利用移动电弧处理熔融金属的工艺和设备制造技术

一种用于在铸造过程中减少进入铸件中的夹杂物、缩孔、气孔和偏析并用于改善锭坯和其它铸件中的晶粒结构、机械性能和成品率的设备（１０）和方法。该设备（１０）包括：至少一个电极（１４），用于在正在铸造的金属铸件（１２）的上表面（１８）上方形成一个移动电弧（１６）；一个支架（２０），用于在浇注过程之中或之后在金属铸件（１２）的上表面上悬挂电弧电极（１４）；以及一个第二电极（２４），该第二电极（２４）可以安装到正在用于铸造的模具（２８）的一金属表面（２６）上，用以形成一个包含电弧（１６）、连接在设备（１０）之间的电子控制器（３２）和一个电源（３４）的电路（３０）。（*该技术在2021年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及对黑色金属和有色金属的铸造的改进。更具体地说，本专利技术提供一种设备和方法，用于在铸造过程中减少金属铸件中的夹杂物、缩孔、气孔和偏析，并且用于改善锭坯及其它铸件的晶粒结构、机械性能和产量。尽管金属的铸造已经有上千年的历史，但是直到今天在生产完美的重力浇铸件方面仍然存在一些困难。在铸造过程中，液态金属被注入到一个铸模中，接近模壁的液体首先冷却并凝固，而铸件中心的液体也随后冷却并凝固。由于冷却过程实质上伴随着收缩，在铸件中(通常在其上部中心区中)形成被称为缩孔的一个或多个孔。在钢产品中，缩孔导致锭坯顶部的5-20％不能被接受，其因此被切除并废弃。一种减少由缩孔造成的损失的尝试是对钢包中的软钢(低碳钢)进行局部的脱氧，以便缩孔转变成大量分布的小孔，而通过轧制可以使这写小孔闭合。对于这一问题更普遍的解决方案是利用压板或粉末施加放热或绝热冒口。该冒口可以在锭坯的顶部保持一个熔融金属储备池，以便将气孔送入熔融金属。在通常的砂型铸造过程中产生类似形式的浪费。为了确保铸模完全充满，采用多个大的冒口，以利于金属进入到模具中。在铸件离开铸造车间之前，将冒口切去并废弃。金属合金铸造中的另一个效果是在冷却过程中支晶的形成，在凝固过程中形成的这些支晶作为熔体中的许多点形成晶格结构。在支晶的形成过程中，杂质、例如金属氧化物和氮化物被推向外部，形成晶粒的晶界，它们随后形成在最终成分中引发裂纹的部位。杂质的集中被称为夹杂物。慎重的模具设计和较低的浇注温度可以在一定程度上克服这一问题。来自大气或其它来源的气体也存在于液态金属中，它们主要造成铸造气孔。通过在真空室中铸造液态合金，可以显著减小氢、氧和其它气体的夹杂物，但是该工艺仅对于最高品质合金的生产是经济的。现在，连续铸造是生产长的金属锭坯(方坯、初轧坯和板坯)的主要方法，在完全凝固之后将其切割任何所需的长度。在最有用的系统中，将金属从一个中间包连续浇注到一个水冷模中。利用辊子使铸棒前进，并通过喷水进行冷却。采用这种方法，气孔、杂质、裂纹和粗大的晶粒尺寸的问题均会表现出来，并且已经进行了很多的努力来克服这些问题。在美国专利No.4,307,280中，Ecer公开了一种在已经形成铸造空洞之后对其进行填充的方法。在将铸件推压到两个电极之间、并且施加足以导致空洞附近局部熔融的电流之后，需要对空洞进行检测和绘制。从而内部空洞塌缩并且迁移至表面，形成一个可以被填充的凹坑。该方法显然不适于消除固态杂质、例如硫化物和硅酸盐。在日本专利No.JP56050705A2中，Fukuoka等人建议在连续铸造过程中对锭坯施加辊压。该压力用于防止在铸成槽的底部上产生裂纹。轧辊位于将弯曲的锭坯矫直的点上。这一过程显然无助于减少夹杂物或改善金属的微观结构。Lowry等人在美国专利No.4,770,724中描述了一种与众不同的金属连铸方法，声称消除了空洞和裂纹，并且可生产出密度均匀的产品。这是通过利用电磁场迫使金属反抗重力向上流动来实现的，所述电磁场还提供抑制力(containment force)。这一工艺限于小横截面的产品，并且不能用于大的铸锭板坯和初轧坯。专利技术目的因此，本专利技术的一个目的是消除现有技术的铸造方法的缺点，并且提供一种用于生产质量更好的锭坯和其它铸件的改进的方法和设备。本专利技术进一步的目的是提供一种设备，该设备将支晶分解成小片，并因此减小最终铸件的晶粒尺寸。本专利技术的再一个目的是在凝固过程中对液态金属进行搅拌，以便提高均匀性并允许低密度夹杂物和气体上升至铸件的表面。