一種三層包覆鑄錠的半連鑄裝置及方法與流程

本發明屬于層狀復合材料制備技術領域，特別是涉及一種三層包覆鑄錠的半連鑄裝置及方法。

背景技術：

隨著科學技術的不斷發展，在冶金建筑、石油化工、航空航天、交通運輸、電子信息及國防軍工等領域內，對材料性能要求越來越高，多數情況下，單一材料的性能已經難以滿足實際使用需求，而將性能不同的材料復合在一起，所形成的復合材料卻可以提高材料的綜合性能，以此來滿足實際使用需求。

層狀復合材料是通過在芯材上包覆一層或多層合金所制得，其兼具有各層合金的優點，而且可充分發揮各層合金的優異性能。

目前，層狀復合材料的制備方法包括以下幾種：

①固-固相復合法(如焊接成型法、直接軋制成型法、擠壓復合法等)；

②液-固相復合法(如直接澆注復合法、侵入法、噴射成型法、半固態壓力復合法等)；

③鑄造復合法。

對于固-固相復合法和液-固相復合法來說，盡管其在層狀復合材料的制備方面發揮了一定的積極作用，但也存在著明顯的缺點，如生產率及成材率較低、產品質量穩定性差、生產流程長且工藝復雜、復合界面質量較差、包覆率受限且難以精確控制或生產成本較高等。

相比而言，鑄造復合法優勢明顯，其不僅具有生產流程短、生產效率高、復合界面強度高及生產成本低等優點，并且易于實現連續化、自動化及批量化生產。

公開號為CN1229703A的中國專利申請，具體涉及一種多層復合材料一次鑄造成形設備與工藝，其記載通過設置氧化防護罩，將水冷結晶器分別用于芯材和包覆層的凝固成形，從而實現多層復合材料一次鑄造成形，可獲得復合界面無氧化皮和油污雜質的高質量復合材料。但實際情況并非如此，由于凝固過程是由內向外的，其只適合制備芯材為高熔點且包覆層為低熔點的復合材料；再有，由于芯材的一次冷卻距離整個結晶器的二次冷卻距離太遠，易導致已凝固的芯材因得不到繼續冷卻而被包覆層熔體重熔，從而發生混流。另外，設備中雖然設有氧化防護罩，但易受到包覆層熔體液面波動和溫度波動的影響，實際很難獲得無氧化皮和油污雜質的復合界面。

公開號為CN104959557A的中國專利申請，具體涉及一種雙金屬復層圓坯電磁連鑄方法及設備，其記載通過對內結晶器施加脈沖電磁場，對外結晶器施加中頻電磁場，可制備內外層金屬凝固組織細化、外層金屬表面質量高、復合界面清晰穩定地復層圓坯。但實際情況并非如此，由于內層金屬液只靠內結晶器環形水腔的底部直接冷卻以及外層凝固殼的間接冷卻，其冷卻能力是遠遠不夠的，同時由于施加了脈沖電磁場，使熔體發生震蕩，這會導致界面處不穩定，容易發生界面破壞，直接結果就是復合失敗。

公開號為CN101549392A的中國專利申請，具體涉及一種復層鑄坯的電磁連續鑄造方法及其裝置，包覆層熔體采用雨淋式澆注口進行澆水冷卻，包覆層熔體液面需要裸露在空氣中，這必然會將空氣、夾雜物等卷入包覆層合金中；另外，其設備過于復雜，對于設備制造、人員操作技能、工藝水平以及自動化控制要求都很高，特別是正確控制并合理匹配工藝參數，以使兩種金屬界面結合良好且界面穩定是比較困難的，金屬組合自由度也會受到很大程度的限制，其難以實現連續化、批量化生產，而且并不適用于層數大于兩層的多層包覆鑄錠的制備。

技術實現要素：

針對現有技術存在的問題，本發明提供一種三層包覆鑄錠的半連鑄裝置及方法，具有工藝簡單、易實現自動化、合金組合自由度高、生產成本低、生產效率高以及復合界面質量好的優點。

