专利名称：外加瞬变磁场控制电渣熔铸的方法及电渣熔铸装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种特殊钢电渣冶金工艺和装置，特别是涉及一种电渣熔铸的方法及 电渣熔铸装置，在电渣熔铸过程中，通过施加瞬变磁场细化金属熔滴提高精炼效果，细化凝 固组织减少铸锭偏析的方法及装置，适于各种电渣产品如高温合金及精密合金的生产。
背景技术：
众所周知，合金中存在的氢、氮、碳和非金属夹杂物将破坏基体的连续性，成为微 裂纹源，在高应力作用下裂纹扩散引起铸件断裂，从而大大降低材料的使用寿命。电渣熔铸 作为一种高效精炼手段，通过其二次精炼可获得纯净度高、组织均匀致密且低倍缺陷少的 凝固组织。其原理是利用冶炼电流通过熔渣产生的电阻热将自耗电极熔化，熔滴穿过渣层 进入金属熔池，在异型水冷结晶器内凝固成铸锭。由于金属熔体与渣液充分接触，高达90% 的夹杂物可以得到充分去除。其中，电极末端的熔滴大小对夹杂物去除效率至关重要，熔滴 越小，渣金接触比表面积越大，熔滴穿过渣池的时间越长，夹杂物更容易被吸附去除。但如 何在保证电渣参数不变的情况下有效地细化熔滴，目前尚没有很好的应用方法。此外，电渣 锭凝固组织为粗大的柱状晶，枝晶间及柱状晶界上存在大量的偏析，特别是熔铸大型高合 金铸件时，由于铸件各部分冷却速度不同，成分偏析更为严重，甚至出现宏观偏析。枝晶偏 析一般可通过退火使偏析元素充分扩散达到均匀化的目的；而对合金性能危害更大的晶界 偏析则不能通过简单的热处理得以消除，必须通过晶粒细化、氧化物及硫化物等有害非金 属夹杂物的控制得以抑制。因此，优化钢渣反应条件，进一步提高电渣熔铸的精炼提纯效 果、细化晶粒以减小铸锭偏析是电渣熔铸工艺亟须解决的两大核心技术问题。
为细化电渣锭凝固组织和控制偏析，目前已开发出超声波复合电渣重熔、旋转磁 场复合电渣重熔、旋转母电极、渣池加热、静磁场复合电渣重熔等技术，均存在不足之处。如 超声波在渣池和金属熔池中衰减得很厉害，且本身具有方向性，超声波功率受到限制等因 素限制了其应用；外加旋转磁场能驱动渣液和金属熔池旋转，有望打碎枝晶，但是这将带来 卷渣的巨大危险；旋转母电极也能使渣池温度均匀化，但是同样会带来卷渣这一危害；而 渣池加热技术在保持渣池温度均匀分布方面有独特优势，从而可获得更为浅平的金属熔 池，有利于形成近轴向生长的枝晶组织，对减小铸锭偏析有积极作用，但对细化晶粒和提高 精炼效率影响不显著；静磁场复合电渣重熔技术在提高电渣重熔精炼效率和细化晶粒方面 均有一定的效果，但由于静磁场能量密度较低，且具有方向性，其强化精炼效率和细化晶粒 的效果仍然有限。由此可见，细化电渣熔铸过程中的熔滴及凝固组织，目前仍然缺少有效的 手段。发明内容
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缺陷，提供一种 外加瞬变磁场控制电渣熔铸的方法及电渣熔铸装置，在电渣熔铸过程中施加瞬变磁场，通 过其独特的电磁力效应达到细化熔滴提高精炼效率、细化晶粒、减小铸锭偏析技术发明目的，实现产业应用价值。
