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1. WO2020237866 - ELECTROMAGNETIC SEMI-CONTINUOUS CASTING METHOD FOR NON-FERROUS METAL AND ALLOY THEREOF

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说明书

发明名称 0001   0002   0003   0004   0005   0006   0007   0008   0009   0010   0011   0012   0013   0014   0015   0016   0017   0018   0019   0020   0021   0022   0023   0024   0025   0026   0027   0028   0029   0030   0031   0032   0033   0034   0035   0036   0037   0038   0039   0040   0041   0042   0043   0044   0045   0046   0047   0048   0049   0050   0051   0052   0053   0054   0055   0056   0057   0058   0059   0060   0061   0062   0063   0064   0065   0066   0067   0068   0069   0070   0071   0072   0073   0074   0075   0076   0077   0078   0079   0080   0081   0082   0083   0084   0085   0086   0087   0088   0089   0090   0091   0092   0093   0094   0095   0096   0097   0098   0099   0100  

权利要求书

1   2   3   4   5   6   7  

附图

1   2   3   4   5   6   7   8   9   10   11   12  

说明书

发明名称 : 一种有色金属及其合金电磁半连铸方法

技术领域

[0001]
本发明属于金属材料制备领域,具体涉及一种有色金属及其合金电磁半连铸方法。

背景技术

[0002]
半连续铸造是目前工业生产中制备金属铸锭的主要方法;传统直接水冷半连续铸造(传统DC法)是将熔化的金属熔体均匀地导入结晶器中,在通水冷却结晶器的作用下形成一层坚固的凝固壳,然后引锭头带动已经凝固的部分一起以一定的速度向下移动,当已凝固的部分脱离结晶器时会受到二次冷却水的作用,铸锭的凝固层也就缓慢的向中心移动,并完全凝固结晶,随着金属熔体不断地流入结晶器,铸锭也不断的在结晶器中凝固成型;这种方法提高了劳动生产率,改善了劳动条件,且增大了锭坯长度,减小了切头与切尾的几何损失;但传统的半连续铸造生产出的铸锭存在晶粒粗大、偏析严重、铸锭表面质量差等缺点,使材料的耗损率大大增加。
[0003]
为了解决传统DC法存在的各种问题,国内外开发出了新型半连续铸造技术,其中主要有矮槽铸造、热顶铸造、气滑和气幕铸造、低液位半连续铸造与外场辅助铸造等,其中以在金属凝固过程中施加外场效果最为显著;目前施加的外场主要有电磁场与超声场,但是施加超声场这一方法由于超声在熔体中的衰减较大致使作用范围有限且超声杆直接作用于熔体导致污染等一系列问题导致无法大规模应用于工业生产;而电磁铸造技术具有非接触、无污染与细化凝固组织显著等一系列优点获得了业界的广泛认可。
[0004]
电磁铸造技术的基本原理是向励磁线圈内通入交流电流产生交变磁场,交变磁场透过结晶器内套作用于金属熔体,在金属熔体中产生感应电流,感应电流与交变磁场作用产生电磁力起到搅拌熔体的作用,均匀熔体的流场、温度场与溶质场,从而使铸锭的晶粒细化、表面质量提高。但是该技术对结晶器有一定的要求:(1)结晶器的透磁率要好以保证铸锭表面软接触所需要的电磁压力;( 2)结晶器要具有良好的冷却效果以保证熔体在结晶器内形成一定厚度的凝固坯壳,避免发生拉漏等事故;(3)结晶器要具有一定的强度,尤其是屈服强度,因为在巨大的温度梯度下会产生极大的热应力,极易产生变形和热应力裂纹,造成结晶器的损坏。
[0005]
目前对于铜制内套,可以基本满足冷却效果好与强度的要求,但由于铜对磁场的屏蔽性高,励磁线圈产生的交变磁场在穿过结晶器铜制内套时会有较大的损耗,使得电磁利用率大大降低,致使电磁场对熔体的搅拌效果较差;为了提高结晶器的透磁性,有学者陆续开发出了切缝式电磁连铸结晶器。这种结晶器是通过在结晶器壁上部沿一定方向均匀切割出数条缝隙,使电磁场能通过缝隙直接作用于熔体从而减小结晶器壁对磁场的屏蔽作用。切缝的形式多种多样,有均等切缝、非均等切缝、通体切缝、非通体切缝和倾斜切缝等。
[0006]
中国专利CN200710190961、CN200920266196.3、CN02265157.8等表明,在结晶器内套上开设一定数目的切缝可使结晶器内的磁场强度增加,使结晶器的透磁性得到了极大的增加。但是由于切缝的存在,切缝式结晶器有着极大的缺陷:(1)熔体内的磁场分布变得更加复杂,切缝处与非切缝处的熔体所受的电磁力差异较大,这种差异容易使铸锭表面质量变差,影响铸锭的冶金质量;(2)切缝的存在破坏了结晶器的整体性,使结晶器的强度大大降低,为实际生产带来不稳定因素;(3)切缝使结晶器壁的每个金属片层相互独立,且在连铸过程中,结晶器会在高温的作用下产生热胀冷缩效应,切缝有被压缩或胀大的趋势,导致冷却水回路设计困难。
[0007]
考虑到切缝式结晶器存在诸多缺点,许多研究者将目光投向了无缝式电磁铸造结晶器。无缝式结晶器可分为两种设计形式,一种是分段式无缝结晶器,一种是整体式无缝结晶器。中国专利201811273062.4提供了一种高透磁性软接触两段式铜合金结晶器,上部采用高透磁性铜合金以增加透磁性,下部采用纯铜材料,结晶器壁的厚度为20mm~30mm,上半部与下半部的连接处采用纯铜TIG焊接,但该结晶器存在两种材料连接处平滑衔接的困难且由于热物性的差异容易给铸锭带来严重缺陷;整体式无缝软接触结晶器是在高电导率的铜或铜质合金之间填充高电阻率的粉末,经热等静压烧结加工成一体;这种结晶器在强度上有 所提升,但仍没有解决大幅度提高透磁性的问题。
[0008]
发明概述

