CN101378864A - 消除轴向多孔性和细化晶体结构的连续铸造方法 - Google Patents

Abstract

提供一种消除轴向多孔性和伴随的因连续钢锭液体芯的轴向区域大量结晶引起的杂质偏析的装置和方法。

Description

消除轴向多孔性和细化晶体结构的连续铸造方法

相关申请

本申请要求对2006年1月25日提交的美国临时专利申请No.60/762,356的优先权，本文援引其全部内容以供参考。

背景技术

截面为圆形、方形和矩形的大多数毛坯钢坯在连续铸造厂内生产。连续钢锭最普遍的内部缺陷是轴向的多孔性，并伴随有钢锭液体芯的轴向区域大量结晶时产生的杂质偏析。

在模具液面处使用转动磁场(RMF)来电磁搅动液体芯的做法，在实践中并不影响轴向多孔性形成的过程。在液面线高度处的钢锭液体芯下部施加RMF由于过冷熔化液的高度粘性显得无效，因为熔化液体中实心核(结晶中心)的高浓度和固相厚度很大，这就需要大大地提高RMF感应器的功率。

如果钢锭具有轴向多孔性，则不能保证由塑性变形获得的产品质量。因此，消除该缺陷是重要的技术问题。

先前用各种方法(例如，使用附加的RMF感应器来激励超声振荡或使用RMF感应器来激励熔化液体的低频振荡)解决该问题的各种努力的效率都不很有效。因此，本发明的目的是提供一种方法来消除轴向的多孔性，和伴随的连续钢锭液体芯的轴向区域大量结晶时产生的杂质偏析。

发明内容

根据本发明，提供一种高效影响连续钢锭和铸件结晶过程的方法，该方法可将钢锭(或铸件)的液体芯的强烈振荡的激励和其围绕钢锭轴线的同时的强烈转动结合起来。根据本发明，提供消除轴向多孔性和细化连续钢锭和铸件中晶体结构的方法。该方法可包括使直流电流或交流电流通过喷嘴或自由喷射头或铸造头，以及连续钢锭或铸件的液体芯。该方法还可包括在连续钢锭或铸件的液体芯内激励恒定的或交变的磁场，其中，电流可在喷嘴、喷射头或铸造头内产生脉冲的收缩效应。

根据本发明，还提供一种方法，该方法使直流电流或交流电流或调制的电流通过连续钢锭的液体芯，电流强度超过临界值。该方法还可包括在喷嘴或铸造头内激励脉冲的收缩效应，同时在连续铸造厂模具内激励轴向恒定或交变的磁场，并在连续钢锭的液体芯内从模具的下边缘到液相底部激励出二维恒定的或交变的旋转对称的磁场。

附图说明

结合附图来考虑以下详细的说明，将会更加明白本发明上述和其它的优点，在附图中，相同的标号表示相同的零件，附图中：

图1是根据本发明第一实施例的连续铸钢厂的示意截面图；

图2是沿图1的线A-A截取的图1连续铸钢厂一部分的示意截面图；

图3是根据本发明第二实施例的连续铸钢厂的示意截面图；

图4是沿图3的线B-B截取的图3连续铸钢厂一部分的示意截面图；

图5是根据本发明第三实施例的连续铸钢厂的示意截面图；

图6是沿图3的线B-B截取的图3连续铸钢厂一部分的示意截面图；

图7是根据本发明第四实施例的连续铸钢厂的示意截面图；

图8是根据本发明第五实施例的连续铸钢厂一部分的示意截面图；

图8A是图8连续铸钢厂一特定部分的详细示意截面图；

图8B是沿图8的线K-K截取的图8和8A连续铸钢厂一部分的示意截面图；

图9是沿图8的线L-L截取的图8-8B连续铸钢厂一部分的示意截面图；

图10是根据本发明第一实施例的铸造模具的示意截面图；

图11是根据本发明第二实施例的铸造模具的示意截面图；

图12是沿图11的线G-G截取的图11铸造模具一部分的示意截面图。

具体实施方式

提供消除轴向多孔性和伴随的连续钢锭液体芯的轴向区域大量结晶时产生的杂质偏析的装置和方法，下面将参照图1-12对其进行描述。

图1和2示出例如根据本发明第一实施例的连续铸钢厂100。例如，图1可显示连续铸造钢厂100内导电施加的电流密度场和由线圈激励的磁场的分布图，而图2可显示例如连续铸造钢厂100中喷嘴内的收缩效应激励。

