一种制备铜或铜合金板坯的装置及方法 【技术领域】
本发明属于冶金技术领域， 特别涉及一种制备铜或铜合金板坯的装置及方法。背景技术 目前， 大尺寸铜合金坯料一般采用立式半连续铸造法生产， 但在现有的立式半连 续铸造过程中， 由于缺乏有效的调控凝固过程的手段， 生产的铸坯往往存在各种缺陷， 如表 面粗糙、 裂纹、 晶粒粗大、 柱状晶发达、 偏析、 缩孔和疏松等， 这些缺陷直接影响了产品的质 量、 生产效率和生产成本， 尤其对裂纹倾向较强的合金如铁青铜、 复杂黄铜等， 铸造速度快 时极易产生裂纹， 已成为生产中的瓶颈问题。采用无模电磁铸造方法虽然可提高铸坯的质 量， 但由于铜合金液完全由电磁场约束成形， 工艺过程极难控制， 常产生铜合金液泄漏或塌 落， 生产率和成品率较低。
发明内容
本发明的目的是针对铜和铜合金板坯生产中不足之处， 提供一种制备铜或铜合金 板坯的装置及方法， 通过改进结晶器的结构， 并调整铸造方案， 减少铜合金铸坯内外缺陷， 提高其表面质量。
本发明的制备铜或铜合金板坯的装置包括电磁发生系统、 塞棒、 炉头箱、 浇嘴和结 晶器， 浇嘴底部设有浇嘴出口， 电磁发生系统包括电源、 供水装置、 线圈和水箱， 电源通过导 线与线圈连接， 供水装置通过管道与水箱连接， 线圈位于水箱内且线圈位于结晶器外侧 ； 结 晶器包括两块大面侧板和两块小面侧板， 4 个侧板构成一个长方形箱体， 每个侧板的内壁上 设有石墨板， 每个侧板内部设有一冷水腔、 冷却水道和二冷水腔， 一冷水腔与侧板外壁上的 进水口连通， 二冷水腔与侧板内壁上的出水口连通， 出水口位于石墨板的下方 ； 4 个侧板及 4 个石墨板的上方设有压板， 4 个侧板的下方设有底板 ； 其中 4 个侧板上开设有结晶器切缝， 结晶器切缝位于相邻的两个冷却水道之间， 结晶器切缝的一端位于各侧板的外壁上， 另一 端与石墨板连接 ； 结晶器下方设有冷水管， 冷水管上开设有水孔 ； 线圈的中心与浇嘴出口 的垂直距离为 30 ～ 100mm。
上述的结晶器切缝在侧板上均匀分布， 相邻的两个结晶器切缝之间的距离为 20 ～ 50mm。
上述的结晶器切缝的高度为 100 ～ 300mm， 宽度为 1 ～ 3mm。
上述的冷水管为两个， 分别位于两个大面侧板的下方， 冷水管与大面侧板之间的 垂直距离为 10 ～ 200mm 。
上述的冷水管上的水孔的轴线与水平面之间的夹角为 30°～ 60°， 且水孔位于 结晶器轴线一侧。
上述的炉头箱由外壳和保温材料构成， 塞棒固定在炉头箱上方， 并能够上下运动， 炉头箱底部连接有浇嘴， 浇嘴内设有浇嘴流道分别与炉头箱内部和浇嘴出口连通， 浇嘴出 口的轴线与浇嘴流道的轴线之间的夹角为 60°～ 120°本发明制备铜或铜合金板坯的方法是 ：
采用上述装置， 将铜或铜合金的熔体浇注到炉头箱中， 向上移动塞棒使熔体进入 炉头箱内和浇嘴流道内， 并从浇嘴出口进入结晶器， 对熔体进行半连续铸造， 同时通过电源 向线圈供电， 使线圈对结晶器内的熔体施加电磁场， 向进水口内通水使熔体凝固形成铸锭， 同时向冷水管内通水， 水从出水孔出来后淋到铸锭表面 ； 其中电磁场频率为 5 ～ 30Hz， 熔体 浇注温度为 1150 ～ 1250℃， 结晶器内的电磁场强度为 25000 ～ 80000 安匝， 半连续铸造速 度为 50 ～ 150mm/min， 结晶器的出水口的水流量为 0.5 ～ 6L/min·mm， 冷水管的水孔的水 流量为 0.5 ～ 6L/min·mm。
