CN104209499A - 利用电磁力致熔体振荡的低频脉冲磁场凝固细晶方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种金属材料制备技术。一种利用电磁力致熔体振荡的低频脉冲磁场凝固细晶方法，是将低频脉冲磁场励磁线圈安装在铸型外，当金属熔体通过浇注设备进入铸型内，开启低频脉冲电源，低频脉冲电源产生的脉冲电流，经过励磁线圈产生低频脉冲磁场，作用于铸型内的金属熔体；脉冲放电频率f_T为1～25Hz，脉冲波形频率f_w为1～50Hz，脉冲电压U_m为0～500V。本发明的低频脉冲磁场技术的瞬时磁场强度大，在熔体内部产生方向往复变化的电磁振荡力更易令枝晶破碎，而且与金属熔体非接触、无污染，可应用于金属大尺寸铸坯凝固过程。

Description

利用电磁力致熔体振荡的低频脉冲磁场凝固细晶方法

技术领域

    本发明涉及一种金属材料制备技术，尤其涉及一种利用电磁力致熔体振荡的低频脉冲磁场凝固细晶方法。

背景技术

金属铸坯的等轴晶比率提高有利于提高铸坯的轧制性能，减少铸坯的内裂、中心偏析的组织缺陷。目前，冶金工艺生产中通用的方法是，降低浇注过热度，电磁搅拌技术的投入使用。实践证明：15℃以下的浇注过热度，才能显著提高金属的等轴晶比率，而低过热度使钢水流动性变差，造成水口容易堵塞，夹杂物难以上浮等诸多问题。电磁搅拌技术的使用可以适当提高浇注过热度范围，但实际应用又面临以下问题：1、电磁力大小的局限，使等轴晶比率不高以及不稳定；2、趋肤效应的存在使得电能利用率不高；3、二冷段电磁搅拌技术使用，铸坯存在负偏析和V型偏析等问题；4、设备花费大，且后期维修复杂。

电磁振荡技术是利用电磁场对熔体产生振荡的作用，可以显著的细化金属的凝固组织。学者们提出了各种形式的电磁振荡技术，20世纪90年代，Radjai 利用静磁场和交变电流起到了诱使熔体发生振荡的作用。Iwai提出利用直流电流与静磁场产生振荡作用也可以显著扩大等轴晶区。Nakada在熔体中***电极，通入单一的脉冲电流，以产生振荡。上述三类方法都需要在熔体中***电极，因此存在着污染金属，影响金属纯净度的问题。Vives等发明了利用静磁场和交变磁场相互作用在熔体内部产生一个交变电磁力，迫使熔体发生振荡，从而细化金属晶粒、去除气体以及提高充型能力，这种方法虽然可以避免金属污染问题，但是磁场强度大小有限，无法达到1T以上。

近年来，訾炳涛首先利用脉冲电流通入励磁线圈以产生脉冲磁场，对熔体产生电磁振荡作用。而后，中国专利0510030736.4公布了一种利用磁振振荡技术细化金属晶粒的方法。这两种产生脉冲磁场的方法主要是采用高电压、大电容式脉冲电源，其原理都是利用大电容储能瞬间释放，产生强磁场。该类型电源采用的油浸式电容体积庞大，价格昂贵，而且需要在专门的实验室才能保证安全正常工作，不利于应用于实际工业生产。而且这种类型的电源充电和放电时间过长，单位时间内放电次数过低（大约3次左右），不利于对金属凝固过程进行控制。并且，由于电源与负载的匹配，脉冲磁场波形频率大，趋肤效应的影响使得小尺寸试样效果明显，但对于工业生产大尺寸铸坯细化效果尚不明确。

中国专利200810228547.1公布了一种低压脉冲磁场作用下细晶金属材料的制备方法，该方法采用低压脉冲磁场作用于金属的凝固过程以获得细化的组织，避免了上述两种方法中的高电压问题。其原理是凝固初期，当凝固壳尚未形成，利用低压脉冲磁场促使游离晶核从型壁上脱落，但当凝固壳存在时，型壁上由于过冷生成的游离晶消失，此时利用低压脉冲磁场不能获得良好的细化效果。这种原理对于许多连铸类型工序应用存在一定问题，比如钢的连铸过程，按照该种方法的原理，励磁线圈应该安装于结晶器上端，此时钢水由浸入式水口进入，结晶壁产生的游离晶核将被融化，而安装于结晶器下段，此时铸坯凝固壳生成，无法提供游离晶核。另外，该种方法对于大尺寸铸坯的细化效果尚不明确。

