專利名稱:一種施加復(fù)合電磁場(chǎng)的電磁鑄型和鑄造方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及到一種施加復(fù)合電磁場(chǎng)的電磁鑄型，屬于金屬材料鑄造領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
連續(xù)鑄造是通過向底部置于底座的鑄型內(nèi)連續(xù)澆注液體金屬，不斷拉動(dòng)底座而生產(chǎn)鑄坯的方法。這種方法現(xiàn)已成為鋼鐵材料的主要生產(chǎn)方法，目前發(fā)達(dá)國(guó)家的連鑄比已達(dá)99％，我國(guó)也接近70％。這是由于連鑄和模鑄相比能提高生產(chǎn)效率、節(jié)能。因此，提高連鑄鑄坯的質(zhì)量是獲得優(yōu)質(zhì)鋼材的關(guān)鍵。
在連續(xù)鑄造過程中，通常將粉末狀潤(rùn)滑劑加入到鑄型內(nèi)的金屬液面上，其熔化后進(jìn)入液體金屬和鑄型之間，形成保護(hù)膜，防止鑄型被高溫液體金屬損壞。為了使?jié)櫥瑒┠茼樌亓魅腓T型和鑄坯之間，生產(chǎn)中采用了上下振動(dòng)鑄型的方法。但是，鑄型振動(dòng)會(huì)引起液面的周期變形，使鑄坯表面產(chǎn)生振紋，并在振紋處形成偏析、裂紋等缺陷。同時(shí)鑄坯內(nèi)部還存在夾雜、中心偏析、疏松等缺陷，這將極大地影響了連鑄坯的質(zhì)量。為了解決這一質(zhì)量問題，在連鑄鑄型外設(shè)置通有交流電的線圈，線圈中的交變電流在鑄型內(nèi)形成交變磁場(chǎng)，并在液體金屬中誘導(dǎo)出感應(yīng)電流，帶有感應(yīng)電流的液體金屬在交變磁場(chǎng)中受到從鑄型壁指向中心的電磁力的作用，使液面處的液體金屬在鑄造過程中保持離開鑄型壁，不隨鑄型振動(dòng)而變形，因而消除了因鑄型振動(dòng)引起的種種表面缺陷。依據(jù)這一原理，人們首先是采用在連鑄鑄型外設(shè)置通有工頻交流電的電磁線圈方法，使鑄型內(nèi)的液體金屬受電磁力作用離開鑄型壁，增大了潤(rùn)滑劑流路的厚度，減輕了液體金屬和鑄型之間的接觸壓力，改善了鑄坯的表面質(zhì)量。但是，由于使用的是工頻交流電，液體金屬內(nèi)會(huì)產(chǎn)生攪拌流，容易將潤(rùn)滑劑和夾雜卷進(jìn)金屬液池深處，形成鑄造缺陷。
1994年專利JP06277803提出了施加復(fù)合電磁場(chǎng)的電磁連鑄方法，即于鑄型外側(cè)施加中頻交流磁場(chǎng)，既改善了鑄坯的表面質(zhì)量，又減輕了液面處的攪拌流，為了使中頻磁場(chǎng)能穿透金屬鑄型作用于液體金屬，使用了鑄型壁上均勻地開設(shè)等寬縫隙的電磁鑄型，并在中頻線圈的外側(cè)設(shè)置磁石，進(jìn)一步減輕液面流動(dòng)，保持液面安定的技術(shù)方案，已成為現(xiàn)有技術(shù)中的典型。該技術(shù)用電磁鑄型取代無縫隙的連鑄鑄型，在電磁鑄型外側(cè)設(shè)置通有3.4kHz交流電的中頻線圈，為了使液面安定，中頻線圈外側(cè)安裝了磁石。鑄造時(shí)，先將底座置入電磁鑄型內(nèi)，通過直澆道向電磁鑄型內(nèi)澆注液體金屬，隨著向下拉動(dòng)底座，實(shí)現(xiàn)連續(xù)鑄造。由于中頻線圈產(chǎn)生的電磁力支持液體金屬離開電磁鑄型，磁石抑制了液面流動(dòng)，使流面安定，改善了鑄坯的表面質(zhì)量。但是，利用上述技術(shù)生產(chǎn)的鑄坯，仍然存在中心部等軸晶比率少、偏析、疏松和夾雜等難以克服的缺陷。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是在保證鑄坯表面質(zhì)量的基礎(chǔ)上，克服現(xiàn)有技術(shù)存在的(1)鑄坯中心部等軸晶比率少、偏析、疏松，(2)內(nèi)部夾雜多的鑄造缺陷。并提出一種能達(dá)到改善鑄坯表面質(zhì)量、抑制液池內(nèi)攪拌流、增加等軸晶比率、消除中心部偏析和疏松，從而獲得高質(zhì)量連鑄坯的一種施加復(fù)合電磁場(chǎng)的電磁鑄型的技術(shù)解決方案。
