一种纳米晶母合金熔铸系统及熔铸方法与流程

本发明涉及冶金，特别涉及一种纳米晶母合金熔铸系统及熔铸方法。

背景技术：

1、常规的纳米晶母合金的制备，通常是通过熔炉生成钢液，再将钢液通过浇钢道浇注在模具中，等母合金成型后再取出。

2、但是，在钢液冷却过程中，金属降温凝固释放的大量的热被锭模本体吸收，吸收后通过热辐射传导到空气中，热交换速度慢，模具与钢液接触的部位容易出现粘连、划伤、掉块等现象，降低了生产效率的同时，还影响了模具的使用寿命，提升了成本；另外也降低了母合金产品的质量。

3、因此，如何提高纳米晶母合金熔铸的效率、提升产品质量，且降低生产成本，成为了本领域一个亟待解决的技术问题。

4、另外，高端纳米晶带材向超宽超薄方向发展，要求钢液具有更高的流动性和洁净度。纳米晶合金熔体因为含有大量的nb元素具有很高的粘度，因而流动性很差，可以通过大幅度提升钢液温度或者添加si、b、p等类金属元素来提高熔体的流动性。而且制备18um以下纳米晶超薄带必须使用超窄0.2mm以下超窄嘴缝喷嘴，钢液中夹杂物一旦在喷嘴处聚集结瘤，就会改变喷嘴钢液流场造成带面划痕等缺陷，甚至引起包动造成制带终止，这就对钢液纯净度提出了更高的要求。而工业磷铁、磷铁等原料含有大量的al杂质，直接影响钢液的洁净度。因此，降低钢液中al杂质含量是生产宽幅超薄带材必须解决的问题，是提高母合金质量必须要解决的问题之一。

技术实现思路

1、本发明的目的在于提供一种纳米晶母合金熔铸系统及熔铸方法，纳米晶母合金熔铸系统能够提高纳米晶母合金熔铸的效率、提升产品质量，且降低生产成本。

2、为了达到上述目的，本发明提供以下技术方案：

3、一种纳米晶母合金熔铸系统，包括：熔炉、浇钢道、以及钢锭模装置；熔炉用于熔炼钢液，浇钢道用于将熔炉制备的钢液浇注到钢锭模装置中，钢锭模装置包括钢锭模本体，钢锭模本体用于容纳由浇钢道浇注的钢液、以令钢液在钢锭模本体中冷却；浇钢道由外到内依次包括外壳、耐火材料填充层以及玻璃内衬；玻璃内衬的内腔构成浇道本体，浇道本体用于流通钢液；钢锭模装置还包括液冷板，液冷板安装于钢锭模本体的底部，液冷板内部流通冷却液。

4、这种纳米晶母合金熔铸系统，在钢液通过浇钢道由熔炉浇注至钢锭模本体时，由于耐火材料填充层的内腔中设置有玻璃内衬，玻璃的材质表面较为光滑、且与钢液不浸润，能够提升钢液的流速，且玻璃在高温下的热稳定较好、热传导系数低，能够减少氧化和温降，不易与钢液反应而污染钢液；浇钢完成后，玻璃材质冷却会发生晶型转变从而形成裂纹，易于浇道本体表面的清理，清理后的玻璃残渣和残钢可以回炉重熔，玻璃熔化后可以形成保护渣，钢液收得率高。每次浇注完成后清理浇道，只需清理玻璃内衬，采用少量塑性料固定新的玻璃内衬即可再次浇钢，极大的降低了浇道本体的磨损，提升了浇道的使用寿命；

5、另外，浇注时，由于液冷板内部流通冷却液，且液冷板安装于钢锭模本体的底部，则冷却液能够实现对钢锭模本体的降温，从而提升纳米晶母合金的冷却速度，保障了钢锭模本体的使用寿命，同时提升了制备的效率以及产品的质量。

6、因此，这种纳米晶母合金熔铸系统，能够提高纳米晶母合金熔铸的效率、提升产品质量，且降低生产成本。

7、可选地，耐火材料填充层包括石墨内衬以及设置于石墨内衬外层的电磁加热层；电磁加热层用于感应加热石墨内衬以提升浇道本体的温度。

8、可选地，石墨内衬与电磁加热层之间设置有保温层。

9、可选地，钢锭模装置还包括风冷装置；风冷装置能够对钢锭模本体吹出冷空气。

10、可选地，钢锭模装置包括框架以及安装于框架的浇钢盘和多个模具，多个模具构成钢锭模本体；浇钢盘具有一条流道，流道上具有多个出钢口，多个出钢口与多个模具一一对应设置；在任一对互相对应的出钢口和模具中：模具通过出钢口与流道连通。

