一种改进的振动激发金属液形核的方法及装置

摘要

本发明涉及金属铸造领域，提供了一种改进的振动激发金属液形核的方法，包括如下步骤：将至少一个保持高频、小振幅振动的晶核发射器浸入铸造或连铸前的金属液9中，使得在晶核发射器前端迅速形成大量的固相晶核8；上述晶核8被弹射到金属液9中，形成其后金属凝固过程中生成大量等轴晶的晶核8；其改进在于：所述晶核发射器为连续进入上述金属液9的自耗式金属冷料2。本发明可以简化设备和工艺流程，既能够降低结晶器内金属液过热度，又促进凝固晶核的形成，从而提高连铸坯等轴晶率，以达到明显改善连铸坯中心缩孔和疏松、减少偏析的目的。

说明书

技术领域

本发明属于金属铸造领域，特别涉及一种通过振动激发形核，以提高连铸坯等轴晶率的方法及装置。

背景技术

在现有金属的连铸生产技术中，由于凝固过程中选分结晶所造成的连铸坯中心质量降低，尤其是高合金钢、高碳钢铸件及连铸坯所产生的中心偏析、中心缩孔、中心疏松等问题，成为影响后部轧材质量的核心问题。为了解决上述问题，长期以来在该技术方面开发了许多专利和技术，这些专利和技术主要围绕两个核心：一是降低过热度，如中间包等离子钢水加热、中间包感应加热等技术；二是促进凝固晶核形成，如电磁搅拌技术、电脉冲孕育处理技术、超声振动破碎枝晶技术等。

关于中间包钢水加热技术国内外有大量技术，如美国专利5,963,579、日本专利JP 03 138052 A等都是关于等离子中间包加热技术，美国专利4,582,531是中间包感应加热实例，但是由于等离子加热存在气氛和温度难以控制、感应加热存在耐材侵蚀和能源利用效率低等问题，技术基本保持停滞。

关于促进形核技术方面，中国专利号ZL 99250649.2和ZL 01106053.0都是连铸结晶器电磁搅拌器的典型使用方法，它们的特征都是在连铸结晶器的外侧放置电磁感应线圈或搅拌器，当电磁感应线圈或搅拌器通入一定频率的交变电流时，就会产生电磁场，该磁场穿透结晶器铜板和金属凝固壳并在液态金属中产生感生电流，液态金属相当于一载流体，该载流体又受磁场作用，便在载流体中产生电磁力，从而使液态金属产生强迫对流，流动的液态金属将冲刷凝固壳的前沿，并折断和破碎树枝晶，这些折断和破碎树枝晶将成为以后等轴晶生长的核心，从而达到了电磁搅拌器提高铸坯等轴晶率的目的。电磁搅拌器的应用是提高铸坯内部质量的有效方法。但其在使用中也存在一定的缺点，一是电磁搅拌容易使铸坯产生“白亮带”或负偏析带，影响了铸坯性能的均匀性；二是电磁搅拌器穿透金属壳后的能量损失大，而且随着连铸坯坯壳的变厚，电磁场穿透金属壳所损失的能量也越大，效果降低。

超声振动用于改善金属铸件的凝固组织的研究和报到较多也比较早，超声波通常指1秒振动20000次以上的高频声波。《沈阳工业学院院报》1997年9月第16卷第3期9-13页报到了一篇《超声振动对铸造合金结晶过程的影响》的报告，其认为超声波引入正在凝固的金属液可以破碎已凝固的坯壳前沿的枝晶，并使其成为以后形核的核心，而且要求超声波发射源与凝固壳的距离越近越好，否则效果较差。该方法的主要缺点有三个：一是正如该文章所述超声波作用距离较短；二是只能作用于破碎已凝固坯壳，不能作用于未凝固的金属液；三是对于象钢液等高熔点金属，超声波发射源如何保持使用寿命。

