技术领域
[0001] 本
发明涉及一种弯月面径向强剪切电磁搅拌圆坯连铸装置和方法，主要适用于制备高等轴晶率圆坯或半固态圆形坯料，属于金属材料连续
铸造领域。
背景技术
[0002]
连铸机是现代
冶金工业连铸工艺主要设备，随着社会的发展和科技的进步，对
铸坯内部
质量，特别是铸坯
凝固组织等轴晶率及初生相形貌提出了更高的要求。电磁搅拌技术是对金属凝固过程进行控制的一种有效手段，有着广泛的应用和深厚的工业
基础。
[0003] 目前连铸铸
钢的电磁搅拌装置主要有旋转
磁场型、行波磁场型和径向磁场型等多种类型，使用最多的是前两种。旋转磁场型电磁搅拌装置运用异步
电动机三相旋转磁场原理，以使未凝固的金属熔体像三相异步电动机
转子一样旋转，达到搅拌的目的，如US4016926。旋转磁场型搅拌装置产生的搅拌作用以周向循环流动为主，弯月面的径向流为次生流。行波磁场型搅拌装置的工作原理也与感应电动机类似，如果将
定子铁芯切开并展开成直线，即产生按正弦规律变化的行波磁场。金属熔体中产生一个与行波磁场方向一致的电磁
力，如US5219018。根据行波磁场型搅拌装置的布置不同，可以在金属熔体产生轴向循环流动、周向循环流动和螺旋形流动，弯月面的径向流同样为次生流。旋转磁场型搅拌装置和行波磁场型搅拌装置都需要铁芯，而径向磁场型搅拌装置属于无芯感应电磁搅拌，这种空间不动的脉动交变磁场会产生排斥搅拌，搅拌力为径向推力，如US4229210以及采用单相线圈的无芯感应电炉，在金属熔体中产生
驻波，使其局部产生强
对流。径向磁场型搅拌器的另一个应用是减低金属熔体与铸模之间得
接触压力，如US4723591或者代替铸模，实现
磁约束成形，如
电磁铸造。US5135564也提出了一种环缝结构，该装置主要是为了避开因
集肤效应而产生的电磁力较低的部分，并因径向尺寸变小而强化周向流。
发明内容
[0004] 本发明的目的是提供一种弯月面径向强剪切电磁搅拌圆坯连铸装置和方法。
[0005] 一种弯月面径向强剪切电磁搅拌圆坯连铸装置，该装置由流槽、热顶、芯棒固定
支架、芯棒、结晶器、
水套、感应线圈和底模组成；所述的流槽设置于热顶的上部，所述的热顶设置于水套的上部；所述的热顶中间设置芯棒，所述芯棒通过固定在流槽底部的芯棒固定支架安装在热顶中间，所述的芯棒包含冷却单元；所述的水套设置于结晶器外，所述的感应线圈位于结晶器的外部水套的中间，所述的感应线圈倾斜放置，产生的径向电磁推力与弯月面平行，整个装置呈立式布置。
[0006] 所述的芯棒与热顶组成环缝式热顶，通过改变芯棒尺寸来调节环缝宽度以及制浆室高度；芯棒半径小于等于1/2热顶半径，考虑实际操作便利，芯棒半径大于10mm；芯棒高度大于1/2热顶高度，小于1倍热顶高度。
[0007] 所述的芯棒及芯棒固定支架材质为
硅酸
铝、耐火
纤维等低导热性材料；所述的冷却单元为设置于芯棒内部通有冷却介质的冷却通道，冷却通道的材质为奥氏体
不锈钢、
钛、钼、钴、铬、镍和
铜等非
磁性材料；冷却介质为空气、水等非磁性
流体。
[0008] 感应线圈倾斜放置，感应线圈材质为铜等高电导率材料，表面涂刷一层绝缘漆，线圈截面可以是椭圆形或长方形等；线圈倾斜
角度为0～90度；
频率为1～50Hz。
[0009] 所述的底模的外径与结晶器内径相同，可置于结晶器中用于向下拉坯。
[0010] 采用上述设备，进行弯月面径向强剪切电磁搅拌圆坯连铸的方法，包括：首先将底模置于结晶器中将制浆室堵严，然后打开