11、可选地，每个模具与框架均可拆卸连接。

12、可选地，钢锭模装置还包括移动装置和驱动装置；钢锭模本体和液冷板均安装于移动装置；移动装置具有轮滚，驱动装置用于驱动滚轮以令移动装置移动，使得钢锭模本体能够对准浇道本体。

13、一种纳米晶母合金熔铸方法，适用于上述的任一种纳米晶母合金熔铸系统，包括如下步骤：

14、母合金钢液熔炼步骤：在熔炉中，采用纯铁、结晶硅、硼铁、磷铁、铌铁和铜作为原料，经熔炼得到母合金钢液；

15、浇铸步骤：将制得的所述母合金钢液经浇钢道浇注至钢锭模本体；然后所述母合金钢液在钢锭模本体中进行冷却，以形成母合金钢锭。

16、可选地，在母合金钢液熔炼步骤中，所述经熔炼得到母合金钢液具体包括以下步骤：

17、(1)一次纯铁布料，一次熔化，一次保温，一次打渣；

18、(2)二次铜、硼铁布料，二次熔化，二次保温，二次打渣；

19、(3)三次铌铁布料，三次熔化，三次保温，一次造渣，三次打渣；

20、(4)四次磷铁布料，四次熔化，四次保温，二次造渣，四次打渣；

21、(5)五次结晶硅布料，五次熔化，高温均质化，五次打渣；

22、(6)降温，六次保温，六次打渣；

23、(7)出钢得到母合金钢液，所述出钢的温度为1200-1250℃；

24、可选地，母合金为fesibpnbmocu系纳米晶母合金；其中，杂质铝的质量含量在0.002％以下。

25、优选地，所述fesibpnbmocu系纳米晶母合金，按原子百分比计，si:0.1～15％，b:0.1～10％，p:0～10％，nb:0.1～4％，mo:0～4％，cu:0.5～2％，其余为fe；

26、本发明的母合金钢液熔炼工艺，从组分含量最高、最洁净的原料开始化料，分步去铝打渣，对铝含量高的原料加入后通过特定除渣剂去铝，保证每次进行下一步化料前，钢液都预先实现该原材料的高洁净化，充分利用原料吸放热进行化钢温度设计，加快冶炼节奏，通过高温均质化实现钢液性质温度，最终实现高洁净母合金一次冶炼成功喷带。

27、可选地，所述制备方法中，所述原料磷铁中al含量≥0.3wt％、铌铁中al含量≥0.3wt％。本发明方法无论原料中al含量高还是低均可以将最终得到的母合金中的al含量控制在0.002wt％以下，本发明方法尤其适合磷铁和铌铁中al含量高于0.3wt％的。

28、可选地，所述制备方法中，以重量计，原料按照纯铁：结晶硅：硼铁：磷铁：铌铁：铜＝740:80:46:44:80:10进行配料。

29、可选地，步骤(1)中，所述一次纯铁布料为：根据炉容一次性加入全部纯铁。

30、可选地，步骤(1)中，所述一次熔化前还进行烘炉：启炉前将底吹氩压力给至最大以功率100kw，烘炉10min。烘炉阶段通氩气防止纯铁被氧化，烘炉完成关闭氩气。

31、可选地，步骤(1)中，所述一次熔化为：在冶炼炉所能达到的最大功率即1000kw下化钢，待纯铁全部化清后打开氩气阀门，使得氩气每秒冒出约1～2个气泡。熔化纯铁时吹氩搅动钢液实现钢液均温，将功率调整至最大，以保证熔化纯铁所需温度，避免温度不足。

32、更进一步地，所述纯铁全部化清的时间为40～60min。

33、可选地，步骤(1)中，所述一次保温为：继续以最大功率1000kw将钢水升温至1600±10℃，然后调整功率至520kw，保温5min，保温过程不盖炉盖。不盖炉盖能够使得钢液在电磁搅拌下充分吸氧，充分烧损纯铁中含有的铝以形成al2o3，降低钢液al含量至0.002wt％以下。

