專利名稱：一種施加復(fù)合交變電磁場改善連鑄空心管坯質(zhì)量的方法和裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于金屬材料制備技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及到空心金屬管坯的制備。
背景技術(shù)：
無縫金屬管材的產(chǎn)量和質(zhì)量主要取決于空心管坯的生產(chǎn)。目前生產(chǎn)空 心金屬管坯的方法主要有兩種 一種是穿孔法，主要工藝為金屬液經(jīng)連鑄 獲得鑄坯，鑄坯冷卻、加工，然后再經(jīng)加熱穿孔而得到空心金屬管坯，空 心金屬管坯經(jīng)軋制或冷拔后得到無縫金屬管材。雖然穿孔法工藝比較成熟 并廣泛用于空心金屬管坯的制備，但其效率低、能耗大的缺點也是顯而易 見的，特別是對于某些高合金鋼及異形空心金屬管坯的制備較為困難，穿 孔過程中易產(chǎn)生內(nèi)折、裂紋、分層等缺陷，且有時不得不鉆孔。另一種方 法是水平離心鑄造法，該工藝是將金屬液直接澆注入離心鑄型，在旋轉(zhuǎn)的 鑄型內(nèi)凝固，可以直接得到空心金屬管坯。但是該法生產(chǎn)的管坯內(nèi)部質(zhì)量 差，晶粒粗大，導(dǎo)致管坯的強度低、塑性差，更主要的是因為由于在離心 鑄造時涂料鑲嵌在鑄管內(nèi)導(dǎo)致無法直接進行軋制。空心管坯連鑄技術(shù)被認 為是管材生產(chǎn)更深層次的近終形技術(shù)，其生產(chǎn)效率要遠高于上述兩種方法， 金屬的利用率更好，近年來在銅加工領(lǐng)域逐步開始應(yīng)用，例如，空調(diào)冷凝 管大多使用水平連續(xù)鑄造空心管坯經(jīng)行星軋制(或盤拉)工藝制成，受到 廣泛的關(guān)注。
連續(xù)鑄造空心管坯的質(zhì)量決定了管材的質(zhì)量，為了獲得高質(zhì)量的空心 管材，2002年公開的專利02109370.9提出了一種空心金屬管坯電磁連續(xù)鑄 造的方法，其特征在于在空心金屬管坯連續(xù)鑄造過程中，在外結(jié)晶器的外 側(cè)設(shè)置低(工)頻攪拌磁場發(fā)生器和中(高)頻電磁線圈，或者在外結(jié)晶 器外側(cè)同時施加由低(工)頻攪拌磁場發(fā)生器和中(高)頻電磁線圈產(chǎn)生 的復(fù)合電磁場，其特點是工藝簡單，顯著降低了空心管坯的生產(chǎn)成本，而 且所制備的空心管坯壁厚均勻，表觀質(zhì)量好，凝固組織周向均勻性好，晶 粒細小，在鑄態(tài)下可直接進行軋制。但是，采用該種方法進行大口徑空心 管坯生產(chǎn)時，所需電磁場的設(shè)備龐大，制備成本高。2006年《中國有色金屬學(xué)報》刊登的文章"空心管坯的異相位電磁連 鑄"提出了在鋁合金空心管坯連續(xù)鑄造過程中在內(nèi)外結(jié)晶器中各放置一個 工頻約束電磁線圈，內(nèi)外電磁線圈的相位相差90。。該方法能夠有效的改 善管坯的表面質(zhì)量，但是對凝固組織的改善不明顯。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的就是提供一種施加復(fù)合交變電磁場的垂直半連鑄高質(zhì) 量大口徑空心管坯的改善連鑄空心管坯質(zhì)量的方法和裝置。
本發(fā)明的技術(shù)解決方案為，通過將金屬熔體6澆注在一個由外結(jié)晶器 3和內(nèi)結(jié)晶器5所構(gòu)成的型腔內(nèi)，并同時在外結(jié)晶器3外側(cè)設(shè)置中、高頻 電磁線圈4，在內(nèi)結(jié)晶器5內(nèi)放置低、工頻外凸式磁場發(fā)生器7，從而制備 的大口徑空心管坯9不僅具有良好的表觀質(zhì)量，而且內(nèi)部凝固組織晶粒細 小，周向均勻性好，其性能可保證在鑄態(tài)下直接進行軋制形成空心金屬管 材。
