專利名稱：鑄造熔融金屬的方法及其設(shè)備和鑄造板坯的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及在鋼水被電磁線圈作用而振動的情形下鑄造熔融金屬的方法。本發(fā)明還涉及實施鑄造鋼水的方法的連續(xù)鑄造設(shè)備和用該方法和設(shè)備鑄出的鑄造板坯。更具體一些，本發(fā)明涉及澆鑄熔融金屬的方法、實施澆鑄熔融金屬的方法的設(shè)備和用該方法和設(shè)備鑄出的鑄造板坯，其特征為，可以防止熔融金屬在模具中凝固的過程中，在熔融金屬中所卷入氣體和粉末；可以防止在溫度不均勻時在鑄造板坯表面上產(chǎn)生裂紋；此外，可以使鑄造板坯的內(nèi)部組織變細(xì)。
作為使凝固的組織成為等軸結(jié)晶，以便減少在凝固過程中所產(chǎn)生的偏析的方法，在鋼的連續(xù)鑄造中，廣泛使用電磁攪拌。例如，此技術(shù)已在日本未經(jīng)審查的專利申請公開No.50-23338中公開。當(dāng)用電磁攪拌強(qiáng)制地賦予凝固界面附近的鋼水以流動性，以致能切斷棱柱形樹枝狀結(jié)晶時，就有可能得到等軸晶體的組織。為了增加等軸晶體的比例，一直到現(xiàn)在都對電磁攪拌的條件進(jìn)行各種研究并且多少減少了偏析。
但是，按照傳統(tǒng)的在模具中產(chǎn)生的電磁攪拌，可以用以生產(chǎn)足夠高的產(chǎn)品質(zhì)量的等軸晶體的比例并不一定在生產(chǎn)難于形成等軸晶體組織的類型的鋼(例如那種含碳量不超過0.1％的鋼)的情況下得到。為了提高上述難于形成等軸結(jié)晶組織的類型的鋼的等軸晶體比例，就應(yīng)當(dāng)考慮提高在模具中產(chǎn)生的電磁攪拌的推力。不過，當(dāng)采用這種方法時，鋼水在模具中的表面速度就提高，就在鋼水的表面上產(chǎn)生夾粉。因此，在產(chǎn)品的表面上產(chǎn)生缺陷。在偏析的產(chǎn)生受到嚴(yán)重限制的某些類型的鋼中，僅當(dāng)提高等軸結(jié)晶比時，不能滿足質(zhì)量要求。在這種類型的鋼中，等軸晶體組織的晶粒尺寸必須進(jìn)一步變細(xì)。
傳統(tǒng)上報導(dǎo)的有下列技術(shù)，例如，在美國專利No.5722480中公開了下列技術(shù)。在交流靜磁場中給以由接通和斷開電流產(chǎn)生的脈沖波，以致產(chǎn)生一指向模具側(cè)壁中心的電磁力。通過這種電磁力，就能提供一種潤滑作用和一種柔軟的接觸作用。不過，按照上述方法，不能總是使電流流動，而且振動波的加速度不能被控制。日本未經(jīng)審查的專利申請公開No.9-182941公開了一種方法，其中，電磁攪拌的攪拌方向是周期性地反向的，以致不會形成向下的流動，可以防止夾雜擴(kuò)散到下部。不過，按照這種方法，由于磁場變化，振動波不能送到前面的凝固的外皮上。此外，它也不是一種加速度可以被控制，以使凝固組織可以變細(xì)、可以為了凈化而消除夾雜以及彎月液面可以被穩(wěn)定的方法。
此外，按照在日本未經(jīng)審查的專利申請公開No.64-71557中公開的方法，交替用于產(chǎn)生磁場，使熔融金屬在水平面中旋轉(zhuǎn)電磁線圈，使磁場在靜止?fàn)顟B(tài)下存在。因此，彎月液面的流速在此方法中為零。按照在日本未經(jīng)審查的專利申請公開No.3-44858中公開的方法，為了防止鑄造板坯的V形偏析和孔隙，在電磁攪拌中，在垂直于鑄坯拉出方向的平面中產(chǎn)生一循環(huán)電流，以10至30秒的時間間隔變換攪拌方向。按照在日本未經(jīng)審查的專利申請公開No.54-125132中公開的方法，預(yù)先規(guī)定鑄造溫度，以防止不銹鋼起皺紋，而且為了防止在電磁攪拌中產(chǎn)生的正偏析和負(fù)偏析，預(yù)先規(guī)定其相位彼此不同的兩個電流的比率，同時，改換電流方向，使電流沿預(yù)定的方向流動5～50秒。
此外，按照日本未經(jīng)審查的專利申請公開No.60-102263，為了防止在鑄造低溫用于厚板的含9％的Ni的鋼時產(chǎn)生缺陷，電磁攪拌的交替時間設(shè)定為10至30秒。
在上述技術(shù)中，交替攪拌在較長的時間中進(jìn)行。也就是說，上述技術(shù)完全與這樣一種技術(shù)不同，在該技術(shù)中，振動波通過變化的磁場被送至前面的凝固的外皮中，而且振動波的加速度受到控制。
因此，希望開發(fā)一種新技術(shù)，可以解決上述問題，可以使凝固組織變細(xì)，夾雜物可以被凈化，此外，彎月液面可以被穩(wěn)定。
本發(fā)明的一個目的為解決上述在模具中進(jìn)行傳統(tǒng)的電磁攪動時所產(chǎn)生的問題。也就是說，本發(fā)明的一個目的為提供一種連續(xù)鑄造的方法，其中，振動通過變化的磁場給出，以致可以提高等軸晶體的比例而不產(chǎn)生由夾粉引起的表面缺陷，同時，等軸晶體組織本身可進(jìn)一步變細(xì)。此外，本發(fā)明的一個目的為提供一種可以對它應(yīng)用上述連續(xù)鑄造方法的連續(xù)鑄造設(shè)備，還有，本發(fā)明的一個目的為提供一用上述方法和設(shè)備生產(chǎn)的鑄造板坯。
本發(fā)明的另一目的為解決在該鑄造方法中所產(chǎn)生的問題，在該方法中，賦予熔融金屬以電磁力，以便能穩(wěn)定熔融金屬的凝固并能改善鑄造板坯的表面性能。
完成上述目的的本發(fā)明可概述如下(1)一種用于鑄造熔融金屬的方法，它包括下列步驟將熔融金屬澆入模具中并在模具中將其凝固，同時施加一由電磁線圈產(chǎn)生的電磁力，線圈設(shè)置在模具中的熔融金屬池附近，在熔融金屬上方；用由電磁線圈產(chǎn)生的變化的磁場振動已經(jīng)在模具中凝固或正被從模具中向下拉出并同時被冷卻和凝固的熔融金屬，以使熔融金屬被交替地賦予高強(qiáng)度的和低強(qiáng)度的加速度。
(2)一種用于鑄造熔融金屬的方法，它包括下列步驟將熔融金屬澆入模具中并在模具中將其凝固，同時施加一由電磁線圈產(chǎn)生的電磁力，線圈設(shè)置在模具中的熔融金屬池附近，在熔融金屬上方；用由電磁線圈產(chǎn)生的變化的磁場周期性地振動已經(jīng)在模具中凝固或正在被從模具中向下拉出并同時被冷卻和凝固的熔融金屬，以使熔融金屬被交替地賦予高強(qiáng)度的和低強(qiáng)度的加速度。
(3)一種用于鑄造熔融金屬的方法，它包括下列步驟將熔融金屬澆入模具中并在模具中將其凝固，同時施加一由電磁線圈產(chǎn)生的電磁力，線圈設(shè)置在模具中的熔融金屬池附近，在熔融金屬上方；用由電磁線圈產(chǎn)生的變化的磁場振動已經(jīng)在模具中凝固或正被從模具中向下拉出并同時被冷卻和凝固的熔融金屬，以使熔融金屬在沿相同方向或相反方向的大加速度和小加速度的方向矢量彼此組合時，在不超過預(yù)定的流速的范圍內(nèi)被高強(qiáng)度和低強(qiáng)度的加速度加速。
(4)一種用于鑄造熔融金屬的方法，它包括下列步驟將熔融金屬澆入模具中并在模具中將其凝固，同時施加一由電磁線圈產(chǎn)生的電磁力，線圈設(shè)置在模具中的熔融金屬池附近，在熔融金屬上方；用由電磁線圈產(chǎn)生的變化的磁場沿一方向和一相反的方向周期性地振動已經(jīng)在模具中凝固或正被從模具中向下拉出并同時被冷卻和凝固的熔融金屬。
(5)如(1)至(4)項的任一項的用于鑄造熔融金屬的方法，其特征為，在模具中進(jìn)行的過程是一冷卻和凝固過程，同時，在模具中進(jìn)行的過程也是一用于連續(xù)鑄造板坯、大方坯、中厚板坯或方坯的連續(xù)鑄造過程。
(6)如(1)至(5)項的任一項的用于鑄造熔融金屬的方法，其特征為，振動波沿一方向和一相反方向的高強(qiáng)度加速度不少于10cm/s2，而振動波沿一方向和一相反方向的低強(qiáng)度加速度則少于10cm/s2。