經(jīng)分析現(xiàn)有連鑄坯表面缺陷產(chǎn)生的主要原因，是由于鑄型上下振動(dòng)使液面周期變形，以及液體金屬接觸激冷鑄型所引起的。如果在液面附近設(shè)置高頻線圈，可以在液體金屬中產(chǎn)生交變磁場(chǎng)b和感應(yīng)電流j，交變磁場(chǎng)和感應(yīng)電流的交互作用，使液體金屬受到由型壁指向電磁鑄型中心的電磁力F＝j(luò)×b，在此電磁力的作用下，液體金屬離開電磁鑄型，使其不隨電磁鑄型振動(dòng)而變形，可以改善現(xiàn)有連鑄坯的表面質(zhì)量，感應(yīng)電流j產(chǎn)生的焦耳熱q＝j(luò)2/σ使金屬液處于緩慢冷卻狀態(tài)，也改善鑄坯的表面質(zhì)量。并且，通過高頻線圈的電流頻率越高，引起液面流動(dòng)越小，產(chǎn)生的焦耳熱越大，越有利于改善鑄坯的表面質(zhì)量。用直澆道澆注時(shí)，流出直澆道液體金屬的流動(dòng)是形成鑄坯內(nèi)部夾雜的主要原因，液體金屬以速度u經(jīng)直澆道流出后，在鑄坯凝固殼處以速度u1和u2分別向下和向上流動(dòng)。若在此處設(shè)置直流電磁鐵，則液體金屬內(nèi)存在垂直于鑄造方向、進(jìn)入紙面的恒定磁場(chǎng)B，導(dǎo)電率為σ的液體金屬在磁場(chǎng)B中流動(dòng)時(shí)產(chǎn)生感應(yīng)電流，j1＝σ(u1×B)，j2＝σ(u2×B)液體金屬所受的電磁力為F1＝-σB2u1，F(xiàn)2＝-σB2u2速度為u1、u2的液體金屬流受到和流動(dòng)方向相反的電磁力F1、F2作用，抑制了其在電磁鑄型內(nèi)的流動(dòng)，減輕了雜質(zhì)的卷入量，可提高鑄坯內(nèi)部質(zhì)量；液體金屬在鑄型中凝固時(shí)，若溫度梯度大，則形成粗大的樹枝晶，當(dāng)樹枝晶相互搭接后堵塞了液體金屬的補(bǔ)縮通道，易產(chǎn)生疏松缺陷，在鑄坯凝固一段時(shí)間后，施加低頻交流電磁場(chǎng)b，則在鑄坯金屬液池內(nèi)誘發(fā)電動(dòng)勢(shì)E＝-b/t(yī)，產(chǎn)生感應(yīng)電流j＝σE，電流和磁場(chǎng)作用形成電磁驅(qū)動(dòng)力f＝j(luò)×b，使液體金屬流動(dòng)，這減少了鑄坯金屬液池內(nèi)的溫度梯度，并打碎了部分樹枝晶，有利于形成等軸晶，減輕了疏松和偏析缺陷。
本發(fā)明的基本構(gòu)思是，在型壁上沿鑄造方向開設(shè)等寬縫隙的電磁鑄型外側(cè)，設(shè)置有高頻交流電的高頻線圈，高頻線圈上端面與液面處在同一水平面上；在高頻線圈下面，對(duì)應(yīng)直澆道出口附近設(shè)置直流電磁鐵；在電磁鑄型出口下面設(shè)置有低頻交流電的低頻攪拌線圈；鑄造過程中，先將底座置入電磁鑄型內(nèi)，分別接通高頻線圈、直流電磁鐵和低頻攪拌線圈的電源，將感應(yīng)爐中熔化的液體金屬通過直澆道澆注到電磁鑄型內(nèi)，始終保持液面與高頻線圈上端面在同一水平面，隨著向下拉動(dòng)底座，實(shí)現(xiàn)復(fù)合電磁場(chǎng)作用下的連續(xù)鑄造。