为达到上述发明创造目的，本发明的构思如下本发明提供一种外加瞬变磁场控制电渣熔铸的方法及电渣熔铸装置，其原理在于将适当频率的瞬变磁场施加在传统电渣重熔的结晶器周围，同时保持瞬变磁场线圈处于与母电极熔化末端、液态渣池、金属熔池重合的位置。由于电磁感应原理，瞬变磁场将在电极末端熔滴、液态渣池和金属熔池中产生强大的交变洛伦兹力和压力波。该交变洛伦兹力和压力波复合作用于电极末端的熔滴，将使熔滴呈爆裂式分散，挂在电极末端正在汇聚长大的大颗熔滴分裂形成非常细小的熔滴群。熔滴直径的细化，增加了熔滴的比表面积、缩短了夹杂物和杂质从熔滴中心到渣金界面的迁移距离，同时延长了熔滴在渣池内的沉降时间，因此对去除熔滴中的非金属夹杂物及杂质元素非常有利。此外，当交变洛伦兹力和压力波共同作用于渣池和金属熔池，一方面将在渣池和金属熔池中产生微区流动，使两者的温度分布更加均匀，降低凝固界面前沿的温度梯度，从而有助于获得内生生长的条件；另一方面，强大的交变洛伦兹力和压力波还可以打碎界面前沿正在生长的枝晶，同时促进结晶器壁表面的晶核脱落，形成晶核增殖效应；另外，瞬变磁场产生的压力波还可以促进金属熔池中的自发形核，增加形核率。上述这些瞬变磁场带来的综合效应直接导致施加瞬变磁场可以细化电渣锭的枝晶，甚至获得等轴晶组织。另外，瞬变磁场在液态金属熔池中还将产生箍缩力 (Pinch Force)效应，即将金属熔体推离结晶器壁，形成软接触条件，这将大大提高电渣锭的表面质量。
根据以上发明构思，本发明采用下述技术方案一种外加瞬变磁场控制电渣熔铸的方法，对应电渣重熔母电极熔化末端、液态渣池和金属熔池位置施加瞬变磁场，使瞬变磁场作用于电极末端初始熔化产生的正在汇聚长大的大颗金属熔滴，在瞬变磁场产生的交变洛伦兹力和压力波的复合作用下，使金属熔滴呈爆裂式分散，分解成细小的金属熔滴群，细小金属熔滴随机散入渣池中，然后穿过渣池经与渣液充分接触、洗涤后，使细小金属熔滴中的夹杂物和杂质快速进入液渣中，再缓慢沉降汇聚融入渣池下方的金属熔池，最后在结晶器外侧和底部的强制水冷下自下而上结晶凝固，形成凝固铸锭。
上述瞬变磁场的磁感应强度在O. f IOT之间；瞬变磁场由磁场感应线圈产生， 向磁场感应线圈输出的瞬变电流频率为O. f 15000Hz，瞬变电压为5(T2000V，占空比为 (Tl00% ；瞬变电流的波形是正弦波、方形波、锯齿波、三角波、尖峰波或阶梯波。
上述电渣熔铸的熔炼电流优选由直流电源或交流电源提供，电渣熔铸的熔炼电压为10 200V，熔炼电流在10(Γ20000Α，频率O. 01 2000Hz。
上述电渣重熔过程由固态渣引弧启动或由液态渣直接启动。
上述电渣重熔母电极为单电极或多电极，或为小截面，或为大截面电极；所制备的凝固铸锭为圆形铸锭、方形铸锭、板型铸锭或异型铸锭。
上述电渣重熔母电极的材料为黑色金属及合金、有色金属及合金、高温合金或精
所制备的上述凝固铸锭的凝固组织为全等轴晶组织、生长方向为轴向的细化枝晶组织或生长方向为轴向的细化柱状晶组织。
为了实现本发明外加瞬变磁场控制电渣熔铸的方法，还提供一种电渣熔铸装置，由电渣重熔装置和模铸装置结合而成，包括金属自耗电极、电缆、熔炼电源、结晶器、底电极板、结晶器水冷套、底电极冷却装置。