一种改善金属凝固缺陷、细化凝固组织的方法和装置

摘要

本发明是一种改善金属凝固缺陷、细化凝固组织的方法和装置，该方法及装置包括励磁电源和磁场发生装置，磁场发生装置浸入铸件（铸坯）及连铸的金属液中，通过电磁力及焦耳热效应，在金属液内部将磁场发生装置内表面上的晶核剥落，并利用磁场引发熔体振动及对流，将大量晶核持续地分散到金属液中，缩短金属凝固过程中的补缩距离，抑制铸件、铸坯（锭）中心缺陷，减轻A偏析，并细化凝固组织，同时可以防止表面夹杂卷入内部。本发明用于黑色金属以及有色金属在真空和非真空条件下铸件、连铸坯、模铸锭、模铸坯和空心坯的制备。

说明书

 

技术领域

    本发明是一种改善凝固缺陷、细化凝固组织的方法和装置，涉及黑色金属以及有色金属在真空和非真空条件下铸件、连铸坯、模铸锭、模铸坯和空心坯的制备，可以抑制A偏析及中心缩孔疏松的形成，同时可以细化凝固组织。

背景技术

近年来随着我国电力工业，核工业和石油化学工业的迅猛发展，对大型铸件、大型钢锭、大型坯料的需求量越来越大，同时也对大型铸锻件的品质要求越来越高，大型钢锭、连铸坯是大型铸锻件的先期产品，其质量对提高大型铸锻件质量尤为重要。但是重量超过100吨的钢锭内部几乎均存在缩孔疏松，缩孔疏松一般与夹杂物共生，增加钢锭在锻造时的难度。而大型缩孔疏松缺陷，在锻造过程中很难愈合，从而导致锻件探伤不合格，甚至报废。大型钢锭的凝固过程非常漫长，根据钢锭吨位不同，从几十小时到上百小时不等，溶质再分配充分，致使碳、磷等低熔点、低密度物质在凝固前沿富集，加上其它物理作用，如热溶质对流等的影响，使钢锭不同区域化学成分不均匀，造成宏观偏析，如A型偏析、V型偏析。另外，凝固组织细化一直是科研和业界追求的目标，但大钢锭的典型组织为柱状晶加粗大的等轴晶组织。因此解决坯料内在的质量问题，提高合格率迫在眉睫。

大型钢锭、铸件、坯料的内部缺陷问题备受科研工作者和企业界关注。人们开发了加大冒口、采用顶级的保温材料甚至采用电加热等方法进行制备，造成材料、能源耗费的同时，却并未完全解决存在的问题。电磁搅拌是人们开发的另一项技术，即通过结晶器外侧的励磁线圈，与金属液通过电磁感应驱动对流，对流熔体冲刷凝固前沿的枝晶产生折断的枝晶碎片，从而改善凝固组织。虽然电磁搅拌是有效的，但由于大型钢锭尺寸的限制，以及钢锭凝固壳对电磁透入深度的屏蔽作用，该技术无法应用于大型钢锭及大尺寸连铸坯制备。超声振动是人们开发的另一项技术，即把超声波施加给金属液，使超声波破碎枝晶或者在大范围熔体内产生空泡效应促发形核，该技术也取得一定的进展，但超声的作用距离的限制也不适合在大型钢锭中的应用。

近年来，研究人员也开发了采用机械振动激发金属液形核的技术，通过控制耐火材料棒在金属液中的机械振动，促发耐火材料棒表面晶体形核、在机械力的作用下脱落，改善凝固组织，提高等轴晶率。该技术由于耐火材料在金属液中的机械振动而发生的耐火材料破损、侵蚀以及耐火材料表面金属凝固结壳，尚需要完善。同时表面振动易引发表面缺陷进入件中，带来新的卷入缺陷问题，影响了它的应用。

发明内容

本发明针对现有技术中的上述问题，要解决的技术问题在于解决目前钢锭、铸件、铸坯内部A偏析、缩孔疏松缺陷，改善凝固组织等问题，提供一种改善金属凝固缺陷、细化凝固组织的方法和装置。

本发明的技术方案是：

一种改善金属凝固缺陷、细化凝固组织的方法，其特征在于，包括如下步骤：

1）对于钢锭或铸件的浇注及凝固过程，在其冒口内、中间包内或同时在冒口、中间包内加入一个或多个磁场发生装置于金属液内；对于连铸坯浇注过程，在结晶器内，中间包内或同时在结晶器、中间包内加入一个或多个磁场发生装置于金属液内；

2）励磁电源通过电缆为磁场发生装置传导励磁电流，励磁电源提供的励磁电流为脉冲电流，脉冲频率为1-1000Hz，脉冲电压为1-5000V，使磁场作用于磁场发生装置内部的金属液，使得磁场发生装置内壁上形成的晶核在电磁力和焦耳热的作用下脱落； 

