利用电磁力致熔体振荡的低频脉冲磁场凝固细晶方法技术

本发明专利技术涉及一种金属材料制备技术。一种利用电磁力致熔体振荡的低频脉冲磁场凝固细晶方法，是将低频脉冲磁场励磁线圈安装在铸型外，当金属熔体通过浇注设备进入铸型内，开启低频脉冲电源，低频脉冲电源产生的脉冲电流，经过励磁线圈产生低频脉冲磁场，作用于铸型内的金属熔体；脉冲放电频率fT为1～25Hz，脉冲波形频率fw为1～50Hz，脉冲电压Um为0～500V。本发明专利技术的低频脉冲磁场技术的瞬时磁场强度大，在熔体内部产生方向往复变化的电磁振荡力更易令枝晶破碎，而且与金属熔体非接触、无污染，可应用于金属大尺寸铸坯凝固过程。

【技术实现步骤摘要】
利用电磁力致熔体振荡的低频脉冲磁场凝固细晶方法
本专利技术涉及一种金属材料制备技术，尤其涉及一种利用电磁力致熔体振荡的低频脉冲磁场凝固细晶方法。
技术介绍
金属铸坯的等轴晶比率提高有利于提高铸坯的轧制性能，减少铸坯的内裂、中心偏析的组织缺陷。目前，冶金工艺生产中通用的方法是，降低浇注过热度，电磁搅拌技术的投入使用。实践证明：15℃以下的浇注过热度，才能显著提高金属的等轴晶比率，而低过热度使钢水流动性变差，造成水口容易堵塞，夹杂物难以上浮等诸多问题。电磁搅拌技术的使用可以适当提高浇注过热度范围，但实际应用又面临以下问题：1、电磁力大小的局限，使等轴晶比率不高以及不稳定；2、趋肤效应的存在使得电能利用率不高；3、二冷段电磁搅拌技术使用，铸坯存在负偏析和V型偏析等问题；4、设备花费大，且后期维修复杂。电磁振荡技术是利用电磁场对熔体产生振荡的作用，可以显著的细化金属的凝固组织。学者们提出了各种形式的电磁振荡技术，20世纪90年代，Radjai利用静磁场和交变电流起到了诱使熔体发生振荡的作用。Iwai提出利用直流电流与静磁场产生振荡作用也可以显著扩大等轴晶区。Nakada在熔体中插入电极，通入单一的脉冲电流，以产生振荡。上述三类方法都需要在熔体中插入电极，因此存在着污染金属，影响金属纯净度的问题。Vives等专利技术了利用静磁场和交变磁场相互作用在熔体内部产生一个交变电磁力，迫使熔体发生振荡，从而细化金属晶粒、去除气体以及提高充型能力，这种方法虽然可以避免金属污染问题，但是磁场强度大小有限，无法达到1T以上。近年来，訾炳涛首先利用脉冲电流通入励磁线圈以产生脉冲磁场，对熔体产生电磁振荡作用。而后，中国专利0510030736.4公布了一种利用磁振振荡技术细化金属晶粒的方法。这两种产生脉冲磁场的方法主要是采用高电压、大电容式脉冲电源，其原理都是利用大电容储能瞬间释放，产生强磁场。该类型电源采用的油浸式电容体积庞大，价格昂贵，而且需要在专门的实验室才能保证安全正常工作，不利于应用于实际工业生产。而且这种类型的电源充电和放电时间过长，单位时间内放电次数过低（大约3次左右），不利于对金属凝固过程进行控制。并且，由于电源与负载的匹配，脉冲磁场波形频率大，趋肤效应的影响使得小尺寸试样效果明显，但对于工业生产大尺寸铸坯细化效果尚不明确。中国专利200810228547.1公布了一种低压脉冲磁场作用下细晶金属材料的制备方法，该方法采用低压脉冲磁场作用于金属的凝固过程以获得细化的组织，避免了上述两种方法中的高电压问题。其原理是凝固初期，当凝固壳尚未形成，利用低压脉冲磁场促使游离晶核从型壁上脱落，但当凝固壳存在时，型壁上由于过冷生成的游离晶消失，此时利用低压脉冲磁场不能获得良好的细化效果。这种原理对于许多连铸类型工序应用存在一定问题，比如钢的连铸过程，按照该种方法的原理，励磁线圈应该安装于结晶器上端，此时钢水由浸入式水口进入，结晶壁产生的游离晶核将被融化，而安装于结晶器下段，此时铸坯凝固壳生成，无法提供游离晶核。另外，该种方法对于大尺寸铸坯的细化效果尚不明确。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种利用电磁力致熔体振荡的低频脉冲磁场凝固细晶方法，该方法的低频脉冲磁场技术的瞬时磁场强度大，在熔体内部产生方向往复变化的电磁振荡力更易令枝晶破碎，而且与金属熔体非接触、无污染，可应用于金属大尺寸铸坯凝固过程。为了实现上述技术目的，本专利技术采用如下技术方案：一种利用电磁力致熔体振荡的低频脉冲磁场凝固细晶方法，将低频脉冲磁场励磁线圈安装在铸型外，当金属熔体通过浇注设备进入铸型内，开启低频脉冲电源，低频脉冲电源产生的脉冲电流，经过励磁线圈产生低频脉冲磁场，作用于铸型内的金属熔体；脉冲放电频率fT为1～25Hz，脉冲波形频率fw为1～50Hz，脉冲电压Um为0～500V。