本發明涉及一種連鑄工藝及其裝置，特別是涉及一種電磁連鑄工藝及其裝置，應用于金屬凝固組織控制技術領域。

背景技術：

cu-ni-sn合金是一種彈性合金，具有良好的時效強化能力。cu-ni-sn合金在固溶，時效熱處理之后，擁有高的強度、硬度、彈性、可焊性、優良的抗熱應力松弛性能、好的導電穩定性及優良的工藝性能。因此，cu-ni-sn合金廣泛應用于醫療、航天航海導航儀器、機械制造、電子電力和儀表制造等行業。最常見的彈性合金是鈹青銅，它是一種優質的彈性材料，但是鈹的氧化物或者粉塵有毒，在制造過程中會對人體或者環境造成不良影響。與鈹青銅相比，cu-ni-sn合金生產成本低、無毒且具有較高的熱穩定性和高溫強度，因此是一種很有發展前途的高導電高彈性合金，可用于部分替代鈹青銅制造精密儀器、儀表的彈性元件。

采用傳統的連鑄工藝時，由于cu-ni-sn合金的凝固溫度區間很大，很容易形成發達的枝晶，凝固過程中樹枝晶產生收縮，形成可供富錫液相流動的枝晶間通道，富錫液相在枝晶間通道的回流將造成嚴重的宏觀逆偏析。cu-ni-sn合金連鑄時，鑄錠表面由于形成嚴重的逆偏析，導致錫含量顯著高出平均含量，嚴重時還將導致“錫汗”。這種宏觀逆偏析的形成，會嚴重影響后續的材料加工過程，在后續的軋制，擠壓等工藝過程中由于中心和邊部的成分不均勻，很容易產生軋制裂紋等缺陷。長時間的均勻化退火甚至都無法消除這種嚴重的逆偏析，同時還會延長合金的生產周期，嚴重影響合金的生產效率。此外，長時間的退火也會增加能耗，增加合金的生產成本。逆偏析嚴重時，甚至要車銑掉表面嚴重的逆偏析層，造成材料的浪費。因此，解決銅鎳錫合金的逆偏析問題一直是銅加工領域亟待解決的行業難題。目前抑制連鑄坯反偏析的方法主要有：快速凝固法，電磁攪拌等。快速凝固法包括熔體紡絲法、噴射沉積法等。采用熔體紡絲法制備cu-ni-sn合金在高冷卻速度下，合金元素的不均勻性大大降低，制得的合金枝晶間距僅為5μm。應用噴射沉積的方法來制備cu-ni-sn合金，制得的合金組織為細小的等軸晶粒，錫的含量分布比較均勻，由于細晶強化和固溶強化，硬度和力學性能得到大幅度的提高。應用快速凝固的方法雖然一定程度上能改善偏析，但由于傳熱速度存在限制，無法獲得大尺寸的材料，同時成本高，生產效率低，無法實現大規模的工業生產。電磁攪拌應用于合金的連鑄過程中，雖然能夠改變枝晶的生長甚至獲得非樹枝晶組織，得到中心位置成分較為均勻的合金，但是靠近結晶器的強冷區域，由于冷卻速度較快，電磁攪拌對枝晶間的液體的攪拌效果甚微，無法解決邊部的逆偏析，甚至還會加劇逆偏析的程度。因此如何解決cu-ni-sn合金以及具有相似凝固特性的其他合金連鑄過程中的逆偏析問題，仍然是亟待解決的技術問題。

技術實現要素：

本發明的目的在于克服已有技術存在的不足，為了解決現有技術問題，提供一種多模式電磁場均質化金屬連鑄坯的制備方法及其裝置，在金屬凝固過程中，采用多模式電磁場對金屬連鑄坯進行均質化處理，通過改變連鑄過程中連鑄坯凝固界面處合金的散熱方式，消除徑向枝晶和表面激冷層的形成，同時利用多模式電磁場產生的復雜流動，消除固液界面前沿的成分過冷以及成分的宏觀偏析，打碎枝晶，并形成晶核增殖以及形成內生生長條件，進而可以獲得全等軸晶的連鑄坯，實現銅合金連鑄坯的均質化。

為達到上述目的，本發明的構思如下：

由于逆偏析的產生主要歸因于連鑄結晶器的激冷層，因此如果能將激冷層消除，同時能夠實現固液界面前沿溫度和成分的均勻化，同時能細化連鑄的凝固組織甚至獲得等軸晶，對于具有高偏析傾向的金屬的連鑄中逆偏析的消除，就能很好解決。為此，本發明構思在連鑄結晶器的石墨管外部設置交變磁場發生器，將結晶器適當加熱，金屬液與連鑄坯的凝固潛熱全部由二冷水帶走；同時在連鑄坯固液界面前沿采用旋轉磁場以及交變磁場，來產生混合流動，就可以使成分和溫度均勻化，且流動可以打碎固液界面前沿的枝晶，形成晶核增殖，進而細化連鑄坯組織，消除逆偏析及實現成分組織的均質化。