本发明的技术原理是 ： 生产铜或铜合金时， 在结晶器外侧设置电磁线圈， 线圈中施 加低频电流， 这样在结晶器内就会产生低频电磁场， 在铜熔体中产生感生电流， 电流与磁场 相互作用下产生一个洛伦兹力。由于铸锭与结晶器几何形状在垂直方向的不对称性， 使得 磁力线相对于铸锭的中心线发生了显著的偏转， 导致熔体内部 Lorentz 力的时间平均值同 时存在垂直分量和水平分量。其中水平分量为与金属静压力梯度平衡的有势力， 而垂直分 量为有旋力场， 起到了搅拌熔体的作用。 Lorentz 力水平分量使得熔体自由表面形成凸起的 弯月形， 从而减小了熔体与结晶器接触高度和接触压力， 实现了所谓的软接触， 改变了一次 冷却区热通量的大小与分布情况， 起到了减弱一次冷却强度的作用， 使初生凝固壳形成位 置下降， 表面渗出现象减弱。Lorentz 力垂直分量形成的有旋力场起到了电磁搅拌的作用， 流动场与无心感应炉中熔融金属的流动场类似， 测量表明熔体内部的温度场受到电磁搅拌 的强烈影响， 有旋分量产生的强迫对流将中心区域的过热熔体带向铸锭的边缘区域， 因此 消除了中心区域的局部过热， 减小整个液相区内温度差， 使熔体温度低于液相线温度。 对于 具有较宽结晶温度区间的合金， 两相区可能扩展到整个液相区， 强迫对流将初生凝固壳处 形成的枝晶臂熔断并带入液穴内部形成异质结晶核心， 起到了晶粒细化和抑制枝晶生长的 作用， 消除铜和铜合金铸锭中的粗大柱状晶。
本发明通过在侧板上设置切缝， 使电磁场对熔体的作用更强， 对流效果更明显， 由 于凝固过程的改变使合金晶粒内固溶的合金元素含量增加。由于晶粒细化晶界增加， 从而 凝固末期残余液相浓度降低， 并且金属间化合物细化、 含量减少。 因此凝固后期以及冷却过 程中的合金强度与塑性都显著提高， 铸锭的抗裂纹能力增加。同时在二冷水腔下方安置冷 水管进行三次水冷是为了补偿大面中心冷却不足。
采用本发明的装置和方法与原有技术相比可以有效地消除铸造过程中粗大柱状 晶。进而减少了铸造过程的裂纹开裂。 附图说明 图 1 为本发明实施例中的制备铜及铜合金板坯装置结构示意图 ；
图 2 为本发明实施例中结晶器的主视图 ；
图 3 为图 2 的俯视图 ；
图 4 为本发明实施例中的电磁发生装置结构示意图 ；
图中 1、 塞棒 ； 2. 铜熔体 ； 3、 炉头箱 ； 4、 浇嘴流道 ； 5、 浇嘴 ； 6. 浇嘴出口 ； 7、 压板 ； 8、 石墨板 ； 9、 结晶器 ； 10、 进水口 ； 11、 冷却水道 ； 12、 电磁发生系统 ； 13、 二冷水腔 ； 14、 底 板； 15、 出水口 ； 16、 冷水管 ； 17、 冷水通道 ； 18、 二冷水 ； 19、 三冷水 ； 20、 熔体液面 ； 21、 液态
区； 22、 液相线 ； 23、 两相区 ； 24、 固相线 ； 25、 固态区 ； 26、 结晶器切缝 ； 27、 大面侧板 ； 28、 小 面侧板 ； 29、 螺母 ； 30、 螺杆 ； 31、 过度板 ； 32、 电源 ； 33、 供水装置 ； 34、 出水管 ； 35、 入水管 ； 36、 水箱水管 ； 37、 导线 ； 38、 线圈 ； 39、 水箱。
图 5 为本发明实施例 1 中的制备的 C19210 铜合金铸锭及传统 DC 铸造方法制备的 C19210 铜合金铸锭的纵横断面组织照片图 ；
图中 a、 传统 DC 铸造方法制备的 C19210 铜合金铸锭横断面组织图 ； b、 传统 DC 铸 造方法制备的 C19210 铜合金铸锭纵断面组织图 ； c、 本发明的方法制备的 C19210 铜合金铸 锭横断面组织图 ； d、 本发明的方法制备的 C19210 铜合金铸锭纵断面组织图。 具体实施方式
本发明实施例中的电磁发生系统包括电源、 供水装置、 线圈和水箱， 电源通过导线 与线圈连接， 供水装置通过管道与水箱连接， 线圈位于水箱内且线圈位于结晶器外侧， 其中 线圈由耐水耐压铜线缠绕而成的， 当电流通过铜线时会产生焦耳热， 因此通电的同时要用 供水装置提供的冷却水将线圈冷却。
