雙金屬?gòu)?fù)層圓坯電磁連鑄方法及設(shè)備的制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及金屬材料凝固加工領(lǐng)域，特別是一種雙金屬?gòu)?fù)層圓坯電磁連鑄方法及設(shè)備。
【背景技術(shù)】
[0002]雙金屬?gòu)?fù)層材料是將兩種物理、化學(xué)和力學(xué)性能不同的合金在界面處實(shí)現(xiàn)牢固結(jié)合的一種新型復(fù)合材料，該類(lèi)材料通過(guò)揚(yáng)長(zhǎng)補(bǔ)短，可以滿(mǎn)足不同環(huán)境下對(duì)材料的特殊要求。制備復(fù)層材料的方法主要有軋制復(fù)合法、爆炸焊法、擠壓法等，近年來(lái)連續(xù)鑄造法制備雙金屬?gòu)?fù)層材料技術(shù)受到研宄者的廣泛關(guān)注。
[0003]公開(kāi)號(hào)為US3421569的專(zhuān)利申請(qǐng)中提出，利用兩個(gè)同軸的石墨結(jié)晶器，首先獲得外層為高熔點(diǎn)的合金管坯，然后將低熔點(diǎn)的合金澆注到管坯芯部，從而連續(xù)鑄造出雙金屬?gòu)?fù)層鑄坯。該方法適用于復(fù)層圓坯連續(xù)鑄造，但是其內(nèi)外層金屬的結(jié)合方式為固態(tài)-液態(tài)結(jié)合，界面結(jié)合效果沒(méi)有半固態(tài)-液態(tài)或者液態(tài)-液態(tài)的結(jié)合效果好，外層固態(tài)金屬的溫度控制是能否實(shí)現(xiàn)良好結(jié)合的關(guān)鍵因素，而該方法的溫度控制只能靠改變澆注溫度以及調(diào)節(jié)二級(jí)水冷來(lái)實(shí)現(xiàn)，較為困難，另外，該專(zhuān)利沒(méi)有涉及到改善復(fù)層鑄坯凝固組織的問(wèn)題。公開(kāi)號(hào)為US4567936的專(zhuān)利申請(qǐng)中提到復(fù)層材料的鑄造，介紹了一種外層為高固相線金屬、內(nèi)層為低固相線金屬的復(fù)層鑄錠直接水冷連續(xù)鑄造方法，其中外層金屬必須完全凝固之后才能與內(nèi)層低固相線金屬接觸，該專(zhuān)利也同樣是利用固態(tài)-液態(tài)結(jié)合的方法使兩種金屬實(shí)現(xiàn)結(jié)合，故存在相同的上述問(wèn)題。
[0004]公開(kāi)號(hào)為W092/18271的專(zhuān)利申請(qǐng)介紹了一種復(fù)層鑄坯的連續(xù)鑄造方法，利用電磁制動(dòng)將結(jié)晶器分為上下兩個(gè)溶池，解決了兩種金屬液的混合問(wèn)題，并成功地生產(chǎn)出了內(nèi)外層界面清晰的不銹鋼和碳鋼復(fù)層材料。該專(zhuān)利所采用的電磁場(chǎng)為直流恒定磁場(chǎng)，其作用是避免兩種金屬液混熔，CN1413782、CN101549392同樣公開(kāi)了一種復(fù)層材料的電磁連續(xù)鑄造方法，其電磁場(chǎng)的使用目的與W092/18271 —致，都是為了避免內(nèi)外層金屬熔體發(fā)生混流，但都沒(méi)有改善復(fù)層鑄坯凝固組織。因此，現(xiàn)有的雙金屬?gòu)?fù)層材料的連鑄方法仍需改進(jìn)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明所要解決的技術(shù)問(wèn)題是提供一種生產(chǎn)工藝簡(jiǎn)單、制備產(chǎn)品的內(nèi)外層金屬凝固組織細(xì)化、外層金屬表面質(zhì)量高、復(fù)合界面清晰穩(wěn)定的雙金屬?gòu)?fù)層圓坯電磁連鑄方法及設(shè)備。
[0006]本發(fā)明的技術(shù)方案是:
[0007]一種雙金屬?gòu)?fù)層圓坯電磁連鑄方法，其特征在于，包括如下步驟:
[0008]I)、將兩種不同成分的金屬分別熔化成內(nèi)、外層金屬液，精煉去氣后保溫備用；
