一种合金钢的超声‑电磁连续铸造方法

摘要

本发明提出一种合金钢的超声‑电磁复合能场连续铸造方法。该方法是将精炼好的钢熔体置于超声波和电磁场的联合作用下连续铸造成形，电磁能场作用是通过电磁搅拌器实现的，电磁搅拌器安装在二冷段和凝固末端，采用旋转磁场搅拌，搅拌器本体线圈为空心铜管内冷，二冷段电磁搅拌器本体安装在结晶器后1—3m；凝固末端电磁搅拌器本体安装在拉坯机前3—6m。超声波能场是通过将两套超声波装置的耐高温陶瓷工具头直接对称插入距熔池边部1/4直径部位的熔体中实现的，插入深度为20mm—70mm。本发明制备出来的合金钢铸锭组织均匀，等轴晶比例高，气孔和疏松缺陷少，生产效率高，适合批量生产。

说明书

技术领域

本发明涉及电磁场、超声波和金属凝固领域，具体地说是一种超声-电磁复合能场在高温熔体凝固成形过程中的应用。

背景技术

电磁搅拌技术可改善结晶器内的传热效率，使钢液内部的温度均匀，打断凝固前沿的枝晶，细化晶粒，减少成分偏析，扩大等轴晶区域。该技术在合金钢的熔铸过程中应用较普遍。由于电磁感应的吸肤效应，电磁搅拌的强作用区处在铸锭的表层区域，愈往中心深入则作用效果愈弱，因此在铸锭的中部存在电磁搅拌的盲区，这不利于全面提升钢锭的质量。

金属熔体超声波处理技术是国内外近年来出现的一种新型金属凝固成形方法，尤其对铝合金、镁合金等低熔点金属的超声处理进行了较多的研究，但到目前为止尚未实现工程化商业应用；而对于温度更高的钢熔体进行超声处理则研究很少，仅个别学者在实验室的小型平台上进行了简单的试验研究，离工程化应用还有很大的差距。

将超声波和电磁场同时引入到钢熔体中，用电磁场改善铸锭表层区域和次表层区域的质量，而用超声波改善铸锭中心区域的铸锭质量，实现合金钢的超声-电磁复合能场连续铸造的技术在国内外目前尚无先例。中南大学石琛、毛大恒等通过在合金钢的常规铸造中施加超声-电磁复合能场发现，超声波的空化作用和声流扰动作用及电磁场的搅拌扰动作用，使钢熔体的温度场和流场更加均匀，钢坯的晶粒明显细化，成分偏析的改善和等轴晶区域增加均比单一电磁搅拌效果好，力学性能有显著提高。

发明内容

本发明的目的在于提供一种高效、实用的适用于合金钢的超声-电磁复合能场连续铸造技术。

本发明的技术方案包括以下步骤：

1.在结晶器下端的二冷段和凝固末端分别安装不同的电磁搅拌器。二冷段电磁搅拌器本体安装在结晶器后1—3m，移动距离为1m，采用低电流(0—250A)和较高电源频率(0—20Hz)的单向旋转，最大磁感应强度600GS；凝固末端电磁搅拌器本体安装在拉坯机前3—6m，移动距离2m，采用较强电流(0—500A)、较低电源频率(0—10Hz)的双向旋转，最大磁感应强度900GS。

2、通过在距熔池边部1/4直径部位相对中心对称放置两套超声波装置1来施加超声波，超声波的功率为500W—1500W，超声波装置主要由换能器6、卧式丁字形变幅杆4和直立式耐高温陶瓷工具头5组成。

3、超声波装置1的耐高温陶瓷工具头5的长度为180mm—190mm，形状为截顶圆锥体，其底部直径为50mm，顶部直径为40mm—20mm。耐高温陶瓷工具头5和丁字形变幅杆4的连接端面的表面粗糙度≤0.8μm，耐高温陶瓷工具头5的轴线相对于连接端面的垂直度公差≤0.05μm。耐高温陶瓷工具头5通过高温热压烧结而成，其成分含量为：纳米氮化硅55％-65％，纳米氮化硼15％-20％，纳米氮化钛8％-13％，聚乙烯醇树脂7％-12％。

4、超声波的耐高温陶瓷工具头5直接插入熔体，插入深度为20mm—70mm。

5、超声波的频率为25KHz±600Hz，其工作温度范围可从室温至1600℃，在剧烈的热冲击下工具头不崩裂。

本发明具有如下特点：

(1)电磁感应器安装在结晶器下端铸锭的圆周方向，对铸锭表层和次表层产生电磁搅拌作用；在靠近熔池中心部位对称放置两套超声波装置，通过耐高温陶瓷工具头向熔体中导入超声波，施加的超声能场可以强化心部区域的搅拌作用，从而改善铸锭中心区域的质量。

(2)超声波发生器中耐高温陶瓷工具头采用截顶圆锥体的形状可有效扩大超声波在钢液中的作用区域：常规超声波导波杆的工具头为圆柱形状，该形状将超声波能量集中于工具头端面，从而使得超声波能够有效传输到工具头下方区域，但是，在模铸过程中，钢水主要通过其四周及底部的冷却作用来实现凝固的，其凝固前沿呈现V字形，圆柱形工具头在径向的超声波传导作用弱，也就对其四周的凝固前沿无法实现有效的超声波作用，而截顶圆锥体形状的工具头，其圆锥形的超声波传导面与V字形凝固前沿类似，这样超声波可以有效作用到凝固前沿，其作用区域得到扩大，也有利于铸锭晶粒的整体均匀细化。

