空心管坯连铸过程中去除非金属夹杂物的方法及装置制造方法
【专利摘要】本发明公开了一种空心管坯连铸过程中去除非金属夹杂物的方法及装置，其中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，向浇注腔中的金属熔体施加旋转搅拌磁场，其频率范围是5～60Hz，电流大小是50～600A；步骤2，在空心金属管坯连铸设备的内结晶器的内侧，向浇注腔中的金属熔体施加行波搅拌磁场，其频率范围是50～1000Hz，电流大小是50～150A；在连铸过程中，金属熔体不断地浇注入浇注腔中，在施行步骤1的同时同步施行步骤2，并以一定的速度拉动浇注腔的底模，获得连铸空心管坯。本发明在空心管坯连铸过程中较为彻底去除大尺寸的非金属夹杂物颗粒的同时，还能更加有效地去除小尺寸的非金属夹杂物。
【专利说明】 空心管坯连铸过程中去除非金属夹杂物的方法及装置
【技术领域】
[0001]本发明属于连铸空心管坯的制备领域，特别涉及到一种在连铸过程中采用组合式电磁场去除连铸管坯内非金属夹杂物，进而提高管坯纯净度的方法以及装置。
【背景技术】
[0002]随着我国的航空航天、石油化工、高铁、风电等行业的快速发展，对高端轴承需求量大幅增长，如石油化工用的压力流体输送管线、航空航天和高铁上用于制造滚动轴承的滚动体和套圈等，这些轴承在工作时承受着极大的压力和摩擦力，所以要求轴承钢有高而均匀的硬度和耐磨性，以及高的弹性极限，因此对轴承钢的化学成分的均匀性、非金属夹杂物的含量和分布等要求都十分严格，如对于精密轴承钢，50 μ m大小的夹杂物都不允许存在，是所有钢铁生产中要求最严格的钢种之一。
[0003]轴承钢的原材料的纯净度决定着最终零件的纯净度，随着环境保护、节约能源的要求越来越高，轴承钢坯的生产经历了由模铸到连铸再到空心管坯连铸的转变，空心管坯连铸为近终形连铸技术，可以省去穿孔工序，大幅度的提高了生产效率，节省能源。
[0004]在连铸过程中，通常在大包和中间包阶段采用吹气搅拌的方法能够去除部分大颗粒的非金属夹杂物，而残留的夹杂物就通过浸入式水口进入到结晶器内，此阶段采用的去除夹杂物的方法主要有:电磁制动法、电磁挤压法、电磁搅拌法，其中电磁制动法主要用于去除大尺寸的非金属夹杂物颗粒，对于小尺寸颗粒的上浮无明显影响；而电磁挤压法即在连铸过程中施加电磁线圈，通过电磁挤压力去除夹杂物，对连铸坯表层附近的夹杂物去除效果较好，但对熔体中心部的夹杂物的去除效果不明显，对于连铸空心管坯而言，重点是解决管坯内、外表层的夹杂物，如果采用电磁挤压法对管坯内表面附近的非金属夹杂物的去除效果不明显，因此不宜采用；电磁搅拌即通过在连铸坯外部施加搅拌磁场，通过搅拌力促使小尺寸颗粒相互碰撞形成大尺寸颗粒，依靠颗粒的浮力作用上浮从而进行去除，但是对于空心管坯连铸，由于存在内、外两个结晶器，两个壁面增加了颗粒上浮的粘滞力，同时，如果非金属夹杂物的密度与熔体密度比较接近，则去除效率更低。还有一种通过在管坯连铸过程中施加电磁线圈和螺旋磁场的方法来改善连铸管坯的质量，此方法的主要目的是为了细化晶粒，改善管坯的内外表面质量，对小尺寸夹杂物颗粒的去除效果并不明显。
[0005]总之，以上技术方式均无法显著的提高空心管坯连铸过程中小尺寸非金属夹杂物的去除效率。由上述可见，现有技术中空心管坯在连铸过程中去除非金属杂物的方式还有待于更进一步的改进。
【发明内容】
[0006]本发明的任务在于解决现有技术中空心管坯在连铸过程中去除非金属杂物的方式存在的技术缺陷，提供一种空心管坯连铸过程中去除非金属夹杂物的方法，以及一种空心管坯连铸过程中去除非金属夹杂物的装置。
