金属连续铸造方法及实施该方法所用装置

摘要

本发明属冶金技术领域，涉及一种金属连续铸造方法及实施该法所用装置，既可用于连铸坯，也可用于液态金属合金冶炼的变性处理，它包括导向管(2)、无接触电磁振动器(3)、中间钢水罐(4)及结晶器(7)；钢带(1)从导向管(2)进入无接触电磁振动器(3)再进入结晶器(7)，向结晶器(7)送入可消耗冷材；液态金属(5)被不断从中间钢水罐(4)经与中间钢水罐(4)底部固定配接的潜入式水口(6)送入结晶器(7)，可供下一步加工的坯子被不断从结晶器(7)中拉出；在向结晶器(7)送入可消耗冷材时，借助电磁铁作用的无接触电磁振动器(3)赋予所述可消耗冷材以强制性谐振；其特征在于：所述导向管(2)采用型。

说明书

技术领域

本发明属于冶金技术领域，涉及一种金属连续铸造方法及实施该法所用装置，既可用于连铸坯，也可用于液态金属合金冶炼的变性处理。

背景技术

已知的一些有助于提高金属和合金连铸坯质量的工艺措施(美国专利№3726331，№4047556，苏联专利№2809672122-02)，是往金属熔体里补加各种各样固态可消耗的冷材，其长度超过最大横向尺寸很多倍，如棒材、线材或带材。

这些已知的方法和实施的装置不能保证稳定地提高连铸坯的质量。这是因为所加可消耗冷材只向给料方向运动，不能与金属液形成互动的促进作用。

其结果是，可消耗冷材熔化和混匀过程被大大地增加了难度和延长了时间，因为可消耗冷材刚进入金属液时，其表面首先凝固了一层熔体表面上的金属、渣子和非金属夹杂，然后才能受热和熔化。

渣子和非金属夹杂物随之进入熔体深处，成为连铸锭和连铸坯的新污染源。

采用这样的装置，可消耗冷材料在金属液里分布不均匀，这本身就导致了连铸锭和连铸坯的组织不均匀性。

还有一种已知的金属连铸结晶装置(乌克兰专利№40053A)，包括结晶器，向结晶器送入金属液的部件，喂入可消耗冷材的部件和向可消耗冷材传递脉冲的部件。脉冲传递部件被做成放电箱的形式，向可消耗冷材传递与其运动方向相同的电动液压冲击脉冲。

这种已知的装置也不能明显保证，最主要的是不能稳定的改善连铸坯的组织结构。这是因为在向可消耗冷材传递与其运动方向相同的电动液压脉冲时达不到冷材与金属液之间足够强度的质量交换。这种振动能量实际上没有传递到熔体里，因为消耗冷材长度相当长，事实上，振动能量基本上全部被冷材所吸收，特别是在冷材丧失弹性的时候。

其结果是，在结晶器(槽)金属弯液面区域，可消耗冷材表面沾结一层金属、渣子和非金属夹杂物，缓慢了冷材熔化速度，造成冷材材料在熔体里分散不均匀，金属锭(坯)组织结构不均匀，以及加重了金属里面非金属夹杂的污染度。

还有一种已知的向金属液添加补充物的装置(日本专利№356-4133)，包括液态金属容器，把可消耗冷材加入金属液的设备(由卷筒和牵拉机构以及造成冷材强制性振动的装置所组成)。强制振动装置为超声波振动源，其辐射器中有一个贯穿的孔洞供冷材通过，冷材通过滑动触点从振动源接受超声波振动。

