本發(fā)明涉及電磁場、超聲波和金屬凝固領(lǐng)域，具體地說是一種超聲-電磁復(fù)合能場在高溫熔體凝固成形過程中的應(yīng)用。

背景技術(shù)：

電磁攪拌技術(shù)可改善結(jié)晶器內(nèi)的傳熱效率，使鋼液內(nèi)部的溫度均勻，打斷凝固前沿的枝晶，細(xì)化晶粒，減少成分偏析，擴(kuò)大等軸晶區(qū)域。該技術(shù)在合金鋼的熔鑄過程中應(yīng)用較普遍。由于電磁感應(yīng)的吸膚效應(yīng)，電磁攪拌的強(qiáng)作用區(qū)處在鑄錠的表層區(qū)域，愈往中心深入則作用效果愈弱，因此在鑄錠的中部存在電磁攪拌的盲區(qū)，這不利于全面提升鋼錠的質(zhì)量。

金屬熔體超聲波處理技術(shù)是國內(nèi)外近年來出現(xiàn)的一種新型金屬凝固成形方法，尤其對鋁合金、鎂合金等低熔點(diǎn)金屬的超聲處理進(jìn)行了較多的研究，但到目前為止尚未實(shí)現(xiàn)工程化商業(yè)應(yīng)用；而對于溫度更高的鋼熔體進(jìn)行超聲處理則研究很少，僅個(gè)別學(xué)者在實(shí)驗(yàn)室的小型平臺(tái)上進(jìn)行了簡單的試驗(yàn)研究，離工程化應(yīng)用還有很大的差距。

將超聲波和電磁場同時(shí)引入到鋼熔體中，用電磁場改善鑄錠表層區(qū)域和次表層區(qū)域的質(zhì)量，而用超聲波改善鑄錠中心區(qū)域的鑄錠質(zhì)量，實(shí)現(xiàn)合金鋼的超聲-電磁復(fù)合能場連續(xù)鑄造的技術(shù)在國內(nèi)外目前尚無先例。中南大學(xué)石琛、毛大恒等通過在合金鋼的常規(guī)鑄造中施加超聲-電磁復(fù)合能場發(fā)現(xiàn)，超聲波的空化作用和聲流擾動(dòng)作用及電磁場的攪拌擾動(dòng)作用，使鋼熔體的溫度場和流場更加均勻，鋼坯的晶粒明顯細(xì)化，成分偏析的改善和等軸晶區(qū)域增加均比單一電磁攪拌效果好，力學(xué)性能有顯著提高。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于提供一種高效、實(shí)用的適用于合金鋼的超聲-電磁復(fù)合能場連續(xù)鑄造技術(shù)。

本發(fā)明的技術(shù)方案包括以下步驟：

1.在結(jié)晶器下端的二冷段和凝固末端分別安裝不同的電磁攪拌器。二冷段電磁攪拌器本體安裝在結(jié)晶器后1—3m，移動(dòng)距離為1m，采用低電流(0—250A)和較高電源頻率(0—20Hz)的單向旋轉(zhuǎn)，最大磁感應(yīng)強(qiáng)度600GS；凝固末端電磁攪拌器本體安裝在拉坯機(jī)前3—6m，移動(dòng)距離2m，采用較強(qiáng)電流(0—500A)、較低電源頻率(0—10Hz)的雙向旋轉(zhuǎn)，最大磁感應(yīng)強(qiáng)度900GS。

2、通過在距熔池邊部1/4直徑部位相對中心對稱放置兩套超聲波裝置1來施加超聲波，超聲波的功率為500W—1500W，超聲波裝置主要由換能器6、臥式丁字形變幅桿4和直立式耐高溫陶瓷工具頭5組成。

3、超聲波裝置1的耐高溫陶瓷工具頭5的長度為180mm—190mm，形狀為截頂圓錐體，其底部直徑為50mm，頂部直徑為40mm—20mm。耐高溫陶瓷工具頭5和丁字形變幅桿4的連接端面的表面粗糙度≤0.8μm，耐高溫陶瓷工具頭5的軸線相對于連接端面的垂直度公差≤0.05μm。耐高溫陶瓷工具頭5通過高溫?zé)釅簾Y(jié)而成，其成分含量為：納米氮化硅55％-65％，納米氮化硼15％-20％，納米氮化鈦8％-13％，聚乙烯醇樹脂7％-12％。

