專利名稱：一種磁脈沖半連續鑄造裝置及鑄造方法
技術領域：
本發明屬于冶金與金屬材料制備技術領域，具體為一種磁脈沖半連續鑄造裝置及
鑄造方法。
背景技術：
直接水冷連續鑄造技術(Direct chill casting)也稱DC鑄造法或半連續鑄造 法，由德國人J皿ghaus于1933年研制成功，其基本原理是將金屬熔體澆注入由水冷卻的結 晶器中，當熔體開始凝固成坯殼后，通過牽引裝置把其拉出結晶器并繼續噴水冷卻，從而得 到鑄錠。根據錠坯牽引方向不同，又可分為立式連續鑄造和水平連續鑄造。1935年，ALC0A 公司及VLW公司將立式連續鑄造方法應用于鋁合金鑄造，成為現代鋁合金連續鑄造生產的 開端。DC連續鑄造方法生產效率高，鑄造成本低，操作簡單，經過多年來的發展和改進，到上 世紀70年代，已經成為工業上廣泛采用的有色金屬錠坯生產方法。 DC半連續鑄造方法生產的鑄錠顯微組織致密，但是晶粒尺寸比較粗大，組織不均 勻，嚴重影響半連續鑄錠的力學性能和變形性能。當變形坯錠用于進一步變形加工時，由于 半連續鑄錠的晶粒不夠細小和存在化學成分偏析，使變形加工抗力增加，變形制品缺陷增 加，對變形加工帶來不利影響。另外，由于生產鑄錠時強烈冷卻在鑄錠內部產生很大的內應 力，鑄錠易產生熱裂。由于細化鑄錠晶粒可有效提高鑄錠的力學性能和變形性能，因此，對 于如何細化半連續鑄錠的晶粒和凝固組織，開展了許多的研究，但是只通過改進半連續鑄 造過程中的冷卻和鑄造速度，收效有限。 近年來，在凝固過程中應用電磁場技術得到了快速發展，已成為一種有效改善凝 固組織和性能的方法，在金屬靜態凝固過程中施加交變磁場、組合電磁場和脈沖電磁場等， 都取得了明顯效果，并且嘗試在半連續鑄造中使用電磁場控制和改善半連續鑄錠凝固組 織。 國外，前蘇聯鋁合金專家Getselev把交變連續磁場應用于鋁合金的DC鑄造，開 發了 EMC電磁鑄造(Electromagnetic casting)工藝，通過在交變電磁場產生的電磁力約 束金屬熔體，起到結晶器對熔體的約束和支撐作用，取消了結晶器，實現了鋁合金的無模鑄 造，可獲得了表面光潔的鑄錠。這一技術先后被歐洲、日本、美國以及中國所采用。這一電 磁鑄造工藝主要以改善鑄錠表面為目標，采用中、高頻交變電磁場實現無模鑄造，但是對鑄 錠凝固組織的改善有限。 上世紀80年代，法國科學家Vives把50赫茲的工頻交流磁場應用于DC鑄造，提 出了電磁細晶鑄造CREM工藝(Casting, Refining, Electromagnetic)。對于鋁合金圓錠的 鑄造結果表明，CREM工藝在熔體中產生電磁攪拌和震蕩，引起熔體流動，起到細化晶粒和改 善表面質量作用。另外，Vives在半連續鑄造1085和2214鋁合金時采用穩恒磁場和工頻電 磁場復合方法，得到了細化組織的效果。國內東北大學崔建忠等在DC鑄造中應用更低頻率 (<50Hz)的交變電磁場，研發了低頻電磁半連續鑄造(LFEC)技術，很好地解決了半連續鑄 錠的表面質量問題，并已成功地應用于工業生產中。