该装置也有一系列不足。

该装置使用的超声波振动可使冷材达到5-12μm的振幅(甚至在滑动触点相当紧密时)。这样的振幅也不能传递影足够响大量金属液所必需的能量。

这种装置的效率之所以低下，因为传递给冷材的振动能量向两个方向传播，既向被处理金属的方向，也向相反的方向。

此外，振动源与冷材之间的滑动接触点不能提供可靠的声学接触，这同样造成振动能量的大量丢失。

所以，使用这种装置连续铸钢而企图改善所铸钢锭(钢坯)的组织结构也不会有好的效果。

当冷材以小的振动能量(小的振幅)进入到熔体时，其表面会冷凝金属、渣子，使其熔化过程明显拖长，效果不好。

连续铸锭中有组织不均匀区，以及非金属夹杂污染加重区。组织不均匀性既有偏析过程的原因，也有未熔化冷材残留的原因。

就工艺实质而言，专利WO200401288A1的连铸方法和实施装置，是最接近的一种，包括连铸金属结晶装置(结晶器)，向结晶器供入金属液的部件。向金属液喂送可消耗冷材的机构组件(包括带可消耗冷材卷的旋转卷筒、矫直牵拉机构、向金属液供入可消耗冷材的导管)，以及做成无接触电磁振动器型式的可消耗冷材强制谐振源。

在上述的方法里使用无接触电磁振动器保证了可消耗冷材足够大的振幅，因而保证了冷材的快速熔化、降低金属液温度，相应改善了连铸锭结构。

但是，使用所述方法也发现了一些不足：

-难于快速更换可消耗冷材卷和难于保证连铸过程中可消耗冷材的不间断喂送。

-上述方法对于连铸锭结构的影响效果随着电磁振动器相对结晶器金属液表面的位置变化而变化。

-上述方法和装置的工作效率果还取决依赖于可消耗冷材的化学组成及机械性能。

发明内容

本发明旨在克服现有技术的不足之处而提供一种可快速更换可消耗冷材卷，保证连铸过程中可消耗冷材不间断喂送，能加快冷材与金属液之间的质量交换，阻止振动能量向熔体的反方向传递，牵拉稳定，浇铸金属冷却均匀，连铸锭(坯)组织均匀性好的金属连续铸造方法。本发明在提供上述实施方法的同时，还给出了与其配套的装置。

为达到上述目的，本发明是这样实现的：

一种金属连续铸造方法，包括导向管、无接触电磁振动器、中间钢水罐及结晶器；钢带从导向管进入无接触电磁振动器再进入结晶器，向结晶器送入至少一根化学成分与所铸金属相类似的可消耗冷材；液态金属被不断从中间钢水罐经与中间钢水罐底部固定配接的潜入式水口送入结晶器，可供下一步加工的坯子被不断从结晶器中拉出；在向结晶器送入可消耗冷材时，借助电磁铁作用的无接触电磁振动器赋予所述可消耗冷材以强制性谐振；其特征在于：所述导向管采用型。

作为一种优选方案，本发明从所述无接触电磁振动器下辊轮轴心沿出料方向到结晶器中金属液表面的距离L由下述关系式确定：

$n\frac{\lambda }{2}-\frac{3\lambda }{8}\le L\le n\frac{\lambda }{2}-\frac{\lambda }{4}$

式中n为任何整数，λ为可消耗冷材谐振波波长。

作为另一种优选方案，本发明从所述无接触电磁振动器下辊轮轴心沿出料方向到结晶器中金属液表面的距离L由下述关系式确定：

$n\frac{\lambda }{2}-\frac{\lambda }{4}<L<n\frac{\lambda }{2}$

式中n为任何整数，λ为可消耗冷材谐振波波长。

另外，作为最佳方案，本发明从所述无接触电磁振动器下辊轮轴心沿出料方向到结晶器中金属液表面的距离L由下述关系式确定：

$L=n\frac{\lambda }{2}-\frac{3\lambda }{8}$

式中n为任何整数，λ为可消耗冷材谐振波波长。

本发明所述可消耗冷材材料的液相线温度比所浇铸金属的液相线温度低10～80℃。

本发明所述可消耗冷材要在还原气氛或惰性气氛中经过退火处理，以保证其布氏硬度HB为170～217个刻度单位或洛氏硬度HRC为88～98个刻度单位。

本发明所述的金属为钢或铁或合金。

上述金属连续铸造方法所用装置，包括导向管、内置钢带的无接触电磁振动器、中间钢水罐及结晶器；所述中间钢水罐的底部固定配有与结晶器内腔相通的潜入式水口；所述导向管内传导钢带；所述导向管采用型。