(7)如第(6)項的用于鑄造熔融金屬的方法，其特征為，振動波沿一個方向的加速度和加速時間，或振動波沿相反方向的加速度和加速時間，以及加速時間系數(shù)(加速度×加速時間)滿足下式50cm/s≤加速時間系數(shù)(8)如第(6)項的用于鑄造熔融金屬的方法，其特征為，振動波沿一個方向的加速度和加速時間，或振動波沿相反方向的加速度和加速時間，以及加速時間系數(shù)(加速度×加速時間)滿足下列式子10η≤加速時間系數(shù)η熔融金屬的粘度，cp(9)如第(6)項的用于鑄造熔融金屬的方法，其特征為，含碳量c與加速度滿足下列式子[c]＜0.1％30cm/s2≤加速度0.1％≤[c]＜0.35％-80[c]+38cm2/s2≤加速度0.35％≤[c]＜0.5％133.3[c]-36.7cm/s2≤加速度0.5％≤[c]30cm/s2≤加速度(10)如(1)至(5)項的任一項的用于鑄造熔融金屬的方法，其特征為，在沿一個方向加速的過程中和沿相反方向加速的過程中，提供了其時間不超過0.3秒和不少于0.03秒的加速度停止時間或電功率停止時間。
(11)如第(6)、(7)、(8)或(9)項的用于鑄造熔融金屬的方法，其特征為，在沿一個方向加速的過程中和沿相反方向加速的過程中，提供了其時間不超過0.3秒和不少于0.03秒的加速度停止時間或電功率停止時間。
(12)如第(6)、(7)、(8)或(9)項的用于鑄造熔融金屬的方法，其特征為在一個周期中，在t1中產(chǎn)生加速度，接著在t2中保持恒定的流速，其次是沿相反的方向在t3中產(chǎn)生加速度，以后在t4中保持恒定的流速；同時，模具中的熔融金屬通過重復(fù)這一周期而被周期性地振動，而且，在一個周期中的振動時間t1+t2+t3+t4被確定為不少于0.2秒，但是小于10秒。
(13)如(1)至(8)項的任一項和第(9)的用于鑄造熔融金屬的方法，其特征為，熔融金屬周期性地被振動，并賦予熔融金屬以沿一個方向和相反方向的旋轉(zhuǎn)流。
(14)如第(13)項的用于鑄造熔融金屬的方法，其特征為，當(dāng)對某一時間進(jìn)行積分時，要滿足下列式子沿一個方向的(加速時間×加速度)積分值＞沿相反方向的(加速時間×加速度)積分值；由積分值產(chǎn)生的平均旋轉(zhuǎn)流速不大于1m/s。
(15)如第(13)項的用于鑄造熔融金屬的方法，其特征為，在一個時間中，在t1中進(jìn)行熔融金屬的加速度，接著在t2中保持恒定的流速，其次是沿相反的方向在t3中產(chǎn)生加速度，以后在t4中保持恒定的流速，同時，模具中的熔融金屬通過重復(fù)這一周期而被周期性地振動，t1a是振動流速在t1時間內(nèi)成為零以前的時間、t1b是振動流速在t1時間內(nèi)成為零以后的時間，要滿足t1b+t2＞t4+t1a這一式子，同時，由時間差引起的沿一個方向的旋轉(zhuǎn)流速不大于1m/s。
(16)如第(13)項的用于鑄造熔融金屬的方法，其特征為，在一n個循環(huán)的周期中，周期性地予以振動，只在預(yù)定的方向，在振動后的旋轉(zhuǎn)時間ΔTV內(nèi)由給定的加速度產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)流，而且平均旋轉(zhuǎn)流速，循環(huán)數(shù)n和旋轉(zhuǎn)時間ΔTV要滿足下列式子平均旋轉(zhuǎn)流速≤1m/s1≤循環(huán)數(shù)n≤200.1≤旋轉(zhuǎn)時間ΔTV≤5s(17)如第(13)項的用于鑄造熔融金屬的方法，其特征為，通過加大沿一個方向的加速度使其大于沿相反方向的加速度而產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)流，同時平均旋轉(zhuǎn)流速不大于1m/s。
(18)如第(13)項的用于鑄造熔融金屬的方法，其特征為，用于沿一個方向旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)流的電流進(jìn)一步疊加在振動時通過用于產(chǎn)生變化的磁場的電磁線圈的電流產(chǎn)生的電流上，以使平均旋轉(zhuǎn)流速不會大于1m/s。
(19)如(1)至(9)項的任一項的用于鑄造熔融金屬的方法，其特征為，熔融金屬周期性地被振動，并且進(jìn)一步加以短時間的振動，此短時間的振動頻率不小于100Hz，不大于30KHz。
(20)如(6)至(9)項的任一項的用于鑄造熔融金屬的方法，其特征為，當(dāng)熔融金屬被澆入模具并在其中凝固時，在模具中或在模具中的熔融金屬池附近設(shè)置電磁線圈，用由電磁線圈產(chǎn)生的變化的磁場沿一個方向周期性地振動，并且采用一布置在從彎月液面至模具下面距離為1m的位置的范圍內(nèi)的電磁閘。
(21)如第(11)項的用于鑄造熔融金屬的方法，其特征為，在將熔融金屬澆入模具中并在其中凝固時，在模具中的熔融金屬池附近放置一電磁線圈，所產(chǎn)生的變化的磁場沿一個方向和相反方向周期性地振動熔融金屬，并且采用一布置在模具下面離開彎月液面1m的位置的范圍內(nèi)的電磁閘，后者與電磁線圈在模具中停止加速度的時間同步，或與電功率源停止的時間同步。
(22)如(6)至(15)項的任一項的用于鑄造熔融金屬的方法，其特征為，布置在模具中的熔融金屬池附近的電磁線圈設(shè)置在模具下面，在從正好在模具下面至離開模具1m的位置的范圍內(nèi)。
(23)如第(22)項的用于鑄造熔融金屬的方法，其特征為，采用一電磁閘，它布置在從電磁線圈上面距離1m的位置至電磁線圈下面距離1m的位置的范圍內(nèi)。
(24)如第(11)項的用于鑄造熔融金屬的方法，其特征為，布置在模具中的熔融金屬池附近的電磁線圈設(shè)置在模具下面，在從正好在模具下面的位置至模具下面距離1m的位置的范圍內(nèi)，并采用一電磁閘，它布置在從彎月液面至在模具下面距離1m的位置的范圍內(nèi)，電磁閘與電磁線圈在模具中停止加速度的時間同步，或與電功率源停止的時間同步。
(25)用于(1)至(24)項的任一項的電磁線圈裝置，它包括用于沿一個方向和相反方向周期性地振動的電磁驅(qū)動裝置；用于控制電磁驅(qū)動裝置的控制裝置。
(26)用于(1)至(24)項的任一項的電磁線圈裝置，它包括一電磁線圈；一用于供應(yīng)電流，以沿一個方向或相反方向振動電磁線圈的電功率源或一產(chǎn)生波形的裝置。
(27)用于(1)至(24)項的任一項的電磁線圈裝置，它包括用于沿一個方向和相反方向周期性地振動熔融金屬的電磁驅(qū)動裝置，電磁驅(qū)動裝置具有在改變振動方向的情況下將電流加大至指令值的功能；用于控制電流的電流控制裝置。
(28)一電磁線圈裝置，它包括一電磁驅(qū)動裝置、一用于控制電流的控制裝置和一用在(1)至(24)項的任一項中的電磁閘。
(29)一具有負(fù)偏析區(qū)和樹枝狀結(jié)晶或結(jié)晶狀組織區(qū)的鑄造板坯，負(fù)偏析區(qū)由多層組織組成，其間距不大于2mm，而層的數(shù)目不少于三，樹枝狀結(jié)晶或結(jié)晶狀組織區(qū)由多層的偏轉(zhuǎn)組織區(qū)組成。
(30)一具有負(fù)偏析區(qū)和樹枝狀結(jié)晶或結(jié)晶狀組織區(qū)的鑄造板坯，負(fù)偏析區(qū)由多層組織組成，其間距不大于2mm，而層的數(shù)目不小于三，樹枝狀結(jié)晶或結(jié)晶狀組織區(qū)由多層的偏轉(zhuǎn)組織區(qū)組成。其中，負(fù)偏析區(qū)、樹枝狀結(jié)晶或結(jié)晶狀組織區(qū)的厚度不大于30mm。
(31)一鑄造板坯，其特征為，確定了多層組織的負(fù)偏析區(qū)的平均輪廓的負(fù)偏析區(qū)的負(fù)偏析中心線(m)的轉(zhuǎn)角點(c)，或確定了從弧形負(fù)偏析區(qū)的偏析中心線的兩條相鄰邊外推的假想轉(zhuǎn)角點(c’)；從兩條相鄰邊上的從轉(zhuǎn)角點至鑄造板坯內(nèi)側(cè)相距5mm的點(E)畫平行于兩條相鄰邊的線，則與偏析中心線(m)相交的點(F)處的外皮厚度D1與沿鑄造板坯寬度方向的中間處的外皮厚度D2之差不大于3mm。
