雙金屬復層圓坯電磁連鑄方法及設備的制造方法
【技術領域】
[0001]本發(fā)明涉及金屬材料凝固加工領域，特別是一種雙金屬復層圓坯電磁連鑄方法及設備。
【背景技術】
[0002]雙金屬復層材料是將兩種物理、化學和力學性能不同的合金在界面處實現(xiàn)牢固結合的一種新型復合材料，該類材料通過揚長補短，可以滿足不同環(huán)境下對材料的特殊要求。制備復層材料的方法主要有軋制復合法、爆炸焊法、擠壓法等，近年來連續(xù)鑄造法制備雙金屬復層材料技術受到研宄者的廣泛關注。
[0003]公開號為US3421569的專利申請中提出，利用兩個同軸的石墨結晶器，首先獲得外層為高熔點的合金管坯，然后將低熔點的合金澆注到管坯芯部，從而連續(xù)鑄造出雙金屬復層鑄坯。該方法適用于復層圓坯連續(xù)鑄造，但是其內(nèi)外層金屬的結合方式為固態(tài)-液態(tài)結合，界面結合效果沒有半固態(tài)-液態(tài)或者液態(tài)-液態(tài)的結合效果好，外層固態(tài)金屬的溫度控制是能否實現(xiàn)良好結合的關鍵因素，而該方法的溫度控制只能靠改變澆注溫度以及調(diào)節(jié)二級水冷來實現(xiàn)，較為困難，另外，該專利沒有涉及到改善復層鑄坯凝固組織的問題。公開號為US4567936的專利申請中提到復層材料的鑄造，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，該專利也同樣是利用固態(tài)-液態(tài)結合的方法使兩種金屬實現(xiàn)結合，故存在相同的上述問題。
[0004]公開號為W092/18271的專利申請介紹了一種復層鑄坯的連續(xù)鑄造方法，利用電磁制動將結晶器分為上下兩個溶池，解決了兩種金屬液的混合問題，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層材料。該專利所采用的電磁場為直流恒定磁場，其作用是避免兩種金屬液混熔，CN1413782、CN101549392同樣公開了一種復層材料的電磁連續(xù)鑄造方法，其電磁場的使用目的與W092/18271 —致，都是為了避免內(nèi)外層金屬熔體發(fā)生混流，但都沒有改善復層鑄坯凝固組織。因此，現(xiàn)有的雙金屬復層材料的連鑄方法仍需改進。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明所要解決的技術問題是提供一種生產(chǎn)工藝簡單、制備產(chǎn)品的內(nèi)外層金屬凝固組織細化、外層金屬表面質(zhì)量高、復合界面清晰穩(wěn)定的雙金屬復層圓坯電磁連鑄方法及設備。
[0006]本發(fā)明的技術方案是:
[0007]一種雙金屬復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)、外結晶器且內(nèi)結晶器插入外結晶器中，所述外結晶器內(nèi)設有一級水冷環(huán)腔并在一級水冷環(huán)腔中設有與中頻電源發(fā)生器連接的中頻磁場線圈，所述外結晶器的內(nèi)環(huán)側(cè)壁表面設有石墨內(nèi)襯層，所述內(nèi)結晶器內(nèi)設有環(huán)形水腔并在環(huán)形水腔中設有與脈沖電源連接的脈沖磁場線圈，所述內(nèi)結晶器內(nèi)、外環(huán)側(cè)壁表面均設有保溫層且外環(huán)側(cè)壁的保溫層由上至下延伸至距內(nèi)結晶器底端20mm?30mm高度處，所述外結晶器底部另設有二級水冷環(huán)腔，所述二級水冷環(huán)腔的內(nèi)側(cè)壁均勻布置噴射水孔；
[0010]3)、啟動連鑄工序，將引錠裝置送入外結晶器中與內(nèi)結晶器底端緊密接觸，分別向外結晶器一、二級水冷環(huán)腔中及內(nèi)結晶器的環(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)外結晶器冷卻，同時與內(nèi)結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，澆注時間多40s且當外層金屬液的液面高于內(nèi)結晶器底端40mm?50mm時引錠裝置開始下移，同時向內(nèi)結晶器中澆注內(nèi)層金屬液，內(nèi)層金屬液經(jīng)內(nèi)結晶器冷卻，同時與外層金屬液的半固態(tài)支撐層接觸結合形成復合界面；
