一种控制铸坯中心质量的立式电磁搅拌方法
【专利摘要】本发明属于连续铸造电磁搅拌技术领域，具体涉及一种控制铸坯中心质量的立式电磁搅拌方法。本发明在连铸生产过程中，将行波磁场型搅拌器置于铸坯的侧面，其在铸坯内所产生的电磁力的总体方向平行于铸坯中心线方向。针对不同的铸坯截面形状和尺寸，可选择不同形状的行波磁场型电磁搅拌器。立式电磁搅拌器的电源频率为0.5～50Hz,电流为50～3000A。本发明可使铸坯中心区域的熔体产生沿铸坯中心线向上或向下的强制对流运动，提高电磁搅拌沿铸坯长度方向的有效作用区域，强化铸坯中心区域的上部高温熔体区与下部低温熔体区的混合，提高铸坯中心区域的上部熔体对下部熔体凝固时的补缩能力，促进铸坯内部的温度和溶质分布的均匀化。
【专利说明】
_种控制铸还中心质量的立式电磁损拌方法
技术领域
[0001]本发明属于连续铸造电磁搅拌技术领域，具体涉及一种控制铸坯中心质量的立式电磁搅拌方法。
【背景技术】
[0002]在连续铸造过程中，铸坯在末端凝固时，由于中心区域的补缩通道变得狭窄，而且熔体的温度相对较低、粘度大，致使铸坯中心区域获得液态金属补缩的阻力增大。单纯依靠重力往往不能满足其补缩的要求，导致液态金属补缩通道堵塞，在铸坯中心区域易产生连续的疏松、缩孔，以及V型偏析、裂纹等缺陷，严重影响了铸坯的中心质量。特别是对于优质高碳钢、轴承钢、马氏体不锈钢等钢种，因其碳含量和合金元素含量较高，凝固区间的温度变化大，凝固糊状区较宽，极易形成严重的中心缩孔、疏松、偏析和裂纹等缺陷，难以在后期的加热、乳制过程中消除，对产品的机械性能和耐腐蚀性能产生有害的影响。因此，如何有效控制和提尚铸还的中心质量，对于减少后续工序的能量损耗、提尚广品的热加工性能，生产出高品质和高附加值的产品至关重要。
[0003]为了解决铸坯中心质量问题，通常是在铸坯凝固末端施加电磁搅拌。电磁搅拌技术的实质在于通过电磁力驱动铸坯液穴内熔体的强制运动，改善铸坯凝固过程中的熔体流动、传热和传质条件，细化晶粒、增加等轴晶率、减轻中心缩孔和偏析、减少夹杂及气孔，从而达到提高铸坯质量的目的。在现有的连铸生产中，国内外普遍使用的末端电磁搅拌器主要是采用水平方向的行波磁场型或旋转磁场型电磁搅拌，以及两者叠加的螺旋型电磁搅拌。对于连铸方坯和圆坯主要是采用水平方向的旋转型电磁搅拌，对于板坯连铸主要是采用水平方向的行波型电磁搅拌，使铸坯中心的熔体主要产生水平方向的旋转运动。但是，对于一些特殊钢种，如马氏体不锈钢、轴承钢等，水平方向的电磁搅拌效果仍然不够明显，主要表现在重力方向上的液态金属凝固补缩能力不足、上部和下部钢液的温度及溶质分布不同，从而在铸坯中心区域依然会产生偏析、疏松及裂纹等缺陷。
[0004]中国专利103182495A公开的一种多功能电磁搅拌器和中国专利101700477A公开的多模式电磁搅拌器，法国专利2426516的一种螺旋磁场型的电磁搅拌，都是由旋转磁场型和行波磁场型相互叠加形成的螺旋磁场，对金属液产生螺旋方向的电磁搅拌。该类型搅拌器的特点是为了实现对铸坯中心熔体的多种搅拌功能，磁体结构由两种不同类型的磁场线圈的套装叠加而组成，不仅磁体结构复杂，体积大，安装维护不方便，成本高，而且对铸坯凝固末端中心的上部和下部区域的搅拌也不够充分，因此该类电磁搅拌器在连铸生产中很少应用。中国专利102825245A的螺旋电磁搅拌装置，通过磁轭端面倾斜角度的变化实现简单、高效的螺旋搅拌，但是该装置还是产生一部分水平方向的电磁力，导致在铸坯凝固末端中心沿高度方向能够有效驱动熔体流动和混合的电磁搅拌有效作用区域变短，即铸坯中心上下区域的电磁搅拌不够充分，致使铸坯上部和下部熔体的温度及溶质分布得不到充分的搅拌和混合，铸还凝固末端的补缩能力不充分。中国专利103121092A的一种基于末端电磁搅拌的连铸大方坯轻压下工艺，将铸坯凝固末端的旋转磁场型电磁搅拌与动态轻压下两种技术相结合，一方面水平方向的旋转型电磁搅拌能够使搅拌区的温度及成分部分均匀化，并打断柱状晶，形成细小的等轴晶，另一方面，动态轻压下能够对凝固过程中产生的体积收缩进行有效的补缩，减少疏松、缩孔等缺陷。但是，该复合型技术依然存在水平方向电磁搅拌的有效作用区域小，上部和下部熔体混合不充合等不足，而且确定水平方向电磁搅拌器的安装位置与动态轻压下的压下参数之间的匹配比较困难。另一方面，两种工艺技术的复合增加了连铸设备安装与操作的复杂性，也增加了生产成本。