熔融渣液位于结晶器的内层铜管内腔中，形成熔融渣池，在熔融渣池下方的金属熔体的下部凝固形成铸锭，底电极板的上表面直接托举铸锭底部，金属自耗电极和底电极板皆通过电缆分别连接到熔炼电源上，金属自耗电极的底端与熔融渣池相互接触，使金属自耗电极、熔融渣池、金属熔体、铸锭内的金属液芯、铸锭和底电极板依次连通形成交变电流的通路，结晶器水冷套直接对结晶器的侧壁进行冷却，底电极冷却装置对底电极板进行冷却，其特征在于在结晶器的外围设置能施加瞬变磁场的磁场生成装置，磁场生成装置包括瞬变磁场线圈、瞬变电流发生电源和线圈升降平台，瞬变电流发生电源向瞬变磁场线圈输出瞬变电流，瞬变磁场线圈非接触并环绕在结晶器的外侧，对应金属自耗电极熔化末端、熔融渣池和金属熔体位置施加瞬变磁场，使瞬变磁场作用于电极末端初始熔化产生的正在汇聚长大的大颗金属熔滴，在瞬变磁场产生的交变洛伦兹力和压力波的复合作用下，使金属熔滴呈爆裂式分散，分解成细小的金属熔滴群，细小金属熔滴随机散入熔融渣池中，然后穿过熔融渣池经与渣液充分接触、洗涤后，使细小金属熔滴中的夹杂物和杂质快速进入熔融渣池中，再缓慢沉降汇聚融入熔融渣池下方的金属熔体，最后在结晶器外侧的结晶器水冷套和在底电极板下部的底电极冷却装置的强制水冷下自下而上结晶凝固，形成凝固的铸锭；同时，由于瞬变磁场的作用，使熔融渣池和金属熔体内感生出感应电流，感应电流和瞬变磁场线圈产生的磁力线相互作用，产生总体向心的洛伦兹力，洛伦兹力对金属熔体施加箍缩力，使熔融渣池的渣液进入到结晶器的内层铜管和凝固的铸锭之间，形成液态润滑层；同时，在瞬变磁场产生的交变洛伦兹力和压力波的复合作用下，打碎金属熔体凝固界面前沿正在生长的枝晶，形成大量的晶核；瞬变磁场线圈与线圈升降平台的升降位移机构固定连接，在整个电渣熔铸过程中，驱动线圈升降平台，随着结晶器的内层铜管内腔中的熔融渣池和金属熔体的熔池不断上升， 使线圈升降平台牵引瞬变磁场线圈随之一起等速上升，以确保瞬变磁场线圈产生的磁场区间与金属自耗电极的熔化末端、熔融渣池和金属熔体的组成区间重合。
上述瞬变磁场线圈优选设置在结晶器外侧的结晶器水冷套外侧，或特别设置在结晶器水冷套的内部。
本发明外加瞬变磁场控制电渣熔铸的方法的操作将自耗电极插入置于铜制水冷结晶器内的渣料中，结晶器外围设有水冷线圈以产生瞬变磁场，在该瞬变磁场作用下进行重熔、精炼并凝固，整套装置称为外加瞬变磁场控制电渣熔铸的装置。瞬变电流发生电源的电压可在5(T2000V范围变化，瞬变电流频率在O. Γ δΟΟΟΗζ范围变化，瞬变电流占空比为0 100%，产生的瞬变磁场的磁感应强度在O.f IOT范围可调。在传统的电渣重熔设备的结晶器外围设置一组或多组线圈，往线圈中通入瞬变电流，即可在线圈绕组内部区域的结晶器中产生瞬变磁场。在水冷结晶器内放入一定量的渣料后，将自耗电极插入渣中某一深度。开启熔炼电源，控制熔炼电压为1(T200V， 熔炼电流在10(Γ20000Α，频率O. Of2000Hz，此时电极通电开始升温。开启瞬变电流发生电源，确保电极末端、渣池及金`属熔池均处于瞬变磁场线圈中，调节电压5(T2000V，电流频率O.f 15000Hz，控制磁感应强度在O. Γ10Τ.当渣液温度高于电极熔点时，电极末端开始逐层熔化，并在末端汇聚长大形成熔滴。在瞬变磁场作用下，熔滴产生爆裂式分散，分裂为更加 细小的多颗熔滴随机散入渣池中。在熔滴穿过渣池的过程中，细小金属熔滴内的非金属夹 杂物及杂质元素将有更多机会被熔渣吸附去除。经渣洗后的细小熔滴缓慢沉降，直到汇聚 融入渣池下方的金属熔池，最后在结晶器外侧及底部的强制水冷下自下而上结晶凝固。