(32)一鑄造板坯，其特征為，確定了具有其平均輪廓的多層偏斜組織的樹枝狀結(jié)晶或結(jié)晶狀組織區(qū)的中心線的轉(zhuǎn)角點，或確定了從弧形樹枝狀結(jié)晶或結(jié)晶狀組織區(qū)的中心線的兩條相鄰邊外推的假想轉(zhuǎn)角點；從兩條相鄰邊上的從轉(zhuǎn)角點至鑄造板坯內(nèi)側(cè)相距5mm的點畫平行于兩條相鄰邊的線，則與中心線相交的點處的外皮厚度D1與沿鑄造板坯寬度方向的中心處的外皮厚度D2之差不大于3mm。
(33)一鑄造板坯，其特征為，鑄造板坯的形狀為圓形；多層組織的負(fù)偏析區(qū)的平均輪廓的負(fù)偏析區(qū)的偏析中心線(m)上的點處的外皮厚度的波動不大于3mm。
(34)一鑄造板坯，其特征為，鑄造板坯的形狀為圓形；多層組織的偏轉(zhuǎn)組織的樹枝狀結(jié)晶組織或結(jié)晶狀組織區(qū)的平均輪廓的樹枝狀結(jié)晶或結(jié)晶狀組織區(qū)的中心線上的點處的外皮厚度波動不大于3mm。
(35)當(dāng)將熔融金屬澆入模具并使其凝固，同時用布置在模具附近的電磁線圈向熔融金屬作用電磁力時，提供了如(31)或(33)項的鑄造板坯，鑄造板坯包括一由在模具的內(nèi)周向形成的多層組織組成的多偏析區(qū)，該多層組織沿厚度方向相對于凝固的外皮厚度D0(mm)在D0±15mm的范圍內(nèi)具有由下式(2)定義的間距P，該D.在線圈的芯部中心處沿鑄造方向由被下式(1)定義的凝固的外皮厚度D(mm)確定。
D＝K(L/V)n………(1)D凝固的外皮厚度L從彎月液面至電磁線圈的芯部中心的長度V鑄造速度K凝固系數(shù)n常數(shù)P＝U×t/2………(2)U凝固速度(dD/dt(mm/s))t振動時間(36)如(31)至(35)的任一項的鑄造板坯，該板坯在由多層組織組成的負(fù)偏析區(qū)的內(nèi)側(cè)，和在由多層形偏斜組織組成的樹枝狀結(jié)晶或結(jié)晶狀組織區(qū)的內(nèi)側(cè)都具有不少于50％的等軸晶體比例。
(37)當(dāng)將熔融金屬澆入模具并使其凝固，同時用布置在模具附近的電磁線圈向熔融金屬給以電磁力時，提供了如(32)或(34)項的鑄造板坯，鑄造板坯包括一其生長方向為有規(guī)則地偏斜的樹枝狀結(jié)晶或結(jié)晶狀組織區(qū)，該區(qū)沿厚度方向相對于凝固的外皮厚度D0(mm)在D0±15mm的范圍內(nèi)具有由下式(2)定義的間距P，該D0在線圈的芯部中心處沿鑄造方向由被下式(1)定義的凝固的外皮厚度D(mm)確定，D＝K(L/V)n…………(1)D凝固的外皮厚度L從彎月液面至電磁線圈的芯部中心的長度V鑄造速度K凝固系數(shù)n常數(shù)P＝U×t/2………(2)U凝固速度(dD/dt(mm/s))t振動時間。
下面參照附圖詳細(xì)說明本發(fā)明圖1是一視圖，示出了按照本發(fā)明的電磁線圈在模具中的布置的概況。
圖2(a)是一示意圖，用于說明本發(fā)明的電磁線圈的電流圖形。
圖2(b)是一示意圖，用于說明在凝固的外皮的前面的振動流速。
圖3是一曲線圖，示出了電磁線圈電流的時間與等軸晶體的比例的關(guān)系。
圖4是一曲線圖，示出了電磁線圈電流的時間與等軸晶體的圓的當(dāng)量直徑的關(guān)系。
圖5是一示意圖，示出了其中設(shè)有加速度停止時間的實例，其時間在一個方向和相反方向不大于0.3秒，不小于0.03秒。
圖6是一示意圖，示出了一個實例，其中沿一個方向的加速度為100m/s2，而沿相反方向的加速度為50cm/s2。
圖7是一示意圖，示出了沿澆鑄方向在電磁線圈芯部中心處的凝固的外皮厚度的概況。
圖8(a)是一視圖，示出了本發(fā)明的鑄造板坯的負(fù)偏析區(qū)的明顯的轉(zhuǎn)角的典型實例。
圖8(b)是一視圖，示出了在不明顯的負(fù)偏析區(qū)的情況下的假想轉(zhuǎn)角。
圖9是一金相圖，它示出了圖8的負(fù)偏析區(qū)的明顯的轉(zhuǎn)角。
圖1是一視圖，示出了當(dāng)用本發(fā)明的電磁線圈在熔融金屬上作用一電磁場時，熔融金屬在模具中旋轉(zhuǎn)的那一瞬間。在圖1中，標(biāo)號1是電磁線圈，標(biāo)號2是長邊的側(cè)壁，標(biāo)號3是短邊的側(cè)壁，而標(biāo)號4則是浸入式注口。
本發(fā)明的第一特征為，不僅僅在模具中通過用模具的電磁線圈產(chǎn)生變化的磁場使熔融金屬旋轉(zhuǎn)，而且本發(fā)明的第一特征還通過變化的磁場沿一個方向和相反的方向給予熔融金屬以一加速度，以使熔融金屬可在前面的凝固的外皮上振動。此外，此振動波的加速度受到控制。上述技術(shù)不僅用于連續(xù)鑄造過程，而且也可用于其中采用固定的模具的鑄造過程。在此實施例中，用一直線電動機(jī)作為電磁線圈。不過，本發(fā)明并不限于這一特殊的實施例。只要能產(chǎn)生一變化的磁場，任何磁場發(fā)生裝置都可以使用，也就是說，并不一定要用產(chǎn)生直線磁場的磁場發(fā)生裝置。例如，可以采用產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場的磁場發(fā)生裝置，并且可以采用沿一方向和相反方向給予熔融金屬以振動的任何磁場發(fā)生裝置。
本發(fā)明的第二特征為，沿一方向和相反方向加大直線電動機(jī)的載荷并連續(xù)供應(yīng)電流，以便能實現(xiàn)電流的快速增長。由于上述情況，電磁力可迅速地達(dá)到預(yù)定值。因此，有可能在一寬廣的范圍內(nèi)控制給予熔融金屬的加速度。
按照本發(fā)明的上述特征，有可能顯著地如下提高鑄造板坯的內(nèi)部質(zhì)量和表面質(zhì)量。也可以在本發(fā)明中對前面的凝固的外皮上給以由變化的磁場產(chǎn)生的振動波，同時控制加速度，以代替由傳統(tǒng)的電磁攪拌產(chǎn)生的熔融金屬旋轉(zhuǎn)。由于上述情況，棱柱切斷力被加大，以致使凝固的組織進(jìn)一步變細(xì)，而且與此同時，板坯的內(nèi)部質(zhì)量可大大地凈化。此外，彎月液面的變化可以被抑制成盡可能小，也就是說，對彎用液面形狀擾動的影響可以被抑制成盡可能小。這樣，就可以顯著地改進(jìn)鑄造板坯的內(nèi)部質(zhì)量和表面質(zhì)量。
在連續(xù)鑄造中進(jìn)行的傳統(tǒng)的電磁攪拌的流速通常為20～100cm/s。本發(fā)明人研究了由電磁攪拌在上述流速范圍內(nèi)產(chǎn)生的等軸晶體產(chǎn)生的機(jī)理。作為研究結(jié)果，已弄清楚下面的情況。電磁攪拌有一個使棱柱形樹枝狀結(jié)晶流向上游側(cè)傾斜的作用，但是，習(xí)慣上至今都認(rèn)為高的切斷棱柱形樹枝狀結(jié)晶的作用并不那么大。電磁攪拌有助于凝固的外皮與熔融金屬之間的熱傳導(dǎo)，而不是將棱柱形樹枝狀結(jié)晶切斷的作用。因此，過熱得以減少，以致能容易地形成結(jié)晶核心。根據(jù)上述認(rèn)識，本發(fā)明人進(jìn)一步研究了一種方法，與傳統(tǒng)的方法相比，用這種方法可以更顯著地提高切斷棱形樹枝狀結(jié)晶的作用，并在進(jìn)行電磁攪拌時不會損害減少熔融金屬的過熱的作用。作為研究結(jié)果，本發(fā)明人得到如下結(jié)果。如圖2(a)所示，周期性地改變電磁線圈的電流，以便向熔融金屬給出在前面的凝固的外皮上往復(fù)的振動波，是非常有效的。由于上面所述的情況，不僅可以提高等軸晶體的比例，而且也可以使等軸晶體的晶粒尺寸變細(xì)。