【发明内容】
[0005]针对以上现行的铸坯末端电磁搅拌存在的问题，特别是常规的水平方向的行波磁场型或旋转磁场型电磁搅拌存在的铸坯凝固末端补缩能力不足、上部和下部熔体的温度及溶质分布得不到充分的搅拌与混合，螺旋磁场型电磁搅拌和复合型电磁搅拌的磁体装置结构复杂、安装维护不方便、成本高等诸多问题，本发明提出一种控制铸坯中心质量的立式电磁搅拌方法，其目的是利用简单的行波磁场型磁体结构，使铸坯中心区域的熔体产生沿铸坯中心线向上或向下的强制对流运动，以提高电磁搅拌沿铸坯长度方向的有效作用区域，强化铸坯中心区域的上部高温熔体区与下部低温熔体区的混合，提高铸坯中心区域的上部熔体对下部熔体凝固时的补缩能力，促进铸坯内部的温度和溶质分布的均匀化，减轻和消除铸坯中心缩孔、疏松、偏析和裂纹等缺陷，显著提高铸坯的中心质量。
[0006]实现本发明目的的技术方案按照以下步骤进行:
(I)在进行钢水浇注前，将行波磁场型立式电磁搅拌器沿铸坯中心线方向置于铸坯的侧面或环绕铸坯，其在铸坯内所产生的电磁力的总体方向平行于铸坯中心线方向，并使铸坯中心区域的液态熔体产生沿铸坯中心线的向上或向下的强制对流运动，电磁搅拌器距离铸还表面距离为1?500mm，电磁搅拌器的上端与结晶器下端的距离为1?12000mm ；
所述的行波磁场型立式电磁搅拌器的基本形状为长方型；当所述的铸坯为方坯时，行波磁场型立式电磁搅拌器外观形状选为长方型或U型；当所述的铸坯为圆坯时，行波磁场型立式电磁搅拌器外观形状选为长方型或半圆型；当所述的铸坯为板坯时，行波磁场型立式电磁搅拌器外观形状选为单侧或双侧长方型；当所述的铸坯为大方坯时，行波磁场型立式电磁搅拌器外观形状可选为双侧长方型或两侧对置的U型；当所述的铸坯为大圆坯时，行波磁场型立式电磁搅拌器外观形状可选为双侧长方型或两侧对置的半圆型；
(2 )在进行钢水浇注过程中，施加立式电磁搅拌的电源频率为0.5?50Hz，电流强度为50?3000A ；连铸开始时进行立式电磁搅拌，直到连铸浇注结束。
[0007]其中，所述的行波磁场型立式电磁搅拌器的磁轭组的高度根据工况条件设置，范围在20?4000mm;进行电磁搅拌时，通过电源柜改变电磁力的方向，对置式电搅拌器实现同时向上、同时向下或一个向上和一个向下的多种组合搅拌方式。
[0008]与现有技术相比，本发明的特点和有益效果是:
本发明的方法中将行波磁场型搅拌器置于铸坯的侧面，其在铸坯内所产生的电磁力的总体方向平行于铸坯中心线方向，并使铸坯中心区域的熔体产生沿铸坯中心线向上或向下的强制对流运动，以提高电磁搅拌沿铸坯长度方向的有效作用区域，强化铸坯中心区域的上部高温熔体区与下部低温熔体区的混合，提高铸坯中心区域的上部熔体对下部熔体凝固时的补缩能力，促进铸坯内部的温度和溶质分布的均匀化，减轻和消除铸坯中心缩孔、疏松、偏析和裂纹等缺陷，显著提高铸坯的中心质量。
【附图说明】
[0009]图1为立式电磁搅拌作用效果的纵向示意图；
图2为针对方坯的长方型立式电磁搅拌器；
图3为针对方坯的U型立式电磁搅拌器；
图4为针对圆坯的长方型立式电磁搅拌器；
图5为针对圆坯的半圆型立式电磁搅拌器；
图6为针对板坯的单侧长方型立式电磁搅拌器；
图7为针对板坯的双侧长方型立式电磁搅拌器；
图8为针对大方坯的双侧长方型立式电磁搅拌器；
图9为针对大方坯的双侧对置式U型立式电磁搅拌器；