本发明实施例中的塞棒由石墨加工而成， 被固定在炉头箱上， 并且可以自由上下 直线运动 ； 炉头箱由外面的铁皮和内部的保温材料制成， 与塞棒接触位置由石墨制成， 并镶 嵌在保温材料中 ； 浇嘴由石墨加工而成， 用螺纹连接在炉头箱下面。
本发明实施例中的结晶器的侧板由紫铜加工而成， 4 块侧板通过连接螺栓将大小 面壁紧固成一体， 构成长方形结晶器箱体， 各侧板的内表面下方设置有一道燕尾槽， 用于设 置安放石墨板 ； 结晶器内壁上位于石墨板下方的部分经过镀铬处理 ； 石墨板通过压板固定 在结晶器的各侧板上。
本发明实施例中的冷水管用 304 不锈钢制成。
本发明实施例中 C19210 铜合金的化学成分按重量百分比为 Fe 0.05 ～ 0.15％， P0.025 ～ 0.04％， 余量为铜 ； C19400 铜合金的化学成分按重量百分比为 Fe 2.1 ～ 2.6％， P0.015 ～ 0.15％， Zn0.05 ～ 0.2％， 余量为铜 ； C51900 铜合金的化学成分按重量百分比为 Sn6.0 ～ 7.0％， P0.1 ～ 0.25％， 余量为铜。
实施例 1
制备铜及铜合金板坯装置结构如图 1 所示， 包括电磁发生系统 12、 塞棒 1、 炉头箱 3、 浇嘴 5 和结晶器 9， 浇嘴 5 底部设有浇嘴出口 6， 电磁发生系统 12 包括电源 32、 供水装置 33、 线圈 38 和水箱 39， 电源 32 通过导线 37 与线圈 38 连接， 供水装置 33 通过水箱水管 36 与水箱 39 连接， 线圈 38 位于水箱 39 内且线圈位于结晶器 9 外侧 ； 结晶器 9 包括两块大面 侧板 27 和两块小面侧板 28， 4 个侧板构成一个长方形箱体， 通过螺母 29 和螺杆 30 固定在 一起， 大面侧板 27 和小面侧板 28 之间设有过度板 31， 每个侧板的内壁上设有石墨板 8， 每 个侧板内部设有一冷水腔、 冷却水道 11 和二冷水腔 13， 一冷水腔与侧板外壁上的进水口 10 连通， 二冷水腔 13 与侧板内壁上的出水口 15 连通， 出水口 13 位于石墨板 8 的下方 ； 4 个侧 板及 4 个石墨板的上方设有压板 7， 4 个侧板的下方设有底板 14。
4 个侧板上开设有结晶器切缝 26， 结晶器切缝 26 位于相邻的两个冷却水道 11 之 间， 结晶器切缝 26 的一端位于各侧板的外壁上， 另一端与石墨板 8 连接。
结晶器 9 下方设有冷水管 16， 冷水管 16 上开设有水孔。线圈 38 的中心与浇嘴出口 6 的垂直距离为 80mm。
上述的结晶器切缝 26 在侧板上均匀分布， 相邻的两个结晶器切缝 26 之间的距离 为 30mm。
上述的结晶器切缝 26 的高度为 270mm， 宽度为 2.5mm。
上述的冷水管为两个， 分别位于两个大面侧板的下方， 冷水管与大面侧板之间的 垂直距离为 50mm。
上述的冷水管 16 上的水孔的轴线与水平面之间的夹角为 45°， 且水孔位于结晶 器 9 轴线一侧。
上述的炉头箱 3 由外壳和保温材料构成， 塞棒 1 固定在炉头箱 3 上方， 并能够上下 运动， 炉头箱 3 底部连接有浇嘴 5， 浇嘴 5 内设有浇嘴流道 4 分别与炉头箱 3 内部和浇嘴出 口 6 连通， 浇嘴出口 6 的轴线与浇嘴流道 4 的轴线之间的夹角为 110°。
采用上述装置制备 C19210 铜合金， 将铜合金的熔体浇注到炉头箱中， 向上移动塞 棒使熔体进入炉头箱内和浇嘴流道内， 并从浇嘴出口进入结晶器， 对熔体进行半连续铸造， 同时通过电源向线圈供电， 使线圈对结晶器内的熔体施加电磁场， 向进水口内通水， 水在冷 却水道内流动对熔体进行一次冷却， 然后二冷水 18 从出水口流出， 二次冷却使熔体凝固形 成铸锭 ( 即固态区 )， 同时向冷水管内通水， 三冷水 19 从出水孔出来后淋到铸锭表面 ； 熔池 内为铜熔体 2， 整个熔池的最上面是熔体液面 20， 液态区 21 和两相区 23 之间是液相线 22， 两相区 23 和固态区 25 之间是固相线 24。 其中电磁场频率为 15Hz， 熔体浇注温度为 1180 ℃， 结晶器内的电磁场强度为 60000 安匝， 半连续铸造速度为 80mm/min， 出水口流出的总水量为 4L/min·mm， 水孔流出的 总水量为 1L/min·mm
