一種施加雙頻電磁場改善連鑄坯質量的方法技術

本發明專利技術屬于金屬材料加工領域，涉及到一種通過施加雙頻電磁場改善連鑄坯質量的方法，其特征為：在電磁結晶器［２］外側上下依次設置兩個感應線圈，上部線圈通以高頻電流，下部線圈通以低頻電流，鑄造過程中始終保持液面與上部線圈中心面平齊，誤差不超過±５ｍｍ；其優點是：（１）解決了因結晶器振動和型內電磁攪拌帶來的表面振動痕、裂紋、夾雜等問題；（２）等軸晶率提高到１００％，晶粒度降低了８３％，表面粗糙度降低了８０％，夾雜物含量降低了９７％。（*該技術在2021年保護過期，可自由使用*）

【技術實現步驟摘要】

本專利技術屬于金屬材料加工領域，特別涉及到連續鑄造技術。連續鑄造技術取代傳統的模鑄法是冶金工業的一次深刻的技術革命，它不僅使鑄造生產實現了機械化與自動化，大大提高了生產效率，而且減少了能源的消耗和材料的浪費，使鑄坯的內外冶金質量得到很大的提高。近年來，隨著連鑄生產向高速、近終形和鑄坯直接軋制方向發展，對連鑄坯的質量提出了更高的要求。電磁攪拌技術(EMS)是借助電磁力強迫鑄坯內的鋼水流動，改變了鋼水凝固過程中的流動、傳熱和傳質條件，達到改善鑄坯表面及亞表面質量、擴大等軸晶率、改善或消除中心偏析和中心縮孔等目的。目前，結晶器內電磁攪拌技術(M-EMS)在連鑄生產中得到廣泛應用，主要能夠獲得如下效果(1)在鑄坯冷卻速度最大的彎月面處設置攪拌器，鋼水旋轉運動加速了凝固方向的傳熱以及鋼液過熱的耗散，因此晶粒細化明顯，等軸晶率極大地提高；(2)彎月面處金屬液流動可以彌補因保護渣熔化導致的液面溫度的降低，使得液面保持較高的澆注溫度而不會率先凝固；同時旋轉運動使得凝固前沿溫度梯度變小，有利于初期凝固坯殼的均勻生長，從而避免橫縱裂紋的產生；(3)旋轉運動沖刷凝固前沿還會防止非金屬夾雜物和氣泡在最初凝固的皮下聚集，使其靠離心作用向鑄坯中心聚集進而上浮到彎月面而從皮下去除。上述這些效果需要彎月面處有較強的攪拌強度，并且這些效果會隨著電磁攪拌強度的增加而顯著提高。但是當攪拌強度較大時會在液面形成漩渦，離心力作用使得結晶器壁附近的金屬液向上突起，中心的金屬液面凹陷。這種現象的負面影響表現在(1)增大熔融金屬與結晶器內壁之間的接觸壓力，極大地阻礙了潤滑劑沿型壁流入量，從而惡化了潤滑效果和降低了鑄造速度；同時彎月面變得不安定，凝固坯殼生長不均勻，極易導致裂紋的生成；(2)中心渦流將保護渣卷吸到金屬液內部產生夾雜缺陷；(3)在澆注方式采用浸入式水口澆注時中心渦流還會侵蝕水口，降低水口壽命；同時被侵蝕物將污染金屬液，降低鑄坯質量。為了解決這些問題，現有的工藝措施主要有減小電磁攪拌所施功率或者降低攪拌器在結晶器位置所處的高度等，但這些措施要么以犧牲表面質量來提高內部質量，要么以犧牲內部質量來提高表面質量，可以說是顧此失彼，不能夠全面地提高連鑄坯的質量。另外，由專利USP08/472246所公開的雙攪拌系統，雖然上部的輔助線圈能夠控制彎月面區域因下部的主線圈電磁攪拌帶來的液面波動，但在一定程度上也削弱了攪拌強度，使得內部冶金質量較單獨采用下部主攪拌線圈有所下降；而且也不能消除因結晶器振動產生的振動痕、裂紋等鑄坯表面缺陷；加之施加的又是低頻交流電，磁場傾向誘發金屬液流動，也是產生表面缺陷的動因之一。因此，就目前的工藝方法而言，鑄坯表面缺陷是影響高速連鑄技術、連鑄連軋技術發展的主要障礙。即使工藝條件合適，也大約有40％的鋼種達不到連鑄連軋一體化的要求。本專利技術的目的是在保證鑄坯內部質量的基礎上，提供一種在連續鑄造過程中控制結晶器內熔融金屬運動狀態及凝固成形從而全面提高連鑄坯質量的工藝方法。使用該方法不僅能夠解決目前由于結晶器內電磁攪拌帶來得彎月面波動、保護渣通道受阻、潤滑效果惡化、保護渣卷吸和水口侵蝕等問題，而且能夠消除鑄坯表面振動痕、裂紋等表面缺陷，使表面變得光滑，從而有利于高速連鑄技術的進一步發展和連鑄連軋工藝一體化的順利實現。