本發(fā)明涉及金屬鑄造技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及大型鑄錠凝固組織及偏析控制技術(shù)領(lǐng)域。

背景技術(shù)：

大型鑄鍛件是裝備制造業(yè)發(fā)展的基礎(chǔ)，廣泛應(yīng)用于冶金、造船、國(guó)防軍工、電力、核能、高層建筑、石油化工等重要領(lǐng)域，在特殊鋼、大型鍛件、特厚板和小批量軍工鋼鐵產(chǎn)品的生產(chǎn)中具有不可替代的優(yōu)勢(shì)。大型鑄鍛件多應(yīng)用于極端及特殊環(huán)境下，因此對(duì)鋼材不僅要求高的強(qiáng)塑積，而且對(duì)組織、成分均勻性以及偏析、裂紋等缺陷的要求極為嚴(yán)格。

液態(tài)金屬凝固成形是鑄錠生產(chǎn)過(guò)程中最重要的環(huán)節(jié)之一，凝固組織對(duì)后續(xù)的成形工序有組織遺傳性，成分均勻、晶粒細(xì)小、無(wú)缺陷鋼錠(坯)是生產(chǎn)高性能鋼材以及裝備的基礎(chǔ)。大型鑄件和大型鍛件用鑄錠模數(shù)大，自然凝固時(shí)間長(zhǎng)，凝固過(guò)程的控制難點(diǎn)造成凝固組織粗大，宏觀偏析、縮孔、縮松等缺陷嚴(yán)重。尤其是碳當(dāng)量高的工模具鋼、高碳鋼等鋼種，中心偏析是影響鑄錠質(zhì)量的主要問(wèn)題。

目前應(yīng)用在模鑄大型鋼錠凝固組織及中心偏析控制方面的技術(shù)有：1)水冷鋼錠；如專利號(hào)為cn104001878a的中國(guó)專利公開(kāi)的“一種有冒口鋼錠水冷結(jié)晶工藝”；2)梯次冷卻技術(shù)；如專利號(hào)為cn102773424a的中國(guó)專利公開(kāi)的“一種實(shí)現(xiàn)鋼錠順序凝固的水、風(fēng)冷鋼錠模及應(yīng)用”；3)電磁攪拌水冷模技術(shù)；如專利號(hào)為cn102836971a的中國(guó)專利公開(kāi)的一種“電磁攪拌水冷模及澆注鋼錠的方法”。但是對(duì)于截面尺寸較大的鑄鋼件，通過(guò)界面?zhèn)鳠岷茈y達(dá)到快速凝固，通過(guò)提高外部冷卻強(qiáng)度冷卻鑄錠，鑄錠截面的溫度梯度不能過(guò)大，否則將產(chǎn)生裂紋缺陷。梯次冷卻對(duì)于形成由外向內(nèi)的正溫度梯度，保證順序凝固，使縮孔形成在冒口里等方面是有利的，但冷卻梯度及其動(dòng)態(tài)控制可操作性不強(qiáng)。電磁攪拌水冷模澆鑄鋼錠在電磁場(chǎng)作用下強(qiáng)化鋼錠模內(nèi)的溫度均勻化，通過(guò)水冷模強(qiáng)化傳熱，但其仍是僅通過(guò)模壁界面?zhèn)鳠?，冷卻強(qiáng)度很難達(dá)到快速冷卻。

有技術(shù)人員探索將加速冷卻與促進(jìn)形核相結(jié)合，采用加入冷鐵的方法促進(jìn)模內(nèi)鋼液的過(guò)冷，降低界面?zhèn)鳠崃康姆椒?，如專利?hào)為cn101234412a的中國(guó)專利公開(kāi)的“一種低偏析大型鋼錠制造方法”、專利號(hào)為cn101406937的中國(guó)專利公開(kāi)的“一種抑制大型鋼錠宏觀偏析的內(nèi)冷方法”、專利號(hào)為cn104259441a的中國(guó)專利公開(kāi)的“內(nèi)置冷芯和頂置電磁場(chǎng)鑄造大型鋼錠的方法”等；通過(guò)加入激冷體、冷芯鑄造可以實(shí)現(xiàn)正反兩向凝固，增加冷卻強(qiáng)度改善中心組織，但激冷體在熔體中分布均勻性、冷芯與鑄錠界面組織均勻性及應(yīng)力問(wèn)題很難控制。因此，如何實(shí)現(xiàn)正反兩向凝固同時(shí)保證冒口補(bǔ)縮，既細(xì)化并均勻化鋼錠凝固組織，又減少中心偏析，是一個(gè)新方向。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明提供了一種電磁調(diào)控自孕育處理制造大型鑄錠的方法，能夠細(xì)化鋼錠凝固組織，減輕中心偏析，減少中心疏松，從而提高鑄錠的內(nèi)外質(zhì)量。

