CN103317106B - 一种提高大钢锭铸造质量的方法与装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及特殊钢、高温合金等大型钢锭的模铸方法与装置。一种提高大钢锭铸造质量的装置，包括钢锭模（1），钢锭模型腔内底部设置有钢锭模底盘（2），顶部有冒口（3），钢锭模底盘开孔并联接浇注管（5），浇注管接中注管（4）；所述装置还包括非接触磁发射装置（6）、支撑导轨（7）和驱动机构（8），驱动机构包括转向支撑（80）、驱动马达（81）和链条（82），若干个转向支撑安装在机架和支撑导轨上，机架和支撑导轨固定于钢锭模外，非接触磁发射装置顶部连接链条，链条另一端连接驱动马达，链条穿过转向支撑拖动非接触磁发射装置上下运动，非接触磁发射装置被放置在钢锭模型腔内，非接触磁发射装置上下运动速度由驱动马达控制。

Description

一种提高大钢锭铸造质量的方法与装置

技术领域

    本发明涉及特殊钢、高温合金等大型钢锭的模铸方法与装置，属于钢锭模铸技术领域。

背景技术

目前，模铸仍是钢铁行业中一种常见的铸锭生产方式，一般按铸锭单重5吨以上，称为大钢锭铸造。随着社会需求的不断变化和进一步降低生产成本的要求，对20吨以上超大型钢锭的模铸生产也越来越普遍。但现有技术中，大钢锭铸造，尤其超大型钢锭铸造普遍存在以下问题：（一）钢水充型时的浇注温度比较高，钢水过热度一般均在40～60℃以上，对铸锭的凝固组织产生恶化影响，加剧了铸锭成分偏析和铸态组织粗大；（二）大钢锭铸造的冒口一般都比较大，通常冒容比都在10～20％之间，虽然有利于铸锭凝固过程的补缩，降低了缩松缩孔缺陷，但大大降低了金属收得率，同时冒口体积大，延长了铸坯凝固时间，加剧了铸锭成分偏析；（三）大钢锭铸造一般在开放的空间完成充型过程，钢水与空气接触易于产生因氧化造成的二次夹杂；（四）采用保护渣保护浇注，在充型过程中加大了铸锭卷渣的几率。

针对以上问题，现有技术中的解决方案主要有以下几类：（一）中国专利03232433.2、日本专利JP1043838等公开了采用冒口加绝热板、顶部加发热剂或顶部加电弧、激光、电渣、感应加热等方法，延迟冒口钢水的凝固，对铸锭凝固起补缩作用，该方法能有效控制铸锭的缩松缩孔缺陷，但因凝固时间加长，加剧了铸锭组织偏析，晶粒粗大，对一些模具钢、轴承钢等而言，偏析是核心问题，无法满足铸锭质量要求；（二）中国专利02266115.8公开了一种氩气保护浇注技术，其核心是利用氩气隔离从大包水口至中注管的空气，防止钢水二次氧化夹杂，但该技术在钢锭模内仍为开放式浇注，无法实现钢锭模内的空气隔离，若采用保护渣保护浇注又加剧了充型卷渣；（三）采用真空浇注，可实现无空气污染浇注，但设备成本高昂，维护困难，同时，真空浇注凝固时间加长，加剧了铸锭成分偏析，对部分产品钢种生产无法投入；（四）在有色冶金、连铸生产中，有采用机械搅拌或电磁搅拌的方法改善铸锭内部质量，但在钢的模铸方面未检索到相关技术，原因如下：机械搅拌在高温钢液（约1500～1600℃）条件下易侵蚀，也对钢液产生污染，一般不采用；而电磁搅拌在连铸钢的生产中已普遍运用，能有效改善铸坯内部质量，但这种电磁搅拌在模铸上因钢锭模的磁场屏蔽作用根本无法实现。（五）在钢水过热度控制方面，针对模铸目前没看到相关技术。有人提出采用大包补热等方法实现低过热度恒温浇注，但模铸条件下基本无法实施。中国专利03211964.X还公开了一种水冷模铸方法，基本还无法工业应用，尤其对大钢锭无法实现。