本專利技術的基本構想是與二冷區電磁攪拌(S-EMS)相比，結晶器內電磁攪拌不僅能夠細化鑄坯的凝固組織，而且攪拌作用促進內外金屬液的熱交換，有助于避免因保護渣融熔帶來的液面溫度的降低，使得液面始終保持較高的澆注溫度；同時沖刷作用減小了凝固前沿的溫度梯度，有利于初期凝固坯殼的均勻生長，這正是生產中廣泛采用結晶器內電磁攪拌技術的根本原因。但是結晶器內電磁攪拌會在金屬液面形成漩渦，會帶來彎月面的不穩定以及結晶器內壁與金屬液之間的接觸壓力增大，使得保護渣通道受阻、潤滑效果惡化，這不僅縮短了結晶器的使用壽命，降低了鑄造速度，也是產生表面缺陷從而影響連鑄連軋工藝一體化實現的主要原因。另外，漩渦還會導致保護渣卷吸和水口侵蝕等問題，因此，或許降低電磁攪拌功率或攪拌器位置就成為避免這些缺陷的首選方法。但是如果單純降低了攪拌線圈的功率或降低了結晶器內電磁攪拌線圈位置，雖然液面不形成漩渦，但是上述結晶器內電磁攪拌的優點也就體現不出來，或者說這與二冷區電磁攪拌(S-EMS)作用沒有什么區別了。因此，在保證鑄坯內部質量的前提下，若再能施加一種電磁場來替代結晶器內電磁攪拌所起到得改善鑄坯表面質量的作用，即能夠保證液面有較高的澆注溫度來避免因保護渣熔化帶來的表面溫度的降低；同時可以適當降低攪拌線圈的位置，使得彎月面處金屬液面不形成漩渦，則彎月面穩定、潤滑通道暢通，就會避免內部夾雜和表面缺陷，從而生產出內外優質的鑄坯。基于上述構想，實現本專利技術的技術方案是在側壁開縫的電磁結晶器外側上下依次安置兩個感應線圈，上部的線圈與高頻電源相連(簡稱高頻線圈)，主要實現“軟接觸”連續鑄造；下部的線圈與低頻電源相連(簡稱低頻線圈)，目的是產生電磁驅動力，獲得晶粒結構細小的凝固組織。具體特征在于由于施加高頻電磁場，考慮到導體表面存在集膚效應，對于傳統結晶器來說，磁場不能夠有效地進入到結晶器內部，因此本專利技術采用冷坩堝式電磁結晶器，在結晶器上部距結晶器頂端面40-150mm處設置一個高頻線圈，使其與高頻電源相連，電源頻率范圍為10-100kHz，功率范圍為20-80kW。在高頻線圈下面，距結晶器頂端面150-250mm設置一個低頻線圈，使其與低頻電源相連，電源頻率范圍3-60Hz，功率范圍為10-40kW。操作過程中，首先，將底模置入電磁結晶器內，開動冷卻系統，冷卻水流量為20-50m3/h；然后，將熔化的液體金屬通過浸入式澆道澆注到電磁結晶器內，當液態金屬的澆注液面達到高頻線圈頂端面時啟動拉坯系統和振動系統，凝固后的鑄坯在拉坯系統的作用下隨底模連續向下運動，這時分別接通高頻線圈和低頻攪拌線圈的電源；操作過程中要始終保持液面與高頻線圈中心面平齊，其誤差為±5mm。根據鑄坯尺寸和澆注鋼種，通過調節兩個線圈的相對位置以及兩個線圈各自的電氣參數，就能夠獲得優質的連鑄坯。與現有技術相比本專利技術具有以下優點和效果(1)在彎月面附近設置高頻線圈，高頻磁場產生的電磁壓力減輕了因電磁攪拌帶來的金屬液與結晶器內壁接觸壓力，減小了液態保護渣在初生凝固坯殼與結晶器壁之間強制性流入、流出過程中受到的阻礙，緩和結晶器周期性振動過程中保護渣通道內的動壓變化，使鋼液彎月面所受擾動減輕、提高彎月面的穩定性，從而減輕鑄坯表面振動痕、減小表面裂紋的發生幾率，有利于改善鑄坯的初始凝固過程；(2)高頻電磁場的感應加熱功能及其對鋼液熔池所產生的攪拌作用，減小彎月面區域鋼液熔池內的溫度梯度，有利于初生凝固坯殼的均勻生長，因而減少鑄坯橫縱裂紋生成的可能性；(3)高頻線圈產生的電磁壓力使金屬液與鑄坯之間以“軟接觸”狀態實現連續鑄造，初生凝固坯殼與結晶器內壁接觸壓力的減輕有助于減小拉坯阻力、促進保護渣的消耗，有利于高速連鑄技術的發展；同時表面振動痕消失，表面變得光滑，表面平均粗糙度較未施加高頻電磁場降低了80％，不需要軋制前清理或少清理，因而有利于連鑄連軋工藝的順利實現；(4)高頻線圈的設置降低了低頻攪拌線圈本文檔來自技高網...