图10为针对大圆坯的双侧长方型立式电磁搅拌器；
图11为针对大圆坯的双侧对置式半圆型立式电磁搅拌器；
其中:1:铸还中的液态钢液;2:凝固还壳;3:立式电磁搅拌器;4:方还;5:单侧长方型立式电磁搅拌器;6:单侧U型立式电磁搅拌器；7:圆坯；8:单侧半圆型立式电磁搅拌器;9:板坯；10:双侧长方型立式电磁搅拌器；11:大方坯；12:双侧对置式U型立式电磁搅拌器；13:大圆坯；
铸坯上的箭头方向代表了熔体产生上下区域的强制对流运动；
图1中的F代表电磁力方向；V代表拉坯方向；
图12为本发明实施例1中有无立式电磁搅拌作用下lCrl3不锈钢铸坯横截面的凝固组织对比图；
其中:(a)无电磁搅拌；(b)有立式电磁搅拌；
图13为本发明实施例1中有无立式搅拌作用下lCrl3不锈钢铸坯纵截面的凝固组织对比图；
其中:(c)无电磁搅拌；(d)有立式电磁搅拌；
图14为本发明实施例2中有无立式搅拌作用下GCrl5轴承钢铸坯横截面的凝固组织对比图；
其中:(e)无搅拌；(f)有立式搅拌；
图15为本发明实施例2中有无立式搅拌作用下GCrl5轴承钢铸坯纵截面的凝固组织对比图；
其中:(g)无搅拌；(h)有立式搅拌；
图16为本发明实施例3中有无立式搅拌作用下Q235包晶钢铸坯横截面的凝固组织对比图；
其中:(i)无搅拌；(j)有立式搅拌；
图17为本发明实施例3中有无立式搅拌作用下Q235包晶钢铸坯纵截面的凝固组织对比图；
其中:(k)无搅拌；(I)有立式搅拌。
【具体实施方式】
[0010]本实施例中的立式电磁搅拌器的基本形状为长方型；当所述的铸坯为方坯时，行波磁场型立式电磁搅拌器外观形状选为长方型或U型(图2、图3);当所述的铸坯为圆坯时，行波磁场型立式电磁搅拌器外观形状选为长方型或半圆型(图4、图5);当所述的铸坯为板坯时，行波磁场型立式电磁搅拌器外观形状选为单侧或双侧长方型(图6、图7);当所述的铸坯为大方坯时，行波磁场型立式电磁搅拌器外观形状可选为双侧长方型或两侧对置的U型(图8、图9);当所述的铸坯为大圆坯时，行波磁场型立式电磁搅拌器外观形状可选为双侧长方型或两侧对置的半圆型(图10、图11)。
[0011]实施例1
本实施例的控制铸坯中心质量的立式电磁搅拌方法按照以下步骤进行:
(1)在进行lCrl3马氏体不锈钢连铸前，将长方型行波磁场型立式电磁搅拌器垂直立于铸坯的侧面，距离铸坯表面为20mm，其钢种成分w(%)为0.12 C，0.60 Si,0.60 Mn,0.035 P，
0.03 S，13 Cr，余量Fe;长方型立式电磁搅拌器的上端与结晶器下端的距离为600mm，搅拌器的高度为450mm，磁极数为3;
(2)在进行连铸过程中，行波磁场型立式电磁搅拌器的电源频率12Hz，搅拌电流选择350A；连铸开始时进行立式电磁搅拌，钢液浇注的过热度为350C，拉速为0.7m/min，直到钢水浇注结束。
[0012]对连铸后的铸坯取纵向和横向试样，并进行枝晶腐蚀低倍检验，结果如图11与图12所示。对比有无立式电磁搅拌作用下铸坯的横向与纵向凝固组织可以看出，末施加立式电磁搅拌时，铸坯的柱状晶的发达，在铸坯的中心部位存在严重的中心星状、裂纹和缩孔缺陷【图12(a)与图13(c)】；当施加立式电磁搅拌后，铸坯中心部位的等轴晶区扩大，且中心裂纹和缩孔消失，铸坯的中心质量得到了显著改善【图12(b)与图13(d)】。
[0013]实施例2
本实施例的控制铸坯中心质量的立式电磁搅拌方法按照以下步骤进行:
(1)在进行高碳GCrl5轴承钢连铸前，将长方型行波磁场型立式电磁搅拌器垂直立于铸坯的侧面，距离铸坯表面为30mm，其钢种成分w(%)为0.98 C，0.20 Si,0.30 Mn,0.035 P，
0.002 S，1.48 Cr，0.03Ni，0.05Cu，余量Fe；长方型立式电磁搅拌器的上端与结晶器下端的距离为550mm，搅拌器的高度为450mm，磁极数为3;