34、可选地，步骤(1)中，所述一次打渣为：一次保温结束后打净纯铁的夹杂物渣，使得钢液al含量0.002wt％以下。

35、可选地，步骤(2)中，所述二次铜、硼铁布料为：分批次加入铜和硼铁。每批次的添加量为8～12kg，优选10kg，添加频率为：每批次铜/硼铁化清后，加入下一批次，直至所有铜/硼铁添加完毕且全部化清。加入全部铜时钢液熔点降低，粘度降低，流动性提升；加入硼铁时会使钢液降温50℃，并进一步降低钢液熔点、增加流动性。

36、可选地，步骤(2)中，所述二次熔化为：功率调整至最大1000kw，开大氩气，在20～50l/min大流量氩气下搅拌，直至所有铜/硼铁添加完毕全部化清，然后调整氩气阀门，使得氩气每秒冒出约1～2个气泡，开始二次保温。后续每次熔化时都是采用大气流搅拌，作用有三，一是使得颗粒状原料快速混入钢液，加快熔化速率；二是利用气流搅拌使得炉内上下层钢液快速换热；三是通过氩气搅拌，使得空气进入钢液，钢液富氧，快速去铝。

37、可选地，步骤(2)中，所述二次保温为：利用硼铁熔化吸热效应将钢液降温，并调整功率至500kw，在1580℃±10℃保温2min，保温过程中不盖炉盖。

38、可选地，步骤(2)中，所述二次打渣为：保温结束后打净硼铁的夹杂物渣，使得钢液al含量0.003wt％以下。

39、可选地，步骤(3)中，所述三次铌铁布料为：分批次加入铌铁。加入铌铁会使钢液温度降低100℃。

40、可选地，每批次的添加量为8～12kg，优选10kg，添加频率为：每批次铌铁化清后，加入下一批次，直至所有铌铁添加完毕且全部化清。

41、可选地，步骤(3)中，所述三次熔化为：功率调整至最大1000kw，开大氩气，在20～50l/min大流量氩气下搅拌，直至所有铌铁添加完毕全部化清，然后调整氩气阀门，使得氩气每秒冒出约1～2个气泡，开始三次保温。

42、可选地，步骤(3)中，所述三次保温为：利用铌铁熔化吸热效应将钢液降温，并调整功率至480kw，在1550℃±5℃保温5min，保温过程中不盖炉盖。

43、可选地，步骤(3)中，所述一次造渣为：加入高温造渣剂吸渣。黏性的高温造渣剂吸附铌铁里面的al，铌铁的加入使钢液粘度变大，流动性变差，钢液中生成的al2o3上浮变难，因此钢液中铝含量略有升高。

44、更进一步地，所述高温造渣剂的组分如下：以重量计，70.5～76.5wt％sio2，9～13wt％al2o3，2.5～2.9wt％fe2o3，0.15～0.25wt％mgo，1.0～2.6wt％cao，3.0～6.0wt％na2o，3.5～4.8wt％k2o，粒径为1-1.5mm。使用量一般是每吨钢1～3公斤。

45、可选地，步骤(3)中，所述三次打渣为：三次保温结束后打净铌铁的夹杂物渣，使得钢液中铝含量0.005wt％以下。

46、可选地，步骤(4)中，所述四次磷铁布料为：分批次加入磷铁。磷铁的加入会使钢水温度降低100℃，钢液粘度降低，钢液流动性大幅提升。

47、更进一步地，每批次的添加量为8～12kg，优选10kg，添加频率为：每批次磷铁化清后，加入下一批次，直至所有磷铁添加完毕且全部化清。

48、可选地，步骤(4)中，所述四次熔化为：功率调整至最大1000kw，开大氩气，在20～50l/min大流量氩气下搅拌，直至所有磷铁添加完毕全部化清，然后调整氩气阀门，使得氩气每秒冒出约1～2个气泡，开始四次保温。

49、可选地，步骤(4)中，所述四次保温为：利用磷铁熔化吸热效应将钢液降温，并调整功率至320kw，在1450℃±10℃保温2min。

50、可选地，步骤(4)中，所述二次造渣为：加低温造渣剂。黏性的低温造渣剂吸附磷铁里面的al，使铝含量进一步降低，钢液中铝含量0.004％以下。

51、更进一步地，所述低温造渣剂的组分如下：以重量计，72.5～78.5wt％sio2，7～12wt％al2o3，2.5～3.7wt％fe2o3，0.15～0.25wt％mgo，1.0～1.6wt％cao，3.0～4.0wt％na2o，3.5～4.5wt％k2o，1.5～2.5wt％p2o5，粒径为0.5-1mm。使用量一般是每吨钢1～3公斤。