由于低頻電磁場的滲透熔體能力比中高頻電磁場的滲透能力強，可以實現較大尺寸鑄錠的細晶鑄造，同時提高晶內溶質含量、減 少宏觀偏析。但是，盡管交變連續電磁場在半連續鑄造中獲得成功應用，但是由于交變電磁 場的集膚效應，對于大尺寸鑄錠心部組織的細化效果尚不令人滿意。 近年來，脈沖磁場對金屬凝固過程及凝固組織的作用引起了人們的重視。對鋼鐵、 鋁合金等材料的研究表明，采用脈沖磁場作用于靜態凝固過程可有效地細化凝固組織。東 北大學崔建忠等將強脈沖磁場技術應用于LY12鋁合金的凝固過程，顯著細化了合金的凝 固組織，樹枝晶被折斷，組織均勻。北京科技大學蒼大強等將強脈沖磁場應用于KS282合金 的凝固過程，細化了初晶硅的晶粒尺寸。上海大學翟啟杰等研究了強脈沖磁場作用下純鋁 和鑄鐵的凝固，取得了顯著的細化組織效果。西北工業大學劉林等研究了高能量密度的脈 沖磁場下Al-Cu共晶合金的單向凝固。日本的Tani和美國的Kolesnichenko等將脈沖磁 場應用于鋼的連鑄過程，可改變彎月面的形狀，改善鑄坯的中心偏析和表面質量。
申請人:對于脈沖磁場作用于靜態鑄造的研究表明，脈沖磁場作用于熔體產生強烈 的電磁振蕩作用，一方面大幅度提高形核率，另外使晶體生長由柱狀晶轉變為等軸晶生長 方式，晶粒可以得到顯著地細化，并且在鑄錠內晶粒尺寸均勻分布。另外，由于脈沖電磁場 對熔體的穿透能力更強，可以實現較大截面鑄錠的細化。
發明內容
本發明的目的在于提供一種可制備均勻細晶鑄錠的磁脈沖半連續鑄造裝置及鑄 造方法，實現半連續鑄錠凝固組織均勻細化。
本發明的技術方案是 本發明將磁脈沖作用應用于半連續鑄造過程，細化和改善鑄錠凝固組織，具體如 下 1、磁脈沖處理熔體半連續鑄造裝置包括半連續鑄造機、脈沖磁場發生裝置、磁脈 沖作用系統三部分，半連續鑄造機為合金熔煉爐、結晶器、鑄坯、引錠裝置、合金熔體構成， 磁脈沖作用系統置于結晶器外部，緊貼于結晶器外表面，磁脈沖作用系統可以為電磁線圈， 脈沖磁場發生裝置與磁脈沖作用系統相連，從合金熔煉爐中流出的合金熔體經過結晶器， 在脈沖磁場作用下凝固成鑄坯，鑄坯底部設置引錠裝置。 2、將磁脈沖作用引入半連續鑄造過程中，當待澆合金熔體澆入結晶器時，同時開 啟引錠裝置和脈沖磁場發生裝置，由脈沖磁場發生裝置產生電流脈沖，經過位于結晶器外 層的磁脈沖作用系統產生脈沖磁場，作用于結晶器內的合金熔體。結晶器內的合金熔體經 受磁脈沖處理的同時，在結晶器壁附近形成凝固坯殼，進而在引錠裝置向下牽引的過程中 繼續凝固成鑄坯，實現磁脈沖作用下的合金熔體半連續鑄造。合金熔體澆入半連續鑄造裝 置結晶器的瞬間，在型壁上產生大量的激冷晶核，施加于合金熔體的磁脈沖，對合金熔體產 生箍縮和震蕩效應，引起熔體運動，將半連續鑄造結晶器型壁上大量晶核沖刷下來，并帶入 熔體中，使合金熔體的形核率大大增加；另一方面，由于磁脈沖使熔體產生運動，使合金熔 體內外溫度差快速減小，均勻化合金熔體溫度，加上在凝固界面前沿產生的焦耳熱作用，使 得晶核的生長受到抑制，生長方式也由柱枝晶生長變為等軸晶生長，從而使半連續鑄錠的 凝固組織細化、等軸化，獲得均勻的細晶鑄錠。