當(dāng)如圖2(a)所示的圖形改變電磁線圈的電流時，則在凝固的外皮前面的振動流速如圖2(b)所示跟隨電流變化，其中，與圖2(a)所示的曲線相比，圖2(b)所示的曲線變成有一點圓角。在前面的凝固的外皮的振動流速在其中不變的區(qū)域t2或t4中，振動流提供小的切斷棱柱形樹枝狀結(jié)晶的作用。不過，在沿一個方向加速的區(qū)域t1和沿相反的方向加速的區(qū)域t3，在前面的凝固的外皮上在振動流中產(chǎn)生一加速度。因此，與具有恒定流速的旋轉(zhuǎn)流相比，有可能給棱形樹枝狀結(jié)晶一個非常強(qiáng)的力。由于上述作用，有可能顯著地加強(qiáng)切斷棱柱形樹枝狀結(jié)晶的作用。此外，當(dāng)使在前面的凝固的外皮上的振動流速與傳統(tǒng)方法在t2區(qū)的振動流速相同時，就有可能通過促進(jìn)凝固的外皮與熔融金屬之間的熱傳導(dǎo)而提供一減少熔融金屬過熱的作用。由于已經(jīng)在加速區(qū)t1和t3的前面的凝固的外皮上作用一將棱柱形樹枝狀結(jié)晶切斷的足夠強(qiáng)的力，因此本發(fā)明有一種清潔作用，通過它，可以防止夾雜物被前面的凝固的外皮捕捉。
按照傳統(tǒng)的方法，大量的夾雜物被鑄造板坯的凝固速度高的表面層捕捉，于是損害了清潔度。不過，按照本發(fā)明，在離開按照本發(fā)明鑄造的鑄造板坯的表面20mm的區(qū)域，可以使平均氧濃度小于板坯的內(nèi)部的平均氧濃度。由傳統(tǒng)的電磁攪拌產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)流產(chǎn)生下列問題。當(dāng)提高旋轉(zhuǎn)流速以加大等速晶體的比例時，彎月液面紊亂，產(chǎn)生夾粉，另外，旋轉(zhuǎn)流在模具的短邊上與側(cè)壁撞擊，以致連續(xù)產(chǎn)生一強(qiáng)的下降流。不過，當(dāng)向熔融金屬作用一在前面的凝固的外皮上往復(fù)的振動波時，有可能防止彎月液面擾動和夾粉的出現(xiàn)，此外，還有可能抑制下降流的影響。因此，可以穩(wěn)定地進(jìn)行澆鑄。
除此之外，當(dāng)將旋轉(zhuǎn)流疊加在振動波上時，可以進(jìn)一步促進(jìn)夾雜物的凈化和核心的產(chǎn)生，同時穩(wěn)定彎月液面的形狀。按照傳統(tǒng)的電磁攪拌，要產(chǎn)生溶質(zhì)元素的負(fù)偏析區(qū)。因此，不可能保證鑄造板坯的質(zhì)量。不過，按照本發(fā)明，振動波在前面的凝固的外皮上往復(fù)振動。因此，產(chǎn)生非常薄的多層結(jié)構(gòu)的偏析區(qū)。因此，負(fù)偏析區(qū)被擴(kuò)散，可使凝固的組織變細(xì)，與此同時，可以防止負(fù)偏析。
如圖8(a)、8(b)、和9所示，在鑄造板坯的外周邊上，在離開鑄造板坯表面等距離的地方，對應(yīng)于攪拌時間均勻地產(chǎn)生薄的多層結(jié)構(gòu)的負(fù)偏析區(qū)。因此，可以防止裂縫在鑄造板坯表面上擴(kuò)展，并且進(jìn)一步抑制了晶粒邊界的氧化。除此之外，在位于負(fù)偏析區(qū)之間的正偏析區(qū)中，棱柱形結(jié)晶(樹枝狀結(jié)晶)的生長方向在每個正偏析區(qū)都是交替變化的。因此，與棱柱形結(jié)晶(樹枝狀結(jié)晶)在其中沿一個方向生長的鑄造板坯相比，就裂縫的發(fā)生而言，凝固組織是堅強(qiáng)的。由于上述理由，有可能用本發(fā)明的鑄造方法生產(chǎn)一種其表面層有高度加強(qiáng)的功能的鑄造板坯。
其次，在下面說明加速時間系數(shù)。當(dāng)涉及質(zhì)點運動而考慮處于液態(tài)的質(zhì)點時，可以根據(jù)動力學(xué)定律敘述如下?！熬唾|(zhì)點在一預(yù)定的時間段中的動量而言，其變化等于作用力的沖量和力在其中作用的時間的乘積”。因此，有可能將此定律用于振動狀況下的作用力的改變。也就是說，由本發(fā)明定義的加速時間系數(shù)，(加速度×加速時間)，可以用作振動的參數(shù)，也就是說，(加速度×加速時間)可以表示代表振動狀況的沖量或作用力的變化。由于上述情況，有可能通過調(diào)節(jié)熔化狀態(tài)下的保持時間(t2、t4)和產(chǎn)生加速度的時間(t1、t3)，同時用加速時間系數(shù)作為參數(shù)來控制振動狀況。
為了穩(wěn)定地產(chǎn)生上述作用，本發(fā)明的在前面的凝固的外皮上往復(fù)的振動有一合適的時間。合適的時間的上限和下限如下確定。
為了沿鑄造板坯的周向均勻地作用一加速度，必須在前面的凝固的外皮上的邊界層還未被剝下的時間內(nèi)逆轉(zhuǎn)加速方向。此時間小于5秒并且由實驗得到。同時，以后稱為振動時間的時間段中的振動時間要小于10秒。
另一方面，為了顯示沿鑄造板坯的鑄造方向的振動效果，必須在鑄造板坯穿過電磁線圈的芯部時作用至少一段時間的振動。此時，振動時間不大于(芯部長度)/(鑄造速度)的值。因此，振動時間的上限由鑄造作業(yè)可在鑄造板坯的周向和鑄造方向都穩(wěn)定這一條件確定。較短的時間為振動時間的上限。
本發(fā)明人發(fā)現(xiàn)下列情況。當(dāng)(振動時間)≥2/(電磁線圈頻率)這一條件得到滿足時，在前面的凝固的外皮上的熔融金屬被加速。用于產(chǎn)生變化的磁場電磁線圈的頻率最多為10Hz。因此，振動的時間的下限不小于0.2秒。
在本發(fā)明中，當(dāng)將基準(zhǔn)點的位移對時間微分時，就得到流速，而加速度則在將流速對時間微分時得到。加速度也可以在振動流速為零的時刻將流速對時間微分而得到。或者，加速度可能是(最大振動流速-最小振動流速)/t1或(最大振動流速-最小振動流速)/t3的值。基準(zhǔn)點位于模具長邊的中部或位于離開前面的凝固的外皮20mm處在前面的1/4寬度處。加速時間系數(shù)的加速時間為t1或一直到加速區(qū)間t1至t3，其中，t1受到t3的限制。平均旋轉(zhuǎn)流速是在將加速度乘以時間并相對于全部時間積分，然后將如此得到的值相對于時間平均時得到的平均流速。在圖2中，加速區(qū)(t1、t3)是高加速度時間，而其加速度為絕對值低的加速區(qū)(t2、t4)是一個低加速區(qū)。
接著在下面說明本發(fā)明的鑄造板坯。鑄造板坯的第一特征為，鑄造板坯有由多層組織組成的負(fù)偏析區(qū)，多層組織的間距不大于2mm，同時其層數(shù)不少于三，而且負(fù)偏析區(qū)的厚度不大于30mm。就負(fù)偏析區(qū)而言，有兩種情況。一種情況示于圖8(a)和9中，其中，負(fù)偏析區(qū)的轉(zhuǎn)角相對于鑄造板坯的轉(zhuǎn)角是明顯的，另一種情況示于圖8(b)中，其中，負(fù)偏析區(qū)的轉(zhuǎn)角相對于鑄造板坯的轉(zhuǎn)角是不明顯的。首先，在圖8(a)所示的情況中，負(fù)偏析中心線(m)的轉(zhuǎn)角點(c)是多層組織的負(fù)偏析區(qū)的平均輪廓。從兩條相鄰邊上的從轉(zhuǎn)角點至鑄造板坯內(nèi)側(cè)相距5mm的點(E)畫平行于兩相鄰邊的平行線，則在相對于負(fù)偏析線(m)的交點(F)處的外皮厚度D1與沿鑄造板坯寬度方向的中點處的外皮厚度D2之差規(guī)定不超過3mm。
在圖8(b)所示的情況下，確定了假想的轉(zhuǎn)角點(c’)，它是從弧形負(fù)偏析區(qū)的負(fù)偏析中心線(m)的兩條相鄰的邊外推出來的。從兩條相鄰邊上的從轉(zhuǎn)角點至鑄造板坯內(nèi)側(cè)相距5mm的點(E)畫平行于兩條相鄰邊的平行線，則在相對于負(fù)偏析中心線(m)的交點(F)處的外皮厚度D1和沿鑄造板坯寬度方向的中間處的外皮厚度D2之差規(guī)定不大于3mm。
按同樣方式確定了偏轉(zhuǎn)組織的樹枝狀結(jié)晶或結(jié)晶狀組織區(qū)的平均輪廓的樹枝狀結(jié)晶或結(jié)晶狀組織區(qū)的中心線的轉(zhuǎn)角點，或是確定了從弧形樹枝狀結(jié)晶或結(jié)晶狀組織區(qū)的中心線的兩條相鄰邊外推的假想轉(zhuǎn)角上，并以同樣方式作了規(guī)定。
另一方面，就圓形鑄造板坯而言，在多層組織的負(fù)偏析區(qū)的偏析中心線(m)上的點處的外皮厚度波動，或偏析組織或結(jié)晶狀組織區(qū)的樹枝狀結(jié)晶的平均輪廓的偏析中心線(m)上的點處的外皮厚度波動都規(guī)定不大于3mm。
