一种施加复合电磁场的电磁铸型和铸造方法技术

铸造领域的一种施加复合电磁场的金属连续铸造方法，包括电磁铸型（４）、液体金属（８）、电磁线圈和浇注、拉坯、冷却、供电系统，特征：在铸型外侧，距其上端面３０－１００ｍｍ处设置与液面（１０）处于同一水平面、频率为１０－１００ｋＨｚ的高频线圈（６）；在对应直浇道（９）出口处设有电磁铁（５）；在电磁铸型出口下方，设有频率为３－６０Ｈｚ的低频搅拌线圈（３）；铸造中始终保持液面与高频线圈上端面高度误差±１０ｍｍ。优点：（１）降低表面粗糙度３２％，（２）减少夹杂和疏松，（３）提高等轴晶比率２４％。（*该技术在2019年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及到一种施加复合电磁场的电磁铸型，属于金属材料铸造领域。
技术介绍
连续铸造是通过向底部置于底座的铸型内连续浇注液体金属，不断拉动底座而生产铸坯的方法。这种方法现已成为钢铁材料的主要生产方法，目前发达国家的连铸比已达99％，我国也接近70％。这是由于连铸和模铸相比能提高生产效率、节能。因此，提高连铸铸坯的质量是获得优质钢材的关键。 在连续铸造过程中，通常将粉末状润滑剂加入到铸型内的金属液面上，其熔化后进入液体金属和铸型之间，形成保护膜，防止铸型被高温液体金属损坏。为了使润滑剂能顺利地流入铸型和铸坯之间，生产中采用了上下振动铸型的方法。但是，铸型振动会引起液面的周期变形，使铸坯表面产生振纹，并在振纹处形成偏析、裂纹等缺陷。同时铸坯内部还存在夹杂、中心偏析、疏松等缺陷，这将极大地影响了连铸坯的质量。为了解决这一质量问题，在连铸铸型外设置通有交流电的线圈，线圈中的交变电流在铸型内形成交变磁场，并在液体金属中诱导出感应电流，带有感应电流的液体金属在交变磁场中受到从铸型壁指向中心的电磁力的作用，使液面处的液体金属在铸造过程中保持离开铸型壁，不随铸型振动而变形，因而消除了因铸型振动引起的种种表面缺陷。依据这一原理，人们首先是采用在连铸铸型外设置通有工频交流电的电磁线圈方法，使铸型内的液体金属受电磁力作用离开铸型壁，增大了润滑剂流路的厚度，减轻了液体金属和铸型之间的接触压力，改善了铸坯的表面质量。但是，由于使用的是工频交流电，液体金属内会产生搅拌流，容易将润滑剂和夹杂卷进金属液池深处，形成铸造缺陷。 1994年专利JP06277803提出了施加复合电磁场的电磁连铸方法，即于铸型外侧施加中频交流磁场，既改善了铸坯的表面质量，又减轻了液面处的搅拌流，为了使中频磁场能穿透金属铸型作用于液体金属，使用了铸型壁上均匀地开设等宽缝隙的电磁铸型，并在中频线圈的外侧设置磁石，进一步减轻液面流动，保持液面安定的技术方案，已成为现有技术中的典型。该技术用电磁铸型取代无缝隙的连铸铸型，在电磁铸型外侧设置通有3.4kHz交流电的中频线圈，为了使液面安定，中频线圈外侧安装了磁石。铸造时，先将底座置入电磁铸型内，通过直浇道向电磁铸型内浇注液体金属，随着向下拉动底座，实现连续铸造。由于中频线圈产生的电磁力支持液体金属离开电磁铸型，磁石抑制了液面流动，使流面安定，改善了铸坯的表面质量。但是，利用上述技术生产的铸坯，仍然存在中心部等轴晶比率少、偏析、疏松和夹杂等难以克服的缺陷。
技术实现思路
本专利技术的目的是在保证铸坯表面质量的基础上，克服现有技术存在的(1)铸坯中心部等轴晶比率少、偏析、疏松，(2)内部夹杂多的铸造缺陷。并提出一种能达到改善铸坯表面质量、抑制液池内搅拌流、增加等轴晶比率、消除中心部偏析和疏松，从而获得高质量连铸坯的一种施加复合电磁场的电磁铸型的技术解决方案。 经分析现有连铸坯表面缺陷产生的主要原因，是由于铸型上下振动使液面周期变形，以及液体金属接触激冷铸型所引起的。