CN1970195A - 金属连续铸造方法及实施该方法所用装置 - Google Patents

Abstract

本发明属于冶金技术领域，涉及一种金属连续铸造方法及实施该法所用装置，既可用于连铸坯，也可用于液态金属合金冶炼的变性处理。本发明通过潜入式水口从中间钢水罐将液态金属送到结晶器中，同时启动向结晶器传送冷材的机械装置，该装置包括钢带(线)及其退卷机和矫直牵引机。钢带(线)从退卷机上退出，穿过矫直牵拉结构沿导向管送入无接触电磁振动器，当钢带(线)经过无接触电磁振动器∏字型槽时被振动，使其与液态金属接触之前，一直保持着振动的频率和振幅。避免了冷材进入金属液时金属和渣子在其表面上的冷凝，极大地加快了冷材熔化和混匀过程，从而达到浇铸金属被均匀冷却的目的，提高了金属和合金连铸坯的质量。

Description

金属连续铸造方法及实施该方法所用装置

技术领域：

本发明属于冶金技术领域，涉及一种金属连续铸造方法及实施该法所用装置，既可用于连铸坯，也可用于液态金属合金冶炼的变性处理。

背景技术：

世界各国钢的连续浇注实践证明，连铸坯的一种典型的也是最难消除的缺陷之一，是轴向化学不均质性。并且这一缺陷是不可避免的。为了减小这一缺陷对连铸坯质量的影响，世界各国采用了很多办法。US3726331，US4047556，苏联专利No.2809672/22-02公开了一些有助于提高金属和合金连铸坯质量的工艺措施，是往金属熔体里补加各种各样固态可消耗的冷材，其长度超过最大横向尺寸很多倍，如棒材、线材或带材。这些已知的方法和实施的装置不能保证稳定地提高连铸坯的质量。这是因为所加可消耗冷材只向给料方向运动，不能与金属液形成互动的促进作用。其结果是，可消耗冷材熔化和混匀过程难度大大增加，时间延长，因为可消耗冷材刚进入金属液时，其表面首先凝固了一层熔体表面的金属、渣子和非金属夹杂，然后才能受热和熔化。渣子和非金属夹杂物随之进入熔体深处，成为连铸锭和连铸坯的新污染源。采用这样的装置，可消耗冷材料在金属液里分布不均匀，导致了连铸锭和连铸坯的组织不均匀性。

乌克兰专利No.40053A公开了一种已知的金属连铸结晶装置，包括结晶器，向结晶器送入金属液的部件，加入可消耗冷材的部件和向可消耗冷材传递脉冲的部件。脉冲传递部件被做成放电箱的形式，向可消耗冷材传递与其运动方向相同的电动液压冲击脉冲。这种已知的装置也不能明显保证连铸坯的质量，最主要的是不能稳定的改善连铸坯的组织结构。这是因为在向可消耗冷材传递与其方向相同的电动液压脉冲时达不到冷材与金属液之间足够强度的质量交换。因为消耗冷材长度相当长，所以这种振动能实际上没有传递到熔体里，事实上，振动能基本上全部被冷材所吸收，特别是在冷材丧失弹性的时候。其结果是，在结晶器(槽)金属弯液面区域，可消耗冷材表面沾结一层金属、渣子和非金属夹杂物，减慢了冷材熔化速度，造成冷材材料在熔体分散不均匀，金属锭(坯)组织不均匀，加重了金属里面非金属夹杂的污染度。