发明内容

本发明的目的在于提供一种利用电磁力致熔体振荡的低频脉冲磁场凝固细晶方法，该方法的低频脉冲磁场技术的瞬时磁场强度大，在熔体内部产生方向往复变化的电磁振荡力更易令枝晶破碎，而且与金属熔体非接触、无污染，可应用于金属大尺寸铸坯凝固过程。

为了实现上述技术目的，本发明采用如下技术方案：

一种利用电磁力致熔体振荡的低频脉冲磁场凝固细晶方法，将低频脉冲磁场励磁线圈安装在铸型外，当金属熔体通过浇注设备进入铸型内，开启低频脉冲电源，低频脉冲电源产生的脉冲电流，经过励磁线圈产生低频脉冲磁场，作用于铸型内的金属熔体；脉冲放电频率f _T 为1～25Hz，脉冲波形频率f _w 为1～50Hz，脉冲电压U _m 为0～500V。

所述脉冲放电频率f _T 为1～20Hz。

所述脉冲波形频率f _w 为10～50Hz。

所述脉冲电压U _m 为100～500V。

本发明的凝固细晶方法是利用电磁力致熔体振荡的低频脉冲磁场技术，相比于电磁搅拌技术，一方面，低频脉冲磁场技术瞬时磁场强度大，可以避免电磁搅拌技术电磁力大小的局限；另一方面，低频脉冲磁场技术主要在熔体内部产生方向往复变化的电磁振荡力，相比电磁搅拌技术单方向的搅拌力，更易令枝晶破碎。而且低频脉冲磁场波形频率低、与金属熔体非接触，无污染，可应用于金属大尺寸铸坯凝固过程，特别是钢的连铸过程。

本发明适用于大尺寸金属铸坯的凝固过程，可获得晶粒细小的凝固组织。该技术电源设备制作简单，易实现工业现场的实际应用，相比同等磁场强度的电磁搅拌技术，其电源消耗显著降低，可以极大节省吨钢成本。

本发明由于采用了低频脉冲磁场技术，与现有技术相比具有如下优点：

1、储能电容经过充电后在极短时间内放出，能够产生强度很大的电磁力。

2、磁场频率低，可避免趋肤效应的影响，应用于钢、铜等电导率较大，趋肤效应明显，而且铸坯尺寸较大的金属凝固过程。

3、相比单方向搅拌的电磁搅拌技术，方向来回变化的电磁力在熔体中形成“反向流”，更容易使铸坯中正在生长的枝晶破碎，而且能够避免电磁搅拌引起的负偏析问题。

4、由于脉冲磁场是长时间进行能量储存，而短时间内释放的磁场，其瞬时功率大，而平均功率小。而电磁搅拌为了实现较高磁场强度，需要低电压、大电流一直保持输出，其平均功率大，这就对电源设备提出了要求，需要昂贵的可控硅整流装置。因此，本发明采用低频脉冲磁场技术相比电磁搅拌技术，可显著降低电能消耗，省去强大的冷却设备。

5、由于采用励磁线圈产生电磁振荡力，因此与金属熔体非接触，无污染。

附图说明

图1 低频脉冲磁场电路结构图；

图2 低频脉冲磁场电源波形图；

图3 低频脉冲电磁振荡技术凝固细晶机理图。图中F _mag 为脉冲电磁力，B为脉冲磁场强度，u为枝晶间流速；图中                                               -，展现了在方向变化的脉冲电磁力作用下，枝晶被打断破碎的过程。