技术问题

[0009]
问题的解决方案

技术解决方案

[0010]
针对目前电磁半连续铸造存在的各种问题,如结晶器内套存在切缝使强度降低、熔体中磁场分布复杂容易使表面质量变差、电磁场在熔体中的作用范围有限、磁场利用率较低等,本发明提供一种有色金属及其合金电磁半连铸方法,调整结晶器结构,减小传统铜制内套的厚度,使得励磁线圈所产生的磁场更多的作用于金属熔体中且均匀分布,实现细化铸锭晶粒,消除表面缺陷,减小合金成分的偏析,提升表面质量等技术目标。
[0011]
本发明的有色金属及其合金电磁半连铸方法采用有色金属及其合金电磁半连铸装置,该装置包括结晶器和励磁线圈系统;结晶器由上盖板、结晶器外壳、铜制内套和结晶器封水板组成,结晶器外壳上部设有冷却水入口,铜制内套底部设有二冷水喷孔;励磁线圈系统固定在结晶器外壳和铜制内套之间的冷却水槽内,由固定螺栓、线圈压板、线圈支撑块和励磁线圈组成;其中铜制内套的外侧壁上设有或不设有加强筋,当设有加强筋时,加强筋与铜制内套为一体结构,加强筋由多个圆环体组成,或者由多排弧形体组成,或者由多个圆环体和多个柱状体构成网格状;所述的铜制内套的侧壁厚度为6~20mm;所述的励磁线圈分为两组,两组励磁线圈中的每组励磁线圈串联,且各自与电源连接;
[0012]
方法为:
[0013]
(1)向冷却水槽内通入冷却水,冷却水从二冷水喷孔喷出;将金属熔体导入结晶器内,使金属熔体的液面达到预定高度;所述的金属熔体为有色金属或有色金属合金;
[0014]
(2)通过电源对两组励磁线圈分别通入交变电流或脉冲电流,使每组励磁线圈各自产生一组交变电磁信号或脉冲电磁信号,各自形成一种磁场;两组励磁线圈通入的交变电流或脉冲电流的相位差为90°,形成的差相磁场作用于结晶器内的金属熔体;
[0015]
(3)启动有色金属及其合金电磁半连铸装置,对金属熔体进行铸造,通过二冷水喷孔喷出的二冷水对结晶器下方的铸锭冷却,直至铸造完成。
[0016]
上述方法中,加强筋的垂直截面为矩形、侧放的梯形或侧放的半圆形;当垂直截面为矩形时,沿铜制内套向外的横向厚度3~9mm,高度6~20mm;当垂直截面为侧放的梯形时,梯形的上边长3~10mm,下边长6~20mm,高度3~9mm;当垂直截面为半圆形时,半圆形的直径6~20mm。
[0017]
上述方法中,铜制内套的内部空间的垂直截面为等腰梯形或倒置的等腰梯形,等腰梯形的侧边或倒置的等腰梯形的侧边与轴线的夹角θ=1°~8°。
[0018]
上述方法中,铜制内套的内侧壁上设有镀层,镀层为铬镀层、Ni-Fe镀层、Ni-Co合金镀层、Ni-Fe-W-Co合金镀层或Ni-P合金镀层。
[0019]
上述方法中,结晶器外壳的材质为钢,上盖板和结晶器封水板的材质为顺磁性不锈钢,顺磁性不锈钢选用304不锈钢、321不锈钢或347不锈钢。
