[发明专利]一种弯月面径向强剪切电磁搅拌圆坯连铸装置和方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种弯月面径向强剪切电磁搅拌圆坯连铸装置和方法，主要适用于制备高等轴晶率圆坯或半固态圆形坯料，属于金属材料连续铸造领域。

背景技术

连铸机是现代冶金工业连铸工艺主要设备，随着社会的发展和科技的进步，对铸坯内部质量，特别是铸坯凝固组织等轴晶率及初生相形貌提出了更高的要求。电磁搅拌技术是对金属凝固过程进行控制的一种有效手段，有着广泛的应用和深厚的工业基础。

目前连铸铸钢的电磁搅拌装置主要有旋转磁场型、行波磁场型和径向磁场型等多种类型，使用最多的是前两种。旋转磁场型电磁搅拌装置运用异步电动机三相旋转磁场原理，以使未凝固的金属熔体像三相异步电动机转子一样旋转，达到搅拌的目的，如US4016926。旋转磁场型搅拌装置产生的搅拌作用以周向循环流动为主，弯月面的径向流为次生流。行波磁场型搅拌装置的工作原理也与感应电动机类似，如果将定子铁芯切开并展开成直线，即产生按正弦规律变化的行波磁场。金属熔体中产生一个与行波磁场方向一致的电磁力，如US5219018。根据行波磁场型搅拌装置的布置不同，可以在金属熔体产生轴向循环流动、周向循环流动和螺旋形流动，弯月面的径向流同样为次生流。旋转磁场型搅拌装置和行波磁场型搅拌装置都需要铁芯，而径向磁场型搅拌装置属于无芯感应电磁搅拌，这种空间不动的脉动交变磁场会产生排斥搅拌，搅拌力为径向推力，如US4229210以及采用单相线圈的无芯感应电炉，在金属熔体中产生驻波，使其局部产生强对流。径向磁场型搅拌器的另一个应用是减低金属熔体与铸模之间得接触压力，如US4723591或者代替铸模，实现磁约束成形，如电磁铸造。US5135564也提出了一种环缝结构，该装置主要是为了避开因集肤效应而产生的电磁力较低的部分，并因径向尺寸变小而强化周向流。

发明内容

本发明的目的是提供一种弯月面径向强剪切电磁搅拌圆坯连铸装置和方法。

一种弯月面径向强剪切电磁搅拌圆坯连铸装置，该装置由流槽、热顶、芯棒固定支架、芯棒、结晶器、水套、感应线圈和底模组成；所述的流槽设置于热顶的上部，所述的热顶设置于水套的上部；所述的热顶中间设置芯棒，所述芯棒通过固定在流槽底部的芯棒固定支架安装在热顶中间，所述的芯棒包含冷却单元；所述的水套设置于结晶器外，所述的感应线圈位于结晶器的外部水套的中间，所述的感应线圈倾斜放置，产生的径向电磁推力与弯月面平行，整个装置呈立式布置。

所述的芯棒与热顶组成环缝式热顶，通过改变芯棒尺寸来调节环缝宽度以及制浆室高度；芯棒半径小于等于1/2热顶半径，考虑实际操作便利，芯棒半径大于10mm；芯棒高度大于1/2热顶高度，小于1倍热顶高度。

所述的芯棒及芯棒固定支架材质为硅酸铝、耐火纤维等低导热性材料；所述的冷却单元为设置于芯棒内部通有冷却介质的冷却通道，冷却通道的材质为奥氏体不锈钢、钛、钼、钴、铬、镍和铜等非磁性材料；冷却介质为空气、水等非磁性流体。

感应线圈倾斜放置，感应线圈材质为铜等高电导率材料，表面涂刷一层绝缘漆，线圈截面可以是椭圆形或长方形等；线圈倾斜角度为0～90度；频率为1～50Hz。

所述的底模的外径与结晶器内径相同，可置于结晶器中用于向下拉坯。

采用上述设备，进行弯月面径向强剪切电磁搅拌圆坯连铸的方法，包括：首先将底模置于结晶器中将制浆室堵严，然后打开冷却水，将金属熔体注入流槽；当熔体由流槽经环缝式热顶进入结晶器时，熔体开始凝固，并形成初生坯壳，坯壳凝固前沿形成弯月面，同时，向下牵引底模，进行拉坯过程，坯壳向下移动，并逐渐增厚，最后完成凝固，使连铸得以连续进行；当设备稳定后，开启电磁搅拌，感应线圈产生沿弯月面的径向推力，实现了径向强剪切，弯月面会变得平坦。

在连铸过程中，合金熔体由流槽经环缝式热顶快速流入结晶器并形成高速轴向流；通过芯棒散热，降低过热度，被结晶器一次冷却；连铸过程稳定后，熔体凝固前沿形成弯月面；感应线圈加载两相低频交流电流，产生与弯月面平行的电磁推力；铸锭被水套冷却水冷却，由底模进行拉坯，由牵引机构完成拉坯过程。

高速的轴向流碰到弯月面后转变为径向流，径向流被感应线圈产生的沿弯月面的径向推力强化，实现了径向强剪切；熔体被凝固铸坯二次冷却。

径向流汇聚到中心部位时形成回流区，增加了熔体与芯棒的对流换热，同时也增加了环缝式热顶下方冷热熔体的混合。整个流体在环缝式热顶和结晶器里实现了循环。