專利名稱：一種改進的振動激發(fā)金屬液形核的方法及裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于金屬鑄造領(lǐng)域，特別涉及一種通過振動激發(fā)形核，以提高連鑄坯等軸晶率的方法及裝置。
背景技術(shù)：
在現(xiàn)有金屬的連鑄生產(chǎn)技術(shù)中，由于凝固過程中選分結(jié)晶所造成的連鑄坯中心質(zhì)量降低，尤其是高合金鋼、高碳鋼鑄件及連鑄坯所產(chǎn)生的中心偏析、中心縮孔、中心疏松等問題，成為影響后部軋材質(zhì)量的核心問題。為了解決上述問題，長期以來在該技術(shù)方面開發(fā)了許多專利和技術(shù)，這些專利和技術(shù)主要圍繞兩個核心一是降低過熱度，如中間包等離子鋼水加熱、中間包感應(yīng)加熱等技術(shù)；二是促進凝固晶核形成，如電磁攪拌技術(shù)、電脈沖孕育處理技術(shù)、超聲振動破碎枝晶技術(shù)等。
關(guān)于中間包鋼水加熱技術(shù)國內(nèi)外有大量技術(shù)，如美國專利5,963,579、日本專利JP 03 138052 A等都是關(guān)于等離子中間包加熱技術(shù)，美國專利4,582,531是中間包感應(yīng)加熱實例，但是由于等離子加熱存在氣氛和溫度難以控制、感應(yīng)加熱存在耐材侵蝕和能源利用效率低等問題，技術(shù)基本保持停滯。
關(guān)于促進形核技術(shù)方面，中國專利號ZL 99250649.2和ZL 01106053.0都是連鑄結(jié)晶器電磁攪拌器的典型使用方法，它們的特征都是在連鑄結(jié)晶器的外側(cè)放置電磁感應(yīng)線圈或攪拌器，當(dāng)電磁感應(yīng)線圈或攪拌器通入一定頻率的交變電流時，就會產(chǎn)生電磁場，該磁場穿透結(jié)晶器銅板和金屬凝固殼并在液態(tài)金屬中產(chǎn)生感生電流，液態(tài)金屬相當(dāng)于一載流體，該載流體又受磁場作用，便在載流體中產(chǎn)生電磁力，從而使液態(tài)金屬產(chǎn)生強迫對流，流動的液態(tài)金屬將沖刷凝固殼的前沿，并折斷和破碎樹枝晶，這些折斷和破碎樹枝晶將成為以后等軸晶生長的核心，從而達(dá)到了電磁攪拌器提高鑄坯等軸晶率的目的。電磁攪拌器的應(yīng)用是提高鑄坯內(nèi)部質(zhì)量的有效方法。但其在使用中也存在一定的缺點，一是電磁攪拌容易使鑄坯產(chǎn)生“白亮帶”或負(fù)偏析帶，影響了鑄坯性能的均勻性；二是電磁攪拌器穿透金屬殼后的能量損失大，而且隨著連鑄坯坯殼的變厚，電磁場穿透金屬殼所損失的能量也越大，效果降低。
超聲振動用于改善金屬鑄件的凝固組織的研究和報到較多也比較早，超聲波通常指1秒振動20000次以上的高頻聲波?！渡蜿柟I(yè)學(xué)院院報》1997年9月第16卷第3期9-13頁報到了一篇《超聲振動對鑄造合金結(jié)晶過程的影響》的報告，其認(rèn)為超聲波引入正在凝固的金屬液可以破碎已凝固的坯殼前沿的枝晶，并使其成為以后形核的核心，而且要求超聲波發(fā)射源與凝固殼的距離越近越好，否則效果較差。該方法的主要缺點有三個一是正如該文章所述超聲波作用距離較短；二是只能作用于破碎已凝固坯殼，不能作用于未凝固的金屬液；三是對于象鋼液等高熔點金屬，超聲波發(fā)射源如何保持使用壽命。
