[发明专利]一种改善金属凝固缺陷、细化凝固组织的方法和装置

说明书

 

技术领域

    本发明是一种改善凝固缺陷、细化凝固组织的方法和装置，涉及黑色金属以及有色金属在真空和非真空条件下铸件、连铸坯、模铸锭、模铸坯和空心坯的制备，可以抑制A偏析及中心缩孔疏松的形成，同时可以细化凝固组织。

背景技术

近年来随着我国电力工业，核工业和石油化学工业的迅猛发展，对大型铸件、大型钢锭、大型坯料的需求量越来越大，同时也对大型铸锻件的品质要求越来越高，大型钢锭、连铸坯是大型铸锻件的先期产品，其质量对提高大型铸锻件质量尤为重要。但是重量超过100吨的钢锭内部几乎均存在缩孔疏松，缩孔疏松一般与夹杂物共生，增加钢锭在锻造时的难度。而大型缩孔疏松缺陷，在锻造过程中很难愈合，从而导致锻件探伤不合格，甚至报废。大型钢锭的凝固过程非常漫长，根据钢锭吨位不同，从几十小时到上百小时不等，溶质再分配充分，致使碳、磷等低熔点、低密度物质在凝固前沿富集，加上其它物理作用，如热溶质对流等的影响，使钢锭不同区域化学成分不均匀，造成宏观偏析，如A型偏析、V型偏析。另外，凝固组织细化一直是科研和业界追求的目标，但大钢锭的典型组织为柱状晶加粗大的等轴晶组织。因此解决坯料内在的质量问题，提高合格率迫在眉睫。

大型钢锭、铸件、坯料的内部缺陷问题备受科研工作者和企业界关注。人们开发了加大冒口、采用顶级的保温材料甚至采用电加热等方法进行制备，造成材料、能源耗费的同时，却并未完全解决存在的问题。电磁搅拌是人们开发的另一项技术，即通过结晶器外侧的励磁线圈，与金属液通过电磁感应驱动对流，对流熔体冲刷凝固前沿的枝晶产生折断的枝晶碎片，从而改善凝固组织。虽然电磁搅拌是有效的，但由于大型钢锭尺寸的限制，以及钢锭凝固壳对电磁透入深度的屏蔽作用，该技术无法应用于大型钢锭及大尺寸连铸坯制备。超声振动是人们开发的另一项技术，即把超声波施加给金属液，使超声波破碎枝晶或者在大范围熔体内产生空泡效应促发形核，该技术也取得一定的进展，但超声的作用距离的限制也不适合在大型钢锭中的应用。

近年来，研究人员也开发了采用机械振动激发金属液形核的技术，通过控制耐火材料棒在金属液中的机械振动，促发耐火材料棒表面晶体形核、在机械力的作用下脱落，改善凝固组织，提高等轴晶率。该技术由于耐火材料在金属液中的机械振动而发生的耐火材料破损、侵蚀以及耐火材料表面金属凝固结壳，尚需要完善。同时表面振动易引发表面缺陷进入件中，带来新的卷入缺陷问题，影响了它的应用。

发明内容

本发明针对现有技术中的上述问题，要解决的技术问题在于解决目前钢锭、铸件、铸坯内部A偏析、缩孔疏松缺陷，改善凝固组织等问题，提供一种改善金属凝固缺陷、细化凝固组织的方法和装置。

本发明的技术方案是：

一种改善金属凝固缺陷、细化凝固组织的方法，其特征在于，包括如下步骤：

1）对于钢锭或铸件的浇注及凝固过程，在其冒口内、中间包内或同时在冒口、中间包内加入一个或多个磁场发生装置于金属液内；对于连铸坯浇注过程，在结晶器内，中间包内或同时在结晶器、中间包内加入一个或多个磁场发生装置于金属液内；

2）励磁电源通过电缆为磁场发生装置传导励磁电流，励磁电源提供的励磁电流为脉冲电流，脉冲频率为1-1000Hz，脉冲电压为1-5000V，使磁场作用于磁场发生装置内部的金属液，使得磁场发生装置内壁上形成的晶核在电磁力和焦耳热的作用下脱落； 

3）磁场引发熔体振动及对流，将磁场发生装置内部的金属液中的大量晶核持续地分散到金属液中，缩短金属凝固过程中的补缩距离，改善铸件、铸锭中心缺陷，细化凝固组织，减轻偏析。

磁场发生装置为空心圆桶形结构，圆桶桶壁中内置励磁线圈，励磁线圈外侧设置有环形磁屏蔽层进行磁屏蔽，防止磁场发生装置外部的液面扰动；磁场发生装置内壁设置有金属和刚玉的复合材料作为内表面，用于形成晶核。

磁场发生装置在金属液中的深度依据励磁线圈的尺寸，使励磁线圈位置完全浸入液面以下10-100mm。

励磁线圈外部有冷却套包围，内通冷却介质保护励磁线圈，并保持磁场发生装置的表面温度为金属液液相线温度以下50-700℃。

控制结晶器或中间包中金属液的过热度为20-90℃。

非真空条件下对磁场发生装置内的金属液面进行氩气保护，防止金属液氧化。

一种改善金属凝固缺陷、细化凝固组织的装置，包括：

1）磁场发生装置，浸入钢锭、铸件和连铸坯结晶器内的金属液）中；