由 于金属熔池同样处于瞬变磁场作用区域内，瞬变磁场同样会在金属熔池和固液界面前沿产 生强大的交变洛伦兹力和压力波，进而打碎凝固前沿枝晶，并熔蚀结晶器壁的晶粒形成更 多的游离晶核，达到晶核增殖效应；同时，瞬变磁场产生的压力波促进金属熔池内的自发形 核，大大提高其形核率；而适当频率的瞬变磁场还将在渣池和金属熔池中产生微区流动，使 渣池和金属熔池中的温度分布更均匀，降低凝固界面前沿的温度梯度，从而可能实现内生 生长。所有这些由于瞬变磁场带来的积极效应将导致电渣锭的晶粒细化，甚至有望获得等 轴晶组织。由于电渣重熔工艺中，随着铸锭自下而上结晶，金属熔池和渣池不断向上移动， 故为确保整个电渣过程都在同等瞬变磁场强度下进行，瞬变磁场线圈平台以同等速度上 移。最后，当电极熔化结束，关闭熔炼电源；待凝固结束时，关闭瞬变电流发生电源，钢锭完 全冷却后,关闭冷却水系统后出锭。
本发明中，瞬变磁场线圈可以是单组或多组，磁场强度通过调节电压和放电频率 实现；瞬变电流的波形可以是正弦波、方形波、锯齿波、三角波、尖峰波、阶梯波等。水冷铜管 线圈可以围绕在结晶器不锈钢外壁，同时配有一升降平台，保证电极熔化、精炼及结晶过程 都在同等磁场强度下进行；铜管线圈也可以套在结晶器铜管外围，即置于结晶器水冷套内 部，此时由于线圈与结晶器之间只有I层铜壁，因而可以减小由磁场集肤效应所造成的磁 能损失。电渣熔铸熔炼电源可以采用直流电或交流电，也可由调压调频交流电源提供。电 渣过程可由固态渣引弧启动，也可由液态渣直接启动。外加瞬变磁场控制电渣熔铸实现精 炼细晶的装置适用于各种型号的电渣炉，包括单电极和多电极，小截面和大截面电极。电渣 锭可以是圆形铸锭，也可以是方形或者板型铸锭，还可以是异型的铸锭，只须保证线圈能容 纳结晶器大小并能提供一定强度的瞬变磁场。该装置可用于精炼细晶各种电渣锭产品，包 括钢铁等黑色金属和钛合金、高温合金及精密合金、铝合金、镁合金、铜合金等所有可以用 于电渣精炼的其他合金。
本发明与现有技术相比较，具有如下显而易见的突出实质性特点和显著优点1.当瞬变磁场作用于电极末端熔滴，产生的交变洛伦兹力和压力波复合作用，使熔滴 呈爆裂式分散，分裂成非常细小的熔滴群。熔滴直径的细化，增加了熔滴的比表面积，缩短 了熔滴内的夹杂物和杂质迁移到渣金界面的距离，延长了熔滴在渣池内的沉降时间，有利 于去除熔滴中的非金属夹杂物及杂质元素，提高精炼效率；2.当瞬变磁场作用于液态渣池和金属熔池，一方面将在渣池和金属熔池中产生微区流 动，使两者的温度分布更加均匀，降低凝固界面前沿的温度梯度，从而有助于获得内生生长 的条件；另一方面，强大的交变洛伦兹力和压力波还可以打碎界面前沿正在生长的枝晶，同 时促进结晶器壁表面的晶核脱落，形成晶核增殖效应；瞬变磁场产生的压力波还可以促进 金属熔池中的自发形核，增加形核率。上述这些瞬变磁场带来的综合效应直接导致施加瞬 变磁场极大地细化电渣锭的枝晶，甚至获得等轴晶组织；3.瞬变磁场在液态金属熔池中还将产生箍缩力效应，将金属熔体推离结晶器壁，形成 软接触条件，适当增加液渣膜厚度，从而提高电渣锭的表面质量；液渣模厚度的增加还可以降低径向散热，形成更为良好的轴向传热条件，抑制径向枝晶的生长，甚至获得枝晶呈轴向 生长的组织；4.瞬变磁场使熔滴过热度增大，有利于熔滴内的传质与对流；5.凝固组织的细晶程度同磁场有关，磁场强度越大，铸锭组织越细，宏观偏析越小。同 时，利用金属熔体的共振运动，可在较低的脉冲电源频率下获得很好的细晶效果，降低能 耗；6.瞬变磁场不直接接触金属熔体，无污染；7.本发明可显著提高电渣重熔工艺中非金属夹杂物以及杂质元素的去除效率，优化精 炼效果；细化电渣锭凝固组织，获得表面质量良好、低倍缺陷少、成分均勻、力学性能优异的 金属材料。