52、可选地，步骤(4)中，所述四次打渣为：四次保温结束后打净磷铁的夹杂物渣，使得钢液al含量0.004wt％以下。

53、可选地，步骤(5)中，所述五次结晶硅布料为：分批次加入结晶硅；每批次的添加量为8～12kg，优选10kg，添加频率为：每批次结晶硅化清后，加入下一批次，直至所有结晶硅添加完毕且全部化清。加入金属结晶硅会使钢水温度升高100℃，同时提高钢液流动性。

54、可选地，步骤(5)中，所述五次熔化为：保持功率至320kw，开大氩气，在20～50l/min大流量氩气下搅拌，直至所有结晶硅添加完毕全部化清，然后调整氩气阀门，使得氩气每秒冒出约1～2个气泡。

55、可选地，步骤(5)中，所述高温均质化为：利用结晶硅熔化放热效应将钢液升温，并调整功率至500kw，在1580℃±10℃进行五次保温，保温5min，保温过程中不盖炉盖。钢液均质化过程，同时钢液处于流动性非常好的状态，有利于氧化物夹杂的上浮和去除。

56、可选地，步骤(5)中，所述五次打渣为：五次保温结束后打净结晶硅的高温夹杂物渣，使得钢液al含量0.003wt％以下。

57、可选地，步骤(6)中，所述降温为：调整功率至0功率，软吹氩，氩气流量为3～10l/min，调整功率至260kw，在1250℃±10℃进行六次保温，保温30min，保温过程中盖上炉盖。

58、可选地，步骤(6)中，所述六次打渣为：六次保温结束后打净母合金的低温夹杂物渣，使得钢液al含量0.002wt％以下，等待出钢。

59、可选地，步骤(7)中，所述出钢的温度为1200-1250℃。

60、与现有技术相比，本发明至少具有如下有益效果：

61、本发明提供的熔铸系统中的浇钢道设置有可加热石墨内衬，电磁加热层可以在30秒内加热至1000℃，通过石墨内衬补热和钢液电磁感应加热同时对浇道本体内的钢液进行加热，可大幅提高加热效率和加热稳定性性，且无钢液时通过石墨内衬辐射补热能使浇道保持在较高温度，可实现低温钢液传输，出钢温度可以控制在1200-1250℃，进行低温浇钢，降低了钢液的烧损和高温氧化，所得母合金晶粒更加细小均匀，制带效果更佳。

62、浇钢道内层设置高洁净玻璃内衬：玻璃与钢液不浸润可以极大的提升钢液流速，减少氧化和温降，玻璃高温热稳定好、不与钢液反应污染钢液，浇钢完成后玻璃冷却会形成裂纹，易于浇道清理，清理后的玻璃残渣和残钢可以回炉重熔，玻璃熔化后可以形成保护渣，钢液手得率高。每次浇注完成清理浇道，只需清理玻璃层，采用少量塑性料固定新的玻璃内衬即可再次浇钢，极大的降低了浇钢道即流钢槽耐火材料的磨损，提升了浇道的使用寿命，可实现钢液高洁净传输。

63、本发明提供的熔铸系统配合低温浇钢工艺，联用快冷钢锭模装置，钢锭模装置中的液冷板安装于钢锭模本体的底部，液冷板内部流通冷却液；风冷装置能够排出冷空气以实现对母合金表面的降温。这种快冷纳米晶钢锭模装置，当高温液态金属钢液浇注进模具后，由于液冷板内部流通冷却液，且液冷板安装于钢锭模本体的底部，则冷却液能够实现对钢锭模本体的降温；当高温液态金属凝壳后，可启动风冷装置，对母合金表面排出冷空气，进一步进行降温。快速冷却可以使母合金的晶粒尺寸均匀、母合金易破碎。

64、本发明纳米晶母合金熔铸系统能够提高纳米晶母合金熔铸的效率、提升产品质量，且降低生产成本。

65、另外，本发明熔铸方法中的熔炼工艺，可以制备杂质铝的质量含量在0.002％以下的fesibpnbmocu系纳米晶母合金钢液，配合后续的浇铸步骤可以得到高质量的母合金钢锭，晶粒尺寸均匀，易于破碎。

66、本发明熔炼系统和方法制备的母合金钢锭用于生产纳米晶薄带材，可实现宽幅超薄纳米晶带材生产，产品性能稳定，产量高。