本发明可快速更换可消耗冷材卷，保证连铸过程中可消耗冷材不间断喂送，其能加快冷材与金属液之间的质量交换，阻止振动能量向熔体的反方向传递，牵拉稳定，浇铸金属冷却均匀，连铸锭(坯)组织均匀性好。

本发明与现有技术相比具有如下特点：

1、采用型导向管(图1中2)可快速从其中取出可消耗冷材残头并可快速安放新的可消耗冷材卷，进而在连铸过程中保证向金属液给送可消耗冷材的连续性。

2、采用关系式：

$L=n\frac{\lambda }{2}-\frac{3\lambda }{8}$

可保证连铸过程正常稳定，不会在结晶器金属表面引起波动，也避免了可消耗冷材送入金属液时冷凝上金属。

如果电磁振动器下辊轮轴心到结晶器中金属液面的距离等于

$n\frac{\lambda }{2}$

则在可消耗冷材送入金属液的位置冷材的振幅实际上等于零，结果连铸的金属会冷凝到可消耗冷材上，这会使连铸锭出现结构缺陷。

如果电磁振动器下辊轮轴心到结晶器中金属液表面距离等于

则在可消耗冷材送入金属液的位置冷材的振幅将会达到最大，会在结晶器中金属液面引起波动，直到形成金属崩溅。

如果电磁振动器下辊轮轴心到结晶器中金属液面距离等于

则在可消耗冷材送入金属液的位置上冷材的振幅既足以保证金属液不会冷凝到冷材的表面上，又不会在金属液面引起波动。

这时，可消耗冷材振幅的波峰始终低于结晶器中金属的液面，这就保证了最大限度地利用可消耗冷材的振动能。

3、试验证明，为保证可消耗冷材在金属液里快速熔化和混匀，可消耗冷材材料液的相线温度应比所浇铸的钢或合金的液相线温度低10-80℃。

如果可消耗冷材材料的液相线温度≥所浇铸金属的液相线温度，则可消耗冷材的熔化需要更长的时间和消耗更多的振动能，结果会使连铸锭结构中形成不允许缺陷的概率大为增加。

如果可消耗冷材液相线温度低于所浇铸金属液相线温度10-80℃，则可消耗冷材熔化过程便大为加快，所浇铸金属的温度便会降低，这就保证了连铸锭组织结构的改善。

4、试验证明，为更有效地向浇铸金属里传递振动能，可消耗冷材材料强度特性与可塑特性必须有一定的比例关系，在布氏硬度170-217刻度单位或洛氏硬度88-98刻度单位条件下，即可保证该比例关系。

附图说明

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步说明。

图1为本发明金属连铸方法所用装置系统的局部示意图。

具体实施方式

如图所示，本发明在金属连铸结晶装置中，包括结晶器(槽)，向结晶器(槽)供入金属液的部件，向结晶槽传送可消耗冷材的机构组件(包括可消耗冷材卷，旋转卷筒，矫直结构，最低带有两对驱动辊和一套控制件的牵拉结构)可消耗冷材，把可消耗冷材定向送入强制谐振源(无触点电磁振动器)，还包括带控制组件的连铸机牵拉机械。可消耗冷材为化学成分与所铸金属相类似的冷线材或冷带材。液态金属不断送入结晶器，从结晶器不断地拉出可供下一步加工的坯子。同时，向结晶器送入至少一根化学成分与所铸金属相类似的可消耗冷材。借助电磁铁的作用，赋予冷材以强制性谐振，其振幅、频率和波长则取决于所连铸金属的物理化学参数和铸造过程的工艺条件。