4、超聲波的耐高溫陶瓷工具頭5直接插入熔體，插入深度為20mm—70mm。

5、超聲波的頻率為25KHz±600Hz，其工作溫度范圍可從室溫至1600℃，在劇烈的熱沖擊下工具頭不崩裂。

本發(fā)明具有如下特點(diǎn)：

(1)電磁感應(yīng)器安裝在結(jié)晶器下端鑄錠的圓周方向，對鑄錠表層和次表層產(chǎn)生電磁攪拌作用；在靠近熔池中心部位對稱放置兩套超聲波裝置，通過耐高溫陶瓷工具頭向熔體中導(dǎo)入超聲波，施加的超聲能場可以強(qiáng)化心部區(qū)域的攪拌作用，從而改善鑄錠中心區(qū)域的質(zhì)量。

(2)超聲波發(fā)生器中耐高溫陶瓷工具頭采用截頂圓錐體的形狀可有效擴(kuò)大超聲波在鋼液中的作用區(qū)域：常規(guī)超聲波導(dǎo)波桿的工具頭為圓柱形狀，該形狀將超聲波能量集中于工具頭端面，從而使得超聲波能夠有效傳輸?shù)焦ぞ哳^下方區(qū)域，但是，在模鑄過程中，鋼水主要通過其四周及底部的冷卻作用來實(shí)現(xiàn)凝固的，其凝固前沿呈現(xiàn)V字形，圓柱形工具頭在徑向的超聲波傳導(dǎo)作用弱，也就對其四周的凝固前沿?zé)o法實(shí)現(xiàn)有效的超聲波作用，而截頂圓錐體形狀的工具頭，其圓錐形的超聲波傳導(dǎo)面與V字形凝固前沿類似，這樣超聲波可以有效作用到凝固前沿，其作用區(qū)域得到擴(kuò)大，也有利于鑄錠晶粒的整體均勻細(xì)化。

(3)超聲波發(fā)生器中耐高溫陶瓷工具頭與變幅桿之間的高精度連接可有效減少超聲波傳遞過程中在連接面處的衰減。

(4)超聲波發(fā)生器中耐高溫陶瓷工具頭采用多種耐高溫納米粉體材料合理配比后經(jīng)高溫?zé)釅簾Y(jié)而成，納米粉體經(jīng)有效配比后在高溫高壓作用下形成致密的工具頭材質(zhì)，既可有效防止鋼液對工具頭的溶蝕，又能防止超聲波在工具頭中傳播時(shí)其高頻振動(dòng)對工具頭材質(zhì)的震裂現(xiàn)象，從而實(shí)現(xiàn)在鋼液凝固過程中長時(shí)間進(jìn)行超聲波作用。

(5)實(shí)現(xiàn)了合金鋼連續(xù)鑄造過程中超聲波和電磁場參數(shù)的最佳耦合。

附圖說明

圖1超聲波-電磁場鑄造示意圖；

圖2超聲波裝置1的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖3常規(guī)鑄造組織缺陷照片；

圖4超聲-電磁鑄造組織缺陷照片；

圖5常規(guī)鑄造金相照片；

圖6超聲-電磁鑄造金相照片。

具體實(shí)施方式

以下實(shí)施例旨在進(jìn)一步說明本發(fā)明，這將有助于對本發(fā)明及其優(yōu)點(diǎn)的進(jìn)一步理解，這些實(shí)例不作為對本發(fā)明的限定，本發(fā)明的保護(hù)范圍由權(quán)利要求書來決定。

實(shí)施例1：

將熔煉好的35CrMo鋼水30噸經(jīng)真空脫氣處理后導(dǎo)入中間包，在熔池鋼水表面加入一定量的覆蓋劑，使鋼水溫度保持在1550℃～1560℃。

用引錠桿將鋼水拉出結(jié)晶器后，使紅坯穿過二冷段電磁攪拌器本體2，當(dāng)拉坯速度達(dá)到1.50m/min時(shí)，由工控機(jī)給出信號(hào)控制單向旋轉(zhuǎn)攪拌電流為100A、攪拌頻率14Hz，產(chǎn)生交變磁場，對二冷段鋼液進(jìn)行攪拌。同時(shí)，根據(jù)鑄坯質(zhì)量情況，調(diào)整拉坯速度2.00～2.50m/min和結(jié)晶器冷卻水量20～30m³/h；控制攪拌器本體冷卻水量≥10m³/h、及時(shí)帶走紅坯對攪拌器本體的輻射熱和線圈產(chǎn)生的熱量，控制出水溫度<48℃、以保證攪拌器的正常工作。