為了達(dá)到上述目的，本發(fā)明采用以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)：

一種電磁調(diào)控自孕育處理制造大型鑄錠的方法，包括如下步驟：

1)金屬液澆鑄采用y形的雙相輸料水口，雙相輸料水口的頂部進(jìn)料口分別用于待澆鑄金屬液及孕育劑進(jìn)料，且孕育劑進(jìn)料端設(shè)加料控制閥；雙相輸料水口的直段外側(cè)設(shè)電磁裝置??；錠模冒口外側(cè)設(shè)電磁裝置ⅱ，電磁裝置ⅰ和電磁裝置ⅱ均為變頻電磁裝置；

2)澆鑄前錠模及雙相輸料水口預(yù)熱，并將待澆鑄金屬液熔煉至過(guò)熱度為30～50℃；

3)澆鑄過(guò)程中氬氣保護(hù)，鋼水包中的金屬液經(jīng)雙相輸料水口向錠模內(nèi)澆鑄，待金屬液液面升至錠模內(nèi)腔1/2～2/3高度時(shí)，開(kāi)啟雙相輸料水口孕育劑進(jìn)料端的加料控制閥，將孕育劑勻速隨金屬液加入錠模中，同時(shí)開(kāi)啟電磁裝置??；電磁裝置ⅰ低頻運(yùn)行，利用低頻磁場(chǎng)產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)攪拌力使金屬液與孕育劑均勻混合并做螺旋運(yùn)動(dòng)，延長(zhǎng)孕育劑與金屬液的接觸時(shí)間，形成過(guò)冷熔體、增加形核質(zhì)點(diǎn)，使溫度場(chǎng)分布均勻；待金屬液面升至錠模冒口線高度時(shí)，開(kāi)啟電磁裝置ⅱ，電磁裝置ⅱ低頻運(yùn)行，強(qiáng)化金屬液在冒口處的攪拌效果，直至澆鑄過(guò)程結(jié)束；

4)澆鑄完成后，關(guān)閉電磁裝置ⅰ，將電磁裝置ⅱ由低頻運(yùn)行調(diào)整為中頻運(yùn)行，利用中頻磁場(chǎng)的焦耳熱效應(yīng)對(duì)錠模冒口部位進(jìn)行保溫，至鑄錠凝固。

所述電磁裝置ⅰ、電磁裝置ⅱ低頻運(yùn)行時(shí)的頻率范圍為0.1～100hz，電流范圍0～600a；電磁裝置ⅱ中頻運(yùn)行時(shí)的頻率范圍為100～1000hz，電流范圍200～500a。

所述孕育劑的材質(zhì)為與所澆鑄金屬液成分相同或相近的固體顆粒，具體為直徑或邊長(zhǎng)5～15mm的球體、塊體或金屬絲球/金屬帶球，其中球體、塊體的孕育劑由小型鑄錠或連鑄方坯經(jīng)軋拔后切制而成；金屬絲球/金屬帶球通過(guò)快速凝固法制備。

所述孕育劑使用前先經(jīng)清洗、烘干及預(yù)熱處理，具體為：孕育劑經(jīng)表面除銹、除油清理后，置于真空烘干箱中，在100～120℃溫度下烘干24小時(shí)以上，再用純鋁箔袋真空塑封備用。

根據(jù)所澆鑄金屬液的性質(zhì)，確定澆鑄完成后是否扒掉液面浮渣，加蓋保護(hù)渣和覆蓋劑。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果是：

1)采用的裝置結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，利用線圈繞組產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)攪拌磁場(chǎng)與孕育劑定向運(yùn)動(dòng)合成后形成螺旋運(yùn)動(dòng)，使金屬液與孕育劑均勻混合，孕育劑在金屬液中形成螺旋運(yùn)動(dòng)，延長(zhǎng)孕育劑與金屬液的接觸時(shí)間，形成過(guò)冷熔體，增加形核質(zhì)點(diǎn)，并使溫度場(chǎng)分布均勻；

