专利名称：一种改善连铸大口径空心金属管坯质量的方法及装置的制作方法
技术领域：
本发明属于无缝大口径空心金属管坯的制备领域，特别涉及到一种改善连铸空心金属管坯诸如钢管坯质量的方法，以及装置。
背景技术：
随着我国电力、石油化工等行业的飞速发展，对高质量的无缝大口径空心钢管的需求不断增加。由于工作环境恶劣，对管材的内外表面质量及凝固组织要求严格。无缝大口径空心钢管常用的加工方法是通过将连铸空心管坯通过后续的轧制、拉拔等工序而获得管材，连铸空心管坯的坯料质量直接决定着金属管材的使用质量。空心管坯连铸技术是指在垂直连铸机上，将高温钢液浇注入由内、外结晶器形成的空腔(浇注腔)中，凝固形成一定厚度的坯壳后被不断拉出而形成空心的连铸坯。采用连铸的方法制备空心钢管坯虽然具有生产效率高、金属利用率高等优点，但其常常会有非金属夹渣、气孔、偏析、表面压痕、凝固组织粗大等缺点。为了改善空心管坯的质量，发明专利申请(申请号02109370. 9)公开一种空心钢管坯电磁连续铸造的方法，在空心钢管坯连续铸造过程中，在外结晶器外侧施加搅拌磁场或者电磁线圈，或者同时施加搅拌磁场和电磁线圈的复合磁场。该种方法仅适宜于小口径空心管坯的连铸过程，对于大口径的空心管坯连铸，采用该方法所需的电磁发生装置体积非常庞大，一方面会存在制造成本高、安装困难等缺点，另一方面对铸坯的表面质量，尤其是内表面质量的改善效果不明显。2006年《中国有色金属学报》刊登的文章“空心管坯的异相位电磁连铸”中提出了在铝合金空心管坯连铸过程中在内外结晶器中分别放置工频电磁线圈的方法，该方法能够有效的改善铝管坯的表面质量和凝固组织，但是对于密度远大于铝合金的钢类金属管坯连铸，由于重量大，采用施加电磁线圈的方法来改善凝固组织的效果并不明显。2008年公开的专利申请CN101298094A提出了通过在外结晶器施加电磁线圈，而在内结晶器中放置旋转或行波搅拌磁场发生器的方法来改善空心管坯质量的方法，该方法有助于解决内、外表面的偏析瘤、裂纹等缺陷，也能够显著的改善管坯的凝固组织，但是如果选择在内结晶器内施加旋转搅拌磁场发生器，钢水的旋转必然会使非金属夹杂物向中心聚集，虽然铸坯的表面质量得到改善，但有可能出现中心区夹杂物增多而降低质量，使得后续的轧材产生缺陷，而且施加旋转磁场，较大的磁场强度下很容易在铸坯内部产生偏析缺陷，即通常所说“白亮带”，对磁场强度的控制要求较严格。如果在内结晶器内施加行波搅拌磁场发生器，会使结晶器内钢水产生对流，冲刷凝固界面，可加速夹杂物和气体的上浮，并分散在结晶器液态金属表面，可改善铸坯的内部质量，但对表面质量的改善效果却无法达到要求。
发明内容
鉴于上述原因，本发明提供了一种新的改善连铸大口径空心金属管坯质量的方法，以及使用上述方法的装置；上述方法及装置中，通过在外结晶器的外侧设置电磁线圈， 同时在内结晶器中放置螺旋式搅拌磁场发生器，利用外部的电磁线圈能重点解决空心管坯的外表面质量，而内部的螺旋式搅拌磁场发生器能够有效地改善管坯的内表面质量和内部质量。其技术解决方案是
一种改善连铸大口径空心金属管坯质量的方法，包括以下步骤 步骤1，在空心金属管坯连铸设备的外结晶器的外侧，向浇注入由内、外结晶器形成的浇注腔中的金属熔体施加中、高频磁场；该中、高频磁场的频率为1000Hz 50000Hz ；
步骤2，在空心金属管坯连铸设备的内结晶器的内侧，向浇注入由内、外结晶器形成的浇注腔中的金属熔体施加低、工频螺旋式搅拌磁场；该螺旋式搅拌磁场的频率为3Hz 50Hz ；