图1为本发明实施例一电渣熔铸装置结构示意图。
图2为本发明实施例一瞬变磁场对金属熔体的细晶作用原理图。
具体实施方式
本发明的优选实施例详述如下实施例一参见图1和图2，实现本发明外加瞬变磁场控制电渣熔铸的方法的电渣熔铸装置，由电 渣重熔装置和模铸装置结合而成，包括金属自耗电极1、电缆2、熔炼电源9、结晶器13、底电 极板6、结晶器水冷套8、底电极冷却装置。熔融渣液位于结晶器13的内层铜管内腔中，形 成熔融渣池3，在熔融渣池3下方的金属熔体4的下部凝固形成铸锭5，底电极板6的上表 面直接托举铸锭5底部，金属自耗电极I和底电极板6皆通过电缆2分别连接到熔炼电源9 上，金属自耗电极I的底端与熔融渣池3相互接触，使金属自耗电极1、熔融渣池3、金属熔 体4、铸锭5内的金属液芯、铸锭5和底电极板6依次连通形成交变电流的通路，结晶器水冷 套8直接对结晶器13的侧壁进行冷却，底电极冷却装置对底电极板6进行冷却，其特征在 于在结晶器13的外围设置能施加瞬变磁场的磁场生成装置，磁场生成装置包括瞬变磁场 线圈10、瞬变电流发生电源11和线圈升降平台12。瞬变电流发生电源11向瞬变磁场线圈 10输出瞬变电流18，瞬变磁场线圈10非接触并环绕在结晶器13的外侧，对应金属自耗电 极I熔化末端、熔融渣池3和金属熔体4位置施加瞬变磁场，使瞬变磁场作用于电极末端初 始熔化产生的正在汇聚长大的大颗金属熔滴7，在瞬变磁场产生的交变洛伦兹力14和压力 波15的复合作用下，使金属熔滴7呈爆裂式分散，分解成细小的金属熔滴群，细小金属熔滴 随机散入熔融渣池3中，然后穿过熔融渣池3经与渣液充分接触、洗涤后，使细小金属熔滴 中的夹杂物和杂质快速进入熔融渣池3中，再缓慢沉降汇聚融入熔融渣池3下方的金属熔 体4，最后在结晶器13外侧的结晶器水冷套8和在底电极板6下部的底电极冷却装置的强 制水冷下自下而上结晶凝固，形成凝固的铸锭5 ;同时，由于瞬变磁场的作用，使熔融渣池3和金属熔体4内感生出感应电流19，感应电 流19和瞬变磁场线圈10产生的磁力线17相互作用，产生总体向心的洛伦兹力14，洛伦兹 力14对金属熔体4施加箍缩力，使熔融渣池3的渣液进入到结晶器13的内层铜管和凝固的铸锭5之间，形成液态润滑层；同时，在瞬变磁场产生的交变洛伦兹力14和压力波15的复合作用下,打碎金属熔体4 凝固界面前沿正在生长的枝晶，形成大量的晶核16 ；瞬变磁场线圈10与线圈升降平台12的升降位移机构固定连接，在整个电渣熔铸过程中，驱动线圈升降平台12，随着结晶器13的内层铜管内腔中的熔融渣池3和金属熔体4的熔池不断上升，使线圈升降平台12牵引瞬变磁场线圈10随之一起等速上升，以确保瞬变磁场线圈10产生的磁场区间与金属自耗电极I的熔化末端、熔融渣池3和金属熔体4的组成区间重合。
在本实施例中，瞬变磁场线圈10设置在结晶器13外侧的结晶器水冷套8外侧，或设置在结晶器水冷套8的内部。
在本实施例中，采用GCrl5轴承钢作为外加瞬变磁场控制电渣熔铸的方法及装置的实施例用特殊钢，GCrl5轴承钢铸造成Φ300πιπι，长度2000mm的自耗电极，并在电渣重熔前除去表面的氧化皮。
在本实施例中，参见图1和图2，电渣熔铸装置的瞬变磁场线圈10放置在线圈升降平台12上，并环绕在结晶器13的不锈钢外壁外侧，瞬变磁场线圈10与结晶器13之间具有良好绝缘且可以自由移动，同时保证电渣重熔的熔化、精炼和凝固过程都在有效磁场作用区内。