3）磁场引发熔体振动及对流，将磁场发生装置内部的金属液中的大量晶核持续地分散到金属液中，缩短金属凝固过程中的补缩距离，改善铸件、铸锭中心缺陷，细化凝固组织，减轻偏析。

磁场发生装置为空心圆桶形结构，圆桶桶壁中内置励磁线圈，励磁线圈外侧设置有环形磁屏蔽层进行磁屏蔽，防止磁场发生装置外部的液面扰动；磁场发生装置内壁设置有金属和刚玉的复合材料作为内表面，用于形成晶核。

磁场发生装置在金属液中的深度依据励磁线圈的尺寸，使励磁线圈位置完全浸入液面以下10-100mm。

励磁线圈外部有冷却套包围，内通冷却介质保护励磁线圈，并保持磁场发生装置的表面温度为金属液液相线温度以下50-700℃。

控制结晶器或中间包中金属液的过热度为20-90℃。

非真空条件下对磁场发生装置内的金属液面进行氩气保护，防止金属液氧化。

一种改善金属凝固缺陷、细化凝固组织的装置，包括：

1）磁场发生装置，浸入钢锭、铸件和连铸坯结晶器内的金属液）中；

2）励磁电源，通过电缆为磁场发生装置传导励磁电流，励磁电源提供的励磁电流为脉冲电流，使磁场作用于磁场发生装置内部的金属液。

磁场发生装置为空心圆桶形结构，底部为通透结构，用于金属液进入磁场发生装置内，包括励磁线、冷却套、隔离层、磁屏蔽层和包覆层以及用于形成晶核的内表面，其中圆桶最大直径为铸件冒口、钢锭冒口或结晶器相应尺寸的1/10-1/2；圆桶桶壁中内置励磁线圈，励磁线圈外侧设置有环形磁屏蔽层进行磁屏蔽，防止磁场发生装置外部的金属液面扰动；磁场发生装置内壁设置有金属和刚玉的复合材料作为内表面，用于形成晶核。

磁场发生装置空心圆桶形结构的最外层为包覆层，励磁线圈内置于包覆层内部，包覆层为耐火材料、石墨、金属、陶瓷、金属陶瓷或上述材料的复合物。

励磁线圈外部有冷却套包围用于冷却励磁线圈，冷却套材料为奥氏体不锈钢、铜、陶瓷及其他磁导率为0.99-1.1的材料，冷却套内冷却介质为水、油或气体。

冷却套与包覆层之间设置有隔离层，以保证包覆层和冷却套的温度差，隔离层材料选自石棉或玻璃棉等保温材料。

环形磁屏蔽层设置在冷却套的外侧与隔离层之间对外部的金属液进行磁屏蔽，防止外部的液面扰动，磁屏蔽层的材料为硅钢、镍基合金、钴基合金、铸铁、坡莫合金、纯铁及其他磁导率为50-100000的材料。

励磁电源提供的励磁电流为脉冲电流，波形包括尖波、方波、正弦波及调幅波形。

磁场发生装置的隔离层中内置测温热电偶。

磁场发生装置的内部设置有金属液面氩气保护装置，氩气压力在0.2-5MPa，流量在0.2-5升/分钟。氩气保护装置可采用热电偶。 

本发明的方法以及装置的原理为：如图3所示，磁场发生装置促发金属液形核的过程状态示意图；磁场发生装置对内部金属液施加脉冲磁场，在电磁力及焦耳热的作用下，磁场发生装置内表面的大量晶核发生脱落，并被磁场引发的熔体振动和对流分散到金属液中，增加金属液内部的形核质点，提高了晶核密度，改变了金属液的凝固方式，从而消除钢锭、铸件、铸坯内部的缩孔疏松和A偏析，提高材料的利用率、合格率，降低能耗，同时细化凝固组织，提高凝固坯料的性能。利用本发明生产凝固坯料具有组织致密、成分均匀、低成本、高性能的特点。

本发明具有如下有益效果：

1.采用本发明方法用于改善金属凝固缺陷、细化凝固组织，由于利用了励磁电源提供的励磁电流为脉冲电流，脉冲频率为1-1000Hz，脉冲电压为1-5000V，使磁场发生装置产生的磁场作用于金属液，引发熔体振动及对流，能够对整体金属液产生作用，适合用于大型钢锭及大尺寸连铸坯制备；

2.本发明磁场发生装置使得磁场发生装置内壁上形成的晶核在电磁力和焦耳热的作用下脱落，是一种高效持续的形核过程； 磁场发生装置引起的熔体振动和对流能够促进晶核分散到大范围的熔体中，晶核的分布有好的均匀性；

