CN102284686A - 组合外场作用下大尺寸镁合金板坯连铸装置与方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及的是一种大尺寸镁合金板坯的连铸装置及其方法，其装置除结晶器外还包括结晶器水箱内的电磁线圈、保护气体喷管、2个超声波头、分流盘，其中2个超声波头对称布置于结晶器内宽度中心线的两侧，使用该种装置进行大尺寸镁合金板坯铸造，根据本发明所提供的方法，在电磁场和超声波场的共同作用下铸坯质量得到了显著提高，能够较为充分地满足用户对于铸坯质量所提出的各项要求。

Description

组合外场作用下大尺寸镁合金板坯连铸装置与方法

技术领域

本发明属于铸造技术领域，特别涉及一种大尺寸板坯铸锭的连铸装置及其方法。

背景技术

DC(直接水冷)铸造具有铸锭质量较好，生产率高等一系列优点，是现代镁合金加工材锭坯的主要制备方法。DC铸造的主要装置是结晶器，结晶器由内壁水箱和喷水孔组成。熔体与结晶器壁接触实现一次冷却，出结晶器后二冷水以一定的角度喷到铸锭表面，实现激冷。随着工程上对铸锭的质量要求不断提高，在原有DC铸造的基础上，人们开发了一系列新的DC铸造方法，例如为提高表面质量的热顶铸造，还有气膜铸造、汽滑铸造、低液位铸造等等，但是围绕改善铸锭内部冶金质量而开发的新技术并不多。

现代加工工业，为提高生产率和被加工钢材的质量，要求铸锭的尺寸不断增大，在我国，镁合金铸锭的厚度已接近400mm，宽度达到了800mm，形成了本项发明所说的大尺寸镁合金板坯。随着铸锭尺寸的增大，铸锭的组织粗大、合金元素的宏观偏析和裂纹的趋势增加。这些铸坯缺陷，不但降低加工材的最终性能，而且铸锭的可加工性也损伤，大大影响了成材率，从而增加了生产成本。

为了改善铸锭的冶金质量，近年来发明者开发了一种施加低频电磁场的低频电磁连铸技术以及施加超声场的超声连铸技术，这些技术在镁合金、铝合金铸锭中得到应用，显著细化了合金组织、改善了合金元素的宏观偏析和铸锭的表面质量。随着铸锭截面尺寸的增大，已超出单一场的作用极限。例如，电磁场在熔体中产生的洛伦兹力在结晶器壁处(熔体的边部)最强，然后逐渐衰减，在中部最弱，随着频率的降低，其贯穿能力增强，但是当频率降到15Hz以下时，容易产生熔体液面的波动，液面不平稳，同时在熔体中部的流动减弱，组织改善能力减低；超声场起作用的有效范围在超声杆的周围，即在结晶器内熔体的中部，向外迅速减弱，对熔体的边部作用很小，由于目前还没有大功率的产生源，所以超声场的作用范围也有限。本发明是将低频电磁场与超声场组合施加，充分利用电磁场在熔体边部作用强和超声场在熔体中部作用强的特点，开发可以显著改善镁合金大尺寸板坯铸锭的高效、经济的新技术。

发明内容

本发明提供了一种利用组合外场作用的板坯连铸装置，该装置包括结晶器和引锭块，其特征在于该装置还包括结晶器水箱内的电磁线圈、保护气体喷管、2个超声波头、导流钢管、分流盘，其中2个超声波头对称布置于结晶器内宽度中心线的两侧，距离为铸锭宽度的40-70％，超声波头的直径为30-80mm，在分流盘的四个顶角部即分流盘对角线方向的顶端各设有1个分流孔，每个分流孔的截面积为1000-3000mm²，分流盘的底盘中心位置设有导流锥，且导流锥与导流钢管上下相对，各自的中轴线在同一条垂线上。

根据本发明的一方面，板坯连铸装置中结晶器水箱内的电磁线圈的匝数为100-500匝。

根据本发明的一方面，保护气体喷管的内径为6-15mm，在保护气体喷管的下部钻直径0.5-2mm的小孔，孔的中心线与水平面成20-35°夹角，孔间距为5-30mm。

根据本发明的一方面，结晶器壳体采用低碳钢或不锈钢制造，结晶器内壁采用6061铝合金或TC4钛合金制作，超声杆用碳钢如45#钢制作，线圈由包覆绝缘膜的铜导线制作，分流盘和保护气体钢管用304不锈钢制作。

本发明还提供了一种利用组合外场作用的板坯连铸方法，其特征是该方法采用了如权利要求1所述的装置，铸锭时按如下工艺过程进行操作：

(1)设备启动：开通结晶器的冷却水和润滑油，开通保护气体，开通低频电源向电磁线圈通入电流并且启动超声波；

(2)连续铸坯：将经净化、静置后的合金液经导流钢管和分流盘分流到结晶器中，当液面达到与分流盘的上沿平齐时，启动铸造机，同时将已经启动的超声波头插入合金液面下50-100mm，铸造中控制分流盘上分流锥与导流钢管的间距以便保证铸造过程中金属液面的稳定；