发明内容

本发明的目的在于提供一种提高大钢锭铸造质量的方法与装置，该方法和装置能实现在完全氩气保护条件下，减少钢液二次氧化夹杂和浇注卷渣，对浇注钢液实现无污染的非接触电磁搅拌作用，有效改善大钢锭内部成分偏析，提高大钢锭的铸造质量。

为了实现上述目的，本发明是这样实现的：

一种提高大钢锭铸造质量的方法，是在钢锭模型腔底部预先放置可上下移动的带气体吹出口的非接触磁发射装置，所述非接触磁发射装置离钢锭模型腔底部有一段距离；

铸造钢水充型开始前，利用外部惰性气体吹扫钢锭模型腔内整个钢水充型空间以驱赶空气，所述非接触磁发射装置的气体吹出口开始持续吹出惰性气体以隔离钢锭模型腔内上部的空气进入型腔底部；

铸造钢水充型开始后，钢水从钢锭模型腔底部进入模型腔体内挤压充型空间内的残余惰性气体，惰性气体通过所述非接触磁发射装置与钢锭模腔体之间的缝隙排出，钢水进入到钢锭模型腔底部；所述非接触磁发射装置开始工作，非接触磁发射装置在外部驱动机构的拖动下以一定的速度向上缓慢移动；同时，所述非接触磁发射装置开始激发运动磁场，运动磁场方向垂直于钢液平面，钢液平面切割磁力线，从而在钢液内部产生感应电流，感应电流和运动磁场相互作用带动钢液在钢锭模内做圆周旋转运动，从而对充型钢水起到电磁搅拌作用，加速钢水温度均匀化、成分均匀化以及铸坯等轴晶的形成，从而提高铸锭质量；

钢水充型结束后，所述非接触磁发射装置已运动至钢锭模型腔冒口顶部，非接触磁发射装置吹出的惰性气体停止，加入冒口发热剂对冒口保温，非接触磁发射装置的电磁搅拌作用继续工作一段时间后停止，铸锭自然冷却后脱模成型。

所述惰性气体为氩气。

所述非接触磁发射装置向上移动速度按钢水充型速度确定。

一种提高大钢锭铸造质量的装置，包括钢锭模，所述钢锭模型腔内底部设置有钢锭模底盘，顶部有冒口，钢锭模底盘开孔并联接浇注管，浇注管接中注管；

所述装置还包括非接触磁发射装置、支撑导轨和驱动机构，驱动机构包括转向支撑、驱动马达和链条，若干个转向支撑分别安装在机架和支撑导轨上，机架和支撑导轨固定安装于钢锭模外，非接触磁发射装置顶部连接链条，链条另一端连接驱动马达，链条穿过转向支撑拖动非接触磁发射装置上下运动，非接触磁发射装置被放置在钢锭模型腔内，非接触磁发射装置上下运动的速度由驱动马达控制。

所述非接触磁发射装置包括内外两层环形封装箱体，内层环形封装箱体为一非磁性外壳包覆磁发射元件组成，非磁性外壳内自带冷却介质用于冷却磁发射元件，外层环形封装箱体为另一非磁性外壳包覆内层封装箱体构成，内外两层封装箱体之间留有间隙，间隙内通压缩空气；所述外层环形封装箱体外壳内设置有环形通道，环形通道外部沿环形壁均匀开有气体吹出口，环形通道上部通入惰性气体。

所述气体吹出口的喷口向上倾斜。

所述磁发射元件为若干块永磁体，若干块永磁体由一非磁性环形外壳包覆构成内层环形封装箱体，非磁性环形外壳内部通冷却水或压缩空气；封装箱体内永磁体的磁极方向垂直于钢液浇注平面，所述内层环形封装箱体由外部电机拖动做圆周旋转运动，旋转速度由电机转速控制。

所述磁发射元件为若干块直流电磁铁，若干块直流电磁铁由一非磁性环形外壳包覆构成内层环形封装箱体，非磁性环形外壳内部通有冷却水或压缩空气；直流电磁铁磁极方向垂直于钢液浇注平面，所述内层环形封装箱体由外部电机拖动做圆周旋转运动，旋转角速度由电机转速控制。