在连铸过程中，金属熔体不断地浇注入浇注腔中，同时施行步骤1与步骤2，并以一定的速度拉动浇注腔的底模，获得连铸空心管坯。上述金属管坯为钢管坯，所述金属熔体为钢液。一种改善连铸大口径空心金属管坯质量的装置，包括设置在空心金属管坯连铸设备的外结晶器外侧的中、高频电磁线圈，与设置在空心金属管坯连铸设备的内结晶器内部的低、工频螺旋式搅拌磁场发生器；上述中、高频电磁线圈通入交变电流，电流的频率为 IOOOHz 50000Hz ；上述低、工频螺旋式搅拌磁场发生器是由产生螺旋式搅拌磁场的电磁感应器、保护电磁感应器的圆柱形壳体、以及冷却电磁感应器的冷却水路组成，电磁感应器是在铁芯上绕制电磁线圈制成的，电磁线圈按照克兰姆绕组法排列，通入三相交变电流，每相电流间的相位差为120°，交变电流的频率为3 Hz 50Hz，上述铁芯的芯轴与磁轭之间的夹角为30° 60°，在三相交变电磁线圈磁场的作用下使浇注入浇注腔内的金属熔体内部所产生的电磁力的方向与磁力线方向垂直，在金属熔体内部形成螺旋式搅拌旋流。上述冷却水路包括在电磁感应器与圆柱形壳体的内壁之间形成的冷却腔，以及设置在圆柱形壳体上冷却水进入口、冷却腔内的水体回流口 ；采用外水直冷式冷却结构对电磁感应器进行冷却。上述铁芯包括竖直芯轴，电磁线圈选用铜管线圈，铜管线圈按照克兰姆绕组法套置在竖直芯轴上，在竖直芯轴上还设置有若干个、从上到下依次排布的磁轭，各磁轭近似圆台状，磁轭的侧壁与竖直芯轴的轴心线夹角为30° 60°。本发明具有以下有益技术效果
本发明在外结晶器外部施加电磁线圈，同时在内结晶器中放置螺旋式搅拌磁场发生器，通过电磁线圈可重点解决空心管坯的外表面质量，而螺旋式搅拌磁场发生器能够有效的改善管坯的内表面质量和内部质量，去除非金属夹杂物、气泡、偏析、裂纹等缺陷，且能够显著的改善管坯的宏观凝固组织。此外，在内结晶器中放置螺旋式搅拌磁场发生器，一方面便于操作，另一方面该磁场发生器的体积小，效率高，特别适宜于放置在内结晶器的内部， 对处于其外侧浇注腔内的金属熔体产生螺旋式搅拌作用。
下面结合附图与具体实施方式
对本发明作进一步说明
图1为本发明中装置的一种实施方式的结构原理示意图，也一并示出了空心金属管坯连铸设备(机)的相关部分。
图2为图1方式中的低、工频螺旋式搅拌磁场发生器的结构原理示意图。图3为低、工频螺旋式搅拌磁场发生器的螺旋搅拌原理示意图。
具体实施例方式参看图1、图2及图3，一种改善连铸大口径空心金属管坯质量的装置，该装置适用于空心金属管坯连铸设备(机)，该连铸设备包括外结晶器3、内结晶器4，内结晶器4与外结晶器3之间形成浇注腔8，浇注腔8的底部设置有能够拉动的底模5。上述装置包括设置在外结晶器3外侧的中、高频电磁线圈1，与设置在内结晶器4内部的低、工频螺旋式搅拌磁场发生器2。上述中、高频电磁线圈通入交变电流，电流的频率为1000Hz 50000Hz。上述低、工频螺旋式搅拌磁场发生器2包括圆柱形壳体201、设置在圆柱形壳体内部的铁芯202、 设置在铁芯202上的电磁线圈203，圆柱形壳体的内腔为冷却腔204，圆柱形壳体设置有冷却水进入口 205与冷却腔内的水体回流口 206，按照克兰姆绕组法排列的电磁线圈203通入三相低频交变电流，交变电流的频率为3Hz 50Hz，利用进入冷却腔内的冷却水对电磁线圈进行冷却，带走电磁线圈203产生的热量。