本發(fā)明所提出的一種施加復(fù)合電磁場(chǎng)的電磁鑄型，主要是由電磁鑄型4、設(shè)在電磁鑄型4外側(cè)的電磁線圈、冷卻和供電裝置所構(gòu)成，其特征在于在電磁鑄型4的外側(cè)，距其上端面30-100mm處設(shè)置有上端面與液面10處于同一水平面、頻率為10-100kHz、功率為40-100kW的高頻線圈6；在高頻線圈6下方，于對(duì)應(yīng)直澆道9出口位置處，設(shè)置有磁感應(yīng)強(qiáng)度為1500-2000G的直流電磁鐵5；在電磁鑄型4出口的下方，設(shè)置有頻率為3-60Hz、電流為100-200A的低頻攪拌線圈3。一種使用權(quán)利要求
1所述電磁鑄型進(jìn)行金屬連續(xù)鑄造的方法，主要包括液體金屬8、澆注和拉坯步驟，其特征在于，鑄造過程中其步驟如下第一步，將底座1置入電磁鑄型4內(nèi)，并開動(dòng)冷卻閥；第二步，將感應(yīng)爐中熔化的液體金屬8通過直澆道9澆注到電磁鑄型內(nèi)，并要保持液面10與高頻線圈6上端面在同一水平面上，其誤差應(yīng)在±10mm范圍之內(nèi)；第三步，分別接通高頻線圈6、直流電磁鐵5和低頻攪拌線圈3的電源；第四步，啟動(dòng)拉坯步驟，使凝固后的鑄坯2在拉坯力的作用下，隨底座1連續(xù)向下運(yùn)動(dòng)，此時(shí)，應(yīng)使液面始終保持在與高頻線圈上端面相同的水平面上，其液面高度的波動(dòng)誤差為±10mm；第五步，停止?jié)沧r(shí)，應(yīng)切斷電源，關(guān)閉冷卻閥，停機(jī)。
本發(fā)明運(yùn)用于圓坯、方坯的連鑄；一般鑄坯斷面尺寸較小時(shí)，施加于高頻線圈的功率和高頻線圈上端面與電磁鑄型上端的距離均應(yīng)取下限值，鑄坯斷面尺寸較大時(shí)，則應(yīng)取上限值；通過高頻線圈交流電的頻率從10kHz到100kHz都可以使用，頻率較高時(shí)，表面質(zhì)量更好，但電源效率低；鑄坯斷面尺寸較小時(shí)，直流電磁鐵的磁感應(yīng)強(qiáng)度和低頻攪拌線圈的電流強(qiáng)度取下限值，低頻攪拌線圈交流電的頻率取上限值，否則直流電磁鐵的磁感應(yīng)強(qiáng)度和低頻攪拌線圈的電流強(qiáng)度取上限值，低頻攪拌線圈交流電的頻率取下限值；鑄造過程中應(yīng)保持液面和高頻線圈上端面的距離差為±10mm，最好二者處于同一水平面。
與現(xiàn)有技術(shù)相比本發(fā)明具有以下優(yōu)點(diǎn)(1)用高頻線圈6替代了現(xiàn)有技術(shù)中的中頻線圈12和磁石11，不但保證了金屬液面的安定，而且可向液體金屬提供更多的焦耳熱，使鑄坯的表面質(zhì)量更好，表面粗造度降低32％，(2)在對(duì)應(yīng)直澆道9出口位置處設(shè)置直流電磁鐵5，減輕了鑄過程產(chǎn)生的夾雜，夾雜物數(shù)量從1個(gè)/100cm2降低到0.2個(gè)/100cm2，(3)在電磁鑄型4出口下面設(shè)置低頻攪拌線圈3，提高鑄坯等軸晶的比率24％，減輕了鑄坯內(nèi)部的疏松。



下面結(jié)合附圖進(jìn)一步說明本發(fā)明的細(xì)節(jié)。
圖1是本發(fā)明所設(shè)計(jì)的電磁鑄型、高頻線圈、直流電磁鐵和低頻攪拌線圈的整體布置的正視剖面結(jié)構(gòu)示意圖。
在電磁鑄型4的外側(cè)，于液面10高度處設(shè)置有高頻線圈6，高頻線圈的上端面與液面處于同一水平面；在高頻線圈下面，對(duì)應(yīng)直澆道9出口位置處設(shè)置有直流電磁鐵5；在電磁鑄型出口下方處設(shè)置有低頻攪拌線圈3；液體金屬8經(jīng)直澆道9被澆注到電磁鑄型內(nèi)，凝固后的鑄坯2在拉坯力的作用下，隨底座1連續(xù)向下運(yùn)動(dòng)。符號(hào)7為電磁鑄型的等寬縫隙，使用過程中用耐火材料添塞。符號(hào)A-A和符號(hào)B-B是兩個(gè)不同斷面的斷面符號(hào)。
