一種空心金屬管坯的電磁連續(xù)鑄造方法屬于金屬材料制備領(lǐng)域，特別涉及到空心金屬管坯連續(xù)鑄造過程中施加電磁場的工藝技術(shù)。本發(fā)明專利技術(shù)的技術(shù)特征是通過空心管坯內(nèi)、外結(jié)晶器結(jié)構(gòu)設(shè)計及外結(jié)晶器外側(cè)施加低頻、工頻、中頻和高頻電磁場或低、工頻與中、高頻復(fù)合電磁場的技術(shù)方案實現(xiàn)了空心金屬管坯的電磁連續(xù)鑄造工藝過程。其特點是工藝簡單，顯著降低了空心管坯的生產(chǎn)成本；所制備的空心管坯壁厚均勻，誤差控制在１％，表觀質(zhì)量好，粗糙度控制在０．２ｍｍ，凝固組織周向均勻性高、晶粒細(xì)小，鑄態(tài)下可直接進(jìn)行軋制。本方法可制備圓形、三角形、矩形、多邊形等各種形狀的空心金屬管坯，在軍工、核工業(yè)、高溫耐蝕及石油化工等領(lǐng)域有廣闊的應(yīng)用前景。（*該技術(shù)在2022年保護(hù)過期，可自由使用*）
【技術(shù)實現(xiàn)步驟摘要】
【國外來華專利技術(shù)】
本專利技術(shù)屬于金屬材料制備領(lǐng)域，特別涉及到空心金屬管坯的制備。
技術(shù)介紹
無縫金屬管材的產(chǎn)量和質(zhì)量主要取決于空心管坯的生產(chǎn)。目前生產(chǎn)空心金屬管坯的方法主要有兩種一種是穿孔法，主要工藝為鋼水經(jīng)連鑄獲得鑄坯、鑄坯冷卻、加工，然后再經(jīng)加熱后穿孔而得到空心金屬管坯。空心管坯經(jīng)軋制或冷拔后得到無縫金屬管。雖然穿孔法工藝比較成熟并廣泛用于空心金屬管坯的制備，但其效率低、能耗大的缺點也是顯而易見，特別是對于某些高合金及異形空心金屬管坯的制備較為困難，穿孔過程中易產(chǎn)生內(nèi)折、裂紋，分層等缺陷，且有時不得不鉆孔。另一種是水平離心鑄造法，該工藝是將金屬液直接澆入離心鑄型，在旋轉(zhuǎn)的鑄型內(nèi)凝固，可以直接得到空心金屬管坯。但是該法只能生產(chǎn)空心圓管坯，不能生產(chǎn)異形空心金屬管坯，而且采用傳統(tǒng)的離心鑄造法生產(chǎn)的管坯內(nèi)部質(zhì)量差，晶粒粗大，導(dǎo)致管坯強(qiáng)度低、塑性差，軋制困難，特別對于生產(chǎn)小管徑空心管坯難以實現(xiàn)。1989年公開的JP01249242專利提出在凝固末端施加攪拌電磁場的方法。該法采用無芯法生產(chǎn)空心管坯，在凝固的末端施加攪拌電磁場消除內(nèi)表面枝晶生長引起的突起物，得到內(nèi)表面較為光滑的空心金屬管坯。但該法生產(chǎn)空心管坯存在兩個方面缺陷，一是凝固末端的金屬液無法得到更新；二是管坯壁厚由凝固坯殼自然生長決定，均勻性差，周向及軸向壁厚控制難以實現(xiàn)。因此，目前高質(zhì)量的空心金屬管坯制備仍然是實現(xiàn)管材的近終形技術(shù)的關(guān)鍵所在。
技術(shù)實現(xiàn)思路
本專利技術(shù)的目的是提供一種空心金屬管坯的電磁連續(xù)鑄造方法。本工藝通過將金屬液體澆注在由一個外結(jié)晶器和一個內(nèi)結(jié)晶器所構(gòu)成的型腔內(nèi)，并在外結(jié)晶器外側(cè)施加低頻、工頻、中頻或高頻電磁場，控制管坯的初期凝固過程，從而制備的空心管坯具有壁厚均勻，內(nèi)外表觀質(zhì)量好，無需再加工，內(nèi)部凝固組織晶粒細(xì)小，周向凝固組織均勻性高，且其性能可保證在鑄態(tài)下直接軋制的空心金屬管坯，可實現(xiàn)無縫金屬管生產(chǎn)的近終形技術(shù)。實現(xiàn)本專利技術(shù)的技術(shù)方案為(1)設(shè)計空心管坯結(jié)晶器。