就工艺实质而言，日本专利No.56-4133公开了最接近的一种向金属液添加补充物的装置，包括液态金属容器，把可消耗冷材加入金属液的设备(由卷筒和牵拉结构以及造成冷材强制性振动的装备所组成)。强制振动装置为超声波振动源，其辐射器中有一个贯穿的孔洞供冷材通过，冷材通过滑动触点从振动源接受超声波振动。该装置也有一系列不足。该装置使用的超声波振动可使冷材达到5-12μm的振幅(即使在滑动触点相当紧密时)。这样的振幅也不能传递大范围金属液所必需的能量。因为传递给冷材的振动能量向两个方向传播，既向被处理金属的方向，也向相反的方向，因此本装置的效率低下。此外，振动源与冷材之间的滑动接触点不能提供可靠的声学接触，这同样造成振动能量的大量丢失。所以，使用这样装置连续铸钢而企图改善钢锭(钢坯)的组织结构也不会有好的效果。当冷材以小的振动能量(小的振幅)进入到熔体时，其表面会冷凝金属、渣子，使其熔化过程明显拖长，效果不好。连续铸锭中有组织不均匀区，以及非金属夹杂污染加重区。组织不均匀性既有偏析过程的原因，也有未熔化冷材残留的原因。

发明内容：

本发明旨在改进金属连铸时的结晶装置以提高连铸锭(坯)的质量，降低组织不均匀性。提供一种金属连续铸造方法及实施该方法所用装置

本发明的技术方案如下：在金属连铸结晶装置中，包括结晶器(槽)，向结晶器(槽)供入金属液的部件，向结晶槽传送可消耗冷材的机构组件(包括可消耗冷材卷，旋转卷筒，矫直结构，最低带有两对驱动辊和一套控制件的牵拉结构)可消耗冷材的强制谐振源，以及带控制组件的连铸机牵拉机械。可消耗冷材为化学成分与所铸金属相类似的冷线材或冷带材。液态金属不断送入结晶器，从结晶器不断地拉出可供下一步加工的坯子。同时，向结晶器送入至少一根化学成分与所铸金属相类似的可消耗冷材。借助电磁铁的作用，赋予冷材以强制性谐振，其振幅、频率和波长则取决于所连铸金属的物理化学参数和铸造过程的工艺条件。本发明的原理如下：

-强制谐振源是一个无接触电磁振动器，在水平平面上有Π字形孔槽，在无接触电磁振动器前和后均装有导向辊。导向辊轴线与无接触电磁振动器轴线之间的距离按下列关系式确定：

L₁＝n·λ/2和L₂＝(2n＝1)·λ/4    (1)

式中：L₁为无接触电磁振动器轴线到前导向辊轴线间的距离，mm；

L₂为无接触电磁振动器轴线到后导向辊轴线间的距离，mm；

N为1、2……K间的任何整数；

λ为可消耗冷材强制性谐振波的波长，mm；

-无接触电磁振动器水平平面的Π字形孔槽的间隙，可在(2-15)·δ范围内调节，式中δ为冷材厚度(直径)，mm；

-传送冷材的牵拉结构辊轮轴线到无接触电磁振动器轴线间的距离(L₃)按下式确定：

L₃＝(2n-1)·λ/4

式中n为1、2……K中的任何整数；

λ为可消耗冷材谐振波的波长，mm；

-喂材机牵拉机械驱动控制件与连铸机牵拉机械驱动控制件相连，能够自动调节冷材的单耗。也就是应用常用的反馈技术安装反馈装置。

强制谐振源由无接触电磁振动器构成，并在水平平面上有Π字形孔槽，这就保证了可消耗冷材具有振幅不低于1.0mm的稳定的谐振，并因此通过冷材将大功率的振动能输送到金属液中。这就极大地加快了冷材与金属液之间的质量交换。

无接触电磁振动器装配有控制件，它可根据金属液的物理化学参数和数量、可消耗冷材传送速度、过程的温度条件等来改变冷材强制谐振波振幅。

强制振动源在无接触电磁振动器的前、后均装配了导向辊。导向辊轴线到无接触振动轴线间的距离按式(1)确定：

试验证明，无接触电磁振动器前导向辊布置在距其轴线n·λ/2倍的距离上，可阻止振动能量向熔体的反方向传递。结果，传递给冷材的振动能量基本上能完全地传递到金属液中，这样，实质上加大了本装置的效能。如果导向辊安置的距离不符合这个关系式的要求，就会分散振动能量，从而降低振动能和冷材对于金属液的影响效果，使该装置生产条件整体上变坏。