所述脉冲放电频率fT为1～20Hz。所述脉冲波形频率fw为10～50Hz。所述脉冲电压Um为100～500V。本专利技术的凝固细晶方法是利用电磁力致熔体振荡的低频脉冲磁场技术，相比于电磁搅拌技术，一方面，低频脉冲磁场技术瞬时磁场强度大，可以避免电磁搅拌技术电磁力大小的局限；另一方面，低频脉冲磁场技术主要在熔体内部产生方向往复变化的电磁振荡力，相比电磁搅拌技术单方向的搅拌力，更易令枝晶破碎。而且低频脉冲磁场波形频率低、与金属熔体非接触，无污染，可应用于金属大尺寸铸坯凝固过程，特别是钢的连铸过程。本专利技术适用于大尺寸金属铸坯的凝固过程，可获得晶粒细小的凝固组织。该技术电源设备制作简单，易实现工业现场的实际应用，相比同等磁场强度的电磁搅拌技术，其电源消耗显著降低，可以极大节省吨钢成本。本专利技术由于采用了低频脉冲磁场技术，与现有技术相比具有如下优点：1、储能电容经过充电后在极短时间内放出，能够产生强度很大的电磁力。2、磁场频率低，可避免趋肤效应的影响，应用于钢、铜等电导率较大，趋肤效应明显，而且铸坯尺寸较大的金属凝固过程。3、相比单方向搅拌的电磁搅拌技术，方向来回变化的电磁力在熔体中形成“反向流”，更容易使铸坯中正在生长的枝晶破碎，而且能够避免电磁搅拌引起的负偏析问题。4、由于脉冲磁场是长时间进行能量储存，而短时间内释放的磁场，其瞬时功率大，而平均功率小。而电磁搅拌为了实现较高磁场强度，需要低电压、大电流一直保持输出，其平均功率大，这就对电源设备提出了要求，需要昂贵的可控硅整流装置。因此，本专利技术采用低频脉冲磁场技术相比电磁搅拌技术，可显著降低电能消耗，省去强大的冷却设备。5、由于采用励磁线圈产生电磁振荡力，因此与金属熔体非接触，无污染。附图说明图1低频脉冲磁场电路结构图；图2低频脉冲磁场电源波形图；图3低频脉冲电磁振荡技术凝固细晶机理图。图中Fmag为脉冲电磁力，B为脉冲磁场强度，u为枝晶间流速；图中-，展现了在方向变化的脉冲电磁力作用下，枝晶被打断破碎的过程。图4为低频脉冲磁场下浇注模拟试验装置图，图中：1为冷却水，2为励磁线圈，3为坩埚，4为冒口，5为铸模，6为金属熔体；图5不同磁场形式下的Sn-20%Pb微观组织，图中：a）旋转式电磁搅拌；b）行波式电磁搅拌；c）螺旋式电磁搅拌；d）低频脉冲磁场；图6低频脉冲磁场下304奥氏体不锈钢的典型宏观凝固组织图，图中：a）未施加低频脉冲磁场，b）施加低频脉冲磁场。具体实施方式下面结合附图和具体实施例对本专利技术作进一步说明。一种利用电磁力致熔体振荡的低频脉冲磁场凝固细晶方法，将低频脉冲磁场励磁线圈安装在铸型5外，参见图4，当金属熔体6通过浇注设备，如通过坩埚3经冒口4进入铸型5内，开启低频脉冲电源，低频脉冲电源产生的脉冲电流，经过励磁线圈2产生低频脉冲磁场，作用于铸型5内的金属熔体6；励磁线圈2由铜管绕制而成，铜管内通入高强度的去离子循环冷却水1，以防止线圈发热而被损坏。本专利技术中的脉冲电流波形为正弦波，图2为利用示波器测量的实际脉冲输出电流波形图，对于脉冲电流波形，其决定参数有脉冲峰值电流Um，脉冲波形频率fw，脉冲放电频率fT。脉冲放电频率fT为1～25Hz（较佳放电频率范围1～20Hz），脉冲波形频率fw为1～50Hz（较佳波形频率范围为10～50Hz），脉冲电压Um为0～500V（较佳电压范围为100～500V）。本专利技术利用电磁力致熔体振荡的低频脉本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种利用电磁力致熔体振荡的低频脉冲磁场凝固细晶方法，其特征是：将低频脉冲磁场励磁线圈安装在铸型外，当金属熔体通过浇注设备进入铸型内，开启低频脉冲电源，低频脉冲电源产生的脉冲电流，经过励磁线圈产生低频脉冲磁场，作用于铸型内的金属熔体；脉冲放电频率fT为1～25Hz，脉冲波形频率fw为1～50Hz，脉冲电压Um为0～500V。

【技术特征摘要】
1.一种利用电磁力致熔体振荡的低频脉冲磁场凝固细晶方法，其特征是：在钢的连铸过程的二冷段，将低频脉冲磁场励磁线圈安装在铸型外，当金属熔体通过浇注设备进入铸型内，开启低频脉冲电源，低频脉冲电源产生的脉冲电流，经过励磁线圈产生低频脉冲磁场，作...

【专利技术属性】
技术研发人员：华骏山，张永杰，
申请(专利权)人：宝山钢铁股份有限公司，
类型：发明
国别省市：上海;31