在外結(jié)晶器3外側(cè)設(shè)置的中、高頻電磁線圈4，使金屬熔體6液面與 線圈4中心面平齊，誤差不超過"mm，主要實現(xiàn)"軟接觸"連續(xù)鑄造； 在內(nèi)結(jié)晶器5內(nèi)放置低頻、工頻外凸式磁場發(fā)生器7，使其位于初始凝固 坯殼附近，目的是產(chǎn)生電磁驅(qū)動力，促使金屬熔體產(chǎn)生強制流動。電磁線 圈4的頻率范圍為中頻1000-9000Hz或高頻10000-200000Hz，功率范圍為 20-80kW。由于施加線圈的頻率較高，考慮到導(dǎo)體表面存在集膚效應(yīng)，對 于傳統(tǒng)結(jié)晶器來說，磁場不能夠有效的作用于金屬熔體上，因此本發(fā)明采 用水冷開縫式外結(jié)晶器3。內(nèi)置外凸式磁場發(fā)生器7的頻率范圍為3-60Hz， 功率范圍為l-6kW。在操作過程中，首先將底模11置入水冷開縫式外結(jié)晶 器3內(nèi)的空腔，檢查冷卻系統(tǒng)并保證其處于正常工作狀態(tài)，將金屬熔體6 澆入由水冷開縫式外結(jié)晶器3和內(nèi)結(jié)晶器5形成的空腔內(nèi)，同時啟動中、 高頻電磁線圈4和內(nèi)置外凸式磁場發(fā)生器7的電源，以一定的拉坯速度拉 動底模ll，從而獲得優(yōu)質(zhì)的連鑄空心管坯9。
本發(fā)明具有以下優(yōu)點和效果1、在外結(jié)晶器外側(cè)設(shè)置中、高頻電磁 線圈，線圈產(chǎn)生的電磁壓力能夠減輕了金屬液與外結(jié)晶器壁之間的接觸壓 力，從而減輕了鑄坯表面的振動痕，并同時改善了管坯內(nèi)外表面的偏析瘤等缺陷，提高了鑄坯的表面質(zhì)量。2、在內(nèi)結(jié)晶器內(nèi)放置低、工頻外凸式磁 場發(fā)生器，能夠強制金屬熔體流動，有利于促進柱狀晶向等軸晶的轉(zhuǎn)變以 及晶粒的細化，從而獲得晶粒細小的空心管坯，提高了管坯的凝固組織。3、 在內(nèi)結(jié)晶器內(nèi)放置低、工頻外凸式磁場發(fā)生器能夠消除由于在外結(jié)晶器側(cè) 設(shè)置中、高頻線圈而引起的橫向和縱向裂紋等缺陷。4、在內(nèi)結(jié)晶器內(nèi)側(cè)放 置攪拌磁場發(fā)生器可以大大節(jié)省空心管坯連鑄過程的操作空間，而且攪拌 磁場發(fā)生器的制造成本也大大減少了。此種施加復(fù)合交變磁場的方法尤其 適用于大口徑空心管坯的生產(chǎn)。


下面結(jié)合附圖和具體實施方式
對本發(fā)明作進一步的說明。 圖1是本發(fā)明的空心金屬管坯電磁連續(xù)鑄造原理結(jié)構(gòu)示意圖。 '圖中，l.冷卻水，2.固定架，3.水冷開縫式外結(jié)晶器，4.中、高頻電 磁線圈，5.內(nèi)結(jié)晶器，6.金屬熔體，7.工頻、低頻外凸式磁場發(fā)生器，8. 冷卻水套，9.凝固坯殼，10. 二冷水噴口， ll.底模。
具體實施例方式
實施例1
通過在內(nèi)結(jié)晶器(5)內(nèi)放置工頻行波磁場發(fā)生器(7)，制備-180 x20mm 的鋁合金管坯，具體步驟如下
步驟l:外凸式行波磁場發(fā)生器的準備
外凸式行波磁場發(fā)生器7采用三極對線圈，電流頻率為50Hz，相位角 為120° ，電源功率為l一3kW。將外凸式行波磁場發(fā)生器7放置在內(nèi)結(jié)晶 器5內(nèi)，使每個線圈的外側(cè)與內(nèi)結(jié)晶器內(nèi)側(cè)的間距為20mm，位于空心管 坯的初始凝固坯殼9附近。