如果在液面附近设置高频线圈，可以在液体金属中产生交变磁场b和感应电流j，交变磁场和感应电流的交互作用，使液体金属受到由型壁指向电磁铸型中心的电磁力F＝j×b，在此电磁力的作用下，液体金属离开电磁铸型，使其不随电磁铸型振动而变形，可以改善现有连铸坯的表面质量，感应电流j产生的焦耳热q＝j2/σ使金属液处于缓慢冷却状态，也改善铸坯的表面质量。并且，通过高频线圈的电流频率越高，引起液面流动越小，产生的焦耳热越大，越有利于改善铸坯的表面质量。用直浇道浇注时，流出直浇道液体金属的流动是形成铸坯内部夹杂的主要原因，液体金属以速度u经直浇道流出后，在铸坯凝固壳处以速度u1和u2分别向下和向上流动。若在此处设置直流电磁铁，则液体金属内存在垂直于铸造方向、进入纸面的恒定磁场B，导电率为σ的液体金属在磁场B中流动时产生感应电流，j1＝σ(u1×B)，j2＝σ(u2×B)液体金属所受的电磁力为F1＝-σB2u1，F2＝-σB2u2速度为u1、u2的液体金属流受到和流动方向相反的电磁力F1、F2作用，抑制了其在电磁铸型内的流动，减轻了杂质的卷入量，可提高铸坯内部质量；液体金属在铸型中凝固时，若温度梯度大，则形成粗大的树枝晶，当树枝晶相互搭接后堵塞了液体金属的补缩通道，易产生疏松缺陷，在铸坯凝固一段时间后，施加低频交流电磁场b，则在铸坯金属液池内诱发电动势E＝-b/t，产生感应电流j＝σE，电流和磁场作用形成电磁驱动力f＝j×b，使液体金属流动，这减少了铸坯金属液池内的温度梯度，并打碎了部分树枝晶，有利于形成等轴晶，减轻了疏松和偏析缺陷。 本专利技术的基本构思是，在型壁上沿铸造方向开设等宽缝隙的电磁铸型外侧，设置有高频交流电的高频线圈，高频线圈上端面与液面处在同一水平面上；在高频线圈下面，对应直浇道出口附近设置直流电磁铁；在电磁铸型出口下面设置有低频交流电的低频搅拌线圈；铸造过程中，先将底座置入电磁铸型内，分别接通高频线圈、直流电磁铁和低频搅拌线圈的电源，将感应炉中熔化的液体金属通过直浇道浇注到电磁铸型内，始终保持液面与高频线圈上端面在同一水平面，随着向下拉动底座，实现复合电磁场作用下的连续铸造。 本专利技术所提出的一种施加复合电磁场的电磁铸型，主要是由电磁铸型4、设在电磁铸型4外侧的电磁线圈、冷却和供电装置所构成，其特征在于在电磁铸型4的外侧，距其上端面30-100mm处设置有上端面与液面10处于同一水平面、频率为10-100kHz、功率为40-100kW的高频线圈6；在高频线圈6下方，于对应直浇道9出口位置处，设置有磁感应强度为1500-2000G的直流电磁铁5；在电磁铸型4出口的下方，设置有频率为3-60Hz、电流为100-200A的低频搅拌线圈3。一种使用本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种施加复合电磁场的金属连续铸造方法，主要是由电磁铸型［４］、液体金属［８］、设在电磁铸型［４］外侧的电磁线圈、浇注系统、拉坯系统、冷却系统和供电系统所构成，其特征在于：ａ）、在电磁铸型［４］的外侧，距其上端面３０－１００ｍｍ处设置有一 个上端面与液面［１０］处于同一水平面、频率为１０－１００ｋＨｚ、功率为４０－１００ｋＷ的高频线圈［６］，ｂ）、在高频线圈［６］下方，于对应直浇道［９］出口位置处，设置有磁感应强度为１５００－２０００Ｇ的直流电磁铁［５］，ｃ）、在电磁 铸型［４］出口的下方，设置有频率为３－６０Ｈｚ、电流为１００－２００Ａ的低频搅拌线圈［３］，ｄ）、铸造过程中，先将底座［１］置入电磁铸型［４］内，开动冷却系统，再将感应炉中熔化的液体金属［８］通过直浇道［９］浇注到电磁铸型内，并要保持液 面［１０］与高频线圈［６］上端面在同一水平面上，然后，分别接通高频线圈［６］、直流电磁铁［５］和低频搅拌线圈［３］的电源，最后，启动拉坯系统，凝固后的铸坯［２］在拉坯系统的作用下，随底座［１］连续向下运动，此时，应使液面始终保持在与高频线圈上端面相同的水平面上，其液面高度的波动误差为±１０ｍｍ，停止浇注时，应切断电源，关闭冷却系统，停机。...