[0009]2)、同軸布置內(nèi)、外結(jié)晶器且內(nèi)結(jié)晶器插入外結(jié)晶器中，所述外結(jié)晶器內(nèi)設(shè)有一級(jí)水冷環(huán)腔并在一級(jí)水冷環(huán)腔中設(shè)有與中頻電源發(fā)生器連接的中頻磁場(chǎng)線圈，所述外結(jié)晶器的內(nèi)環(huán)側(cè)壁表面設(shè)有石墨內(nèi)襯層，所述內(nèi)結(jié)晶器內(nèi)設(shè)有環(huán)形水腔并在環(huán)形水腔中設(shè)有與脈沖電源連接的脈沖磁場(chǎng)線圈，所述內(nèi)結(jié)晶器內(nèi)、外環(huán)側(cè)壁表面均設(shè)有保溫層且外環(huán)側(cè)壁的保溫層由上至下延伸至距內(nèi)結(jié)晶器底端20mm?30mm高度處，所述外結(jié)晶器底部另設(shè)有二級(jí)水冷環(huán)腔，所述二級(jí)水冷環(huán)腔的內(nèi)側(cè)壁均勻布置噴射水孔；
[0010]3)、啟動(dòng)連鑄工序，將引錠裝置送入外結(jié)晶器中與內(nèi)結(jié)晶器底端緊密接觸，分別向外結(jié)晶器一、二級(jí)水冷環(huán)腔中及內(nèi)結(jié)晶器的環(huán)形水腔中注入循環(huán)冷卻水，然后向由內(nèi)、外結(jié)晶器圍繞而成的環(huán)形空間內(nèi)澆筑外層金屬液，外層金屬液經(jīng)外結(jié)晶器冷卻，同時(shí)與內(nèi)結(jié)晶器的裸露在外的外環(huán)側(cè)壁接觸后形成半固態(tài)支撐層，澆注時(shí)間多40s且當(dāng)外層金屬液的液面高于內(nèi)結(jié)晶器底端40mm?50mm時(shí)引錠裝置開(kāi)始下移，同時(shí)向內(nèi)結(jié)晶器中澆注內(nèi)層金屬液，內(nèi)層金屬液經(jīng)內(nèi)結(jié)晶器冷卻，同時(shí)與外層金屬液的半固態(tài)支撐層接觸結(jié)合形成復(fù)合界面；
[0011]4)、當(dāng)連鑄過(guò)程進(jìn)入穩(wěn)定階段，S卩外層金屬液的液面低于外結(jié)晶器上沿15?20mm、內(nèi)結(jié)晶器中充滿(mǎn)內(nèi)層金屬液且引錠裝置的引錠速度恒定時(shí)，同時(shí)接通脈沖電源和中頻電源發(fā)生器，通過(guò)脈沖磁場(chǎng)線圈在內(nèi)結(jié)晶器中施加脈沖電磁場(chǎng)，通過(guò)中頻磁場(chǎng)線圈在外結(jié)晶器中施加中頻電磁場(chǎng)，其中，脈沖磁場(chǎng)線圈通入脈沖寬度為0.1ms?10ms、頻率為1Hz?50Hz的脈沖電流，使脈沖磁場(chǎng)線圈產(chǎn)生的瞬間磁感應(yīng)強(qiáng)度為10Gs?lOOOOGs，中頻磁場(chǎng)線圈通入頻率為1000Hz?2000Hz、電流值為5000A?8000A的交流電流，使外結(jié)晶器內(nèi)邊緣磁感應(yīng)強(qiáng)度為45mT?72.4mT，隨著引錠裝置的下移通過(guò)所述外結(jié)晶器底部的二級(jí)水冷環(huán)腔的噴射水孔向移出外結(jié)晶器的雙金屬?gòu)?fù)層圓坯噴射冷卻水，最終實(shí)現(xiàn)雙金屬?gòu)?fù)層圓坯的電磁連鑄。
[0012]上述的雙金屬?gòu)?fù)層圓坯電磁連鑄方法，所述外結(jié)晶器內(nèi)一級(jí)水冷環(huán)腔中水流量為lL/h?1.2L/h，二級(jí)水冷環(huán)腔中水流量為1.5L/h?2L/h。
[0013]上述的雙金屬?gòu)?fù)層圓還電磁連鑄方法，所述引錠裝置的引錠速度為60mm/min?80mm/mino
[0014]一種雙金屬?gòu)?fù)層圓坯電磁連鑄設(shè)備，包括內(nèi)、外結(jié)晶器、設(shè)于內(nèi)結(jié)晶器頂部的內(nèi)層熱頂、設(shè)于外結(jié)晶器頂部的外層熔體澆注盤(pán)以及引錠裝置，所述內(nèi)、外結(jié)晶器同軸布置，其特征在于:所述內(nèi)結(jié)晶器插入外結(jié)晶器中，所述外結(jié)晶器內(nèi)設(shè)有一級(jí)水冷環(huán)腔并在一級(jí)水冷環(huán)腔中設(shè)有與中頻電源發(fā)生器連接的中頻磁場(chǎng)線圈，所述外結(jié)晶器的內(nèi)環(huán)側(cè)壁表面設(shè)有石墨內(nèi)襯層，所述內(nèi)結(jié)晶器內(nèi)設(shè)有環(huán)形水腔并在環(huán)形水腔中設(shè)有與脈沖電源連接的脈沖磁場(chǎng)線圈，所述內(nèi)結(jié)晶器內(nèi)、外環(huán)側(cè)壁均設(shè)有保溫層且外環(huán)側(cè)壁的保溫層由上至下延伸至距內(nèi)結(jié)晶器底端20mm?30mm高度處，所述外結(jié)晶器底部另設(shè)有二級(jí)水冷環(huán)腔，所述二級(jí)水冷環(huán)腔的內(nèi)側(cè)壁均勻布置噴射水孔。