[0020]
上述方法中,当加强筋由多个圆环体组成时,相邻两个圆环体的垂直间距15~50mm;当加强筋由多排弧形体组成时,相邻两排弧形体的垂直间距15~50mm,每排弧形体中相邻两个弧形体的水平间距5~25mm;当加强筋由多个圆环体和多个柱状体构成网格状时,相邻两个圆环体的垂直间距15~50mm,所述的柱状体分为长柱状体和短柱状体,长柱状体的两端分别与最上方的圆环体和最下方的圆环体连接,短柱状体的两端分别与相邻的两个圆环体连接。
[0021]
上述方法中,二冷水喷孔截面为圆形,孔径0.5~3.5mm。
[0022]
上述方法中,两组励磁线圈中,两组励磁线圈的长宽比同时设为1∶N,或其中一组励磁线圈的长宽比为1∶N,则另一组励磁线圈的长宽比为N∶1,其中N=1~5。
[0023]
上述方法中,励磁线圈的匝数30~150,相邻两个励磁线圈的间距10~50mm;两组励磁线圈的匝数比为1∶N,其中N=0.2~5;两组励磁线圈中的各个励磁线圈单体从上到下排列,且以结晶器轴线为轴。
[0024]
上述方法中,两组励磁线圈中的每个线圈同向排布,即通入每个线圈中的交流电流的流向相同,保证每个线圈所产生的磁场的磁力线相同。
[0025]
上述方法中,当金属熔体为铜或铜合金时,铜制内套的侧壁厚度为8~20mm。
[0026]
上述方法中,当铸锭直径小于150mm时,铜制内套的侧壁厚度至少8mm,当铸锭直径在150~300mm之间,铜制内套的侧壁厚度至少10mm,当铸锭直径大于300mm时,铜制内套的侧壁厚度至少12mm。
[0027]
上述方法中,当金属熔体为铜或铜合金时,二冷水喷孔的孔径1~3.5mm;当金属熔体为铝、镁、铝合金或镁合金时,二冷水喷孔的孔径0.5~2.5mm。
[0028]
上述方法中,对两组励磁线圈分别通入交变电流或脉冲电流时,电流强度50~200A,频率10~30Hz;其中当通入脉冲电流时,占空比10~30%。
[0029]
本发明的装置及方法对于圆锭或扁锭均有很强的适用性。
[0030]
本发明的装置及方法对于钢铁的电磁半连续铸造同样适用。
[0031]
本发明的主要技术原理为:针对传统电磁连铸过程中单一线圈所产生的磁场作用区域小的缺点,将励磁线圈分为两组并通以相位差为90°的差相电流,通过调节线圈的高度及各线圈间的轴向距离,显著提高磁场在金属熔体中的强度与作用区域,提高电磁利用率;针对传统铜制内套厚度较大,使得磁场在内套中的损耗较大致使作用与熔体中的磁场强度减小的缺点,将内套的厚度减小,并针对不同的铸造合金施加不同形式及分布的加强筋以增加内套的强度;通过上述方式能够显著增大作用于熔体的磁场强度与作用区域,生产出细晶、均匀,表面质量好的铸锭。
[0032]
发明的有益效果

