专利名称：：熔融金属的连铸方法
技术领域：
：本发明涉及一种熔融金属的连铸方法，更具体地说，涉及一种能够有效抑制振动纹痕和褶皱形成的连铸方法，在所需最小磁场强度(称之为所需最小能量消耗)下由于施加高频电流，模具的颤动或振动很可能形成振动纹痕和褶皱。这样的振动纹痕和褶皱很可能在通过对模具施加高频电流，模具中产生电磁场时进行的连铸过程中形成。以后将这种技术简称为“高频连铸”。相关技术的描述CAMP-ISIJvol.5(1992),p200,vol.6(1993)p6,vol.11(1998)p138及vol.12(1999),p53公开了一种在连铸的初始阶段固化的熔融金属的初始固化部分(固化外壳)上施加高频电流的技术，该技术利用施加的高频电流所产生的电磁力所形成的夹紧力和加热效应改善得到的铸件的表面性能。根据该技术，纵向裂缝在如铜制模具里形成，为了使电磁场快速穿过模具，线圈在对应于裂缝的位置处绕在铜制模具上(该技术适用于冷却型溶池)。如公开号为4-178247的未审日本专利所公开的那样，考虑到电磁场的可使用性，渗透性以及防止熔融金属从模具渗出，纵向裂缝的宽度优选为0.2-0.5mm。考虑到磁场的渗透性，裂缝的总长度优选是线圈总长度的1.5倍长或更长。图1是示出高频连铸中通常使用的连铸系统的主要部件的正面横截面图。在图1中，数字1表示铜制模具，2表示用于施加高频电流的线圈，3表示裂缝，4表示用于将熔融金属加入模具1的浸渍管，F表示熔剂(造型粉末)，ML表示熔融金属，MS表示固化外壳。这种系统的运行方法是在电磁力通过加在线圈2上的电流所产生的电磁场作用于称之为固化外壳MS的熔融金属ML的初始固化部分时，将熔融金属ML通过浸渍管4连续加入模具1。当从系统连续或间歇地向下拉由固化外壳MS铸成的铸件时，电磁力在模具上产生加热效应的同时在初始固化的熔融金属上激活夹紧力。熔剂F放在模具1中的熔融金属ML的上部。熔剂F的作用是防止热辐射并防止熔融金属ML氧化。熔剂F流入固化外壳MS和模具1之间的缝隙中，使其接触表面光滑。因此，熔剂F还起到改善得到的铸件的表面性能的作用。已知的一种现象是在连铸过程中由于模具的上下振动而可能在铸件的表面上形成振动纹痕。当振动纹痕深度非常大时，可能在得到的铸件中造成裂缝。还知道在所谓的“钩子”(可能在铸件的外表面的下面形成的铸件的不连续固化部分)里可能夹带有杂质和气泡，这会在铸件中造成缺陷。鉴于此，为了生产有良好表面性能的无缺陷铸件，寻找一种抑制振动纹痕形成的技术非常重要。通过对钢的高频连铸方法进行深入研究，本发明的发明人成功地提出一种公开在公开号为7-1093的未审日本专利中的技术。该专利公开一种在抑制铸件表面上形成振动纹痕的同时能改善铸件的表面性能的技术。具体地说，公开的技术是一种为了稳定金属池或熔液池中的熔融金属的月牙形部分而根据铸造速度合理控制模具的芯或空心部分的电磁场强度或电磁场大小(换句话说是磁通密度)的技术。根据该技术，在熔液池里不造成过量内部流的条件下合理控制供应到初始固化外壳MS和模具1之间的缝隙中的熔剂F(造型粉末)的量。使用该技术能够在抑制铸件表面性能变坏的同时使铸造速度增加到一定的程度。另外，上述技术在以下几个方面是有利的。(ⅰ)磁场产生的夹紧力扩大了用于流入熔剂的初始固化外壳和模具之间的缝隙，由此改善了模具和得到的铸件的接触面的光滑度。因此，该技术在抑制振动纹痕形成的同时能确保稳定的高速铸造。(ⅱ)初始固化外壳上的夹紧力使得到的铸件与模具轻轻地接触。