本发明的原理如下：

强制谐振源由无接触电磁振动器构成，并在水平平面上有∏字形孔槽，这就保证了可消耗冷材具有振幅不低于1.0mm的稳定的谐振，并因此通过冷材将大功率的振动能输送到金属液中。这就极大地加快了冷材与金属液之间的质量交换。

无接触电磁振动器装配有控制件，它可根据金属液的物理化学参数和数量、可消耗冷材传送速度、过程的温度条件等来改变冷材强制谐振波振幅。

强制振动源在无接触电磁振动器的前、后均装配了导向辊。

冷材耗量最佳值和经冷材传送到熔体的振动效率最佳值，保证了冷材与熔体之间质量交换情况明显改善，保证了熔体温度和熔体中温度梯度的降低。这导致在熔体中形成等轴晶体，使偏析情况分散，扩大了轴向等轴晶带，相应地降低了整体轴心偏析，保证了制取均一组织的铸锭(坯)。

实施本发明专利连铸装置中：通过潜入式水口6从中间钢水罐4将液态金属5送到结晶器(槽)7中，同时启动向结晶器(槽)传送冷材的机械组合，该组件包括钢带(线)及其退卷机和矫直牵引机。详细结构参见专利WO200401288A1。

可消耗冷材为带材或线材，由与所铸金属液化学成分相近的材料制成。

钢带(线)从退卷机上退出，穿过矫直牵拉机构沿导向管2送入无接触电磁振动器3，为保证把可消耗冷材送入金属熔体过程的连续性，导向管2可以做成导板形式，导板被做成横截面为型。

当钢带(线)经过无接触电磁振动器3∏字型槽时被赋予了有规定振频和振幅的振动。由于无接触电磁振动器3保证了钢带(线)的谐振，所以在其与液态金属5接触之前，一直保持着振动的频率和振幅。

矫直牵引机的驱动控制件与连铸机牵拉机械驱动控制件连在一起，保证了可消耗冷材的给料速度可根据金属浇铸的线速度而自动调节。

无接触电磁振动器配备有支撑辊、电磁铁、电磁铁前导向辊和电磁铁后导辊。

为确保金属熔体不会冷凝到可消耗冷材上，以及有效利用谐振能，通过反复试验得知从电磁振动器的下辊轮轴心线沿出料方向到结晶器中金属熔体表面的距离L对实现本发明起到很大的作用，L由下述关系式确定：

$n\frac{\lambda }{2}-\frac{3\lambda }{8}\le L\le n\frac{\lambda }{2}-\frac{\lambda }{4}$

或

$n\frac{\lambda }{2}-\frac{\lambda }{4}<L<n\frac{\lambda }{2}$

式中n为正整数

λ-可消耗冷材强制谐振波的波长，mm，见图1。

为确保可消耗冷材在金属熔体中熔化和混均，可消耗冷材材料的液相线温度应比所浇铸的钢或合金的液相线温度低10～80℃.

为确保谐振能向金属熔体的有效传递，以及可消耗冷材强度特性与可塑特性的最佳结合，可消耗冷材要在还原气体或惰性气体中经过退火处理，以保证其布氏HB硬度为170～217个刻度单位或洛氏HRC硬度为88～98个刻度单位。

所有这一切，都保证了该装置稳定地工作，稳定地向结晶器(槽)传送可消耗冷材，进而生产出优质连铸锭。

本发明中，被浇铸金属的均匀冷却，使结晶过程中熔体内的温度梯度明显降低，这本身就保证了金属锭(坯)里均匀的分散的偏析，明显减少了轴心偏析，连铸锭(坯)整体上得到了较均匀的组织结构。在冷材进入金属液时避免了金属和渣子在其表面上的冷凝，极大地加快了冷材熔化和混匀过程，从而达到浇铸金属被均匀冷却的目标。广泛用于钢、铁、合金类金属的铸造。