本發明實現步驟及工藝參數
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1、半連續鑄造機的鑄造速度可在30 170mm/min之間任意調節。根據合金的種 類、澆注溫度、磁脈沖參數等，選擇合適的半連續鑄造速度(如對于鋁合金時的最佳速度為 50 70mm/min)，并通過調節半連續鑄造機引錠裝置上的調速電機的轉速，將引錠裝置的 下拉速度調整為該鑄造速度。 2、脈沖磁場發生裝置的磁脈沖參數可在如下范圍內任意調節脈沖磁場發生電壓
為50 1500V(優選范圍為100 1000V)，脈沖頻率為1 100Hz(優選范圍為5 30Hz)，
脈沖作用時間為0 30min(優選范圍為5 20min)。根據合金種類、成分不同，并與半連
續鑄造工藝參數合理配合，確定磁脈沖參數(根據合金鑄錠的細化效果由實驗確定)，并通
過脈沖磁場發生裝置的頻率開關和調壓電位器進行相應工作參數的調整。 3、合金經過配料后，按照合金熔煉制度在熔化爐內進行合金的熔化與精煉，然后
將溫度調整到適宜的澆注溫度，待澆注。 4、在澆注前，對合金熔體的流槽、中間包及半連續鑄造結晶器進行充分預熱，對于 鋁鎂合金半連續鑄造，流槽和中間包預熱至60(TC，結晶器預熱至400 600°C。
5、將合金熔體澆注入結晶器中，啟動引錠裝置，向下拉出鑄坯。澆注的同時，啟動 脈沖磁場發生裝置，磁脈沖通過置于結晶器外層的電磁線圈作用于合金熔體。通過調節半 連續鑄造速度，使之與磁脈沖作用相匹配。 6、隨著合金熔體澆注和拉坯過程的進行，在結晶器的下部拉出半連續細晶鑄錠。
本發明的磁脈沖半連續鑄造制備方法具有以下優點
①磁脈沖電壓低，操作安全可靠； ②脈沖間歇工作，能源消耗小，工藝簡單、操作方便、易于控制； ③磁脈沖作用下，合金熔體運動平穩，熔體表面不會遭到破壞，有效避免金屬的吸 氣與夾渣，提高產品質量； ④脈沖頻率可自由調節，使之與鑄造速度相匹配，充分發揮磁脈沖作用，生產大規 格細晶錠坯。 ⑤無污染，組織細化效果顯著，適用合金范圍寬，可用于鎂合金、鋁合金等有色金 屬及合金。
圖1是磁脈沖半連續鑄造原理示意圖；其中，1合金熔煉爐；2結晶器；3電磁線圈； 4鑄坯；5引錠裝置；6合金熔體；7脈沖磁場發生裝置。 圖2是脈沖磁場對AZ91D鎂合金鑄錠凝固組織的影響；其中，(a)分別為脈沖磁場 作用下凝固鑄錠的上部、中部和下部組織；(b)分別為無脈沖磁場凝固鑄錠的上部、中部和 下部組織。 圖3是脈沖磁場下AZ91D鑄錠晶粒尺寸分布；其中，(a)心部縱截面；(b)中部橫 截面。
具體實施例方式