圖2是圖1的俯視結(jié)構(gòu)示意圖。
方形電磁鑄型4的4個(gè)型壁面，在每個(gè)型壁上都沿鑄造方向開設(shè)5條平行的等寬縫隙7，縫隙用耐火材料添塞，以防金屬液從直澆道9澆注到鑄型后從縫隙漏出；高頻線圈6安裝在電磁鑄型4的外側(cè)，符號(hào)10為液體金屬的液面。
圖3是圖1的A-A斷面結(jié)構(gòu)示意圖。
圖中顯示出兩塊直流電磁鐵5，設(shè)置在電磁鑄型4的兩個(gè)相對(duì)應(yīng)的外側(cè)面，符號(hào)2是已凝固的鑄坯，符號(hào)8是未凝固的液體金屬。
圖4是圖1的B-B斷面結(jié)構(gòu)示意圖。
圖中顯示的由4組獨(dú)立線圈組成的低頻攪拌線圈3是設(shè)置在電磁鑄型的下方，分別位于鑄坯2外側(cè)的4個(gè)側(cè)面，符號(hào)8是未凝固的液體金屬。
圖5是現(xiàn)有技術(shù)的電磁鑄型、電磁線圈、磁石整體布置的正視剖面結(jié)構(gòu)示意圖。
在電磁鑄型4外側(cè)，液面10附近設(shè)置有頻率為3.4kHz的中頻線圈12；在中頻線圈12外面，對(duì)應(yīng)液面位置設(shè)置兩塊磁石11；液體金屬8經(jīng)直澆道9被澆注到電磁鑄型內(nèi)，凝固后的鑄坯2在拉坯力的作用下，隨底座1連續(xù)向下運(yùn)動(dòng)。符號(hào)7為電磁鑄型的等寬縫隙，使用過程中用耐火材料添塞。
圖6是高頻電磁場(chǎng)改善鑄坯表面質(zhì)量原理示意圖。
液體金屬8被澆注到電磁鑄型4內(nèi)后，在型壁處首先形成凝固殼狀鑄坯2；在電磁鑄型4外側(cè)，于液面10高度處設(shè)置高頻線圈6后，液體金屬中會(huì)產(chǎn)生向上的交變磁場(chǎng)b和指向紙面內(nèi)的感應(yīng)電流j；j和b作用產(chǎn)生由型壁指向電磁鑄型中心的電磁力F＝j(luò)×b；同時(shí)，高頻線圈向金屬液提供耳熱q＝j(luò)2/σ，用虛線箭頭表示。結(jié)果可以保持液面安定，并使其在緩慢冷卻條件下凝固，改善了鑄坯的表面質(zhì)量。符號(hào)7為電磁鑄型的等寬縫隙，使用過程中用耐火材料添塞。
圖7是直流電磁鐵抑制金屬液流動(dòng)原理示意圖。
液體金屬8經(jīng)直澆道9，以速度u流出后，在電磁鑄型4內(nèi)鑄坯凝固殼處分別以速度u1、u2向下和向上流動(dòng)。設(shè)置在直澆道出口附近的直流電磁鐵在液體金屬內(nèi)形成方向指向紙面內(nèi)的恒定磁場(chǎng)B，則導(dǎo)電率為σ、流速為u1、u2的液體金屬在磁場(chǎng)B中流動(dòng)時(shí)，受到和流動(dòng)方向相反的電磁力F1＝-σB2u1和F2＝-σB2u2的作用，結(jié)果抑制了直澆道澆注引起的流動(dòng)，減輕了鑄造過程產(chǎn)生的夾雜。符號(hào)7和10分別為電磁鑄型的等寬縫隙和液面。
具體實(shí)施方式
第二步，坯料熔化用電爐將碳素鋼坯料熔化至1600℃，保溫、精煉除渣，待用。
第三步，連續(xù)鑄造先將底座1置入電磁鑄型4內(nèi)，接通冷卻裝置經(jīng)檢查正常后，再將中間包中1520℃的液體金屬8經(jīng)直澆道9，澆注到電磁鑄型4內(nèi)，并保持液面10與高頻線圈6上端面在同一水平面，其允許誤差為±10mm范圍之內(nèi)，并向鑄型內(nèi)添加BZW3保護(hù)渣；然后，分別接通高頻線圈6、直流電磁鐵5和低頻攪拌線圈3的電源；最后，啟動(dòng)拉坯步驟以0.6m/min的速度向下拉動(dòng)底座1，隨著鋼水的不斷澆入和底座1的下移，始終應(yīng)保持液面與高頻線圈上端面在相同的水平面上及其允許的誤差值；停止?jié)沧r(shí)，應(yīng)切斷電源，關(guān)閉冷卻閥，停機(jī)。
