本发明专利技术涉及一种电磁复合控制电渣重熔细晶铸造方法及装置，属于金属材料制备领域。该方法利用施加的脉冲磁场与熔体中的感生电流和电渣重熔电流复合产生的周期性电磁力作用下，金属熔体产生强制对流，细化金属材料凝固组织，减少成分偏析。而且，金属液滴在方向和大小周期性变化的电磁力作用下能够碎化成细小的液滴，提高金属液滴与渣液的接触面积和接触时间，起到很好的净化作用。该装置包括电渣重熔工作电源、脉冲电源和电磁复合控制电渣重熔结晶器，结晶器设有结晶器紫铜内套、侧面冷却水套、底部冷却水套、励磁线圈。本发明专利技术可用于高温合金、高合金钢等金属材料的电渣重熔精炼，能够细化合金凝固组织，减少偏析，提高电渣重熔工艺的精炼效果。
【技术实现步骤摘要】
一种电磁复合控制电渣重熔细晶铸造方法及装置
本专利技术涉及一种电磁复合控制电渣重熔细晶铸造方法及装置，特别是利用脉冲磁 场与熔体中的感生电流和电渣重熔电流复合产生的周期性电磁力，复合控制电渣重熔过程 中金属材料的凝固组织的方法及装置，属于金属材料制备领域。
技术介绍
传统电渣重熔（ESR)是利用电流通过熔渣时产生的电阻热作为热源来熔化自耗 电极的合金母材，液体金属以熔滴形式经渣层下落至水冷结晶器中的金属熔池内，即渣洗 清洁钢液，从而达到精炼合金的方法。 电渣重熔过程中，金属液滴大小决定了金属液滴与渣液的接触面积和接触时间， 对提高杂质和夹杂物的去除效率至关重要，因为金属液滴愈小，夹杂物和杂质元素从金属 液滴内部迁移到液滴表面所需的时间愈短，杂质和夹杂物更容易去除，而且金属液滴愈小， 液滴在渣池中沉降的时间也愈长，精炼效果更为显著。另外，金属熔池区域金属凝固时，由 于底部和结晶器内套都是通过冷却水冷却，铸锭凝固过程中很容易形成粗大的斜向上生长 的柱状晶，而且柱状晶晶界附近与晶内，铸锭中心与铸锭边部都存在明显的成分偏析，晶粒 粗大、成分偏析对后续的塑性变形或直接使用都会造成严重影响。 目前，对于如何有效细化金属液滴和铸锭组织，技术开发人员提出了一些相关的 技术，例如：2009年上海大学钟云波教授通过施加稳恒磁场，在熔池区域产生电磁激荡效 应；2013年钟教授通过改进又提出了外加瞬变磁场控制电渣熔铸的方法，通过独特的电磁 力效应提高了精炼效率、细化晶粒并且成分偏析减小；东北大学李宝宽教授2009年提出了 旋转电磁搅拌提高精炼效率和改善铸坯凝固组织的技术，取得了一定效果。但是纵观这些 技术，其工作电流和工作电压都非常高，在工业上实施比较困难。而且只能够细化铸锭边缘 组织，对铸锭心部组织的细化效果不明显。
技术实现思路
为了满足电渣重熔工艺对电渣锭质量和晶粒细化的要求，本专利技术的目的是提供一 种电磁复合控制电渣重熔细晶铸造方法及装置，采用脉冲磁场作用于渣池中的金属液滴和 金属熔池中金属熔体，不仅能够提高精炼效果，改善铸锭内部质量，减少偏析，而且能够细 化铸锭内部组织，尤其细化铸锭中心部位的凝固组织。 本专利技术的技术方案如下： -种电磁复合控制电渣重熔细晶铸造方法，利用施加的脉冲磁场与熔体中的感生 电流和电渣重熔电流复合产生的周期性电磁力作用下，金属熔体产生强制对流，细化金属 材料凝固组织，减少成分偏析。 所述的电磁复合控制电渣重熔细晶铸造方法，采用脉冲电源输出的可控制脉冲电 流，在励磁线圈中产生脉冲磁场，其脉冲电压控制在50?200V。 所述的电磁复合控制电渣重熔细晶铸造方法，电渣重熔细晶铸造过程中，脉冲磁 场的频率控制在2. 