专利名称：上引连铸用阿尔芬波细化晶粒的方法
技术领域：
本发明涉及一种在有色金属上引连铸过程中通过稳恒磁场与交变电流作用产生Alfven波(以下简称阿尔芬波)细化晶粒的方法，属有色金属连铸技术领域。
背景技术：
有色金属的上引连铸法由于在熔炼和连续铸造过程中不经过流槽、中间包和浇包，都是在隔绝空气的条件下进行，因此生产的铸杆品质纯净、夹杂物少、含氧量低，特别适合于各种铜合金的熔炼和连铸；此外，上引连铸的熔炼炉炉容小，拆炉、洗炉成本低，变换生产合金品种灵活，所以在有色金属加工企业得到广泛应用，特别适合于长尺寸线材产品的生产，如铜及其合金电缆、板带、管坯等，且目前已成为生产铜铝电缆、电力机车以及高铁电力滑触线的主要加工技术。但直接上引连铸出的金属坯的组织为沿轴向或径向粗大的柱状晶组织，同时铸坯组织疏松，致密度低，对大尺寸的线棒坯以及合金铸坯而言，还将引起成分的宏观偏析，这一不足将严重影响了材料的后续加工性能及后处理特性。因此，对上引连铸法而言，如何解决铸坯的晶粒细化问题，显得至关重要。目前连铸坯组织细化的方法主要有化学法和工艺法。化学法通过添加晶粒细化剂，形成异质形核，来实现晶粒的细化，不但在处理过程中会对环境造成污染，还会对金属材料本身造成污染，进而严重影响材料的循环再利用；而工艺细化常常是通过控制浇注方式和浇注温度或者改善传热条件以达到细化的目的，但是这些方法都有着各自的局限性， 如快速凝固方法尽管能得到细小晶粒组织，但因其不能制备大尺寸金属制品而难以进行大规模工业生产。近来一些学者通过施加超声波来细化晶粒，但细化区域有限，且超声波很难有效导入到金属凝固前沿，因此尚未在工业上大规模应用。此外，还有采用脉冲磁场和脉冲电流来细化晶粒，但是脉冲磁场受到金属结晶器的屏蔽，很难高效施加在金属凝固前前沿， 脉冲电流的效果欠佳，特别是对于上引连铸的快速传热条件，这些技术尚未发挥明显的效果O本发明将恒定磁场和正交的交变电流产生的阿尔芬波(阿尔芬波)引入到有色金属上引连铸过程中，利用阿尔芬波在凝固界面前沿区域产生振荡波动，一方面引起强制对流使铸坯的固液界面附近温度分布更加均匀，降低凝固界面前沿的温度波动，抑制晶粒在温度梯度较大方向的择优生长；另一方面，凝固界面前沿形成的晶核导电率大致是金属液的2倍，由于阿尔芬波引起的电磁振荡效应，晶核将与金属液发生相对位移，在合适的频率下将扰动二维固液界面形成树枝晶、柱状晶的条件，从而形成等轴晶。另外，在足够强的阿尔芬波振荡力作用下，凝固界面前沿形核的势垒也将降低，有利于形核率的增加，导致上引连铸坯的晶粒细化。再者，凝固界面前沿电流的施加，还能引起柱状晶和胞状晶尖端的分裂，形成更细的凝固组织，这对细化晶粒组织有很好的促进作用。因此，通过将恒定磁场和交变电流形成的阿尔芬波施加在上引连铸过程中，能有效低细化连铸坯的晶粒尺寸，从而能提高其致密度、降低合金成分的宏观偏析，能显著提高上引连铸坯的力学性能和加工性能，特别对于电气化铁路以及高铁的电力滑触线生产而言，力学性能和加工性能的提高，对其服役过程中的安全性具有重要意义。
发明内容
鉴于目前上引连铸方法无法实现晶粒细化的不足，本发明旨在提供一种在上引连铸过程中施加静磁场和交变电流形成的阿尔芬波动，通过多种效应以达到细化晶粒的方法及其装置。为达到上述要求，本发明构思如下