更具體一些，規(guī)定了多層組織的負(fù)偏析區(qū)，偏轉(zhuǎn)組織或結(jié)晶狀組織區(qū)的樹枝狀結(jié)晶。也就是說，就負(fù)偏析區(qū)，偏轉(zhuǎn)組織或結(jié)晶組織的樹枝狀結(jié)晶而言，根據(jù)圖7所示的位置關(guān)系，鑄造板坯包括由在模具的內(nèi)周向形成的多層組織組成的負(fù)偏析區(qū)，偏轉(zhuǎn)組織或結(jié)晶組織的樹枝狀結(jié)晶，該多層組織沿厚度方向相對于凝固的外皮厚度D0(mm)在D0±15mm的范圍內(nèi)具有由下式(2)定義的間距P，該D0在電磁線圈芯部中心處沿鑄造方向由被下式(1)定義的凝固的外皮厚度D(mm)確定。
D＝K(L/V)n…………(1)D凝固的外皮厚度；L從彎月液面至電磁線圈的芯部中心的長度；V鑄造速度；K凝固系數(shù)；n常數(shù)；P＝U×t/2………(2)U凝固速度(dD/dt(mm/s))；t振動時間就此而言，在本發(fā)明中，安裝位置并不限于模具內(nèi)的位置。只要它是連續(xù)鑄造機(jī)中的一個位置，同時在該處有熔融金屬，本發(fā)明在原理上可用于任何位置。
在本發(fā)明中，熔融金屬不限于某特殊金屬。不過，此處將參考


本發(fā)明，其中，將本發(fā)明用于鋼。實例實例1在該實例中，為了說明由電磁線圈產(chǎn)生的振動方式對等軸晶體的比例和等軸晶體的晶粒尺寸的影響，進(jìn)行了實驗，其中，將鋼水倒入具有電磁線圈的模具中，線圈的頻率為10Hz。在此實驗中，使50Kg的含碳量為0.35％的鋼水在高頻熔化爐中熔化并將其倒入用銅做的模具中，其中，模具的寬度為200mm，長度為100mm，高度為300mm。在鋼水倒入模具中以后不久，鋼水就凝固并且同時在模具中用預(yù)定振動方式將其振動。在鑄造完畢以后，在橫截面上切割鋼錠，以便將凝固的組織露在外面。以后評估等軸晶體區(qū)的面積比(等軸晶體的面積比)和等軸晶體區(qū)的當(dāng)量圓的直徑。振動方式的變化如下。在圖2中，電磁線圈的電流設(shè)定為最大為100安培，最小為-100安培。其中給出一個方向的加速度的線圈電流加大的時間t1、其中給出相反方向的加速度的線圈電流減小的時間t3和線圈電流保持時間t4都設(shè)定在預(yù)定值。振動方式按此方式變化。
圖3示出了線圈電流變化的時間(t1+t2+t3+t4)與等軸晶體面積比之間的關(guān)系。當(dāng)減少振動時間時，等軸晶體的面積就加大。不過，當(dāng)振動時間小于0.2秒時，等軸晶體的面積比就突然減小。其原因是，當(dāng)線圈電流的時間減小時，在前面的凝固的外皮上的振動流速不能追隨線圈電流的變化而變化。圖4示出了電磁線圈電流的時間與等軸結(jié)晶區(qū)的當(dāng)量圓的直徑之間的關(guān)系。當(dāng)在前面的凝固的外皮上的加速度的絕對值(因為加速度值在相反側(cè)的加速區(qū)成為-10cm/s2)小于10cm/s2時，等軸晶體區(qū)的當(dāng)量圓的直徑與振動時間無關(guān)。因此，不可能得到使等軸晶體變細(xì)的效果。不過，當(dāng)加速度的絕對值在前面的凝固的外皮上不小于10cm/s2時，可以認(rèn)為，等軸晶體在短于10秒的時間中可以變細(xì)。為什么除去上述操作條件都不能得到使晶體變細(xì)的效果的原因可以說明如下。當(dāng)振動流速的加速度值在前面的凝固的外皮上小于10cm/s2時，作用在棱柱形樹枝狀結(jié)晶上的力是微弱的，以致不可能得到使結(jié)晶變細(xì)的效果。當(dāng)振動時間成為不大于10秒的時間時，邊界層在前面的凝固的外皮上被撕下，以致難于使由加速度產(chǎn)生的切割力作用在棱柱形樹枝狀結(jié)晶上。根據(jù)上述觀點，可以認(rèn)為，使等軸晶體變細(xì)的振動條件要比提高等軸晶體比例的條件苛刻。
因此，可以認(rèn)為有下列情況。為了提高等軸晶體比例并使等軸晶體的晶粒尺寸變細(xì)，電磁線圈電流的時間設(shè)定為不小于0.2秒，但小于10秒，與此同時，加速度的絕對值在凝固的前面設(shè)定為不小于10cm/s2。
就此而言，聯(lián)系到本發(fā)明中的加速度，其效果取決于鋼水的含碳量。在本發(fā)明中，加速度被限定如下。當(dāng)c≤0.1％時，加速度為30～300cm/s2。當(dāng)0.1％≤c≤0.35％時，加速度為{80[c]+38}～300cm/s2。當(dāng)0.35％≤c≤0.5％時，加速度為{133.3[c]-36.7}～300cm/s2。當(dāng)0.5％≤c時，加速度為30～300cm/s2。為什么此處給出該上限的原因為，在超過上述條件時，在試驗中沒有作出證實。
上述認(rèn)識是在注意等軸晶體的比例與含碳量之間的關(guān)系時從由本發(fā)明人所作的實驗得到的。實例2在此實例中，采用了用于連續(xù)鑄造方坯的雙線式連續(xù)鑄造機(jī)，120mm正方形的鑄造方坯用含碳量為0.35％的碳鋼做成，鑄造方坯以1.2m/min的鑄造速度澆鑄30min。中間包中的溫度為1530℃。在一條線中，以60cm/s的流速進(jìn)行傳統(tǒng)的電磁攪拌30min，其中，電磁攪拌裝置的線圈電流設(shè)定為200A的恒定值，頻率設(shè)定為10Hz。在另一條線中，在模具中設(shè)置能夠產(chǎn)生振動的本發(fā)明的電磁線圈，在前面的凝固的外皮上的鋼水在下列條件下被振動。一個線圈電流的周期的振動時間為2s(最大線圈電流為200A，最小線圈電流為-200A，線圈電流加大時間為0.8s，線圈電流減少時間為0.8s，最大線圈電流保持時間為0.2s，最小線圈電流保持時間為0.2s)，圖2示出在50cm/s2的條件下給出的沿一個方向和相反方向的加速度。在剖開鑄造方坯的橫截面并顯示凝固的組織以后，評估了等軸晶體面積比和等軸晶體區(qū)的當(dāng)量圓的直徑。就鑄造方坯的表面質(zhì)量而言，將鑄造方坯送至肉眼檢查線，以便每個鑄造方坯都用肉眼檢查，并且研究了由粉末產(chǎn)生的缺陷數(shù)目。
就在其上進(jìn)行傳統(tǒng)的電磁攪拌的方坯而言，等軸晶體的比例為30％，等軸晶體區(qū)的當(dāng)量圓的直徑為3.0mm。鋼水的流速為60cm/s，它超過了夾粉的臨界流速。因此，鋼水表面上的粉末被夾入，由粉末產(chǎn)生缺陷，其數(shù)量為5個/方坯。此外，形成了負(fù)偏析區(qū)，其寬度約為20mm，位于鑄造方坯的橫截面的表面層側(cè)。另一方面，當(dāng)用本發(fā)明的電磁線圈產(chǎn)生振動時，鑄造方坯的等軸晶體面積比為50％，等軸晶體區(qū)的當(dāng)量圓的直徑為1.3mm。因此，與傳統(tǒng)的電磁攪拌相比，不僅提高了等軸結(jié)晶面積比，而且還使等軸結(jié)晶的晶粒尺寸變細(xì)。由于模具中的凝固的前面受到振動，不產(chǎn)生夾粉，不產(chǎn)生源自粉末的缺陷。在鑄造方坯的橫截面上，在15mm的表面層上形成其間距為1.5mm的多層的負(fù)偏析區(qū)，并且還形成多層的偏轉(zhuǎn)組織的樹枝狀結(jié)晶。實例3在此實例中，采用了用于連續(xù)鑄造大扁坯的雙線式連續(xù)鑄造機(jī)，并以1.8m/min的鑄造速度用30min鑄造250mm厚×1500mm寬的用含碳量為0.35％的碳鋼做成的鑄件。中間包中的溫度為1550℃。在一條線中，進(jìn)行傳統(tǒng)的電磁攪拌，其中，電磁攪拌裝置的線圈電流設(shè)定為500A的恒定值，頻率設(shè)定為2Hz，在60cm/s的流速下進(jìn)行了30min。在另一條線中，在模具中設(shè)置有能夠進(jìn)行攪拌的本發(fā)明的電磁線圈。對于鑄造的第一個一半中的15min，在下列條件下振動在凝固的前面的鋼水。線圈電流的一個周期的振動時間為2s(最大線圈電流為400A，最小線圈電流為-400A，線圈電流加大時間為0.8s，線圈電流減小時間為0.8s，最大線圈電流保持時間為0.2s，最少線圈電流保持時間為0.2s)，圖2示出在70cm/s2的條件下沿一個方向和相反方向的加速度。對于鑄造的第二個一半中的15min，在下列條件下振動在前面的凝固的外皮上的鋼水。線圈電流的一個周期的振動時間為2.1s(最大線圈電流為400A，最小線圈電流為-400A，線圈電流加大時間為0.8s，線圈電流減少時間為0.8s，最大線圈電流保持時間為0.2s，最小線圈電流保持時間為0.2s)，沿一個方向和相反方向加速的加速度停止時間為0.05s，圖5示出在50cm/s2的條件下沿一個方向和相反方向的加速度。在剖開鑄造板坯的橫截面并露出凝固的組織以后，評估了等軸晶體面積比和等軸晶體區(qū)的當(dāng)量圓的直徑。就鑄造板坯的表面質(zhì)量而言，將鑄造板坯送至肉眼檢查線，以便每個板坯都用肉眼檢查，并且研究了由粉末產(chǎn)生的缺陷數(shù)目。由于板坯表面上的表面痕跡對應(yīng)于彎月液面的形狀，故同時研究了振動痕跡水平之差。
