本發(fā)明屬于金屬材料制備與加工，涉及一種脈沖磁場(chǎng)與低頻磁場(chǎng)組合的電磁連鑄方法。

背景技術(shù)：

1、立式及水平連鑄技術(shù)及半連續(xù)鑄造技術(shù)是制備金屬及合金錠坯的主要方法，具有高效生產(chǎn)、低成本、簡(jiǎn)單操作等優(yōu)點(diǎn)。然而，在材料鑄造過(guò)程中，鑄坯內(nèi)外金屬液的冷卻速率不同，外部金屬液比內(nèi)部先凝固，導(dǎo)致鑄坯芯部易出現(xiàn)組織疏松。此外，對(duì)于大規(guī)格鑄坯以及寬厚比較大的鑄坯，凝固時(shí)內(nèi)外溫差較大，易使鑄錠芯部晶粒粗大，產(chǎn)生嚴(yán)重的宏觀(guān)及微觀(guān)偏析，易產(chǎn)生裂紋等缺陷，嚴(yán)重影響材料的力學(xué)性能和變形能力。因此，在金屬坯料制備過(guò)程中，改變鑄錠凝固溫度場(chǎng)，減小凝固過(guò)程中鑄錠內(nèi)外溫差，使凝固組織細(xì)化、均勻，減小凝固過(guò)程中應(yīng)力的產(chǎn)生對(duì)于制備高性能鑄坯至關(guān)重要。

2、鑄錠的組織性能與熔體的凝固行為密切相關(guān)，近年來(lái)，在金屬凝固過(guò)程中施加電磁場(chǎng)、超聲場(chǎng)等外場(chǎng)來(lái)調(diào)控鑄錠組織性能的技術(shù)成為目前研究的熱點(diǎn)。相關(guān)研究表明：外場(chǎng)的添加能夠顯著影響金屬及合金的凝固行為，達(dá)到降低鑄造應(yīng)力，細(xì)化晶粒，改善宏觀(guān)偏析及微觀(guān)偏析的目的，并且外場(chǎng)與金屬熔體無(wú)直接接觸，生產(chǎn)過(guò)程安全無(wú)污染。

3、半連鑄過(guò)程中，由于現(xiàn)有超聲熔體處理工藝的空間與時(shí)間匹配復(fù)雜，超聲在金屬熔體中衰減嚴(yán)重等問(wèn)題，使得超聲熔體處理工藝仍未實(shí)現(xiàn)規(guī)?；I(yè)應(yīng)用。電磁場(chǎng)具有清潔無(wú)污染、不改變?nèi)垠w成分、控制凝固組織效果顯著、顯著改善鑄錠表面質(zhì)量等優(yōu)點(diǎn)，因此，電磁場(chǎng)改善金屬凝固組織的相關(guān)研究一直在不斷發(fā)展和完善。

4、脈沖電磁場(chǎng)是在結(jié)晶器勵(lì)磁線(xiàn)圈通入由儲(chǔ)能電容產(chǎn)生的非穩(wěn)態(tài)電流所產(chǎn)生的磁場(chǎng)，其本質(zhì)為單相矩形脈沖電壓作為控制信號(hào)產(chǎn)生的鋸齒狀脈沖振蕩電流，電流方向不變而大小不斷變化。低頻電磁場(chǎng)是在結(jié)晶器勵(lì)磁線(xiàn)圈通入交變電流產(chǎn)生的磁場(chǎng)，其大小和方向均隨著時(shí)間按照一定的規(guī)律變化。專(zhuān)利cn1425520a、cn101020229a及cn104057046a均表明電磁場(chǎng)對(duì)改善鑄錠凝固組織，改善宏觀(guān)偏析有著明顯效果，并且不同電磁場(chǎng)作用機(jī)理存在顯著差異。