图4为低频脉冲磁场下浇注模拟试验装置图，图中：1为冷却水，2为励磁线圈，3为坩埚，4为冒口，5为铸模，6为金属熔体；

图5不同磁场形式下的Sn-20%Pb微观组织，图中：a）旋转式电磁搅拌；b）行波式电磁搅拌；c）螺旋式电磁搅拌；d）低频脉冲磁场；

图6低频脉冲磁场下304奥氏体不锈钢的典型宏观凝固组织图，图中：a）未施加低频脉冲磁场，b）施加低频脉冲磁场。

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。

一种利用电磁力致熔体振荡的低频脉冲磁场凝固细晶方法，将低频脉冲磁场励磁线圈安装在铸型5外，参见图4，当金属熔体6通过浇注设备，如通过坩埚3经冒口4进入铸型5内，开启低频脉冲电源，低频脉冲电源产生的脉冲电流，经过励磁线圈2产生低频脉冲磁场，作用于铸型5内的金属熔体6；励磁线圈2由铜管绕制而成，铜管内通入高强度的去离子循环冷却水1，以防止线圈发热而被损坏。

本发明中的脉冲电流波形为正弦波，图2为利用示波器测量的实际脉冲输出电流波形图，对于脉冲电流波形，其决定参数有脉冲峰值电流U _m ，脉冲波形频率f _w ，脉冲放电频率f _T 。脉冲放电频率f _T 为1～25Hz（较佳放电频率范围1～20Hz），脉冲波形频率f _w 为1～50 Hz（较佳波形频率范围为10～50Hz），脉冲电压U _m 为0～500V（较佳电压范围为100～500V）。

本发明利用电磁力致熔体振荡的低频脉冲磁场凝固细晶方法的工作原理如下：

本发明采用的磁场形式为低频脉冲磁场，低频脉冲磁场所用的电源通常为电容储能式，其工作原理如图1所示：直流电源供电的回路初期开关S₁闭合，开关S₂处于断开，电压对储能电容C充电，当储能电容C上的电压达到峰值时，开关S₁断开，开关S₂接通，储能电容瞬时间向励磁线圈L放电，产生磁场波形低、磁场强度大的低频脉冲磁场。

低频脉冲磁场在熔体内产生方向往复变化且瞬时能达到极值的电磁振荡力，熔体内的对流显著增加，并且方向变化的电磁振荡力促使熔体内部形成“反向流”，即流动方向发生改变，如图3所示。在“反向流”的来回冲刷下，一方面，凝固前沿生长的枝晶容易被破碎，形成大量的增殖游离晶核进入熔体中心。另一方面，对流的增加促使熔体内部温度梯度降低，这为游离晶核长大为等轴晶组织提供了温度条件，在上述两方面的作用下，低频脉冲电磁振荡技术的施加，促进了铸坯等轴晶比率的增加。

在实际应用中，将低频脉冲磁场励磁线圈安装在金属凝固初期，比如钢的连铸过程的二冷段。当金属熔体通过浇注设备进入铸型内，开启低频脉冲电源，低频脉冲电源产生的脉冲电流，经过励磁线圈产生低频脉冲磁场，作用于结晶器内的金属熔体。

实施例1：

实验选择Sn-20%Pb合金，模具选择带有无磁性的奥氏体不锈钢坩埚，实验时，将 Sn-20%Pb合金锭在电阻炉中重熔，金属丝网置于熔体中，在 800oC 保温30分钟，然后浇注至石墨坩埚，石墨坩埚内径约40 mm，高度约100 mm。实验时，固定模具中心磁场强度为0.07T，分别选择施加螺旋式、旋转式、行波式电磁搅拌，低频脉冲磁场。低频脉冲磁场的参数为：脉冲放电频率为1-10Hz，脉冲波形频率为10～50Hz，脉冲放电电压为500v。凝固实验结束后，在熔体试样的同一位置，利用金相显微镜观测试样微观组织，如图5所示。

实验结果显示，在相同的磁场强度条件下，施加脉冲磁场后的凝固组织，呈现细小的星状组织；施加螺旋式电磁搅拌后的凝固组织，呈现细小的球状；施加行波式电磁搅拌后的凝固组织，呈现粗大的球状，同时也出现了少量的枝晶状组织；施加旋转式电磁搅拌后，凝固组织中出现了长条状组织。综上所述，对比四种磁场形式下的晶粒细化效果，在相同的磁场强度条件下，按照晶粒细化效果，低频脉冲磁场>螺旋式电磁搅拌>行波式电磁搅拌>旋转式电磁搅拌。