这可有效地抑制由于模具的振动可能对铸件造成的不利影响，因此该技术在一定程度上有助于抑制振动纹痕的形成。(ⅲ)施加高频电流的过程中，电磁力加热模具里的熔融金属的表面。自然地，电磁力产生的热开始从熔融金属的上表面使其固化。这可有效地抑制称之为熔融金属的月牙形部分的熔融金属表面的波动，这种波动对固化外壳的形成有不利影响，因此，该技术有助于改善铸件的表面质量。(ⅳ)加热和夹紧力的结合能够防止固化外壳伸出到熔融金属的上表面上。这种设置可有效地防止固化外壳中夹带气泡和杂质，因此该技术有助于改善铸件的外表面下面的性能。上述技术在以上提及的几个方面是有利的，这是因为该技术以甚至在深振动纹痕易于形成的条件下抑制振动纹痕形成的方式考虑在模具的芯或空心部分中的磁场强度(磁通密度)的可控制性。但是，所需的场强随模具的振动条件而变化，该专利没有充分考虑在这些条件下抑制振动纹痕的形成所需的场强。CAMP-ISIJvol.12(1999),p57报告了一种关于使用20kHz的高频电流的钢的连铸试验。该报告称这个试验使振动纹痕深度从0.6mm改善至0.2mm。但是，该报告没有讲有关使振动纹痕深度达到这样小的值的最佳磁场条件。这种试验还是在单一振动条件下进行的。因此，该报告没有提供有关影响振动纹痕深度的模具振动和抑制振动纹痕形成所需的磁场强度的关系的技术数据。应当注意的是振动纹痕深度和负时间带tn有密切关系。负时间带tn越短，振动纹痕深度越小。但是，缩短负时间带tn必然增加每单位时间内的模具振动次数。振动次数的增加可能在铸件上形成不希望的振动纹痕。因此，存在有发展彻底消除振动纹痕形成技术的空间。在模具不振动或使负时间带tn是0或更小的条件下进行连铸时，从经验可知道会在铸件表面上产生褶皱如不规则性或无序性。因此，还存在有为确保防止这样的缺陷发生而阐明所需的磁场强度的空间。本发明的一个目的是提供一种可克服存在于现有技术中的上述问题的连铸方法。根据本发明的一个方面，熔融金属的连铸方法包括的步骤是通过对模具施加高频电流而在模具里产生电磁场的同时，将熔融金属加入模具以连续生产铸件。控制施加的高频电流的方式是模具的固化外壳开始形成处(从这里铸件的固化外壳开始形成)施加的电磁场大小等于或大于施加于模具的所需的最小磁通密度。所需的最小磁通密度是根据下式将负时间带和电磁场中的频率作为使用参数来确定的Bmin=1130×tn-5f×(tn-0.05)其中tn=cos-1(v/2π×fm×a)/(π×fm)Bmin所需的最小磁通密度(高斯)tn负时间带(秒)f电磁场中的频率(kHz)v铸造速度(m/sec)fm模具的振动次数或振动频率(Hz)a模具的单向冲程(m)。附图简述图1是显示本发明的连铸方法所用的通常使用的连铸系统的正面横截面图的示意图。图2是示出使曾经出现的振动纹痕消失所需的最小磁通密度和负时间带关系的坐标图。图3是示出充电线圈上端与月牙形部分的上表面之间的距离如何影响振动纹痕深度和月牙形部分的无序状态或不平整性的坐标图。图4是基于负时间带的振动纹痕深度和褶皱深度示于同一坐标刻度上的坐标图。本发明优选实施方案的详述很明显，在高频连铸技术中，抑制较小深度的振动纹痕所需的电磁场强度比抑制较大深度的振动纹痕所需的电磁场强度小。还知道的是施加高频电流以产生电磁场的条件与铸造速度和模具的振动条件密切相关。在负时间带tn阶段，在施加的电磁场大小小于使曾经出现的振动纹痕消失所需的最小电磁场大小的情况下，曾经出现的振动纹痕不能完全消失。在这种情况下，负时间带tn由单一的铸造条件确定。