(3)超声波发生器中耐高温陶瓷工具头与变幅杆之间的高精度连接可有效减少超声波传递过程中在连接面处的衰减。

(4)超声波发生器中耐高温陶瓷工具头采用多种耐高温纳米粉体材料合理配比后经高温热压烧结而成，纳米粉体经有效配比后在高温高压作用下形成致密的工具头材质，既可有效防止钢液对工具头的溶蚀，又能防止超声波在工具头中传播时其高频振动对工具头材质的震裂现象，从而实现在钢液凝固过程中长时间进行超声波作用。

(5)实现了合金钢连续铸造过程中超声波和电磁场参数的最佳耦合。

附图说明

图1超声波-电磁场铸造示意图；

图2超声波装置1的结构示意图；

图3常规铸造组织缺陷照片；

图4超声-电磁铸造组织缺陷照片；

图5常规铸造金相照片；

图6超声-电磁铸造金相照片。

具体实施方式

以下实施例旨在进一步说明本发明，这将有助于对本发明及其优点的进一步理解，这些实例不作为对本发明的限定，本发明的保护范围由权利要求书来决定。

实施例1：

将熔炼好的35CrMo钢水30吨经真空脱气处理后导入中间包，在熔池钢水表面加入一定量的覆盖剂，使钢水温度保持在1550℃～1560℃。

用引锭杆将钢水拉出结晶器后，使红坯穿过二冷段电磁搅拌器本体2，当拉坯速度达到1.50m/min时，由工控机给出信号控制单向旋转搅拌电流为100A、搅拌频率14Hz，产生交变磁场，对二冷段钢液进行搅拌。同时，根据铸坯质量情况，调整拉坯速度2.00～2.50m/min和结晶器冷却水量20～30m³/h；控制搅拌器本体冷却水量≥10m³/h、及时带走红坯对搅拌器本体的辐射热和线圈产生的热量，控制出水温度<48℃、以保证搅拌器的正常工作。

当红坯穿过凝固末端电磁搅拌器本体3，拉坯速度达到1.50m/min时，由工控机给出信号控制双向旋转搅拌电流为300A、搅拌频率5Hz、时间间隔为正向10s—停5s—反向10s)，产生交变磁场，对红坯心部“糊状区”进行搅拌。同时，根据铸坯质量情况，调整拉坯速度2.00～2.50m/min和结晶器冷却水量20～30m³/h；控制搅拌器本体冷却水量≥12m³/h、及时带走红坯对搅拌器本体的辐射热和线圈产生的热量，控制出水温度<48℃、以保证搅拌器的正常工作。

将超声波工具头5插入熔池距边部1/4直径部位，相对熔池中心对称布置两根，插入深度30mm,超声波的频率为25.5KHz，超声波的输出功率为600W。

所用超声波装置1的耐高温陶瓷工具头5的长度为190mm，形状为截顶圆锥体，其底部直径为50mm，顶部直径为20mm。耐高温陶瓷工具头5和丁字形变幅杆4的连接端面的表面粗糙度为0.8μm，耐高温陶瓷工具头5的轴线相对于连接端面的垂直度公差为0.05μm，耐高温陶瓷工具头5的成分含量为：纳米氮化硅65％，纳米氮化硼18％，纳米氮化钛10％，聚乙烯醇树脂7％。

实施例2：

将熔炼好的35CrMo钢水30吨经真空脱气处理后导入中间包，在熔池钢水表面加入一定量的覆盖剂，使钢水温度保持在1550℃～1560℃。

用引锭杆将钢水拉出结晶器后，使红坯穿过二冷段电磁搅拌器本体2，当拉坯速度达到1.50m/min时，由工控机给出信号控制单向旋转搅拌电流为150A、搅拌频率18Hz，产生交变磁场，对二冷段钢液进行搅拌。同时，根据铸坯质量情况，调整拉坯速度2.00～2.50m/min和结晶器冷却水量20～30m³/h；控制搅拌器本体冷却水量≥10m³/h、及时带走红坯对搅拌器本体的辐射热和线圈产生的热量，控制出水温度<48℃、以保证搅拌器的正常工作。

当红坯穿过凝固末端电磁搅拌器本体3，拉坯速度达到1.50m/min时，由工控机给出信号控制双向旋转搅拌电流为380A、搅拌频率2Hz、时间间隔为正向10s—停5s—反向10s)，产生交变磁场，对红坯心部“糊状区”进行搅拌。同时，根据铸坯质量情况，调整拉坯速度2.00～2.50m/min和结晶器冷却水量20～30m³/h；控制搅拌器本体冷却水量≥12m³/h、及时带走红坯对搅拌器本体的辐射热和线圈产生的热量，控制出水温度<48℃、以保证搅拌器的正常工作。

将超声波工具头5插入熔池距边部1/4直径部位，相对熔池中心对称布置两根，插入深度70mm,超声波的频率为25KHz，超声波的输出功率为1000W。

所用超声波装置1的耐高温陶瓷工具头5的长度为185mm，形状为截顶圆锥体，其底部直径为50mm，顶部直径为40mm。耐高温陶瓷工具头5和丁字形变幅杆4的连接端面的表面粗糙度为0.8μm，耐高温陶瓷工具头5的轴线相对于连接端面的垂直度公差为0.05μm，耐高温陶瓷工具头5的成分含量为：纳米氮化硅60％，纳米氮化硼20％，纳米氮化钛10％，聚乙烯醇树脂10％。

铸造组织观察表明：

超声-电磁连续铸造成形可使铸锭的平均晶粒度尺寸由3.8mm降至1.5mm，中心等轴晶率由常规铸造的19.5％提高到48.2％，并有效减少疏松缺陷，细化并减少夹杂物。

上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。