无接触电磁振动器后导向辊布置在与其轴线(2n-1)·λ/4倍关系的距离上，可保证振动能量无障碍地传递到所铸金属液中。如果导向辊安装距离没有符合这个要求，会使向金属液传递的振动能量部分的衰减和分散，因而大大降低该装置的工作效率，难以生产出必要质量的金属铸锭(坯)。

试验证明，无接触振动器水平平面的孔槽呈Π字形，并可在(2-15)·δ范围内调节间隙(式中δ为冷材厚度或直径，mm)，能保证可消耗冷材必要的振幅和频率值。间隙小不能保证电磁振动器平稳的工作，而且会引起噪音效应。缝隙大时则会因电磁振动器大量损失感应强度而降低冷材的振幅。

试验证明，冷材喂料机的牵拉结构辊轮与无接触电磁振动器轴线的安装距离成(2n-1)·λ/4倍关系，可保证牵拉结构稳定地工作。在这个距离下，可消耗冷材的余振(如果有的话)不会传递到牵拉机构的辊轮上，也不会降低辊轮的工作效率。这将保证该装置能平稳地工作，平稳地将冷材传送到结晶器(槽)中，并生产出优质连铸锭(坯)。

冷材喂料机牵拉机械驱动控制件与连铸机牵拉机械驱动控制件连在一起，保证了根据金属连铸的线速度自动调节冷材喂料速度的可能性，这就保证了按所需的数量给料。

冷材耗量最佳值和经冷材传送到熔体的振动效率最佳值，保证了冷材与熔体之间质量交换情况明显改善，保证了熔体温度和熔体中温度梯度的降低。这导致在熔体中形成等轴晶体，使偏析情况分散，扩大了轴向等轴晶带，相应地降低了整体轴心偏析，保证了制取均一组织的铸锭(坯)。

实施本发明专利连铸装置中：通过潜入式水口(9)从中间钢水罐(7)将液态金属(8)送到结晶器(槽)(10)中，同时启动向结晶器(槽)传送冷材的机械组合，该组件包括钢带(线)(2)及其退卷机(1)和矫直牵引机(3)。

可消耗冷材为带材或线材，由与所铸金属液化学成分相近的材料制成。

钢带(线)(2)从退卷机(1)上退出，穿过矫直牵拉机构沿导向管(5)送入无接触电磁振动器(6)。

当钢带(线)(2)经过无接触电磁振动器(6)Π字型槽时被赋予了有规定振频和振幅的振动。由于无接触电磁振动器(6)保证了钢带(线)(2)的谐振，所以在其与液态金属(8)接触之前，一直保持着振动的频率和振幅。

矫直牵引机(3)的驱动控制件与连铸机牵拉机械驱动控制件连在一起，保证了可消耗冷材的给料速度可根据金属浇铸的线速度而自动调节。

无接触电磁振动器配备有电磁铁(13)电磁铁前导辊(11)和电磁铁后导辊(14)。

从电磁铁(13)前导向辊(11)轴线至电磁铁轴线的距离(L₁)按下列关系式确定：

L₁＝n·λ/2    (a)

式中：n-任何整数，

λ-可消耗冷材振动波的波长，mm。

在L₁的这一数值下，冷材的最大振幅与电磁铁前导辊(11)轴线相对应，这就吸收了与熔体方向相反的振动。因此，绝大部分振动能传向了金属液方向。

电磁铁(13)后导辊(14)的轴线至电磁铁轴线的距离(L₂)按下列关系式确定：

L₂＝(2n-1)·λ/4    (b)

式中：n-任何整数，

λ-冷材振动波的波长，mm。

在L₂的这一数值下，冷材的最小振幅(接近0)与导向辊(14)的轴线相对应。结果使可消耗冷材的振动无障碍地传递到所铸金属的方向，保证了冷材与金属液和作用的最大效果。

试验证明，无接触电磁振动器水平平面Π字形孔槽的间隙可调，调节范围(2-15)·δ[式中δ为冷材的厚度(直径)，mm]，可保证可消耗冷材振动所需的振幅和频率值。间隙小不能保证电磁振动器平衡地工作，而且会造成大的噪声效应。间隙大时会因电磁振动器中感应强度大量丢失而使可消耗冷材的振幅严重衰减。