另一方面，如果施加的电磁场大小超过预定值，则形成的电磁力增大，由此使模具里熔融金属的月牙形部分出现非常大的波动，这会增加振动纹痕深度。另外，这样大的电磁场会不利地将磁场集中在模具里的裂缝部分，由此造成由于熔融金属的渗出而形成的铸件缺陷。这样的缺陷是得到的铸件的表面质量的一种损坏。综上所述，本发明人提出一种在高频连铸过程中施加能使曾经出现的有一定深度的振动纹痕消失的最小磁场强度从而在所需的最小能量消耗下生产有良好表面性能的铸件的想法，并基于该想法进行了试验。为了证明该想法是正确的，本发明人在不同的铸造条件下进行了试验。并与试验结果一起描述优选实施方案。应当注意的是本发明的保护范围不局限于这些试验。具体地说，本发明人通过在不同的负时间带tn的固定条件下改变施加在模具上的电磁场强度和频率(振动次数)发现了能最有效地抑制振动纹痕形成所需的最小磁通密度，这是基于振动纹痕深度随负时间带tn长度而变化的假设上。能有效地抑制在固化外壳上形成振动纹痕的最小磁通密度是通过改变下面的参数在所设定的铸造条件下确定的磁场里的频率，铸造速度和模具振动条件。细节示于表1和图2模具尺寸150×150mm，长1069mm裂缝间距0.3mm裂缝长度220mm钢的组成(％)C:0.12％Si:0.20％Mn:0.50％，其余的是Fe和不可分离的杂质磁场里的频率3kHz,20kHz或100kHz铸造速度0.7m/min,1.2m/min或1.6m/min模具振动1Hz×10mm,3Hz×7mm或7Hz×3mm应当注意的是模具振动条件是施加在模具上的振动次数(Hz)乘以(反复式)冲程(mm)设定的。还应当注意的是图2中的直线Bmin(A)、Bmin(B)和Bmin(C)是在施加的频率分别为3kHz,20kHz和100kHz时画出每一个负时间带tn时所需的最小磁通密度Bmin的点，然后将这些点连接得到的直线。表1(*)没有施加电磁力从表1可看出当振动纹痕深度很小时，磁场里的频率的影响是微小的。也就是说，当施加约60高斯的磁通密度时深度是约200μm的振动纹痕消失。另一方面，在振动纹痕深度非常大的条件下，磁场里的频率越高，所需的磁通密度越小。例如，当频率是3kHz低时，所需的磁通密度是450高斯那么大。另一方面，当频率是100kHz高时，所需的磁通密度减为260高斯那么小。这说明这是由于当施加的频率高时模具里的熔融金属的月牙形部分周围区域被加热这个事实所造成的，因此所供应的熔剂在熔化时的熔化熔剂F1(造型粉末)和熔剂已经液化或正在液化时的熔剂液化部分(润滑层)F2的总厚度的增加使模具和固化外壳之间的接触部分光滑。扩大的厚度层使铸件或固化外壳不随模具的振动而振动。通过用磁场里的频率作为一个参数来分析表1和图2中所需的最小磁通密度Bmin和负时间带tn之间的关系，其关系用式(Ⅰ)表示Bmin=1130×tn-5f(tn-0.05)…(Ⅰ)其中tn负时间带(sec)f施加于磁场里的频率(kHz)具体地说，已经证明在高频连铸过程中控制施加在包括固化外壳开始形成处(以后称之为“固化外壳开始形成处”)的区域上的磁场大小B(单位高斯)，使之不低于所需的最小磁通密度Bmin(单位高斯)，可以在最有效地抑制振动纹痕形成的同时使用于施加在线圈上的高频电流的能量消耗降到最低程度。应当注意的是所需的最小磁通密度Bmin是把磁场里的频率f(单位kHz)和负时间带tn(单位sec)作为使用参数并按照式(Ⅰ)计算得到的。