就在其上作用傳統(tǒng)的電磁振動的板坯而言，等軸晶體比為30％，而等軸晶體區(qū)的當(dāng)量圓的直徑為3.0mm。鋼水的流速為60m/s，它超過了夾粉的臨界流速。因此，鋼水表面上的粉末被夾入，由粉末產(chǎn)生缺陷，其數(shù)量為5個/板坯。此外，由于彎月液面成為無序的，故振動痕跡水平之差為3.5mm。再有，在板坯的橫截面的表面層側(cè)形成了其寬度為20mm的負(fù)偏析區(qū)。
另一方面，當(dāng)用本發(fā)明的電磁線圈產(chǎn)生振動時，盡管存在加速度停止時間，但板坯的等軸晶體面積比為50％，等軸晶體區(qū)的當(dāng)量圓的直徑為1.3mm。因此，此實例的等軸晶體面積比大于傳統(tǒng)的電磁攪拌的等軸結(jié)晶面積比，此外，可使等軸晶體的晶粒尺寸變細(xì)。此外，由于模具中的凝固的前面的鋼水受到振動，不產(chǎn)生夾粉，不產(chǎn)生源自粉末的缺陷。在鑄造板坯的橫截面上，在15mm的表面層上形成其間距為1.5mm的、對應(yīng)于振動時間的多層的負(fù)偏析區(qū)及生成多層的偏轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)的樹枝狀晶體。就振動痕跡而言，在其中未提供加速度停止時間的板坯的情況下，振動痕跡為3mm。在兩種情況下，與傳統(tǒng)的電磁攪拌相比，彎月液面的形狀變成均勻的。不過，當(dāng)提供加速度停止時間時，可使彎月液面更均勻。其原因為，當(dāng)提供加速度停止時間時，減小了突然的加速度，以致可使彎月液面均勻。在本發(fā)明中，加速度停止時間設(shè)定為不大于0.3s，不小于0.03s。其理由說明如下。當(dāng)將加速度停止時間設(shè)成大于0.3s時，加速度的作用受到損害，而當(dāng)加速度停止時間設(shè)成小于0.03s時，就不可能使彎月液面均勻。實例4在此實例中，采用了用于連續(xù)鑄造板坯的雙線式連續(xù)鑄造機(jī)，并以1.8m/min的鑄造速度用30min鑄造250mm厚×1500mm寬的用含碳量為0.35％的碳鋼做成的鑄造板坯。中間包中的溫度為1550℃。在一條線中，進(jìn)行傳統(tǒng)的電磁攪拌，其中，電磁攪拌裝置的線圈電流設(shè)定為500A的恒定值，頻率設(shè)定為2Hz，在60cm/s的流速下進(jìn)行了30min。在另一條線中，在模具中設(shè)置能產(chǎn)生振動的本發(fā)明的電磁線圈。在凝固的前面的鋼水在下列條件下受到振動。線圈電流的一個周期的振動時間為2s(最大線圈電流為400A，最小線圈電流為-400A，線圈電流加大時間為0.4s，線圈電流減小時間為0.8s，最大線圈電流保持時間為0.3s，最小線圈電流保持時間為0.5s)，圖6示出沿正向的加速度設(shè)定為100cm/s2，沿反向的加速度設(shè)定為50cm/s2。在剖開鑄造板坯的橫截面并露出凝固的組織以后，評估了等軸晶體面積比和等軸晶體區(qū)的當(dāng)量圓的直徑。就鑄造板坯的表面質(zhì)量而言，將鑄造板坯送至肉眼檢查線，以便每個板坯都用肉眼檢查，并且研究了由粉末產(chǎn)生的缺陷數(shù)目。除此之外，進(jìn)行了微觀檢查，以核查板坯的表面層上的夾雜物塊數(shù)。
就在其上進(jìn)行傳統(tǒng)的電磁攪拌的板坯而言，等軸晶體比為28％，等軸晶體區(qū)的當(dāng)量圓的直徑為3.1mm。鋼水的流速為60cm/s，它超過了夾粉的臨界流速。因此，鋼水表面上的粉末被夾入，由粉末產(chǎn)生缺陷，其數(shù)量為6個/板坯。此外，在鑄造板坯的橫截面的表面層側(cè)形成了寬度約為20mm的負(fù)偏析區(qū)。
另一方面，當(dāng)用本發(fā)明的電磁線圈按照時間差沿正向和反向產(chǎn)生振動和旋轉(zhuǎn)時，鑄造板坯的等軸晶體面積比為55％，等軸晶體區(qū)的當(dāng)量圓的直徑為1.3mm。因此，與傳統(tǒng)的電磁攪拌相比，不僅提高了等軸晶體面積比，而且可使等軸晶體的晶粒尺寸變細(xì)。由于模具中的凝固的前面的鋼水受到振動，故既不產(chǎn)生夾粉，也不產(chǎn)生源自粉末的缺陷。在鑄造板坯的橫截面上，在15mm的表面層上形成其間距為1.5mm的多層的負(fù)偏析區(qū)，并且還形成偏轉(zhuǎn)組織的樹枝狀結(jié)晶。當(dāng)同時用電磁線圈賦予鋼水以振動和旋轉(zhuǎn)時，棱柱形樹枝狀結(jié)晶更有效地被切斷，因此，與其中只賦予鋼水以振動的實例3相比，等軸晶體的比例在此實例中被提高了。就此而言，當(dāng)向在鋼水中進(jìn)行的振動加以旋轉(zhuǎn)時，夾粉可被振動抑制，不過，當(dāng)旋轉(zhuǎn)流速超過1m/s時，就產(chǎn)生夾粉。因此，旋轉(zhuǎn)流速被限制成不超過1m/s。實例5在此實例中，采用了用于連續(xù)鑄造板坯的雙線式連續(xù)鑄造機(jī)，并以1.8m/min的鑄造速度用30min鑄造250mm厚×1500mm寬的用含碳量為0.35％的碳鋼做成的鑄造板坯。中間包的溫度為1550℃。在一條線中，進(jìn)行傳統(tǒng)的電磁攪拌，其中，電磁攪拌裝置的線圈電流設(shè)定為500A，而頻率設(shè)定為2Hz，在60cm/s下進(jìn)行了30min。在另一條線中，在模具中設(shè)置能產(chǎn)生振動的本發(fā)明的電磁線圈。在凝固的前面的鋼水在下列條件下受到振動。線圈電流的一個周期的振動時間為2s(最大線圈電流為400A，最小線圈電流為-400A，線圈電流加大時間為0.8s，線圈電流減小時間為0.8s，最大線圈電流保持時間為0.2s，最小線圈電流保持時間為0.2s)，并且如圖2所示，沿一個方向和相反方向的加速度設(shè)定為50cm/s2。當(dāng)凝固的前面的鋼水受到振動時，同時用靜磁場向鋼水作用一磁力，靜磁場的磁場強(qiáng)度為3000高斯。在彎月液面下面1m的位置處即置一電磁閘。在剖開鑄造板坯的橫截面并露出凝固的組織以后，評估了等軸晶體面積比和等軸結(jié)晶區(qū)的當(dāng)量圓的直徑。就鑄造板坯的表面質(zhì)量而言，將鑄造板坯送至肉眼檢查線，以便每個板坯都用肉眼檢查，并且研究了由粉末產(chǎn)生的缺陷數(shù)目。
就在其上進(jìn)行傳統(tǒng)的電磁攪拌的板坯而言，等軸晶體的比例為31％，等軸晶體區(qū)的當(dāng)量圓直徑為2.9mm。鋼水的流速為60cm/s，它超過了夾粉的臨界速度。因此，鋼水表面上的粉末被夾入，由粉末產(chǎn)生缺陷，其數(shù)量為4個/板坯。此外，在鑄造板坯的橫截面的表面層側(cè)形成了其寬度約為20mm的負(fù)偏析區(qū)。另一方面，當(dāng)用本發(fā)明的電磁線圈產(chǎn)生振動并采用電磁閘時，鑄造板坯的等軸晶體面積比為56％，等軸晶體區(qū)的當(dāng)量圓直徑為1.3mm。因此，與傳統(tǒng)的電磁攪拌相比，不僅提高了等軸晶體面積比，而且還使等軸晶體的晶粒變細(xì)。由于模具中的前面的凝固的外皮上的鋼水受到振動。因此，既不產(chǎn)生夾粉，也不產(chǎn)生源自粉末的缺陷。在鑄造板坯的橫截面上。在15mm的表面層上形成其間距為1.5mm的多層的負(fù)偏析區(qū)，并且還形成偏轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)的樹枝狀結(jié)晶。當(dāng)與電磁閘一起賦予由電磁線圈產(chǎn)生的振動時，則與其中只產(chǎn)生振動的實例3相比，等軸晶體比例得到提高。為什么等軸晶體比例得以提高的原因為，電磁閘阻止高溫鋼水的向鑄造板坯內(nèi)部的滲透，并防止已經(jīng)由電磁線圈的振動產(chǎn)生的小晶核重熔。就此而言，當(dāng)在由電磁線圈產(chǎn)生的振動中提供加速度停止時間時，就不需要連續(xù)采用電磁閘，也就是說，有可能與加速度停止時間同步地應(yīng)用電磁閘。