如图1和2所示，例如，连续铸造钢厂100可包括漏斗1的盖10内的电极9。漏斗1可联接到具有连续钢锭的液体芯6的喷嘴3和模具的内壁4。内壁4可由诸如铜之类的任何合适材料制成。电极9可用诸如石墨之类的任何合适材料制成。盖10可用诸如陶瓷之类的任何合适材料制成。

图3和4示出根据本发明第二实施例的连续铸钢厂300。例如，图3和4可显示例如连续铸造钢厂300内流出漏斗之外的射流内的收缩效应激励。

如图3和4所示，例如，连续铸造钢厂300可包括漏斗11的盖20内的电极19。漏斗11可联接到具有连续钢锭的液体芯16的喷嘴13和模具的内壁14。内壁14可由诸如铜之类的任何合适材料制成。电极19可用诸如石墨之类的任何合适材料制成。盖20可用诸如陶瓷之类的任何合适材料制成。

图5和6示出根据本发明第三实施例的连续铸钢厂500。例如，图5可显示连续铸造钢厂500内导电施加的电流密度场和由线圈激励的磁场的分布图，而图6可显示例如连续铸造钢厂500中喷嘴内的两循环脉冲的收缩效应激励。

如图5和6所示，例如，连续铸造钢厂500可包括漏斗21的盖30内的电极29。漏斗21可联接到具有连续钢锭的液体芯26的喷嘴23和模具的内壁24。内壁24可由诸如铜之类的任何合适材料制成。电极29可用诸如石墨之类的任何合适材料制成。盖30可用诸如陶瓷之类的任何合适材料制成。

图7示出根据本发明第四实施例的连续铸钢厂700。例如，图7可显示连续铸造钢厂700内导电施加的电流密度场、激励两循环的脉冲收缩效应和由线圈激励的磁场的分布图。流出钢厂700喷嘴之外的熔化液体可以通过位于离熔化表面不同距离处的两个侧向孔。

如图7所示，例如，连续铸造钢厂700可包括漏斗31的盖40内的电极39。漏斗31可联接到具有连续钢锭的液体芯36的喷嘴33和模具的内壁34。内壁34可由诸如铜之类的任何合适材料制成。电极39可用诸如石墨之类的任何合适材料制成。盖40可用诸如陶瓷之类的任何合适材料制成。

图8-9示出根据本发明第五实施例的连续铸钢厂800。例如，图8-8B可显示连续铸造钢厂800内导电施加的电流密度场、由线圈激励的径向磁场和二维旋转对称的磁场的分布图，而例如图9可显示连续铸造钢厂800的连续钢锭截面内由外部总线系统激励的二维旋转对称的磁场。

如图8-9所示，例如，连续铸造钢厂800可包括漏斗41的盖50内的电极49。漏斗41可联接到具有连续钢锭的液体芯46的喷嘴43和模具的内壁44。内壁44可由诸如铜之类的任何合适材料制成。电极49可用诸如石墨之类的任何合适材料制成。盖50可用诸如陶瓷之类的任何合适材料制成。

参照每个连续铸造钢厂100(图1和2)、钢厂300(图3和4)、钢厂500(图5和6)、钢厂700(图7)和钢厂800(图8-9)分别使用盖(例如，盖10/20/30/40/50)内的电极(例如，电极9/19/29/39/49)，直流或交流电流可通过漏斗(例如，漏斗1/11/21/31/41)、喷嘴(例如，喷嘴3/13/23/33/43)和连续钢锭的液体芯(例如，芯6/16/26/36/46)以及模具的内壁(例如，壁4/14/24/34/44)。这种电流的强度I可超过下式确定的开始的脉冲收缩效应的临界强度：

$I_{\mathrm{cr}}\≥\mathrm{\π}{R}_0\sqrt{\frac{2\mathrm{\ρgh}}{{\mathrm{\μ}}_0}},---\left(1\right)$

其中，R₀可以是液体导体(或熔化液体)(m)的半径，h可以是收缩效应起始(m)区域上方的熔化液柱的高度，ρ可以是熔化液体的密度(kg/m³)，g可以等于9.81m/s²，μ₀可以等于4π·10^-7(Hn/m)(即，真空时磁性常数)。