冷却水，将金属熔体注入流槽；当熔体由流槽经环缝式热顶进入结晶器时，熔体开始凝固，并形成初生坯壳，坯壳凝固前沿形成弯月面，同时，向下牵引底模，进行拉坯过程，坯壳向下移动，并逐渐增厚，最后完成凝固，使连铸得以连续进行；当设备稳定后，开启电磁搅拌，感应线圈产生沿弯月面的径向推力，实现了径向强剪切，弯月面会变得平坦。
[0011] 在连铸过程中，
合金熔体由流槽经环缝式热顶快速流入结晶器并形成高速轴向流；通过芯棒
散热，降低
过热度，被结晶器一次冷却；连铸过程稳定后，熔体凝固前沿形成弯月面；感应线圈加载两相低频交流
电流，产生与弯月面平行的电磁推力；
铸锭被水套冷却水冷却，由底模进行拉坯，由牵引机构完成拉坯过程。
[0012] 高速的轴向流碰到弯月面后转变为径向流，径向流被感应线圈产生的沿弯月面的径向推力强化，实现了径向强剪切；熔体被凝固铸坯二次冷却。
[0013] 径向流汇聚到中心部位时形成回流区，增加了熔体与芯棒的对流换热，同时也增加了环缝式热顶下方冷热熔体的混合。整个流体在环缝式热顶和结晶器里实现了循环。
[0014] 本发明采用的主要技术原理：在连铸装置的热顶中心设置芯棒，热顶和芯棒形成环缝式热顶结构。环缝式热顶在熔体连铸过程中因体积不变原理而提高了熔体的轴向流动，这种轴向流在遇到弯月面后转变为径向流，倾斜放置的感应线圈产生与弯月面平行的电磁力，强化了弯月面上的径向剪切流，径向流汇聚到中心部位时形成回流区，增加了熔体与芯棒的对流换热，同时也增加了冷热熔体的混合。整个流体在环缝式热顶和结晶器里形成了轴对称的循环流。这种循环流被感应线圈产生的沿弯月面的径向推力强化，实现了径向强剪切。通过上述方法促进了合金熔体的流动和
传热，熔体的
温度场和成分场趋于均匀，有利于获得高质量的铸坯。
[0016] (1)本发明通过芯棒把热顶变为环缝式热顶，增加了热顶里的轴向流，成本低，操作简单实用。
[0017] (2)感应线圈为单相线圈，制作安装简单，使用中频电源，无需复杂电源设备。
[0018] (3)弯月面径向强剪切，减轻了铸坯径向温度成分差异，增加了等轴晶率，改善了初生相形貌。
附图说明
[0019] 图1为本发明弯月面径向强剪切电磁搅拌圆坯连铸装置的示意图。
[0020] 图2为感应线圈示意图。
[0021] 图3为芯棒支架示意图。
[0022] 主要附图标记：
[0023] 1 芯棒固定支架 2 流槽
[0024] 3 热顶 4 芯棒
[0025] 5 水套 6 感应线圈
[0026] 7 结晶器 8 铸锭
[0027] 9 底模
具体实施方式
[0028] 如图1所示，本发明的弯月面径向强剪切电磁搅拌圆坯连铸装置，由流槽2、热顶3、芯棒固定支架1、芯棒4、结晶器7、水套5、感应线圈6和底模9组成；流槽2设置于热顶3的上部，热顶3设置于水套5的上部；热顶3中间设置芯棒4，芯棒4通过固定在流槽2底部的芯棒固定支架1安装在热顶3中间，芯棒4包含冷却单元；水套5设置于结晶器7外，感应线圈6位于结晶器7的外部水套5的中间，感应线圈6倾斜放置，产生的径向电磁推力与弯月面平行，整个装置呈立式布置。
[0029] 芯棒4与热顶3组成环缝式热顶，通过更换芯棒4改变环缝宽度以及制浆室高度；芯棒4半径小于等于1/2热顶3半径，考虑实际操作便利，芯棒4半径大于10mm；芯棒4高度大于1/2热顶3高度，小于1倍热顶3高度。
[0030] 如图3所示为芯棒固定支架1，芯棒4及芯棒固定支架1材质为
硅酸铝、耐火纤维低导热性材料；冷却单元为设置于芯棒4内部通有冷却介质的冷却通道，冷却通道的材质为奥氏体不锈钢、钛、钼、钴、铬、镍和铜等非磁性材料；冷却介质为空气、水等非磁性流体。
