專利名稱：一種施加復合交變電磁場改善連鑄空心管坯質量的方法和裝置的制作方法
技術領域：
本發明屬于金屬材料制備技術領域，特別涉及到空心金屬管坯的制備。
背景技術：
無縫金屬管材的產量和質量主要取決于空心管坯的生產。目前生產空 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連鑄 獲得鑄坯，鑄坯冷卻、加工，然后再經加熱穿孔而得到空心金屬管坯，空 心金屬管坯經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 孔過程中易產生內折、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，在旋轉的 鑄型內凝固，可以直接得到空心金屬管坯。但是該法生產的管坯內部質量 差，晶粒粗大，導致管坯的強度低、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導致無法直接進行軋制。空心管坯連鑄技術被認 為是管材生產更深層次的近終形技術，其生產效率要遠高于上述兩種方法， 金屬的利用率更好，近年來在銅加工領域逐步開始應用，例如，空調冷凝 管大多使用水平連續鑄造空心管坯經行星軋制(或盤拉)工藝制成，受到 廣泛的關注。
連續鑄造空心管坯的質量決定了管材的質量，為了獲得高質量的空心 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鑄 造的方法，其特征在于在空心金屬管坯連續鑄造過程中，在外結晶器的外 側設置低(工)頻攪拌磁場發生器和中(高)頻電磁線圈，或者在外結晶 器外側同時施加由低(工)頻攪拌磁場發生器和中(高)頻電磁線圈產生 的復合電磁場，其特點是工藝簡單，顯著降低了空心管坯的生產成本，而 且所制備的空心管坯壁厚均勻，表觀質量好，凝固組織周向均勻性好，晶 粒細小，在鑄態下可直接進行軋制。但是，采用該種方法進行大口徑空心 管坯生產時，所需電磁場的設備龐大，制備成本高。2006年《中國有色金屬學報》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鑄造過程中在內外結晶器中各放置一個 工頻約束電磁線圈，內外電磁線圈的相位相差90。。該方法能夠有效的改 善管坯的表面質量，但是對凝固組織的改善不明顯。
發明內容
本發明的目的就是提供一種施加復合交變電磁場的垂直半連鑄高質 量大口徑空心管坯的改善連鑄空心管坯質量的方法和裝置。
本發明的技術解決方案為，通過將金屬熔體6澆注在一個由外結晶器 3和內結晶器5所構成的型腔內，并同時在外結晶器3外側設置中、高頻 電磁線圈4，在內結晶器5內放置低、工頻外凸式磁場發生器7，從而制備 的大口徑空心管坯9不僅具有良好的表觀質量，而且內部凝固組織晶粒細 小，周向均勻性好，其性能可保證在鑄態下直接進行軋制形成空心金屬管 材。
在外結晶器3外側設置的中、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"軟接觸"連續鑄造； 在內結晶器5內放置低頻、工頻外凸式磁場發生器7，使其位于初始凝固 坯殼附近，目的是產生電磁驅動力，促使金屬熔體產生強制流動。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，考慮到導體表面存在集膚效應，對 于傳統結晶器來說，磁場不能夠有效的作用于金屬熔體上，因此本發明采 用水冷開縫式外結晶器3。內置外凸式磁場發生器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晶 器3內的空腔，檢查冷卻系統并保證其處于正常工作狀態，將金屬熔體6 澆入由水冷開縫式外結晶器3和內結晶器5形成的空腔內，同時啟動中、 高頻電磁線圈4和內置外凸式磁場發生器7的電源，以一定的拉坯速度拉 動底模ll，從而獲得優質的連鑄空心管坯9。
本發明具有以下優點和效果1、在外結晶器外側設置中、高頻電磁 線圈，線圈產生的電磁壓力能夠減輕了金屬液與外結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外表面的偏析瘤等缺陷，提高了鑄坯的表面質量。2、在內結晶器內放置低、工頻外凸式磁 場發生器，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、 在內結晶器內放置低、工頻外凸式磁場發生器能夠消除由于在外結晶器側 設置中、高頻線圈而引起的橫向和縱向裂紋等缺陷。4、在內結晶器內側放 置攪拌磁場發生器可以大大節省空心管坯連鑄過程的操作空間，而且攪拌 磁場發生器的制造成本也大大減少了。此種施加復合交變磁場的方法尤其 適用于大口徑空心管坯的生產。
下面結合附圖和具體實施方式
對本發明作進一步的說明。 圖1是本發明的空心金屬管坯電磁連續鑄造原理結構示意圖。 '圖中，l.冷卻水，2.固定架，3.水冷開縫式外結晶器，4.中、高頻電 磁線圈，5.內結晶器，6.金屬熔體，7.工頻、低頻外凸式磁場發生器，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
通過在內結晶器(5)內放置工頻行波磁場發生器(7)，制備-180 x20mm 的鋁合金管坯，具體步驟如下
步驟l:外凸式行波磁場發生器的準備
