專利名稱：金屬連續鑄造方法及實施該方法所用裝置的制作方法
技術領域：
本發明屬于冶金技術領域，涉及一種金屬連續鑄造方法及實施該法所用裝置，既可用于連鑄坯，也可用于液態金屬合金冶煉的變性處理。
背景技術：
世界各國鋼的連續澆注實踐證明，連鑄坯的一種典型的也是最難消除的缺陷之一，是軸向化學不均質性。并且這一缺陷是不可避免的。為了減小這一缺陷對連鑄坯質量的影響，世界各國采用了很多辦法。US3726331，US4047556，蘇聯專利No.2809672/22-02公開了一些有助于提高金屬和合金連鑄坯質量的工藝措施，是往金屬熔體里補加各種各樣固態可消耗的冷材，其長度超過最大橫向尺寸很多倍，如棒材、線材或帶材。這些已知的方法和實施的裝置不能保證穩定地提高連鑄坯的質量。這是因為所加可消耗冷材只向給料方向運動，不能與金屬液形成互動的促進作用。其結果是，可消耗冷材熔化和混勻過程難度大大增加，時間延長，因為可消耗冷材剛進入金屬液時，其表面首先凝固了一層熔體表面的金屬、渣子和非金屬夾雜，然后才能受熱和熔化。渣子和非金屬夾雜物隨之進入熔體深處，成為連鑄錠和連鑄坯的新污染源。采用這樣的裝置，可消耗冷材料在金屬液里分布不均勻，導致了連鑄錠和連鑄坯的組織不均勻性。
烏克蘭專利No.40053A公開了一種已知的金屬連鑄結晶裝置，包括結晶器，向結晶器送入金屬液的部件，加入可消耗冷材的部件和向可消耗冷材傳遞脈沖的部件。脈沖傳遞部件被做成放電箱的形式，向可消耗冷材傳遞與其運動方向相同的電動液壓沖擊脈沖。這種已知的裝置也不能明顯保證連鑄坯的質量，最主要的是不能穩定的改善連鑄坯的組織結構。這是因為在向可消耗冷材傳遞與其方向相同的電動液壓脈沖時達不到冷材與金屬液之間足夠強度的質量交換。因為消耗冷材長度相當長，所以這種振動能實際上沒有傳遞到熔體里，事實上，振動能基本上全部被冷材所吸收，特別是在冷材喪失彈性的時候。其結果是，在結晶器(槽)金屬彎液面區域，可消耗冷材表面沾結一層金屬、渣子和非金屬夾雜物，減慢了冷材熔化速度，造成冷材材料在熔體分散不均勻，金屬錠(坯)組織不均勻，加重了金屬里面非金屬夾雜的污染度。
就工藝實質而言，日本專利No.56-4133公開了最接近的一種向金屬液添加補充物的裝置，包括液態金屬容器，把可消耗冷材加入金屬液的設備(由卷筒和牽拉結構以及造成冷材強制性振動的裝備所組成)。強制振動裝置為超聲波振動源，其輻射器中有一個貫穿的孔洞供冷材通過，冷材通過滑動觸點從振動源接受超聲波振動。該裝置也有一系列不足。該裝置使用的超聲波振動可使冷材達到5-12μm的振幅(即使在滑動觸點相當緊密時)。這樣的振幅也不能傳遞大范圍金屬液所必需的能量。因為傳遞給冷材的振動能量向兩個方向傳播，既向被處理金屬的方向，也向相反的方向，因此本裝置的效率低下。此外，振動源與冷材之間的滑動接觸點不能提供可靠的聲學接觸，這同樣造成振動能量的大量丟失。所以，使用這樣裝置連續鑄鋼而企圖改善鋼錠(鋼坯)的組織結構也不會有好的效果。當冷材以小的振動能量(小的振幅)進入到熔體時，其表面會冷凝金屬、渣子，使其熔化過程明顯拖長，效果不好。連續鑄錠中有組織不均勻區，以及非金屬夾雜污染加重區。組織不均勻性既有偏析過程的原因，也有未熔化冷材殘留的原因。
發明內容