2)應(yīng)用范圍廣，可應(yīng)用于各類材質(zhì)及尺寸的高質(zhì)量鑄錠鑄造；

3)澆鑄過(guò)程中，不僅可以均衡周向的溫度和溶質(zhì)分布，同時(shí)在徑向產(chǎn)生的環(huán)流也會(huì)減小熔體中間和邊部的溫度差，減小偏析，增加形核質(zhì)點(diǎn)，促近等軸晶的形成及細(xì)化晶粒，促進(jìn)夾雜物上浮，進(jìn)而可以減少熱裂和宏觀偏析等鑄坯(錠)缺陷，提高鑄錠的內(nèi)外質(zhì)量。

4)與冶金過(guò)程加入合金元素方法相比，燒損量小，收得率低；與澆注過(guò)程喂絲、加鋼球方法相比，電磁場(chǎng)調(diào)控利于溶質(zhì)均勻化；與鑄造過(guò)程強(qiáng)冷方法相比，減少了界面?zhèn)鳠崃?，增加了溶質(zhì)均勻程度；與懸浮鑄造方法相比，顆粒的激冷強(qiáng)度大，可控性好。

附圖說(shuō)明

圖1是本發(fā)明所述一種電磁調(diào)控自孕育處理制造大型鑄錠的方法的原理示意圖。

圖2是實(shí)施例2中自然凝固鋁硅合金鑄錠的低倍組織照片。

圖3是實(shí)施例2中電磁調(diào)控自孕育處理后鋁硅合金鑄錠的低倍組織照片。

圖4是實(shí)施例2中自然凝固鋁硅合金鑄錠的金相組織照片。

圖5是實(shí)施例2中電磁調(diào)控自孕育處理后鋁硅合金鑄錠的金相組織照片。

圖中：1.鋼水包2.雙相輸料水口3.孕育劑料斗4.加料控制閥5.電磁裝置ⅰ6.電磁裝置ⅱ7.鋼錠模

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明的具體實(shí)施方式作進(jìn)一步說(shuō)明：

如圖1所示，本發(fā)明所述一種電磁調(diào)控自孕育處理制造大型鑄錠的方法，包括如下步驟：

1)金屬液澆鑄采用y形的雙相輸料水口，雙相輸料水口的頂部進(jìn)料口分別用于待澆鑄金屬液及孕育劑進(jìn)料，且孕育劑進(jìn)料端設(shè)加料控制閥；雙相輸料水口的直段外側(cè)設(shè)電磁裝置??；錠模冒口外側(cè)設(shè)電磁裝置ⅱ，電磁裝置ⅰ和電磁裝置ⅱ均為變頻電磁裝置；

2)澆鑄前錠模及雙相輸料水口預(yù)熱，并將待澆鑄金屬液熔煉至過(guò)熱度為30～50℃；

3)澆鑄過(guò)程中氬氣保護(hù)，鋼水包中的金屬液經(jīng)雙相輸料水口向錠模內(nèi)澆鑄，待金屬液液面升至錠模內(nèi)腔1/2～2/3高度時(shí)，開(kāi)啟雙相輸料水口孕育劑進(jìn)料端的加料控制閥，將孕育劑勻速隨金屬液加入錠模中，同時(shí)開(kāi)啟電磁裝置??；電磁裝置ⅰ低頻運(yùn)行，利用低頻磁場(chǎng)產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)攪拌力使金屬液與孕育劑均勻混合并做螺旋運(yùn)動(dòng)，延長(zhǎng)孕育劑與金屬液的接觸時(shí)間，形成過(guò)冷熔體、增加形核質(zhì)點(diǎn)，使溫度場(chǎng)分布均勻；待金屬液面升至錠模冒口線高度時(shí)，開(kāi)啟電磁裝置ⅱ，電磁裝置ⅱ低頻運(yùn)行，強(qiáng)化金屬液在冒口處的攪拌效果，直至澆鑄過(guò)程結(jié)束；

4)澆鑄完成后，關(guān)閉電磁裝置ⅰ，將電磁裝置ⅱ由低頻運(yùn)行調(diào)整為中頻運(yùn)行，利用中頻磁場(chǎng)的焦耳熱效應(yīng)對(duì)錠模冒口部位進(jìn)行保溫，至鑄錠凝固。

所述電磁裝置ⅰ、電磁裝置ⅱ低頻運(yùn)行時(shí)的頻率范圍為0.1～100hz，電流范圍0～600a；電磁裝置ⅱ中頻運(yùn)行時(shí)的頻率范圍為100～1000hz，電流范圍200～500a。

所述孕育劑的材質(zhì)為與所澆鑄金屬液成分相同或相近的固體顆粒，具體為直徑或邊長(zhǎng)5～15mm的球體、塊體或金屬絲球/金屬帶球，其中球體、塊體的孕育劑由小型鑄錠或連鑄方坯經(jīng)軋拔后切制而成；金屬絲球/金屬帶球通過(guò)快速凝固法制備。

