一种脉冲磁致振荡结晶器装置论文和设计-徐智帅

全文摘要

本实用新型公开一种脉冲磁致振荡结晶器装置，该结晶器装置由脉冲电源(1)、导体(2)、结晶器总成，结晶器总成包括结晶器支撑架(3)，结晶器铜管或铜板(4)，密封绝缘层(5)、振荡线圈(6)、结晶器冷却通道(7)组成。振荡线圈(6)密封封装后整体浸泡在冷却液中，振荡线圈(6)绕制在结晶器铜管或铜板(4)外层。脉冲电源(1)产生的脉冲电流通过导体(2)进入振荡线圈(6)激发出脉冲磁场作用在连铸坯(8)上，达到均质化连铸坯凝固组织的目的。本实用新型充公开的装置分发挥了脉冲磁致振荡对金属凝固组织的控制作用并且体积小、操作简单、安全可靠，适用于工业连铸、半连铸生产。

主设计要求

1.一种脉冲磁致振荡结晶器装置，其特征在于，该装置由脉冲电源(1)、导体(2)、结晶器总成构成，所述结晶器总成包括结晶器支撑架(3)，结晶器铜管或铜板(4)，密封绝缘层(5)、振荡线圈(6)、结晶器冷却通道(7)，振荡线圈(6)表面具有密封绝缘层(5)，并且振荡线圈(6)绕制在结晶器铜管或铜板(4)外侧；将组装好的振荡线圈(6)和结晶器铜管或铜板(4)放入结晶器支撑架(3)内并整体焊接封装；结晶器支撑架(3)侧边上下开有结晶器冷却通道(7)，脉冲电源(1)产生的脉冲电流通过导体(2)进入振荡线圈(6)激发出脉冲磁场作用在连铸坯(8)上。

设计方案

2.根据权利要求1所述的一种脉冲磁致振荡结晶器装置，其特征在于，振荡线圈内弧面形状根据连铸坯形状可为正方形、长方形、圆形及边数大于4的多边形中的一种。

3.根据权利要求1或2所述的一种脉冲磁致振荡结晶器装置，其特征在于，脉冲电源(1)输入振荡线圈的电流波形为脉冲交流电流、脉冲方波，脉冲三角波，输出方式为单脉冲和双脉冲。

4.根据权利要求1或2所述的一种脉冲磁致振荡结晶器装置，其特征在于，将制作好的振荡线圈(6)嵌入硅钢片内并加筋固定，硅钢片的排列方式将整个振荡线圈(6)外侧包裹。

5.根据权利要求1或2所述的一种脉冲磁致振荡结晶器装置，其特征在于，振荡线圈(6)可由铜管或铜板(4)绕制而成，若由铜管绕制，铜管内可通冷却液。

6.根据权利要求1或2所述的一种脉冲磁致振荡结晶器装置，其特征在于，结晶器铜管或铜板(4)接触水侧壁上沿着连铸坯方向等距刻有沟槽。

设计说明书

技术领域

本实用新型涉及一种脉冲磁致振荡结晶器装置，属于金属凝固组织控制装备技术领域。

背景技术

金属凝固过程和凝固组织的控制是冶金及材料工作者长期追求和奋斗的目标。凝固组织细化可减少材料缺陷和提高材料力学性能，而对金属和合金材料凝固组织的细化，主要是基于以下的基本原理:增加液相中的形核质点，提高形核率,降低晶核的长大速度或抑制晶核的长大,控制结晶前沿的温度分布等。目前金属凝固细晶方法大体可以归纳为以下几类:(l)浇注过程和传热条件控制方法；(2)化学处理方法；(3)微区成分扰动生核处理方法；(4)机械和物理场处理方法。

化学处理方法主要是孕育处理和变质处理，也就是向液体中添加少量特殊的化学元素，使形核数量相对提高，获得细小的等轴晶组织。这种方法的细化效果相对较差，有增大偏析倾向，易在金属中形成低熔点共晶相。物理细化法主要是采用机械力或电磁力引起液相和固相的相对运动，导致枝晶的破碎或枝晶与铸型分离，在液相中形成大量结晶核心，达到细化晶粒的效果。采用机械搅拌、电磁搅拌或气体搅拌等方法均可造成在液相和固相之间产生不同程度的相对运动，即液态金属的对流运动，从而引起枝晶臂的折断、破碎和增殖，达到细化晶粒的目的。但电磁搅拌也存在一些问题，如设备复杂，电能效率低，二冷区搅拌尽管能扩大等轴晶区却有产生负偏析的趋势等。