上述铁芯202所形成的磁轭与铁芯的芯轴之间的夹角为30° 60°，在该线圈磁场的作用下使浇注入浇注腔内的金属熔体7 (诸如钢液)内部所产生的电磁力的方向与磁力线方向垂直，在金属熔体内部形成螺旋式搅拌旋流，即当磁轭向下倾斜一定角度后，在金属熔体(金属熔体)内产生的磁力线的方向与之相对应，也与水平方向成一定角度，根据左手螺旋定则可知，在金属熔体内产生的电磁力的方向与线圈的磁力线垂直，因此在这样的电磁力的作用下使得金属熔体内产生螺旋式电磁搅拌；重点参看图3，图示中的螺旋曲线表示螺旋式搅拌旋流的方向，符号B表示磁感应强度， 其方向即磁力线方向，符号F表示电磁力，符号I表示感应电流。更为具体的是上述铁芯 202包括竖直芯轴2021，电磁线圈203选用铜管线圈，套置在竖直芯轴上，在竖直芯轴上还设置有若干个、从上到下依次排布的磁轭2022，各磁轭2022近似圆台状，磁轭的侧壁与竖直芯轴的轴心线夹角为30° 60°。一种改善连铸大口径空心金属管坯质量的方法，包括以下步骤
步骤1，利用中、高频电磁线圈1在外侧向浇注入浇注腔中的金属熔体7施加中、高频磁场；该中、高频磁场的频率为IOOOHz 50000Hz ；
步骤2，利用低、工频螺旋式搅拌磁场发生器2向浇注入浇注腔中的金属熔体7施加低、 工频螺旋式搅拌磁场；该螺旋式搅拌磁场的频率为3Hz 50Hz ；
在连铸过程中，金属熔体诸如钢液不断地浇注入浇注腔中，同时施行步骤1与步骤2， 并以一定的速度拉动浇注腔的底模5，获得连铸空心管坯6。下面再重点说明一下本发明中，在内结晶器内部设置低、工频螺旋式搅拌磁场发生器，即在内结晶器内部施加螺旋式搅拌磁场与其他现有技术中搅拌磁场的区别
一、相比旋转和行波搅拌磁场，本发明中的螺旋式搅拌磁场更具有优势施加螺旋式搅拌磁场，能产生螺旋旋转力，使金属熔体诸如钢液产生螺旋上升或下降的搅拌运动，相比旋转式搅拌磁场和行波式搅拌磁场，其能更加有效的改善铸坯的表面质量、内部质量及凝固组织。螺旋式搅拌磁场能够促使夹杂、气体与金属熔体分离上浮，并向液面中心聚集，有利于夹杂的清除，可避免夹杂、气孔等缺陷。实验表明在搅拌力基本相同的条件下，螺旋式搅拌作用下铸锭中夹杂物的含量明显低于旋转搅拌和行波搅拌时夹杂物的含量，螺旋式搅拌作用下铸坯内夹杂物的含量仅是旋转搅拌的一半。螺旋磁场电磁力分布有利于形成较大区域的均勻搅拌，对形成等轴晶有明显的促进作用。相比旋转搅拌和行波搅拌，螺旋搅拌获得的等轴晶率最高。扩大和细化等轴晶带可以增加铸坯抗裂性、消除中心缩孔、减轻中心疏松和中心偏析。二、在内结晶器中施加螺旋式搅拌磁场比在外部施加的优势通过在连铸空心管坯的内结晶器中施加螺旋式搅拌磁场有如下优势
1)上述螺旋式搅拌磁场发生器，结构合理、紧凑，具有体积小、电能利用率更高等特点， 而且不会妨碍在外结晶器处施加电磁场，便于操作。2)在内结晶器中施加螺旋式搅拌磁场会使得管坯内结晶器侧的电磁力大于外结晶器侧电磁力，因此靠近内结晶器侧熔体的流动速度要大于外结晶器侧熔体的流动速度， 这样更有利于提高内结晶器侧铸坯的表面质量(如能更好的消除内表面夹杂、减轻波痕等) 和凝固组织(如管坯内表面侧的等轴晶率更高)，而由于管坯内表面不容易进行铣面处理， 如果内表面存在缺陷会直接导致管材缺陷。因此，在内结晶器中施加螺旋式搅拌磁场相比在管坯外部放置搅拌磁场能更加有效的改善管坯的质量。本发明提出的方法适用于内直径IOOmm以上的空心钢管坯的连铸，也适用于其他类合金的空心管坯的连铸。需要说明的是，本领域的普通技术人员在本说明书的教导下，在不脱离本发明权利要求所保护的范围情况下，还可以做出替换、简单组合等多种变形，这些均落入本发明的保护范围之内。