為了實現上述目的，本發明采用如下技術方案：一種三層包覆鑄錠的半連鑄裝置，包括內結晶器、中間結晶器、外結晶器、內分流盤、中間分流盤、外分流盤、支撐板及引錠塊；在所述支撐板上開設有引錠塊通過孔，所述外結晶器固裝在支撐板上，外結晶器與引錠塊通過孔同心設置，在外結晶器內表面設置有第一石墨環，在第一石墨環下方的外結晶器內表面周向均布有若干二次冷卻水眼；所述外分流盤固裝在外結晶器上表面，外分流盤與外結晶器同心設置；所述中間結晶器固裝在外分流盤盤內底面，在中間結晶器外表面及下表面設置有第一隔熱護套，在中間結晶器內表面設置有第二石墨環；所述中間分流盤固裝在中間結晶器上表面，中間分流盤與中間結晶器同心設置；所述內結晶器吊裝在引錠塊通過孔上方，內結晶器與引錠塊通過孔同心設置，在內結晶器外表面及下表面設置有第二隔熱護套，在內結晶器內表面設置有第三石墨環；所述內分流盤固裝在內結晶器上表面，內分流盤與內結晶器同心設置；所述引錠塊安裝在鑄造機上，引錠塊與引錠塊通過孔同心設置；所述引錠塊上表面具有三層臺階，依次為外層臺階、中間層臺階及內層臺階；所述外層臺階側立面與第一石墨環相對應，所述中間層臺階側立面與第二石墨環相對應，所述內層臺階側立面與第三石墨環相對應。

所述內結晶器通過支架機構吊裝在引錠塊通過孔上方，所述支架機構包括下固定盤、上固定盤、立桿及支腿，下固定盤與內結晶器上表面相固連，下固定盤與上固定盤之間通過立桿相固連，上固定盤通過支腿與支撐板相固連。

所述外分流盤依次設有外分流盤主流道、外分流盤次級流道及外分流盤末級流道，所述外分流盤次級流道為半圓弧形，外分流盤次級流道中部與外分流盤主流道相連；所述外分流盤末級流道為V形，外分流盤末級流道的V形尖頂與外分流盤次級流道的半圓弧形末端相連，外分流盤末級流道的V形雙臂與外分流盤內表面相通；

所述中間分流盤依次設有中間分流盤主流道和中間分流盤次級流道，所述中間分流盤次級流道為圓形，中間分流盤次級流道的內圓側直接與中間分流盤內表面相通；在所述中間分流盤次級流道的內圓側下方設有第一圓柱筒形擋沿，第一圓柱筒形擋沿對第二石墨環進行遮擋配合；

所述內分流盤設有內分流盤主流道，內分流盤主流道末端與內分流盤內表面相通；在所述內分流盤內表面下方設有第二圓柱筒形擋沿，第二圓柱筒形擋沿對第三石墨環進行遮擋配合。

一種三層包覆鑄錠的半連鑄方法，采用了三層包覆鑄錠的半連鑄裝置，包括如下步驟：

步驟一：啟動鑄造機，控制引錠塊上升，使引錠塊的外層臺階、中間層臺階及內層臺階分別進入第一石墨環、第二石墨環及第三石墨環內；

步驟二：通過內分流盤向內結晶器內澆注芯材熔體，通過中間分流盤向中間結晶器內澆注中間層熔體，通過外分流盤向外結晶器內澆注外層熔體；在內結晶器和引錠塊內層臺階的共同冷卻作用下，芯材熔體開始凝固并形成凝固殼，在中間結晶器和引錠塊中間層臺階的共同冷卻作用下，中間層熔體開始凝固并形成凝固殼，在外結晶器和引錠塊外層臺階的共同冷卻作用下，外層熔體開始凝固并形成凝固殼；