[0007]其技术解决方案是:[0008]一种空心管坯连铸过程中去除非金属夹杂物的方法，包括以下步骤:
[0009]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旋转搅拌磁场，该旋转搅拌磁场的线圈中通入三相交流电，其频率范围是5?60Hz，电流大小是50?600A ；
[0010]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行波搅拌磁场，该行波搅拌磁场的线圈中通入三相交变电流，其频率范围是50?1000Hz，电流大小是50?150A ；
[0011]在连铸过程中，金属熔体不断地浇注入浇注腔中，在施行步骤I的同时同步施行步骤2，或在施行步骤I的过程中间歇实行步骤2，并以一定的速度拉动浇注腔的底模，获得连铸空心管坯。
[0012]上述空心金属管坯为钢管坯，所述金属熔体为钢液，钢管坯的外径为500mm、内径为200mm以上的连铸空心管坯。
[0013]上述步骤I中，旋转搅拌磁场的电流大小是300?600A ;上述步骤2中，行波搅拌磁场的频率范围是500?IOOOHz。
[0014]上述步骤I中，旋转搅拌磁场的电流大小是400?500A ;上述步骤2中，行波搅拌磁场的频率范围是700?800Hz。
[0015]一种空心管坯连铸过程中去除非金属夹杂物的装置，包括外结晶器与内结晶器，内结晶器与外结晶器之间形成浇注腔，浇注腔的底部设置有能够拉动的底模；上述装置还包括设置在外结晶器外侧的旋转搅拌磁场感应器，与设置在内结晶器内部的行波搅拌磁场感应器。
[0016]上述行波搅拌磁场感应器包括第一电磁感应器、冷却水路以及圆柱形壳体，第一电磁感应器是由在第一铁芯402上绕制的第一电磁线圈制成的,第一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°，其频率范围是50?1000Hz,电流大小是50?150A ;上述旋转搅拌磁场感应器包括第二电磁感应器、冷却水路以及圆柱形壳体，第二电磁感应器是由在第二铁芯上绕制的第二电磁线圈制成的，通入三相交变电流，每相电流间的相位差为120°，其频率范围是5?60Hz，电流大小是50?600A。
[0017]本发明具有以下有益技术效果:
[0018]本发明考虑到连铸空心管坯的特点，施加一种组合电磁场来去除非金属夹杂物颗粒，即在连铸管坯的外结晶器处施加旋转式搅拌磁场，同时在连铸管坯的内结晶器中施加行波式搅拌磁场，其去除原理是:在管坯外结晶器处施加旋转式搅拌磁场，在搅拌磁场离心力的作用下，非金属夹杂物容易向空心管坯内壁附近聚集，并相互碰撞形成大尺寸的夹杂物颗粒，同时，在内结晶器中施加行波式搅拌磁场，在管坯内壁附近产生较大的向上电磁作用力，从而促使聚集在内壁附近的夹杂物获得较大的上浮力，因此去除非金属夹杂物。本发明在空心管坯连铸过程中较为彻底去除大尺寸的非金属夹杂物颗粒的同时，还能更加有效地去除小尺寸的非金属夹杂物。
【专利附图】
【附图说明】
[0019]下面结合附图与实施方式对本发明作更进一步的说明:[0020]图1为一种适用于本发明的一种空心管坯连铸过程中去除非金属夹杂物的装置的结构原理示意图。
[0021]图2示出的是上述装置中能向浇注入由内、外结晶器形成的浇注腔中金属熔体施加行波搅拌磁场的行波搅拌磁场感应器。
[0022]图3示出的是上述装置中能向浇注入由内、外结晶器形成的浇注腔中金属熔体施加旋转搅拌磁场的旋转搅拌磁场感应器。
【具体实施方式】
[0023]结合图1、图2与图3，首先有必要例举一种适用于本发明的一种空心管坯连铸过程中去除非金属夹杂物的装置，该装置适用于空心金属管坯连铸设备(机)，包括外结晶器