由于上引连铸棒线材的尺寸一般较小，或者其中一维尺寸(宽度、厚度或者直径)较小， 造成上引连铸结晶器中的传热条件较好，凝固界面前沿的温度梯度较大，容易形成沿轴向或径向分布的粗大的柱状晶。而且在常规的上引连铸条件下，很难通过改变冷却水流量来调节凝固界面前沿的温度梯度，进而改变晶粒行核长大的方式。考虑到金属及其合金在固液相均是金属的良导体，因此，可以考虑采用施加原位电磁力的方法，对上引连铸线棒坯凝固界面前沿的晶粒行核及长大过程进行调控，进而有望获得等轴晶组织。由于上引连铸结晶器材质一般为石墨和黄铜管，以及石墨粘土制造的保护套和陶瓷棉组成，这些材质为非铁磁性材料，因此，可以采用两个绕向相同的螺线管线圈通以一定强度的直流电流来形成与上引连铸方向垂直的静磁场，而上引连铸成型线材一般为导电性良好的铜及其合金或者铝及其合金材料，且其电导率要远高于石墨结晶器的电导率，因此可以在金属及合金熔池中插入一个石墨电极，而将抽拉出来的金属或合金线材作为另一电极，通过这两个电极往连铸线材的凝固界面前沿通入一定强度的交变电流，由于该交变电流方向与螺线管线圈产生的磁场方向始终垂直，因此将在另一个水平方向上产生交替变化的洛伦兹力，该交替变化的洛伦兹力将在金属或合金线棒材的凝固界面前沿形成阿尔芬波动，通过适当的磁场线圈位置以及电极的布置方式，能确保阿尔芬波动的最强位置处于凝固界面前沿，因此通过阿尔芬波对温度均匀化、促进行核、结晶器壁晶核脱落、凝固界面前沿枝晶尖端熔断等效应，以及电流通过胞状晶导致的分叉效应等，将有效细化上引连铸坯的晶粒，甚至可以得到全等轴晶的上引连铸棒线材，同时还可以降低溶质的偏析，提高上引连铸棒线材的成分稳定性。本发明采用下述技术方案
一种上引连铸用阿尔芬波细化晶粒的方法，其特征是在上引连铸坯的凝固界面前沿施加静磁场和交变电流复合产生的阿尔芬波，促进形核、打碎枝晶、减缓凝固界面前沿温度梯度、促进结晶器壁晶核脱落等形成晶核增殖，从而实现晶粒细化、成分均匀的目标。所述的上引连铸用阿尔芬波细化晶粒的方法，是由上引连铸用阿尔芬波细化晶粒装置来实现，该装置由中频感应线圈I、熔炼坩埚2、Cu-0. 5wt%Mg合金熔体3、静磁场发生装置4、上引连铸结晶器5、上引连铸坯6、主电极接头7、交变电源8、次电极接头9、石墨结晶管10、保温帽11、覆盖剂12、石墨电极13组成；上引连铸坯凝固前沿的交变电流由交变电源8通过主电极接头7和次电极接头9、上引连铸坯6和石墨电极13来通入，同时由静磁场发生装置4提供与交变电流垂直的静磁场，静磁场与交变电流作用将在上引连铸坯6的凝固界面前沿形成阿尔芬波16，从而对固液界面的晶粒形核长大进行控制，获得全等轴晶组织，使成分均匀。
采用Cu-Mg、Cu-Sn、Cu-Cr-Zr、Cu-Ag、Cu-Ni合金中的一种,还可以是其他铜合金、 铝合金、镁合金、锌合金及其他适合上引连铸的有色金属及其合金等，采用20-5000Kg的中频熔炼炉或者工频熔炼炉，将合金熔化，并保温在300-1500°C，采用木炭或者鳞片石墨覆盖剂，或者其他与合金熔体无显著反应且可以隔绝控制的覆盖剂。将上引连铸结晶器插入到合金熔体中，保温帽底部插入金属熔体深度约为3-150mm。在上引连铸结晶器保温帽上沿区域，以上引连铸结晶器为轴心，对称设置一对带冷却系统的绕向相同的螺线管线圈，使线圈产生的磁力线，水平穿过上引连铸坯，磁力线方向与上引连铸坯成垂直。线圈在上引连铸坯的凝固界面前沿产生的磁感应强度为O. 01-2特斯拉(T)，该静磁场也可以采用钕铁硼等硬磁材料通过磁路设计来实现，也可以采取电磁铁等方式实现；磁力线方向可以与上引连铸坯中的交变电流方向垂直，也可以呈0-180°角度，但不能等于0°和180°。采用一定长度的石墨电极插入到熔炼炉靠近上引连铸结晶器一侧的金属熔体中，该石墨电极的数量为一个或多个，多个电极时则电极均匀分布在上引连铸结晶器的周围呈对称分布，该石墨电极的作用为向金属熔体中输入交变电流，且该电极的材质可以为石墨电极也可以为带水冷或空冷的与合金熔体同样材质的棒材。以上引连铸坯的外部引出端作为另一极,通过该两电极往金属熔体中输入1-20000A的交变电流，电流的频率为O. Oi-IOOOOHz0上引连铸坯的抽拉速度为O. 5-50mm/s。上引连铸的抽拉制度为抽拉O. 01-50秒，停0-50秒，反推0-20秒。磁场的施加和电流的施加同步进行，一直持续整个上引连铸过程。上引连铸坯可以为圆形截面或圆环形截面，也可以是矩形截面或者异型截面，上引连铸坯的截面积可以为l-1000mm2。本发明的特点和优点如下