由于密度为j_z的轴向电流与该电流的磁场

互相作用，脉动收缩效应既可发生在喷嘴3内(图1和2)也可发生在自由喷射头13内(图3和4)，这可导致出现径向力f_r，其压力可压缩液体导体(熔化液体)。只要该压力被静液压力ρgh平衡，液体导体就不会变形。如果电磁压力超过静液压力，则液体导体表面就会在液体导体横截面面积最小的地方开始变形，在很短时间之后，可发生液体导体断裂并伴随冲击波的发生。

导体断裂可导致电流断开，并使其中的电流消失。这可伴随电磁压力的去除，而静液压力可恢复液体导体的连续性。这又可导致电路关闭并在导体中出现电流。

然后，根据过程参数，断裂和电路的关闭能够以某个频率定期地重复发生。当使用交流电时，收缩效应脉动频率可依赖于电流频率，因为收缩效应仅可在正弦变化电流的最大值时发生。低频声波的激励可有利地影响到钢锭轴向多孔性的消除。

为了激励两循环的脉动收缩效应，喷嘴23(图5和6)或喷嘴33(图7)可以实现为端面关闭的管的形式，具有能提供熔化液体馈送到钢锭液体芯内的两个孔501和502(图5和6)或孔701和702(图7)。其中一个孔可位于离熔化表面的距离h₁处，另一孔可位于距离h₂处，其中，h₂<h₁。由于临界电流值正比于

可以证明孔2(例如，孔502或70)的临界值低于孔1(例如，孔501或701)的临界值，且在孔2内发生收缩效应。断开通过孔2的电路可导致通过孔1的电流翻倍，并可在其中发生收缩效应，由此，可断开通过孔1的电路。这又可使通过孔2的电流翻倍，并可在其中造成收缩效应。该过程可周期地重复。沿着钢锭液体芯传播的声波可阻止发生轴向的多孔性。

在对线圈5(图1和2)、线圈15(图3和4)、线圈25(图5和6)，或线圈35(图7)施加直流或交流电流时，可在连续钢锭的液体芯6(图1和2)、液体芯16(图3和4)、液体芯26(图5和6)，或液体芯36(图7)的上部内激励出轴向磁场，其与电流密度的径向分量互相作用可产生方位角的电磁体力(EMBF)。如果这样的磁场恒定不变，则EMBF的作用可产生扭转振荡，其频率等于收缩效应脉动频率。如果磁场和电流以相同频率及时变化，则EMBF的作用可产生双倍频率的熔化液体的平均转动运动和扭转振荡。应该指出的是，恒定磁场可能不受模具铜内壁的屏蔽，至少在某些实施例中是如此。

在对以相对方向连接的两个线圈施加直流或交流电流时，诸如线圈45(例如，见图8-9)，可在连续钢锭的液体芯46的上部45’内激励出具有大的径向分量的磁场。当电流通过钢锭的全部液体芯和可以旋转对称的方式围绕钢锭轴线布置(例如，见图9)的两条具有矩形横截面的外部总线42(例如，见图8)时，轴向电流与径向磁场的互相作用可产生熔化液体的平均转动运动和方位角的振荡，振荡频率为收缩效应脉动的频率，或为钢锭液体芯上部内交流电流的频率的两倍。在液体芯向下到底部的其余部分内，旋转对称磁场与轴向电流的相互作用可产生熔化液体的平均转动运动和具有各种频率的方位角的振荡。使用铁磁性背部47(例如，见图9)可减少磁泄漏，由此可提高熔化液体2至3倍的转动速度。

应用如此方法可允许钢锭在其全部长度上加强液体芯的搅动，由此电流散热可防止形成熔化液体大量结晶的轴向区域和钢锭的轴向多孔性。

图10示出根据本发明第一实施例的铸造模具1000。例如，图10可显示导电施加的电流密度场、由铸造模具1000内的线圈激励的磁场的分布图。

图11和12示出根据本发明第二实施例的铸造模具1100。例如，图11可显示铸造模具1100内的电流密度场的分布图，而图12例如可显示铸造模具1100内两个旋转对称的气门的系统激励的磁场的分布图。

直流或交流电流可通过铸造头58(图10)或铸造头68(图11和12)、铸造体59(图10)或铸造体69(图11和12)，以及气门60(图10)或气门70(图11和12)。这种超过脉动收缩效应开始的临界强度的电流强度I可由上述公式(1)确定。