本發明旨在改進金屬連鑄時的結晶裝置以提高連鑄錠(坯)的質量，降低組織不均勻性。提供一種金屬連續鑄造方法及實施該方法所用裝置本發明的技術方案如下在金屬連鑄結晶裝置中，包括結晶器(槽)，向結晶器(槽)供入金屬液的部件，向結晶槽傳送可消耗冷材的機構組件(包括可消耗冷材卷，旋轉卷筒，矯直結構，最低帶有兩對驅動輥和一套控制件的牽拉結構)可消耗冷材的強制諧振源，以及帶控制組件的連鑄機牽拉機械。可消耗冷材為化學成分與所鑄金屬相類似的冷線材或冷帶材。液態金屬不斷送入結晶器，從結晶器不斷地拉出可供下一步加工的坯子。同時，向結晶器送入至少一根化學成分與所鑄金屬相類似的可消耗冷材。借助電磁鐵的作用，賦予冷材以強制性諧振，其振幅、頻率和波長則取決于所連鑄金屬的物理化學參數和鑄造過程的工藝條件。本發明的原理如下-強制諧振源是一個無接觸電磁振動器，在水平平面上有Π字形孔槽，在無接觸電磁振動器前和后均裝有導向輥。導向輥軸線與無接觸電磁振動器軸線之間的距離按下列關系式確定L1＝n·λ/2和L2＝(2n＝1)·λ/4(1)式中L1為無接觸電磁振動器軸線到前導向輥軸線間的距離，mm；L2為無接觸電磁振動器軸線到后導向輥軸線間的距離，mm；N為1、2……K間的任何整數；λ為可消耗冷材強制性諧振波的波長，mm；-無接觸電磁振動器水平平面的Π字形孔槽的間隙，可在(2-15)·δ范圍內調節，式中δ為冷材厚度(直徑)，mm；-傳送冷材的牽拉結構輥輪軸線到無接觸電磁振動器軸線間的距離(L3)按下式確定L3＝(2n-1)·λ/4式中n為1、2……K中的任何整數；λ為可消耗冷材諧振波的波長，mm；-喂材機牽拉機械驅動控制件與連鑄機牽拉機械驅動控制件相連，能夠自動調節冷材的單耗。也就是應用常用的反饋技術安裝反饋裝置。
強制諧振源由無接觸電磁振動器構成，并在水平平面上有Π字形孔槽，這就保證了可消耗冷材具有振幅不低于1.0mm的穩定的諧振，并因此通過冷材將大功率的振動能輸送到金屬液中。這就極大地加快了冷材與金屬液之間的質量交換。
無接觸電磁振動器裝配有控制件，它可根據金屬液的物理化學參數和數量、可消耗冷材傳送速度、過程的溫度條件等來改變冷材強制諧振波振幅。
強制振動源在無接觸電磁振動器的前、后均裝配了導向輥。導向輥軸線到無接觸振動軸線間的距離按式(1)確定試驗證明，無接觸電磁振動器前導向輥布置在距其軸線n·λ/2倍的距離上，可阻止振動能量向熔體的反方向傳遞。結果，傳遞給冷材的振動能量基本上能完全地傳遞到金屬液中，這樣，實質上加大了本裝置的效能。如果導向輥安置的距離不符合這個關系式的要求，就會分散振動能量，從而降低振動能和冷材對于金屬液的影響效果，使該裝置生產條件整體上變壞。
無接觸電磁振動器后導向輥布置在與其軸線(2n-1)·λ/4倍關系的距離上，可保證振動能量無障礙地傳遞到所鑄金屬液中。如果導向輥安裝距離沒有符合這個要求，會使向金屬液傳遞的振動能量部分的衰減和分散，因而大大降低該裝置的工作效率，難以生產出必要質量的金屬鑄錠(坯)。
試驗證明，無接觸振動器水平平面的孔槽呈Π字形，并可在(2-15)·δ范圍內調節間隙(式中δ為冷材厚度或直徑，mm)，能保證可消耗冷材必要的振幅和頻率值。間隙小不能保證電磁振動器平穩的工作，而且會引起噪音效應。縫隙大時則會因電磁振動器大量損失感應強度而降低冷材的振幅。
試驗證明，冷材喂料機的牽拉結構輥輪與無接觸電磁振動器軸線的安裝距離成(2n-1)·λ/4倍關系，可保證牽拉結構穩定地工作。在這個距離下，可消耗冷材的余振(如果有的話)不會傳遞到牽拉機構的輥輪上，也不會降低輥輪的工作效率。這將保證該裝置能平穩地工作，平穩地將冷材傳送到結晶器(槽)中，并生產出優質連鑄錠(坯)。
