專利名稱：功率超聲與低頻電磁協同作用的輕合金錠坯立式半連續鑄造方法及設備的制作方法
技術領域：
本發明屬于輕合金鑄造技術領域，特別涉及一種施加功率超聲與低頻電磁兩種外場協同作用進行輕合金大規格錠坯立式半連續鑄造的方法及設備。
背景技術：
施加外場是改變金屬凝固行為的十分有效的方法，如凝固時施加電場、電流、磁場(包括永磁場、電磁場、脈沖電磁場、組合電磁場等)、超聲波，機械波等，均對DC鑄造過程中合金的溫度場、流場、濃度場以及形核和長大等凝固行為產生影響。其中，施加電磁場是一種高效、經濟容易實現的方法。大量研究也表明，超聲波在金屬熔體中所具有的非線性效應對改變金屬凝固行為具有十分獨特的效果。這些手段可以改善或避免DC鑄造過程中可能出現的缺陷，為鑄坯質量提高創造了條件。
電磁場在半連續鑄造中的應用的開拓者前蘇聯的工程師Getselev ZN利用500～4000Hz高頻電磁場的磁壓力使熔體避免結晶器的一次冷卻，直接二次冷卻，實現無模鑄造以提高鋁合金鑄坯的表面質量。此外，也有利用電磁場的攪拌功能來改變金屬凝固行為的相關研究，其中，法國人Vives等利用工頻電磁場實現了2024和2214鋁合金的電磁鑄造，發明了電磁攪拌細化晶粒工藝(US4523628)。近年來，東北大學利用低頻電磁對金屬熔體有較高穿透深度的特點開發了輕合金低頻電磁半連續鑄造技術和低頻電磁振蕩半連續鑄造技術。但由于電磁場在金屬熔體中難以克服的集膚效應，即使是低頻電磁場，其作用深度也十分有限。這在大規格錠坯的制備中顯得十分明顯，限制了通過電磁來改變冶金熔體凝固行為的物理尺度。
超聲作為一種機械疏密波也是改善金屬或合金凝固組織，提高材料機械性能的最有效手段。超聲波作用于金屬熔體所產生的微氣泡形成、長大、脈動和崩塌的過程，即空化效應，具有細化晶粒、抑制枝晶和促進等軸晶形成、抑制合金元素偏析與凈化熔體(除氣、除渣、提純)等顯著效果。前蘇聯在1930年代即開始了金屬的超聲凝固研究，并發明了輕金屬熔體的超聲半連續鑄造技術。熔體超聲處理主要是通過浸入熔體中變幅桿實現能量傳遞，達到改變凝固行為的效果。然而，超聲波是縱波，其作用有很顯著的方向性，同時超聲在金屬熔體中的衰減十分嚴重，使得超聲效應主要集中在超聲源作用的熔體中部的附近區域，其作用的金屬體積同樣受到一定限制，一般施加于凝固液芯中的超聲難于作用到凝殼附近的表層熔體。
可見，電磁場或超聲各自作用于有限區域電磁場主要作用于表面區域，超聲場主要作用于中心區域。兩種外場單一施加均無法實現熔體的全體積作用，難于完全消除錠坯的粗晶區及枝晶區，特別是對于枝晶發達、晶粒粗大，容易造成內應力，裂紋傾向嚴重的材料的大型錠坯則難度更大。
發明內容
針對輕合金大規格錠坯鑄造困難，易于出現裂紋和疏松等鑄造缺陷，同時由于成分偏析、晶粒組織粗大且不均等問題限制了材料性能的發揮，甚至難于滿足實際變形生產的要求。本發明提供一種輕合金大規格錠坯的立式半連續鑄造的生產方法與設備。
該方法利用低頻電磁場和功率超聲，或低頻電磁振蕩和功率超聲的協同作用，實現輕合金錠坯立式半連續鑄造過程中的外場全體積作用。
本發明涉及的功率超聲與低頻電磁協同作用的輕合金大規格錠坯立式半連續鑄造技術是采用在輕合金的立式半連續鑄造過程中同時施加低頻電磁振蕩場和功率超聲場(圖1)，或低頻電磁場和功率超聲場(圖2)，功率超聲場通過超聲桿作用于結晶器軸線部位，電磁場由于趨膚效應而主要作用于金屬熔體表層附近，通過兩種外場參數的調節實現協同作用，使得結晶器內熔體凝固過程中實現全體積外場作用。