步驟三：當芯材熔體、中間層熔體及外層熔體的凝固殼達到設定厚度時，控制引錠塊下移，中間層熔體開始與芯材熔體的凝固殼發生接觸和潤濕，通過元素擴散實現冶金結合，外層熔體開始與中間層熔體的凝固殼發生接觸和潤濕，通過元素擴散實現冶金結合；當三層包覆鑄錠達到預定尺寸時，依次停止芯材熔體、中間層熔體及外層熔體的澆注，當三層包覆鑄錠下移到支撐板的引錠塊通過孔下方時，引錠塊停止下移，鑄造機停機，鑄造結束。

所述引錠塊的外層臺階、中間層臺階及內層臺階的高度分別由外結晶器、中間結晶器及內結晶器的位置決定，結晶器位置越低，與之對應的引錠塊的臺階進入其石墨環的距離越大。

在鑄造過程中，中間層熔體的液面要始終高于第三石墨環的下邊沿，外層熔體的液面要始終高于第二石墨環的下邊沿。

當芯材熔體的凝固殼及中間層熔體的凝固殼分別脫離第三石墨環及第二石墨環時，由中間層熔體形成的包覆層表面溫度要控制在中間層熔體金屬液相線溫度的75％～90％，由外層熔體形成的包覆層表面溫度要控制在外層熔體金屬液相線溫度的75％～90％。

在鑄造前，對第一圓柱筒形擋沿及第二圓柱筒形擋沿的長度進行設定，實現對芯材熔體與第三石墨環的接觸長度及中間層熔體與第二石墨環的接觸長度進行控制，進而實現對芯材熔體的凝固殼及中間層熔體的凝固殼的厚度和溫度進行控制。

在鑄造前，對內結晶器的高度進行設定，實現對芯材熔體與第三石墨環的接觸開始時間進行控制，進而實現對芯材熔體的凝固殼厚度及凝固殼脫離第三石墨環時的溫度進行控制；對中間結晶器的高度進行設定，實現對中間層熔體與第二石墨環的接觸開始時間進行控制，進而實現對中間層熔體的凝固殼厚度及凝固殼脫離第二石墨環時的溫度進行控制。

三層包覆鑄錠的半連鑄工藝參數包括：澆注溫度為710～760℃，鑄造速度為50～300mm/min，外結晶器3的冷卻水量為60～100L/min·m，中間結晶器2的冷卻水量為40～80L/min·m，內結晶器1的冷卻水量為20～60L/min·m。

本發明的有益效果：

本發明與現有技術相比，具有工藝簡單、易實現自動化、合金組合自由度高、生產成本低、生產效率高以及復合界面質量好的優點。

附圖說明

圖1為本發明的一種三層包覆鑄錠的半連鑄裝置(熔體澆注前)結構示意圖；

圖2為本發明的支架機構結構示意圖；

圖3為圖2的俯視圖；

圖4為本發明的外分流盤俯視圖；

圖5為圖4中A-A剖視圖；

圖6為本發明的中間分流盤俯視圖；

圖7為圖6中B-B剖視圖；

圖8為本發明的內分流盤俯視圖；

圖9為圖8中C-C剖視圖；

圖10為中間分流盤及外分流盤的固定裝夾示意圖；

圖11為本發明的一種三層包覆鑄錠的半連鑄裝置(鑄造時)結構示意圖；

圖中，1-內結晶器，2-中間結晶器，3-外結晶器，4-內分流盤，5-中間分流盤，6-外分流盤，7-支撐板，8-引錠塊，9-引錠塊通過孔，10-第一石墨環，11-第一隔熱護套，12-第二石墨環，13-第二隔熱護套，14-第三石墨環，15-外層臺階，16-中間層臺階，17-內層臺階，18-二次冷卻水眼，19-下固定盤，20-上固定盤，21-立桿，22-支腿，23-外分流盤主流道，24-外分流盤次級流道，25-外分流盤末級流道，26-中間分流盤主流道，27-中間分流盤次級流道，28-第一圓柱筒形擋沿，29-內分流盤主流道，30-第二圓柱筒形擋沿，31-螺桿，32-壓板，33-緊固螺母，34-芯材熔體，35-中間層熔體，36-外層熔體，37-三層包覆鑄錠。

