但其在使用中也存在一定的缺点，一是电磁搅拌容易使铸坯产生“白亮带”或负偏析带，影响了铸坯性能的均匀性；二是电磁搅拌器穿透金属壳后的能量损失大，而且随着连铸坯坯壳的变厚，电磁场穿透金属壳所损失的能量也越大，效果降低。
超声振动用于改善金属铸件的凝固组织的研究和报到较多也比较早，超声波通常指1秒振动20000次以上的高频声波。《沈阳工业学院院报》1997年9月第16卷第3期9-13页报到了一篇《超声振动对铸造合金结晶过程的影响》的报告，其认为超声波引入正在凝固的金属液可以破碎已凝固的坯壳前沿的枝晶，并使其成为以后形核的核心，而且要求超声波发射源与凝固壳的距离越近越好，否则效果较差。该方法的主要缺点有三个：一是正如该文章所述超声波作用距离较短；二是只能作用于破碎已凝固坯壳，不能作用于未凝固的金属液；三是对于象钢液等高熔点金属，超声波发射源如何保持使用寿命。
发明内容
本发明的目的在于提供一种新颖的激发凝固过程金属液形核的方法和装置，它可以在凝固坯壳形成之前产生作用，也可以对凝固过程中的金属液产生作用，显著提高金属铸件和连铸坯内部的等轴晶率，以达到明显改善金属铸件和连铸坯中心缩孔和疏松、减少偏析的目的。
为了实现上述目的，本发明提出了如下的技术解决方案：
一种激发金属液形核的方法，它包括如下步骤：
a)至少一个具有冷却能力的晶核发射器1浸入铸造或连铸过程中的金属液体6中，使得上述金属液体6在晶核发射器上迅速形成初生晶核7；
b)所述晶核发射器1进行高频小振幅振动，使得上述晶核7随着晶核发射器的高频振动被大量、连续不断的弹射到金属液体中，形成其后金属凝固过程中生成大量等轴晶的核心8。
一种激发金属液形核的装置，它包括如下装置：
a)至少一个晶核发射器1：具有冷却结构，使得上述金属液体6在晶核发射器上迅速形成初生晶核7，置于金属液体6中做高频小振幅振动；
b)振动发生源2：与晶核发射器1相连，驱动所述的晶核发射器1产生所需的振动。
附图简要说明
图1是本发明提供的激发金属液形核的装置及其方法的示意图。
图2是本发明中晶核生成与弹射出去的示意图。
图3为图1中晶核发射器1的结构示意图，该晶核发射器带有冷却结构及外部带有部分喷涂层或镶套层。
图4为图1中晶核发射器1的结构示意图，该晶核发射器带有冷却结构，外部带有喷涂的外层或镶套的外层。
图5为本发明应用于连铸中间包内对金属液进行振动激发形核处理的示意图。
图6本发明应用于连铸结晶器内对金属液进行振动激发形核处理的示意图。
图7本发明应用于铸件流道内对金属液进行振动激发形核处理的示意图。
图8为晶核发射器1的外层11之多层结构。
图9为晶核发射器1的外层11之分段结构。
图10为本发明应用两个晶核发射器在金属液容器中进行振动激发形核处理的示意图。
图11为本发明应用两个晶核发射器在连铸中间包中进行振动激发形核处理的示意图。
图12为本发明应用两个晶核发射器在连铸结晶器中进行振动激发形核处理的示意图。
图13为本发明应用两个晶核发射器分别在连铸中间包和结晶器两个操作位置中进行振动激发形核处理的示意图。
图中标记为：
1晶核发射器，2振动发生源，3传输管线，4振动驱动系统，5金属液容器，6金属液，7在晶核发射器上生成的初生晶核，8弹射入金属液中的生成等轴晶的核心，9冷却介质，10晶核发射器主体的金属结构，11晶核发射器的外层，12连铸中间包，13连铸大包长水口，14连铸浸入式水口，15连铸结晶器，16连铸坯，17铸模浇口，18金属流道，19金属铸件，20铸模。
具体实施方式
本发明的关键是采用具有冷却能力的晶核发射器的前端浸没在金属液体中，该晶核发射器在振动发生源的驱动下做高频小振幅振动；当金属液体接触到晶核发射器的前端时，由于冷却作用，金属液体在晶核发射器上迅速形核；这些初生晶核将随着晶核发射器的高频振动被大量、连续不断的弹射到金属液体中，形成其后金属凝固过程中生成大量等轴晶的核心。并以此达到提高铸件等轴晶率、减少铸坯偏析和疏松的目的。
下面结合附图详细介绍本发明的实施例，参见图1，本发明的振动激发金属液形核的装置由以下部分组成：带有冷却结构的晶核发射器1，振动发生源2，传输管线3和振动驱动系统4，5为放置金属液体6的容器，既可以用于模铸工艺也可以用于连铸工艺，包括非晶制造工艺。