冷材喂料機牽拉機械驅動控制件與連鑄機牽拉機械驅動控制件連在一起，保證了根據金屬連鑄的線速度自動調節冷材喂料速度的可能性，這就保證了按所需的數量給料。
冷材耗量最佳值和經冷材傳送到熔體的振動效率最佳值，保證了冷材與熔體之間質量交換情況明顯改善，保證了熔體溫度和熔體中溫度梯度的降低。這導致在熔體中形成等軸晶體，使偏析情況分散，擴大了軸向等軸晶帶，相應地降低了整體軸心偏析，保證了制取均一組織的鑄錠(坯)。
實施本發明專利連鑄裝置中通過潛入式水口(9)從中間鋼水罐(7)將液態金屬(8)送到結晶器(槽)(10)中，同時啟動向結晶器(槽)傳送冷材的機械組合，該組件包括鋼帶(線)(2)及其退卷機(1)和矯直牽引機(3)。
可消耗冷材為帶材或線材，由與所鑄金屬液化學成分相近的材料制成。
鋼帶(線)(2)從退卷機(1)上退出，穿過矯直牽拉機構沿導向管(5)送入無接觸電磁振動器(6)。
當鋼帶(線)(2)經過無接觸電磁振動器(6)Π字型槽時被賦予了有規定振頻和振幅的振動。由于無接觸電磁振動器(6)保證了鋼帶(線)(2)的諧振，所以在其與液態金屬(8)接觸之前，一直保持著振動的頻率和振幅。
矯直牽引機(3)的驅動控制件與連鑄機牽拉機械驅動控制件連在一起，保證了可消耗冷材的給料速度可根據金屬澆鑄的線速度而自動調節。
無接觸電磁振動器配備有電磁鐵(13)電磁鐵前導輥(11)和電磁鐵后導輥(14)。
從電磁鐵(13)前導向輥(11)軸線至電磁鐵軸線的距離(L1)按下列關系式確定L1＝n·λ/2(a)式中n-任何整數，λ-可消耗冷材振動波的波長，mm。
在L1的這一數值下，冷材的最大振幅與電磁鐵前導輥(11)軸線相對應，這就吸收了與熔體方向相反的振動。因此，絕大部分振動能傳向了金屬液方向。
電磁鐵(13)后導輥(14)的軸線至電磁鐵軸線的距離(L2)按下列關系式確定L2＝(2n-1)·λ/4(b)式中n-任何整數，λ-冷材振動波的波長，mm。
在L2的這一數值下，冷材的最小振幅(接近0)與導向輥(14)的軸線相對應。結果使可消耗冷材的振動無障礙地傳遞到所鑄金屬的方向，保證了冷材與金屬液和作用的最大效果。
試驗證明，無接觸電磁振動器水平平面Π字形孔槽的間隙可調，調節范圍(2-15)·δ[式中δ為冷材的厚度(直徑)，mm]，可保證可消耗冷材振動所需的振幅和頻率值。間隙小不能保證電磁振動器平衡地工作，而且會造成大的噪聲效應。間隙大時會因電磁振動器中感應強度大量丟失而使可消耗冷材的振幅嚴重衰減。
圖1標示了相對無接觸電磁振動器軸線配置至少兩對冷材牽拉機構的輥輪。標示的距離L3應按正式確定L3＝(2n-1)·λ/4(c)式中n-任何整數，λ-冷材振動波長，mm在L3的這一數值下，冷材的余振傳不到牽拉機械的輥輪上，也不會降低工作效率。
所有這一切，都保證了該裝置穩定地工作，穩定地向結晶器(槽)傳送可消耗冷材，進而生產出優質連鑄錠。
本發明中，被澆鑄金屬的均勻冷卻，使結晶過程中熔體內的溫度梯度明顯降低，這本身就保證了金屬錠(坯)里均勻的分散的偏析，明顯減少了軸心偏析，連鑄錠(坯)整體上得到了較均勻的組織結構。在冷材進入金屬液時避免了金屬和渣子在其表面上的冷凝，極大地加快了冷材熔化和混勻過程，從而達到澆鑄金屬被均勻冷卻的目標。廣泛用于鋼、鐵、合金類金屬的鑄造。
圖1為金屬連鑄方法所用裝置系統2為無接觸電磁振動器結構示意圖
具體實施例方式實施例1連鑄鋼使用，鋼含碳0.40％，連鑄速度0.43-0.44m/min。
