[发明专利]利用脉冲电流密度梯度实现金属熔体净化的方法及装置

说明书

本发明提供了一种利用脉冲电流密度梯度实现金属熔体净化的方法及装置，涉及金属熔体净化技术领域；该方法通过向金属熔体中施加具有10⁴‑10¹⁰A/m³之间的电流密度梯度的非均匀电场，使得熔体中同一非金属夹杂物两端的电流密度差值很大，具有更大的电驱动力，从而实现金属夹杂物的定向迁移，达到净化金属熔体的目的；非均匀电场为脉冲电流电场，平均电流密度为10²‑10⁶A/m²，频率为10Hz‑50kHz，脉宽为1‑500μs，电压为1‑36V，作用时间5min‑24h。本发明提供的技术方案适用于金属熔体净化的过程中。

技术领域

本发明涉及金属熔体净化技术领域，尤其涉及一种利用脉冲电流密度梯度驱动金属熔体中非金属夹杂物定向迁移实现熔体净化的方法及装置。

背景技术

随着我国军事及民用科技领域快速发展，对高品质金属材料的需求量越来越大。钢铁作为全球需求量最大的金属材料，被广泛应用于各种领域。钢材的性能和质量与非金属夹杂物直接相关，这些非金属夹杂物会破坏基体的连续性和完整性，降低钢材的塑性、韧性及抗疲劳性。严重时，还会使钢材在热处理过程中萌生裂纹甚至在使用过程中发生断裂。在连铸过程中，钢液中的Al₂O₃夹杂物会严重影响中间包钢液的流动性，在水口附近结瘤堆积，甚至造成水口堵塞。在工业生产中，通过向钢液中添加钙会使Al₂O₃夹杂物变性，生成低熔点且易于上浮的液态夹杂物，能够缓解水口结瘤和堵塞。但是，钙处理方法需要精确控制钙线喂入量和喂入时机，若钙线添加量控制不当，则容易生成CaO·6Al₂O₃，加剧水口结瘤和堵塞。另外，向钢液中添加稀土元素使其与Al₂O₃反应生成稀土氧化物，稀土变质处理后夹杂物会细化、球化，同样能达到降低Al₂O₃夹杂物危害的目的。但由于稀土氧化物尺寸小、数量多、熔点高、密度接近钢液，导致稀土氧化物在钢液中聚集、上浮困难，难以去除，会加剧水口堵塞，阻碍浇注连续性生产。高效率去除小尺寸夹杂物是一个世界性难题，尽管在不计成本的情况下可以将小尺寸夹杂物有效去除，但相关工艺成本过高，这也是高端金属材料价格昂贵的原因之一。以高品质轴承钢为例，钢液在精炼炉中需要长时间静置，严重延缓生产节奏，限制产量。综上所述，针对小尺寸夹杂物，传统熔体净化手段由于驱动力不足和密度差小(ρ_熔体和ρ_夹杂物)的限制难以达到超洁净化生产的目的，且操作复杂，对配套工艺要求严格，因此，探寻一种简便、高效、绿色的去除金属熔体中非金属夹杂物的技术手段就显得尤为重要。

目前，工业中常用的净化金属熔体的技术手段主要包括气体搅拌法、渣洗法、过滤法等。其中,气体搅拌法能够快速地去除大尺寸夹杂物，但对于50μm以下的夹杂物去除效果较差；渣洗法通常需要结合气体搅拌才能达到去除效果；过滤法能够去除尺寸大于20μm的夹杂物，但对设备要求较高且去除效率较低。上述传统方法仅仅对尺寸大于20μm夹杂物作用明显，对20μm以下的夹杂物去除效果并不理想。