所述永磁体或直流电磁铁之间磁极方向为相同方向。

所述磁发射元件为若干个缠绕于一扁平环形铁芯的电磁线包绕组，由非磁性环形外壳包覆构成内层环形封装箱体，非磁性环形外壳内部通有冷却水或压缩空气；若干个电磁线包绕组分成不同数量在圆周上形成2相或3相供电形式；电磁线包绕组接低频交流电，电流方向环绕环形铁芯，产生的运动磁场方向垂直于钢液浇注平面。

所述电磁线包绕组由扁铜线或中空扁铜管绕制。

所述环形铁芯被制作成半环形或扇形结构。

本发明利用带气体吹出口的非接触磁发射装置，对模铸钢水的整个浇注过程进行钢液全氩气密封保护浇注，同时对浇注钢液实现无污染的非接触电磁搅拌作用，加速钢水温度、成分均匀化，降低钢水高过热度的裂化影响，促进夹杂物上浮，并可免除保护渣的使用，消除卷渣缺陷；同时，旋转电磁搅拌的磁场垂直于钢液搅拌平面带动钢水圆周运动，有效控制钢水充型液面波动，可减轻铸锭部分重皮缺陷，从而能有效解决现有技术中存在的问题。本发明的方法和装置实施简单，成本低廉，能有效提高大钢锭铸造质量，尤其有利于降低大钢锭偏析这个核心质量问题。

附图说明

图1为本发明提高大钢锭铸造质量的装置结构示意图；

图2为本发明的非接触磁发射装置结构示意图；

图3为本发明提高大钢锭铸造质量方法原理图；

图4为本发明的磁发射元件实施方案一示意图；

图5为本发明的磁发射元件实施方案二示意图；

图6为本发明的磁发射元件实施方案三示意图。

图中：1钢锭模，2钢锭模底盘，3冒口，4中注管，5浇注管，6非接触磁发射装置，7支撑导轨，8驱动机构，9钢液平面，10发热覆盖剂，11缝隙；

60运动磁场方向，61内层环形箱体，62外层环形箱体，63磁性组件（磁发射元件），64气体吹出口，65外壳，66支撑结构，67吊耳，68、68'冷却介质（水或空气）进出通道，69、69'冷却介质（压缩空气）进出通道，70气体进入通道；

80转向支撑，81驱动马达，82链条；

100轮辐结构，101旋转电机转动方向，102环形铁芯，103电磁线包绕组。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明。

参见图1、图2，一种提高大钢锭铸造质量的装置，包括钢锭模1、非接触磁发射装置6、支撑导轨7和驱动机构8，所述钢锭模1型腔内底部设置有钢锭模底盘2，顶部有冒口3，钢锭模底盘2开孔并联接浇注管5，浇注管5接中注管4；所述驱动机构8包括转向支撑80、驱动马达81和链条82，若干个转向支撑80分别安装在机架和所述支撑导轨7上，机架和支撑导轨7固定安装于钢锭模1外部，用于支撑非接触磁发射装置6和驱动机构8；非接触磁发射装置6顶部连接链条82，链条82另一端连接驱动马达81，链条82穿过转向支撑80拖动非接触磁发射装置6上下运动，非接触磁发射装置6被放置在钢锭模1型腔内，非接触磁发射装置6上下运动的速度由驱动马达81控制。

浇注开始前，所述的非接触磁发射装置6由驱动机构8控制预先放置于钢锭模1的型腔底部一定距离处，如相距为100mm左右，一般钢液浇注的液面波动几十至100mm左右，之后，用外部气体管道（图1中未示出）注入惰性气体（如氩气，本实施例采用氩气）从中注管4上口吹入，对整个充型空间进行氩气吹扫，排出由钢锭模1、钢锭模底盘2、中注管4以及冒口3包围的空气，防止钢水充型时的空气对钢水的二次氧化，可减少钢锭内部质量的夹杂缺陷；氩气吹扫一定时间后，吹扫时间与氩气流量和钢锭模1尺寸空间有关，根据含氧量测试工艺确定，所述带气体吹出口的非接触磁发射装置6开始工作，非接触磁发射装置6的气体吹出口64持续吹出氩气以隔离外部空气进入钢锭模1型腔底部的空间，实现整个浇注过程的全氩气保护浇注。全氩气保护浇注具有以下两个优点：（1）有效防止钢水浇注过程中与空气的接触带来的二次氧化，对减少钢锭内部夹杂缺陷有显著作用；（2）全氩气保护浇注可免除传统模铸中保护渣的使用，大大降低钢锭卷渣缺陷。全氩气保护浇注成本低廉，效果显著，甚至可与真空浇注质量相比。