有益效果

[0033]
本发明通过以上技术特点,可以实现以下积极效果:
[0034]
(1)铜制内套厚度较传统内套小,显著提高了透磁性,提高了电磁利用率,对于铜合金、铝合金、镁合金、钢铁等金属的半连铸造均可产生积极作用;
[0035]
(2)对不同尺寸、规格与种类的铸造合金均有很强的适用性,且可根据合金种类的不同改变内套的厚度并施加以不同分布的加强筋以加强内套的强度;
[0036]
(3)励磁线圈可根据不同铸造合金的特点,调节线圈的匝数比与长宽比,调节励磁线圈位置,且对线圈所施加的差相电流的参数(电流强度I,频率f)进行调整,所产生的差相磁场可有效的提高电磁利用率并对熔体有很大的渗透率,对于金属熔体中磁场的均匀分布具有积极效果;
[0037]
(4)电磁力作用于金属熔体,不与熔体直接接触,不引入其他杂质且不污染金属熔体;
[0038]
(5)装置结构紧凑,安全性高,装配简单且易于维护。
[0039]
对附图的简要说明

附图说明

[0040]
图1为本发明实施例1中的有色金属及其合金电磁半连铸装置剖面结构示意图;图中,1、结晶器上盖板,2、结晶器外壳,3、冷却水入口,4、固定螺栓,5、线圈压板,6、线圈支撑块,7、结晶器封水板,8、励磁线圈,9、紧固螺栓,10、密封圈,11、铜制内套,12、二冷水喷孔,13、圆环体,14、弧形体,15、长柱状体,16、短柱状体;
[0041]
图2为本发明实施例中的铜制内套结构示意图;图中,(a)加强筋由多个圆环体组成;(b)加强筋由多个排弧形体组成,每排弧形体有若干单个弧形体,各排弧形体在垂直方向上交错排列;(c)加强筋由多个圆环体和多个柱状体构成网格状,柱状体为长柱状体;(d)加强筋由多个圆环体和多个柱状体构成网格状,柱状体为短柱状体;
[0042]
图3为本发明实施例中的加强筋截面结构示意图;图中,(a)垂直截面为矩形;(b)垂直截面为梯形;(c)垂直截面为半圆形;
[0043]
图4为本发明实施例中励磁线圈排布方式示意图;其中:(a)为两组励磁线圈按顺序排布;(b)为两组组励磁线圈交替排布;
[0044]
图5为本发明实施例1中不同励磁线圈长宽比时金属熔体中的磁感应强度分布云图;图中,(a)励磁线圈长宽比为4∶1;(b)励磁线圈长宽比为2∶1;(c)励磁线圈长宽比为1∶1;(d)励磁线圈长宽比为1∶2;(e)励磁线圈长宽比为1∶4;
[0045]
图6为本发明实施例1中两组线圈中通入相同相位的脉冲电流后一周期内的洛伦兹力分布云图;图中,T为周期;(a)0.2T,(b)0.4T,(c)0.6T,(d)0.8T,(e)1T;
[0046]
图7为本发明实施例1中两组线圈中通入相位差为90°的脉冲电流后一周期内的洛伦兹力分布云图;图中,T为周期;(a)0.2T,(b)0.4T,(c)0.6T,(d)0.8T,(e)1T;
[0047]
图8为本发明实施例中二冷水喷孔间距设置方式示意图;图中,d为二冷水喷孔直径,L为相邻两个二冷水喷孔间距;
[0048]
图9为本发明实施例3中和传统DC铸造对比试验制备的Φ300mm纯铜铸锭的宏观组织图;图中,(a)传统DC铸造;(b)本发明实施例3;
[0049]
图10为本发明实施例3中和传统DC铸造对比试验制备的Φ300mm纯铜铸锭的外观照片图;图中,(a)传统DC铸造;(b)本发明实施例3;
[0050]
图11为本发明实施例2中和传统DC铸造对比试验制备的AZ31镁合金的宏观组织图;图中,(a)传统DC铸造;(b)本发明实施例2;
[0051]
图12为本发明实施例2中和传统DC铸造对比试验制备的AZ31镁合金半径方向主元素宏观偏析曲线图;图中,(a)传统DC铸造;(b)本发明实施例2。
[0052]
发明实施例