图1标示了相对无接触电磁振动器轴线配置至少两对冷材牵拉机构的辊轮。标示的距离L₃应按正式确定：

L₃＝(2n-1)·λ/4    (c)

式中：n-任何整数，

λ-冷材振动波长，mm

在L₃的这一数值下，冷材的余振传不到牵拉机械的辊轮上，也不会降低工作效率。

所有这一切，都保证了该装置稳定地工作，稳定地向结晶器(槽)传送可消耗冷材，进而生产出优质连铸锭。

本发明中，被浇铸金属的均匀冷却，使结晶过程中熔体内的温度梯度明显降低，这本身就保证了金属锭(坯)里均匀的分散的偏析，明显减少了轴心偏析，连铸锭(坯)整体上得到了较均匀的组织结构。在冷材进入金属液时避免了金属和渣子在其表面上的冷凝，极大地加快了冷材熔化和混匀过程，从而达到浇铸金属被均匀冷却的目标。广泛用于钢、铁、合金类金属的铸造。

附图说明：

图1为金属连铸方法所用装置系统图

图2为无接触电磁振动器结构示意图

具体实施方式：

实施例1：

连铸钢使用，钢含碳0.40％，连铸速度0.43-0.44m/min。

连铸过程中，不断向结晶器(槽)(直径φ530mm)传送可消耗冷材(钢带，截面3×80mm)，给送速度4.1m/min，给送速度可根据连铸速度计算，钢带碳含量0.35％。利用无接触电磁振动器激发起可消耗冷材的谐振，谐振频率95-100HZ，波长540mm，振幅4.0-5.0mm。

在本具体实例中，距离L₁-270mm(n＝1)，L₂-135mm(n＝1)，L₃-2295mm(n＝9)。

电磁振动器中Π字形孔槽宽度30mm，是冷钢带厚度的10倍。

使用这种连铸工艺保证了可消耗冷钢带的完全熔化，改善了连铸锭的组织机构；

-轴心偏析从3.0级降到1.0-1.5级，

-中心等轴晶带从铸锭截面15-20％增到40-45％，达到了分散偏析的目标。

实施例2：

连铸钢使用，钢含碳0.40％，浇铸初速0.43m/min。

连铸过程中，不断向结晶器(槽)(直径φ530mm)送入钢带，(截面3×80mm)，给送速度4.1m/min，钢带碳含量0.35％。在无接触电磁振动器作用下，冷钢带内激起谐振，频率95-100HZ，波长540mm。

在本具体实例里，距离L₁-324mm(n＝1.1)，L₂-162mm(n＝1.1)，L₃-2322mm(n＝9.1)。

电磁振动器Ⅱ型缝隙宽度30mm，是冷钢带厚度的10倍。

L₁，L₂，L₃尺寸的改变引起下列不良现象：

由于L₁的距离不符合给定的相关关系(a)，加大了冷钢带与所铸钢水的逆向振动。

由于L₃的距离不符合给定的相关关系(c)，实质上加剧了牵拉机构中冷钢带的振动，引起给送冷钢带的机械停顿现象，使装置不能整体上平稳地工作。

由于L₂的距离不符合给定的相关关系(b)，严重缩小了冷钢带在所铸钢水方向的振幅。如果说实施例1振幅为4.0-5.0mm的话，那么在本实施例中只是在0-0.8mm间波动，装置工作不稳定。

在本实施例里，即使浇铸速度降到0.35m/min，喂送冷钢带的速度降到0.25-0.26m/min，也保证不了冷钢带熔化。可见本发明L₁，L₂，L₃尺寸关系的重要。

实施例3：

连铸钢使用，钢的碳含量0.40％，浇铸速度0.43m/min。

连铸过程中，不断向结晶器(槽)(直径φ530mm)给送冷钢带(截面3×80mm)，给送速度4.1m/min，钢带碳含量0.35％。在无接触电磁振动器作用下，冷钢带内激起谐振，频率95-100HZ，波长540mm，振幅4.0-5.0mm。