【技術保護點】
一種施加雙頻電磁場改善連鑄坯質量的方法，主要是由側壁開縫的電磁結晶器［２］、液體金屬［１］、設置在電磁結晶器［２］外側的高頻線圈［４］、低（工）頻線圈［５］以及相關電源系統所構成，其特征在于：（ａ）在電磁結晶器［２］的外側，距其上端面４０－１５０ｍｍ處設置高頻線圈［４］，施加電源的頻率為１０－１００ｋＨｚ、功率為２０－８０ｋＷ；（ｂ）在電磁結晶器［２］的外側，距其上端面１５０－２５０ｍｍ處設置有一個頻率為３－６０Ｈｚ、功率為１０－４０ｋＷ的低頻線圈［５］；（ｃ）操作方法是：首先，將底模［８］置入電磁結晶器［２］內，開動冷卻系統，冷卻水流量為２０－５０ｍ↑［３］／ｈ；然后，將熔化的液體金屬［１］通過浸入式澆道［３］澆注到電磁結晶器內，當液態金屬［１］的澆注液面達到高頻線圈［４］頂端面時啟動拉坯系統和振動系統，鑄坯［６］隨底模［８］連續向下運動，此時，分別接通高頻線圈［４］和低頻線圈［５］的電源；操作過程中保持液面與高頻線圈中心面平齊，液面波動誤差為±５ｍｍ。

【技術特征摘要】

【專利技術屬性】
技術研發人員：李廷舉，金俊澤，張志峰，張興國，姚山，曹志強，鄭賢淑，
申請(專利權)人：大連理工大學，
類型：發明
國別省市：91[中國|大連]