[0015]上述的雙金屬?gòu)?fù)層圓坯電磁連鑄設(shè)備，所述外結(jié)晶器的一級(jí)水冷環(huán)腔外壁下部設(shè)有一級(jí)水冷進(jìn)水口，外壁上部設(shè)有一級(jí)水冷出水口，所述二級(jí)水冷環(huán)腔外壁設(shè)有二級(jí)水冷進(jìn)水口。
[0016]上述的雙金屬?gòu)?fù)層圓坯電磁連鑄設(shè)備，所述內(nèi)結(jié)晶器的環(huán)形水腔上部分別設(shè)有內(nèi)結(jié)晶器進(jìn)、出水口。
[0017]上述的雙金屬?gòu)?fù)層圓坯電磁連鑄設(shè)備，所述外結(jié)晶器的一級(jí)水冷環(huán)腔內(nèi)設(shè)有用于支撐中頻磁場(chǎng)線圈的環(huán)形支架。
[0018]上述的雙金屬?gòu)?fù)層圓坯電磁連鑄設(shè)備，所述外結(jié)晶器的外殼采用環(huán)氧樹(shù)脂板制成，外結(jié)晶器的內(nèi)環(huán)側(cè)壁采用由不導(dǎo)磁材料制成的環(huán)形支撐架，所述石墨內(nèi)襯層嵌于環(huán)形支撐架外表面。
[0019]上述的雙金屬?gòu)?fù)層圓坯電磁連鑄設(shè)備，所述內(nèi)結(jié)晶器外殼采用不銹鋼材料制成。
[0020]上述的雙金屬?gòu)?fù)層圓坯電磁連鑄設(shè)備，所述保溫層采用硅酸鈣保溫層。
[0021]本發(fā)明的有益效果是:
[0022]1、內(nèi)結(jié)晶器中的脈沖磁場(chǎng)線圈形成脈沖電磁場(chǎng)，脈沖電磁場(chǎng)所產(chǎn)生的洛倫茲力使內(nèi)結(jié)晶器內(nèi)金屬液產(chǎn)生強(qiáng)烈的振蕩和強(qiáng)迫對(duì)流，使內(nèi)結(jié)晶器側(cè)壁上先形成的大量晶坯脫落，游離到熔體中，進(jìn)而增加形核率，同時(shí)熔體的強(qiáng)迫對(duì)流，使得整個(gè)內(nèi)結(jié)晶器區(qū)域內(nèi)的熔體溫度區(qū)域均勻，最終使內(nèi)層金屬凝固組織均勻、晶粒細(xì)化，無(wú)溶質(zhì)元素偏析。
[0023]2、外結(jié)晶器中的中頻磁場(chǎng)線圈形成中頻電磁場(chǎng)，利用特斯拉計(jì)實(shí)際測(cè)量發(fā)現(xiàn)，夕卜結(jié)晶器的石墨內(nèi)襯層邊緣液固界面處的電磁壓力略大于液體金屬自身靜壓力，因此中頻電磁場(chǎng)使外層金屬液與外結(jié)晶器的石墨內(nèi)襯層虛接觸甚至不接觸，最終起到提高鑄坯表面質(zhì)量、降低表面裂紋數(shù)量的作用；另外，中頻電磁場(chǎng)所產(chǎn)生的洛倫茲力會(huì)使外層金屬液內(nèi)部形成強(qiáng)迫流動(dòng)，能夠使已經(jīng)形成的枝晶發(fā)生熔斷，使得外層金屬液各處溫度趨于均勻，有利于等軸晶生長(zhǎng)，進(jìn)而起到細(xì)化晶粒的作用。
[0024]3、內(nèi)結(jié)晶器的內(nèi)、外環(huán)側(cè)壁均設(shè)有保溫層，防止了內(nèi)、外層金屬液與內(nèi)結(jié)晶器外壁直接接觸造成激冷凝固而產(chǎn)生引錠困難的現(xiàn)象發(fā)生。
[0025]4、內(nèi)結(jié)晶器的外環(huán)側(cè)壁的保溫層延伸至距內(nèi)結(jié)晶器底端20?30mm高度處，則直接裸露在外的內(nèi)結(jié)晶器的外環(huán)側(cè)壁具有較大的冷卻能力，外層金屬液遇該區(qū)域時(shí)就會(huì)形成半固態(tài)支撐層，并利用該半