将金属自耗电极I与底电极板6分别接到熔炼电源9两极，将3200g渣液 (CaF270%+Al20330%)倒入结晶器13中，结晶器13的内孔口径为500mm，高度为1200mm。采用固态渣引弧方法启动，将金属自耗电极I插入结晶器13的内层结晶器铜管中的熔融渣池3 中，给结晶器水冷套8通入冷却水。熔炼电源9采用工频交变电流，调节输入电流为5000A。 电流通过金属自耗电极I进入熔融渣池3产生大量焦耳热，待电极末端渣液温度达到金属自耗电极I熔点时，金属自耗电极I的末端开始逐层熔化。调节瞬变电流发生电源11，往瞬变磁场线圈中通入瞬变电流18，使得电压峰值为1000V，瞬变电流18的频率为50Hz，使瞬变磁场线圈10中的峰值磁感应强度为2T，磁力线为轴向方向。在瞬变磁场作用下，熔化的金属熔滴7将爆裂成大量细小的熔滴，经与渣液充分接触、洗涤，使熔滴中的夹杂物以及杂质快速进入液渣中，然后细小的熔滴穿过熔融渣池3汇入金属熔体4的熔池，在底电极板6的底电极冷却装置强制冷却作用下成为凝固的铸锭5。同样由于瞬变磁场的作用，熔融渣池3 和金属熔体4将感生出感应电流19，该感应电流19和瞬变磁场线圈10产生的磁力线17作用，产生总体向心的洛伦兹力14。该洛伦兹力14可以对金属熔体4形成箍缩力效应，使渣液进入到结晶器13的内层结晶器铜管和凝固铸的锭5之间，形成润滑效应，从而提高铸锭 5的表面质量。而强大的洛伦兹力14还将形成洛伦兹力压力波15，形成局部的微观流动， 使熔融渣池3和金属熔体4中的温度更加均匀，温度梯度变缓，金属熔体4和铸锭5之间的凝固界面前沿的枝晶尖端被震碎，形成晶核增殖效应。同时压力波还将促进形核率的提高， 在凝固界面前沿形成大量的晶核16，则可以促进铸锭5的组织为细化的枝晶组织，甚至为全等轴晶组织。在整个结晶器13内熔融渣池3和金属熔体4不断上升，线圈升降平台12 随之一起等速上升，以确保瞬变磁场线圈10产生的磁场区间与金属自耗电极I的熔化端、 熔融渣池3和金属熔体4组成区间重合。当电渣过程结束时，关闭熔炼电源9 ;待凝 固结束时，关闭瞬变电流发生电源11。铸淀5完全冷却后,关闭结晶器水冷套8冷却水系统,从结晶器13中取出铸锭5，即可得到高纯净度、晶粒细化的轴承钢电渣锭。
在本实施例中，在传统电渣重熔设备的结晶器外围设置一组或多组线圈，往线圈 中通入瞬变电流，即可在结晶器13区域内部产生瞬变磁场。瞬变磁场作用于金属熔滴7，在 交变洛伦兹力14和压力波15复合作用下，熔滴爆裂式分散为细小的熔滴群，从而强化非金 属夹杂物和杂质元素的渣金反应条件，提高精炼效率。交变洛伦兹力14和压力波15共同 作用于渣池和金属熔池，产生微区流动，降低凝固界面前沿的温度梯度；同时打碎固液界面 前沿正在生长的枝晶，促进结晶器壁表面的晶核脱落，形成晶核增殖效应；此外，压力波15 还促进金属熔池中的自发形核，增加形核率。所有这些瞬变磁场带来的综合效应将极大地 细化电渣锭的枝晶，甚至获得等轴晶组织。该发明具有工艺简单、无污染、净化效率高、细晶 效果好等优点，适用于精炼细晶各种电渣锭产品。
实施例二 本实施例与实施例一基本相同，特别之处在于在本实施例中，瞬变磁场线圈10设置在结晶器水冷套8的内部，可以直接对瞬变磁场 线圈10降温，形成有效冷却的水冷线圈，便于输出稳定有效的磁场。