外結(jié)晶器由兩部分組成，上部為耐火材料質(zhì)熱頂，下部為水冷開縫式銅質(zhì)結(jié)晶器，其周向上均勻開設(shè)與軸線相互平行的等寬縫隙，可增強(qiáng)型腔內(nèi)的磁感應(yīng)強(qiáng)度，縫寬0.4-1.0mm，縫隙內(nèi)填塞耐火材料，在熱頂與水冷開縫式結(jié)晶器連接部位設(shè)置連接環(huán)，材質(zhì)為BN，即氮化硼；復(fù)合式水冷內(nèi)結(jié)晶器由兩部分組成，上部為耐火材料質(zhì)熱頂，下部為水冷銅質(zhì)結(jié)晶器，二者連接部位設(shè)置連接環(huán)，材質(zhì)為BN，內(nèi)結(jié)晶器下部與二冷噴水裝置相連，內(nèi)結(jié)晶器內(nèi)的冷卻水直接進(jìn)入二冷裝置，對空心金屬管坯進(jìn)行二次冷卻，內(nèi)外結(jié)晶器通過固定架連接，材質(zhì)為0Cr18Ni9Ti。(2)設(shè)計電磁場施加模式。空心金屬管坯連續(xù)鑄造過程中，在外結(jié)晶器外側(cè)單獨施加5-60Hz的攪拌電磁場、1000-9000Hz的中頻電磁場和10000-100000Hz的高頻電磁場或攪拌電磁場與中、高頻電磁場復(fù)合的電磁場。本專利技術(shù)的效果和益處是實現(xiàn)了空心金屬管坯的電磁連續(xù)鑄造工藝過程，不經(jīng)穿孔直接得到中空的金屬鑄坯，從而減少無縫金屬管的生產(chǎn)工序，降低能耗，提高效率，顯著降低了生產(chǎn)成本。本工藝技術(shù)可制備合金管坯如高合金鋼管坯、銅管坯及圓形、三角形、矩形、多邊形等異形空心管坯。在軍工、核工業(yè)、高溫耐蝕及石油化工等領(lǐng)域有廣闊的應(yīng)用前景。附圖說明附圖1是空心金屬管坯電磁連續(xù)鑄造原理結(jié)構(gòu)示意圖。圖中(1)固定架，(2)熱頂，(3)冷卻水，(4)金屬熔體，(5)連接環(huán)，(6)攪拌電磁場發(fā)生器，(7)復(fù)合式水冷內(nèi)結(jié)晶器，(8)二冷噴水裝置，(9)凝固坯殼，(10)水冷開縫式外結(jié)晶器，(11)底模。圖2是水冷開縫式外結(jié)晶器剖視圖(A-A剖視)。圖中(12)等寬縫隙。圖3是施加復(fù)合式電磁場的空心管坯連續(xù)鑄造原理圖。圖中(13)中頻或高頻電磁場發(fā)生器。具體實施例方式以下結(jié)合附圖，詳細(xì)敘述本專利技術(shù)的具體實施方案。實施例一以用攪拌電磁場發(fā)生器(6)，制備Φ100×20mm的空心高合金鋼管坯為例，具體步驟如下步驟1裝置準(zhǔn)備攪拌電磁場發(fā)生器(6)采用二對極線圈，頻率為50Hz，相位角為90°，電源功率為1-6kW，每個線圈內(nèi)側(cè)與水冷開縫式外結(jié)晶器(10)的間距為5-10mm。熱頂(2)材質(zhì)為高鋁石墨質(zhì)，尺寸為Φ140×20mm，高度為120mm。用連接環(huán)(5)連接熱頂(2)與水冷開縫式外結(jié)晶器(10)，尺寸為Φ110×5mm，高度為30mm，連接環(huán)(5)上端面位于熱頂下端面之上15mm。水冷開縫式外結(jié)晶器(10)外徑為Φ140mm，內(nèi)徑為Φ100mm，高度為80mm，材質(zhì)為紫銅；自水冷開縫式外結(jié)晶器(10)上端面之下5mm處沿周向向下均勻開設(shè)8條其寬度為0.4mm長度為60mm的等寬縫隙(12)，等寬縫隙(12)內(nèi)填塞耐火材料；復(fù)合式水冷內(nèi)結(jié)晶器(7)上部保溫段耐火材料為高鋁石墨質(zhì)，其外徑為Φ70mm，高度為130mm，下部冷卻段材質(zhì)為紫銅，外徑為Φ60mm，高度為50mm。線圈軸線平面與熱頂(2)下端面平齊。固定復(fù)合式水冷內(nèi)結(jié)晶器(7)，調(diào)整固定架(1)位置，將復(fù)合式水冷內(nèi)結(jié)晶器(7)對中。