实用新型内容

实用新型目的：针对以上问题，本实用新型提出一种体积小，操作方便，安全可靠的脉冲磁致振荡结晶器装置，以控制金属凝固过程，获得细化的凝固组织，解决现有技术中电源功率过高，细化效果不佳，操作复杂，在工业生产中推广应用困难等问题。

技术方案：为实现本实用新型的目的，本实用新型所采用的技术方案是：一种脉冲磁致振荡结晶器装置，该装置由脉冲电源、导体、结晶器总成，结晶器总成包括结晶器支撑架，结晶器铜管或铜板，密封绝缘层、振荡线圈、结晶器冷却通道，振荡线圈密封封装后整体浸泡在冷却液中，振荡线圈似弹簧样绕制在结晶器铜管或铜板外层。

振荡线圈由铜管或铜线绕制，绕制前铜管或铜线外用聚酰亚胺薄膜密封缠绕，绕制好后嵌入硅钢片并加筋固定，再包裹密封绝缘层，密封绝缘为将嵌入硅钢片的振荡线圈浸入环氧树脂内进行绝缘固化，振荡线圈制作好了绕在结晶器铜管或铜板外侧，并将组装好的振荡线圈和结晶器铜管放入结晶器支撑架内并整体焊接封装；结晶器支撑架侧边上下开有结晶器冷却通道，可对结晶器支撑架内腔体充冷却水，冷却水可对结晶器铜管或铜板以及振荡线圈进行冷却，结晶器铜管或铜板接触水侧壁上沿着连铸坯方向等距刻有沟槽，以利用脉冲磁场穿透结晶器铜管作用在连铸坯上。

所述的脉冲磁致振荡结晶器，为了避免振荡线圈受高温，在线圈整体浸泡在冷却液中，同时绕制铜管内也通有冷却水冷却。

所述的脉冲磁致振荡结晶器，结晶器支撑架侧边上下开有结晶器冷却通道，可对结晶器支撑架内腔体充冷却水，为了避免振荡线圈直接与冷却水接触发生短路，对线圈外部进行密封绝缘。

所述的脉冲磁致振荡结晶器，为了满足方坯或圆坯生产，振荡线圈设为螺线管状线圈，内壁形状为圆形、长方形、正方形及多边形，似弹簧样绕制在结晶器外测。

所述的脉冲磁致振荡结晶器，为了满足板坯生产需求，振荡线圈可为蚊香型线圈，线圈平面紧贴于结晶器铜管或铜板接触水侧表面，且可以同时多个线圈串联或并联处理。

所述的脉冲磁致振荡结晶器，为了提高脉冲磁致振荡作用效果，可以选择合适壁厚的结晶器铜管或铜板，亦可在在铜管或铜板表面开几条缝。

所述的脉冲磁致振荡结晶器，为了提高振荡线圈的作用效率，铜管线圈外面分布有以一定规则排列的硅钢片，将脉冲磁场引导和聚集在线圈内部。由于振荡线圈外的硅钢片具有聚磁和磁引导作用，因此将制作好的线圈嵌入硅钢片内并加筋固定，硅钢片的排列方式将整个弹簧线圈外侧包裹，以引导磁场进入线圈内部。

装置运行过程为：装有高温钢水的浇包向结晶器内通入钢水，钢水在结晶器铜管或铜板的强冷却下凝固形成具有一定坯壳厚度的连铸坯，并连续向下拉出，脉冲电源产生的脉冲电流通过导体进入振荡线圈激发出脉冲磁场作用在连铸坯上，达到均质化连铸坯凝固组织的目的。