当位于该装置前端的晶核发射器1浸入金属液容器5内与浇铸过程中的金属液6接触时，由于冷却作用，金属液体6将在晶核发射器上迅速冷却形核7(见图2)；这些初生晶核将随着晶核发射器的高频振动被大量、连续不断的弹射到金属液体中。由于浇铸过程中的金属液都具有较低的过热度，尤其是在连铸结晶器内进行处理时，金属液的过热度几乎为零，因此由晶核发射器弹射到金属液中的晶核将大部分保存下来，不被熔化，并形成其后金属凝固过程中生成大量等轴晶的核心。
本装置中的晶核发射器1带有冷却结构，晶核发射器1与振动发生源2固定连接在一起，并在振动发生源2的驱动下做高频小振幅振动，其振动幅度为0.001-1mm，振动频率为5-15000Hz，最好在25-5000Hz。振动幅度、频率过小，金属液体在晶核发射器表面冷却形核后，并直接生长在晶核发射器表面，无法形成大量发射的晶核；振动幅度、频率过高，则金属液体无法在晶核发射器表面冷却形核。因此，可以理解，在使用时，晶核发射器的振动频率既可以是一个固定值，也可以是在一定范围内交替变化的变化值。
晶核发射器1的表面温度为从液相线温度到液相线温度以下700℃，如果晶核发射器的表面温度过高，高于液相线温度，则金属液无法在晶核发射器表面冷却形核；如果晶核发射器的表面温度过低，低于液相线温度以下700℃，则金属液将很快在晶核发射器上形成的过厚的凝壳。需要强调的是，对于不同的金属液体由于其液相线温度有所不同，要求的晶核发射器1表面温度也相应的有所不同。
对于进行形核处理的金属液体6的过热度，与不使用本发明方法和装置的浇铸工艺参数一致，对于连铸过热度较低，模铸过热度稍高。一般过热度范围为0～80℃。如果过热度过高，大于80℃，弹射出的晶核将会很快大量被金属液体融化；如果过热度过低，小于0℃，金属液采用与不采用本发明装置对金属液进行处理其金属液凝固后的组织差别不大。
本发明适用于各种金属凝固过程的形核，参见附图，图1为直接用于对模铸前金属液容器内的金属液进行形核处理、图5为连铸过程中在中间包内对金属液进行形核处理，图6为连铸过程中在结晶器内对金属液进行形核处理，图7为在模铸过程中在铸件的流道内对金属液进行处理。
本发明可用于各种钢铁和有色金属凝固前的金属液的处理，包括但不限于低碳钢、低合金钢、合金结构钢、弹簧钢、硬线钢、轴承钢、工具钢、奥氏体不锈钢、马氏体不锈钢、铁素体不锈钢、铝、铝硅合金、铅、铅锡合金和铝镁合金等金属液体的处理，表1和表2提供了采用本发明的方法处理的金属液种类、典型品种代号和化学成份，以及处理时所采用的各种参数，包括过热度范围、振动频率、振幅、晶核发射器表面温度等工艺参数。
从表2可以看出，这些具体工艺参数如过热度范围、振动频率、振幅、晶核发射器表面温度可以进行对应的调节，例如：如果晶核发射器表面温度较低，则较高的振动频率下仍然可以产生足够数量的弹射晶核，满足本发明的需要。
本发明得到的振动激发金属液形核的装置由四部分组成：带有冷却结构的晶核发射器1，振动发生源2，传输管线3和振动驱动系统4，5为放置金属液体6的容器，可以是模铸工艺也可以是连铸工艺。
除了使用单独的晶核发射器的实施例，本发明还给出了可以采用两个或多个晶核发射器的实施例，这里两个或多个晶核发射器可以一起放置于一个操作位置，如：金属液的容器中(见图10)、连铸中的中间包(见图11)或结晶器中(见图12)的任何一个操作位置，也可以分别放置于的各个操作位置(见图13)。
振动驱动系统4可以是电机驱动的、液压驱动、压缩气体驱动或电磁场驱动的。
为了提高晶核发射器在高温金属液中的使用寿命和晶核发射量，晶核发射器内部可通入水、油或气体等冷却介质进行冷却。
在晶核发射器浸入金属液部分的外表面(见图3)或全部外表面(见图4)喷涂或镶套以耐火材料、石墨、金属陶瓷、非金属陶瓷和其它金属合金等外层11。该喷涂或镶套的外层11可以具有隔热功能，以避免金属液在其上形成太厚的凝固壳，或者避免金属液在其上形成稳定的凝固壳。外层11可以是单层或多层结构(见图8)，也可以是等厚度或不等厚度的分段结构(见图9)。
为了保持晶核发射器的强度和韧性，防止污染金属液，晶核发射器的主体结构的材质为金属材料如铜、钢、铸铁、其它金属材料及其合金，或上述各种金属材料的组合。
与现有技术相比，本发明得到的振动激发金属液形核方法和装置，可以在凝固坯壳形成之前产生作用，既可以克服电磁搅拌使用不当所造成的凝固过程负偏析的产生，又可以克服超声振动作用距离短、只能破碎枝晶，无法处理液态金属的缺点，达到提高等轴晶率的目的；同时可改善铸坯中心缩孔和疏松。
表1使用典型金属的化学成分表％