负时间带tn是根据式(Ⅱ)定义的值tn=cos-1(v/2π×fm×a)/(π×fm)…(Ⅱ)其中v铸造速度(m/sec)fm模具的振动次数(换句话说是模具的振动频率)(Hz)a模具的单向冲程(换句话说是振动的单向振幅的长度)(m)。振动条件是模具的振动频率fm乘以模具的单向冲程a得到的。综上所述，尽可能地使磁场大小B最小化，最小化的程度是B值不能低于所需的最小磁通密度Bmin。没有具体限定B值的上限，但是如果施加的磁场强度太强，熔融金属的月牙形部分可能波动到超过允许的程度，这将在可能形成的铸件表面上造成缺陷(例如熔融金属的渗出)。因此，进行试验以证明施加在磁场里的频率是如何影响由于月牙形部分的波动引起的熔融金属的渗出所造成的包括振动纹痕的缺陷的形成。如表2所示，当月牙形位置处的磁通密度超过1000高斯(20kHz时)或900高斯(100kHz时)时，月牙形部分的波动增加，由于交变磁场产生过多的热可能会产生固化外壳的渗出。表2<tablesid="table1"num="002"><table>频率(kHz)月牙形部分开始波动时或由于熔融金属的渗出而造成的缺陷开始出现时的磁场强度(高斯)201000100900</table></tables>本发明的一个目的是提供一种能抑制熔融金属渗出所造成的振动纹痕和褶皱形成的同时用最小的能量消耗能有效地将熔融金属连铸成有良好表面性能的金属铸件的方法。这个目的是通过控制施加在固化外壳开始形成处的磁场大小B不低于所需的最小磁通密度Bmin达到的，更优选是通过控制磁场大小B不低于所需的最小磁通密度Bmin，并且不大于由于熔融金属渗出所造成的缺陷开始出现时的最大磁通密度达到的。优选使用于施加高频电流的线圈的上端与月牙形部分的上表面匹配，或者使线圈上端相对于在模具里没有激活的电磁力及月牙形部分保持静止状态时的月牙形部分的上表面的距离是至少为±20mm。这可更有效地进行能够生产无缺陷铸件的高频连铸。推荐该技术是因为线圈上端相对于没有施加高频电流并处于静止状态的月牙形部分的上表面的距离偏离预定范围将造成磁场在月牙形部分上的不均匀分布，这将使月牙形部分的轮廓(状态)的波动超过允许的范围，作为月牙形部分波动的结果是生产出有不均匀厚度的固化外壳或铸件。本发明的发明人进行试验以寻找线圈上端相对于月牙形部分的上表面最佳位置。在试验中，逐步改变线圈上端和没有施加高频电流保持静止状态时的月牙形部分的上表面的距离d(见坐标图3中的横坐标)。具体地说，进行不同的铸造试验使线圈上端相对于月牙形部分的上表面逐步地上下移动，开始距离d(=0)是线圈上端和处于静止状态的月牙形部分的上表面相匹配时并且施加的磁场的条件是能够使曾经出现的振动纹痕消失。试验结果示于图3。“月牙形部分的不平整性”(见图3右侧的刻度)用与模具里相邻裂缝限定的每一分段间月牙形部分的上表面相关的高度差(mm)表示。这种差值越大，月牙形部分的不平整性或无序状态越明显。不允许的月牙形部分的无序状态将对得到的铸件的表面质量造成显著的损坏，这是因为应当以周向排列状态出现的铸件的初始固化点没有周向排列。从图3可明显看出把线圈上端设定为低于月牙形部分的上表面超过20mm将显著增加振动纹痕在铸件表面上的形成。这将损坏铸件的表面质量。另一方面，把线圈上端设定为高于月牙形部分的上表面超过20mm也造成月牙形部分显著的无序状态。这对于想生产有良好表面性能的铸件是所不希望的。进行了一个试验来说明当施加有高频电流时，把线圈上端设定为高于月牙形部分的上表面超过20mm是怎样影响月牙形部分的波动的。这个试验是通过利用模具里的熔融锡来观察月牙形部分的状态进行的。