实施例1

按本专利实施钢和合金方连铸法的装置示于图1。金属液5从中间罐4经潜入式流钢口6进入结晶器7。

碳含量0.2％，液相线温度1518℃的钢水连铸时使用了该方法，结晶器的截面250×1550mm，连铸速度0.8-5m/min。

可消耗冷材为钢带，截面2.7×100mm，经型导管和无接触电磁振动器以4.2m/min的速度不间断地送入结晶器钢水中。

钢带碳含量0.4％，液相线温度1495℃，钢带的布氏硬度为203刻度单位。

借助无接触电磁振动器，可消耗冷材产生谐振，其频率93-95Hz，振幅4.0-5.0mm，波长520-530mm。

在这个具体实例里，振动器下辊轮轴心沿出料方向至结晶器里钢水表面距离L(n＝3)为：

$L=3\frac{\lambda }{2}-\frac{3\lambda }{8}=3/2\times 530-3/8\times 530=596.25\mathrm{MM}$

在L数值条件下，结晶器中钢水表面平稳，没有波动，可消耗冷材上没有冷凝所浇铸的钢水金属，从而促进了可消耗冷材快速完全熔化。

应用所述方法和装置的结果使连铸锭的组织结构得到了实质性的改善。轴心偏析鉴定为：从2.5-3.0级降到了1.0-1.5级。等轴晶带从铸锭截面15-20％增加到铸锭截面45-50％。硫的带状偏析系数从1.1-1.15降到1.02-1.05。

实施例2

连铸钢使用，钢含碳0.40％，浇铸初速0.43m/min。连铸过程中，不断向结晶器(槽)(直径φ530mm)送入钢带，(截面3×80mm)，给送速度4.1m/min，钢带碳含量0.35％。在无接触电磁振动器作用下，冷钢带内激起谐振，频率95-100HZ，波长540mm。

从电磁振动器的下辊轮轴心线到结晶器中金属熔体表面的距离L要满足下式(n＝2)：

$L=2\frac{\lambda }{2}-\frac{3\lambda }{8}=2/2\times 540-3/8\times 540=337.5\mathrm{mm}.$

实施例3

连铸钢使用，钢的碳含量0.40％，浇铸速度0.43m/min。连铸过程中，不断向结晶器(槽)(直径φ530mm)给送冷钢带(截面3×80mm)，给送速度4.1m/min，钢带碳含量0.35％。在无接触电磁振动器作用下，冷钢带内激起谐振，频率95-100HZ，波长540mm，振幅4.0-5.0mm。

从电磁振动器的下辊轮轴心线到结晶器中金属熔体表面的距离L要满足下式(n＝4)：

$L=4\frac{\lambda }{2}-\frac{3\lambda }{8}=4/2\times 540-3/8\times 540=877.5\mathrm{mm}.$

以上实施例中为确保可消耗冷材在金属熔体中熔化和混均，可消耗冷材材料的液相线温度应比所浇铸的钢或合金的液相温度低10-80℃。材料液相线温度(在这里材料既指钢带)与化学成分有关系。含碳量多少对液相线温度有很大影响，碳含量越高，液相线温度越低。

钢带材料中碳含量应该高于连铸钢水中碳含量。

为确保谐振能向金属熔体的有效传递，以及可消耗冷材强度特性与可塑特性的最佳结合，可消耗冷材要在还原气体或惰性气体中经过退火处理，退火工艺可以选择常规退火工艺，退火温度和时间与实施退火的设备有关系。重要的是工艺要保证需要的硬度。以保证其布氏硬度HB为170～217个单位或洛氏硬度HRC为88～98个单位。

实施例4

其它条件同实施例3，当n＝2时，2/2×540-1/4×540＜L＜2/2×540，即405mm＜L＜540mm。

实施例5

其它条件同实施例3，当n＝3时，3/2×540-1/4×540＜L＜3/2×540，即675mm＜L＜810mm。