| 金属液序号 | 金属种类 | 典型品种 | C | Si | Mn | P | S | Al | Cr | Sn | Pb | Cu | Ni |
| 1 | 低碳钢 | Q195 | ≤0.1 | ≤0.3 | 0.25～0.5 | ≤0.03 | ≤0.03 | ||||||
| 2 | 低合金钢 | 16Mn | 0.14～0.16 | 0.25～0.5 | 1.0～1.6 | ≤0.03 | ≤0.03 | 0.02～0.05 | ≤0.2 | ||||
| 3 | 合金结构钢 | 20CrMnSi | 0.17～0.23 | 0.90～1.20 | 0.8～1.1 | 0.8～1.1 | |||||||
| 4 | 弹簧钢 | 60Si2Mn | 0.55～0.65 | 1.5～2.0 | 0.6～0.9 | ≤0.03 | ≤0.03 | ||||||
| 5 | 硬线钢 | 82B | 0.79～0.86 | 0.15～0.35 | 0.6～0.9 | ≤0.03 | ≤0.03 | ||||||
| 6 | 轴承钢 | GCr15 | 0.95～1.05 | 0.15～0.35 | 0.2～0.4 | ≤0.02 | ≤0.02 | 1.3～0.65 | |||||
| 7 | 工具钢 | T13 | 1.25～1.35 | ≤0.35 | ≤0.4 | ≤0.03 | ≤0.03 | ||||||
| 8 | 奥氏体不锈钢 | 0Cr18Ni9 | ≤0.06 | ≤1.0 | ≤2.0 | ≤0.03 | ≤0.03 | 17.0～19.0 | 8.0～11.0 | ||||
| 9 | 马氏体不锈钢 | 2Cr13 | 0.16～0.24 | ≤0.60 | ≤0.80 | ≤0.03 | ≤0.03 | 12.0～14.0 | |||||
| 10 | 铁素体不锈钢 | 1Cr17 | ≤0.12 | ≤0.80 | ≤0.80 | ≤0.03 | ≤0.03 | 16.0～18.0 | |||||
| 11 | 铝 | 纯铝 | 100 | ||||||||||
| 12 | 铝硅合金 | Al-Si10 | 9～11 | 89～91 | |||||||||
| 13 | 铅 | 纯铅 | 100 | ||||||||||
| 14 | 锡 | 纯锡 | 100 | ||||||||||
| 15 | 铅锡合金 | Pb-Sn60 | 58～62 | 38～42 | |||||||||
| 16 | 铝镁合金 | ZL301 | Mg8.5～.11.5 | 89～91 | 13 |
表2典型金属液使用参数
| 金属液序号 | 典型品种 | 使用过热度范围℃ | 振动频率Hz | 晶核发生器表面温度低于液相线温度℃ | 振幅mm | |
| 1 | Q195 | 0～30 | 2000～6000 | 100～500 | 0.01～0.05 | |
| 30～60 | 5000～12000 | 200～700 | 0.005～0.05 | |||
| 2 | 16Mn | 0～30 | 1500～7000 | 100～450 | 0.01～0.05 | |
| 20～60 | 5000～10000 | 200～650 | 0.005～0.03 | |||
| 3 | 20CrMnSi | 0～30 | 2000～7000 | 100～400 | 0.01～0.015 | |
| 30～60 | 5000～10000 | 200～600 | 0.005～0.01 | |||
| 4 | 60Si2Mn | 0～30 | 1000～6000 | 100～350 | 0.02～0.1 | |
| 30～60 | 4000～9000 | 150～550 | 0.01～0.04 | |||
| 5 | 82B | 0～30 | 1000～6000 | 100～350 | 0.02～0.06 | |
| 30～60 | 3000～9000 | 150～500 | 0.01～0.02 | |||
| 6 | GCr15 | 0～30 | 500～5000 | 100～300 | 0.04～0.06 | |
| 20～60 | 3000～9000 | 150～450 | 0.02～0.04 | |||
| 7 | T13 | 0～30 | 500～5000 | 100～300 | 0.06～0.08 | |