具體實施方式

下面結合附圖和具體實施例對本發明做進一步的詳細說明。

如圖1～11所示，一種三層包覆鑄錠的半連鑄裝置，包括內結晶器1、中間結晶器2、外結晶器3、內分流盤4、中間分流盤5、外分流盤6、支撐板7及引錠塊8；在所述支撐板7上開設有引錠塊通過孔9，所述外結晶器3固裝在支撐板7上，外結晶器3與引錠塊通過孔9同心設置，在外結晶器3內表面設置有第一石墨環10，在第一石墨環10下方的外結晶器3內表面周向均布有若干二次冷卻水眼18；所述外分流盤6固裝在外結晶器3上表面，外分流盤6與外結晶器3同心設置；所述中間結晶器2固裝在外分流盤6盤內底面，在中間結晶器2外表面及下表面設置有第一隔熱護套11，在中間結晶器2內表面設置有第二石墨環12；所述中間分流盤5固裝在中間結晶器2上表面，中間分流盤5與中間結晶器2同心設置；所述內結晶器1吊裝在引錠塊通過孔9上方，內結晶器1與引錠塊通過孔9同心設置，在內結晶器1外表面及下表面設置有第二隔熱護套13，在內結晶器1內表面設置有第三石墨環14；所述內分流盤4固裝在內結晶器1上表面，內分流盤4與內結晶器1同心設置；所述引錠塊8安裝在鑄造機上，引錠塊8與引錠塊通過孔9同心設置；所述引錠塊8上表面具有三層臺階，依次為外層臺階15、中間層臺階16及內層臺階17；所述外層臺階15側立面與第一石墨環10相對應，所述中間層臺階16側立面與第二石墨環12相對應，所述內層臺階17側立面與第三石墨環14相對應。

所述內結晶器1通過支架機構吊裝在引錠塊通過孔9上方，所述支架機構包括下固定盤19、上固定盤20、立桿21及支腿22，下固定盤19與內結晶器1上表面相固連，下固定盤19與上固定盤20之間通過立桿21相固連，上固定盤20通過支腿22與支撐板7相固連。

所述外分流盤6依次設有外分流盤主流道23、外分流盤次級流道24及外分流盤末級流道25，所述外分流盤次級流道24為半圓弧形，外分流盤次級流道24中部與外分流盤主流道23相連；所述外分流盤末級流道25為V形，外分流盤末級流道25的V形尖頂與外分流盤次級流道24的半圓弧形末端相連，外分流盤末級流道25的V形雙臂與外分流盤6內表面相通；

所述中間分流盤5依次設有中間分流盤主流道26和中間分流盤次級流道27，所述中間分流盤次級流道27為圓形，中間分流盤次級流道27的內圓側直接與中間分流盤5內表面相通；在所述中間分流盤次級流道27的內圓側下方設有第一圓柱筒形擋沿28，第一圓柱筒形擋沿28對第二石墨環12進行遮擋配合；

所述內分流盤4設有內分流盤主流道29，內分流盤主流道29末端與內分流盤4內表面相通；在所述內分流盤4內表面下方設有第二圓柱筒形擋沿30，第二圓柱筒形擋沿30對第三石墨環14進行遮擋配合。

所述中間分流盤5及外分流盤6均通過螺桿壓板機構進行固定，所述螺桿壓板機構包括螺桿31、壓板32及緊固螺母33，螺桿31豎直固裝在支撐板7上，壓板32一端搭接在中間分流盤5或外分流盤6上，壓板32通過通孔套裝在螺桿31上，壓板32與螺桿31之間通過緊固螺母33進行鎖緊固定。