本發明方法所采用的設備包含熔煉爐、中間包、一個配置1～2個勵磁線圈的結晶器，一個超聲電源和換能器系統，其具體配置是在結晶器水套內部或者外部或上部配置有一組勵磁線圈，并通之以低頻交流電；或在結晶器水套內部或外部或上部配置有一組通以低頻交流電和一組通以直流電的兩組內置式勵磁線圈，在上面兩種配置的任一種均在結晶器上方或同時在中間包和結晶器的上方設有裝在移動支架上的超聲變幅桿。裝有可在結晶器上方或同時在中間包上方和結晶器上方移動的超聲變幅桿的移動支架是由步進電機控制進行三維移動的。其基本做法是將熔煉完畢并經過精煉和凈化處理后的輕合金熔體，經過熔煉爐底部側面的流量控制口、流道、中間包(可施加超聲處理)，最后經過澆嘴或分流盤進入結晶器中。在結晶器的水套內部配置有一組通以低頻交流電和一組通以直流電的兩組勵磁線圈，通過直流場與交流場的相互作用為熔體提供低頻電磁振蕩場，同時在鑄造過程中把固定于帶步進電機調節系統的支架上的超聲變幅桿插入結晶器中心部位的熔體中以施加超聲波，實現低頻電磁振蕩與功率超聲的協同作用鑄造。鑄造時，調整好鑄造速度后，兩勵磁線圈通電，在結晶器中填充熔體，同時侍機開動鑄造機，并控制結晶器中液面穩定之后，把經預熱的超聲變幅桿浸入液面中并把功率調整到預定值，直至鑄造完畢。
具體操作是熔煉爐中按要求組分進行輕合金熔煉；預熱中間包，并把引錠桿引入結晶器中；打開冷卻水，并給結晶器中的勵磁線圈通之以預定頻率與強度的交流電或同時給另一個勵磁線圈通之以預定強度的直流電；把經過精煉和凈化并達設定溫度的輕合金熔體經由流量控制口進入中間包中；并通過流量控制口控制中間包中的液面高度，通過澆嘴或分流盤控制結晶器中的液面高度；隨后開啟鑄造機按設定鑄造速度進行鑄造；隨后把經過預熱的超聲變幅桿插入結晶器中的液面下，打開超聲并調節功率到預定值；錠坯通過引錠桿拉出直至鑄造結束。對于鎂合金而言，熔體進入中間包和進入結晶器的整個過程中均要采用CO2+5％SF6混合氣體進行保護并采取一些必要措施，以避免熔體的二次氧化與燃燒而造成的熔體二次污染，保證熔體的質量和鑄造過程的順利進行。
本發明特別適合于鑄造Φ150mm以上的圓坯和厚度在150mm以上的扁坯，同時對直徑或厚度小于150mm的錠坯的冶金質量的提高也有明顯效果。對于直徑大于Φ500mm或厚度大于500mm的錠坯須配置2個以上的變幅桿。對于鎂合金錠坯鑄造，變幅桿材料為經過特殊處理的低碳鋼，其含碳量在0.1～0.8％；對于鋁合金錠坯鑄造，變幅桿為一種高溫鈷基合金(GH605)或一種高溫耐蝕鎳基合金(GH5K)材料制成；鑄造模是配置有內置式勵磁線圈的結晶器系統，結晶器內套為直筒型金屬模或者鑲嵌有石墨環和保溫帽的熱頂式金屬模。
變幅桿在浸入熔體之前須經預熱至一定溫度，保持0.5h～1h，或者采用乙炔烘烤至相應溫度。在結晶器中，所施加的超聲頻率為18kHz～28kHz，超聲強度為3W/cm2～50W/cm2，超聲有效作用時間為5s～180s，或者施加脈沖超聲，頻率為18kHz～28kHz，脈寬為10-4s～10-1s，超聲強度為7W/cm2～80W/cm2，超聲有效作用時間為10s～250s；在中間包中也可同時施加頻率為18kHz～28kHz，聲強為1W/cm2～50W/cm2的超聲進行熔體預處理。
所施加的低頻電磁頻率范圍為1Hz～90Hz，強度為2000AT～40000AT；所施加的低頻電磁振蕩頻率范圍為1Hz～90Hz，交流電磁強度為2000AT～40000AT，靜磁場強度為1500AT～30000AT。