5、在立式及水平連鑄及半連續(xù)鑄造中，電磁場(chǎng)主要影響液相區(qū)及糊狀區(qū)熔體的溫度分布與流動(dòng)情況，對(duì)于低頻電磁來(lái)說(shuō)，低頻磁場(chǎng)在金屬熔體內(nèi)部產(chǎn)生感生電流，磁場(chǎng)與感生電流的交互作用使熔體受到力的作用，并進(jìn)而在熔體中產(chǎn)生由該力驅(qū)動(dòng)的強(qiáng)迫對(duì)流，起到均質(zhì)作用。而對(duì)于脈沖電磁來(lái)說(shuō)，其具有儲(chǔ)能大，瞬時(shí)激發(fā)作用強(qiáng)的特點(diǎn)，并且由于脈沖電壓的緣故，電磁力瞬時(shí)發(fā)生變向，能夠?qū)θ垠w起到往復(fù)振蕩作用，改變?cè)泳奂癄顟B(tài)，提高形核率。目前，在鑄造過(guò)程中，現(xiàn)有的電磁場(chǎng)施加種類(lèi)較為單一，不同部位的電磁條件不可調(diào)節(jié)，無(wú)法針對(duì)某一金屬或合金進(jìn)行不同位置的溫度場(chǎng)與電流場(chǎng)的控制，從而根據(jù)其凝固特點(diǎn)改善鑄錠質(zhì)量。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、針對(duì)目前立式及水平連鑄技術(shù)及半連續(xù)鑄造技術(shù)存在的問(wèn)題，例如不同部位電磁條件不可改變、電磁作用范圍有限且利用率低。本發(fā)明提供一種低頻與脈沖組合電磁連鑄方法，采用內(nèi)置多套控制電路的電磁振蕩系統(tǒng)，獨(dú)立控制多組螺線(xiàn)管線(xiàn)圈，產(chǎn)生不同磁場(chǎng)。針對(duì)不同種類(lèi)的金屬或合金，在鑄造過(guò)程中，可以考慮其凝固特點(diǎn)，對(duì)結(jié)晶套內(nèi)不同高度的熔體組合施加低頻電磁場(chǎng)及脈沖磁場(chǎng)，提高電磁利用率，細(xì)化晶粒，改善鑄錠質(zhì)量。

2、本發(fā)明的脈沖與低頻組合電磁連鑄方法為：

3、在半連續(xù)鑄造、水平連續(xù)鑄造及立式連續(xù)鑄造過(guò)程中，在結(jié)晶器外套內(nèi)部平行鑄錠中心軸線(xiàn)方向放置n個(gè)勵(lì)磁線(xiàn)圈，n為大于等于2的整數(shù)，n個(gè)勵(lì)磁線(xiàn)圈分成兩組。利用兩套控制電路的電源控制系統(tǒng)，分別輸出兩組不同的電流電壓，施加于兩組勵(lì)磁線(xiàn)圈。一套電路系統(tǒng)輸出低頻交流電壓與周期變化電流產(chǎn)生低頻交流電磁信號(hào)，另一套電路系統(tǒng)輸出一組方波脈沖電壓和鋸齒狀脈沖電流產(chǎn)生脈沖振蕩磁場(chǎng)。兩組勵(lì)磁線(xiàn)圈產(chǎn)生的不同磁場(chǎng)組合作用于金屬熔體與金屬的糊狀區(qū)域。

4、所述方法中，電源控制系統(tǒng)產(chǎn)生、并作用于兩組勵(lì)磁線(xiàn)圈的電流強(qiáng)度i＝1～350a，電磁頻率f＝2～50hz，方波脈沖電路占空比d＝5％～80％，在金屬熔體和金屬糊狀區(qū)域中獲得目標(biāo)磁場(chǎng)強(qiáng)度b＝20～300mt。

5、所述方法中，兩組勵(lì)磁線(xiàn)圈利用固定裝置上下疊加放置在結(jié)晶器外套內(nèi)部，中間設(shè)置有絕緣墊塊隔離，并通過(guò)循環(huán)水對(duì)線(xiàn)圈及凝固中的金屬起到冷卻作用。

6、所述方法中，位于下方位置的一組勵(lì)磁線(xiàn)圈接受方波脈沖電壓及鋸齒狀脈沖電流產(chǎn)生脈沖振蕩磁場(chǎng)，位于上方位置的另一組勵(lì)磁線(xiàn)圈接受低頻交流電壓與周期變化電流產(chǎn)生低頻交流電磁信號(hào)。

7、所述方法中，兩種不同類(lèi)型的磁場(chǎng)主要依靠電源控制系統(tǒng)產(chǎn)生，該電源控制系統(tǒng)主要由變壓器、可控硅控制器及對(duì)應(yīng)組件、功率放大器、逆變器、信號(hào)發(fā)生器、無(wú)極電容、電解電容、igbt控制器及組件和plc控制器組成。

8、所述方法中，勵(lì)磁線(xiàn)圈的形狀為矩形或圓環(huán)形，環(huán)繞金屬熔體四周并放置在結(jié)晶器內(nèi)，兩種勵(lì)磁線(xiàn)圈形狀分別對(duì)應(yīng)扁錠及圓柱形鑄錠的鑄造過(guò)程。

9、所述方法中，勵(lì)磁線(xiàn)圈由扁銅線(xiàn)繞制而成，勵(lì)磁線(xiàn)圈繞匝數(shù)為5～100匝，疊加層數(shù)為5～20層；