由于密度为j_z的轴向电流与该电流的磁场互相作用，在连接外部58(图10)或外部68(图11和12)与铸造体59(图10)或铸造体69(图11和12)的颈部内可发生脉动收缩效应。这可导致出现径向力f_r，其压力可压缩液体导体(熔化液体)。铸造中脉动收缩效应开始的其它过程可不同于项1中所描述的连续钢锭中的过程。

在对线圈57(图10)施加直流或交流电流时，可在铸件59的液体芯内激励出磁场(图10)，其轴向分量B_z可与电流密度j_r的径向分量互相作用。由于该互相作用，可使熔化液体随扭转振荡而转动。

由收缩效应产生的压力脉动和随扭转振荡的转动两者的同时作用，可确保生产具有密的细颗粒结晶结构的铸件。

当使用截面为矩形的旋转对称的气门70(例如，见图11和12)时，流过气门的电流可激励旋转对称的磁场B，其径向分量B_r可与电流密度j_z的轴向分量互相作用。该互相作用可产生方位角的EMBF，其使熔化液体随扭转振荡而转动。使用铁磁性背部67(例如，见图11和12)可减少磁泄漏，由此可提高力的作用。

应用铸件生产的该方法还可导致对其结构的显著有利影响。

应用在连续钢锭的液体芯内激励出的幅值或频率调制的磁场可显著地提高熔化液体中的紊流强度，这可有利于所述钢锭和铸件的结晶结构，并有利于生产高质量的铸件。

在图1、3、5和7中，铸钢厂可包括止挡件(例如，相应地，止挡件8、18、28或38)。在图10和11中，铸造模具可对应地包括外部电路51或61、对应地壳52或62、对应地绝热垫53或63、对应地金属外套54或64，以及对应地承载电流的电极55和56或65和66。

Claims (15)

1.一种消除轴向多孔性和细化连续钢锭和铸件中晶体结构的方法，所述方法包括：

使直流电流或交流电流通过喷嘴或自由喷射头或铸造头，以及所述连续钢锭或铸件的液体芯；以及

在所述连续钢锭或铸件的所述液体芯内激励恒定的或交变的磁场，其中，所述电流可在喷嘴、喷射头或铸造头内产生脉冲的收缩效应。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，在所述连续钢锭或铸件的模具孔中激励轴向的磁场，而在模具下方激励二维旋转对称的磁场。

3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，在连续钢锭或铸件的模具孔中激励径向的磁场，而在模具下方激励二维旋转对称的磁场。

4.如权利要求1所述的方法，其特征在于，通过改变通过所述喷嘴、喷射头或铸造头的交流电流的频率来控制连续钢锭或铸件的液体芯内的振荡频率。

5.如权利要求1所述的方法，其特征在于，在所述喷嘴、喷射头或铸造头的下部内激励收缩效应。

6.如权利要求1所述的方法，其特征在于，使用两循环的脉动收缩效应。

7.如权利要求1所述的方法，其特征在于，由于电流和交变磁场的互相作用，激励出所述钢锭或铸件的液体芯的转动流。

8.如权利要求1所述的方法，其特征在于，由于电流和恒定磁场的互相作用，在所述钢锭的液体芯的上部中激励出所述连续钢锭或铸件的熔化液体的扭转振荡，并在所述钢锭的液体芯的下部中激励出转动流。

9.如权利要求1所述的方法，其特征在于，在所述钢锭的液体芯的上部或铸件的液体芯内激励出的轴向或径向磁场是幅值或频率调制的。

10.如权利要求1所述的方法，其特征在于，为了激励具有限定时间间隔的脉动收缩效应，电流强度周期地减小到临界值之下。

11.如权利要求10所述的方法，其特征在于，所述时间间隔及时变化。

12.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述电流通过所述钢锭液体芯上部和模具。

13.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述电流通过所述钢锭的液体芯、邻近于所述液体芯底部的实心钢锭一部分、接触器、两个并行连接而截面为矩形的相对于所述钢锭轴线呈旋转对称布置的外部总线。

14.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述电流通过所述喷嘴、喷射头或铸造头、所述铸件的液体芯，相对于所述铸件轴线旋转对称地布置的截面为矩形的气门。

15.如权利要求1所述的方法，其特征在于，使用特殊的铁磁性背部，显著地提高流过外部总线或所述连续钢锭或铸件的气门的电流所激励出的磁场强度。

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