[发明专利]一种制备铜或铜合金板坯的装置及方法

说明书

技术领域

本发明属于冶金技术领域，特别涉及一种制备铜或铜合金板坯的装置及方法。

背景技术

目前，大尺寸铜合金坯料一般采用立式半连续铸造法生产，但在现有的立式半连续铸造过程中，由于缺乏有效的调控凝固过程的手段，生产的铸坯往往存在各种缺陷，如表面粗糙、裂纹、晶粒粗大、柱状晶发达、偏析、缩孔和疏松等，这些缺陷直接影响了产品的质量、生产效率和生产成本，尤其对裂纹倾向较强的合金如铁青铜、复杂黄铜等，铸造速度快时极易产生裂纹，已成为生产中的瓶颈问题。采用无模电磁铸造方法虽然可提高铸坯的质量，但由于铜合金液完全由电磁场约束成形，工艺过程极难控制，常产生铜合金液泄漏或塌落，生产率和成品率较低。

发明内容

本发明的目的是针对铜和铜合金板坯生产中不足之处，提供一种制备铜或铜合金板坯的装置及方法，通过改进结晶器的结构，并调整铸造方案，减少铜合金铸坯内外缺陷，提高其表面质量。

本发明的制备铜或铜合金板坯的装置包括电磁发生系统、塞棒、炉头箱、浇嘴和结晶器，浇嘴底部设有浇嘴出口，电磁发生系统包括电源、供水装置、线圈和水箱，电源通过导线与线圈连接，供水装置通过管道与水箱连接，线圈位于水箱内且线圈位于结晶器外侧；结晶器包括两块大面侧板和两块小面侧板，4个侧板构成一个长方形箱体，每个侧板的内壁上设有石墨板，每个侧板内部设有一冷水腔、冷却水道和二冷水腔，一冷水腔与侧板外壁上的进水口连通，二冷水腔与侧板内壁上的出水口连通，出水口位于石墨板的下方；4个侧板及4个石墨板的上方设有压板，4个侧板的下方设有底板；其中4个侧板上开设有结晶器切缝，结晶器切缝位于相邻的两个冷却水道之间，结晶器切缝的一端位于各侧板的外壁上，另一端与石墨板连接；结晶器下方设有冷水管，冷水管上开设有水孔；线圈的中心与浇嘴出口的垂直距离为30～100mm。

上述的结晶器切缝在侧板上均匀分布，相邻的两个结晶器切缝之间的距离为20～50mm。

上述的结晶器切缝的高度为100～300mm，宽度为1～3mm。

上述的冷水管为两个，分别位于两个大面侧板的下方，冷水管与大面侧板之间的垂直距离为10～200mm 。

上述的冷水管上的水孔的轴线与水平面之间的夹角为30°～60°，且水孔位于结晶器轴线一侧。

上述的炉头箱由外壳和保温材料构成，塞棒固定在炉头箱上方，并能够上下运动，炉头箱底部连接有浇嘴，浇嘴内设有浇嘴流道分别与炉头箱内部和浇嘴出口连通，浇嘴出口的轴线与浇嘴流道的轴线之间的夹角为60°～120°

本发明制备铜或铜合金板坯的方法是：

采用上述装置，将铜或铜合金的熔体浇注到炉头箱中，向上移动塞棒使熔体进入炉头箱内和浇嘴流道内，并从浇嘴出口进入结晶器，对熔体进行半连续铸造，同时通过电源向线圈供电，使线圈对结晶器内的熔体施加电磁场，向进水口内通水使熔体凝固形成铸锭，同时向冷水管内通水，水从出水孔出来后淋到铸锭表面；其中电磁场频率为5～30Hz，熔体浇注温度为1150～1250℃，结晶器内的电磁场强度为25000～80000安匝，半连续铸造速度为50～150mm/min，结晶器的出水口的水流量为0.5～6L/min·mm，冷水管的水孔的水流量为0.5～6L/min·mm。

本发明的技术原理是：生产铜或铜合金时，在结晶器外侧设置电磁线圈，线圈中施加低频电流，这样在结晶器内就会产生低频电磁场，在铜熔体中产生感生电流，电流与磁场相互作用下产生一个洛伦兹力。由于铸锭与结晶器几何形状在垂直方向的不对称性，使得磁力线相对于铸锭的中心线发生了显著的偏转，导致熔体内部Lorentz力的时间平均值同时存在垂直分量和水平分量。其中水平分量为与金属静压力梯度平衡的有势力，而垂直分量为有旋力场，起到了搅拌熔体的作用。Lorentz力水平分量使得熔体自由表面形成凸起的弯月形，从而减小了熔体与结晶器接触高度和接触压力，实现了所谓的软接触，改变了一次冷却区热通量的大小与分布情况，起到了减弱一次冷却强度的作用，使初生凝固壳形成位置下降，表面渗出现象减弱。Lorentz力垂直分量形成的有旋力场起到了电磁搅拌的作用，流动场与无心感应炉中熔融金属的流动场类似，测量表明熔体内部的温度场受到电磁搅拌的强烈影响，有旋分量产生的强迫对流将中心区域的过热熔体带向铸锭的边缘区域，因此消除了中心区域的局部过热，减小整个液相区内温度差，使熔体温度低于液相线温度。对于具有较宽结晶温度区间的合金，两相区可能扩展到整个液相区，强迫对流将初生凝固壳处形成的枝晶臂熔断并带入液穴内部形成异质结晶核心，起到了晶粒细化和抑制枝晶生长的作用，消除铜和铜合金铸锭中的粗大柱状晶。