所述孕育劑使用前先經(jīng)清洗、烘干及預(yù)熱處理，具體為：孕育劑經(jīng)表面除銹、除油清理后，置于真空烘干箱中，在100～120℃溫度下烘干24小時(shí)以上，再用純鋁箔袋真空塑封備用。

根據(jù)所澆鑄金屬液的性質(zhì)，確定澆鑄完成后是否扒掉液面浮渣，加蓋保護(hù)渣和覆蓋劑。

本發(fā)明所述大型一種電磁調(diào)控自孕育處理制造大型鑄錠的方法在雙相輸料水口和冒口處分別設(shè)置了電磁裝置ⅰ、冒口處電磁裝置ⅱ，2個(gè)電磁裝置均由磁軛組和纏繞在磁軛組上的線圈組成，磁軛組由磁軛背和磁軛端面組成。供電系統(tǒng)包括兩相或三相電源柜及變頻控制柜，線圈通過(guò)電源接口由導(dǎo)線連接電源，為適合復(fù)雜的工作環(huán)境，導(dǎo)線的絕緣層應(yīng)耐高溫，抗氧化。電磁裝置ⅰ和電磁裝置ⅱ運(yùn)行頻率的選取與金屬液的性質(zhì)和鑄錠尺寸相關(guān)；線圈通入兩相或三相交流電，線圈所通電流的大小是影響電磁攪拌效果的重要因素。進(jìn)行電磁攪拌時(shí)，通過(guò)交換電源中的任意兩相的位置可以改變電磁力方向。

以下實(shí)施例在以本發(fā)明技術(shù)方案為前提下進(jìn)行實(shí)施，給出了詳細(xì)的實(shí)施方式和具體的操作過(guò)程，但本發(fā)明的保護(hù)范圍不限于下述的實(shí)施例。下述實(shí)施例中所用方法如無(wú)特別說(shuō)明均為常規(guī)方法。

【實(shí)施例1】

如圖1所示，本實(shí)施例中的錠模選用球墨鑄鐵鋼錠模，澆鑄前鋼錠模在300℃溫度下預(yù)熱，保溫12小時(shí)；雙相輸料水口預(yù)熱到1550℃。

澆鑄鋼種為q345b鋼，鋼錠設(shè)計(jì)錠重50kg，熔煉溫度1620℃，澆鑄溫度1580℃，預(yù)計(jì)澆鑄時(shí)間2min，澆鑄過(guò)程中氬氣保護(hù)，澆完后在液面撒保護(hù)渣。

為了保證電磁場(chǎng)與孕育劑的作用時(shí)間和效果，采用兩段電磁場(chǎng)，即施加于雙相輸料水口直段的電磁裝置ⅰ5和施加于鋼錠模冒口處的電磁裝置ⅱ6。

孕育劑的結(jié)構(gòu)參數(shù)由數(shù)值模擬和熱力學(xué)計(jì)算結(jié)果提供，孕育劑為與母液同一成分的q345b鋼塊，由連鑄坯經(jīng)熱軋退火后切制成設(shè)計(jì)尺寸。防止帶入外來(lái)雜質(zhì)，孕育劑先經(jīng)表面除銹、除油清理后，在真空烘干箱中100℃溫度下保溫烘干24小時(shí)，再用純鋁箔袋真空塑封備用。

澆鑄時(shí)，鋼水包中的q345b鋼水經(jīng)雙相輸料水口向鋼錠模內(nèi)澆鑄，當(dāng)鋼水澆至鋼錠模內(nèi)腔高度的1/2處時(shí)，打開(kāi)加料控制閥，存放在孕育劑料斗中的q345b鋼塊由孕育劑進(jìn)料口進(jìn)入雙相輸料水口，并隨鋼水流進(jìn)入到鋼錠模中；此時(shí)開(kāi)啟攪拌裝置ⅰ，電磁裝置ⅰ低頻運(yùn)行，利用低頻磁場(chǎng)產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)攪拌力使鋼水與孕育劑均勻混合并做螺旋運(yùn)動(dòng)，延長(zhǎng)孕育劑與鋼水的接觸時(shí)間，形成過(guò)冷熔體、增加形核質(zhì)點(diǎn)，使溫度場(chǎng)分布均勻；待鋼水液面升至鋼錠模冒口線高度時(shí)，開(kāi)啟電磁裝置ⅱ，電磁裝置ⅱ低頻運(yùn)行，強(qiáng)化冒口處的攪拌效果；直至澆鑄過(guò)程結(jié)束；以上電磁裝置低頻運(yùn)行的頻率范圍為2～30hz，電流為100～500a。