本发明的实施方式

[0053]
本发明实施例中采用的铜制内套由上法兰和侧壁组成,上法兰与侧壁为一体式结构。
[0054]
本发明实施例中铜制内套的侧壁厚度为6~20mm。
[0055]
本发明实施例中,加强筋的垂直截面为矩形、侧放的梯形或侧放的半圆形;结构如图3所示;当垂直截面为矩形时,沿铜制内套向外的横向厚度3~9mm,高度6~20mm;当垂直截面为侧放的梯形时,梯形的上边长3~10mm,下边长6~20mm,高度3~9mm;当垂直截面为半圆形时,半圆形的直径6~20mm。
[0056]
本发明实施例中,铜制内套的内侧壁上设有镀层,镀层为铬镀层、Ni-Fe镀层、Ni-Co合金镀层、Ni-Fe-W-Co合金镀层或Ni-P合金镀层。
[0057]
本发明实施例中,结晶器外壳的材质为钢,上盖板和结晶器封水板的材质为顺磁性不锈钢,顺磁性不锈钢选用304不锈钢、321不锈钢或347不锈钢。
[0058]
本发明实施例中,当加强筋由多个圆环体13组成时,相邻两个圆环体13的垂直间距15~50mm;当加强筋由多排弧形体14组成时,相邻两排弧形体14的垂直间距15~50mm,每排弧形体14中相邻两个弧形体14的水平间距5~25mm;当加强筋由多个圆环体13和多个柱状体构成网格状时,相邻两个圆环体的垂直间距15~50mm,所述的柱状体分为长柱状体15和短柱状体16,长柱状体15的两端分别与最 上方的圆环体和最下方的圆环体13连接,短柱状体16的两端分别与相邻的两个圆环体13连接;结构如图2所示。
[0059]
本发明实施例中,铜制内套的内部空间的垂直截面为等腰梯形或倒置的等腰梯形,等腰梯形或倒置的等腰梯形的侧边与轴线的夹角θ=1°~8°;当铸造合金为铜或铜合金时,垂直截面为倒置的等腰梯形;当铸造合金为铝、镁、铝合金或镁合金时,垂直截面为等腰梯形。
[0060]
本发明实施例中的两组励磁线圈中,其中一组励磁线圈的长宽比为1∶N,则另一组励磁线圈的长宽比为N∶1,其中N=1~5;励磁线圈的匝数30~150,相邻两个励磁线圈的间距10~50mm,两组励磁线圈的匝数比为1∶N,其中N=0.2~5;两组励磁线圈中的各个励磁线圈单体从上到下排列,且以结晶器轴线为轴。
[0061]
本发明实施例中,两组励磁线圈中的每个线圈同向排布,即通入每个线圈中的交流电流的流向相同,保证每个线圈所产生的磁场的磁力线相同。
[0062]
本发明实施例中,当每组励磁线圈中的励磁线圈数量超过1个时,按每组励磁线圈上下排布,如图4(a)所示;或者每组励磁线圈中的单个励磁线圈交替排布,如图4(b)所示。
[0063]
本发明实施例中,当金属熔体为铜或铜合金时,上法兰厚度10~20mm;当金属熔体为铝、镁、铝合金或镁合金时,上法兰厚度6~15mm。
[0064]
本发明的有色金属及其合金电磁半连铸装置中,当制备的铸锭直径小于200mm时,铜制内套不设置加强筋。
[0065]
本发明实施例中的励磁线圈采用的电磁线为市购的双层聚酰亚胺-氟46复合薄膜包扁铜线。
[0066]
本发明实施例中,各励磁线圈单体中,最下方的励磁线圈单体的水平高度高于结晶器中金属熔体的液穴中心的高度。
[0067]
本发明实施例中,结晶器内部没有金属熔体时,励磁线圈产生磁场时,铜制内套内部的磁感应强度20~200mT。
[0068]
本发明实施例中,二冷水喷孔截面为圆形;当金属熔体为铜或铜合金时,二冷水喷孔的孔径1~3.5mm;当金属熔体为铝、镁、铝合金或镁合金时,二冷水喷孔的孔径0.5~2.5mm;当金属熔体为铜或铜合金时,相邻两个二冷水喷孔的间距为 二冷水喷孔直径的3~5倍;当金属熔体为铝、镁、铝合金或镁合金时,相邻两个二冷水喷孔的间距为二冷水喷孔直径的2~4倍;结构如图8所示。