為了提高鑄造或連鑄過程等軸晶率，本發(fā)明的發(fā)明人提出了開創(chuàng)性的技術(shù)方案，是在鑄造或連鑄前的金屬液中放置具有冷卻能力、保持小振幅、高頻振動的晶核發(fā)射器。由于冷卻作用，金屬液體在晶核發(fā)射器上迅速形核；同時，這些初生晶核將隨著晶核發(fā)射器的高頻振動被大量、連續(xù)不斷的彈射到金屬液體中，形成其后金屬凝固過程中生成大量等軸晶的核心。該發(fā)明于2004年12月29日遞交了申請?zhí)枮?00410102672.x的中國發(fā)明專利申請，題目為“一種激發(fā)金屬形核的方法和裝置”。但是，該發(fā)明中的晶核發(fā)射器需要在后面連接循環(huán)使用的冷卻介質(zhì)的管路等，設(shè)備結(jié)構(gòu)復(fù)雜；如果沒有連續(xù)的冷卻介質(zhì)的循環(huán)，該晶核發(fā)射器在持續(xù)使用一段時間后，溫度上升，冷卻能力下降，金屬液將很快在晶核發(fā)射器上形成的過厚的凝殼。
此外，為了提高合金收得率或促使鋼中夾雜物變性的需要，產(chǎn)生了較多結(jié)晶器中喂線技術(shù)，如美國專利號4,047,556、4,143,211，但其喂入線都是以合金化為目的，喂入的合金線包括Al，Mo，Ca，Ti，Zr，B，REM，V，Nb等，實際生產(chǎn)某些特殊鋼種如耐候鋼時，結(jié)晶器內(nèi)喂入REM成為硫化物夾雜變性的有效手段。需要注意的是，喂入合金線的目的不是為了增加形核提高等軸晶率。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種改進的振動激發(fā)金屬液形核的方法及裝置，可以簡化設(shè)備和工藝流程，既能夠降低結(jié)晶器內(nèi)金屬液過熱度，又促進凝固晶核的形成，從而提高連鑄坯等軸晶率，以達(dá)到明顯改善連鑄坯中心縮孔和疏松、減少偏析的目的。
根據(jù)上述目的，本發(fā)明提出的技術(shù)解決方案為本發(fā)明提供了一種改進的振動激發(fā)金屬液形核的方法，包括如下步驟將至少一個保持高頻、小振幅振動的晶核發(fā)射器浸入鑄造或連鑄前的金屬液9中，使得在晶核發(fā)射器前端迅速形成初生的晶核8；上述晶核8被彈射到金屬液9中，形成其后金屬凝固過程中生成大量等軸晶的晶核8；其改進在于所述晶核發(fā)射器為連續(xù)進入上述金屬液9的自耗式金屬冷料2；其中所述冷料2前端接觸到上述金屬液9時，冷料2被熔化，使得在冷料2附近的區(qū)域形成固液兩相混合區(qū)7，該混合區(qū)內(nèi)形成大量游離固相晶粒，這些游離晶粒在高頻振動作用下被大量、連續(xù)不斷的彈射到金屬液體中，成為金屬連續(xù)凝固過程中的晶核8。
本發(fā)明的另一方面是提供了一種改進的振動激發(fā)金屬液形核的裝置，包括a)至少一個使金屬液9形成一定過冷的晶核發(fā)射器；b)振動機構(gòu)4與晶核發(fā)射器相連，驅(qū)動所述的晶核發(fā)射器產(chǎn)生高頻、小振幅振動；其改進在于所述晶核發(fā)射器為連續(xù)進入上述金屬液9的自耗式金屬冷料2，所述振動機構(gòu)4帶動金屬液9內(nèi)的冷料2做高頻、小振幅振動，使得冷料被融化，并在冷料2附近的區(qū)域形成固液兩相混合區(qū)7，該混合區(qū)內(nèi)形成大量游離固相晶粒，這些游離晶粒在高頻振動作用下被大量、連續(xù)不斷的彈射到金屬液體中，成為金屬連續(xù)凝固過程中的晶核8。