1、内结晶器2，内结晶器2与外结晶器I之间形成浇注腔3，浇注腔3的底部设置有能够拉动的底模。上述装置还包括设置在外结晶器外侧的旋转搅拌磁场感应器5，与设置在内结晶器内部的行波搅拌磁场感应器4。上述行波搅拌磁场感应器4包括第一电磁感应器401、冷却水路以及圆柱形壳体(未不出),第一电磁感应器是由在第一铁芯402上绕制的第一电磁线圈403制成的，第一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°，电流大小是50?150A，交变电流的频率为50?1000Hz，优选为500?1000Hz，更为优选700?800Hz，通过初步试验得出行波搅拌磁场的频率略高是因为频率越高集肤效应越明显，则空心管坯内表面处的电磁力要远大于远离空心管坯内表面处的电磁力，这样有利于促使表层聚集的夹杂物上浮，而不会使远离表层处的夹杂物进入熔体内部。所施加的行波磁场可以是连续性施加，也可以间歇性施加，这样可以给旋转磁场搅拌下的非金属夹杂物充足的聚合时间，间歇周期优选为I?3s。上述旋转搅拌磁场感应器5包括第二电磁感应器501、冷却水路以及圆柱形壳体(未示出)，第二电磁感应器是由在第二铁芯502上绕制的第二电磁线圈503制成的，通入三相交变电流，每相电流间的相位差为120°，通过初步试验得出为了使熔体内产生足够大的电磁搅拌离心力使非金属夹杂物聚合在管坯内表面附近，需要较大的电流，电流大小为50?600A，优选为300?600A，更为优选400?500A，其频率范围是5?60Hz。
[0024]优选地，为了防止非金属夹杂物被凝固坯壳捕获，旋转搅拌磁场的中心位置应处于浇注腔内注入金属熔体(诸如钢液)的完全液相区，旋转搅拌磁场的中心位置略高于行波磁场的中心位置。
[0025]结合上述装置，本发明一种空心管坯连铸过程中去除非金属夹杂物的方法，包括以下步骤:
[0026]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旋转搅拌磁场，该旋转搅拌磁场的线圈中通入三相交流电，其频率范围是5?60Hz，电流大小是50?600A ；
[0027]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行波搅拌磁场，该行波搅拌磁场的线圈中通入三相交变电流，其频率范围是50?1000Hz，电流大小是50?150A ；
[0028]在连铸过程中，金属熔体不断地浇注入浇注腔中，在施行步骤I的同时同步施行与步骤2，即所施加的行波磁场是连续性施加，并以一定的速度拉动浇注腔的底模，获得连铸空心管坯。
[0029]优选地，在连铸过程中，金属熔体不断地浇注入浇注腔中，在施行步骤I的过程中间歇实行步骤2，即所施加的行波磁场是间歇性施加，这样可以给旋转磁场搅拌下的非金属夹杂物充足的聚合时间，间歇周期优选为I?3s。
[0030]优选地，上述步骤I中，旋转搅拌磁场的电流大小是300?350A ;上述步骤2中，行波搅拌磁场的频率范围是500?650Hz。该优选方式，不仅能够彻底地去除大尺寸的非金属夹杂物颗粒，对小尺寸夹杂物颗粒的去除率可达到70%。
[0031]优选地，上述步骤I中，旋转搅拌磁场的电流大小是550?600A ;上述步骤2中，行波搅拌磁场的频率范围是850?1000Hz。该优选方式，不仅能够彻底地去除大尺寸的非金属夹杂物颗粒，对小尺寸夹杂物颗粒的去除率可达到80%。