連鑄過程中，不斷向結晶器(槽)(直徑φ530mm)傳送可消耗冷材(鋼帶，截面3×80mm)，給送速度4.1m/min，給送速度可根據連鑄速度計算，鋼帶碳含量0.35％。利用無接觸電磁振動器激發起可消耗冷材的諧振，諧振頻率95-100HZ，波長540mm，振幅4.0-5.0mm。
在本具體實例中，距離L1-270mm(n＝1)，L2-135mm(n＝1)，L3-2295mm(n＝9)。
電磁振動器中Π字形孔槽寬度30mm，是冷鋼帶厚度的10倍。
使用這種連鑄工藝保證了可消耗冷鋼帶的完全熔化，改善了連鑄錠的組織機構；-軸心偏析從3.0級降到1.0-1.5級，-中心等軸晶帶從鑄錠截面15-20％增到40-45％，達到了分散偏析的目標。
實施例2連鑄鋼使用，鋼含碳0.40％，澆鑄初速0.43m/min。
連鑄過程中，不斷向結晶器(槽)(直徑φ530mm)送入鋼帶，(截面3×80mm)，給送速度4.1m/min，鋼帶碳含量0.35％。在無接觸電磁振動器作用下，冷鋼帶內激起諧振，頻率95-100HZ，波長540mm。
在本具體實例里，距離L1-324mm(n＝1.1)，L2-162mm(n＝1.1)，L3-2322mm(n＝9.1)。
電磁振動器Ⅱ型縫隙寬度30mm，是冷鋼帶厚度的10倍。
L1，L2，L3尺寸的改變引起下列不良現象由于L1的距離不符合給定的相關關系(a)，加大了冷鋼帶與所鑄鋼水的逆向振動。
由于L3的距離不符合給定的相關關系(c)，實質上加劇了牽拉機構中冷鋼帶的振動，引起給送冷鋼帶的機械停頓現象，使裝置不能整體上平穩地工作。
由于L2的距離不符合給定的相關關系(b)，嚴重縮小了冷鋼帶在所鑄鋼水方向的振幅。如果說實施例1振幅為4.0-5.0mm的話，那么在本實施例中只是在0-0.8mm間波動，裝置工作不穩定。
在本實施例里，即使澆鑄速度降到0.35m/min，喂送冷鋼帶的速度降到0.25-0.26m/min，也保證不了冷鋼帶熔化。可見本發明L1，L2，L3尺寸關系的重要。
實施例3
連鑄鋼使用，鋼的碳含量0.40％，澆鑄速度0.43m/min。
連鑄過程中，不斷向結晶器(槽)(直徑φ530mm)給送冷鋼帶(截面3×80mm)，給送速度4.1m/min，鋼帶碳含量0.35％。在無接觸電磁振動器作用下，冷鋼帶內激起諧振，頻率95-100HZ，波長540mm，振幅4.0-5.0mm。
在本具體實例里，距離L1-270mm(n＝1)，L2-135mm(n＝1)，L3-2295mm(n＝9)。
電磁振動器Π字型縫隙開始的寬度30mm，是冷鋼帶厚度的10倍。
在上述參數下，裝置的工作很正常，鑄錠質量也高。
當電磁振動器Π字型縫隙縮小到5.0mm時，冷鋼帶振幅急劇降到＜1.0mm，而且鋼帶與電磁鐵碰擊發生大的噪音。冷鋼帶的諧振波也遭到破壞，本身影響了鑄錠質量。
當電磁振動器Π字型縫隙增大到46.0mm時，由于電磁鐵供電系統中感應強度大量丟失，致使冷鋼帶振幅急劇下降到＜1.0mm。振幅的降低影響了冷鋼帶的熔化條件，保證不了所要求的金屬質量水平。
根據多次的實驗得出所添加冷鋼材的振幅范圍為0.5mm-15.0mm。所添加冷鋼材的振頻為10-1000Hz。所添加冷鋼材的振動波長為100-600mm。具體應用時可根據連鑄金屬的物理化學參數和連鑄過程的工藝條件在上述振幅、振頻和波長范圍內參照實施例和有關關系式調整得出最佳值時穩定應用。