有益效果：与现有技术相比，本实用新型的技术方案具有以下有益技术效果：

1、本实用新型可显著细化金属材料的凝固组织。

2、本实用新型结构简单，操作方便。

3、扩展性好，可根据不同形状的连铸坯更改线圈形状和种类。

4、无污染，由于脉冲磁致振荡作用不直接接触熔体，不会对连铸坯产生污染，也不会对环境产生污染。

附图说明

图1为结晶器连铸凝固处理示意图。

图2为圆形振荡线圈示意图。

图3为方形螺线管状线圈示意图。

图4为圆形螺线管状线圈示意图。

图5(5a)为经过硅钢片引导的螺线管线圈磁力线分布图，(5b)为未经过硅钢片引导的螺线管线圈磁力线分布图。

图6为未施加脉冲磁致振荡处理的GCr15轴承钢宏观凝固组织。

图7为施加脉冲磁致振荡处理的GCr15轴承钢宏观凝固组织。

图8为未施加脉冲磁致振荡处理的65Mn钢宏观凝固组织。

图9为施加脉冲磁致振荡处理的65Mn钢宏观凝固组织。

图10为未施加脉冲磁致振荡处理的45钢宏观凝固组织。

图11为施加脉冲磁致振荡处理的45钢宏观凝固组织。

图中：1.脉冲电源，2.导线，3.结晶器总成，4.结晶器铜管或铜板，5.密封绝缘层6.振荡线圈，7.结晶器冷却通道，8.连铸坯，9.硅钢片，10.铜管线圈。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本实用新型的技术方案作进一步的说明。

本实用新型由脉冲电源1、导体2、结晶器总成，结晶器总成包括结晶器支撑架3，结晶器铜管或铜板4，密封绝缘层5、振荡线圈6、结晶器冷却通道7组成；脉冲电源通过导体与振荡线圈相连，振荡线圈外面包裹一层密封绝缘层，振荡线圈中有冷却通道，振荡线圈绕制在结晶器铜管或铜板外层，结晶器铜管或铜板外有结晶器冷却通道；脉冲电源产生的脉冲电流通过导体流入振荡线圈，激发脉冲磁致振荡穿过结晶器作用在金属熔体内。

下面就系统的结构和功能进行详细的介绍。

1、脉冲电源，为RLC充放电电路，220V的交流电通过调压器、变压器、二极管等整流，再经过充电开关和电容器进行充电和放电过程。通过调整电容器的并联数量可以调节输出功率、脉宽等参数。

2、振荡线圈，振荡线圈通过导线与脉冲电源相连，将脉冲电源产生的脉冲电流感应激发出脉冲磁致振荡，由于脉冲电流通过振荡线圈激发脉冲磁致振荡的同时也会产生热量，而这些热可能影响线圈的正常工作，甚至损坏线圈，因此在线圈内部通入冷却介质冷却。

图1中将振荡线圈置于结晶器侧壁外表面，由于金属熔体在结晶器内激冷形壳，会产生大量的热，使结晶器处于高温环境中，因此在结晶器外表面通如高压冷却水冷却，但冷却水可能导致振荡线圈短路损坏，进而在振荡线圈的外面包一层密封、绝缘层。同时振荡线圈产生的脉冲磁场是发散的，很难有效的作用到线圈内的连铸坯上细化连铸坯的凝固组织，因此在铜管线圈外分布有硅钢片，可以很好的将磁场引导和聚集在线圈内。

3、连铸生产时，钢液通过结晶器铜管或铜板，由于受到结晶器铜管或铜板的强烈冷却作用形成坯壳具有一定厚度和形状的连铸坯。金属熔体在结晶器内从液态，经过形核并长大过程，形成相对较薄的连铸坯壳，此时在连铸坯上施加脉冲磁致振荡处理，脉冲磁致振荡可以穿透坯壳，有效细化连铸坯凝固组织。结晶器铜管或铜板外壁上沿着连铸坯方向等距刻有沟槽，以利用脉冲磁场穿透结晶器铜管作用在连铸坯上。

以下结合实施例对本实用新型做详细说明。

实施例1

铸坯材料为GCr15轴承钢，在熔炼炉内熔化并精炼，1520℃保温40分钟，保证熔体温度均匀，待浇注。连铸生产中，一个中间包下方有多台连铸机，即有多条生产线同时生产，其中一条生产线使用实用新型结晶器，结晶器外表面的振荡线圈为：内壁形状为长方形螺线管状线圈，取临近的一台连铸机上生产的连铸坯作为对比锭。在浇注前，对熔体中间包及连铸结晶器进行充分烘烤至600～700℃。烘烤结束后，开启结晶器的冷却水系统和脉冲磁致振荡冷却系统，开始浇注，同时启动连铸机的引锭装置，设置连续铸造速度为65mm\/min。当金属熔体通过结晶器时，打开脉冲电源，调节参数处理，浇注完成后，切断电源，停止处理，直到铸造结束后，关闭连铸机。取样时，分析用处理锭和对比锭同样取拉速相对稳定的铸坯中间段。