专利技术概述本专利技术是通过提供一种用于减少金属铸件中缩孔、夹杂物、气孔和晶粒尺寸并且用于改善其中的均匀性的设备来实现上述目的的，所述设备包括a)至少一个用于形成于正被铸造的金属铸件的上表面上方的移动电弧的电极；b)一个在浇注过程之中或之后将所述电弧电极悬挂在所述金属铸件的上表面上方的支架；c)一个可以附加到正用于铸造的模具的金属表面上的第二电极，用以实现包含所述电弧的电路；以及d)连接在所述设备和一个电源之间的电子控制器。在本专利技术的一个优选实施例中，提供一种电弧铸造设备，其中，设有多个电极，每个电极可定位在一个砂型或永久铸模的至少一个冒口上方，用以在各个冒口之上产生独立的移动电弧。在本专利技术的一个优选工艺中，提供一种用于减少金属铸件中的缩孔、夹杂物、气孔和晶粒尺寸并且用于提高均匀性和成品率的方法，所述方法包括步骤a)将液态金属浇注到一个模具中；步骤b)提供一个电弧电极并且将其定位在略高于熔融金属上表面的位置上；步骤c)向电极施加电流，以便在所述电极和液态金属的上表面之间形成电弧，从而对液态金属进行搅拌，若存在粗大的支晶则可将其破碎，并且保持一个金属中间熔池，以便对在铸造过程中由于冷却收缩而形成的空洞进行填充；以及步骤d)通过施加一个电流使电弧在所述上表面上方连续运动。下面将对本专利技术方法和设备的进一步的实施例进行说明。在美国专利No.4,756,749中，Praitoni等人描述并要求保护一种用于从一个具有几个铸嘴的中间包连续铸造钢材的工艺。在中间包(tundish)中，对钢进行进一步的加热，在权利要求5中，它是通过一个过渡电弧等离子焰炬进行的。Henryon在美国专利No.5,963,579中公开了一种类似的工艺。将金属从中间包浇注到模具中的同时气体的吸收会重新出现，并且没有解决气孔和偏析的问题。与之相对照，本专利技术描述了一种用于在凝固过程中直接对铸件的上表面施加电弧的方法和设备。已经被说明的这种设计的优点是由于在铸造过程中模具中的金属自身进行搅拌而获得的。如图9所示，这种搅拌恰好在将要凝固之前将粗大的支晶破碎成较小的固体，并因此改善了晶粒的结构。搅拌还可以使气泡上升至液体的项部并逸出。缩孔被完全消除，并且杂质聚集被打破并分散。因此，从对比照片和可从附图中看出的进一步的数据中清楚地表明，本专利技术的新型设备极大地提高了铸件的质量和均匀性，并且在其中获得了一致的硬度。应当强调，所描述的方法和设备已经经过实际的测试。例如，已经制造出根据本专利技术权利要求8和17所述的用于气缸体盖的砂型铸造的12-盖设备，并且已经对其进行了操作，以便实现本专利技术的目的。在图15中还可以看到一个体积减小且铸造生产率提高的冒口的例子。附图说明现在，参照以本专利技术优选实施例为例子所表示的附图，以进一步对本专利技术进行说明。其中，仅以基本理解本专利技术所需的程度表示出了结构细节。所描述的例子与附图一起，将使本领域的技术人员可以很明显地得出或理解实现本专利技术的进一步形式。在附图中图1是在模具中的液态金属的上方施加电弧的电弧电极的详细视图，和一个表示铸件中的电流通量分布的示意图；图2是表示根据本专利技术的设备的一个优选实施例的正视图；图3是位于液态金属上方的一个电极位置的详细剖视图。图3a是设有用于提高电弧径向速度的电磁感应线圈的实施例；图4是设有用于防止铸造粉末到达电弧工作区的设计的实施例的详细剖视图；图5是金属被从电极的中心穿过的实施例的剖视图；图6是设有多个电极的设计的平面图；图7是利用氩气的旋转弧电极的示意图；图8是刀片形移动弧电极的示意图； 图9是现有铸件和根据本专利技术的铸件中的支晶的对比图，其中，晶粒尺寸和支晶被显著放大；图10和11包括10吨工具钢钢锭晶粒结构的对比照片本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种用于改进铸造金属和合金的质量和铸造生产率的工艺，所述工艺包括：　　　　步骤ａ）在将金属浇注到模具中的过程之中或之后，提供一电弧电极，并将该电弧电极定位在略高于熔融金属上表面的位置上；　　　　步骤ｂ）通过向所述电极施加电流，在凝固过程中在一熔体的上表面上方施加移动电弧。

【技术特征摘要】
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【专利技术属性】
技术研发人员：帕维尔德沃斯金，瓦莱丽兹洛切乌斯凯，埃米尔罗德杰克，德罗尔纳达母，
申请(专利权)人：内坦亚普拉斯马泰克有限公司，
类型：发明
国别省市：IL[以色列]