在上述试验中将锡熔融在月牙形部分里的原因如下。当对模具施加高频电流时，也就是说在模具里产生电磁场时，知道模具里的熔融钢的上表面是如何波动的是非常重要的。但是，由于钢的熔点高，将钢在模具里熔化是困难的。较低熔点的金属(例如，锡的熔点相对低，是二百几十摄氏度(℃))甚至在水冷型模具中也可由于施加高频电流所产生的热而易于熔化并能保持其熔融状态。观察熔融钢表面(月牙形部分)上的熔融锡能够预见熔融钢的表面轮廓(状态)。因此，在该实施方案中，采用的技术是把固态锡放进水冷型模具，给绕在模具上的线圈充电以热熔固态锡，这样将可通过观察熔融锡来观察月牙形部分的轮廓(状态)。进行上述试验的结果证明把线圈上端相对于月牙形部分的上表面的距离设定为±20mm，更优选地是，使线圈的上端和处于静止状态的月牙形部分的上表面相匹配能够消除月牙形部分的不平整性或无序状态并使振动纹痕的形成最小化，这样就能显著改善铸件的表面性能。施加在线圈上的电流频率不能用一对一的对应关系来确定，这是因为施加的频率随其它因素如模具的大小和铸造速度而变化。但是，为了更有效地利用施加高频电流所产生的夹紧力和加热效应优选使用的频率是3kHz或更高，更优选使用的频率是20kHz或更高。上面的实施方案是在模具上下振动时将模具向下拉的情况下描述的。从经验知道当模具不振动或连铸是在负时间带tn为0或更小的振动条件下进行时会产生实施方案中描述的褶皱。下面作为一种改进的实施方案描述一种抑制褶皱的技术。本发明的发明人还进行了关于抑制褶皱的试验。试验结果示于图4。在图4中，在负时间带tn≤0的条件下造成的褶皱深度和在负时间带tn＞0的条件下造成的振动纹痕深度基于同一坐标刻度显示。如图4所示，不管负时间带tn的期间及模具是否振动，褶皱深度是200-500μm。深度是200-500μm的褶皱对应于负时间带tn是0.057-0.25sec时在铸件上形成的振动纹痕深度。这就证明了施加和使曾经出现的其深度对应于约500μm深度褶皱的振动纹痕消失所需的磁场大小同样大小的磁场大小足以使tn≤0的条件下造成的所有褶皱消失。这种大小的磁场对应于所需的最小磁通密度。这种分析就导致了这样的事实寻找能造成与褶皱深度相等深度的振动纹痕形成的tn值并用找到的tn值按照式(Ⅰ)进行计算就可确定能有效抑制褶皱形成所需的最小磁通密度。使用该技术可生产抑制褶皱的同时具有良好表面性能的铸件。例如，在图4中，使深度约为500μm的褶皱消失所需的最小负时间带tn是约0.25秒。将该tn值用在由图2所示的坐标图所建立的公式可得到下面的事实。具体地说，在频率设定为100kHz、20kHz和3kHz的情况下将所需的最小磁通密度分别设定为约180高斯、260高斯和280高斯可确保形成的褶皱消失。如上所述，根据本发明，根据由铸造速度和模具振动条件所确定的负时间带tn合理控制施加在模具上的频率能够抑制振动纹痕和非振动纹痕的褶皱的形成。这样就可以连续而可靠地生产有稳定质量的铸件。不用说，本发明不仅适用于能够易于激活电磁力的熔融钢的连铸而且适用于包括除了钢的铁基合金的其它任何金属及熔融金属如铝和铜的连铸，只要该金属是能够激活电磁力的磁化金属。总结本发明，本发明的一个方面涉及熔融金属的连铸方法，其包括的步骤是通过对模具施加高频电流而在模具里产生电磁场的同时，将熔融金属加入模具以连续生产铸件。控制施加的高频电流的方式是模具的固化外壳开始形成处(从这里铸件的固化外壳开始形成)施加的电磁场大小等于或大于施加于模具的所需的最小磁通密度。