I.在上引连铸过程中引入阿尔芬波，通过阿尔芬波产生的多种效应来细化晶粒，不仅可以提高上引连铸坯坯的致密度、强度和塑性，同时也抑制了溶质的偏析，提高了合金成分的均匀性和稳定性，也有利于上引连铸坯的后续变形加工成形和热处理等工序的进行。2.静磁场和交变电流产生的阿尔芬波直接作用在液固界面前沿，能直接影响到晶核的行核和长大过程，能最大程度地控制晶粒的尺寸，同时可以获得全等轴晶的长尺寸线棒坯，这对于制备电力机车用滑触线材料而言极为有利。3.本发明中采用静磁场，黄铜质结晶器以及石墨结晶器等对静磁场没有屏蔽，而交变电流直接经过上引连铸坯和合金熔体，其中的电阻很小，因此所需的能耗很低；而传统的采用交变磁场的电磁搅拌方式，则会由于结晶器的屏蔽而消耗大量的电能。4.静磁场的产生可以采用高磁能积的永久磁体，因此能进一步节省能耗。5.采用的静磁场和交变电流等均是洁净的物理场，对环境没有污染，如果采用与合金熔体同样材质的水冷或者空冷合金棒材，不会对合金熔体引入新的污染，能确保合金的洁净度。
附图I是上引连铸用阿尔芬波细化晶粒方法的装置示意图。具体实施例
本发明的一个优选实施例是参见附图I。采用Cu-0. 5wt%Mg合金，作为上引连铸用阿尔芬波细化晶粒的方法及装置的实施例用合金，Cu-0. 5wt%Mg合金总容量为2吨，Cu-0. 5wt%Mg合金采用纯度99. 95%的电解纯铜和含镁10wt%的Cu-Mg中间合金纯镁配置，采用鳞片石墨作为覆盖剂，防止Cu-0. 5wt%Mg合金的氧化。本发明通过上引连铸用阿尔芬波细化晶粒装置来实现。参见图1，上引连铸用阿尔芬波细化晶粒装置由中频感应线圈I、熔炼坩埚2、Cu-o. 5wt%Mg合金熔体3、静磁场发生装置4、上引连铸结晶器5、上引连铸坯6、主电极接头7、交变电源8、次电极接头9、石墨结晶管10、保温帽11、覆盖剂12、石墨电极13组成。实施本发明时，将纯度99. 95%的电解纯铜加入到熔炼坩埚2中，然后加入适量的干燥过的覆盖剂12，启动中频感应线圈1，将电解纯铜熔化，保温在1200°C，然后按照含镁量O. 5wt%的比例加入Cu-10wt%Mg中间合金适量，并保温30分钟，以获得均匀的Cu-0. 5wt%Mg合金熔体3，将石墨电极13插入到Cu_0. 5wt%Mg 合金熔体3中，插入深度为100mm。上引连铸坯6的直径为12. 5mm，将上引连铸坯6插入到上引连铸结晶器5中，上引连铸坯6的前端要伸出石墨结晶管10至少20mm。将安装好上引连铸坯6、石墨结晶管10、保温帽11的上引连铸结晶器5的下端插入到Cu-0. 5wt%Mg合金熔体3中，插入深度为保温帽11底部距Cu-0. 5wt%Mg合金熔体3的熔体表面至少50mm。 将静磁场发生器4至于上引连铸结晶器5的下部保温帽11的上边缘，距离Cu-0. 5wt%Mg合金熔体3的表面40mm，静磁场发生装置4在上引连铸坯6的固液界面出的磁感应强度控制在O. 5T。启动上引连铸牵引机构，使上引连铸坯6的上引速度保持在3mm/s，同时通过上引 2秒、停2秒、反推O秒的方式进行上引。然后开启交变电源8，通过主电极接头7、次电极接头9、石墨电极13和上引连铸坯6通入交变电流，交变电流的强度为100A，频率为50Hz。 此时，由于静磁场和交变电流的相互作用，将在上引连铸坯6下部的凝固界面前沿产生阿尔芬波16，该阿尔芬波16能促进形核、震碎枝晶14的尖端、使枝晶14的尖端分裂、同时还将引起石墨结晶管10的表面的晶核15脱落，形成晶核增殖，使沿铸坯轴向的树枝晶或柱状晶细化为等轴晶粒，由于上引连铸过程为连续进行，因此可以获得全等轴晶且晶粒细化的上引连铸线棒材。