下面結合具體的實施例對本發明的實施方式做進一步說明 如圖l所示，本發明將磁脈沖作用引入半連續鑄造過程中，使結晶器中的合金熔體在脈沖磁場作用下發生凝固。磁脈沖處理半連續鑄造裝置包括半連續鑄造機、脈沖磁場 發生裝置、磁脈沖作用系統(電磁線圈)三部分，半連續鑄造機為合金熔煉爐1、結晶器2、 鑄坯4、引錠裝置5、合金熔體6構成，自合金熔煉爐1中流出的合金熔體6外側安裝結晶器 2，結晶器2外側設置電磁線圈3，脈沖磁場發生裝置7與電磁線圈3相連，經結晶器2后的 合金熔體6凝固成鑄坯4，鑄坯4底部設置引錠裝置5。電流脈沖由脈沖磁場發生裝置7產 生，經過位于結晶器2外層的電磁線圈3產生脈沖磁場，作用于結晶器內的合金熔體6形成 組織均勻細化的鑄坯4，實現磁脈沖作用下的合金熔體半連續鑄造。該方法涉及半連續鑄造 機和脈沖磁場發生裝置，脈沖磁場的參數可自由調節，不同種類、成分的合金存在著最佳參 數范圍(根據實驗確定)，半連續鑄造機的鑄造速度為30 170mm/min，可任意調節，并與 磁脈沖參數相配合選擇最佳鑄造速度，磁脈沖作用系統置于半連續鑄造結晶器外部，緊貼 在結晶器外表面。
實施例1 將AZ91D鎂合金在合金熔煉爐內熔化并精煉，在72(TC保溫20分鐘，保證合金液 溫度均勻，待澆注。半連續鑄造機的結晶器直徑為100mm，按照合金種類、澆注溫度和鑄錠 直徑，選擇脈沖磁場參數為脈沖磁場發生電壓為200V，脈沖頻率為5Hz，相匹配的半連續鑄 造速度為90mm/min，分別在脈沖磁場發生裝置和半連續鑄造機上設置好參數。在澆注前， 對合金熔體的流槽、中間包及半連續鑄造結晶器進行充分烘烤，并使流槽和中間包烘烤至 600°C ，結晶器烘烤至400 600°C 。將合金流槽、中間包和結晶器進行烘烤后，開啟流槽保 護氣體和結晶器的冷卻水系統，打開鎂合金澆注流嘴，開始澆注。同時，啟動半連續鑄造機 的引錠裝置和脈沖磁場發生裝置。在澆注過程中，保持中間包內液面的穩定。當爐內合金 熔體澆注完后，關閉鎂合金澆注流嘴和脈沖磁場發生裝置，并向系統內繼續通入保護氣體 (如氬氣等)直到鑄造結束，關閉半連續鑄造機。 圖2是未施加脈沖磁場和施加5Hz、200V脈沖磁場的直徑為100mm的AZ91D鎂合 金鑄錠的凝固組織對比。由圖2可以看出，未加脈沖磁場條件下AZ91D鑄錠縱截面心部為 粗大樹枝晶，上部晶粒尺寸較大，邊部和心部晶粒尺寸變化較大，晶粒尺寸不均勻導致共晶 組織分布不均勻。而外加脈沖磁場時，凝固組織晶粒尺寸減小，縱截面組織均勻，晶粒尺寸 大致相同，組織形貌為薔薇狀，邊部和心部晶粒尺寸變化不大，共晶組織分布均勻。
圖3為AZ91D鑄錠晶粒尺寸分布，可以看出，無脈沖磁場條件下，鑄錠心部的晶粒 尺寸為140 476iim，邊部和中心晶粒尺寸相差較大，施加脈沖磁場后，鑄錠的晶粒尺寸為 160 210 ii m，組織細化且均勻。
實施例2 將A356鋁合金在合金熔煉爐內熔化并精煉，在75(TC保溫20分鐘，保證合金液溫 度均勻，待澆注。半連續鑄造機的結晶器直徑為80mm，選擇脈沖磁場參數為脈沖磁場發生電 壓為200V，脈沖頻率為5Hz，相匹配的半連續鑄造速度為50mm/min，分別在脈沖磁場發生裝 置和半連續鑄造機上設置好參數。在澆注前，將流槽、中間包充分烘烤至60(TC。澆注時， 開啟結晶器的冷卻水系統，打開澆注流嘴，開始澆注，同時啟動半連續鑄造機的引錠裝置和 脈沖磁場發生裝置。在澆注過程中，保持中間包內液面的穩定。當爐內合金熔體澆注完后， 關閉澆注流嘴和脈沖磁場發生裝置。直到鑄錠從結晶器中拉出，關閉半連續鑄造機，制備成 A356鋁合金的細晶鑄錠。