浇注开始后，钢液从中注管4进入浇注管5一分为二，可同时浇注2个钢锭。钢水由钢锭模底盘2进入钢锭模1的型腔内，压迫残余吹扫氩气从所述非接触磁发射装置6和钢锭模1内壁所构成的缝隙11处排出钢锭模，而非接触磁发射装置6的气体吹出口64持续吹出的氩气实现隔离外部空气进入钢锭模1型腔底部，实现全氩气保护浇注。钢水一旦充型进入钢锭模1的型腔底部后，所述非接触磁发射装置6开始在外部驱动机构8的拖动下，以一定的速度向上缓慢移动，移动的速度按钢水充型速度确定，始终保持所述非接触磁发射装置6距离浇注钢液面9一恒定距离，比如100mm。所述非接触磁发射装置6在驱动马达81控制下上下运动，如图2的箭头所示。

钢水一旦充型进入钢锭模1的型腔底部同时，所述非接触磁发射装置6开始在钢液浇注面激发运动磁场B，运动磁场移动方向V向左，运动磁场磁力线方向60垂直于钢液浇注面9，如图3所示；运动磁场方向垂直于钢液平面，钢液平面切割磁力线，从而在钢液内部产生感应电流，根据右手定则判定钢液9内产生垂直纸面向里的感应电流，感应电流和运动磁场B相互作用，根据左手定则，可判断钢液浇注面9产生与磁场运动方向相同的力F，从而拖动浇注钢液产生旋转运动，从而对充型钢水起到无污染的电磁搅拌作用，打碎枝晶，促进夹杂物上浮，加速钢水温度均匀化、成分均匀化以及铸坯等轴晶的形成，从而提高铸锭质量，尤其有利于降低铸锭成分偏析。

本发明所述电磁搅拌不同于传统连铸中应用的电磁搅拌，传统连铸的电磁搅拌其磁场方面垂直铸坯圆周面或铸坯纵向侧面，而本发明的电磁搅拌属横截面电磁搅拌，其磁场方面要求垂直于浇注钢液面9，钢液面的电磁搅拌作用在于改善传热传质、净化钢液的同时，钢液的旋转运动也有利于抑制钢液充型造成的液面波动，对预防钢锭重皮等缺陷有一定改善作用。

钢水充型结束后，所述非接触磁发射装置6已由驱动机构8拖动至钢锭模型腔冒口3顶部，非接触磁发射装置6吹出的氩气停止，此时，可加入冒口发热剂10对冒口3保温，非接触磁发射装置6的电磁搅拌作用继续工作一段时间后停止，具体时间可由铸造工艺确定，铸锭自然冷却后脱模成型。

所述非接触磁发射装置6包括中空的内层环形箱体61、中空的外层环形箱体62、支撑结构66和吊耳67，如图2所示。其中内层环形箱体61由非磁性的不锈钢外壳65封装磁发射元件63（或磁性组件63），外层环形箱体62由另一非磁性的不锈钢外壳65封装，内外两层封装箱体之间留有间隙。内层环形箱体61、内外两层环形箱体之间的间隙均有独立的冷却介质进出通道，分别为68和68'，69和69'。所述冷却介质进出通道68和68'的冷却介质可以是水或空气，本实施例优选水，用于冷却磁发射元件63；而冷却介质进出通道69和69'的冷却介质优选压缩空气，用于冷却浇注钢液面的高温辐射热，这样有利于设备可靠，防止因漏水造成安全事故。

所述非接触磁发射装置6的外层环形封装箱体62外壳65内设置有环形通道，环形通道外部沿环形壁均匀开有气体吹出口64，环形通道上部开有气体进入通道70通入氩气，所述气体吹出口64的喷口向上倾斜吹出氩气，隔离外部空气进入到所述非接触磁发射装置6以下的空间内，防止浇注钢液二次氧化夹杂。