綜上所述，本發(fā)明提供了一種自耗式振動激發(fā)形核方法和裝置，通過在結(jié)晶器內(nèi)振動喂入金屬棒或帶的冷料，冷料在自身連續(xù)不斷熔化消耗的同時，降低鋼水過熱度，而且該自耗式冷料在高頻振動下，當(dāng)冷料前端接觸到金屬液時，冷料被加熱熔化，同時在冷料表面附近區(qū)域?qū)⑿纬梢粋€固液兩相區(qū)，兩相區(qū)中存在大量固相晶粒，它們將隨著晶核發(fā)射器的高頻振動被大量、連續(xù)不斷的彈射到金屬液體中，形成金屬凝固過程中生成大量等軸晶的核心。在該兩種作用下，達(dá)到提高鑄件等軸晶率、減少鑄坯偏析和疏松的目的。
本發(fā)明的一個顯著特點是被連續(xù)不斷喂入結(jié)晶器金屬液中的冷料，在振動發(fā)生源的驅(qū)動下產(chǎn)生高頻小振幅振動，其冷料的振動幅度為0.001～1mm，振動頻率為5～10000Hz，以便將冷料前端固液兩相區(qū)內(nèi)的固體金屬顆粒大量的彈射到結(jié)晶器金屬液中，起到金屬液凝固形核核心的作用。驅(qū)動喂入冷料振動的振動發(fā)生源可以是電機驅(qū)動的，也可以是液壓驅(qū)動的，也可以是壓縮氣體驅(qū)動的。
本發(fā)明同時適用于鋼和有色金屬的金屬液的凝固過程處理。
與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明得到的自耗式振動激發(fā)形核的方法和裝置既可以克服電磁攪拌使用不當(dāng)所造成的凝固過程負(fù)偏析的產(chǎn)生，又可以克服超聲振動作用距離短、只能破碎枝晶，無法處理液態(tài)金屬的缺點，且簡化設(shè)備和工藝流程，降低降低成本；本發(fā)明不僅能消除大量金屬過熱度，同時又能提供大量晶核，從而達(dá)到提高等軸晶率的目的，可改善鑄坯中心縮孔和疏松，提高連鑄坯內(nèi)部質(zhì)量。


圖1是本發(fā)明一種自耗式振動激發(fā)形核裝置和方法的示意2是喂入棒或帶冷料振動產(chǎn)生晶核示意圖附圖標(biāo)記1-開卷機2-喂入的棒(帶)冷料3-矯直機4-振動機構(gòu)5-振動發(fā)生源6-結(jié)晶器9-金屬液10-浸入式水口7-冷料前端固液兩相區(qū)8-晶核9-結(jié)晶器內(nèi)金屬液具體實施方式
下面結(jié)合附圖對發(fā)明的具體實施方式
做進一步詳細(xì)的介紹。
該發(fā)明的裝置由四部分組成(見圖1)冷料開卷裝置，冷料矯直裝置，高頻小振幅振動發(fā)生裝置，和振動傳輸與作用裝置。其中經(jīng)過開卷裝置1的作用，成分在要求范圍內(nèi)的冷料2開卷后并在矯直裝置3進行矯直，通過振動發(fā)生源5和振動裝置4做高頻小振幅振動，然后連續(xù)不斷喂入結(jié)晶器內(nèi)6。當(dāng)冷料以振動形式喂入結(jié)晶器6時(見圖2)，冷料的前端與結(jié)晶器內(nèi)金屬液9接觸，在冷料自身不斷熔化消耗、降低金屬液過熱度的同時，在冷料前沿形成固/液兩相混合區(qū)7，混合區(qū)內(nèi)產(chǎn)生大量游離固相晶粒，這些游離晶粒在高頻振動作用下被大量、連續(xù)不斷的彈射到金屬液體中，成為金屬連續(xù)凝固過程中的晶核8。由于冷料的喂入大大降低了金屬過熱度，同時兩相區(qū)產(chǎn)生的晶粒是連續(xù)不斷地提供給結(jié)晶器內(nèi)金屬液，因此由晶核發(fā)射器彈射到金屬液中的晶核將大部分保存下來，不被熔化，并形成其后金屬凝固過程中生成大量等軸晶的核心。