为了提高铸造或连铸过程等轴晶率，本发明的发明人提出了开创性的技术方案，是在铸造或连铸前的金属液中放置具有冷却能力、保持小振幅、高频振动的晶核发射器。由于冷却作用，金属液体在晶核发射器上迅速形核；同时，这些初生晶核将随着晶核发射器的高频振动被大量、连续不断的弹射到金属液体中，形成其后金属凝固过程中生成大量等轴晶的核心。该发明于2004年12月29日递交了申请号为200410102672.x的中国发明专利申请，题目为“一种激发金属形核的方法和装置”。但是，该发明中的晶核发射器需要在后面连接循环使用的冷却介质的管路等，设备结构复杂；如果没有连续的冷却介质的循环，该晶核发射器在持续使用一段时间后，温度上升，冷却能力下降，金属液将很快在晶核发射器上形成的过厚的凝壳。

此外，为了提高合金收得率或促使钢中夹杂物变性的需要，产生了较多结晶器中喂线技术，如美国专利号4,047,556、4,143,211，但其喂入线都是以合金化为目的，喂入的合金线包括Al，Mo，Ca，Ti，Zr，B，REM，V，Nb等，实际生产某些特殊钢种如耐候钢时，结晶器内喂入REM成为硫化物夹杂变性的有效手段。需要注意的是，喂入合金线的目的不是为了增加形核提高等轴晶率。

发明内容

本发明的目的在于提供一种改进的振动激发金属液形核的方法及装置，可以简化设备和工艺流程，既能够降低结晶器内金属液过热度，又促进凝固晶核的形成，从而提高连铸坯等轴晶率，以达到明显改善连铸坯中心缩孔和疏松、减少偏析的目的。

根据上述目的，本发明提出的技术解决方案为：

本发明提供了一种改进的振动激发金属液形核的方法，包括如下步骤：将至少一个保持高频、小振幅振动的晶核发射器浸入铸造或连铸前的金属液9中，使得在晶核发射器前端迅速形成初生的晶核8；上述晶核8被弹射到金属液9中，形成其后金属凝固过程中生成大量等轴晶的晶核8；其改进在于：所述晶核发射器为连续进入上述金属液9的自耗式金属冷料2；其中：所述冷料2前端接触到上述金属液9时，冷料2被熔化，使得在冷料2附近的区域形成固液两相混合区7，该混合区内形成大量游离固相晶粒，这些游离晶粒在高频振动作用下被大量、连续不断的弹射到金属液体中，成为金属连续凝固过程中的晶核8。

本发明的另一方面是提供了一种改进的振动激发金属液形核的装置，包括：a)至少一个使金属液9形成一定过冷的晶核发射器；b)振动机构4：与晶核发射器相连，驱动所述的晶核发射器产生高频、小振幅振动；其改进在于：所述晶核发射器为连续进入上述金属液9的自耗式金属冷料2，所述振动机构4带动金属液9内的冷料2做高频、小振幅振动，使得冷料被融化，并在冷料2附近的区域形成固液两相混合区7，该混合区内形成大量游离固相晶粒，这些游离晶粒在高频振动作用下被大量、连续不断的弹射到金属液体中，成为金属连续凝固过程中的晶核8。

综上所述，本发明提供了一种自耗式振动激发形核方法和装置，通过在结晶器内振动喂入金属棒或带的冷料，冷料在自身连续不断熔化消耗的同时，降低钢水过热度，而且该自耗式冷料在高频振动下，当冷料前端接触到金属液时，冷料被加热熔化，同时在冷料表面附近区域将形成一个固液两相区，两相区中存在大量固相晶粒，它们将随着晶核发射器的高频振动被大量、连续不断的弹射到金属液体中，形成金属凝固过程中生成大量等轴晶的核心。在该两种作用下，达到提高铸件等轴晶率、减少铸坯偏析和疏松的目的。

本发明的一个显著特点是被连续不断喂入结晶器金属液中的冷料，在振动发生源的驱动下产生高频小振幅振动，其冷料的振动幅度为0.001～1mm，振动频率为5～10000Hz，以便将冷料前端固液两相区内的固体金属颗粒大量的弹射到结晶器金属液中，起到金属液凝固形核核心的作用。驱动喂入冷料振动的振动发生源可以是电机驱动的，也可以是液压驱动的，也可以是压缩气体驱动的。