步驟2:鋁合金坯料熔化
采用電阻爐將鋁合金坯料熔化至720-730°C，精煉，除氣、除渣后保 溫待用。
步驟3:空心管坯電磁連續(xù)鑄造
將底模11置入由外結(jié)晶器3和內(nèi)結(jié)晶器5所構(gòu)成的型腔內(nèi)，檢查冷 卻系統(tǒng)并保證其處于正常工作狀態(tài)后，將700-710'C的鋁合金液6澆入型腔內(nèi)，啟動外凸式行波磁場發(fā)生器7電源，以0.8m/min的速度拉動底模11。 當鑄造管坯9達到要求長度時，停止?jié)沧X合金液6，切斷電源，關(guān)閉冷
卻系統(tǒng)，停機。
步驟4:質(zhì)量檢査
在空心管坯中部切取一段式樣，將斷面拋光、腐蝕后觀察金相組織， 與不施加行波磁場的管坯相比，不但凝固組織周向均勻性顯著提高，而且 凝固組織的晶粒明顯細化。
實施例2
通過在內(nèi)結(jié)晶器5內(nèi)放置工頻旋轉(zhuǎn)磁場發(fā)生器7，制備一SOxSOwm的 鋁合金管坯，具體步驟如下
步驟l:外凸式旋轉(zhuǎn)磁場發(fā)生器的準備
外凸式旋轉(zhuǎn)磁場發(fā)生器7采用三極對線圈，電流頻率為50Hz，相位角 為120° ，電源功率為l一3kW。將外凸式旋轉(zhuǎn)磁場發(fā)生器7放置在內(nèi)結(jié)晶 器5內(nèi)，使每個線圈的外側(cè)與內(nèi)結(jié)晶器內(nèi)側(cè)的間距為20mm，位于空心管 坯的初始凝固坯殼9附近。
步驟2:鋁合金坯料熔化
采用電阻爐將鋁合金坯料熔化至720-730°C，精煉，除氣、除渣后保 溫待用。
步驟3:空心管坯電磁連續(xù)鑄造
將底模11置入由外結(jié)晶器3和內(nèi)結(jié)晶器5所構(gòu)成的型腔內(nèi)，檢查冷 卻系統(tǒng)并保證其處于正常工作狀態(tài)后，將700-71(TC的鋁合金液6澆入型 腔內(nèi)，啟動外凸式旋轉(zhuǎn)磁場發(fā)生器7電源，以0.8m/min的速度拉動底模11。 當鑄造管坯9達到要求長度時，停止?jié)沧X合金液6，切斷電源，關(guān)閉冷
卻系統(tǒng)，停機。
步驟4:質(zhì)量檢查
在空心管坯中部切取一段式樣，將斷面拋光、腐蝕后觀察金相組織， 與不施加旋轉(zhuǎn)磁場的管坯相比，不但凝固組織周向均勻性顯著提高，而且 凝固組織的晶粒明顯細化。
權(quán)利要求
1.一種施加復(fù)合交變電磁場改善連鑄空心管坯質(zhì)量的裝置，其特征在于，本發(fā)明是在開縫式外結(jié)晶器(3)外側(cè)設(shè)置中、高頻電磁線圈(4)，鑄造過程中始終保持金屬熔體(6)液面與電磁線圈(4)的中心面平齊；同時在內(nèi)結(jié)晶器(5)內(nèi)側(cè)冷卻水套(8)內(nèi)放置低頻、工頻外凸式磁場發(fā)生器(7)，使其位于初始凝固坯殼附近。
2. 使用權(quán)利要求1所述的一種施加復(fù)合交變電磁場改善連鑄空心管坯質(zhì)量 的裝置進行鑄造的方法，其特征在于，首先將底模(11)置入水冷開縫式外 結(jié)晶器(3)內(nèi)的空腔，檢査冷卻系統(tǒng)并保證其處于正常工作狀態(tài)，將金屬 熔體(6)澆入由水冷幵縫式外結(jié)晶器(3)和內(nèi)結(jié)晶器(5)形成的空腔內(nèi)， 同時啟動中、高頻電磁線圈(4)和內(nèi)置外凸式磁場發(fā)生器(7)的電源， 以一定的拉坯速度拉動底模(11)，從而獲得優(yōu)質(zhì)的連鑄空心管坯(9)。
3. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種施加復(fù)合交變電磁場改善連鑄空心管坯質(zhì)量 的方法，其特征在于，在內(nèi)結(jié)晶器(5)內(nèi)放置外凸式行波磁場發(fā)生器(7)，其 電流頻率為3-60Hz，并將其放置在連鑄坯(9)的初始凝固坯殼附近。
4. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種施加復(fù)合交變電磁場改善連鑄空心管坯質(zhì)量 的方法，其特征還在于，在內(nèi)結(jié)晶器(5)內(nèi)放置外凸式旋轉(zhuǎn)磁場發(fā)生器(7)， 其電流頻率為3-60Hz,并將其放置在連鑄坯(9)的初始凝固坯殼附近。
5. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種施加復(fù)合交變電磁場改善連鑄空心管坯質(zhì)量 的方法，其特征還在于，在外結(jié)晶器(3)外側(cè)設(shè)置中、高頻電磁線圈(4);在 連鑄過程中，保持金屬熔體(6)液面與中、高頻電磁線圈(4)中心面平齊， 液面波動誤差為士5mm;同時在內(nèi)結(jié)晶器(5)內(nèi)放置工頻、低頻外凸式磁場發(fā)生 器(7)0
6. 根據(jù)權(quán)利要求5所述的一種施加復(fù)合交變電磁場改善連鑄空心管坯質(zhì)量 的方法，其特征還在于，中、高頻電磁線圈(4)電流頻率為1000-9000Hz。
7. 根據(jù)權(quán)利要求5所述的一種施加復(fù)合交變電磁場改善連鑄空心管坯質(zhì)量 的方法，其特征還在于，中、高頻電磁線圈(4)電流頻率為10000-200000Hz。
8. 根據(jù)權(quán)利要求5所述的一種施加復(fù)合交變電磁場改善連鑄空心管坯質(zhì)量 的方法，其特征還在于，工頻、低頻外凸式磁場發(fā)生器(7)是外凸式行波磁 場發(fā)生器。
9.根據(jù)權(quán)利要求5所述的一種施加復(fù)合交變電磁場改善連鑄空心管坯質(zhì)量的方法，其特征還在于，工頻、低頻外凸式磁場發(fā)生器(7)是外凸式旋轉(zhuǎn)磁場發(fā)生器。
全文摘要
一種施加復(fù)合交變電磁場改善連鑄空心管坯質(zhì)量的方法和裝置屬于金屬材料制備技術(shù)領(lǐng)域。本發(fā)明是在開縫式外結(jié)晶器外側(cè)設(shè)置中、高頻電磁線圈，鑄造過程中始終保持液面與線圈的中心面平齊，誤差不超過±5mm；同時在內(nèi)結(jié)晶器內(nèi)側(cè)冷卻水套內(nèi)放置低、工頻外凸式磁場發(fā)生器，使其位于初始凝固坯殼附近。其優(yōu)點是(1)解決了因結(jié)晶器振動而引起的表面振動痕，消除了空心管坯內(nèi)外表面的偏析瘤以及裂紋等缺陷，表觀質(zhì)量好；(2)凝固組織均勻性好，晶粒細小，鑄態(tài)下可直接進行軋制；(3)內(nèi)結(jié)晶器中放置外凸式磁場發(fā)生器可以簡化磁場發(fā)生器的設(shè)計，節(jié)省工業(yè)化操作空間，此方法尤其有利于大口徑空心管坯的生產(chǎn)。本方法適用于各種合金空心管坯的生產(chǎn)。
文檔編號B22D11/11GK101298094SQ20081001073
公開日2008年11月5日 申請日期2008年3月19日 優(yōu)先權(quán)日2008年3月19日
發(fā)明者琦 張, 曹志強, 李廷舉, 王同敏, 金俊澤 申請人:大連理工大學(xué)