3. 本发明磁场发生装置的内表面既利于晶核的形成，又有良好抗热振性能和耐侵蚀性能，能够增加装置的使用寿命。

4.本发明方法磁场引发熔体振动及对流，将大量晶核持续地分散到金属液中，缩短金属凝固过程中的补缩距离，改善铸件、铸锭中心缺陷，细化凝固组织，减轻偏析，并且在振动过程中，金属液面的气体保护以及磁场发生装置对外部金属液的磁屏蔽等措施，以及采用的磁场发生装置不振动，但通过电磁力的作用，使磁场发生装置内的金属液产生振动，防止液面杂质由于振动进入件内，减少其他杂质缺陷的产生；

5．本发明工艺设计合理，通过磁场发生装置对金属液的作用，大量增加金属液内部的形核质点，提高晶核形核，改变了金属液的凝固方式，从而抑制钢锭、铸件、铸坯内部的缩孔疏松和A偏析，细化凝固组织，提高产品的内在质量与产品合格率；

6.本发明装置具备冷却、保温、测温、外部磁屏蔽、内部施加磁场及内部气体保护功能，使得金属液在磁场发生装置内表面上的形成大量晶核，在磁场的电磁力及焦耳热的作用下剥落，并由磁场引发熔体振动及对流将大量晶核持续的分散到金属液；

7.本发明装置采用磁场引发熔体振动及对流，装置本身不振动，有效防止液面杂质由于振动进入件内，减少其他缺陷的产生；

8. 本发明装置系统简单，安全性高，可操作性强，企业容易实现，能适用于大型钢锭及大尺寸连铸坯制备；

9．本发明方法适用于各种材质的钢锭、铸件、坯料的制造。利用本发明生产钢锭、铸件、铸坯具有组织致密、成分均匀、细晶粒、低成本的特点，很容易得到广大研究机构和工厂认可，一旦被广泛采用，则可大大提高产品质量，将有几亿到几十个亿的经济效益；

10.本发明方法适用于黑色金属以及有色金属在真空和非真空条件下铸件、模铸锭、模铸坯、空心坯和连铸坯制备过程中铸模和锭模的冒口中、结晶器、中间包内的金属液中施加。

附图说明

图1为本发明实施例改善凝固缺陷、细化凝固组织的装置的结构示意图；

图2为磁场发生装置的剖面结构示意图；

图3为磁场发生装置促发金属液形核的过程状态示意图；

图4为磁场发生装置用于连铸或大钢锭铸造的中间包内促发金属液形核工艺的示意图；

图5为磁场发生装置用于连铸结晶器内促发金属液形核工艺的示意图；

图6为磁场发生装置用于锭模、铸模冒口内促发金属液形核工艺的示意图；

图7为实施例1的钢锭凝固组织图；

图8（a）为常规20吨钢锭凝固组织图，图8（b）为实施例2制备的20吨钢锭凝固组织图；

图9为实施例3的钢锭凝固组织图。

图中标记为：

1为励磁电源；2为磁场发生装置；3为金属液；4为电缆；5为包覆层；6为隔离层；7为磁屏蔽层；8为冷却套；9为励磁线圈；10为热电偶；11为氩气导管；12为内表面；13为晶核；14为长水口；15为中间包；16为浇注水口；17为结晶器；18为连铸坯壳；19为冒口；20为冷却介质进口；21为冷却介质出口。

具体实施方式

下面结合附图及实施例详述本发明。

本发明一种改善凝固缺陷、细化凝固组织的方法如下：

本发明采用电磁处理金属液工艺，利用电磁发生装置增加金属液中的形核质点，提高金属液的形核密度，使金属液内部大面积结晶，从而抑制钢锭、铸件、铸坯内部的缩孔疏松和A偏析，提高材料的利用率、合格率，降低能耗，从而提高产品的内在质量与产品合格率。

如图1和图2所示，本发明改善凝固缺陷、细化凝固组织的装置主要包括：励磁电源1；磁场发生装置2；电缆4；包覆层5；隔离层6；磁屏蔽层7；冷却套8；励磁线圈9；热电偶10；氩气导管11；内表面12，具体结构如下：

励磁电源1通过电缆4输送励磁脉冲电流给磁场发生装置2中的励磁线圈9，磁场作用于磁场发生装置2内部的金属液。磁场发生装置2的为空心圆桶结构，空心圆桶为无底通透结构，金属液通过底部进入。磁场发生装置2的空心圆桶层壁内内置有励磁线圈9，励磁线圈9外部有冷却套8包围进行冷却保护，冷却介质可以选择水、油或气体；包覆层5位于磁场发生装置2的最外层，冷却套8及包覆层5之间设置有隔离层6，以保证包覆层5和冷却套8的温度差；冷却套8由隔离层6和包覆层5进行热保护；冷却套8的外侧与隔离层6与间设置有环形磁屏蔽层7对外部的金属液进行磁屏蔽，防止外部的液面扰动；内侧包覆层5外部设置有金属和刚玉的复合材料作为内表面12，用于在其上形成晶核。