步驟2高合金鋼坯料熔化采用真空感應(yīng)電爐將高合金鋼坯料熔化至1600-1620℃，精煉，除氣、除渣后保溫待用。步驟3空心管坯電磁連續(xù)鑄造將底模(11)置入鑄型內(nèi)的空腔，檢查冷卻系統(tǒng)并保證其處于正常工作狀態(tài)后，將1570-1590℃的鋼液澆入鑄型內(nèi)，液面控制在距熱頂(2)頂端40mm，允許誤差為±10％。啟動攪拌電磁場發(fā)生器電源(6)，以0.8m/min的速度拉動底模(11)。隨著鋼水的不斷澆入和底模(11)的下移，始終將液面控制在要求允許的范圍內(nèi)；當(dāng)鑄造管坯達(dá)到要求長度時，停止?jié)沧⒔饘僖海袛嚯娫矗P(guān)閉冷卻系統(tǒng)，停機(jī)。步驟4質(zhì)量檢查將管坯按1.5m長度切斷、冷卻后，檢測壁厚均勻度，誤差在1％以內(nèi)；將斷面拋光、腐蝕后觀察金相組織，與不施加攪拌電磁場的管坯相比，不但凝固組織周向均勻性顯著提高，而且凝固組織的晶粒明顯細(xì)化。實施例二以用中頻電磁場發(fā)生器(13)，制備Φ100×20mm的空心高合金鋼管坯為例，具體步驟如下步驟1裝置準(zhǔn)備中頻電磁場發(fā)生器(13)為圓、方銅管制成的環(huán)形線圈，線圈內(nèi)腔尺寸Φ150mm，高度為50mm；電源功率為20-40kW，頻率為2000Hz。空心管坯結(jié)晶器設(shè)計同實施例1。中頻電磁場發(fā)生器(13)頂端平面高于熱頂(2)下端面15mm。固定復(fù)合式水冷內(nèi)結(jié)晶器同實施例1。步驟2高合金鋼坯料熔化同實施例1。步驟3空心管坯電磁連續(xù)鑄造將底模(11)置入鑄型內(nèi)的空腔，檢查冷卻系統(tǒng)并保證其處于正常工作狀態(tài)后，將1570-1590℃的鋼液澆入鑄型內(nèi)，液面控制在距熱頂(2)頂端40mm，允許誤差為±10％。啟動中頻電磁場發(fā)生器(13)電源，以0.8m/min的速度拉動底模(11)。隨著鋼水的不斷澆入和底模(11)的下移，始終將液面控制在要求允許的范圍內(nèi)；當(dāng)鑄造管坯達(dá)到要求長度時，停止?jié)沧⒔饘僖海袛嚯娫矗P(guān)閉冷卻系統(tǒng)，停機(jī)。步驟4質(zhì)量檢查將管坯按1.5m長度切斷、冷卻后，檢測壁厚均勻度，誤差在1％以內(nèi)；比較鑄坯表面光潔度，施加中頻電磁場后內(nèi)外表面質(zhì)量明顯提高；將斷面拋光、腐蝕后觀察金相組織，與不施加攪拌電磁場的管坯相比，內(nèi)部凝固組織晶粒明顯細(xì)化。實施例三以用攪拌電磁場(6)和中頻電磁場(13)產(chǎn)生的復(fù)合式電磁場，制備Φ100×本文檔來自技高網(wǎng)...
【技術(shù)保護(hù)點】
一種空心金屬管坯的電磁連續(xù)鑄造方法，通過將金屬液體連續(xù)注入由水冷開縫式外結(jié)晶器（１０）和復(fù)合式水冷內(nèi)結(jié)晶器（７）所形成的空腔內(nèi)，并在水冷開縫式外結(jié)晶器（１０）外側(cè)施加電磁場，控制金屬熔體的初期凝固，得到空心金屬管坯，其特征是采用熱頂（２）水冷開縫式外結(jié)晶器（１０）和復(fù)合式水冷內(nèi)結(jié)晶器（７），并在連續(xù)鑄造過程中施加低、工頻攪拌電磁場和中、高頻電磁場或二者復(fù)合的電磁場，攪拌電磁場的頻率范圍為：５－６０Ｈｚ，中頻磁場的頻率范圍為：１０００－９０００Ｈｚ，高頻磁場的頻率范圍為：１００００－１０００００Ｈｚ。
【技術(shù)特征摘要】
【國外來華專利技術(shù)】
【專利技術(shù)屬性】
技術(shù)研發(fā)人員：李廷舉，金俊澤，李丘林，溫斌，姚山，曹志強(qiáng)，
申請(專利權(quán))人：大連理工大學(xué)，
類型：發(fā)明
國別省市：91[中國|大連]
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