根據上述構思，本發明采用如下技術方案：

一種通過連鑄工藝制備均質化金屬鑄坯的方法，當采用連鑄工藝對存在宏觀偏析傾向的金屬進行制備時，利用多模式電磁場，在金屬連鑄坯的固液界面前方的金屬液中分別施加復合的旋轉磁場和交變磁場，在待凝固的金屬液中形成復雜的混沌流動，來使金屬凝固區域的固液界面前沿的成分和溫度均勻化，降低固液界面前沿的金屬液的溫度梯度，打碎初生的枝晶尖端，進而在固液界面前沿的金屬液中形成晶核增殖和內生形核條件，細化和均質化連鑄坯凝固組織，同時，固液界面前沿的金屬在交變磁場的作用下產生熱效應，能消除鑄坯表層中由于連鑄結晶器內壁快速冷卻形成的激冷層，從而在鑄坯表層中消除產生逆偏析的枝晶通道，使鑄坯表層凝固組織晶粒細化，進一步實現連鑄坯成分的均勻化，最終獲得均質化的金屬鑄坯。

作為本發明的優選的技術方案，在金屬連鑄坯的固液界面前沿的金屬液中，沿著金屬液凝固的演進方向，依次施加旋轉磁場和交變磁場，其中交變磁場作用的位置更加靠近金屬凝固區域的固液界面前沿。

本發明上述方案優選適用于銅、鋁、鎂、鈦、鋅、錫、鉛、鎳等金屬及其合金的連鑄過程。進一步優選適用于cu-ni-sn合金連鑄過程。

本發明上述方案優選適用于金屬的水平連鑄、立式連鑄或上引連鑄工藝過程；優選適合于圓坯、方坯、板坯或異形坯的連鑄。優選還適應于上述截面的管坯的連鑄。

作為本發明優選的技術方案，施加交變磁場的頻率為中頻、高頻或工頻，且交變磁場頻率范圍為100-200000hz，磁場強度為0.01-1000mt，功率為0.1-1000kw；施加的旋轉磁場的頻率為0.01-100hz，且能實現周期反轉，周期反轉的頻率為0.01-10hz，其磁感應強度為0.01-1000mt。

作為本發明優選的技術方案，采用連鑄工藝制備連鑄坯的牽引速度為0.01-300mm/s，連鑄坯的截面積為0.1-30000cm²。

本發明一種利用多模式電磁場的連鑄裝置，包括結晶器、冷卻噴嘴、引鑄機、引錠桿，引鑄機牽引引錠桿對鑄坯進行連鑄，將凝固后的鑄坯從結晶器中拉出，冷卻噴嘴作為二冷區的水冷裝置，在金屬熔爐的側壁設置金屬液輸出管道，金屬液輸出管道采用由內襯磚和爐殼復合壁制成，在金屬液輸出管道末端連接結晶器，在金屬液輸出管道外部設置旋轉磁場攪拌器，驅動流經金屬液輸出管道的金屬液內部產生螺旋形流動，對金屬液進行螺旋攪拌，形成金屬液攪拌區域，而在結晶器的外圍設置一個交變磁場發生器，交變磁場發生器產生交變磁場，使結晶器內的金屬液中感生電流，對結晶器內的金屬液形成感應加熱效應，消除鑄坯表層中由于連鑄結晶器內壁快速冷卻形成的激冷層，從而在鑄坯表層中消除產生逆偏析的枝晶通道，并使鑄坯表層凝固組織晶粒細化。交變磁場發生器施加于金屬液所產生的熱量也通過冷卻噴嘴對二冷區進行冷卻而帶走。利用交變磁場發生器在金屬液中施加的交變磁場使結晶器中的金屬液產生沿徑向的電磁擠壓力，在靠近結晶器內壁的金屬液中產生一系列環形微流，形成微流區域。環形微流與旋轉磁場攪拌器產生的螺旋形金屬液流動進行復合，在結晶器內的金屬液凝固界面前沿區域產生混沌流動，從而使固液界面前沿的溫度和濃度均勻化，降低固液界面前沿金屬液的溫度梯度，消除金屬液的成分過冷，獲得初生晶核的內生生長條件，抑制枝晶生長并促進等軸晶的形成，并通過混沌流動將打碎枝晶，形成晶核增殖，最終通過金屬液凝固獲得主要為等軸晶的金屬凝固組織。

