本发明专利技术公开了一种连铸用低能耗电磁搅拌方法，利用热顶复合新型低能耗电磁搅拌技术，通过在结晶器内部设置热顶，同时在外围施加无能耗或低能耗的稳恒磁场，通过在中间包中插入电极棒、在连铸坯凝固末端设置辊轮电极，从而可以对结晶器至凝固末端中的所有未凝固金属熔体施加交变电流，该交变电流与外加稳恒磁场相互作用，使得连铸过程中在整个连铸坯内所有未凝固区产生使连铸合金熔体时而顺时针，时而逆时针旋转的电磁搅拌力，从而搅拌未凝固组织，打碎熔体中凝固前沿的树枝晶，细化凝固组织，减少偏析及裂纹。本发明专利技术还提供一种专用的金属连铸装置，适用于各种易偏析金属液的连铸工艺过程，拉出凝固组织细化、偏析小、无裂纹的合金连铸坯。
【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及一种连铸工艺和装置，特别是一种用于细化连铸坯的凝固组织、降低或抑制成分偏析、防止连铸坯热裂、制备高性能连铸坯和降低能耗的外场作用下的连铸工艺和装置。
技术介绍
金属及合金的连铸过程中，特别是大尺寸合金铸坯的连铸过程中，由于连铸传热过程的限制，铸坯往往形成粗大的柱状晶或者枝晶，将低熔点合金元素偏聚于枝晶间，由于凝固收缩，形成严重的正偏析或者反偏析，严重时导致连铸坯热裂而报废，而发达的枝晶组织也不利于连铸坯后续的压力加工处理；此外，在铸坯中心，由于枝晶的搭桥阻隔，枝晶间的合金液凝固收缩，形成大量的缩孔和缩松，这将进一步恶化连铸坯的性能，为解决这一问题，连铸工业中普遍采用电磁搅拌技术，利用交变磁场在连铸坯中产生的感生洛伦兹力，搅拌凝固界面前沿的液态合金，打碎枝晶，形成晶核增殖效应，同时降低凝固界面前沿的温度梯度，促进等轴晶的形成，从而获得高体积分数的等轴晶连铸坯组织，降低成分偏析，抑制连铸坯热裂的发生概率。目前已有的电磁搅拌技术包括旋转磁场搅拌技术、行波磁场搅拌技术、高频磁场、中频磁场、低频磁场和脉冲磁场搅拌技术等，这些技术均采用交变磁场透过结晶器，在浇入到结晶器中的合金液中，感生出交变电流再与交变磁场作用，形成搅拌的洛伦兹力。这些方法的最大问题在于，交变磁场必须透过导热导电性良好的结晶器材料如铜、不锈钢、石墨、铝及其合金等，这将耗费大量的电能，即使对于钢铁连铸工艺中的二冷电磁搅拌和末端电磁搅拌，虽然交变磁场不需要透过结晶器材料，但要透入到已经凝固的钢坯内部的钢液区域，同样需要耗费大量的电能，目前用于连铸电磁搅拌的电源功率少则几十千瓦，高则数百千瓦，而真正用于金属及合金液中的电磁搅拌功率不足其消耗总功率的百分之二十甚至更低，这既增加了生产成本，同时使电磁搅拌的效率大为降低，因此，亟需开发更为高效和低能耗的新型电磁搅拌方法和装置。
技术实现思路
为了解决现有技术问题，本专利技术的目的在于克服已有技术存在的缺陷，提供一种连铸用低能耗电磁搅拌方法及专用金属连铸装置，在顺利连铸的情况下，利用热顶防止结晶器电流短路和增大结晶器内温度梯度并施加新型低能耗电磁搅拌技术，搅拌凝固组织，打碎金属液中凝固前沿的树枝晶，从而使连铸坯组织细化，降低连铸坯中的成分偏析，并显著降低制备成本，以连铸出凝固组织细小均勻、偏析小、无裂纹的合金连铸坯。为达到上述专利技术创造目的，本专利技术的构思如下 采用热顶复合新型低能耗电磁搅拌技术来达到顺利生产组织细小，成分均质化的连铸坯。首先在普通铜模结晶器的内圈设置固定深度和厚度的隔热绝缘材料，形成结晶器热顶，防止电流经结晶器短路，电流将主要通过连铸坯及液穴中的液态金属，同时隔热材料还可以降低铜模结晶器内金属熔体的冷却速度，则连铸坯的冷却主要靠二冷水来传热，此措施可以显著增加凝固界面前沿的温度梯度，形成更为平缓的凝固界面，从而有助于降低连铸坯的元素偏析。在结晶器外侧设置数量η > 2组的钕铁硼永磁铁块环组，用于对连铸坯内部产生N极对N极或S极对S极的对向稳恒磁场。由于为稳恒磁场，因此对结晶器材料、连铸坯壳而言，本稳恒磁场的施加没有其它电磁搅拌技术所涉及的磁屏蔽问题和涡流损耗问题，且稳恒磁场由永久磁铁产生，因此无需消耗任何能耗。在中间包中插入与连铸金属同样材质的电极棒，在出结晶器下部的连铸坯位置设置辊轮接触电极，则可以通过中包中的电极棒、中间包金属液和连铸水口中的金属液以及结晶器末端下部的辊轮接触电极，往结晶器中金属熔体和连铸坯通入交变电流，交变电流流经熔融结晶器中合金熔体时与钕铁硼永磁铁组块产生的稳恒磁场相互作用，使连铸合金熔体受到时而顺时针，时而逆时针旋转方向的洛伦兹力，像滚筒洗衣机似的搅拌凝固组织，打碎金属液中的树枝晶，进一步降低温度梯度，形成内生生长的条件，从而可以显著细化凝固组织，也就可以显著降低合金元素的径向和轴向偏析。