权利要求
1.一种改善连铸大口径空心金属管坯质量的方法，其特征在于包括以下步骤步骤1，在空心金属管坯连铸设备的外结晶器的外侧，向浇注入由内、外结晶器形成的浇注腔中的金属熔体施加中、高频磁场；中频磁场的频率为1000Hz 9000Hz、高频磁场的频率为 10000Hz 50000Hz ；步骤2，在空心金属管坯连铸设备的内结晶器的内侧，向浇注入由内、外结晶器形成的浇注腔中的金属熔体施加低、工频螺旋式搅拌磁场；该螺旋式搅拌磁场的频率为3Hz 50Hz ；在连铸过程中，金属熔体不断地浇注入浇注腔中，同时施行步骤1与步骤2，并以一定的速度拉动浇注腔的底模，获得连铸空心管坯。
2.根据权利要求1所述的改善连铸大口径空心金属管坯质量的方法，其特征在于所述金属管坯为钢管坯，所述金属熔体为钢液。
3.一种改善连铸大口径空心金属管坯质量的装置，其特征在于包括设置在空心金属管坯连铸设备的外结晶器外侧的中、高频电磁线圈，与设置在空心金属管坯连铸设备的内结晶器内部的低、工频螺旋式搅拌磁场发生器；上述中、高频电磁线圈通入交变电流，电流的频率为1000Hz 50000Hz ；所述低、工频螺旋式搅拌磁场发生器是由产生螺旋式搅拌磁场的电磁感应器、保护电磁感应器的圆柱形壳体、以及冷却电磁感应器的冷却水路组成，电磁感应器是在铁芯上绕制电磁线圈制成的，电磁线圈按照克兰姆绕组法排列，通入三相交变电流，每相电流间的相位差为120°，交变电流的频率为3 Hz 50Hz，上述铁芯的芯轴与磁轭之间的夹角为30° 60°，在三相交变电磁线圈磁场的作用下使浇注入浇注腔内的金属熔体内部所产生的电磁力的方向与磁力线方向垂直，在金属熔体内部形成螺旋式搅拌旋流。
4.根据权利要求3所述的一种改善连铸大口径空心金属管坯质量的装置，其特征在于所述冷却水路包括在电磁感应器与圆柱形壳体的内壁之间形成的冷却腔，以及设置在圆柱形壳体上冷却水进入口、冷却腔内的水体回流口 ；采用外水直冷式冷却结构对电磁感应器进行冷却。
5.根据权利要求3所述的一种改善连铸大口径空心金属管坯质量的装置，其特征在于所述铁芯包括竖直芯轴，电磁线圈选用铜管线圈，铜管线圈按照克兰姆绕组法套置在竖直芯轴上，在竖直芯轴上还设置有若干个、从上到下依次排布的磁轭，各磁轭近似圆台状， 磁轭的侧壁与竖直芯轴的轴心线夹角为30° 60°。
全文摘要
本发明公开了一种改善连铸大口径空心金属管坯质量的方法及装置，该方法及装置中，在外结晶器的外侧设置电磁线圈，同时在内结晶器中放置螺旋式搅拌磁场发生器，在外结晶器的外侧，向浇注入由内、外结晶器形成的浇注腔中的金属熔体施加中、高频磁场，与此同时在内结晶器的内部，向浇注腔中的金属熔体施加低、工频螺旋式搅拌磁场。本发明利用电磁线圈能重点解决空心管坯的外表面质量，而螺旋式搅拌磁场发生器能够有效地改善管坯的内表面质量和内部质量，去除非金属夹杂物、气泡、偏析、裂纹等缺陷，且能够显著的改善管坯的宏观凝固组织。本发明适用于内直径100mm以上的空心钢管坯的连铸，也适用于其他类合金的空心管坯的连铸。
文档编号B22D11/115GK102211161SQ20111014047
公开日2011年10月12日 申请日期2011年5月27日 优先权日2011年5月27日
发明者张琦, 王进, 褚忠 申请人:青岛理工大学