【技术特征摘要】
1所述电磁铸型进行金属连续铸造的方法，主要包括液体金属8、浇注和拉坯步骤，其特征在于，铸造过程中其步骤如下第一步，将底座1置入电磁铸型4内，并开动冷却阀；第二步，将感应炉中熔化的液体金属8通过直浇道9浇注到电磁铸型内，并要保持液面10与高频线圈6上端面在同一水平面上，其误差应在±10mm范围之内；第三步，分别接通高频线圈6、直流电磁铁5和低频搅拌线圈3的电源；第四步，启动拉坯步骤，使凝固后的铸坯2在拉坯力的作用下，随底座1连续向下运动，此时，应使液面始终保持在与高频线圈上端面相同的水平面上，其液面高度的波动误差为±10mm；第五步，停止浇注时，应切断电源，关闭冷却阀，停机。 本发明运用于圆坯、方坯的连铸；一般铸坯断面尺寸较小时，施加于高频线圈的功率和高频线圈上端面与电磁铸型上端的距离均应取下限值，铸坯断面尺寸较大时，则应取上限值；通过高频线圈交流电的频率从10kHz到100kHz都可以使用，频率较高时，表面质量更好，但电源效率低；铸坯断面尺寸较小时，直流电磁铁的磁感应强度和低频搅拌线圈的电流强度取下限值，低频搅拌线圈交流电的频率取上限值，否则直流电磁铁的磁感应强度和低频搅拌线圈的电流强度取上限值，低频搅拌线圈交流电的频率取下限值；铸造过程中应保持液面和高频线圈上端面的距离差为±10mm，最好二者处于同一水平面。 与现有技术相比本发明具有以下优点(1)用高频线圈6替代了现有技术中的中频线圈12和磁石11，不但保证了金属液面的安定，而且可向液体金属提供更多的焦耳热，使铸坯的表面质量更好，表面粗造度降低32％，(2)在对应直浇道9出口位置处设置直流电磁铁5，减轻了铸过程产生的夹杂，夹杂物数量从1个/100cm2降低到0.2个/100cm2，(3)在电磁铸型4出口下面设置低频搅拌线圈3，提高铸坯等轴晶的比率24％，减轻了铸坯内部的疏松。 附图说明 下面结合附图进一步说明本发明的细节。 图1是本发明所设计的电磁铸型、高频线圈、直流电磁铁和低频搅拌线圈的整体布置的正视剖面结构示意图。 在电磁铸型4的外侧，于液面10高度处设置有高频线圈6，高频线圈的上端面与液面处于同一水平面；在高频线圈下面，对应直浇道9出口位置处设置有直流电磁铁5；在电磁铸型出口下方处设置有低频搅拌线圈3；液体金属8经直浇道9被浇注到电磁铸型内，凝固后的铸坯2在拉坯力的作用下，随底座1连续向下运动。符号7为电磁铸型的等宽缝隙，使用过程中用耐火材料添塞。符号A-A和符号B-B是两个不同断面的断面符号。 图2是图1的俯视结构示意图。 方形电磁铸型4的4个型壁面，在每个型壁上都沿铸造方向开设5条平行的等宽缝隙7，缝隙用耐火材料添塞，以防金属液从直浇道9浇注到铸型后从缝隙漏出；高频线圈6安装在电磁铸型4的外侧，符号10为液体金属的液面。 图3是图1的A-A断面结构示意图。 图中显示出两块直流电磁铁5，设置在电磁铸型4的两个相对应的外侧面，符号2是已凝固的铸坯，符号8是未凝固的液体金属。 图4是图1的B-B断面结构示意图。 图中显示的由4组独立线圈组成的低频搅拌线圈3是设置在电磁铸型的下方，分别位于铸坯2外侧的4个侧面，符号8是未凝固的液体金属。 图5是现有技术的电磁铸型、电磁线圈、磁石整体布置的正视剖面结构示意图。 在电磁铸型4外侧，液面10附近设置有频率为3.4kHz的中频线圈12；在中频线圈12外面，对应液面位置设置两块磁石11；液体金属8经直浇道9被浇注到电磁铸型内，凝固后的铸坯2在拉坯力的作用下，随底座1连续向下运动。符号7为电磁铸型的等宽缝隙，使用过程中用耐火材料添塞。 图6是高频电磁场改善铸坯表面质量原理示意图。 液体金属8被浇注到电磁铸型4内后，在型壁处首先形成凝固壳状铸坯2；在电磁铸型4外侧，于液面10高度...

【专利技术属性】
技术研发人员：李廷举，金俊泽，张兴国，曹志强，姚山，郑贤淑，
申请(专利权)人：大连理工大学，
类型：发明
国别省市：91[中国|大连]