所述的磁性组件63，可为若干永磁体、直流电磁铁或电磁线包绕组的任何一种构成，其激发垂直于浇注钢液平面的运动磁场，有三个实施方案。

（1）所述的磁性组件63由若干个永磁体构成，其在浇注钢液面产生运动磁场的方案，如图4所示。磁性组件63由一非磁性奥氏体不锈钢环形外壳65封装在内层环形箱体61内，内部有图2所示的冷却介质进出通道68、68’输入冷却水或压缩空气，优选水作为冷却介质；磁性组件63为永磁体，其磁极方向垂直于钢液浇注平面（即垂直向下），若干个永磁体之间磁极方向可为相同方向，也可相互NS极交错布置，优选是在整个环形箱体61内永磁体的磁极方向均相同。环形箱体61的外壳65与外部轮辐结构100固定一起，外部旋转电机轴（未示出）沿旋转电机转动方向101或相反方向旋转运动即可产生运动磁场，该运动磁场的原理如图3所示，从而拖动钢液做旋转电磁搅拌运动，切割磁力线的角速度由外部旋转电机转速控制。

（2）所述磁性组件63由若干个直流电磁铁构成，其在浇注钢液面产生运动磁场的方案，如图4所述一致，仅仅由永磁体更换成直流电磁铁即可。所述直流电磁铁比永磁体具有通过电流大小控制其磁场大小的特点，具有更加灵活的特点。

（3）所述磁性组件63由若干个缠绕于一扁平环形铁芯102的电磁线包绕组103构成，如图5所示，所述电磁线包绕组103分成不同数量在圆周上可形成2相或3相低频交流供电形式，电磁线包绕组103接低频交流电，电流方向环绕环形铁芯102，产生的运动磁场方向垂直于钢液浇注平面。所述电磁线包绕组103可由扁实心铜线或中空扁铜管绕制，中空扁铜管内部可通水冷却。电磁线包绕组103因供电发热，由冷却介质进出通道68输入的冷却介质供给冷却，如图2所示，优选水作为冷却介质。所述电磁线包绕组103本身可直接激发运动磁场，不需要外部旋转驱动，也可自由调节电磁场大小。所述环形铁芯102均可制作成如图6所示的半环形或扇环形结构，所述电磁线包绕组103缠绕其上，增加调节灵活性以适应不同尺寸钢锭模型腔的应用。

所述非接触磁发射装置为中空的环形结构，其内部也可装配电弧、电渣、激光或平面电磁感应加热器，对超大型钢锭增加冒口补热效率。

本技术领域中的普通技术人员应当认识到，以上的实施例仅是用来说明本发明，而并非用作为对本发明的限定，比如，外部驱动机构样式、磁性组件数目等，同样限定在本发明的实质范围内，对以上所述实施例的变化、变型都将落在本发明的权利要求保护范围内。

Claims (12)

1.一种提高大钢锭铸造质量的方法，其特征是：在钢锭模型腔底部预先放置可上下移动的带气体吹出口的非接触磁发射装置，所述非接触磁发射装置离钢锭模型腔底部有一段距离；

铸造钢水充型开始前，利用外部惰性气体吹扫钢锭模型腔内整个钢水充型空间以驱赶空气，所述非接触磁发射装置的气体吹出口开始持续吹出惰性气体以隔离钢锭模型腔内上部的空气进入型腔底部；

铸造钢水充型开始后，钢水从钢锭模型腔底部进入模型腔体内挤压充型空间内的残余惰性气体，惰性气体通过所述非接触磁发射装置与钢锭模腔体之间的缝隙排出，钢水进入到钢锭模型腔底部；所述非接触磁发射装置开始工作，非接触磁发射装置在外部驱动机构的拖动下以一定的速度向上缓慢移动；同时，所述非接触磁发射装置开始激发运动磁场，运动磁场方向垂直于钢液平面，钢液平面切割磁力线，从而在钢液内部产生感应电流，感应电流和运动磁场相互作用带动钢液在钢锭模内做圆周旋转运动，从而对充型钢水起到电磁搅拌作用，加速钢水温度均匀化、成分均匀化以及铸坯等轴晶的形成，从而提高铸锭质量；