當(dāng)紅坯穿過凝固末端電磁攪拌器本體3，拉坯速度達(dá)到1.50m/min時(shí)，由工控機(jī)給出信號(hào)控制雙向旋轉(zhuǎn)攪拌電流為300A、攪拌頻率5Hz、時(shí)間間隔為正向10s—停5s—反向10s)，產(chǎn)生交變磁場，對紅坯心部“糊狀區(qū)”進(jìn)行攪拌。同時(shí)，根據(jù)鑄坯質(zhì)量情況，調(diào)整拉坯速度2.00～2.50m/min和結(jié)晶器冷卻水量20～30m³/h；控制攪拌器本體冷卻水量≥12m³/h、及時(shí)帶走紅坯對攪拌器本體的輻射熱和線圈產(chǎn)生的熱量，控制出水溫度<48℃、以保證攪拌器的正常工作。

將超聲波工具頭5插入熔池距邊部1/4直徑部位，相對熔池中心對稱布置兩根，插入深度30mm,超聲波的頻率為25.5KHz，超聲波的輸出功率為600W。

所用超聲波裝置1的耐高溫陶瓷工具頭5的長度為190mm，形狀為截頂圓錐體，其底部直徑為50mm，頂部直徑為20mm。耐高溫陶瓷工具頭5和丁字形變幅桿4的連接端面的表面粗糙度為0.8μm，耐高溫陶瓷工具頭5的軸線相對于連接端面的垂直度公差為0.05μm，耐高溫陶瓷工具頭5的成分含量為：納米氮化硅65％，納米氮化硼18％，納米氮化鈦10％，聚乙烯醇樹脂7％。

實(shí)施例2：

將熔煉好的35CrMo鋼水30噸經(jīng)真空脫氣處理后導(dǎo)入中間包，在熔池鋼水表面加入一定量的覆蓋劑，使鋼水溫度保持在1550℃～1560℃。

用引錠桿將鋼水拉出結(jié)晶器后，使紅坯穿過二冷段電磁攪拌器本體2，當(dāng)拉坯速度達(dá)到1.50m/min時(shí)，由工控機(jī)給出信號(hào)控制單向旋轉(zhuǎn)攪拌電流為150A、攪拌頻率18Hz，產(chǎn)生交變磁場，對二冷段鋼液進(jìn)行攪拌。同時(shí)，根據(jù)鑄坯質(zhì)量情況，調(diào)整拉坯速度2.00～2.50m/min和結(jié)晶器冷卻水量20～30m³/h；控制攪拌器本體冷卻水量≥10m³/h、及時(shí)帶走紅坯對攪拌器本體的輻射熱和線圈產(chǎn)生的熱量，控制出水溫度<48℃、以保證攪拌器的正常工作。

當(dāng)紅坯穿過凝固末端電磁攪拌器本體3，拉坯速度達(dá)到1.50m/min時(shí)，由工控機(jī)給出信號(hào)控制雙向旋轉(zhuǎn)攪拌電流為380A、攪拌頻率2Hz、時(shí)間間隔為正向10s—停5s—反向10s)，產(chǎn)生交變磁場，對紅坯心部“糊狀區(qū)”進(jìn)行攪拌。同時(shí)，根據(jù)鑄坯質(zhì)量情況，調(diào)整拉坯速度2.00～2.50m/min和結(jié)晶器冷卻水量20～30m³/h；控制攪拌器本體冷卻水量≥12m³/h、及時(shí)帶走紅坯對攪拌器本體的輻射熱和線圈產(chǎn)生的熱量，控制出水溫度<48℃、以保證攪拌器的正常工作。

將超聲波工具頭5插入熔池距邊部1/4直徑部位，相對熔池中心對稱布置兩根，插入深度70mm,超聲波的頻率為25KHz，超聲波的輸出功率為1000W。

所用超聲波裝置1的耐高溫陶瓷工具頭5的長度為185mm，形狀為截頂圓錐體，其底部直徑為50mm，頂部直徑為40mm。耐高溫陶瓷工具頭5和丁字形變幅桿4的連接端面的表面粗糙度為0.8μm，耐高溫陶瓷工具頭5的軸線相對于連接端面的垂直度公差為0.05μm，耐高溫陶瓷工具頭5的成分含量為：納米氮化硅60％，納米氮化硼20％，納米氮化鈦10％，聚乙烯醇樹脂10％。

鑄造組織觀察表明：

超聲-電磁連續(xù)鑄造成形可使鑄錠的平均晶粒度尺寸由3.8mm降至1.5mm，中心等軸晶率由常規(guī)鑄造的19.5％提高到48.2％，并有效減少疏松缺陷，細(xì)化并減少夾雜物。

上述實(shí)施例和說明書中描述的只是說明本發(fā)明的原理，在不脫離本發(fā)明精神和范圍的前提下，本發(fā)明還會(huì)有各種變化和改進(jìn)，這些變化和改進(jìn)都落入要求保護(hù)的本發(fā)明范圍內(nèi)。本發(fā)明要求保護(hù)范圍由所附的權(quán)利要求書及其等效物界定。