外凸式行波磁場發生器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生器7放置在內結晶 器5內，使每個線圈的外側與內結晶器內側的間距為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:空心管坯電磁連續鑄造
將底模11置入由外結晶器3和內結晶器5所構成的型腔內，檢查冷 卻系統并保證其處于正常工作狀態后，將700-710'C的鋁合金液6澆入型腔內，啟動外凸式行波磁場發生器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，停止澆注鋁合金液6，切斷電源，關閉冷
卻系統，停機。
步驟4:質量檢査
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
通過在內結晶器5內放置工頻旋轉磁場發生器7，制備一SOxSOwm的 鋁合金管坯，具體步驟如下
步驟l:外凸式旋轉磁場發生器的準備
外凸式旋轉磁場發生器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。將外凸式旋轉磁場發生器7放置在內結晶 器5內，使每個線圈的外側與內結晶器內側的間距為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:空心管坯電磁連續鑄造
將底模11置入由外結晶器3和內結晶器5所構成的型腔內，檢查冷 卻系統并保證其處于正常工作狀態后，將700-71(TC的鋁合金液6澆入型 腔內，啟動外凸式旋轉磁場發生器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，停止澆注鋁合金液6，切斷電源，關閉冷
卻系統，停機。
步驟4:質量檢查
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。
權利要求
1.一種施加復合交變電磁場改善連鑄空心管坯質量的裝置，其特征在于，本發明是在開縫式外結晶器(3)外側設置中、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；同時在內結晶器(5)內側冷卻水套(8)內放置低頻、工頻外凸式磁場發生器(7)，使其位于初始凝固坯殼附近。
2. 使用權利要求1所述的一種施加復合交變電磁場改善連鑄空心管坯質量 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 結晶器(3)內的空腔，檢査冷卻系統并保證其處于正常工作狀態，將金屬 熔體(6)澆入由水冷幵縫式外結晶器(3)和內結晶器(5)形成的空腔內， 同時啟動中、高頻電磁線圈(4)和內置外凸式磁場發生器(7)的電源， 以一定的拉坯速度拉動底模(11)，從而獲得優質的連鑄空心管坯(9)。
3. 根據權利要求2所述的一種施加復合交變電磁場改善連鑄空心管坯質量 的方法，其特征在于，在內結晶器(5)內放置外凸式行波磁場發生器(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. 根據權利要求2所述的一種施加復合交變電磁場改善連鑄空心管坯質量 的方法，其特征還在于，在內結晶器(5)內放置外凸式旋轉磁場發生器(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. 根據權利要求2所述的一種施加復合交變電磁場改善連鑄空心管坯質量 的方法，其特征還在于，在外結晶器(3)外側設置中、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;同時在內結晶器(5)內放置工頻、低頻外凸式磁場發生 器(7)0
6. 根據權利要求5所述的一種施加復合交變電磁場改善連鑄空心管坯質量 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. 根據權利要求5所述的一種施加復合交變電磁場改善連鑄空心管坯質量 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. 根據權利要求5所述的一種施加復合交變電磁場改善連鑄空心管坯質量 的方法，其特征還在于，工頻、低頻外凸式磁場發生器(7)是外凸式行波磁 場發生器。
9.根據權利要求5所述的一種施加復合交變電磁場改善連鑄空心管坯質量的方法，其特征還在于，工頻、低頻外凸式磁場發生器(7)是外凸式旋轉磁場發生器。
全文摘要
一種施加復合交變電磁場改善連鑄空心管坯質量的方法和裝置屬于金屬材料制備技術領域。本發明是在開縫式外結晶器外側設置中、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；同時在內結晶器內側冷卻水套內放置低、工頻外凸式磁場發生器，使其位于初始凝固坯殼附近。其優點是(1)解決了因結晶器振動而引起的表面振動痕，消除了空心管坯內外表面的偏析瘤以及裂紋等缺陷，表觀質量好；(2)凝固組織均勻性好，晶粒細小，鑄態下可直接進行軋制；(3)內結晶器中放置外凸式磁場發生器可以簡化磁場發生器的設計，節省工業化操作空間，此方法尤其有利于大口徑空心管坯的生產。本方法適用于各種合金空心管坯的生產。
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 優先權日2008年3月19日
發明者琦 張, 曹志強, 李廷舉, 王同敏, 金俊澤 申請人:大連理工大學