上述結晶器的內套的材質優選采用石墨、不銹鋼、銅或其他高溫合金；金屬熔爐優選采用工頻爐、中頻爐或者石墨加熱爐。

作為上述方案的進一步優選的技術方案，金屬熔爐包括爐體、加熱體、熱電偶和爐殼蓋板，加熱體設置在爐體下半部位置處，對熔池的下部熔溝內的金屬液進行加熱，熱電偶檢測即將進入金屬液輸出管道的金屬液的溫度，設置固體材料棒浸入到金屬熔爐內的金屬液中，使固體材料棒浸入金屬液的部分逐漸融化對金屬液進行補充，通過自動機械控制，將固體材料棒以設定的速度壓入到金屬液中，并控制固體材料棒的壓入速度與鑄坯的引出速度相匹配，使金屬熔爐內的金屬液的液面高度維持穩定。

本發明與現有技術相比較，具有如下顯而易見的突出實質性特點和顯著優點：

1.本發明利用交變磁場的熱效應，消除連鑄結晶器內壁快速冷卻形成的激冷層，從而消除形成向表面區域抽吸的枝晶通道，因而能更好地消除逆偏析，進一步實現連鑄坯成分的均勻化；

2.本發明采用螺旋形旋轉磁場復合交變磁場，與交變磁場誘導生成的徑向擠壓流場的復合，形成混沌流動，能較好的使固液界面前沿的成分和溫度場更為均勻，有利于消除宏觀偏析；同時混沌流動還能打碎界面前沿的枝晶尖端，形成晶核增殖，而復合流動還能消除界面前沿的溫度梯度，形成內生生長，本發明能獲得晶粒細化甚至等軸晶的連鑄坯，使連鑄坯實現成分和組織的均質化，能適應于存在嚴重宏觀偏析的金屬的連鑄過程；

3.本發明能實現具有嚴重偏析傾向的合金連鑄坯的均質化，同時還可以用于消除合金連鑄坯內部的疏松、縮孔，消除凝固相變應力，防止裂紋的產生，同時由于交變磁場的約束作用，還可以提升連鑄坯的表面質量。

附圖說明

圖1為本發明實施例一利用多模式電磁場的連鑄裝置的一體化熔鑄裝置結構示意圖。

圖2為本發明實施例一通過連鑄工藝制備均質化金屬鑄坯的方法的原理示意圖。

具體實施方式

本發明的優選實施例詳述如下：

實施例一：

在本實施例中，參見圖1和圖2，一種利用多模式電磁場的連鑄裝置，包括結晶器7、冷卻噴嘴9、引鑄機11、引錠桿12，引鑄機11牽引引錠桿12對鑄坯10進行連鑄，將凝固后的鑄坯10從結晶器7中拉出，冷卻噴嘴9作為二冷區的水冷裝置，在金屬熔爐2的側壁設置金屬液輸出管道，金屬液輸出管道采用由內襯磚和爐殼復合壁8制成，在金屬液輸出管道末端連接結晶器7，結晶器7的內套為石墨襯套，在金屬液輸出管道外部設置旋轉磁場攪拌器5，驅動流經金屬液輸出管道的金屬液3內部產生螺旋形金屬液流動17，對金屬液3進行螺旋攪拌，形成金屬液攪拌區域，而在結晶器7的外圍設置一個交變磁場發生器6，交變磁場發生器6采用交變磁場發生器線圈制成，交變磁場發生器6產生交變磁場，使結晶器7內的金屬液3中感生電流，對結晶器7內的金屬液3形成感應加熱效應，消除鑄坯10表層中由于連鑄結晶器7內壁快速冷卻形成的激冷層，從而在鑄坯10表層中消除產生逆偏析的枝晶通道，使鑄坯10表層凝固組織晶粒細化。交變磁場發生器6施加于金屬液3所產生的熱量也通過冷卻噴嘴9對二冷區進行冷卻而帶走。利用交變磁場發生器6施加的交變磁場，使結晶器7中的金屬液3產生沿徑向的電磁擠壓力，在靠近結晶器7內壁的金屬液3中產生一系列環形微流16，形成微流區域。環形微流16與旋轉磁場攪拌器5產生的螺旋形金屬液流動17進行復合，在結晶器7內的金屬液凝固界面前沿區域產生混沌流動，從而使固液界面前沿的溫度和濃度均勻化，降低固液界面前沿金屬液3的溫度梯度，消除金屬液3的成分過冷度，獲得初生晶核的內生生長條件，抑制枝晶生長并促進等軸晶的形成，并通過混沌流動將打碎枝晶，形成晶核增殖，最終通過金屬液凝固獲得主要為等軸晶的金屬凝固組織。