[0069]
本发明实施例中,当金属熔体为铜或铜合金时,铜制内套的侧壁厚度为8~20mm。
[0070]
本发明实施例中,当铸锭直径小于150mm时,铜制内套的侧壁厚度至少8mm,当铸锭直径在150~300mm之间,铜制内套的侧壁厚度至少10mm,当铸锭直径大于300mm时,铜制内套的侧壁厚度至少12mm。
[0071]
本发明实施例中,当金属熔体为铜或铜合金时,二冷水喷孔的孔径1~3.5mm;当金属熔体为铝、镁、铝合金或镁合金时,二冷水喷孔的孔径0.5~2.5mm。
[0072]
本发明实施例中,对两组励磁线圈分别通入交流电流时,电流强度50~200A,频率10~30Hz。
[0073]
本发明实施例中,上盖板与封水板的材质选用顺磁性不锈钢,以便两组励磁线圈产生的差相磁场能够顺利通过且磁力线不发生变形,结晶器外壳的材质为普通钢,让磁场从结晶器外壳中不易通过,减小磁场在外界的损失。
[0074]
本发明实施例中,由于铜制内套侧壁厚度较薄,考虑到在半连续铸造过程中铜制内套存在巨大温度梯度会发生热变形等问题,故在铜制内套外表面施加不同截面形状与不同形式的加强筋以加强内套的强度。
[0075]
本发明实施例中,所用的电流为差相电流,差相电流分别通入两组励磁线圈中,产生差相磁场作用于金属熔体;一组励磁线圈中通入初相位为0°的电流,另一组线圈中通入初相位为90°的电流;在各个励磁线圈之间的轴向间距通过线圈支撑块的高度来调节。
[0076]
实施例1
[0077]
有色金属及其合金电磁半连铸装置包括结晶器和励磁线圈系统;结构如图1所示,结晶器由上盖板1、结晶器外壳2、铜制内套11和结晶器封水板7组成,结晶器外壳2上部设有冷却水入口3,铜制内套11底部设有二冷水喷孔12;
[0078]
铜制内套11的内部空间的垂直截面为倒置的等腰梯形;
[0079]
结晶器上盖板1的上方通过螺栓与铜制内套11的上法兰固定,并通过密封圈10密封连接;
[0080]
结晶器外壳2上部通过紧固螺栓9与结晶器上盖板1固定连接;结晶器外壳2底部通过紧固螺栓9与结晶器封水板7固定连接;
[0081]
结晶器封水板7为环形,通过紧固螺栓9与结晶器外壳2固定在一起,并通过密封圈10密封连接;
[0082]
励磁线圈系统固定在结晶器外壳2和铜制内套11之间的冷却水槽内,由固定螺栓4、线圈压板5、线圈支撑块6和励磁线圈8组成;
[0083]
固定螺栓4焊接固定在结晶器外壳2的底部;若干个线圈压板5固定在固定螺栓4上;每个励磁线圈8和每个线圈支撑块6上下交替排列,并且相邻两个线圈压板5之间只有一个线圈支撑块6;通过固定螺栓4、线圈压板5和结晶器外壳2底部将线圈支撑块6和励磁线圈8压紧固定;
[0084]
铜制内套11的外侧壁上设有加强筋13,加强筋13与铜制内套11的侧壁为一体结构,加强筋13由多个圆环体组成,结构如图2(a)所示;
[0085]
励磁线圈8分为两组,两组励磁线圈中的每组励磁线圈串联,且各自与电源连接;
[0086]
采用上述装置,对不同线圈长宽比(4∶1,2∶1,1∶1,1∶2,1∶4)下的镁合金熔体中的磁场分布进行了数值模拟,结晶器水槽中固定的励磁线圈为两组,线圈匝数为40匝,每组各一个,两组线圈位于镁合金熔体高度的中心处且两组线圈之间的间距为10mm,上部的励磁线圈通入初相位为0°的脉冲电流,下部的线圈通入初相位为90°的脉冲电流,所通入脉冲电流的电磁参数设为电流强度I=80A,频率f=20Hz,占空比D=20%;数值模拟的结果如图5所示;模拟结果表明,改变线圈的长宽比可以有效改变熔体中磁感应强度的大小及分布;线圈长宽比越小,熔体中磁感应强度的大小有所减小,但在熔体中的分布区域增加且分布的均匀性较好;