澆鑄過(guò)程結(jié)束后，關(guān)閉電磁裝置ⅰ，將電磁裝置ⅱ由低頻運(yùn)行調(diào)整為中頻運(yùn)行，磁場(chǎng)頻率范圍為100～1000hz，電流為400a～500a；利用中頻磁場(chǎng)較高的焦耳熱效應(yīng)對(duì)鋼錠模上部冒口部位進(jìn)行保溫；然后扒掉液面浮渣，再加蓋覆蓋劑(煤粉)，直至鋼錠凝固。

【實(shí)施例2】

如圖1所示，本實(shí)施例中的錠模選用石墨錠模，澆鑄前錠模在200℃溫度下預(yù)熱，保溫12小時(shí)；雙相輸料水口預(yù)熱至685℃。

澆鑄金屬為鋁硅合金，設(shè)計(jì)錠重20kg，熔煉溫度800℃，澆鑄溫度750℃，澆鑄過(guò)程中氬氣保護(hù)。

孕育劑材質(zhì)為鋁硅合金小塊，為防止帶入外來(lái)雜質(zhì)，孕育劑先經(jīng)表面清理后在真空烘干箱中100℃溫度下保溫烘干24小時(shí)備用。

澆鑄時(shí)，澆包中的鋁硅合金液經(jīng)雙相輸料水口向錠模內(nèi)澆鑄，當(dāng)鋁硅合金液澆至錠模內(nèi)腔高度的1/2處時(shí)，打開(kāi)加料控制閥，存放在孕育劑料斗中的鋁硅合金小塊由孕育劑進(jìn)料口進(jìn)入雙相輸料水口，并隨鋁硅合金液流進(jìn)入到錠模中；此時(shí)開(kāi)啟攪拌裝置ⅰ，電磁裝置ⅰ低頻運(yùn)行，利用低頻磁場(chǎng)產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)攪拌力使鋁硅合金液與孕育劑均勻混合并做螺旋運(yùn)動(dòng)，延長(zhǎng)孕育劑與鋁硅合金液的接觸時(shí)間，形成過(guò)冷熔體、增加形核質(zhì)點(diǎn)，使溫度場(chǎng)分布均勻；待鋁硅合金液液面升至錠模冒口線高度時(shí)，開(kāi)啟電磁裝置ⅱ，電磁裝置ⅱ低頻運(yùn)行，強(qiáng)化冒口處的攪拌效果；直至澆鑄過(guò)程結(jié)束；以上電磁裝置低頻運(yùn)行的頻率范圍為2～30hz，電流為100～500a。

澆鑄過(guò)程結(jié)束后，關(guān)閉電磁裝置ⅰ，將電磁裝置ⅱ由低頻運(yùn)行調(diào)整為中頻運(yùn)行，磁場(chǎng)頻率范圍為100～1000hz，電流為400a～500a；利用中頻磁場(chǎng)較高的焦耳熱效應(yīng)對(duì)錠模上部冒口部位進(jìn)行保溫；直至鋁硅合金鑄錠凝固。

圖2為自然凝固鋁硅合金鑄錠的低倍組織照片，圖3是電磁調(diào)控自孕育處理后鋁硅合金鑄錠的低倍組織照片，從兩者對(duì)比可以看出，經(jīng)過(guò)電磁調(diào)控自孕育處理鋁硅合金鑄錠的組織更致密。

圖4為自然凝固鋁硅合金鑄錠的金相組織照片，圖5是電磁調(diào)控自孕育處理后鋁硅合金鑄錠的金相組織照片，從兩者的金相組織可以看出，電磁調(diào)控自孕育處理鋁硅合金鑄錠的晶粒呈球狀或橢球狀，晶界析出的alsi相比較細(xì)小，總體組織細(xì)化均勻、偏析較自然凝固鋁硅合金鑄錠明顯減輕。

以上所述，僅為本發(fā)明較佳的具體實(shí)施方式，但本發(fā)明的保護(hù)范圍并不局限于此，任何熟悉本技術(shù)領(lǐng)域的技術(shù)人員在本發(fā)明揭露的技術(shù)范圍內(nèi)，根據(jù)本發(fā)明的技術(shù)方案及其發(fā)明構(gòu)思加以等同替換或改變，都應(yīng)涵蓋在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。