(3)铸造结束：铸坯达到预定高度时，停止供给合金液，在液面低于分流盘底面时，铸造机停车，提起超声波头，取出分流盘。

(4)提取铸锭：铸锭上表面凝固后，停止电源供电、冷却水供水和保护气体供气，吊出铸锭。

根据本发明的一方面，采用的超声是连续超声，超声的频率为10-30KHz，超声的功率为3-5KW。

根据本发明的一方面，向电磁线圈通入电流的电流频率为20-35Hz，电流强度为100-500A。

附图说明

通过下面结合附图进行的描述，本发明的上述和其他目的和特点将会变得更加清楚，其中：

附图1和2为根据本发明的连铸装置主视图和俯视图；

附图3为根据本发明的连铸装置中的分流盘主视图；

附图4为根据本发明的连铸装置中的分流盘俯视图；

附图5为根据本发明的连铸装置中的结晶器结构图；

附图6示出了采用DC铸造和采用本发明的组合外场铸造的AZ31镁合金300×800×2000mm铸锭的宏观组织；

附图7示出了采用DC铸造和采用本发明的组合外场铸造的AZ31镁合金300×800×2000mm铸锭的晶粒尺寸分布；

附图8示出了采用本发明的组合外场铸造的AZ31镁合金300×800×2000mm铸锭的合金元素分布；

附图9示出了采用DC铸造和采用本发明的组合外场铸造的AZ91镁合金400×1000×2500rmm铸锭的宏观组织；

附图10示出了采用本发明的组合外场铸造的AZ91镁合金400×1000×2500mm铸锭的晶粒尺寸分布；

附图11示出了采用本发明的组合外场铸造的AZ91镁合金400×1000×2500mm铸锭的合金元素分布。

具体实施方式

以下，参照附图来详细说明本发明的实施例。

本发明设计的装置如附图1和附图2所示，装置由结晶器1、保护气体喷管2、超声波头3和6、导流钢管4、分流盘5、电磁线圈7和引锭块9组成，8为铸锭。附图3是分流盘5的主视图，附图4是分流盘5的俯视图，分流盘5用304不锈钢制造，在分流盘5的底盘中心位置设有导流锥11，12为导流盘5的盘壁，导流锥11与导流钢管4上下相对，各自的中轴线在同一条垂线上，在分流盘的四个顶角部即分流盘对角线方向的顶端各设有1个分流孔13，每个分流孔13的截面积为1000-3000mm²。

本发明的结晶器1的详细结构见图5，结晶器1由器壁14、进油管15、上盖板16、油槽17组成，结晶器1由器壁14围成的水箱内放置电磁线圈7，在结晶器1的上部外侧置有保护气体喷管2。

结晶器的水箱可以用低碳钢或不锈钢制造，结晶器壁内侧采用6061或TC4钛合金制造，可以锻造后加工，也可以用板材焊接后加工而成，为保证其性能，粗加工后要进行T6状态的热处理，然后精加工。结晶器在对角线方向设置4个进油管15，同时为保证各部分供油均匀，开设3道油槽17，每道油槽的的宽度为3-6mm，间距为10-20mm，出油孔置于水箱上板的上部，上面设有油槽的上盖板16。

本发明采用镁合金作为示例来说明根据本发明构思的利用磁场和超声的组合外场的连铸装置及连铸方法，但本发明不限于此，例如，根据本发明的连铸装置及连铸方法可以适用于其它合金的铸造。

本发明采用导流方式导入镁合金液，镁合金经熔炼、净化后，在700-730℃(高于液相线温度50-80℃)下静置0.5-1小时，经机械泵打入导流钢管4，导流钢管4要预先加热到600-700℃，导流钢管4可以用低碳钢或不锈钢制造，钢管的内径为20-50mm，可以采用外敷电阻丝或通过大电流的电阻法加热。

本发明的保护气体喷管2可以用低碳钢或不锈钢制作，内径在6-15mm，在管的下部钻直径0.5-2mm的小孔，孔的中心线与水平面成20-35°夹角，孔间距为5-30mm。

本发明采用的超声是连续超声，超声的频率为10-30KHz，超声的功率为3-5KW。超声波头的直径为30-80mm，超声波头可以用碳钢如45#钢制作，两个超声波头相对于结晶器的中心对称置于结晶器内宽度中心线上，两个超声波头之间的距离为铸锭宽度的40-70％。

本发明施加的是低频磁场，磁场的频率为20-35Hz，结晶器壁处的磁场强度为0.02-0.10T。磁场由置于结晶器1水箱中的电磁线圈7通过低频电流产生，电磁线圈7用包覆绝缘膜的铜导线制造，视铸锭的尺寸，一般为100-500匝，通入的电流强度为100-500A。