另外，经计算，在相同的磁场强度0.07T下，各种形式的磁场的消耗功率如表1所示，从中可以得出，在获得相同磁场强度条件下，电磁搅拌的消耗功率约为脉冲磁场的5～8倍。这说明，相比电磁搅技术，脉冲磁场可以在更低消耗功率条件下，获得更为显著的细化效果。

表1 同一磁场强度下，不同形式磁场的平均消耗功率

磁场形式	旋转式电磁搅拌	行波式电磁搅拌	螺旋式电磁搅拌	脉冲磁场
					平均消耗功率（Kw）	63.6	63.1Kw	50.3Kw	8.4Kw

实施例2：

304奥氏体不锈钢在凝固时不再发生δ→γ相变，晶粒长大过程中没有相变对柱状晶的阻碍作用，造成其柱状晶比较发达，等轴晶比例偏低。另外，304奥氏体不锈钢的表面在连铸过程中表面会形成振痕，在后续处理中，需要经过加工后将将其去除，这显著影响了产品的收得率。

实施中，针对160*160mm方坯连铸机，将脉冲励磁线圈安放于二冷区1号段与2号段之间，铸坯置于线圈中间。线圈尺寸为：外径400mm，内径280mm，高度为500mm，线圈与线圈之间保持绝缘。线圈采用铜质材料，由于线圈中会产生焦耳热，因此需要同通入去离子冷却水。另外，由于脉冲电磁力的存在，线圈还需要高强度非导磁不锈钢材料进行加固以提高强度，从而避免线圈发生振动和毁坏。

在开浇时，中间包钢水通过浸入式水口，打开励磁线圈冷却水泵，引锭装置将铸坯拉出结晶器，同时开启低频脉冲磁场装置，作用参数为：脉冲放电频率为1-10Hz，脉冲波形频率为10～50Hz，脉冲放电电压为500v。图6为低频脉冲磁场作用下，304奥氏体不锈钢典型宏观凝固组织。不加低频脉冲磁场，铸坯呈现粗大的柱状晶组织，并且铸坯中心出现明显的中心裂纹，施加脉冲磁场后，铸坯中心的中心裂纹消失，呈现细小的等轴晶组织，这是由于低频脉冲磁场的“反向流”作用，使铸坯中的偏析程度降低，等轴晶比率增大，铸坯的热应力性能改善，从而避免了中心裂纹的产生。

本发明的低频脉冲电磁振荡凝固细晶方法，有磁场强度大，磁场频率低，可应用大尺寸金属的凝固过程中。目前，在钢的连铸生产过程中，对于硅钢、不锈钢等钢种，晶粒细化始终是难点之一，铸坯中柱状晶发达，导致瓦楞状缺陷。此类缺陷严重影响了后续机清与轧制工艺的加工能力。本发明能有效提高硅钢、不锈钢铸坯的等轴晶比率，而且比电磁搅拌低的电源功率可以显著降低电能消耗，降低吨钢成本。同时，本发明具有结构简单，操作方便，投资小，对原有生产线无改造，使用寿命长等优点，具有推广应用价值和前景。

以上仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围，因此，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种利用电磁力致熔体振荡的低频脉冲磁场凝固细晶方法，其特征是：将低频脉冲磁场励磁线圈安装在铸型外，当金属熔体通过浇注设备进入铸型内，开启低频脉冲电源，低频脉冲电源产生的脉冲电流，经过励磁线圈产生低频脉冲磁场，作用于铸型内的金属熔体；脉冲放电频率f _T 为1～25Hz，脉冲波形频率f _w 为1～50Hz，脉冲电压U _m 为0～500V。

2.根据权利要求1所述的利用电磁力致熔体振荡的低频脉冲磁场凝固细晶方法，其特征是：所述脉冲放电频率f _T 为1～20Hz。

3.根据权利要求1所述的利用电磁力致熔体振荡的低频脉冲磁场凝固细晶方法，其特征是：所述脉冲波形频率f _w 为10～50Hz。

4.根据权利要求1所述的利用电磁力致熔体振荡的低频脉冲磁场凝固细晶方法，其特征是：所述脉冲电压U _m 为100～500V。