[發明專利]靜磁場復合旋轉磁場均質化大型鑄錠凝固組織的方法及其裝置

有效

• 申請號: 201710247687.2
• 申請日: 2017-04-17
• 公開（公告）號: CN107214322B
• 公開（公告）日: 2019-06-25
• 發明（設計）人: 鐘云波;賀瓊;陳旭
• 申請（專利權）人: 上海大學
• 主分類號: B22D27/02
• 分類號: B22D27/02;B22D11/115;B22D7/12
• 代理公司: 上海上大專利事務所(普通合伙) 31205
• 代理人: 顧勇華

本發明公開了一種靜磁場復合旋轉磁場均質化大型鑄錠凝固組織的方法和裝置，通過復合磁場產生的電磁振蕩作用和旋轉磁場的旋流誘導攪拌作用，來促進形核，打碎枝晶尖端，細化晶粒，均勻凝固組織，降低宏觀偏析，用于大型鑄錠的鑄造過程。在金屬熔體凝固時，利用在錠模冒口處的金屬液最后凝固、冒口壁和金屬液表面易率先形成晶核、旋轉磁場和靜磁場能容易透過冒口材料的特點，在保溫冒口處施加靜磁場復合旋轉磁場，對保溫冒口中的金屬液形成有效振蕩和攪拌，并將振蕩和旋流攪拌通過冒口中金屬液傳遞到錠模中心的金屬液中，打碎枝晶尖端、細化晶粒、均勻凝固組織、降低宏觀偏析，獲得致密、均質、晶粒細化的大型鑄錠，提升其后續加工性能和服役性能。

技術領域

本發明涉及一種金屬凝固工藝及其裝置，特別是涉及一種外加磁場干預的金屬凝固工藝及其裝置，應用于金屬凝固組織控制技術領域。

背景技術

在機械制造中，鑄鋼的應用頗為廣泛。近年來，隨著現代工業技術的飛速發展，大型化是現代鍛造生產的發展趨勢，要獲得質量好、強度高、尺寸大的大型鍛件勢必需要提供質量好的大型鋼錠。因此，鋼錠的發展也隨著大型化的趨勢發展，質量要求也越來越高。例如功率為1300MW的核電站低壓轉子，需要用重達600t的巨型鋼錠來制造。巨型鋼錠的生產技術是衡量一個國家重工業發展水平和科學技術水平的重要標志之一。

隨著錠型尺寸的增加，鋼錠的凝固時間大大增加，凝固速度大大降低，導致枝晶發達，成分偏析、夾雜、疏松、縮孔等缺陷也經常被發現，嚴重時將導致大型鑄錠的報廢，造成巨大的經濟效益和社會效益的損失。而且，一旦上述凝固過程中的缺陷形成，很難采用后續的擴散退火和鍛造的方法消除，而這些缺陷如不消除還將帶來巨大的安全隱患，因為大型鋼錠往往用于核電、燃氣輪機、大型結構件等核心領域。此外，在鋼鐵及有色冶金的連鑄過程中，隨著連鑄坯斷面尺寸的增加，液穴深度也大大增加，因此連鑄過程同樣面臨大型鋼錠凝固時存在的相同的問題，同樣導致連鑄坯存在上述大鋼錠的凝固缺陷。因此，如何解決大型鑄錠凝固過程中的缺陷，成為當今迫切需要解決的關鍵問題。眾所周知，如果能夠在鋼錠或連鑄坯凝固工程中抑制枝晶的形成，形成細晶甚至等軸晶的凝固組織，降低宏觀成分偏析，上述凝固缺陷將大大減輕，甚至完全消除。為此，國內外研究者圍繞大型鋼錠或連鑄坯的晶粒細化和等軸晶化以及均質化提出了多種方法，主要有：外加細化劑，電磁、超聲波或機械攪拌等方法。這些方法在一定程度上解決了上述問題，但是也都或多或少的存在難以避免的缺陷。外加異種材料的細化劑時，為達到較好地細化效果需要嚴格控制細化劑的加入量，而在一些對金屬純度要求較高的領域，異種材料細化劑的加入還會造成金屬的污染；目前也可以看到通過添加絲狀、帶狀、餅狀或棒狀的同種金屬以增加凝固體系中晶核數量的方法，但是由于外加金屬氧化皮的引入、容易存在熔化不均勻，新形成的晶核分布不均勻的問題，限制了此類方法的應用；電磁攪拌具有不直接跟凝固金屬接觸的優點，避免了對凝固金屬的污染，但是電磁攪拌存在著衰減的問題，隨著鑄錠或連鑄坯截面尺寸增大，電磁攪拌的效果大大降低。而對于大鋼錠所用的金屬錠模，由于其具有強鐵磁性且壁厚達80-150mm，即使采用極低頻率甚至直流磁場同時采用高功率電磁發生器，電磁場幾乎不能透入到金屬錠模中的鋼液內部，導致電磁攪拌毫無效果；同樣超聲波攪拌也存在衰減嚴重、導波桿與鋼液或者合金液反應的問題，而普通的機械攪拌的攪拌槳則會受到金屬熔體的腐蝕，導致攪拌器使用壽命較短，同時攪拌槳的腐蝕也會造成金屬的污染，不合適的攪拌速度還會造成卷渣等危害、凝固過程中還存在將攪拌槳凝固咬住的風險。綜上，開發一種更加行之有效的方式解決大型金屬鑄錠和大截面連鑄坯的凝固缺陷稱為亟待解決的問題。

發明內容