(2)进行连铸过程中，行波磁场型立式电磁搅拌器的电源频率12Hz，搅拌电流选择320A，连铸开始时进行立式电磁搅拌，钢液浇注的过热度为300C，拉速为0.6m/min，直到钢水浇注结束。
[0014]对连铸后的铸坯取纵向和横向试样，并进行枝晶腐蚀低倍检验，结果如图14与图15所示，对比有无立式电磁搅拌下铸坯的横向与纵向的枝晶凝固组织可以看出，无立式电磁搅拌作用下，，铸坯的中心部位柱状晶发达，在纵向铸坯的中心部位存在断续的缩孔与裂纹缺陷【图14(e)与图15(g)】；当施加立式电磁搅拌后，铸坯中心部位的晶粒更加细化，等轴晶发达，且中心部位的断续状裂纹和缩孔消失，铸坯的中心质量得到了明显改善【由图14(f)与图15(h)】。
[0015]实施例3 本实施例的控制铸坯中心质量的立式电磁搅拌方法按照以下步骤进行:
(1)在进行含碳量为0.13的包晶钢Q235钢连铸前，将长方型行波磁场型立式电磁搅拌器垂直立于铸坯的侧面，距离铸坯表面为25mm，其钢种成分w(%)为0.13 C，0.30 Si,0.40Mn,0.045 P,0.035 S，余量Fe ;长方型立式电磁搅拌器的上端与结晶器下端的距离为580mm，搅拌器的高度为450mm，磁极数为3;
(2)进行连铸过程中，行波磁场型立式电磁搅拌器的电源频率12Hz，搅拌电流选择300A，连铸开始进行立式电磁搅拌，钢液浇注的过热度为38°C，拉速为0.6m/min，直到钢水浇注结束。
[0016]对连铸后的铸坯取纵向和横向试样，并进行枝晶腐蚀低倍检验，结果如图16与图17所示。对比有无立式电磁搅拌下的铸坯的凝固组织可以看出，无立式电磁搅拌下的横向与纵向枝晶组织，铸坯横向中心部位存在严重的星状裂纹，在纵向铸坯的中心部位存在连续的缩孔与裂纹缺陷【图16(i)与图17(k)】；当施加立式电磁搅拌后，铸坯中心部位的裂纹及缩孔缺陷消失，组织更加致密【图16 (j)与图17 (I)】。
【主权项】
1.一种控制铸坯中心质量的立式电磁搅拌方法，其特征在于按照以下步骤进行: (1)在进行钢水浇注前，将行波磁场型立式电磁搅拌器沿铸坯中心线方向置于铸坯的侧面或环绕铸坯，其在铸坯内所产生的电磁力的总体方向平行于铸坯中心线方向，并使铸坯中心区域的液态熔体产生沿铸坯中心线的向上或向下的强制对流运动，电磁搅拌器距离铸还表面距离为1?500mm，电磁搅拌器的上端与结晶器下端的距离为1?12000mm ； (2)在进行钢水浇注过程中，施加立式电磁搅拌的电源频率为0.5?50Hz，电流强度为50?3000A ；连铸开始时进行立式电磁搅拌，直到连铸浇注结束。2.如权利I要求所述的控制铸坯中心质量的立式电磁搅拌方法，其特征在于所述的行波磁场型立式电磁搅拌器根据铸坯的形状选择不同的电磁搅拌器外形: 当所述的铸坯为方坯时，行波磁场型立式电磁搅拌器外观形状选为长方型或U型； 当所述的铸坯为圆坯时，行波磁场型立式电磁搅拌器外观形状选为长方型或半圆型； 当所述的铸坯为板坯时，行波磁场型立式电磁搅拌器外观形状选为单侧或双侧长方型； 当所述的铸坯为大方坯时，行波磁场型立式电磁搅拌器外观形状选为双侧长方型或两侧对置的U型； 当所述的铸坯为大圆坯时，行波磁场型立式电磁搅拌器外观形状选为双侧长方型或两侧对置的半圆型。3.如权利I要求所述的一种控制铸坯中心质量的立式电磁搅拌方法，其特征在于所述的行波磁场型立式电磁搅拌器的磁轭组的高度根据工况条件来设置，范围在20?4000mm;进行电磁搅拌时，通过电源柜改变电磁力的方向，对置式电搅拌器实现同时向上、同时向下或一个向上和一个向下的多种组合搅拌方式。
【文档编号】B22D11/115GK105935752SQ201610537522
【公开日】2016年9月14日
【申请日】2016年7月8日
【发明人】王恩刚, 徐宇, 邓安元, 张兴武, 许秀杰, 张 林, 左小伟
【申请人】东北大学