立式半連續鑄造中間包中的熔體溫度均控制在高于液相線溫度50℃～100℃；鑄造速度為20mm/min～300mm/min，應根據錠坯牌號和規格進行調整。
本發明的優點極大降低鑄坯凝固時的橫向溫度梯度，改變液穴形狀，提高錠坯凝固的均勻性，顯著降低錠坯鑄造缺陷的尺寸效應，極大改善立式半連續鑄造輕合金大型錠坯的內部冶金質量和表面質量，可以獲得宏觀偏析顯著減小，晶粒細化，組織差別減小，裂紋和疏松等缺陷顯著抑制，表面質量提高的大規格錠坯。該技術對于枝晶發達、晶粒粗大、偏析嚴重、組織凝固尺寸效應顯著，含氣量大、易熱裂的鎂合金或7075，7055等高合金化的鋁合金來說，將可實現其高品質大型錠坯的順利生產，并顯著提高成材率，同時，對一些易實現立式半連續鑄造的規格和牌號，也為其冶金質量的提高也提供了空間，是有色金屬錠坯，特別是輕金屬合金和易于出現以上鑄造缺陷的大型錠坯鑄造的先進工藝方法。
圖1是本發明功率超聲與低頻電磁振蕩協同作用下的立式半連續鑄造裝置結構示意圖；圖2是本發明功率超聲與低頻電磁協同作用下的立式半連續鑄造裝置結構示意圖；圖3為實例中圓形錠坯橫截面上的金相組織觀察取樣部位示意圖；
圖4為傳統DC鑄造、低頻電磁振蕩立式半連續鑄造和本發明圖1所示方法鑄造的AZ31鎂合金Φ200mm錠坯組織對比；圖5為傳統DC鑄造、低頻電磁立式半連續鑄造和本發明圖2所示方法鑄造的AZ80鎂合金Φ300mm錠坯組織對比；圖6為傳統DC鑄造、低頻電磁立式半連續鑄造和本發明圖2所示方法鑄造的MA2-1鎂合金Φ300mm錠坯組織對比；圖7為傳統DC鑄造、低頻電磁立式半連續鑄造和本發明圖2所示方法鑄造的Al-11Si二元鋁合金Φ100mm錠坯的組織對比；圖中1熔煉爐、2輕合金熔體、3流量控制口、4超聲變幅桿(固定于可通過步進電機實現精確三維移動控制的支架上)、5澆嘴或分流盤、6結晶器、7錠坯、8引錠桿、9勵磁線圈、10中間包、11流道。
具體實施例方式
實施例1AZ31鎂合金Φ200mm錠坯立式半連續鑄造按照配比熔煉AZ31鎂合金，并添加20ppmBe以實現阻燃；結晶器為鑲嵌有石墨環和保溫帽的熱頂式金屬模；熔體在中間包中無超聲處理，在結晶器中施加功率超聲場與低頻電磁振蕩場的協同作用。
鑄造工藝條件為鑄造速度為100mm/min；Φ20mm低碳鋼材質超聲變幅桿在300℃預熱1h；超聲頻率為20kHz，超聲強度約為6W/cm2；中間包中的熔體溫度690℃；交流頻率30Hz，強度4000AT；直流強度4000AT。
圖4為傳統立式半連續鑄造、低頻電磁振蕩立式半連續鑄造和本發明立式半連續鑄造方法獲得的AZ31鎂合金Φ200mm錠坯的組織比較。可見，本發明方法的組織更為均勻、細小。
檢測表明，在以上鑄造速度與鑄造溫度下，三種鑄造方法的液穴深度明顯不同，傳統半連鑄為120mm，低頻電磁振蕩鑄造為90mm，本發明為70mm～80mm；主合金元素Al的相對差傳統半連鑄為16％～20％，低頻電磁振蕩鑄造為10％～15％，本發明方法鑄造為6％～10％。比較可見，本發明具有最淺的液穴，最小的宏觀偏析。
實施例2AZ80鎂合金Φ300mm錠坯立式半連續鑄造按照配比熔煉AZ80鎂合金，并添加10ppmBe以實現阻燃；結晶器為鑲嵌有石墨環和保溫帽的熱頂式金屬模；熔體在中間包中無超聲處理，在結晶器中施加功率超聲場與低頻電磁場的協同作用。
鑄造工藝條件為鑄造速度為90mm/min；Φ20mm低碳鋼材質超聲變幅桿在300℃預熱1h；超聲頻率為20kHz，超聲強度約為5W/cm2；中間包中的熔體溫度670℃；交流頻率30Hz，強度6000AT。