上面结合附图对本发明实施例进行了说明，但本发明不限于上述实施例，还可以 根据本发明的发明创造的目的做出多种变化，凡依据本发明技术方案的精神实质和原理下 做的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，只要符合本发明的发明目的，只 要不背离本发明外加瞬变磁场控制电渣熔铸的方法和电渣熔铸装置的技术原理和发明构 思，都属于本发明的保护范围。
权利要求
1.一种外加瞬变磁场控制电渣熔铸的方法，其特征在于对应电渣重熔母电极熔化末端、液态渣池和金属熔池位置施加瞬变磁场，使瞬变磁场作用于电极末端初始熔化产生的正在汇聚长大的大颗金属熔滴，在瞬变磁场产生的交变洛伦兹力和压力波的复合作用下， 使金属熔滴呈爆裂式分散，分解成细小的金属熔滴群，细小金属熔滴随机散入渣池中，然后穿过渣池经与渣液充分接触、洗涤后，使细小金属熔滴中的夹杂物和杂质快速进入液渣中， 再缓慢沉降汇聚融入渣池下方的金属熔池，最后在结晶器外侧和底部的强制水冷下自下而上结晶凝固，形成凝固铸锭。
2.根据权利要求1所述的外加瞬变磁场控制电渣熔铸的方法，其特征在于瞬变磁场的磁感应强度在ο. Γιοτ ;瞬变磁场由磁场感应线圈产生，向磁场感应线圈输出的瞬变电流频率为O. l 15000Hz，瞬变电压为5(T2000V，占空比为(Tl00% ;瞬变电流的波形是正弦波、方形波、锯齿波、三角波、尖峰波或阶梯波。
3.根据权利要求1或2所述的外加瞬变磁场控制电渣熔铸的方法，其特征在于电渣熔铸的熔炼电流由直流电源或交流电源提供，电渣熔铸的熔炼电压为1(T200V，熔炼电流在 100 20000Α，频率 O. 01 2000Hz。
4.根据权利要求1或2所述的外加瞬变磁场控制电渣熔铸的方法，其特征在于电渣重熔过程由固态渣引弧启动或由液态渣直接启动。
5.根据权利要求1或2所述的外加瞬变磁场控制电渣熔铸的方法，其特征在于渣重熔母电极为单电极或多电极，或为小截面，或为大截面电极；所制备的凝固铸锭为圆形铸锭、方形铸锭、板型铸锭或异型铸锭。
6.根据权利要求1或2所述的外加瞬变磁场控制电渣熔铸的方法，其特征在于电渣重熔母电极的材料为黑色金属及合金、有色金属及合金、高温合金或精密合金。
7.根据权利要求1或2所述的外加瞬变磁场控制电渣熔铸的方法，其特征在于所制备的凝固铸锭的凝固组织为全等轴晶组织、生长方向为轴向的细化枝晶组织或生长方向为轴向的细化柱状晶组织。
8.一种实现权利要求1或2所述的外加瞬变磁场控制电渣熔铸的方法的电渣熔铸装置，由电渣重熔装置和模铸装置结合而成，包括金属自耗电极(I)、电缆(2)、熔炼电源(9)、 结晶器(13)、底电极板(6)、结晶器水冷套(8)、底电极冷却装置，熔融渣液位于所述结晶器(13)的内层铜管内腔中，形成熔融渣池(3)，在熔融渣池(3)下方的金属熔体(4)的下部凝固形成铸锭(5)，所述底电极板(6)的上表面直接托举铸锭(5)底部，所述金属自耗电极(I)和所述底电极板(6)皆通过所述电缆(2)分别连接到所述熔炼电源(9)上，所述金属自耗电极(I)的底端与熔融渣池(3)相互接触，使金属自耗电极(I)、熔融渣池(3)、金属熔体(4)、铸锭(5)内的金属液芯、铸锭(5)和所述底电极板(6)依次连通形成交变电流的通路，所述结晶器水冷套(8)直接对结晶器(13)的侧壁进行冷却，所述底电极