权利要求
1.一种上引连铸用阿尔芬波细化晶粒的方法，其特征是在上引连铸坯的凝固界面前沿施加静磁场和交变电流复合产生的阿尔芬波。
2.根据权利要求I所述的上引连铸用阿尔芬波细化晶粒的方法，其特征是由上引连铸用阿尔芬波细化晶粒装置来实现，该装置由中频感应线圈(I)、熔炼坩埚(2)、Cu-0. 5wt%Mg 合金熔体(3)、静磁场发生装置(4)、上引连铸结晶器(5)、上引连铸坯(6)、主电极接头(7)、 交变电源(8)、次电极接头(9)、石墨结晶管(10)、保温帽(11)、覆盖剂(12)、石墨电极(13) 组成；上引连铸坯凝固前沿的交变电流由交变电源(8)通过主电极接头(7)和次电极接头(9)、上引连铸坯(6)和石墨电极(13)来通入，同时由静磁场发生装置(4)提供与交变电流垂直的静磁场，静磁场与交变电流作用将在上引连铸坯(6)的凝固界面前沿形成阿尔芬波(16)，从而对固液界面的晶粒形核长大进行控制。
3.根据权利要求I或2所述的上引连铸用阿尔芬波细化晶粒的方法，其特征在于所述的上引连铸线坯(6)为铜及其合金、铝及其合金、镁及其合金或锌及其合金。
4.根据权利要求I或2所述的上引连铸用阿尔芬波细化晶粒的方法，其特征在于所述的静磁场发生装置(4)由水冷线圈产生，或由NbFeB永磁材料通过磁路设计来产生，或是电磁铁来产生，磁感应强度为O. 01-2T ;磁力线方向与上引连铸还(6)中的交变电流方向垂直，或者呈0-180°角度，但不能等于0°和180°。
5.根据权利要求I或2所述的上引连铸用阿尔芬波细化晶粒的方法，其特征在于交变电源(8)供给的交变电流强度为I 20000A，频率为O. 01 10000Hz。
6.根据权利要求I或2所述的上引连铸用阿尔芬波细化晶粒的方法，其特征在于上引连铸坯(6)的形状为圆形截面、圆环形截面、矩形截面或者异型截面，上引连铸坯的截面积为I-IOOOmm2 ;上引连铸坯(6)的抽拉速度为O. 5-50mm/s。
7.根据权利要求I或2所述的上引连铸用阿尔芬波细化晶粒的方法，其特征在于石墨电极(13)的数量为I个或多个，多个电极时均匀分布在上引结晶器(5)的周边呈对称分布； 石墨电极(13)的材质为石墨，或者为带水冷或空冷的与合金熔体同样材质的棒材。
全文摘要
本发明涉及一种在有色金属上引连铸过程中通过施加静磁场与交变电流作用产生阿尔芬波而细化晶粒的方法。在上引连铸坯的凝固界面前沿施加静磁场和交变电流复合产生的阿尔芬波，利用阿尔芬波动对形核的促进、震碎枝晶尖端、减缓凝固界面前沿温度梯度、促进结晶器壁晶粒脱落而形成晶核增殖效应，从而实现晶粒细化、成分均匀、减少偏析的目标。由于上引连铸可以连续进行，因此，采用本方法可以获得全等轴晶的长尺寸线棒板材。另外该装置结构简单，设备成本低廉，操作方便，对上引连铸坯及合金熔体不产生污染，因此对获得纯净的上引连铸坯也非常有利。
文档编号B22D11/14GK102601330SQ20111042901
公开日2012年7月25日 申请日期2011年12月20日 优先权日2011年12月20日
发明者张增光, 钟云波 申请人:上海大学, 钟云波