大型均匀组织合金锭的连铸制备方法及磁控电渣连铸装置的制造方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种金属材料的制备工艺及装置，特别是涉及一种合金连铸工艺和电渣熔炼装置，应用于特种钢电渣连铸工艺技术领域。
【背景技术】
[0002]电渣冶金以其净化金属，控制凝固组织以及近终成形的特点而得到广泛的应用，成为制备高洁净、高匀质特种钢以及高温合金的重要精炼手段之一。随着电渣冶金技术的不断发展，乌克兰巴顿电焊研宄所和奥地利Inteco公司独立研宄开发出了导电结晶器电渣重熔技术。导电结晶器技术与电流从自耗电极经过熔渣到达铸锭的传统电渣重熔过程不同，它可以有多种方式让电流经过渣池，改变了传统电渣重熔过程中温度参数与电效率之间的特定关系，大大增强了控制渣池与熔池之间热分配的能力。采用导电结晶器电渣重熔技术可以大大降低电耗，并且一定程度地均匀渣池的温度场，因此可用于电渣连铸过程。然而随着铸锭直径的增加，由于合金坯壳和合金熔体导热性的有限性，使得电渣锭中心区域合金熔体的冷却速率显著降低，凝固界面呈发达的树枝晶生长，甚至搭桥或通道，凝固界面前沿析出的溶质、气体、杂质、夹杂物在枝晶间聚集，形成严重的偏析甚至大范围的通道偏析；搭桥的枝晶使得枝晶间的合金液凝固时得不到充足的补缩，从而形成大量的缩松，甚至缩孔，严重时还会由于应力导致裂纹，使整个电渣锭性能显著降低甚至报废。因此如何解决大直径的电渣重熔锭的凝固缺陷，一直是一个没有得到很好解决的难题。
【发明内容】
[0003]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不足，提供一种大型均匀组织合金锭的连铸制备方法及磁控电渣连铸装置，采用外加稳恒磁场与导电结晶器电渣连铸相互耦合工艺，通过电流环路与外加稳恒磁场相互作用，达到分别控制渣池和金属熔池中的周期反向洛伦兹力大小，即分别控制渣池和金属熔池中周期反向的流动强度来改善渣池和金属熔池中的流动及温度场分布；细化熔滴尺寸提高渣金比表面积，降低杂质和夹杂物迀移路径，提高去除细小夹杂物的效率；打碎固液界面前沿枝晶尖端来形成晶核增殖导致铸锭晶粒细化和等轴晶化；避免了凝固前沿溶质、气体、杂质等的富集，防止电渣锭内部形成枝晶搭桥或通道，进而降低合金元素的宏观偏析；促进气体或者夹杂物上浮进入渣层，提高夹杂物去除效率；从而最终获得细化、低偏析且高洁净度的均质大型电渣铸锭。
[0004]为达到上述发明创造目的，本发明的构思是:
将导电结晶器与竖直磁场相结合，即在导电结晶器水冷套内设置可以产生竖直磁场的线圈，利用导电结晶器电渣冶炼过程中通过渣池及金属熔池交流电流的水平分量与外加竖直磁场相互作用，从而产生周期反向洛伦兹力，而通过渣池及金属熔池的交流电流采用特别设计的电流环路，可以达到分别控制流经渣池和金属熔池的交流电流强度，使得渣池和金属熔池中的周期反向洛伦兹力的大小可以被分别控制，这样可使得渣池及金属熔池产生不同强度的周期反向旋转运动。对于渣池通过调节周期反向旋转运动的强度来使重熔过程中从自耗电极滴落的金属熔滴不再滴落在结晶器中心区域，促使渣池及金属熔池温度场均匀，使金属熔池更加浅平化，这样有利于避免溶质偏析，进而可以获得低偏析度的凝固组织；同时周期反向旋转运动还可以促使自耗电极末端逐渐形成的熔滴受到周期反向的拖曳力，促使熔滴提前滴落，减小了熔滴尺寸，增大了熔滴的渣金接触面积，降低杂质和夹杂物迀移路径，这样极有利于提高重熔过程的净化效率；而对于金属熔池通过调节周期反向旋转运动的强度来打碎凝固界面前沿的枝晶尖端，一定程度的增加了金属熔池内的形核质点，从而使凝固组织晶粒细化和等轴晶化；同时周期反向旋转运动可以促进气体或者夹杂物上浮进入渣层，防止电渣锭内部形成枝晶搭桥或通道；提高夹杂物去除效率并且避免了凝固前沿溶质、气体、杂质等的富集，从而有效降低合金元素的宏观偏析；可以通过特别设计的电流环路给予渣池与金属熔池合适的电流比来简单地实现分别控制渣池和金属熔池内的周期反向旋转运动的强度，也可以通过调整分别置于导电结晶器内上部和下部电磁线圈产生磁场强度的大小来控制渣池和金属熔池内的周期反向旋转运动的强度；与其它促使渣池及金属熔池产生定向旋转运动的想法相比，本构思可以降低金属熔池卷渣的可能性。因此，本发明可以实现改善大型电渣铸锭的枝晶生长，获得细化、低偏析且高洁净度的大型电渣铸锭的目的。
[0005]根据上述发明构思，本发明采用下述技术方案:
一种大型均匀组织合金锭的连铸制备方法，采用电渣精炼工艺和竖直连铸工艺，将导电结晶器与竖直磁场相结合，通过不同的磁场发生装置分别向连铸结晶器中的渣池和金属熔池施加竖直磁场，并控制磁感应强度为0.1-2T，在连铸结晶器腔室中形成上下两个有效磁场区域，使上下两个有效磁场的磁场强度比为0.1-10可调，另外采用分别主要通过渣池和金属熔池的两条供电回路，其中渣池供电回路主要穿过连铸结晶内的上半部有效磁场区域的渣池，其中金属熔池供电回路主要穿过连铸结晶内的下半部有效磁场区域的金属熔池，控制通过渣池与金属熔池的两条供电回路中的电流比为0.1-2可调，在电渣冶炼过程中，同时施加交变电流或交变磁场，利用导电结晶器中通过渣池及金属熔池电流的水平分量与外加竖直磁场相互作用，从而产生周期反向洛伦兹力，使得渣池和金属熔池产生不同强度的周期反向旋转运动，使穿过渣池的金属熔滴受到周期反向的拖曳力，通过调节施加于渣池和金属熔池的电流比来分别控制在渣池内和在金属熔池内的周期反向旋转运动的强度，通过调整分别置于导电结晶器内的上下两个有效磁场区域产生的磁场强度来控制在渣池内和在金属熔池内的周期反向旋转运动的强度，最终获得符合质量要求的大型合金铸锭。
[0006]作为本发明优选的技术方案，大型均匀组织合金锭的连铸制备方法，包括如下步骤:
a.扩大导电结晶器内壁到外壁的距离，从而可以在导电结晶器上半部以及下半部水冷套内分别安装能够产生竖直磁场的磁场发生装置，磁场发生装置优选采用电磁线圈，导电结晶器供电方式为双回路供电，其中一条供电回路主要由电渣冶炼电源、电极、渣池和相关导电组件构成，其中另一条由电渣冶炼电源、辊轮电极、铸锭、金属熔池和相关导电组件构成；
b.将引锭杆送入导电结晶器内接近电结晶器内腔四分之一至三分之一的高度处时，向导电结晶器内通入一次冷却水和二次冷却水，然后将预熔渣倒入导电结晶器内，并迅速降下电极，使电极浸入渣池30?10mm深度，并启动电渣冶炼电源，电渣冶炼电源优选采用变频电源，向渣池通入电流，开始电渣冶炼过程，此时使通过熔渣池与金属熔池的电流比为
1.5 ?2 ;
c.启动引锭杆开始下拉，当引锭杆下拉接近100?200mm后，控制导电结晶器下半部内置的磁场发生装置，产生磁场强度为0.8?1.2T的竖直磁场，在导电结晶器内部形成下半部有效磁场区域；
d.当导电结晶器内金属熔池液面达到距离结晶器上端口的三分之一附近处时，控制导电结晶器上半部内置的磁场发生装置，产生磁场强度接近1.0T的竖直磁场，在导电结晶器内部形成上半部有效磁场区域，并将通过熔渣池与金属熔池的电流比调整为0.5?0.7，在导电结晶器内通过熔渣池及金属熔池交流电流的水平分量与外加竖直磁场相互作用，从而分别在渣池及金属熔池内产生不同强度周期反向洛伦兹力，促使渣池及金属熔池产生强度不同的周期反向旋转运动；重熔过程中通过渣池与金属熔池的两条供电回路中的电流比由两条供电回路中的变阻器来调节，通过调节不同的电流比来实现分别控制渣池和金属熔池内的周期反向旋转运动的强度；
e.重熔过程结束，关闭电渣冶炼电源，待铸锭完全冷却后，移除导电结晶器内的磁场，并关闭导电结晶器一次冷却水与二次冷却水，完成大型合金铸锭的连铸过程。
[0007]作为上述技术方案进一步优选的技术方案，磁场发生装置产生的磁场为稳恒磁场或低频交变磁场，当磁场发生装置产生低频交变磁场时，其频率范围为0.01-25HZ可调。
[0008]作为上述技术方案进一步优选的技术方案，电渣冶炼电源提供的电流为恒流或交变电流，当电渣冶炼电源提供交变电流时，电压在10-700V可调，频率在5-lOOHz范围内可调，熔炼电流在150-50000A范围内可调，电流波形可以为正弦波、方波或三角波。
[0009]作为上述技术方案进一步优选的技术方案，自耗电极及浇注的液态合金是高温合金、钛合金、铜合金、高速钢和轴承钢中适合电渣重熔的任意一种合金。
[0010]作为上述技术方案进一步优选的技术方案，连铸的铸锭为圆形铸锭、方形铸锭或是截面为非圆且非方的异型铸锭，适于连铸的铸锭的断面面积为100-2500mm直径的圆铸锭等截面面积。
[0011]作为上述技术方案进一步优选的技术方案，当通过渣池与金属熔池的电流比为I时，使置于导电结晶器内上部的电磁线圈产生磁场强度异于下部电磁线圈产生磁场强度，强度比为0.1-10范围内可调。
[0012]一种实施本发明大型均匀组织合金锭的连铸制备方法的磁控电渣连铸装置，由导电结晶器、电磁发生装置、电极、电渣冶炼电源、供电回路、变阻器和辊轮电极组成，电磁发生装置在导电结晶器的内腔中生成竖直磁场，向导电结晶器中通入一次冷却水和二次冷却水，导电结晶器一分为二，由上半部结晶器和下半部分结晶器两个相对独立组装连接安装，扩大导电结晶器内壁到外壁的距离，从而可以在导电结晶器上半部以及下半部独立的水冷套内分别安装能够产生竖直磁场