[0087]
对两组线圈中分别通入相同相位的脉冲电流与相位差为90°的脉冲电流;两种情况下的金属熔体中的洛伦兹力分布进行数值模拟,一周期内洛伦兹力分布云图如图6与图7所示;两组线圈的线圈匝数分别为40匝,每组线圈各一个,线圈之间的轴向距离为30mm,相位差为90°时,上部的励磁线圈通入初相位为0°的脉冲电流,下部的线圈通入初相位为90°的脉冲电流,所通入脉冲电流的电磁参数 设为电流强度I=80A,频率f=20Hz,占空比D=20%;模拟结果表明,通入单向的脉冲电流与差相的脉冲电流的情况下,熔体中的洛伦兹力大小没有太大变化,但在差相磁场的作用下,洛伦兹力最大值会在熔体中两组线圈中心平面位置交替变化,会使熔体中的流场、温度场及溶质场相对单向磁场作用下分布更加均匀,显著提高金属铸锭的冶金质量;故相同电磁参数下差相磁场相比单向磁场对于金属熔体的搅拌作用更好。
[0088]
实施例2
[0089]
装置结构同实施例1,不同点在于:两个线圈的轴向间距为20~40mm,铜制内套的内部空间的垂直截面为等腰梯形,且直径为320mm,厚度为8mm,不设置加强筋,励磁线圈中通入的电流为谐波电流;
[0090]
采用上述装置对 的AZ31镁合金进行结晶器连铸,先向冷却水槽内通入冷却水,冷却水从二冷水喷孔喷出;将金属熔体导入结晶器内,使金属熔体的液面达到预定高度;所述的金属熔体为有色金属或有色金属合金;
[0091]
通过电源对两组励磁线圈分别通入不同初相位的谐波电流,使每组励磁线圈各自产生一组电磁信号,各自形成谐波磁场;两组励磁线圈通入的交流电流的相位差为90°,形成的差相谐波磁场作用于结晶器内的金属熔体;
[0092]
启动有色金属及其合金电磁半连铸装置,进行铸造,铸造温度为720℃,铸造速度为1.12mm/s,冷却水量为10.5~12.5m 3/h,差相电流的强度为50~80A,频率10~30Hz,通过二冷水喷孔喷出的二冷水对结晶器下方的铸锭冷却,直至铸造完成;
[0093]
采用传统DC铸造制备相同镁合金进行对比试验;宏观组织如图11所示,由图可见,传统DC铸造的铸锭柱状晶粗大,而上述方法所获得的铸锭晶粒细小且均匀分布;铸锭半径方向上主元素宏观偏析对比如图12所示,由图可见,上述方法所铸造出的铸锭元素宏观偏析较传统DC铸造更小,分布更均匀。
[0094]
实施例3
[0095]
装置结构同实施例1,不同点在于:
[0096]
(1)加强筋由5排弧形体组成,如图2(b)所示;
[0097]
(2)每组励磁线圈由两个励磁线圈组成,排布方式如图4(a)所示;相邻的 励磁线圈的轴向距离为30~50mm,
[0098]
(3)铜制内套的内部空间的垂直截面为倒置的等腰梯形,侧壁厚度10mm;
[0099]
采用上述装置制备纯铜铸锭, 铸造温度为1180℃,铸造速度为4m/h,冷却水压为34~38m 3/h,结晶器中固定的励磁线圈为两组,电流强度200A,频率20Hz,占空比20%;
[0100]
采用传统DC铸造制备相同纯铜铸锭进行对比试验;宏观组织照片如图9所示;由图可见,本实施例的方法获得的铸锭柱状晶更小,细小的等轴晶区域明显增加;外观照片如图10所示,由图可见,采用传统DC铸造所获得的铸锭表面有明显的褶皱等缺陷,而本实施例所获得的铸锭的表面更光滑,表面质量更好。