根據(jù)結(jié)晶器斷面的大小，可選取不同斷面的冷料2，結(jié)晶器斷面小(如方坯或異形坯結(jié)晶器)、金屬液過熱度低時，可以選取小斷面棒料，如尺寸為中10～φ30mm；結(jié)晶器斷面大、金屬液過熱度高時，可以選取大斷面棒料，如尺寸為中30～φ50mm。對于板坯連鑄結(jié)晶器，由于結(jié)晶器空間較大，也可以選取窄帶狀冷料，其尺寸約為厚2～35mm、寬30～350mm；象棒狀冷料使用一樣，結(jié)晶器斷面小、金屬液過熱度低時，可以選取小斷面帶料，如尺寸為厚2～15mm、寬30～150mm；結(jié)晶器斷面大、金屬液過熱度高時，可以選取大斷面帶料，如尺寸為厚15～35mm、寬100～350mm。冷料2的成分選擇可以與所澆注的金屬成分相同或相近，其目的是以不影響產(chǎn)品最終成分為原則，使產(chǎn)品成分控制范圍之內(nèi)。
在使用中冷料經(jīng)開卷裝置、矯直裝置后喂入結(jié)晶器，冷料可以在浸入水口10的一側(cè)喂入結(jié)晶器，也可以在浸入式水口的兩側(cè)同時喂入。冷料的喂入速度受兩方面的因素制約一是冷料的熔化速度，即要保證喂入金屬液內(nèi)的冷料在上部較短的區(qū)域內(nèi)被充分熔化；二是不產(chǎn)生卷渣，當(dāng)冷料喂入速度過快時，覆蓋在金屬液表面的保護渣將吸附在冷料表面，并一同被帶入金屬液中，形成卷渣；因此冷料的喂入速度要以吸附在冷料表面的保護渣被充分熔化并上浮到液渣層中為標(biāo)準(zhǔn)。因此，根據(jù)連鑄機拉速的不同和冷料大小的不同，冷料的喂入速度一般為0.1～8m/min，低拉速、大斷面冷料采用較低的喂入速度，例如0.1～3m/min；高拉速、小斷面冷料采用較高的喂入速度，例如3～8m/min。
權(quán)利要求
1.一種改進的振動激發(fā)金屬液形核的方法，包括如下步驟將至少一個保持高頻、小振幅振動的晶核發(fā)射器浸入鑄造或連鑄前的金屬液(9)中，使得在晶核發(fā)射器前端迅速形成初生的晶核(8)；上述晶核8被彈射到金屬液(9)中，形成其后金屬凝固過程中生成大量等軸晶的晶核(8)；其特征在于所述晶核發(fā)射器為連續(xù)進入上述金屬液(9)的自耗式金屬冷料(2)；其中所述冷料(2)前端接觸到上述金屬液(9)時，冷料(2)被熔化，使得在冷料(2)附近的區(qū)域形成固液兩相混合區(qū)(7)，該混合區(qū)內(nèi)形成大量游離固相晶粒，這些游離晶粒在高頻振動作用下被大量、連續(xù)不斷的彈射到金屬液體中，成為金屬連續(xù)凝固過程中的晶核(8)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于所述冷料(2)進入金屬液(9)以前還包括開卷和矯直步驟。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于所述冷料(2)的振動幅度為0.001～1mm，振動頻率為5～10000Hz。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于所述冷料的喂入速度為0.1～8m/min。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述冷料(2)成分與金屬液(9)的成分相同或相近，在產(chǎn)品成分控制范圍之內(nèi)，以不影響產(chǎn)品最終成分為原則。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述冷料(2)成分與金屬液(9)的成分有足夠的差異，以進一步滿足合金化、去除雜質(zhì)的需要。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，所述金屬液(9)為鋼液或有色金屬液。
