[发明专利]提高铸坯液芯补缩能力和中心质量的电磁搅拌装置与方法

说明书

本发明公开一种提高铸坯液芯补缩能力和中心质量的电磁搅拌装置与方法，所述装置为主要由线圈、磁极、磁轭、聚磁罩构成的磁极宽度小于或等于其所面对的铸坯幅宽的V‑LEMS，且其磁极的端头宽度小于其所面对的铸坯幅宽，大于或等于其所面对的铸坯液芯幅宽，同时磁极的端头宽度小于或等于磁轭宽度，使电磁搅拌装置的电磁场集中作用于铸坯的液芯区域，并通过V‑LEMS的不同组合布置型式，增大铸坯液芯熔体上下环流运动或螺旋运动的高度和强度，促进铸坯上部熔体与下部熔体的混合及其温度和溶质的均匀化，提高上部熔体对下部熔体凝固收缩的补缩能力，减轻或消除铸坯中心偏析、疏松、缩孔和裂纹等缺陷，提高铸坯和轧材的质量。

技术领域

本发明属于冶金与材料电磁制备技术领域，具体涉及一种提高铸坯液芯补缩能力和中心质量的电磁搅拌装置与方法。

背景技术

在铸坯凝固过程中，特别是铸坯凝固末期，铸坯内的液芯通道越来越窄，特别是对于特殊钢和高碳钢等金属熔体粘度较大、流动性较差的钢种，致使铸坯上部熔体对下部熔体凝固收缩的补缩条件和能力变差，极易造成铸坯中心区域的缩孔、疏松、中心偏析和裂纹等缺陷，使其在后序加工与轧制过程中难以消除，严重影响最终产品的质量和性能。

为了解决铸坯中心缺陷问题，通常在铸坯凝固过程中，特别是铸坯凝固末期，施加电磁搅拌装置，通过其产生的电磁力驱动铸坯液芯内的熔体产生强制流动，改善其流动、传热和传质条件，提高等轴晶比率和细化晶粒，以减轻或消除铸坯中心缺陷。

长久以来，国内外广泛应用水平方向的行波型线性电磁搅拌(LEMS—LinearElectromagnetic Stirring)或旋转型电磁搅拌(REMS—Rotating ElectromagneticStirring)方法和装置来提高铸坯中心质量。对于截面为方形和圆形的铸坯主要是采用REMS，而对于截面为长方形的板坯主要是采用LEMS。它们的主要作用是驱动铸坯液芯的金属熔体做水平方向的旋转运动，改善其流动、传热和传质条件，与此相关的研究报道相当广泛。另一种电磁搅拌方法和装置为旋转型磁场与行波型磁场相组合的、驱动金属熔体做螺旋运动的螺旋型电磁搅拌方法和装置(SEMS—Spiral Electromagnetic Stirring)。中国专利201110450015.4通过六层水平设置的环形铁芯、六条垂直设置的齿条铁芯和三十六个相同的电磁线圈，构建一种旋转磁场与行波磁场相组合的多功能电磁搅拌器；中国专利201910332351.5通过在常规旋转磁场的六个磁极上设置C型铁芯和线圈，形成一种复合式线圈的结晶器电磁搅拌器。中国专利201110160188.2和中国专利201910332302.1通过倾斜一定角度的磁轭端面或铁芯，实现螺旋型电磁搅拌，但是其磁场强度并没有明显的增强。通常SEMS的磁体结构较LEMS和REMS更为复杂和庞大，安装维护不方便，成本高。

现行生产中应用于方坯和圆坯的REMS和SEMS的总体结构特征是，装置的本体为圆型结构，环绕于铸坯四周，这使其产生的电磁场部分作用于铸坯的固相区域，未能有效发挥电磁场的作用功率和效果。特别是在采用同一套电磁搅拌装置生产不同截面大小的铸坯时，大截面的铸坯要求电磁搅拌装置的内径更大，造成其结构体积较为庞大；而当其用于较小截面的铸坯生产时，电磁搅拌装置与铸坯间的距离增大，特别是在铸坯的凝固末期，造成电磁搅拌装置距离铸坯的液芯更远，这将大幅度降低电磁搅拌装置驱动液芯熔体运动的作用效果。而应用于板坯的LEMS装置的结构特征是，装置本体的宽度与板坯同宽或大于板坯宽度，也大于铸坯液芯的宽度，这使得其产生的电磁场部分作用于板坯边缘的固相区域，未能有效发挥电磁场的作用功率和效果。另一方面，对于高温合金、马氏体不锈钢、轴承钢和高碳钢等粘度较大、流动性较差、成分偏析严重的钢种，采用现行应用的LEMS、REMS和SEMS，由于其以驱动铸坯液芯熔体做水平方向的旋转运动为主，对铸坯液芯熔体在垂直重力方向上的驱动不足，这使得铸坯上部熔体和下部熔体的搅拌混合及其温度和溶质的均匀化都受到一定程度的限制，特别是在铸坯凝固末端液芯通道较为狭窄、熔体流动性较差时，使得上部熔体对下部熔体凝固补缩的能力不足。因此，在其铸坯的中心区域依然存在中心偏析、疏松、缩孔和裂纹等缺陷。