一種三層包覆鑄錠的半連鑄方法，采用了三層包覆鑄錠的半連鑄裝置，包括如下步驟：

步驟一：啟動鑄造機，控制引錠塊8上升，使引錠塊8的外層臺階15、中間層臺階16及內層臺階17分別進入第一石墨環10、第二石墨環12及第三石墨環14內；

步驟二：通過內分流盤4向內結晶器1內澆注芯材熔體34，通過中間分流盤5向中間結晶器2內澆注中間層熔體35，通過外分流盤6向外結晶器3內澆注外層熔體36；在內結晶器1和引錠塊8內層臺階17的共同冷卻作用下，芯材熔體34開始凝固并形成凝固殼，在中間結晶器2和引錠塊8中間層臺階16的共同冷卻作用下，中間層熔體35開始凝固并形成凝固殼，在外結晶器3和引錠塊8外層臺階15的共同冷卻作用下，外層熔體36開始凝固并形成凝固殼；

步驟三：當芯材熔體34、中間層熔體35及外層熔體36的凝固殼達到設定厚度時，控制引錠塊8下移，中間層熔體35開始與芯材熔體34的凝固殼發生接觸和潤濕，通過元素擴散實現冶金結合，外層熔體36開始與中間層熔體35的凝固殼發生接觸和潤濕，通過元素擴散實現冶金結合；當三層包覆鑄錠37達到預定長度時，依次停止芯材熔體34、中間層熔體35及外層熔體36的澆注，當三層包覆鑄錠37下移到支撐板7的引錠塊通過孔9下方時，引錠塊8停止下移，鑄造機停機，鑄造結束。

所述引錠塊8的外層臺階15、中間層臺階16及內層臺階17的高度分別由外結晶器3、中間結晶器2及內結晶器1的位置決定，結晶器位置越低，與之對應的引錠塊8的臺階進入其石墨環的距離越大。如此一來，可以避免在鑄造過程中某一層熔體出現拉漏現象。

在鑄造過程中，中間層熔體35的液面要始終高于第三石墨環14的下邊沿，外層熔體36的液面要始終高于第二石墨環12的下邊沿。如此一來，通過中間層熔體35和外層熔體36便可順利的將復合界面與空氣相隔絕，有效防止了凝固殼在鑄造過程中發生氧化，同時避免了空氣的卷入，確保了復合界面無氣孔、無夾雜物以及無氧化物，進而保證了復合界面的質量。

當芯材熔體34的凝固殼及中間層熔體35的凝固殼分別脫離第三石墨環14及第二石墨環12時，由中間層熔體35形成的包覆層表面溫度要控制在中間層熔體金屬液相線溫度的75％～90％，由外層熔體36形成的包覆層表面溫度要控制在外層熔體金屬液相線溫度的75％～90％。

在鑄造前，對第一圓柱筒形擋沿28及第二圓柱筒形擋沿30的長度進行設定，實現對芯材熔體34與第三石墨環14的接觸長度及中間層熔體35與第二石墨環12的接觸長度進行控制，進而實現對芯材熔體34的凝固殼及中間層熔體35的凝固殼的厚度和溫度進行控制。如此一來，即使熔體不同且鑄造速度不同，均可獲得理想的凝固殼厚度和溫度。

在鑄造前，對內結晶器1的高度進行設定，實現對芯材熔體34與第三石墨環14的接觸開始時間進行控制，進而對芯材熔體34的凝固殼厚度及凝固殼脫離第三石墨環14時的溫度進行控制；對中間結晶器2的高度進行設定，實現對中間層熔體35與第二石墨環12的接觸開始時間進行控制，進而對中間層熔體35的凝固殼厚度及凝固殼脫離第二石墨環12時的溫度進行控制。如此一來，即使各層熔體進行更換時，也可適應因熔點不同及凝固特性不同而產生的鑄造特性的變化。