10、所述方法中，勵(lì)磁線(xiàn)圈距離結(jié)晶器內(nèi)套底部5～50mm，距離結(jié)晶器內(nèi)套頂部5～20mm，使用絕緣材料制成的墊塊或墊板實(shí)現(xiàn)物理隔離，墊塊或墊板與勵(lì)磁線(xiàn)圈一同固定在結(jié)晶器內(nèi)。

11、所述方法中，n個(gè)勵(lì)磁線(xiàn)圈分為a、b兩組，n為大于等于2的整數(shù)，任意單組勵(lì)磁線(xiàn)圈數(shù)量大于1。

12、所述方法中，獨(dú)立線(xiàn)圈之間可以通過(guò)不同接線(xiàn)方式，實(shí)現(xiàn)串聯(lián)、并聯(lián)功能。

13、所述方法中，通過(guò)控制接入電源控制系統(tǒng)中的勵(lì)磁線(xiàn)圈的數(shù)量調(diào)節(jié)特定種類(lèi)磁場(chǎng)強(qiáng)度。

14、所述方法中，通過(guò)控制接入電源控制系統(tǒng)中的勵(lì)磁線(xiàn)圈的數(shù)量調(diào)節(jié)作用于金屬熔體及金屬糊狀區(qū)域磁場(chǎng)的強(qiáng)度、種類(lèi)、區(qū)域。

15、所述方法中，對(duì)于立式及水平連鑄及半連續(xù)鑄造過(guò)程，為了保證磁場(chǎng)的作用區(qū)域，上層勵(lì)磁線(xiàn)圈高度需要高于金屬熔體0～50mm，下層的勵(lì)磁線(xiàn)圈需要低于金屬糊狀區(qū)0～30mm。

16、本發(fā)明的主要思想：

17、針對(duì)現(xiàn)有的電磁鑄造技術(shù)，磁場(chǎng)施加種類(lèi)單一、無(wú)法針對(duì)特定金屬或合金的凝固特點(diǎn)，針對(duì)性施加組合電磁場(chǎng)的問(wèn)題。本發(fā)明改進(jìn)電源控制系統(tǒng)，通過(guò)獨(dú)立控制兩組螺線(xiàn)管線(xiàn)圈，施加不同種類(lèi)電流電壓的方式，產(chǎn)生不同種類(lèi)磁場(chǎng)，并且通過(guò)調(diào)節(jié)勵(lì)磁線(xiàn)圈數(shù)量，控制磁場(chǎng)的強(qiáng)度、種類(lèi)、作用區(qū)域；通過(guò)對(duì)兩組勵(lì)磁線(xiàn)圈，施加不同的電流電壓，可以針對(duì)不同的金屬或合金，在考慮凝固特性的情況下，調(diào)節(jié)電磁作用區(qū)域。低頻磁場(chǎng)能夠強(qiáng)迫熔體發(fā)生對(duì)流，起到均質(zhì)作用，顯著改善鑄錠的偏析情況；脈沖磁場(chǎng)能夠?qū)饘僖浩鸬斤@著的振蕩與攪拌作用，改變?cè)泳奂癄顟B(tài)、破碎枝晶，提高形核率。兩種磁場(chǎng)組合作用可以制備出晶粒較小、偏析程度低的合金錠坯。

18、本發(fā)明通過(guò)以上技術(shù)特點(diǎn)，可以實(shí)現(xiàn)以下積極效果：

19、(1)通過(guò)對(duì)勵(lì)磁線(xiàn)圈數(shù)量、大小、安放位置的調(diào)整，可以適應(yīng)多種類(lèi)多尺寸的鑄錠制備過(guò)程。

20、(2)在水平、立式連續(xù)鑄造或半連鑄過(guò)程中，可以考慮不同種類(lèi)、尺寸鑄錠的凝固特點(diǎn)，施加組合磁場(chǎng)條件，制備出晶粒較小、偏析程度低的高質(zhì)量錠坯。

21、(3)低頻磁場(chǎng)能夠使得金屬熔體發(fā)生強(qiáng)制對(duì)流，降低宏觀(guān)偏析，脈沖磁場(chǎng)可以改變糊狀區(qū)內(nèi)原子聚集狀態(tài)，提供更多的形核中心，兩者組合施加可以提高磁場(chǎng)的利用效率，節(jié)約能源。

22、(4)磁場(chǎng)不與金屬液直接接觸，生產(chǎn)過(guò)程安全、清潔和自動(dòng)化程度高。

23、(5)該方法適用于鋁合金、鎂合金、銅合金及鋼鐵。