[发明专利]外加瞬变磁场控制电渣熔铸的方法及电渣熔铸装置

说明书

技术领域

本发明涉及一种特殊钢电渣冶金工艺和装置，特别是涉及一种电渣熔铸的方法及电渣熔铸装置，在电渣熔铸过程中，通过施加瞬变磁场细化金属熔滴提高精炼效果，细化凝固组织减少铸锭偏析的方法及装置，适于各种电渣产品如高温合金及精密合金的生产。

背景技术

众所周知，合金中存在的氢、氮、碳和非金属夹杂物将破坏基体的连续性，成为微裂纹源，在高应力作用下裂纹扩散引起铸件断裂，从而大大降低材料的使用寿命。电渣熔铸作为一种高效精炼手段，通过其二次精炼可获得纯净度高、组织均匀致密且低倍缺陷少的凝固组织。其原理是利用冶炼电流通过熔渣产生的电阻热将自耗电极熔化，熔滴穿过渣层进入金属熔池，在异型水冷结晶器内凝固成铸锭。由于金属熔体与渣液充分接触，高达90%的夹杂物可以得到充分去除。其中，电极末端的熔滴大小对夹杂物去除效率至关重要，熔滴越小，渣金接触比表面积越大，熔滴穿过渣池的时间越长，夹杂物更容易被吸附去除。但如何在保证电渣参数不变的情况下有效地细化熔滴，目前尚没有很好的应用方法。此外，电渣锭凝固组织为粗大的柱状晶，枝晶间及柱状晶界上存在大量的偏析，特别是熔铸大型高合金铸件时，由于铸件各部分冷却速度不同，成分偏析更为严重，甚至出现宏观偏析。枝晶偏析一般可通过退火使偏析元素充分扩散达到均匀化的目的；而对合金性能危害更大的晶界偏析则不能通过简单的热处理得以消除，必须通过晶粒细化、氧化物及硫化物等有害非金属夹杂物的控制得以抑制。因此，优化钢渣反应条件，进一步提高电渣熔铸的精炼提纯效果、细化晶粒以减小铸锭偏析是电渣熔铸工艺亟须解决的两大核心技术问题。

为细化电渣锭凝固组织和控制偏析，目前已开发出超声波复合电渣重熔、旋转磁场复合电渣重熔、旋转母电极、渣池加热、静磁场复合电渣重熔等技术，均存在不足之处。如超声波在渣池和金属熔池中衰减得很厉害，且本身具有方向性，超声波功率受到限制等因素限制了其应用；外加旋转磁场能驱动渣液和金属熔池旋转，有望打碎枝晶，但是这将带来卷渣的巨大危险；旋转母电极也能使渣池温度均匀化，但是同样会带来卷渣这一危害；而渣池加热技术在保持渣池温度均匀分布方面有独特优势，从而可获得更为浅平的金属熔池，有利于形成近轴向生长的枝晶组织，对减小铸锭偏析有积极作用，但对细化晶粒和提高精炼效率影响不显著；静磁场复合电渣重熔技术在提高电渣重熔精炼效率和细化晶粒方面均有一定的效果，但由于静磁场能量密度较低，且具有方向性，其强化精炼效率和细化晶粒的效果仍然有限。由此可见，细化电渣熔铸过程中的熔滴及凝固组织，目前仍然缺少有效的手段。

发明内容

为了解决现有技术问题，本发明的目的在于克服已有技术存在的缺陷，提供一种外加瞬变磁场控制电渣熔铸的方法及电渣熔铸装置，在电渣熔铸过程中施加瞬变磁场，通过其独特的电磁力效应达到细化熔滴提高精炼效率、细化晶粒、减小铸锭偏析技术发明目的，实现产业应用价值。

为达到上述发明创造目的，本发明的构思如下：

本发明提供一种外加瞬变磁场控制电渣熔铸的方法及电渣熔铸装置，其原理在于将适当频率的瞬变磁场施加在传统电渣重熔的结晶器周围，同时保持瞬变磁场线圈处于与母电极熔化末端、液态渣池、金属熔池重合的位置。由于电磁感应原理，瞬变磁场将在电极末端熔滴、液态渣池和金属熔池中产生强大的交变洛伦兹力和压力波。该交变洛伦兹力和压力波复合作用于电极末端的熔滴，将使熔滴呈爆裂式分散，挂在电极末端正在汇聚长大的大颗熔滴分裂形成非常细小的熔滴群。熔滴直径的细化，增加了熔滴的比表面积、缩短了夹杂物和杂质从熔滴中心到渣金界面的迁移距离，同时延长了熔滴在渣池内的沉降时间，因此对去除熔滴中的非金属夹杂物及杂质元素非常有利。此外，当交变洛伦兹力和压力波共同作用于渣池和金属熔池，一方面将在渣池和金属熔池中产生微区流动，使两者的温度分布更加均匀，降低凝固界面前沿的温度梯度，从而有助于获得内生生长的条件；另一方面，强大的交变洛伦兹力和压力波还可以打碎界面前沿正在生长的枝晶，同时促进结晶器壁表面的晶核脱落，形成晶核增殖效应；另外，瞬变磁场产生的压力波还可以促进金属熔池中的自发形核，增加形核率。上述这些瞬变磁场带来的综合效应直接导致施加瞬变磁场可以细化电渣锭的枝晶，甚至获得等轴晶组织。另外，瞬变磁场在液态金属熔池中还将产生箍缩力（Pinch Force）效应，即将金属熔体推离结晶器壁，形成软接触条件，这将大大提高电渣锭的表面质量。

根据以上发明构思，本发明采用下述技术方案：