获得的 C19210 铜合金铸锭尺寸为 200×400×8000mm ； 晶粒为细小柱状， 晶粒内 Fe 含量 11wt％， 裂纹率为 0。
采用传统 DC 铸造方法制备同种类型的铜合金铸锭， 其晶粒为粗大柱状， 晶粒内 Fe 含量 11wt％， 裂纹率为 60％。
实施例 2
制备铜及铜合金板坯装置结构同实施例 1， 不同点在于 ： 线圈 38 的中心与浇嘴出 口的垂直距离为 40mm ； 相邻的两个结晶器切缝之间的距离为 25mm ； 结晶器切缝的高度为 150mm， 宽度为 2mm ； 冷水管与大面侧板之间的垂直距离为 15mm ； 冷水管上的水孔的轴线与 水平面之间的夹角为 30° ； 浇嘴出口的轴线与浇嘴流道的轴线之间的夹角为 90°。
采用上述装置制备 C19400 铜合金， 方法同实施例 1， 不同点在于 ： 其中电磁场频率 为 5Hz， 熔体浇注温度为 1150℃， 结晶器内的电磁场强度为 25000 安匝， 半连续铸造速度为 50mm/min， 出水口流出的总水量为 0.5L/min·mm， 水孔流出的总水量为 3L/min·mm。
获得的 C19400 铜合金铸锭尺寸为 80×160×2000mm ； 晶粒为细小柱状， 晶粒内 Fe 含量 1.72wt％， 裂纹率为 0。
采用传统 DC 铸造方法制备同种类型的铜合金铸锭， 其晶粒为粗大柱状， 晶粒内 Fe 含量 0.96wt％， 裂纹率为 40％。
实施例 3
制备铜及铜合金板坯装置结构同实施例 1， 不同点在于 ： 线圈 38 的中心 ( 轴线中
心 ) 与浇嘴出口的垂直距离为 40mm ； 相邻的两个结晶器切缝之间的距离为 50mm ； 结晶器切 缝的高度为 300mm， 宽度为 3mm ； 冷水管与大面侧板之间的垂直距离为 200mm ； 冷水管上的 水孔的轴线与水平面之间的夹角为 60° ； 浇嘴出口的轴线与浇嘴流道的轴线之间的夹角为 60°°。
采用上述装置制备 C51900 铜合金， 方法同实施例 1， 不同点在于 ： 其中电磁场频率 为 30Hz， 熔体浇注温度为 1250℃， 结晶器内的电磁场强度为 80000 安匝， 半连续铸造速度为 150mm/min， 出水口流出的总水量为 6L/min·mm， 水孔流出的总水量为 2L/min·mm。
获得的 C51900 铜合金铸锭尺寸为 80×160×2000mm ； 晶粒为细小柱状， 晶粒内 Sn 含量 4.93wt％， 距大面表面距离 0mm 处的 Sn 偏析为 6.52wt％， 距大面表面距离 10mm 处的 Sn 偏析为 6.55wt％， 距大面表面距离 20mm 处的 Sn 偏析为 6.63wt％， 距大面表面距离 30mm 处的 Sn 偏析为 6.45， 距大面表面距离 40mm 处的 Sn 偏析为 6.35wt％。
采用传统 DC 铸造方法制备同种类型的铜合金铸锭， 其晶粒为粗大柱状， 晶粒内 Sn 含量 3.47wt％， 裂纹率为 40％， 距大面表面距离 0mm 处的 Sn 偏析为 7.69wt％， 距大面表面 距离 10mm 处的 Sn 偏析为 6.46， 距大面表面距离 20mm 处的 Sn 偏析为 6.54wt％， 距大面表 面距离 30mm 处的 Sn 偏析为 6.3wt％， 距大面表面距离 40mm 处的 Sn 偏析为 6.1wt％。