圖5為傳統半連鑄、低頻電磁立式半連續鑄造和本發明立式半連續鑄造方法獲得的AZ80鎂合金Φ300mm錠坯的組織比較。可見，本發明方法的組織更為均勻、細小。
檢測表明，主合金元素A1的相對差傳統半連鑄為25％～35％，低頻電磁振蕩鑄造為15％～25％，本發明方法鑄造為12％～15％。比較可見，本發明具有最淺的液穴，最小的宏觀偏析。
實施例3MA2-1鎂合金Φ300mm錠坯立式半連續鑄造按照配比熔煉MA2-1(俄羅斯牌號，相當于AZ41)鎂合金，并添加20ppmBe以實現阻燃；結晶器內套為鑲嵌有石墨環和保溫帽的熱頂式金屬模；熔體在中間包中無超聲預處理，在結晶器中施加功率超聲與低頻電磁的協同場。
鑄造工藝條件為鑄造速度為100mm/min；Φ20mm低碳鋼材質超聲變幅桿在300℃預熱1h；超聲頻率為20kHz，超聲強度約為10W/cm2；中間包中的熔體溫度680℃；交流頻率25Hz，強度6000AT。
圖6為傳統半連鑄、低頻電磁立式半連續鑄造和本發明立式半連續鑄造方法獲得的MA2-1鎂合金Φ300mm錠坯的組織比較。可見，傳統半連鑄組織主要為粗大的薔薇狀晶粒，中心晶粒比邊部明顯粗大，中心部位晶粒度達到400μm～500μm；低頻電磁半連鑄法顯著細化了中心與邊部的組織，晶粒形狀變得不規則，但中心仍然較為粗大，晶粒度為100μm～200μm；采用本發明生產的錠坯組織則均勻而細小，平均晶粒度小于100μm。
實施例4Al-11Si二元鋁合金Φ100mm錠坯立式半連續鑄造按照配比熔煉Al-11Si二元鋁合金，結晶器內套為硬鋁模。在結晶器施加超聲場與低頻電磁場協同外場作用的工藝中，中間包熔體經超聲預處理。
鑄造工藝條件為鑄造速度為120mm/min；Φ20mm變幅桿(GH605高溫鈷基合金材料制成)在350℃預熱1h；超聲頻率為20kHz，超聲強度約為10W/cm2；中間包中的熔體溫度730℃；交流頻率30Hz，強度7200AT。中間包熔體處理超聲頻率為20kHz，超聲強度約為20W/cm2。
圖7為傳統半連鑄、低頻電磁立式半連續鑄造和本發明立式半連續鑄造方法獲得的Al-11Si二元亞共晶鋁合金Φ100mm錠坯的組織比較。可見，傳統半連鑄組織中的初生α-Al晶粒特別粗大且中心部位比邊部大；單一施加低頻電磁場的低頻電磁鑄造組織中，初生α-Al晶粒明顯細化，但中心部位仍然較邊部粗大，而且晶粒取向性明顯；采用本發明的低頻電磁與超聲協同作用方法(圖2)制備的錠坯初生α-Al晶粒進一步細化，晶粒生長的取向性也顯著降低，中心與邊部的組織差別也很小。
權利要求
1.一種功率超聲與低頻電磁協同作用的輕合金大規格錠坯立式半連續鑄造方法，其特征在于采用可施加功率超聲與低頻電磁兩種外場協同作用的輕合金大規格錠坯立式半連續鑄造設備，在鑄造過程中同時施加低頻電磁場和功率超聲場或低頻電磁振蕩場和功率超聲場，功率超聲場作用于結晶器軸線部位，電磁場作用于金屬熔體表面附近，通過兩種外場參數的調節實現協同作用，使結晶器熔體凝固過程中實現全體積外場作用進行鑄造。
2.如權利要求1所述功率超聲與低頻電磁協同作用的輕合金大規格錠坯立式半連續鑄造方法，其特征在于施加電磁場和功率超聲場的具體做法是在結晶器水套內部或者外部或上部配置有一組內置式勵磁線圈，并通之以低頻交流電為熔體提供低頻電磁場，同時在鑄造過程中把超聲變幅桿插入結晶器中心部位的熔體中施加超聲波，實現低頻電磁場與功率超聲的協同作用鑄造；或者是在結晶器水套內部或者外部或上部配置有一組通以低頻交流電和一組通以直流電的兩組內置式勵磁線圈，為熔體提供低頻電磁振蕩場，同時在鑄造過程中把超聲變幅桿插入結晶器中心部位的熔體中施加超聲波，實現低頻電磁振蕩與功率超聲的協同作用鑄造。