5?20Hz范围内。 所述的电磁复合控制电渣重熔细晶铸造方法，具体按以下步骤进行： (a)将励磁线圈安装在渣池和金属熔池部位，并与脉冲电源输出端连接； (b)启动电渣重熔炉，通过铸造机控制电渣铸锭下行的速度，当渣池和金属熔池在 结晶器中的位置稳定之后，开启脉冲电源，采用脉冲电源输出的可控制脉冲电流，在励磁线 圈中产生脉冲磁场,控制脉冲磁场的电压与频率,脉冲电压控制在50?200V ;电渣重熔细 晶铸造过程中，脉冲磁场的频率控制在2. 5?20Hz范围内； (C)脉冲磁场与熔体中的感生电流和电渣重熔电流复合产生的周期性电磁力作用 下，金属熔体产生强制对流，抑制金属熔池中固液界面附近晶核的长大，细化金属材料凝固 组织，减少成分偏析； (d)金属液滴在方向和大小周期性变化的电磁力作用下能够碎化成液滴，提高金 属液滴与渣液的接触面积和接触时间，起到净化作用； (e)当电渣重熔结束并且铸锭完全凝固后，关闭脉冲电源，使励磁线圈停止工作， 关闭电渣重熔电源，取出自耗金属电极，并取出铸锭。 所述方法专用的电磁复合控制电渣重熔细晶铸造装置，该装置包括电渣重熔工作 电源、脉冲电源和电磁复合控制电渣重熔结晶器，结晶器设有结晶器紫铜内套、侦愐冷却水 套、底部冷却水套、励磁线圈，具体结构如下： 结晶器紫铜内套内的底部设置与电渣铸锭同材质的引锭，结晶器紫铜内套外侧设 置侧面冷却水套，侧面冷却水套的下部侧面设置侧面冷却水套进水口，侧面冷却水套的上 部侧面设置侧面冷却水套出水口，励磁线圈设置于冷却水套内的冷却水中，励磁线圈与脉 冲电源连接； 电渣重熔工作电源分别与金属电极和紫铜电极板连接，金属电极的一端伸至结晶 器紫铜内套中，通过金属电极使结晶器紫铜内套中形成渣池和金属熔池，渣池位于金属熔 池顶部；紫铜电极板设置于引锭的底部，与引锭接触；紫铜电极板的底部设置底部冷却水 套，底部冷却水套的底部设置下拉杆和底部冷却水套进水口，底部冷却水套进水口穿设于 下拉杆中，底部冷却水套的侧面设置底部冷却水套出水口。 所述的电磁复合控制电渣重熔细晶铸造装置，结晶器的外壳为铸铁材质，结晶器 的上下法兰为不锈钢材质，且厚度均为5?10mm。 所述的电磁复合控制电渣重熔细晶铸造装置，结晶器内套采用紫铜材质，厚度为 15?25mm，形状为喇叭状，且上口小、下口大，倾斜角度为1?6°。 所述的电磁复合控制电渣重熔细晶铸造装置，磁感应线圈直接浸泡在结晶器冷 却水套内，用于产生脉冲磁场，励磁线圈由横截面尺寸为3X8mm塑封扁铜线绕制而成，高 50?85mm，总匝数为50?300。 所述的电磁复合控制电渣重熔细晶铸造装置，首先将结晶器安装到电渣重熔铸造 平台，在紫铜水冷结晶器内套里盛有熔融的电渣，自耗金属电极一端插入熔渣内，自耗金属 电极、渣池、金属熔池、引锭、紫铜电极板通过导线和电渣重熔工作电源形成回路；在通电过 程中，渣池释放焦耳热，将自耗金属电极端头逐渐熔化，熔融金属汇聚成液滴，穿过渣池，落 入结晶器，形成金属熔池，受水冷作用，迅速在引锭顶部凝固形成钢锭。 本专利技术的设计思想是： 本专利技术利用脉冲磁场与熔体中的感生电流和电渣重熔电流复合产生的周期性电 磁力作用于金属熔池中金属熔体产生强制对流和强烈振荡，促进晶核向中心游离，并能够 有效抑制晶核的长大，从而达到细化金属材料凝固组织，减少成分偏析的目的。而且，金属 液滴在方向和大小周期性变化的电磁力作用下能够碎化成细小的液滴，提高了金属液滴与 渣液的接触面积和接触时间，从而提高渣池的精炼效果。 