權利要求
1.一種金屬連續鑄造方法，包括退卷機、牽引機、剪斷機、導向管、振動器、中間鋼水罐和結晶器，鋼帶(2)從退卷機上進入矯直牽引機(3)、從導向管(5)進入振動器(6)再進入結晶器(10)，向結晶器送入至少一根化學成分與所鑄金屬相類似的可消耗冷材，液態金屬不斷從中間鋼水罐(7)通過潛入式水口(9)送入結晶器(10)，從結晶器不斷地拉出可供下一步加工的坯子，其特征在于向結晶器送入至少一根化學成分與所鑄金屬相類似的可消耗冷材時，借助電磁鐵作用的無接觸電磁振動器(6)，賦予可消耗冷材以強制性諧振。
2.根據權利要求1所述的一種金屬連續鑄造方法，其特征在于所添加冷鋼材的振幅范圍為0.5mm-15.0mm。
3.根據權利要求1所述的一種金屬連續鑄造方法，其特征在于所添加冷鋼材的振頻為10-1000Hz。
4.根據權利要求1所述的一種金屬連續鑄造方法，其特征在于所添加冷鋼材的振動波長為100-600mm。
5.根據權利要求1所述的一種金屬連續鑄造方法，其特征在于所述的可消耗冷材為冷線材或冷帶材。
6.根據權利要求1所述的一種金屬連續鑄造方法，其特征在于所述的金屬為鋼或鐵或合金。
7.一種金屬連續鑄造方法所用裝置，其特征在于包括退卷機、矯直牽引機、剪斷機、導向管、振動器、中間鋼水罐和結晶器，其特征在于矯直牽引機最低帶有兩對驅動輥和一套控制件，為可消耗冷材提供強制諧振源的振動器為無接觸電磁振動器，矯直牽引機輥子到無接觸電磁振動器軸線間的距離按下式確定L3＝(2n-1)·λ/4式中n為1、2……K中的任何整數；λ為可消耗冷材諧振波的波長，mm。
8.一種無接觸電磁振動器，其特征在于無接觸電磁振動器，在水平平面上有∏字型孔槽，配備有電磁鐵(13)、電磁鐵(13)前裝有電磁鐵前導輥(11)、前導輥(11)前裝有支承輥(12)、電磁鐵后面裝有后導輥(14)，前導向輥(11)的軸線、后導輥(14)的軸線與無接觸電磁振動器軸線間的距離L1和L2按下列關系式確定L1＝n·λ/2 和L2＝(2n-1)·λ/4式中L1為無接觸電磁振動器軸線到前導向輥軸線間的距離，mm；L2為無接觸電磁振動器軸線到后導向輥軸線間的距離，mm；N為1、2……K間的任何整數；λ為可消耗冷材強制性諧振波的波長，mm。
9.根據權利要求8所述的無接觸電磁振動器，其特征在于電磁振動器∏字型水平孔槽可調節，調節范圍為所加冷鋼材厚度的2倍到15倍。
全文摘要
本發明屬于冶金技術領域，涉及一種金屬連續鑄造方法及實施該法所用裝置，既可用于連鑄坯，也可用于液態金屬合金冶煉的變性處理。本發明通過潛入式水口從中間鋼水罐將液態金屬送到結晶器中，同時啟動向結晶器傳送冷材的機械裝置，該裝置包括鋼帶(線)及其退卷機和矯直牽引機。鋼帶(線)從退卷機上退出，穿過矯直牽拉結構沿導向管送入無接觸電磁振動器，當鋼帶(線)經過無接觸電磁振動器∏字型槽時被振動，使其與液態金屬接觸之前，一直保持著振動的頻率和振幅。避免了冷材進入金屬液時金屬和渣子在其表面上的冷凝，極大地加快了冷材熔化和混勻過程，從而達到澆鑄金屬被均勻冷卻的目的，提高了金屬和合金連鑄坯的質量。
文檔編號B22D11/11GK1970195SQ20061013447
公開日2007年5月30日 申請日期2006年12月4日 優先權日2006年12月4日
發明者柳德考夫斯基B.М, 布里亞科夫斯基Г.A, 布臘科夫A.H, 帕里B.Г, 劉東業, 楊嘉瑞 申請人:劉東業