[0031] 如图2所示，感应线圈6倾斜放置，感应线圈6材质为铜等高电导率材料，表面涂刷一层绝缘漆，线圈截面可以是椭圆形或长方形等；线圈倾斜角度为0～90度；频率为1～50Hz。
[0032] 底模9的外径与结晶器7内径相同，可置于结晶器7中用于向下拉坯。
[0033] 首先用底模9在结晶器7的适当高度上将制浆室堵严，然后打开冷却水，随即金属熔体注入流槽2。由于热顶3用保温材料制成，因此，熔体在热顶3中不会凝固。当熔体进入结晶器7时，熔体开始凝固，并形成初生坯壳，同时，向下牵引底模9，进行拉坯过程。随着拉坯过程的进行，坯壳向下移动，并逐渐增厚，最后完成凝固，即由底模9开始拉坯，由牵引机构完成拉坯过程，使连铸得以不断进行。随着拉坯过程的进行，热顶3、芯棒4和底模9温度都会升高。当拉出1m左右的坯料时，设备基本稳定，开启电磁搅拌。随着电磁搅拌过程的进行，弯月面会变平坦。另外需要根据浇注熔体温度，决定是否启用芯棒4中的冷却单元，以及使用多大的冷却速度。
[0034] 在连铸过程中，合金熔体从流槽2经环缝式热顶快速流入结晶器7并形成高速轴向流；通过芯棒4散热，降低过热度，被结晶器7一次冷却；连铸过程稳定后，熔体凝固前沿形成弯月面；感应线圈6加载两相低频交流电流，产生与弯月面平行的电磁推力；铸锭8被水套冷却水冷却，由底模9进行拉坯，由牵引机构完成拉坯过程。
[0035] 高速的轴向流碰到弯月面后转变为径向流，径向流被感应线圈6产生的沿弯月面的径向推力强化，实现了径向强剪切；熔体被凝固铸坯二次冷却。径向流汇聚到中心部位时形成回流区，增加了熔体与芯棒4的对流换热，同时也增加了环缝式热顶3下方冷热熔体的混合。整个流体在环缝式热顶3和结晶器7里实现了循环。
[0036] 下面以制备直径为200mm的半固态圆坯为例，来进一步说明弯月面径向强剪切电磁搅拌圆坯连铸装置和方法。
[0037] 采用弯月面径向强剪切电磁搅拌圆坯连铸装置制备直径为200mm的半固态圆坯，材料为A357合金，要求铸坯表面粗糙度小于0.25，后续加工不需去皮处理，铸坯内非枝晶比率大于70%，平均晶粒尺寸小于150微米，用作半固态触变成形。
[0038] 首先，用底模9在结晶器7的适当高度上将制浆室堵严，然后打开冷却水，并预热流槽2。其中水压为0.05MPa，流槽2预热温度为400℃。然后将熔炼合格的A357合金熔体在680℃连续不断地浇注到流槽2内，同时启动牵引机构以2.5mm/s的速度拉坯，浇注过程中保证熔体在流槽2中保持恒定高度。5分钟后，启动搅拌器，搅拌频率为5Hz，电流为35A。本次实施过程中未启动芯棒4中的冷却单元，没有拉漏和拉断现象发生，坯料表面光滑，组织得到明显改善，非枝晶相均为颗粒状，铸坯内非枝晶比率高达90%，平均晶粒尺寸小于100微米。宏观组织中没有柱状晶区和宏观偏析；二次加热后夹持性良好，易切削；其组织和性能完全满足半固态加工要求。
[0039] 浇注时，金属熔体从流槽2经环缝式热顶3快速流入结晶器7，首先通过芯棒4散热，降低过热度，然后被结晶器7壁一次冷却；碰到弯月面后轴向流转变成径向流，并被凝固铸坯二次冷却；径向流汇聚到中心部位时形成回流区，增加了熔体与芯棒的对流换热，同时也增加了冷热熔体的混合。整个流体在环缝式热顶3和结晶器7里形成了循环流。这种循环流被感应线圈产生的沿弯月面的径向推力强化，实现了径向强剪切。铸坯8被水套冷却水冷却，由底模9开始拉坯，由牵引机构完成拉坯过程。
