[发明专利]一种内置式电磁搅拌装置及其使用方法

说明书

技术领域

本发明涉及电磁搅拌方法及装置，具体而言为涉及一种置于结晶器内熔体中的内置式电磁搅拌装置及其方法。

技术背景

由于电磁搅拌能显著改善铸坯质量，世界各国对其最佳工艺、设计以及作用机理和潜力进行了广泛研究，并开发了一系列电磁搅拌新技术、新装备。连铸电磁搅拌技术的应用促进了高效优质连铸技术的进步，是20世纪60年代以来连铸技术和电磁冶金技术最重要的进展之一。连铸电磁搅拌的实质是借助在铸坯液相穴内感生的电磁力强化液相穴内钢液的运动，由此强化钢液的对流、传热和传质过程，产生抑制柱状晶发展，促进成分均匀、夹杂物上浮、颗粒细化及均匀分布的热力学和动力学条件，进而控制铸坯凝固组织，改善铸坯质量。

电磁搅拌按线圈产生磁场的形式可分为旋转磁场型、行波磁场型、螺旋磁场型。根据电磁场迭加原理可知，螺旋磁场实质性就是旋转磁场与行波磁场的迭加。电磁搅拌器按应用领域可分为：连铸过程中的电磁搅拌器，熔炼炉、钢包中的电磁搅拌器。电磁搅拌器的工作原理是：运动的导电钢水与磁场相互作用产生感应电流，载流钢水与磁场相互作用产生电磁力。电磁力作用在钢水每个体积元上，从而驱动钢水流动，进而改善钢水凝固过程中的流动、传热和迁移过程，达到改善铸坯质量的目的。结晶器电磁搅拌器是目前各种连铸机都使用的装置，由于它对改善铸坯的表面质量、细化晶粒和减少铸坯内部夹杂和中心疏松有着显著的作用，所以被特别推崇选用。它一般安装在结晶器内的下部，以便不影响液面测量装置的使用。结晶器内钢液搅拌主要形式有水平旋转磁场搅拌和垂直的由下而上的行波磁场搅拌。水平旋转磁场搅拌多用于方坯和圆坯，行波磁场搅拌多用于板坯和宽厚比较大的矩形坯。结晶器电磁搅拌可以减少表面夹杂、皮下气孔和针孔等缺陷，还能促进大量等轴晶的生成。但是，由于结晶器壁有良好的导热和导电性，使搅拌器产生的磁场衰减严重，从而使得电能利用率较低。为了解决这一问题，通常采用弥散硬化的铜合金做结晶器壁并且采用低频供电。

电磁搅拌对连铸坯宏观组织有重要影响，主要包括：1）改变柱状晶的生长方向，在柱状晶生长过程中对液相施加电磁搅拌，则柱状晶会改变生长方向，转向迎流一侧倾斜；2）促进柱状晶向等轴晶转变。3）细化宏观组织，电磁搅拌具有明显的细化晶粒的作用，不论晶体的生长方式是柱状晶还是等轴晶，电磁搅拌都可以使其细化，并且在整个界面上晶粒细小、均匀。电磁搅拌从以下几个方面改善铸坯质量：1）使结晶器内钢液的流动装提案有利于非金属夹杂物及气泡的上浮，降低铸坯内气泡及夹杂物的含量；2）抑制弯月面处钢水的波动，防止保护渣等外界杂志质卷入结晶器钢液内和钢液的裸露造成的钢液吸气和二次氧化；3）降低钢水的过热度，均匀液相穴内温度场，防止液面温度过高或过低带来的卷渣、结壳等现象的发生，有利于减少裂纹，提高铸坯的纯净度；4）加强液相穴内钢水的对流运动，有利于打碎柱状晶，形成等轴晶，提高铸坯的等轴晶率，减少中心偏析、中心疏松和缩孔、改善铸坯的凝固组织；5）减轻钢液对初生凝固壳的冲刷，降低产生裂纹和拉漏的可能性，从而有利于实现快速连铸。

当前，连铸电磁搅拌尚存在以下问题：1）能量利用率低。在电磁搅拌技术的应用中，除了搅拌器的结构及其附属设备都比较复杂、价格高、投资较大以外，最大的问题是能量利用率低。因为在连铸电磁搅拌的情况下，气隙较大，再加上钢液在高温下电阻较大，保护绕组的结晶器不锈钢箱体和坯壳对电磁能的衰减也有一定的影响，尤其在采用结晶器内电磁搅拌的情况下，虽然铜壁有较高的导电性，但它是抗磁物质，对磁力线有很大的屏蔽作用，使得能量的利用率很低，而提高能量的利用率则涉及到搅拌器箱体和结晶器等的选材、设计等问题。因此，如何寻找导磁能力强而导热性又好的材料取代铜，以及如何设计能量可以得到有效利用的搅拌器，都是值得深入研究和探讨的问题。2）难以适应多流铸造条件。铝及铝合金连铸过程中，当需要铸造大截面铝锭时，往往遇到径向截面组织不均匀的情况。但是，铝合金铸造往往采用半连续铸造，为了提高生产效率通常采用多流形式，没有足够的空间安装目前钢材连铸采用的电磁搅拌结晶器。因此，如何在多流铸造条件提供有效的电磁搅拌成为大截面铝锭生产需要解决的重要问题。

从前述的分析可以看出，铝锭多流铸造对电磁搅拌装置的主要要求有：1）搅拌器所占空间小；2）电磁能量利用率高；3）使用和维护方便。

发明内容