| 30～60 | 3000～9000 | 150～450 | 0.04～0.06 | |||
| 8 | 0Cr18Ni9 | 0～30 | 1000～8000 | 100～500 | 0.01～0.1 | |
| 20～60 | 5000～12000 | 200～600 | 0.05～0.08 | |||
| 9 | 2Cr13 | 0～30 | 1000～8000 | 100～400 | 0.02～0.1 | |
| 30～60 | 2000～10000 | 200～600 | 0.06～0.15 | |||
| 10 | 1Cr17 | 0～30 | 1000～8000 | 100～300 | 0.08～0.1 | |
| 30～60 | 2000～10000 | 150～450 | 0.06～0.1 | |||
| 11 | 纯铝 | 0～50 | 30～500 | 20～400 | 0.1～0.15 | |
| 50～80 | 1000～3000 | 20～400 | 0.05～0.1 | |||
| 12 | Al-Si10 | 0～30 | 30～300 | 20～300 | 0.15～0.2 | |
| 30～80 | 1000～3000 | 20～300 | 0.1～0.15 | |||
| 13 | 纯铅 | 0～30 | 100～1000 | 10～200 | 0.15～0.2 | |
| 30～80 | 1000～4000 | 10～200 | 0.1～0.15 | |||
| 14 | 纯锡 | 0～30 | 100～1000 | 20～200 | 0.2～0.25 | |
| 50～80 | 2000～5000 | 20～200 | 0.15～0.2 | |||
| 15 | Pb-60Sn | 0～20 | 10～300 | 10～100 | 0.25～0.4 | |
| 30～80 | 1000～3000 | 10～150 | 0.2～0.25 | |||
| 16 | ZL301 | 0～50 | 10～250 | 20～300 | 0.15～0.2 | |
| 50～80 | 500～3000 | 20～300 | 0.1～0.15 | |||
Claims (15)
1.一种激发金属液形核的方法，其特征在于：它包括如下步骤：
a)至少一个具有冷却能力的晶核发射器(1)浸入铸造或连铸过程中的金属液体(6)中，使得上述金属液体(6)在晶核发射器上迅速形成初生晶核(7)；
b)所述晶核发射器(1)进行高频小振幅振动，使得上述晶核(7)随着晶核发射器的高频振动被大量、连续不断的弹射到金属液体中，形成其后金属凝固过程中生成大量等轴晶的核心(8)。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：该方法适用于至少下列一种金属凝固过程的形核：直接用于对模铸过程中金属液容器内的金属液进行形核处理、连铸过程中对中间包内金属液、结晶器内金属液进行形核处理，和在铸件的流道内对金属液进行处理。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：该方法可用于黑色金属和有色金属凝固前的金属液的处理。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述的晶核发射器(1)的振动为机械振动。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述的晶核发射器(1)的振动幅度为0.001-1mm。
6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述的晶核发射器(1)的振动频率为5-15000Hz。
7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述的晶核发射器(1)的振动频率为25-5000Hz。
8.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述的晶核发射器(1)的表面温度为从液相线温度到液相线温度以下700℃。
9.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述的金属液体(6)的过热度为0～80℃。