冷却装置对所述底电极板(6)进行冷却，其特征在于在所述结晶器(13)的外围设置能施加瞬变磁场的磁场生成装置，所述磁场生成装置包括瞬变磁场线圈(10)、瞬变电流发生电源(11)和线圈升降平台(12)，瞬变电流发生电源(11)向所述瞬变磁场线圈(10)输出瞬变电流(18)，所述瞬变磁场线圈(10)非接触并环绕在所述结晶器(13)的外侧，对应金属自耗电极(I)熔化末端、熔融渣池(3)和金属熔体(4)位置施加瞬变磁场，使瞬变磁场作用于电极末端初始熔化产生的正在汇聚长大的大颗金属熔滴(7)，在瞬变磁场产生的交变洛伦兹力(14)和压力波(15)的复合作用下，使金属熔滴(7)呈爆裂式分散，分解成细小的金属熔滴群，细小金属熔滴随机散入熔融渣池(3)中，然后穿过熔融渣池(3)经与渣液充分接触、洗涤后，使细小金属熔滴中的夹杂物和杂质快速进入熔融渣池(3)中，再缓慢沉降汇聚融入熔融渣池(3)下方的金属熔体(4)，最后在所述结晶器(13)外侧的结晶器水冷套(8)和在底电极板(6)下部的底电极冷却装置的强制水冷下自下而上结晶凝固，形成凝固的铸锭(5);同时，由于瞬变磁场的作用，使熔融渣池(3)和金属熔体(4)内感生出感应电流(19)， 感应电流(19)和所述瞬变磁场线圈(10)产生的磁力线(17)相互作用，产生总体向心的洛伦兹力(14)，洛伦兹力(14)对金属熔体(4)施加箍缩力，使熔融洛池(3)的洛液进入到所述结晶器(13)的内层铜管和凝固的铸锭(5)之间，形成液态润滑层；同时，在瞬变磁场产生的交变洛伦兹力(14)和压力波(15)的复合作用下,打碎金属熔体(4)凝固界面前沿正在生长的枝晶，形成大量的晶核(16)；所述瞬变磁场线圈(10)与所述线圈升降平台(12)的升降位移机构固定连接，在整个电渣熔铸过程中，驱动所述线圈升降平台(12)，随着所述结晶器(13)的内层铜管内腔中的熔融渣池(3)和金属熔体(4)的熔池不断上升，使所述线圈升降平台(12)牵引所述瞬变磁场线圈(10)随之一起等速上升，以确保所述瞬变磁场线圈(10)产生的磁场区间与所述金属自耗电极(I)的熔化末端、熔融渣池(3)和金属熔体(4)的组成区间重合。
9.根据权利要求8所述的电渣熔铸装置，其特征在于所述瞬变磁场线圈(10)设置在所述结晶器(13)外侧的所述结晶器水冷套(8)外侧，或设置在所述结晶器水冷套(8)的内部。
全文摘要
本发明公开了一种外加瞬变磁场控制电渣熔铸的方法，对应电渣重熔母电极熔化末端、液态渣池和金属熔池位置施加瞬变磁场，使瞬变磁场作用于电极末端初始熔化产生的正在汇聚长大的大颗金属熔滴，在瞬变磁场产生的交变洛伦兹力和压力波的复合作用下，使金属熔滴呈爆裂式分散，分解成细小的金属熔滴群，随机散入渣池中，然后穿过渣池经与渣液充分接触、洗涤后，使细小金属熔滴中的夹杂物和杂质快速进入液渣中，缓慢沉降汇聚融入渣池下方的金属熔池，最后结晶凝固形成凝固铸锭。本发明还提供一种电渣熔铸装置，在电渣熔铸过程中施加瞬变磁场，通过其独特的电磁力效应达到细化熔滴提高精炼效率、细化晶粒、减小铸锭偏析技术发明目的，实现产业应用价值。
文档编号B22D27/02GK103056344SQ20131001742
公开日2013年4月24日 申请日期2013年1月18日 优先权日2013年1月18日
发明者钟云波, 吴秋芳, 冯美龙, 李强, 郑天祥, 孙宗乾, 雷作胜, 任维丽 申请人:上海大学