[发明专利]一种施加复合场改善水平连铸坯质量的方法和装置

说明书

技术领域

本发明属于金属材料制备技术领域，特别涉及到金属连续铸造。

背景技术

目前我国已跃居世界金属材料生产第一位，但是同发达国家相比，仍存在优质材料生产能力低，能耗大、环境污染严重，基础研究和新技术开发跟不上等问题，直接制约了我国经济和相关技术的发展。提高我国的金属材料质量，减少能耗，是对我国冶金业提出的新要求和挑战。我国的连铸比已超过90％。但是，现有连铸坯的表面振动痕、裂纹、偏析、内部夹杂等缺陷使其不能满足现代工业对优质铸坯的需求；也妨碍连铸连轧生产工艺的应用。水平连铸技术逐渐被视为制备高质量铸坯的连铸方式，尤其适于近终形连铸，其设备结构简单、重量轻、投资少、但水平连铸也存在着铸坯周向组织不均匀、夹杂不易去除、内部存在缩孔疏松、表面质量有待改善、溶质元素偏析等缺点。近年来有很多研究致力于改善水平连铸坯质量，希望得到的铸坯能直接用于后续的轧制和拉拔等工艺。

例如，为了获得高质量的水平连续铸造坯料，2007年公开的专利200510032537.7提出了一种铸坯水平连铸电磁搅拌方法，在该工艺中，不考虑结晶器电磁搅拌，而是在结晶器后回温区布置二冷区电磁搅拌器，达到扩大铸坯等轴晶区的目的，再加凝固末端电磁搅拌，以改善铸坯的成分偏析、中心裂纹、分层等组织缺陷，提高铸坯中心等轴晶率。但是，该种方法对铸坯凝固组织的改善，对铸坯中夹杂物去除效果有限，所需电磁场的设备庞大，制备成本高。

2006年申请人所在的课题组在《Ultrasonics Sonochemistry》刊登的文章“Study of ultrasonic melt treatment on the quality of horizontal continuouslycast Al-1％Si alloy”中提出了在水平连铸装置保温炉内施加功率超声的方法。该方法可以提高保温炉内熔体均匀性，改善铸坯表面质量，抑制熔体偏析，但是单独施加超声场作用范围和效果有限。

发明内容

本发明的目的是提供一种同时施加电磁场和超声场的施加复合场改善水平连铸坯质量的方法和装置。

本发明的原理是，

1.在水平连铸装置保温炉底部中心设置惰性气体气泡发生装置，同时在保温炉外侧设置行波磁场发生装置，可以有效的去除保温炉内金属熔体中的气体和夹杂物，去除效率高。金属熔体中气体分子在惰性气体气泡中的分压为零，因此在惰性气体气泡上浮的过程中，气体分子从熔体中向气泡扩散，同时，金属熔体中的夹杂物颗粒也可以吸附在气泡上，随其一起上浮，从而达到了去除熔体中的气体和夹杂物的目的，但是由于此种方法惰性气体气泡较大，上浮速度快，使得气体扩散时间短，夹杂物与气泡碰撞几率小，气体和夹杂物去除效率较低。行波磁场可以在金属熔体中产生强制对流，将惰性气体气泡打碎，使其更加均匀细小，以螺旋方式上浮，增大了其行程和上浮时间，从而有利于金属熔体中气体充分向惰性气体气泡扩散。夹杂物与惰性气体气泡碰撞的几率大大增加，夹杂物去除效果好。

2.在水平连铸装置保温炉靠近水口处设置功率超声装置，功率超声与金属熔体相互作用可产生空化效应和声流效应。空化效应可在金属熔体中产生许多空化泡，气体从金属熔体向空化泡扩散，空化泡逐渐长大，当气泡足够大时其上浮至金属液表面，达到去气目的，同时金属熔体中夹杂物颗粒一方面吸附在气泡表面，随气泡上浮，另一方面，空化和声流效应增大了夹杂物之间的碰撞几率，使其聚集长大而上浮。空化和声流效应可以在熔体内产生搅动，使熔体温度均匀化，提高液态金属的形核率，从而改善铸坯表面质量，细化了铸坯晶粒组织，抑制铸坯溶质偏析。

3.水平连铸装置结晶器外侧放置一个约束电磁线圈，线圈产生的电磁压力能够减轻金属液与结晶器壁之间的接触压力，从而减轻了铸坯表面的振动痕，改善铸坯表面质量，同时金属液在电磁场的作用下进行强迫对流，增大了晶粒形核率，并可将已生长枝晶打碎，使得凝固组织细化，铸坯溶质偏析得到抑制。