权利要求书

[权利要求 1]
一种有色金属及其合金电磁半连铸方法,其特征在于采用有色金属及其合金电磁半连铸装置,该装置包括结晶器和励磁线圈系统;结晶器由上盖板、结晶器外壳、铜制内套和结晶器封水板组成,结晶器外壳上部设有冷却水入口,铜制内套底部设有二冷水喷孔;励磁线圈系统固定在结晶器外壳和铜制内套之间的冷却水槽内,由固定螺栓、线圈压板、线圈支撑块和励磁线圈组成;其中铜制内套的外侧壁上设有或不设有加强筋,当设有加强筋时,加强筋与铜制内套为一体结构,加强筋由多个圆环体组成,或者由多排弧形体组成,或者由多个圆环体和多个柱状体构成网格状;所述的铜制内套的侧壁厚度为6~20mm;所述的励磁线圈分为两组,两组励磁线圈中的每组励磁线圈串联,且各自与电源连接; 方法为: (1)向冷却水槽内通入冷却水,冷却水从二冷水喷孔喷出;将金属熔体导入结晶器内,使金属熔体的液面达到预定高度;所述的金属熔体为有色金属或有色金属合金; (2)通过电源对两组励磁线圈分别通入交变电流或脉冲电流,使每组励磁线圈各自产生一组交变电磁信号或脉冲电磁信号,各自形成一种磁场;两组励磁线圈通入的交变电流或脉冲电流的相位差为90°,形成的差相磁场作用于结晶器内的金属熔体; (3)启动有色金属及其合金电磁半连铸装置,对金属熔体进行铸造,通过二冷水喷孔喷出的二冷水对结晶器下方的铸锭冷却,直至铸造完成。
[权利要求 2]
根据权利要求1所述的一种有色金属及其合金电磁半连铸方法,其特征在于所述的加强筋的垂直截面为矩形、侧放的梯形或侧放的半圆形;当垂直截面为矩形时,沿铜制内套向外的横向厚度3~9mm,高度6~20mm;当垂直截面为侧放的梯形时,梯形的上边长3~10mm,下边长6~20mm,高度3~9mm;当垂直截面为半圆形时, 半圆形的直径6~20mm。
[权利要求 3]
根据权利要求1所述的一种有色金属及其合金电磁半连铸方法,其特征在于所述的铜制内套的内部空间的垂直截面为等腰梯形或倒置的等腰梯形,等腰梯形的侧边或倒置的等腰梯形的侧边与轴线的夹角θ=1°~8°。
[权利要求 4]
根据权利要求1所述的一种有色金属及其合金电磁半连铸方法,其特征在于所述的两组励磁线圈中,两组励磁线圈的长宽比同时设为1∶N,或其中一组励磁线圈的长宽比为1∶N,则另一组励磁线圈的长宽比为N∶1,其中N=1~5。
[权利要求 5]
根据权利要求1所述的一种有色金属及其合金电磁半连铸方法,其特征在于当加强筋由多个圆环体组成时,相邻两个圆环体的垂直间距15~50mm;当加强筋由多排弧形体组成时,相邻两排弧形体的垂直间距15~50mm,每排弧形体中相邻两个弧形体的水平间距5~25mm;当加强筋由多个圆环体和多个柱状体构成网格状时,相邻两个圆环体的垂直间距15~50mm,所述的柱状体分为长柱状体和短柱状体,长柱状体的两端分别与最上方的圆环体和最下方的圆环体连接,短柱状体的两端分别与相邻的两个圆环体连接。
[权利要求 6]
根据权利要求1所述的一种有色金属及其合金电磁半连铸方法,其特征在于所述的励磁线圈的匝数30~150,相邻两个励磁线圈的间距10~50mm;两组励磁线圈的匝数比为1∶N,其中N=0.2~5;两组励磁线圈中的各个励磁线圈单体从上到下排列,且以结晶器轴线为轴。
[权利要求 7]
根据权利要求1所述的一种有色金属及其合金电磁半连铸方法,其特征在于当铸锭直径小于150mm时,铜制内套的侧壁厚度至少8mm,当铸锭直径在150~300mm之间,铜制内套的侧壁厚度至少10mm,当铸锭直径大于300mm时,铜制内套的侧壁厚度至少12mm。

附图

[ 图 1]  
[ 图 2]  
[ 图 3]  
[ 图 4]  
[ 图 5]  
[ 图 6]  
[ 图 7]  
[ 图 8]  
[ 图 9]  
[ 图 10]  
[ 图 11]  
[ 图 12]