[0032]更为优选地，上述步骤I中，旋转搅拌磁场的电流大小是400?500A ;上述步骤2中，行波搅拌磁场的频率范围是700?800Hz。该优选方式，不仅能够更彻底地去除大尺寸的非金属夹杂物颗粒，对小尺寸夹杂物颗粒的去除率更是可达到90% ;而且还能够显著的改善管坯的宏观凝固组织。
[0033]本发明中的空心金属管坯为钢管坯，所述金属熔体为钢液，由于行波磁场和旋转磁场的作用区域的问题，本发明特别适用于生产外径为500mm、内径为200mm以上的连铸空心管坯。
[0034]需要说明的是，在本说明书的教导下本领域技术人员还可以作出这样或那样的容易变化方式，诸如等同方式，或明显变形方式。上述的变化方式均应在本发明的保护范围之内。
【权利要求】
1.一种空心管坯连铸过程中去除非金属夹杂物的方法，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旋转搅拌磁场，该旋转搅拌磁场的线圈中通入三相交流电，其频率范围是5?60Hz，电流大小是50?600A ； 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行波搅拌磁场，该行波搅拌磁场的线圈中通入三相交变电流，其频率范围是50?1000Hz，电流大小是50?150A ； 在连铸过程中，金属熔体不断地浇注入浇注腔中，在施行步骤I的同时同步施行步骤2，或在施行步骤I的过程中间歇实行步骤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所述的一种空心管坯连铸过程中去除非金属夹杂物的方法，其特征在于:上述空心金属管坯为钢管坯，所述金属熔体为钢液，钢管坯的外径为500mm左右、内径为200mm以上的连铸空心管坯。
3.根据权利要求1所述的一种空心管坯连铸过程中去除非金属夹杂物的方法，其特征在于:上述步骤I中，旋转搅拌磁场的电流大小是300?600A ;上述步骤2中，行波搅拌磁场的频率范围是500?IOOOHz。
4.根据权利要求3所述的一种空心管坯连铸过程中去除非金属夹杂物的方法，其特征在于:上述步骤I中，旋转搅拌磁场的电流大小是400?500A ;上述步骤2中，行波搅拌磁场的频率范围是700?800Hz。
5.根据权利要求1所述的一种空心管坯连铸过程中去除非金属夹杂物的方法，其特征在于:在施行步骤I的过程中间歇实行步骤2，间歇周期为I?3s。
6.一种空心管坯连铸过程中去除非金属夹杂物的装置，包括外结晶器与内结晶器，内结晶器与外结晶器之间形成浇注腔，浇注腔的底部设置有能够拉动的底模；其特征在于:上述装置还包括设置在外结晶器外侧的旋转搅拌磁场感应器，与设置在内结晶器内部的行波搅拌磁场感应器。
7.根据权利要求6所述的一种空心管坯连铸过程中去除非金属夹杂物的装置，其特征在于:上述行波搅拌磁场感应器包括第一电磁感应器、冷却水路以及圆柱形壳体，第一电磁感应器是由在第一铁芯上绕制的第一电磁线圈制成的，第一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°，其频率范围是50?1000Hz，电流大小是50?150A ;上述旋转搅拌磁场感应器包括第二电磁感应器、冷却水路以及圆柱形壳体，第二电磁感应器是由在第二铁芯上绕制的第二电磁线圈制成的，通入三相交变电流，每相电流间的相位差为120°，其频率范围是5?60Hz，电流大小是50?600A。
【文档编号】B22D11/115GK103447490SQ201310395924
【公开日】2013年12月18日 申请日期:2013年9月4日 优先权日:2013年9月4日
【发明者】张琦 申请人:青岛理工大学