磨抛、腐蚀样品，并观察宏观组织。如图6、图7所示，为GCr15轴承钢宏观凝固组织，图6为未施加脉冲磁致振荡处理的试样，从图中可以看出，枝晶粗大，且相互交错形成蔷薇状组织。图7为施加脉冲磁致振荡处理的试样，相比于未处理的试样组织，枝晶明显得到细化。

实施例2

铸坯材料为65Mn钢，在熔炼炉内熔化并精炼，1600℃保温40分钟，保证熔体温度均匀，待浇注。连铸生产中，一个中间包下方有多台连铸机，即有多条生产线同时生产，其中一条生产线使用实用新型结晶器(结晶器铜管外表面的振荡线圈为：内壁形状为圆形螺线管状线圈)，取临近的一台连铸机上生产的连铸坯作为对比锭。在浇注前，对熔体中间包及连铸结晶器进行充分烘烤至600～700℃。烘烤结束后，开启结晶器的冷却水系统和脉冲磁致振荡冷却系统，开始浇注，同时启动连铸机的引锭装置，设置连续铸造速度为60mm\/min。当铸坯通过线圈时，打开脉冲电源，调节参数处理：频率40Hz，电流19000A，浇注完成后，切断电源，停止处理，直到铸造结束后，关闭连铸机。取样时，分析用处理锭和对比锭同样取拉速相对稳定的铸坯中间段。

磨抛、腐蚀样品，并观察宏观组织。如图8、图9所示，为65Mn钢宏观凝固组织，图8为未施加脉冲磁致振荡处理的试样，从图中可以看出，枝晶为粗大的树枝状晶。图 9为施加脉冲磁致振荡处理的试样，相比于未处理的试样组织，晶粒为细小的枝晶。

实施例3

铸坯材料为45钢，在熔炼炉内熔化并精炼，1500℃保温40分钟，保证熔体温度均匀，待浇注。连铸生产中，一个中间包下方有多台连铸机，即有多条生产线同时生产，其中一条生产线使用实用新型结晶器，结晶器铜板为方形，铜板的两个侧面上分别放置一蚊香型振荡线圈，取临近的一台连铸机上生产的连铸坯作为对比锭。在浇注前，对熔体中间包及连铸结晶器进行充分烘烤至600～700℃。烘烤结束后，开启结晶器的冷却水系统和脉冲磁致振荡冷却系统，开始浇注，同时启动连铸机的引锭装置，设置连续铸造速度为67mm\/min。当铸坯通过线圈时，打开脉冲电源，调节参数处理：频率70Hz，电流16000A，浇注完成后，切断电源，停止处理，直到铸造结束后，关闭连铸机。取样时，分析用处理锭和对比锭同样取拉速相对稳定的铸坯中间段。

磨抛、腐蚀样品，并观察宏观组织。如图10、图11所示，为45钢宏观凝固组织，图10为未施加脉冲磁致振荡处理的试样，从图中可以看出，枝晶全为粗大的等轴晶组织。图11为施加脉冲磁致振荡处理的试样，相比于未处理的试样组织，等轴晶得到明显的细化。

实施例结果表明，本实用新型将脉冲磁致振荡与传统结晶器结合应用，不仅可以制备均匀细晶铸锭，显著细化凝固组织，而且无污染，操作简便，成本低廉。

实施例4

用ANSYS软件对脉冲磁致振荡结晶器装置进行磁力线分布模拟，脉冲电源输出电流为3000A，频率为100Hz，输出波形为交流双脉冲。将脉冲电流分布通入有硅钢片引导的振荡线圈和没有硅钢片引导的振荡线圈内，振荡线圈冷却通道内通入纯水冷却，流量为10t\/h。

数值模拟结果显示，有硅钢片做磁力线引导的振荡线圈，脉冲磁力线将被硅钢片作为引导通道进入线圈内部，如图5(a)所示。同时没有硅钢片做磁力线引导的振荡线圈，脉冲磁力线分散在周围空间中，如图5(b)所示，由于周围空间中的金属物质受到脉冲磁力线的作用会消耗磁场能量，减弱脉冲磁致振荡对连铸坯的作用效率。

设计图

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