[0011]4)、當連鑄過程進入穩(wěn)定階段，S卩外層金屬液的液面低于外結晶器上沿15?20mm、內(nèi)結晶器中充滿內(nèi)層金屬液且引錠裝置的引錠速度恒定時，同時接通脈沖電源和中頻電源發(fā)生器，通過脈沖磁場線圈在內(nèi)結晶器中施加脈沖電磁場，通過中頻磁場線圈在外結晶器中施加中頻電磁場，其中，脈沖磁場線圈通入脈沖寬度為0.1ms?10ms、頻率為1Hz?50Hz的脈沖電流，使脈沖磁場線圈產(chǎn)生的瞬間磁感應強度為10Gs?lOOOOGs，中頻磁場線圈通入頻率為1000Hz?2000Hz、電流值為5000A?8000A的交流電流，使外結晶器內(nèi)邊緣磁感應強度為45mT?72.4mT，隨著引錠裝置的下移通過所述外結晶器底部的二級水冷環(huán)腔的噴射水孔向移出外結晶器的雙金屬復層圓坯噴射冷卻水，最終實現(xiàn)雙金屬復層圓坯的電磁連鑄。
[0012]上述的雙金屬復層圓坯電磁連鑄方法，所述外結晶器內(nèi)一級水冷環(huán)腔中水流量為lL/h?1.2L/h，二級水冷環(huán)腔中水流量為1.5L/h?2L/h。
[0013]上述的雙金屬復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]一種雙金屬復層圓坯電磁連鑄設備，包括內(nèi)、外結晶器、設于內(nèi)結晶器頂部的內(nèi)層熱頂、設于外結晶器頂部的外層熔體澆注盤以及引錠裝置，所述內(nèi)、外結晶器同軸布置，其特征在于:所述內(nèi)結晶器插入外結晶器中，所述外結晶器內(nèi)設有一級水冷環(huán)腔并在一級水冷環(huán)腔中設有與中頻電源發(fā)生器連接的中頻磁場線圈，所述外結晶器的內(nèi)環(huán)側(cè)壁表面設有石墨內(nèi)襯層，所述內(nèi)結晶器內(nèi)設有環(huán)形水腔并在環(huán)形水腔中設有與脈沖電源連接的脈沖磁場線圈，所述內(nèi)結晶器內(nèi)、外環(huán)側(cè)壁均設有保溫層且外環(huán)側(cè)壁的保溫層由上至下延伸至距內(nèi)結晶器底端20mm?30mm高度處，所述外結晶器底部另設有二級水冷環(huán)腔，所述二級水冷環(huán)腔的內(nèi)側(cè)壁均勻布置噴射水孔。
[0015]上述的雙金屬復層圓坯電磁連鑄設備，所述外結晶器的一級水冷環(huán)腔外壁下部設有一級水冷進水口，外壁上部設有一級水冷出水口，所述二級水冷環(huán)腔外壁設有二級水冷進水口。
[0016]上述的雙金屬復層圓坯電磁連鑄設備，所述內(nèi)結晶器的環(huán)形水腔上部分別設有內(nèi)結晶器進、出水口。
[0017]上述的雙金屬復層圓坯電磁連鑄設備，所述外結晶器的一級水冷環(huán)腔內(nèi)設有用于支撐中頻磁場線圈的環(huán)形支架。
[0018]上述的雙金屬復層圓坯電磁連鑄設備，所述外結晶器的外殼采用環(huán)氧樹脂板制成，外結晶器的內(nèi)環(huán)側(cè)壁采用由不導磁材料制成的環(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]上述的雙金屬復層圓坯電磁連鑄設備，所述內(nèi)結晶器外殼采用不銹鋼材料制成。
[0020]上述的雙金屬復層圓坯電磁連鑄設備，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)結晶器中的脈沖磁場線圈形成脈沖電磁場，脈沖電磁場所產(chǎn)生的洛倫茲力使內(nèi)結晶器內(nèi)金屬液產(chǎn)生強烈的振蕩和強迫對流，使內(nèi)結晶器側(cè)壁上先形成的大量晶坯脫落，游離到熔體中，進而增加形核率，同時熔體的強迫對流，使得整個內(nèi)結晶器區(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、晶粒細化，無溶質(zhì)元素偏析。
[0023]2、外結晶器中的中頻磁場線圈形成中頻電磁場，利用特斯拉計實際測量發(fā)現(xiàn)，夕卜結晶器的石墨內(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，因此中頻電磁場使外層金屬液與外結晶器的石墨內(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，中頻電磁場所產(chǎn)生的洛倫茲力會使外層金屬液內(nèi)部形成強迫流動，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，進而起到細化晶粒的作用。
[0024]3、內(nèi)結晶器的內(nèi)、外環(huán)側(cè)壁均設有保溫層，防止了內(nèi)、外層金屬液與內(nèi)結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)結晶器的外環(huán)側(cè)壁的保溫層延伸至距內(nèi)結晶器底端20?30mm高度處，則直接裸露在外的內(nèi)結晶器的外環(huán)側(cè)壁具有較大的冷卻能力，外層金屬液遇該區(qū)域時就會形成半固態(tài)支撐層，并利用該半