3.如權利要求1所述功率超聲與低頻電磁協同作用的輕合金大規格錠坯立式半連續鑄造方法，其特征在于工藝步驟是熔煉合金并經過精煉和凈化處理后的輕合金熔體，經過中間包進入結晶器中，結晶器配置的勵磁線圈已經通電，開動鑄造機并控制結晶器中液面穩定之后，即把經過預熱的超聲變幅桿浸入結晶器熔體液面中，或將經過預熱的超聲變幅桿浸入中間包熔體液面又浸入結晶器熔體液面中，所施加的超聲頻率為18kHz～28kHz，超聲強度為3W/cm2～50W/cm2，超聲有效時間為5s～180s，或施加脈沖超聲頻率為18kHz～28kHz，脈寬為10-4s～10-1s，超聲強度為7W/cm2～80W/cm2，超聲作用時間為10s～250s；所施加的低頻電磁頻率范圍為1Hz～90Hz，強度為2000AT～40000AT，靜磁場強度為1500AT～30000AT；鑄造中間包中的熔體溫度控制在高于液相線溫度50℃～100℃，鑄造速度為20mm/min～300mm/min。
4.權利要求1所述功率超聲與低頻電磁協同作用的輕合金大規格錠坯立式半連續鑄造方法所用的設備，包括熔體爐、中間包、結晶器，其特征在于在結晶器水套內部或者外部或上部配置有一組勵磁線圈，并通之以低頻交流電；或在結晶器水套內部或外部或上部配置有一組通以低頻交流電和一組通以直流電的兩組內置式勵磁線圈，在上面兩種配置的任一種均在結晶器上方或同時在中間包和結晶器的上方設有裝在移動支架上的超聲變幅桿。
5.如權利要求4所述的功率超聲與低頻電磁協同作用的輕合金大規格錠坯立式半連續鑄造方法所用的設備，其特征在于所述裝有可在結晶器上方或同時在中間包上方和結晶器上方移動的超聲變幅桿的移動支架是由步進電機控制進行三維移動的。
6.如權利要求4所述的功率超聲與低頻電磁協同作用的輕合金大規格錠坯立式半連續鑄造方法所用的設備，其特征在于所述當鑄造直徑大于Φ500mm或厚度大于500mm的錠坯須配置2個以上的變幅桿。
7.如權利要求4所述的功率超聲與低頻電磁協同作用的輕合金大規格錠坯立式半連續鑄造方法所用的設備，其特征在于所述對于鎂合金錠坯鑄造，變幅桿材料為經過特殊處理的低碳鋼，其含碳量在0.1～0.8％；對于鋁合金錠坯鑄造，變幅桿為一種高溫鈷基合金GH605或一種高溫耐蝕鎳基合金GH5K材料制成。
全文摘要
一種功率超聲與低頻電磁協同作用的輕合金大規格錠坯立式半連續鑄造方法及設備，采用可施加功率超聲與低頻電磁兩種外場協同作用的輕合金大規格錠坯立式半連續鑄造設備，在鑄造過程中同時施加低頻電磁場和功率超聲場或低頻電磁振蕩場和功率超聲場，功率超聲場作用于結晶器軸線部位，電磁場作用于金屬熔體表面附近，通過兩種外場參數的調節實現協同作用，使結晶器熔體凝固過程中實現全體積外場作用進行鑄造；本發明可極大降低鑄坯凝固時的橫向溫度梯度，改變液穴形狀，提高錠坯凝固的均勻性，顯著降低錠坯鑄造缺陷的尺寸效應，極大改善立式半連續鑄造輕合金大型錠坯的內部和表面質量。
文檔編號B22D27/02GK101020229SQ20071001064
公開日2007年8月22日 申請日期2007年3月19日 優先權日2007年3月19日
發明者樂啟熾, 崔建忠, 張志強, 趙志浩 申請人:東北大學