对于脉冲磁场应用于金属烙体静态凝固的研究表明，脉冲磁场产生的脉冲电磁力 作用于金属熔体，使熔体产生强制对流和强烈振荡，可以碎化粗大枝晶，增加形核率，合金 晶粒细化效果明显。另外，低频脉冲磁场对金属熔体穿透力更强，可以实现更大面积铸锭的 铸造。对于电磁复合控制电渣重熔细晶铸造工艺来说，重要的是结晶器的设计和工艺参数 的匹配，本专利技术结晶器是在传统电渣重熔结晶器的基础上进行改进创新，并通过与冷却水 强度、铸造速度和电渣重熔交变电流等工艺参数的匹配，获得表面质量好、组织均匀、晶粒 细化的电渣铸锭。 与现有技术相比，本专利技术的优点及有益效果主要有： 1、本专利技术提供的电磁复合控制电渣重熔细晶铸造方法及装置，脉冲电压控制范围 为50?200V，脉冲磁场频率控制范围为2. 5?20Hz，与现有技本文档来自技高网...
【技术保护点】
一种电磁复合控制电渣重熔细晶铸造方法，其特征在于，利用施加的脉冲磁场与熔体中的感生电流和电渣重熔电流复合产生的周期性电磁力作用下，金属熔体产生强制对流，细化金属材料凝固组织，减少成分偏析。
【技术特征摘要】
1. 一种电磁复合控制电渣重熔细晶铸造方法，其特征在于，利用施加的脉冲磁场与熔 体中的感生电流和电渣重熔电流复合产生的周期性电磁力作用下，金属熔体产生强制对 流，细化金属材料凝固组织，减少成分偏析。2. 按照权利要求1所述的电磁复合控制电渣重熔细晶铸造方法，其特征在于：采用 脉冲电源输出的可控制脉冲电流，在励磁线圈中产生脉冲磁场，其脉冲电压控制在50? 200V。3. 按照权利要求1所述的电磁复合控制电渣重熔细晶铸造方法，其特征在于：电渣重 熔细晶铸造过程中，脉冲磁场的频率控制在2. 5?20Hz范围内。4. 按照权利要求1所述的电磁复合控制电渣重熔细晶铸造方法，其特征在于，具体按 以下步骤进行： (a) 将励磁线圈安装在渣池和金属熔池部位，并与脉冲电源输出端连接； (b) 启动电渣重熔炉，通过铸造机控制电渣铸锭下行的速度，当渣池和金属熔池在结晶 器中的位置稳定之后，开启脉冲电源，采用脉冲电源输出的可控制脉冲电流，在励磁线圈中 产生脉冲磁场，控制脉冲磁场的电压与频率，脉冲电压控制在50?200V ;电渣重熔细晶铸 造过程中，脉冲磁场的频率控制在2. 5?20Hz范围内； (c) 脉冲磁场与熔体中的感生电流和电渣重熔电流复合产生的周期性电磁力作用下， 金属熔体产生强制对流，抑制金属熔池中固液界面附近晶核的长大，细化金属材料凝固组 织，减少成分偏析； (d) 金属液滴在方向和大小周期性变化的电磁力作用下能够碎化成液滴，提高金属液 滴与渣液的接触面积和接触时间，起到净化作用； (e) 当电渣重熔结束并且铸锭完全凝固后，关闭脉冲电源，使励磁线圈停止工作，关闭 电渣重熔电源，取出自耗金属电极，并取出铸锭。5. -种权利要求1所述方法的电磁复合控制电渣重熔细晶铸造装置，其特征在于，该 装置包括电渣重熔工作电源、脉冲电源和电磁复合控制电渣重熔结晶器，结晶器设有结晶 器紫铜内套、侧面冷却水套、底部冷...
【专利技术属性】
技术研发人员：杨院生，罗天骄，李应举，张建伟，王聪，
申请(专利权)人：中国科学院金属研究所，
类型：发明
国别省市：辽宁;21
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