在本具体实例里，距离L₁-270mm(n＝1)，L₂-135mm(n＝1)，L₃-2295mm(n＝9)。

电磁振动器Π字型缝隙开始的宽度30mm，是冷钢带厚度的10倍。

在上述参数下，装置的工作很正常，铸锭质量也高。

当电磁振动器Π字型缝隙缩小到5.0mm时，冷钢带振幅急剧降到＜1.0mm，而且钢带与电磁铁碰击发生大的噪音。冷钢带的谐振波也遭到破坏，本身影响了铸锭质量。

当电磁振动器Π字型缝隙增大到46.0mm时，由于电磁铁供电系统中感应强度大量丢失，致使冷钢带振幅急剧下降到＜1.0mm。振幅的降低影响了冷钢带的熔化条件，保证不了所要求的金属质量水平。

根据多次的实验得出所添加冷钢材的振幅范围为0.5mm-15.0mm。所添加冷钢材的振频为10-1000Hz。所添加冷钢材的振动波长为100-600mm。具体应用时可根据连铸金属的物理化学参数和连铸过程的工艺条件在上述振幅、振频和波长范围内参照实施例和有关关系式调整得出最佳值时稳定应用。

Claims (9)

1、一种金属连续铸造方法，包括退卷机、牵引机、剪断机、导向管、振动器、中间钢水罐和结晶器，钢带(2)从退卷机上进入矫直牵引机(3)、从导向管(5)进入振动器(6)再进入结晶器(10)，向结晶器送入至少一根化学成分与所铸金属相类似的可消耗冷材，液态金属不断从中间钢水罐(7)通过潜入式水口(9)送入结晶器(10)，从结晶器不断地拉出可供下一步加工的坯子，其特征在于：向结晶器送入至少一根化学成分与所铸金属相类似的可消耗冷材时，借助电磁铁作用的无接触电磁振动器(6)，赋予可消耗冷材以强制性谐振。

2、根据权利要求1所述的一种金属连续铸造方法，其特征在于：所添加冷钢材的振幅范围为0.5mm-15.0mm。

3、根据权利要求1所述的一种金属连续铸造方法，其特征在于：所添加冷钢材的振频为10-1000Hz。

4、根据权利要求1所述的一种金属连续铸造方法，其特征在于：所添加冷钢材的振动波长为100-600mm。

5、根据权利要求1所述的一种金属连续铸造方法，其特征在于：所述的可消耗冷材为冷线材或冷带材。

6、根据权利要求1所述的一种金属连续铸造方法，其特征在于：所述的金属为钢或铁或合金。

7、一种金属连续铸造方法所用装置，其特征在于：包括退卷机、矫直牵引机、剪断机、导向管、振动器、中间钢水罐和结晶器，其特征在于：矫直牵引机最低带有两对驱动辊和一套控制件，为可消耗冷材提供强制谐振源的振动器为无接触电磁振动器，矫直牵引机辊子到无接触电磁振动器轴线间的距离按下式确定：

L₃＝(2n-1)·λ/4

式中n为1、2……K中的任何整数；

λ为可消耗冷材谐振波的波长，mm。

8、一种无接触电磁振动器，其特征在于：无接触电磁振动器，在水平平面上有∏字型孔槽，配备有电磁铁(13)、电磁铁(13)前装有电磁铁前导辊(11)、前导辊(11)前装有支承辊(12)、电磁铁后面装有后导辊(14)，前导向辊(11)的轴线、后导辊(14)的轴线与无接触电磁振动器轴线间的距离L₁和L₂按下列关系式确定：

L₁＝n·λ/2  和L₂＝(2n-1)·λ/4

式中：L₁为无接触电磁振动器轴线到前导向辊轴线间的距离，mm；

L₂为无接触电磁振动器轴线到后导向辊轴线间的距离，mm；

N为1、2……K间的任何整数；

λ为可消耗冷材强制性谐振波的波长，mm。

9、根据权利要求8所述的无接触电磁振动器，其特征在于：电磁振动器∏字型水平孔槽可调节，调节范围为所加冷钢材厚度的2倍到15倍。

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