钢水充型结束后，所述非接触磁发射装置已运动至钢锭模型腔冒口顶部，非接触磁发射装置吹出的惰性气体停止，加入冒口发热剂对冒口保温，非接触磁发射装置的电磁搅拌作用继续工作一段时间后停止，铸锭自然冷却后脱模成型。

2.根据权利要求1所述的提高大钢锭铸造质量的方法，其特征是：所述惰性气体为氩气。

3.根据权利要求1所述的提高大钢锭铸造质量的方法，其特征是：所述非接触磁发射装置向上移动速度按钢水充型速度确定。

4.一种提高大钢锭铸造质量的装置，包括钢锭模，所述钢锭模型腔内底部设置有钢锭模底盘，顶部有冒口，钢锭模底盘开孔并联接浇注管，浇注管接中注管；

其特征是：所述装置还包括非接触磁发射装置、支撑导轨和驱动机构，驱动机构包括转向支撑、驱动马达和链条，若干个转向支撑分别安装在机架和支撑导轨上，机架和支撑导轨固定安装于钢锭模外，非接触磁发射装置顶部连接链条，链条另一端连接驱动马达，链条穿过转向支撑拖动非接触磁发射装置上下运动，非接触磁发射装置被放置在钢锭模型腔内，非接触磁发射装置上下运动的速度由驱动马达控制。

5.根据权利要求4所述的提高大钢锭铸造质量的装置，其特征是：所述非接触磁发射装置包括内外两层环形封装箱体，内层环形封装箱体为一非磁性外壳包覆磁发射元件组成，非磁性外壳内自带冷却介质用于冷却磁发射元件，外层环形封装箱体为另一非磁性外壳包覆内层封装箱体构成，内外两层封装箱体之间留有间隙，间隙内通压缩空气；所述外层环形封装箱体外壳内设置有环形通道，环形通道外部沿环形壁均匀开有气体吹出口，环形通道上部通入惰性气体。

6.根据权利要求5所述的提高大钢锭铸造质量的装置，其特征是：所述气体吹出口的喷口向上倾斜。

7.根据权利要求5所述的提高大钢锭铸造质量的装置，其特征是：所述磁发射元件为若干块永磁体，若干块永磁体由一非磁性环形外壳包覆构成内层环形封装箱体，非磁性环形外壳内部通冷却水或压缩空气；封装箱体内永磁体的磁极方向垂直于钢液浇注平面，所述内层环形封装箱体由外部电机拖动做圆周旋转运动，旋转速度由电机转速控制。

8.根据权利要求5所述的提高大钢锭铸造质量的装置，其特征是：所述磁发射元件为若干块直流电磁铁，若干块直流电磁铁由一非磁性环形外壳包覆构成内层环形封装箱体，非磁性环形外壳内部通有冷却水或压缩空气；直流电磁铁磁极方向垂直于钢液浇注平面，所述内层环形封装箱体由外部电机拖动做圆周旋转运动，旋转角速度由电机转速控制。

9.根据权利要求7或8所述的提高大钢锭铸造质量的装置，其特征是：所述永磁体或直流电磁铁之间磁极方向为相同方向。

10.根据权利要求5所述的提高大钢锭铸造质量的装置，其特征是：所述磁发射元件为若干个缠绕于一扁平环形铁芯的电磁线包绕组，由非磁性环形外壳包覆构成内层环形封装箱体，非磁性环形外壳内部通有冷却水或压缩空气；若干个电磁线包绕组分成不同数量在圆周上形成2相或3相供电形式；电磁线包绕组接低频交流电，电流方向环绕环形铁芯，产生的运动磁场方向垂直于钢液浇注平面。

11.根据权利要求10所述的提高大钢锭铸造质量的装置，其特征是：所述电磁线包绕组由扁铜线或中空扁铜管绕制。

12.根据权利要求10所述的提高大钢锭铸造质量的装置，其特征是：所述环形铁芯被制作成半环形或扇形结构。