磁场发生装置2的隔离层6中内置测温热电偶10，实时监测温度的变化；

磁场发生装置2的励磁脉冲电流的频率为1-1000Hz，励磁电压为1-5000V；

整个磁场发生装置2的下底为开口结构，对进入其中的金属液产生振动和对流，磁场发生装置2外部的金属液由于存在磁屏蔽层而不发生振动。为了防止表层金属液的氧化，磁场发生装置2的上顶部通有氩气导管11，在磁场施加过程中，通入氩气对磁场发生装置2内的金属液进行氩气保护，氩气压力在0.2-5MPa，流量在0.2-5升/分钟。

对于钢锭、铸件铸造过程，在冒口内、中间包内或同时在冒口、中间包内加入磁场发生装置2，如图4所示为磁场发生装置用于连铸或大钢锭铸造的中间包内促发金属液形核工艺的示意图，其中磁场发生装置2放在中间包15内，磁场发生装置2浸入金属液中的深度根据励磁线圈9的尺寸，使线圈位置完全浸入液面以下10-100mm。

对于连铸坯浇注过程在结晶器内、中间包内或同时在结晶器、中间包内加入磁场发生装置2，如图5所示，为磁场发生装置2用于连铸结晶器内促发金属液形核工艺的示意图，磁场发生装置2浸入金属液中的深度根据励磁线圈9的尺寸，使线圈位置完全浸入液面以下10-100mm；

如图6所示，为磁场发生装置用于锭模、铸模冒口内促发金属液形核工艺的示意图，磁场发生装置2浸入金属液中的深度根据励磁线圈9的尺寸，使线圈位置完全浸入液面以下10-100mm。

磁场发生装置2浸入金属液之前应预热，预热温度为金属液液相线温度以下50-700℃。采用本发明的方法和装置用于结晶器或中间包时，需控制金属液的过热度为20-90℃。

实施例1

浇注29吨模铸钢锭，钢锭材质为40Cr，待模具装配工装完毕后，在冒口的上端放置磁场发生装置。励磁电流的频率为2.5Hz，励磁电压为200V。磁场发生装置在浸入金属液之前将包覆层和内表面烘烤加热到850℃，钢锭浇注完毕后，在钢锭冒口内加入磁场发生装置。在磁场施加过程中，在磁场发生装置内部进行氩气保护，氩气压力在0.5MPa，流量在0.2升/分钟，磁场施加时间为10h，制备出的钢锭凝固组织如图7所示，从图7中可以看出钢锭组织致密，无中心缩孔疏松和明显的A偏析，且钢锭为大比例等轴晶组织。

实施例2

浇注1吨砂型钢锭，钢锭材质为45#钢，待模具装配工装完毕后，在冒口的上端放置磁场发生装置。励磁电流的频率为2.5Hz，励磁电压为100V。磁场发生装置在浸入金属液之前将包覆层和内表面烘烤加热到900℃，钢锭浇注完毕后，在钢锭冒口内加入磁场发生装置。在磁场施加过程中，在磁场发生装置内部进行氩气保护，氩气压力在1MPa，流量在0.4升/分钟，磁场施加时间为1h。图8（a）为常规1吨砂铸钢锭的凝固组织，图8（b）为采用本实施例制备的1吨砂铸钢锭的凝固组织，从钢锭分析结果可以看出，本发明可消除A偏析，细化凝固组织。

实施例3

浇注24吨连铸方坯尺寸为600mm×1000mm×3400mm，材质为ZG15Cr2Mo1，待模具装配工装完毕后，在冒口的上端放置磁场发生装置。励磁电流的频率为5Hz，励磁电压为200V。磁场发生装置在浸入金属液之前将包覆层和内表面烘烤加热到960℃，在金属液的浇注过程中，在结晶器内加入磁场发生装置。在磁场施加过程中，在磁场发生装置内部进行氩气保护，氩气压力在1.3MPa，流量在0.5升/分钟，磁场施加时间为8h，其钢锭分析结果如图9所示，由图可见，钢锭内部无明显中心缩孔、疏松和A偏析，仅在钢锭头部出现A偏析和中心疏松。

实施例的结果表明：

本发明利用磁场发生装置促发金属液形核的技术，通过增加金属液内部的形核质点，提高金属液的形核质点密度，在金属液内部形成大面积的同时结晶区域，消除了凝固坯料内部的缩孔疏松等中心缺陷和A偏析，同时通过增加形核质点大面积形核有利于提高凝固坯料的初期凝固强度，细化凝固坯料的凝固组织，提高性能。