由于金属熔体具有良好的导电性，且连铸坯一般为平直结构，因此其电阻及感抗很小，即使通入强大的交变电流，其所需的电压也很小，相当于短路状态，因此所需的能耗也极低。因此，本专利技术可以在极低能耗的条件下实现连铸合金坯的组织细化、成分均匀 化的目的。根据以上专利技术构思，本专利技术采用下述技术方案 一种连铸用低能耗电磁搅拌方法，将熔融的连铸金属熔体注入中间包，控制中间包内的金属熔体流入结晶器的流速，控制结晶器中的金属液位、结晶器冷却速度和连铸坯拉速，维持稳定的连铸过程，其特征在于在结晶器内侧粘贴隔热绝缘材料，形成结晶器热顶；同时对结晶器外围向结晶器内区域、连铸二冷段区域和连铸坯凝固末端区域的连铸坯液芯的液态金属施加无能耗或低能耗的外加稳恒磁场，使整个连铸坯的未凝固区域的液态金属皆处于外部稳恒磁场的作用之下；同时通过外部电源对整个连铸坯的未凝固区域的金属熔体施加交变电流，使被通入的交变电流流经整个连铸坯的未凝固区域的液态金属时，与外加稳恒磁场相互作用，使整个连铸坯的未凝固区域的液态金属皆受到时而顺时针、时而逆时针旋转方向的洛伦兹力，从而搅拌整个连铸坯的未凝固区域的液态金属，打碎整个连铸坯的未凝固区域的液态金属的凝固前沿的树枝晶，从而细化连铸坯凝固组织。上述隔热绝缘材料优选为不与连铸金属反应的保温毡、具有低导热性和低导电性的液态渣或涂覆在结晶器内壁的隔热绝缘涂层。上述外部电源最好为稳频稳流交流电源，其输出频率和电流可连续分立可调，其电流强度为10-12000Α，频率为O. 001-3000Ηζ,电压为0-3000V。上述外加稳恒磁场优选由钕铁硼永磁铁、钐钴磁铁、已磁化磁钢、电磁铁或超导磁体提供。上述钕铁硼永磁铁最好包括至少2组钕铁硼永磁铁块环组，每组钕铁硼永磁铁块环组产生N极对N极或S极对S极的稳恒磁力线，且N极对N极或S极对S极的磁体可以正对，也可以呈0-180度的角度，形成外加稳恒磁场，每组钕铁硼永磁铁块环组提供的磁感应强度为O. 01-10Τ，各组钕铁硼永磁铁块环组的磁体轴向互相平行设置，各组钕铁硼永磁铁块环组的磁体轴向分别与连铸坯轴向平行设置或者与连铸坯轴向之间形成夹角。上述连铸的金属熔体为铝及其合金、镁及其合金、铜及其合金、锌及其合金、锡及其合金、碳钢、合金钢、高温合金或者其他易偏析合金液。根据本专利技术的构思，还提供一种利用连铸用低能耗电磁搅拌方法的专用金属连铸装置，至少包括中间包、中间包水口、水冷结晶器和二次水冷喷嘴，连铸金属熔体通过中间包的中间包水口从水冷结晶器的上口浇注，凝固的连铸坯从水冷结晶器的末端出口拉出；在水冷结晶器内侧粘贴隔热绝缘材料层，形成水冷结晶器的热顶；并在水冷结晶器的内管的外围、连铸二冷段的连铸坯外围及连铸坯凝固末端的连铸坯外围不同区域皆分别设置能施加无能耗或低能耗的外加稳恒磁场的磁体，使整个连铸坯的未凝固区域的液态金属皆处于外部稳恒磁场的作用之下；同时还采用将中间包电极棒和辊轮电极用电缆分别连接在稳频稳流交流电源的电流输出端，中间包电极棒的电极端浸入中间包的金属熔体中，辊轮电极设置在从水冷结晶器末端拉出的连铸坯的铸坯凝固末端区域的侧面，使辊轮电极的电极端与连铸坯表面之间通过接触实现电连接，使中间包电极棒、中间包内的金属熔体、中间包水口中的金属熔体、水冷结晶器内的金属熔体、二冷段区域的连铸坯内的金属液芯、连铸坯凝固末端区域的连铸坯金属液芯、连铸坯凝固本文档来自技高网...
【技术保护点】
一种连铸用低能耗电磁搅拌方法，将熔融的连铸金属熔体注入中间包，控制中间包内的金属熔体流入结晶器的流速，控制结晶器中的金属液位、结晶器冷却速度和连铸坯拉速，维持稳定的连铸过程，其特征在于：在结晶器内侧粘贴隔热绝缘材料，形成结晶器热顶；同时对结晶器外围向结晶器内区域、连铸二冷段区域和连铸坯凝固末端区域的连铸坯液芯的液态金属施加无能耗或低能耗的外加稳恒磁场，使整个连铸坯的未凝固区域的液态金属皆处于外部稳恒磁场的作用之下；同时通过外部电源对整个连铸坯的未凝固区域的金属熔体施加交变电流，使被通入的交变电流流经整个连铸坯的未凝固区域的液态金属时，与外加稳恒磁场相互作用，使整个连铸坯的未凝固区域的液态金属皆受到时而顺时针、时而逆时针旋转方向的洛伦兹力，从而搅拌整个连铸坯的未凝固区域的液态金属，打碎整个连铸坯的未凝固区域的液态金属的凝固前沿的树枝晶，从而细化连铸坯凝固组织。
【技术特征摘要】
【专利技术属性】
技术研发人员：钟云波，王怀，吴惠兴，李甫，郑天翔，黄靖文，
申请(专利权)人：上海大学，江苏瑞博豪泰金属材料股份有限公司，
类型：发明
国别省市：
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