在本實施例中，參見圖1和圖2，金屬熔爐2包括爐體、加熱體13、熱電偶14和爐殼蓋板15，加熱體13設置在爐體下半部位置處，對熔池的下部熔溝4內的金屬液進行加熱，熱電偶14檢測即將進入金屬液輸出管道的金屬液的溫度，設置固體材料棒1浸入到金屬熔爐2內的金屬液3中，使固體材料棒1浸入金屬液3的部分逐漸融化對金屬液進行補充，通過自動機械控制，將固體材料棒1以設定的速度壓入到金屬液3中，并控制固體材料棒1的壓入速度與鑄坯10的引出速度相匹配，使金屬熔爐2內的金屬液3的液面高度維持穩定。

參見圖1和圖2，本實施例制備cu-15wt.％ni-8wt.％sn合金的鑄坯10，加熱爐2的合金總容量為1000kg，加熱爐2采用工頻加熱，銅合金液采用電解銅、電解鎳、工業純錫進行熔配。結晶器7的石墨襯套的內控直徑為120mm。將電解銅、電解鎳、工業純錫按比例加入到加熱爐2中進行熔化和溫度均勻，將銅合金液的溫度控制在1200℃，保溫30分鐘后開始連鑄。開啟旋轉磁場攪拌器5，調整其頻率為50hz，中心磁感應強度為500mt。開啟冷卻噴嘴9，保持冷卻水流量在5000m³/hr。開啟引鑄機11，使引鑄桿12的速度為30mm/s，同時通過自動機械將固體材料棒1以設定的速度壓入到加熱爐2中，該速度與連鑄坯10引出速度匹配。當連鑄坯10穩定引出后，開啟交變磁場發生器6的控制電源，使交變磁場發生器6的輸入功率控制在20kw，此時將引鑄機11的速度調整為10mm/s，此時由于旋轉磁場發生器5在石墨襯套內的金屬液中產生螺旋形金屬液流動17，同時交變磁場發生器6形成徑向擠壓流動，交變磁場發生器6在石墨襯套中還將感生出電流將其加熱，消除激冷層，螺旋形金屬液流動17和徑向擠壓流動復合將產生混沌流動，從而使連鑄坯10的凝固界面前沿的成分和溫度均勻，進而實現連鑄坯10凝固組織的細化和均質化。

在本實施例中，參見圖1和圖2，通過在銅合金熔煉爐的水平爐口管外施加一個頻率可變的旋轉磁場發生器5，在爐口管內部產生螺旋形的銅合金液的流動，而在連鑄結晶器7的外圍設置一個可變頻的螺線管線圈，該螺線管產生的高頻磁場在連鑄結晶器7的石墨管中感生電流，形成感應加熱效應，從而可以避免結晶器壁面激冷層的形成，全部的熱量均通過二冷的噴水冷卻而帶走。而在凝固界面前沿，該螺線管磁場還將產生沿徑向的電磁擠壓力(pinchforce)效應，從而在凝固界面前沿的熔液中產生螺線管交變磁場誘導產生的特有的四區流動(即螺線管磁場中部磁場產生的電磁力較大，向心部擠壓，從而形成背向的四區流動形態)。該流動與前面的旋轉磁場產生的螺旋形流動復合，將在凝固界面產生混沌流動，從而可以使固液界面前沿的溫度、濃度均勻，降低溫度梯度，消除成分過冷，獲得內生生長條件，抑制枝晶而促進等軸晶的形成，即使有枝晶的生成，其生長方向也為軸向，而上述的混沌流動也將打碎枝晶，形成晶核增殖，同樣可以獲得等軸晶的凝固組織。采用本實施例方法，由于消除了徑向的結晶器內的激冷層，又使固液界面前沿的成分和溫度均勻，并獲得全等軸晶連鑄坯，因此其逆偏析現象將最大程度消除，從而獲得均質化的連鑄坯。本實施例實現具有嚴重偏析傾向的cu-ni-sn合金連鑄坯的均質化，同時還能消除cu-ni-sn合金連鑄坯內部的疏松、縮孔，還能消除cu-ni-sn合金凝固相變應力，防止合金裂紋的產生；同時由于交變磁場的約束作用，還可以提升連鑄坯的表面質量。

實施例二：

本實施例與實施例一基本相同，特別之處在于：

在本實施例中，采用立式連鑄方式，采用多模式電磁場來消除連鑄坯邊部因激冷作用而形成的嚴重逆偏析，同時由多模式電磁場產生混沌流動，來調控銅合金水平連鑄坯微觀組織并消除銅合金中心部位的偏析，獲得均質化、晶粒細化的銅合金連鑄坯。

上面結合附圖對本發明實施例進行了說明，但本發明不限于上述實施例，還可以根據本發明的發明創造的目的做出多種變化，凡依據本發明技術方案的精神實質和原理下做的改變、修飾、替代、組合或簡化，均應為等效的置換方式，只要符合本發明的發明目的，只要不背離本發明多模式電磁場均質化金屬連鑄坯的制備方法及其裝置的技術原理和發明構思，都屬于本發明的保護范圍。