如上所述，按照其中用電磁線圈調(diào)節(jié)振動方式，以便給予熔融金屬振動的本發(fā)明的方法，有可能向前面的凝固的外皮作用一個強(qiáng)大的力。因此，與傳統(tǒng)的方法比較，不僅可以增加等軸晶體，而且也可以使等軸晶體的晶粒尺寸變細(xì)。由于上述作用，不需要為了使凝固的晶體變細(xì)而將流速提高得太高。因此，有可能防止出現(xiàn)由夾粉產(chǎn)生的表面缺陷。
就此而言，當(dāng)將本發(fā)明用于固定的模具時，可以顯著地改善傳統(tǒng)的材料的內(nèi)部組織。因此，可以提高生產(chǎn)率并降低成本。
權(quán)利要求
1.一種用于鑄造熔融金屬的方法，它包括下列步驟將熔融金屬澆入模具中并在模具中凝固，同時施加一由電磁線圈產(chǎn)生的電磁力，線圈設(shè)置在模具中的熔融金屬池附近，在熔融金屬上方；用由電磁線圈產(chǎn)生的變化的磁場振動已經(jīng)在模具中凝固或正被從模具中向下拉出并同時被冷卻和凝固的熔融金屬，以使熔融金屬被交替地賦予高強(qiáng)度的和低強(qiáng)度的加速度。
2.一種用于鑄造熔融金屬的方法，它包括下列步驟將熔融金屬澆入模具中并在模具中凝固，同時施加一由電磁線圈產(chǎn)生的電磁力，線圈設(shè)置在模具中的熔融金屬池附近，在熔融金屬上方；用由電磁線圈產(chǎn)生的變化的磁場周期性地振動已經(jīng)在模具中凝固或正被從模具中向下拉出并同時被冷卻和凝固的熔融金屬，以使熔融金屬被交替地賦予高強(qiáng)度的和低強(qiáng)度的加速度。
3.一種用于鑄造熔融金屬的方法，它包括下列步驟將熔融金屬澆入模具中并在模具中凝固，同時施加一由電磁線圈產(chǎn)生的電磁力，線圈設(shè)置在模具中的熔融金屬池附近，在熔融金屬上方；用由電磁線圈產(chǎn)生的變化的磁場振動已經(jīng)在模具中凝固或正被從模具中向下拉出并同時被冷卻和凝固的熔融金屬，以使熔融金屬在沿相同方向或相反方向的大加速度和小加速度的方向矢量彼此組合時，在不超過預(yù)定的流速的范圍內(nèi)被高強(qiáng)度和低強(qiáng)度的加速度加速。
4.一種用于鑄造熔融金屬的方法，它包括下列步驟將熔融金屬澆入模具中并在模具中將其凝固，同時施加一由電磁線圈產(chǎn)生的電磁力，線圈設(shè)置在模具中的熔融金屬池附近，在熔融金屬上方；用由電磁線圈產(chǎn)生的變化的磁場沿一方向和一相反的方向周期性地振動已經(jīng)在模具中凝固或正被從模具中向下拉出并同時被冷卻和凝固的熔融金屬。
5.如權(quán)利要求1至4的任一項的用于澆鑄熔融金屬的方法，其特征為，在模具中進(jìn)行的過程是一冷卻和凝固過程，同時，在模具中進(jìn)行的過程也是一用于連續(xù)鑄造板坯、大方坯、中厚板坯或方坯的連續(xù)鑄造過程。
6.如權(quán)利要求1至5的任一項的用于澆鑄熔融金屬的方法，其特征為，振動波沿一方向和一相反方向的高強(qiáng)度加速度不小于10cm/s2，而振動波沿一方向和一相反方向的低強(qiáng)度加速度則小于10cm/s2。
7.如權(quán)利要求6的用于鑄造熔融金屬的方法，其特征為，振動波沿一個方向的加速度和加速時間，或振動波沿相反方向的加速度和加速時間，以及加速時間系數(shù)(加速度×加速時間)滿足下式50cm/s≤加速時間系數(shù)
8.如權(quán)利要求6的用于鑄造熔融金屬的方法，其特征為，振動波沿一個方向的加速度和加速時間，或振動波沿相反方向的加速度和加速時間，以及加速時間系數(shù)(加速度×加速時間)滿足下列式子10η≤加速時間系數(shù)η熔融金屬的粘度，cp
9.如權(quán)利要求6的用于鑄造熔融金屬的方法，其特征為，含碳量c與加速度滿足下列式子[c]＜0.1％30cm/s2≤加速度0.1％≤[c]＜0.35％-80[c]+38cm2/s2≤加速度0.35％≤[c]＜0.5％133.3[c]-36.7cm/s2≤加速度0.5％≤[c]30cm/s2≤加速度
10.如權(quán)利要求1至5的任一項的用于鑄造熔融金屬的方法，其特征為，在沿一個方向加速的過程中和沿相反方向加速的過程中，提供了其時間不超過0.3秒和不少于0.03秒的加速度停止時間或電功率停止時間。
11.如權(quán)利要求6、7、8或9的用于鑄造熔融金屬的方法，其特征為，在沿一個方向加速的過程中和沿相反方向加速的過程中，提供了其時間不超過0.3秒和不少于0.03秒的加速度停止時間或電功率停止時間。
12.如權(quán)利要求6、7、8或9的用于鑄造熔融金屬的方法，其特征為，在一個周期中，在t1中產(chǎn)生加速度，接著在t2中保持恒定的流速，其次是沿相反的方向在t3中產(chǎn)生加速度，以后在t4中保持恒定的流速，同時，模具中的熔融金屬通過重復(fù)這一周期而被周期性地振動，而且，在一個周期中的振動時間t1+t2+t3+t4被確定為不少于0.2秒。但是小于10秒。
13.如權(quán)利要求1至8的任一項或第9項的用于鑄造熔融金屬的方法，其特征為，熔融金屬周期性地被振動，并賦予熔融金屬以沿一個方向和相反方向的旋轉(zhuǎn)流。
14.如權(quán)利要求13的用于鑄造熔融金屬的方法，其特征為，當(dāng)對某一時間進(jìn)行積分時，要滿足下列式子沿一個方向的(加速時間×加速度)積分值＞沿相反方向的(加速時間×加速度)積分值；由積分值產(chǎn)生的平均旋轉(zhuǎn)流速不大于1m/s。
15.如權(quán)利要求13的用于鑄造熔融金屬的方法，其特征為，在一個周期中，在t1中進(jìn)行熔融金屬的加速度，接著在t2中保持恒定的流速，其次是沿相反的方向在t3中產(chǎn)生加速度，以后在t4中保持恒定的流速，同時，模具中的熔融金屬通過重復(fù)這一周期而被周期性地振動，t1a是振動流速在t1時間內(nèi)成為零以前的時間，t1b是振動流速在t1時間內(nèi)成為零以后的時間，要滿足t1b+t2＞t4+t1a這一式子，同時，由時間差引起的沿一個方向的旋轉(zhuǎn)流速不大于1m/s。
16.如權(quán)利要求13的用于鑄造熔融金屬的方法，其特征為，在一n個循環(huán)的周期中，周期性地予以振動，只在預(yù)定的方向，在振動后的旋轉(zhuǎn)時間ΔTV內(nèi)由給定的加速度產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)流，而且平均旋轉(zhuǎn)流速，循環(huán)數(shù)n和旋轉(zhuǎn)時間ΔTV要滿足下列式子平均旋轉(zhuǎn)流速≤1m/s；1≤循環(huán)數(shù)n≤20；0.1≤旋轉(zhuǎn)時間ΔTV≤5s。
17.如權(quán)利要求13的用于鑄造熔融金屬的方法，其特征為，通過加大沿一個方向的加速度使其大于沿相反方向的加速度而產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)流，同時平均旋轉(zhuǎn)流速不大于1m/s。
18.如權(quán)利要求13的用于鑄造熔融金屬的方法，其特征為，用于沿一個方向旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)流的電流進(jìn)一步疊加在振動時通過用于產(chǎn)生變化的磁場的電磁線圈的電流產(chǎn)生的電流上，以使平均旋轉(zhuǎn)流速不會大于1m/s。