三層包覆鑄錠的半連鑄工藝參數包括：澆注溫度為710～760℃，鑄造速度為50～300mm/min，外結晶器3的冷卻水量為60～100L/min·m，中間結晶器2的冷卻水量為40～80L/min·m，內結晶器1的冷卻水量為20～60L/min·m。

實施例一

本實施例中，芯材熔體34的材料為3003鋁合金(液相線溫度為658℃，固相線溫度為646℃)，中間層熔體35的材料為6069鋁合金(液相線溫度為647℃，固相線溫度為511℃)，外層熔體36的材料為4045鋁合金(液相線溫度為595℃，固相線溫度為577℃)，三層包覆鑄錠的各層設計尺寸為φ164mm/φ152mm/φ80mm。

鑄造前，芯材熔體34、中間層熔體35及外層熔體36分別在三個獨立的電阻爐中進行熔化，精煉除氣后保溫備用即可。

鑄造時，外層熔體36的澆注溫度控制在750℃，中間層熔體35的澆注溫度控制在740℃，外層熔體36的澆注溫度控制在710℃；外結晶器3的冷卻水量為80L/min·m，中間結晶器2的冷卻水量為60L/min·m，內結晶器1的冷卻水量為30L/min·m；鑄造速度為150mm/min。

鑄造時，芯材熔體34首先澆注，并在內結晶器1內停置20秒，使芯材熔體34首先形成一定厚度的凝固殼；然后進行中間層熔體35的澆注，中間層熔體35需在中間結晶器2內停置15秒，最后將外層熔體36澆注到外結晶器3中，三層鋁合金液全部到位后，此刻控制引錠塊8下移，直到三層包覆鑄錠37達到預定長度時，依次停止芯材熔體34、中間層熔體35及外層熔體36的澆注，當三層包覆鑄錠37下移到支撐板7的引錠塊通過孔9下方時，引錠塊8停止下移，鑄造機停機，鑄造結束。

對于依次停止芯材熔體34、中間層熔體35及外層熔體36的澆注，則可以保證三層包覆鑄錠37的完整性，進而提高鑄錠的成材率。

實施例二

本實施例中，芯材熔體34的材料為7004鋁合金(液相線溫度為645℃，固相線溫度為482℃)，中間層熔體35的材料為3003鋁合金(液相線溫度為658℃，固相線溫度為646℃)，外層熔體36的材料為4045鋁合金(液相線溫度為595℃，固相線溫度為577℃)，三層包覆鑄錠的各層設計尺寸為φ164mm/φ152mm/φ100mm。

鑄造前，芯材熔體34、中間層熔體35及外層熔體36分別在三個獨立的電阻爐中進行熔化，精煉除氣后保溫備用即可。

鑄造時，外層熔體36的澆注溫度控制在750℃，中間層熔體35的澆注溫度控制在730℃，外層熔體36的澆注溫度控制在720℃；外結晶器3的冷卻水量為80L/min·m，中間結晶器2的冷卻水量為60L/min·m，內結晶器1的冷卻水量為40L/min·m；鑄造速度為150mm/min。

鑄造時，芯材熔體34首先澆注，并在內結晶器1內停置20秒，使芯材熔體34首先形成一定厚度的凝固殼；然后進行中間層熔體35的澆注，中間層熔體35需在中間結晶器2內停置15秒，最后將外層熔體36澆注到外結晶器3中，三層鋁合金液全部到位后，此刻控制引錠塊8下移，直到三層包覆鑄錠37達到預定長度時，依次停止芯材熔體34、中間層熔體35及外層熔體36的澆注，當三層包覆鑄錠37下移到支撐板7的引錠塊通過孔9下方時，引錠塊8停止下移，鑄造機停機，鑄造結束。

對于依次停止芯材熔體34、中間層熔體35及外層熔體36的澆注，則可以保證三層包覆鑄錠37的完整性，進而提高鑄錠的成材率。

實施例中的方案并非用以限制本發明的專利保護范圍，凡未脫離本發明所為的等效實施或變更，均包含于本案的專利范圍中。