本发明同时适用于钢和有色金属的金属液的凝固过程处理。

与现有技术相比，本发明得到的自耗式振动激发形核的方法和装置既可以克服电磁搅拌使用不当所造成的凝固过程负偏析的产生，又可以克服超声振动作用距离短、只能破碎枝晶，无法处理液态金属的缺点，且简化设备和工艺流程，降低降低成本；本发明不仅能消除大量金属过热度，同时又能提供大量晶核，从而达到提高等轴晶率的目的，可改善铸坯中心缩孔和疏松，提高连铸坯内部质量。

附图说明

图1是本发明一种自耗式振动激发形核装置和方法的示意图

图2是喂入棒或带冷料振动产生晶核示意图

附图标记：

1-开卷机

2-喂入的棒(带)冷料

3-矫直机

4-振动机构

5-振动发生源

6-结晶器

9-金属液

10-浸入式水口

7-冷料前端固液两相区

8-晶核

9-结晶器内金属液

具体实施方式

下面结合附图对发明的具体实施方式做进一步详细的介绍。

该发明的装置由四部分组成(见图1)：冷料开卷装置，冷料矫直装置，高频小振幅振动发生装置，和振动传输与作用装置。其中：经过开卷装置1的作用，成分在要求范围内的冷料2开卷后并在矫直装置3进行矫直，通过振动发生源5和振动装置4做高频小振幅振动，然后连续不断喂入结晶器内6。当冷料以振动形式喂入结晶器6时(见图2)，冷料的前端与结晶器内金属液9接触，在冷料自身不断熔化消耗、降低金属液过热度的同时，在冷料前沿形成固/液两相混合区7，混合区内产生大量游离固相晶粒，这些游离晶粒在高频振动作用下被大量、连续不断的弹射到金属液体中，成为金属连续凝固过程中的晶核8。由于冷料的喂入大大降低了金属过热度，同时两相区产生的晶粒是连续不断地提供给结晶器内金属液，因此由晶核发射器弹射到金属液中的晶核将大部分保存下来，不被熔化，并形成其后金属凝固过程中生成大量等轴晶的核心。

根据结晶器断面的大小，可选取不同断面的冷料2，结晶器断面小(如方坯或异形坯结晶器)、金属液过热度低时，可以选取小断面棒料，如尺寸为中10～φ30mm；结晶器断面大、金属液过热度高时，可以选取大断面棒料，如尺寸为中30～φ50mm。对于板坯连铸结晶器，由于结晶器空间较大，也可以选取窄带状冷料，其尺寸约为厚2～35mm、宽30～350mm；象棒状冷料使用一样，结晶器断面小、金属液过热度低时，可以选取小断面带料，如尺寸为厚2～15mm、宽30～150mm；结晶器断面大、金属液过热度高时，可以选取大断面带料，如尺寸为厚15～35mm、宽100～350mm。冷料2的成分选择可以与所浇注的金属成分相同或相近，其目的是以不影响产品最终成分为原则，使产品成分控制范围之内。

在使用中冷料经开卷装置、矫直装置后喂入结晶器，冷料可以在浸入水口10的一侧喂入结晶器，也可以在浸入式水口的两侧同时喂入。冷料的喂入速度受两方面的因素制约：一是冷料的熔化速度，即要保证喂入金属液内的冷料在上部较短的区域内被充分熔化；二是不产生卷渣，当冷料喂入速度过快时，覆盖在金属液表面的保护渣将吸附在冷料表面，并一同被带入金属液中，形成卷渣；因此冷料的喂入速度要以吸附在冷料表面的保护渣被充分熔化并上浮到液渣层中为标准。因此，根据连铸机拉速的不同和冷料大小的不同，冷料的喂入速度一般为0.1～8m/min，低拉速、大断面冷料采用较低的喂入速度，例如0.1～3m/min；高拉速、小断面冷料采用较高的喂入速度，例如3～8m/min。