第四步，質(zhì)量檢查將鑄坯按1.5m長(zhǎng)度切斷、冷卻后，檢測(cè)其表面粗糙度為0.22mm，斷面的夾雜物數(shù)量為0.2個(gè)/100cm2，等軸晶比率為71％。
這個(gè)結(jié)果與現(xiàn)有技術(shù)相比，表面粗糙度降低29％，夾雜物數(shù)量從1個(gè)/100cm2降低到0.2個(gè)/100cm2，等軸晶比率增加22％。
第二步和第三步與實(shí)施例1相同，在此省略敘述。
第四步，質(zhì)量檢查將鑄坯按1.5m長(zhǎng)度切斷、冷卻后，檢測(cè)其表粗糙度為0.2mm，斷面的夾雜物數(shù)量為0.2個(gè)/100cm2，等軸晶比率為73％。
這個(gè)結(jié)果與現(xiàn)有技術(shù)相比，表面粗糙度降低35％，夾雜物數(shù)量從1個(gè)/100cm2降低到0.2個(gè)/100cm2，等軸晶比率增加26％。
權(quán)利要求
1.一種施加復(fù)合電磁場(chǎng)的電磁鑄型，主要是由電磁鑄型[4]、設(shè)在電磁鑄型[4]外側(cè)的電磁線圈、冷卻和供電裝置所構(gòu)成，其特征在于a)、在電磁鑄型[4]的外側(cè)，距其上端面30-100mm處設(shè)置有一個(gè)上端面與液面[10]處于同一水平面、頻率為10-100kHz、功率為40-100kW的高頻線圈[6]；b)、在高頻線圈[6]下方，于對(duì)應(yīng)直澆道[9]出口位置處，設(shè)置有磁感應(yīng)強(qiáng)度為1500-2000G的直流電磁鐵[5]；c)、在電磁鑄型[4]出口的下方，設(shè)置有頻率為3-60Hz、電流為100-200A的低頻攪拌線圈[3]。
2.一種使用權(quán)利要求
1所述的電磁鑄型進(jìn)行金屬連續(xù)鑄造的方法，主要包括液體金屬[8]、澆注、冷卻和拉坯步驟，其特征在于，鑄造過程中其步驟如下第一步，將底座[1]置入電磁鑄型[4]內(nèi)，并開動(dòng)冷卻閥；第二步，將感應(yīng)爐中熔化的液體金屬[8]通過直澆道[9]澆注到電磁鑄型內(nèi)，并要保持液面[10]與高頻線圈[6]上端面在同一水平面上，其誤差應(yīng)在±10mm范圍之內(nèi)；第三步，分別接通高頻線圈[6]、直流電磁鐵[5]和低頻攪拌線圈[3]的電源；第四步，啟動(dòng)拉坯步驟，使凝固后的鑄坯[2]在拉坯力的作用下，隨底座[1]連續(xù)向下運(yùn)動(dòng)，此時(shí)，應(yīng)使液面始終保持在與高頻線圈上端面相同的水平面上，其液面高度的波動(dòng)誤差為±10mm第五步，停止?jié)沧r(shí)，應(yīng)切斷電源，關(guān)閉冷卻閥，停機(jī)。
專利摘要
鑄造領(lǐng)域的一種施加復(fù)合電磁場(chǎng)的電磁鑄型，包括電磁鑄型4、電磁線圈和冷卻、供電裝置，特征在鑄型外側(cè)，距其上端面30-100mm處設(shè)置與液面10處于同一水平面、頻率為10-100kHz的高頻線圈6；在對(duì)應(yīng)直澆道9出口處設(shè)有電磁鐵5；在電磁鑄型出口下方，設(shè)有頻率為3-60kHz的低頻攪拌線圈3；使用該電磁鑄型時(shí)，鑄造中始終保持液面與高頻線圈上端面高度誤差為±10mm。優(yōu)點(diǎn)(1)降低表面粗糙度32%，(2)減少夾雜和疏松，(3)提高等軸晶比率24%。
文檔編號(hào)B22D11/11GKCN1142045SQ99120824
公開日2004年3月17日 申請(qǐng)日期1999年9月22日
發(fā)明者李廷舉, 金俊澤, 張興國(guó), 曹志強(qiáng), 姚山, 鄭賢淑 申請(qǐng)人:大連理工大學(xué)導(dǎo)出引文BiBTeX, EndNote, RefMan