所需的最小磁通密度是根据下式将负时间带和电磁场中的频率作为使用参数来确定的Bmin=1130×tn-5f×(tn-0.05)其中tn=cos-1(v/2π×fm×a)/(π×fm)Bmin所需的最小磁通密度(高斯)tn负时间带(秒)f电磁场中的频率(kHz)v铸造速度(m/sec)fm模具的振动次数(换句话说是模具的振动频率)(Hz)a模具的单向冲程(m)。进行连铸的优选方式是使用于施加高频电流的线圈的上端与对模具没有施加高频电流保持静止状态的模具里熔融金属的月牙形部分的上表面匹配，或者使线圈上端与处于静止状态的月牙形部分的上表面的距离在±20mm范围内。更优选将频率f设定为3kHz或更高以确保在铸件的表面上能抑制包括振动纹痕的缺陷的形成。或者，当负时间带tn为0或更小的情况下或模具不振动的情况下，铸件的表面可能形成褶皱。这种情况下，控制所需的最小磁通密度的方式优选为通过使用能造成与非振动纹痕的缺陷深度相对应深度的振动纹痕的负时间带来抑制该深度的非振动纹痕的缺陷形成。通过这种设置可确保能够防止褶皱的形成。本申请的基础是在日本申请的申请号为2000-229776的专利，此处引入其内容作为参考。由于本发明可在不背离其基本特征的精神下以几种形式来体现，因此本申请所列举的实施方案是非限定性的，因为本发明的保护范围是用所附的权利要求书而非前面的说明书来限定，因此所有落在权利要求书边界线内的变化及等同于边界线的变化均包括在权利要求书内。权利要求1.一种熔融金属的连铸方法，其包括的步骤是通过对模具施加高频电流而在模具里产生电磁场的同时，将熔融金属加入模具以连续生产铸件，控制施加的高频电流的方式是在模具的固化外壳开始形成处施加的电磁场大小等于或大于施加于模具的所需的最小磁通密度，其中从固化外壳开始形成处开始形成铸件的固化外壳，所需的最小磁通密度是根据下式将负时间带和电磁场中的频率作为使用参数来确定的Bmin=1130×tn-5f×(tn-0.05)其中tn=cos-1(v/2π×fm×a)/(π×fm)Bmin所需的最小磁通密度(高斯)tn负时间带(秒)f电磁场中的频率(kHz)v铸造速度(m/sec)fm振动次数(Hz)a模具的单向冲程(m)。2.根据权利要求1的方法，其进一步包括的步骤是在施加高频电流前，当没有施加电磁场且模具处于静止状态时，使用于施加高频电流的线圈的上端处于模具里熔融金属的月牙形部分的上表面处。3.根据权利要求1的方法，其进一步包括的步骤是在施加高频电流前，当没有施加电磁场且模具处于静止状态时，使用于施加高频电流的线圈的上端与模具的月牙形部分的上表面的距离在±20mm范围内。4.根据权利要求1的方法，其中施加在模具上的频率设定为3kHz或更高。5.根据任一权利要求1-4的方法，其中在负时间带为0或更小的条件下或模具不振动的条件下，控制所需的最小磁通密度的方式是通过使用能造成与褶皱深度相对应深度的振动纹痕的负时间带，来抑制铸件表面上褶皱的深度。全文摘要一种熔融金属的连铸方法包括的步骤是通过对模具施加高频电流而在模具里产生电磁场的同时，将熔融金属加入模具以连续生产铸件。控制施加的高频电流的方式是模具的固化外壳开始形成处施加的电磁场大小等于或大于施加于模具的所需的最小磁通密度。所需的最小磁通密度是根据下式确定的B文档编号B22D11/11GK1301607SQ0013589公开日2001年7月4日申请日期2000年12月22日优先权日1999年12月28日发明者中田等,井上健,森秀夫申请人:株式会社神户制钢所