19.如權(quán)利要求1至9的任一項的用于鑄造熔融金屬的方法，其特征為，熔融金屬周期性地被振動，并且進(jìn)一步加以短時間的振動，此短時間的振動頻率不小于100Hz，不大于30KHz。
20.如權(quán)利要求6至9的任一項的用于鑄造熔融金屬的方法，其特征為，當(dāng)熔融金屬被澆入模具并在其中凝固時，在模具中或在模具中的熔融金屬池附近設(shè)置電磁線圈，用由電磁線圈產(chǎn)生的變化的磁場沿一個方向周期性地振動，并且采用一布置在從彎月液面至模具下面距離為1m的位置的范圍內(nèi)的電磁閘。
21.如權(quán)利要求11的用于鑄造熔融金屬的方法，其特征為，在將熔融金屬澆入模具中并在其中凝固時，在模具中的熔融金屬池附近放置一電磁線圈，所產(chǎn)生的變化的磁場沿一個方向和相反方向周期性振動熔融金屬，并且采用一布置在模具下面離開彎月液面1m的位置的范圍內(nèi)的電磁閘，后者與電磁線圈在模具中停止加速度的時間同步，或與電功率源停止的時間同步。
22.如權(quán)利要求6至15的任一項的用于鑄造熔融金屬的方法，其特征為，布置在模具中的熔融金屬池附近的電磁線圈設(shè)置在模具下面，在從正好在模具下面至離開模具1m的位置的范圍內(nèi)。
23.如權(quán)利要求22的用于鑄造熔融金屬的方法，其特征為，采用一電磁閘，它布置在從電磁線圈上面距離1m的位置至電磁線圈下面距離1m的位置的范圍內(nèi)。
24.如權(quán)利要求11的用于鑄造熔融金屬的方法，其特征為，布置在模具中的熔融金屬池附近的電磁線圈設(shè)置在模具下面，在從正好在模具下面的位置至模具下面距離1m的位置的范圍內(nèi)，并采用一電磁閘，它布置在以彎月液面至在模具下面距離1m的位置的范圍內(nèi)，電磁閘與電磁線圈在模具中停止加速度的時間同步，或與電功率源停止的時間同步。
25.用于如權(quán)利要求1至24的任一項的電磁線圈裝置，它包括用于沿一個方向和相反方向周期性地振動的電磁驅(qū)動裝置；用于控制電磁驅(qū)動裝置的控制裝置。
26.用于如權(quán)利要求1至24的任一項的電磁線圈裝置，它包括一電磁線圈；一用于供應(yīng)電流，以沿一個方向或相反方向振動電磁線圈的電功率源或一產(chǎn)生波形的裝置。
27.用于如權(quán)利要求1至24的任一項的電磁線圈裝置，它包括用于沿一個方向和相反方向周期性地振動熔融金屬的電磁驅(qū)動裝置，電磁驅(qū)動裝置具有在改變振動方向的情況下將電流加大至指令值的功能；用于控制電流的電流控制裝置。
28.一電磁線圈裝置，它包括一電磁驅(qū)動裝置，一用于控制電流的控制裝置和一用在如權(quán)利要求1至24的任一項中的電磁閘。
29.一具有負(fù)偏析區(qū)和樹枝狀結(jié)晶或結(jié)晶狀組織區(qū)的鑄造板坯，負(fù)偏析區(qū)由多層組織組成，其間距不大于2mm，而層的數(shù)目不少于三，樹枝狀結(jié)晶或結(jié)晶狀組織區(qū)由多層的偏轉(zhuǎn)組織區(qū)組成。
30.一具有負(fù)偏析區(qū)和樹枝狀結(jié)晶或結(jié)晶狀組織區(qū)的鑄造板坯，負(fù)偏析區(qū)由多層組織組成，其間距不大于2mm，而層的數(shù)目不小于三，樹枝狀結(jié)晶或結(jié)晶狀組織區(qū)由多層的偏轉(zhuǎn)組織區(qū)組成，其中負(fù)偏析區(qū)，樹枝狀結(jié)晶或結(jié)晶狀組織區(qū)的厚度不大于30mm。
31.一鑄造板坯，其特征為，確定了多層組織的負(fù)偏析區(qū)的平均輪廓的負(fù)偏析區(qū)的負(fù)偏析中心線(m)的轉(zhuǎn)角點(c)，或確定了從弧形負(fù)偏析區(qū)的偏析中心線的兩條相鄰邊外推的假想轉(zhuǎn)角點(c’)；從兩條相鄰邊上的從轉(zhuǎn)角點至鑄造板坯內(nèi)側(cè)相距5mm的點(E)畫平行于兩條相鄰邊的線，則與偏析中心線(m)相交的點(F)處的外皮厚度D1與沿鑄造板坯寬度方向的中間處的外皮厚度D2之差不大于3mm。
32.一鑄造板坯，其特征為，確定了具有其平均輪廓的多層偏斜組織的樹枝狀結(jié)晶或結(jié)晶狀組織區(qū)的中心線的轉(zhuǎn)角點，或確定了從弧形樹枝狀結(jié)晶或結(jié)晶狀組織區(qū)的中心線的兩條相鄰邊外推的假想轉(zhuǎn)角點；從兩條相鄰邊上的從轉(zhuǎn)角點至鑄造板坯內(nèi)側(cè)相距5mm的點畫平行于兩條相鄰邊的線，則與中心線相交的點處的外皮厚度D1與沿鑄造板坯寬度方向的中心處的外皮厚度D2之差不大于3mm。
33.一鑄造板坯，其特征為，鑄造板坯的形狀為圓形；多層組織的負(fù)偏析區(qū)的平均輪廓的負(fù)偏析區(qū)的偏析中心線(m)上的點處的外皮厚度的波動不大于3mm。
34.一鑄造板坯，其特征為，鑄造板坯的形狀為圓形；多層組織的偏轉(zhuǎn)組織的樹枝狀結(jié)晶組織或結(jié)晶狀組織區(qū)的平均輪廓的樹枝狀結(jié)晶或結(jié)晶狀組織區(qū)的中心線上的點處的外皮厚度波動不大于3mm。
35.當(dāng)將熔融金屬澆入模具并使其凝固，同時用布置在模具附近的電磁線圈向熔融金屬作用電磁力時，提供了如權(quán)利要求31或33的鑄造板坯，鑄造板坯包括一由在模具的內(nèi)周向形成的多層組織組成的負(fù)偏析區(qū)，該多層組織沿厚度方向相對于凝固的外皮厚度D0(mm)在D0±15mm的范圍內(nèi)具有由下式(2)定義的間距D，該D0在線圈的芯部中心處沿鑄造方向由被下式(1)定義的凝固的外皮厚度D(mm)確定D＝K(L/V)n…………(1)D凝固的外皮厚度L從彎月液面至電磁線圈的芯部中心的長度V鑄造速度K凝固系數(shù)n常數(shù)P＝U×t/2………………(2)U凝固速度(dD/dt(mm/s))t振動時間。
36.如權(quán)利要求31至35的任一項的鑄造板坯，該板坯在由多層組織組成的負(fù)偏析區(qū)的內(nèi)側(cè)，和在由多層形偏轉(zhuǎn)組織組成的樹枝狀結(jié)晶或結(jié)晶狀組織區(qū)的內(nèi)側(cè)都具有不少于50％的等軸晶體的比例。
37.當(dāng)將熔融金屬倒入模具并使其凝固，同時用布置在模具附近的電磁線圈向熔融金屬給以電磁力時，提供了如權(quán)利要求32或34的鑄造板坯，鑄造板坯包括一其生長方向為有規(guī)則地偏轉(zhuǎn)的樹枝狀結(jié)晶或結(jié)晶狀組織區(qū)，該區(qū)沿厚度方向相對于凝固的外皮厚度D0(mm)在D0±15mm的范圍內(nèi)具有由下式(2)定義的間距P，該D0在線圈的芯部中心處沿鑄造方向由被下式(1)定義的凝固的外皮厚度D(mm)確定。D＝K(L/V)n…………(1)D凝固的外皮厚度L從彎月液面至電磁線圈的芯部中心的長度V鑄造速度K凝固系數(shù)n常數(shù)P＝U×t/2………(2)U凝固速度(dD/dt(mm/5))t振動時間。
全文摘要
用于連續(xù)鑄造熔融金屬的方法和設(shè)備,它用于向熔融金屬作用以由變化的磁場產(chǎn)生的振動,它提高了等軸晶體比例并可細(xì)化等軸晶體而不會使由夾粉引起的表面不連續(xù)性出現(xiàn);和一鑄造板坯,其特征為,包括一用于制連鑄件的鑄造過程,它包括將熔融金屬澆入鑄模中并向熔融金屬作用一來自電磁線圈的電磁力,以使之凝固,該線圈設(shè)置在鑄模附近,其中,在完全凝固時被沿向下方向拉出或在鑄模中被冷卻凝固的熔融金屬上作用一由設(shè)置在鑄模中在熔融金屬池附近的電磁線圈產(chǎn)生的變化的磁場,以振動熔融金屬,以在不超過預(yù)定流速的絕對值的范圍以及將同一方向和相反方向的大小加速度的方向矢量組合在一起時,使熔融金屬受到大的和小的加速度。
文檔編號B22D11/115GK1246816SQ98802346
公開日2000年3月8日 申請日期1998年12月8日 優(yōu)先權(quán)日1997年12月8日
發(fā)明者笹井勝浩, 竹內(nèi)榮一, 原田寬, 長谷川一, 藤健彥, 藤崎敬介 申請人:新日本制鐵株式會社