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實施例結果表明，本發明將低壓磁脈沖作用凝固應用于半連續鑄造中，提出了磁 脈沖處理半連續鑄造方法。低壓磁脈沖作用于半連續鑄造中合金熔體的凝固過程，不僅可 以制備均勻細晶鑄錠，顯著細化凝固組織，而且具有無污染，節約能源，操作簡便，降低成本 和投資等特點和優點。
權利要求
一種磁脈沖半連續鑄造裝置，其特征在于該鑄造裝置包括半連續鑄造機、脈沖磁場發生裝置、磁脈沖作用系統三部分，半連續鑄造機為合金熔煉爐、結晶器、鑄坯、引錠裝置、合金熔體構成，磁脈沖作用系統置于結晶器外部，緊貼于結晶器外表面，脈沖磁場發生裝置與磁脈沖作用系統相連，從合金熔煉爐中流出的合金熔體經過結晶器，在脈沖磁場作用下凝固成鑄坯，鑄坯底部設置引錠裝置。
2. 按照權利要求1所述的磁脈沖半連續鑄造裝置，其特征在于磁脈沖作用系統為電磁線圈。
3. —種利用權利要求1所述的磁脈沖半連續鑄造裝置的鑄造方法，其特征在于將磁脈沖作用引入半連續鑄造過程中，磁脈沖作用系統置于半連續鑄造結晶器外部，緊貼在結晶器外表面；當待澆合金熔體澆入結晶器時，同時開啟引錠裝置和脈沖磁場發生裝置，結晶器中合金熔體經受磁脈沖處理同時，在結晶器壁附近形成凝固坯殼，進而在引錠裝置向下牽引的過程中凝固。
4. 按照權利要求3所述的磁脈沖半連續鑄造方法，其特征在于由脈沖磁場發生裝置產生電流脈沖，經過位于結晶器外層的磁脈沖作用系統產生脈沖磁場，作用于結晶器內的合金熔體形成鑄坯，實現磁脈沖作用下的合金熔體半連續鑄造。
5. 按照權利要求3所述的磁脈沖半連續鑄造方法，其特征在于該方法用于鎂合金或鋁合金等有色金屬及合金。
全文摘要
本發明屬于金屬凝固技術領域，具體為一種磁脈沖半連續鑄造裝置及鑄造方法。該鑄造裝置包括半連續鑄造機、脈沖磁場發生裝置、磁脈沖作用系統三部分，半連續鑄造機為合金熔煉爐、結晶器、鑄坯、引錠裝置、合金熔體構成。磁脈沖作用系統置于結晶器外部，緊貼于結晶器外表面，脈沖磁場發生裝置與磁脈沖作用系統相連，從合金熔煉爐中流出的合金熔體經過結晶器，在脈沖磁場作用下凝固成鑄坯，鑄坯底部設置引錠裝置。該方法將磁脈沖作用引入半連續鑄造，當待澆合金熔體澆入結晶器時，同時開啟引錠裝置和脈沖磁場發生裝置，結晶器中合金熔體經受磁脈沖處理同時，在結晶器壁附近形成凝固坯殼，進而在引錠裝置向下牽引的過程中凝固得到均勻細晶合金鑄錠。
文檔編號B22D11/115GK101733381SQ20081022888
公開日2010年6月16日 申請日期2008年11月19日 優先權日2008年11月19日
發明者馮小輝, 李應舉, 楊院生, 汪斌, 童文輝, 羅天驕 申請人:中國科學院金屬研究所