10.一种激发金属液形核的装置，其特征在于：它包括如下装置：
a)至少一个晶核发射器(1)：具有冷却结构，使得金属液体(6)在晶核发射器上迅速形成初生晶核(7)，置于金属液体(6)中可做高频小振幅振动；
b)振动发生源(2)：与晶核发射器(1)相连，驱动所述的晶核发射器(1)产生所需的振动；
c)振动驱动系统(4)，用于产生振动所需的驱动力；
d)传输管线(3)用于连接振动驱动系统(4)和振动发生源(2)。
11.根据权利要求11所述的装置，其特征在于，当所述的晶核发射器数量多于或等于两个时，该晶核发射器同时或分别放置于模铸前金属液容器内、连铸中间包内、连铸结晶器内和铸件的流道中的至少一个操作位置。
12.根据权利要求11所述的装置，其特征在于，所述的晶核发射器(1)芯部通入的水、油或气体等冷却介质(9)进行冷却。
13.根据权利要求11所述的装置，其特征在于，所述的振动驱动系统(4)为电机驱动、液压驱动、压缩气体驱动或电磁场驱动的。
14.根据权利要求11所述的装置，其特征在于，所述的晶核发射器(1)的主体为铜、钢、铸铁、其它金属材料及其合金，或上述材料的组合。
15.根据权利要求11所述的装置，其特征在于，所述的晶核发射器的外层(11)部分或全部为耐火材料、石墨、金属陶瓷、非金属陶瓷和其它金属合金。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
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| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| C14 | Grant of patent or utility model | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| EE01 | Entry into force of recordation of patent licensing contract |
Assignee: Zhong Da National Engineering and Research Center of Continuous Casting Technology Co.,Ltd. Assignor: CENTRAL IRON AND STEEL Research Institute Contract fulfillment period: 2007.12.15 to 2013.12.15 Contract record no.: 2008990000624 Denomination of invention: Method and apparatus for exciting metal liquid nucleus Granted publication date: 20061220 License type: Exclusive license Record date: 20081008 |
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| LIC | Patent licence contract for exploitation submitted for record |
Free format text: EXCLUSIVE LICENSE; TIME LIMIT OF IMPLEMENTING CONTACT: 2007.12.15 TO 2013.12.15; CHANGE OF CONTRACT Name of requester: ZHONGDA CONTINUOUS CASTING TECHNOLOGY AND ENGINEER Effective date: 20081008 |
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| CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee | ||
| CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee |
Granted publication date: 20061220 Termination date: 20220110 |