8.一種改進的振動激發(fā)金屬液形核的裝置，包括a)至少一個使金屬液(9)形成一定過冷的晶核發(fā)射器；b)振動機構(gòu)(4)與晶核發(fā)射器相連，驅(qū)動所述的晶核發(fā)射器產(chǎn)生高頻、小振幅振動；其特征在于所述晶核發(fā)射器為連續(xù)進入上述金屬液(9)的自耗式金屬冷料(2)，所述振動機構(gòu)(4)帶動金屬液(9)內(nèi)的冷料(2)做高頻、小振幅振動，使得冷料被融化，并在冷料(2)附近的區(qū)域形成固液兩相混合區(qū)(7)，該混合區(qū)內(nèi)形成大量游離固相晶粒，這些游離晶粒在高頻振動作用下被大量、連續(xù)不斷的彈射到金屬液體中，成為金屬連續(xù)凝固過程中的晶核(8)。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的裝置，其特征在于，該裝置還包括冷料開卷裝置(1)，將成分在要求范圍內(nèi)的冷料(2)開卷；冷料矯直裝置(3)，將開卷后的冷料(2)矯直，同時連續(xù)不斷地喂入鑄造或連鑄前的金屬液(9)內(nèi)。
10.根據(jù)權(quán)利要求8所述的裝置，其特征在于，該裝置還包括與振動機構(gòu)(4)相連的振動發(fā)生裝置(5)。
11.根據(jù)權(quán)利要求10所述的裝置，其特征在于，所述振動發(fā)生源(5)可以是電機驅(qū)動、液壓驅(qū)動、壓縮氣體驅(qū)動中的至少一種。
12.根據(jù)權(quán)利要求8所述的裝置，其特征在于，所述冷料(2)位于連鑄的結(jié)晶器(6)內(nèi)。
13.根據(jù)權(quán)利要求8所述的裝置，其特征在于，所述冷料(2)可以為棒狀，其尺寸為φ10～φ50mm；也可以是窄帶，其尺寸為厚2～35mm、寬30～350mm。
14.根據(jù)權(quán)利要求8所述的裝置，其特征在于，所述冷料(2)成分可以與澆注金屬成分相同或相近，在產(chǎn)品成分控制范圍之內(nèi)，以不影響產(chǎn)品最終成分為原則。
15.根據(jù)權(quán)利要求8所述的裝置，其特征在于，所述冷料經(jīng)開卷裝置、矯直裝置后喂入結(jié)晶器，冷料可以在浸入水口(10)的一側(cè)或兩側(cè)喂入。
16.根據(jù)權(quán)利要求8所述的裝置，其特征在于，該裝置直接用于連續(xù)鑄造的結(jié)晶器內(nèi)，對凝固前結(jié)晶器內(nèi)的金屬液進行形核處理。
全文摘要
本發(fā)明涉及金屬鑄造領(lǐng)域，提供了一種改進的振動激發(fā)金屬液形核的方法，包括如下步驟將至少一個保持高頻、小振幅振動的晶核發(fā)射器浸入鑄造或連鑄前的金屬液9中，使得在晶核發(fā)射器前端迅速形成大量的固相晶核8；上述晶核8被彈射到金屬液9中，形成其后金屬凝固過程中生成大量等軸晶的晶核8；其改進在于所述晶核發(fā)射器為連續(xù)進入上述金屬液9的自耗式金屬冷料2。本發(fā)明可以簡化設(shè)備和工藝流程，既能夠降低結(jié)晶器內(nèi)金屬液過熱度，又促進凝固晶核的形成，從而提高連鑄坯等軸晶率，以達(dá)到明顯改善連鑄坯中心縮孔和疏松、減少偏析的目的。
文檔編號B22D11/114GK1785553SQ20051013429
公開日2006年6月14日 申請日期2005年12月16日 優(yōu)先權(quán)日2005年12月16日
發(fā)明者張慧, 趙沛, 仇圣桃, 顏慧臣, 王玫, 陶紅標(biāo), 王明林, 岳爾斌 申請人:安泰科技股份有限公司, 鋼鐵研究總院