采用上述装置进行镁合金大尺寸板坯铸造时，其具体工艺如下：

铸造镁合金铸锭时，合金经熔炼、净化、静置后，在浸入镁合金液的机械泵作用下经导流钢管4导入分流盘5，由分流盘的四个角的分流孔13流到结晶器内。同时通过进油管15注入润滑油，润滑油经油道17和出油孔流到结晶器内壁，实现铸锭表面润滑；同时开通结晶器的冷却水，由低频电源向电磁线圈7通入电流并且启动超声波，向保护气体喷管2中通入保护气体，当液面达到与分流盘的上沿(与上盖板16的距离30-60mm)平齐时，启动铸造机，铸造开始，同时将超声波头插入镁合金液内50-100mm。铸造时调整分流盘的高度，依次通过控制导流锥11与导流钢管4下端的间距来调整进入结晶器内镁合金液的流量。铸造期间保护气体喷管向液面喷含有微量(一般按体积百分数为0.5-1％)SF6的CO2气体，保护熔体避免氧化和燃烧。铸造过程中，保持液面稳定。铸造到预定高度时，停止供给镁合金液，在液面低于分流盘底面时，铸造机停车，提起超声波头3和6，取出分流盘5，待铸锭上表面凝固后，停止电源供电、冷却水供水和保护气体供气，吊出铸锭，铸造结束。

实施例1：AZ31大板坯组合外场连铸

铸锭尺寸：300mm(厚)×800mm(宽)×2000mm(长)

合金成分：Al3.1wt％，Zn0.95wt％，Mn0.35wt％，Fe≤0.05wt％，其余为Mg

铸造温度：720℃

铸造速度：40mm/min

磁场条件：磁场频率：20Hz，磁场强度：25000AT

超声条件：连续超声，频率20KHz，超声输出功率：3KW

合金在1吨镁合金电阻熔炼炉中熔炼，纯镁熔化后添加Zn，然后添加Al-10％Mn中间合金，经溶剂精炼后，向炉内吹氩气精炼，在720℃保温、静置40分钟。加热导流钢管4，结晶器通水，电磁线圈通电流，开通润滑油。打开保护气体阀，吹入保护气体，开通机械泵，镁合金液经过导流钢管进入分流盘，采用不锈钢(304)扒渣板将进入分流盘的夹杂扒出，引导镁合金液均匀流入四个分流孔，进入结晶器。用扒渣板拨动镁合金液，使其尽量均匀铺到引锭块10的底面。随着液面的上升，提高分流盘，减少镁合金液的流量，当镁合金液面达到与结晶器上盖板16的距离30-50mm时，降下超声波头，超声波头进入液面下50-100mm。启动铸造机，开始铸造，铸造机的速度要缓慢增加，从启车到稳定铸造速度40mm/min需要5-8分钟。调整分流盘5的导流锥11与导流钢管4下端的间距，控制镁合金液流量，保持液面稳定。

铸造到锭坯的预定长度后，停止供应镁合金液，同时铸造机停车，先提起超声波头，然后关闭润滑油阀。结晶器内的镁合金液逐渐凝固，待结晶器边部的镁合金液凝固到30-50mm厚时，关闭电磁线圈的电流和结晶器的供水阀。镁合金液全部凝固后，移开结晶器，将镁合金铸锭吊出。

图6为DC铸造和采用本发明的组合外场铸造的AZ31镁合金300×800×2000mm铸锭的宏观组织。其中图a，b，c是DC铸造的沿宽度中心线的铸锭边部、中心到边部1/2处和中心的合金组织，图d，e，f是组合外场铸造的沿宽度中心线的铸锭边部、中心到边部1/2处和中心的合金组织，可见DC铸造时晶粒粗大，尤其是边部一薄层细晶层后，有一个粗晶带，其厚度为30-50mm，平均晶粒尺寸为1.8mm，细晶层与粗晶层的交界处易产生皮下裂纹。见图6a。铸锭中心部位的粗大晶粒增多。施加组合磁场后，组织都显著细化，各部分的晶粒尺寸都在DC铸造的1/2之下。尤其是铸锭表面的薄细晶层后的粗晶层，尺寸已显著减少，皮下裂纹已消除。尤其是各部分的晶粒尺寸差减少，晶粒尺寸分布趋于均匀，见图7。

附图8为采用本发明的组合外场铸造的AZ31镁合金300X800X2000mm铸锭的合金元素分布，可见无论是沿厚度方向还是沿宽度方向，合金元素，Al，Zn，Mn的分布都十分均匀，合金元素的偏析率[(合金元素的最高含量-最低含量)/平均含量]都小于3％，即宏观偏析显著改善。

实施例2：AZ91合金大板坯组合外场连铸

铸锭尺寸：400mm(厚)×1000mm(宽)×2500mm(长)

合金成分：Al9.2wt％，Zn0.65wt％，Mn0.365wt％，Fe≤0.05wt％，其余为Mg

铸造温度：700℃

铸造速度：35mm/min

磁场条件：磁场频率：15Hz，磁场强度：30000AT

超声条件：连续超声，频率20KHz，超声输出功率：5KW

铸造实施

合金在2吨镁合金电阻熔炼炉中熔炼，纯镁熔化后添加Zn，然后添加Al，最后添加Mn剂，经溶剂精炼后，向炉内吹氩气精炼，在700℃保温、静置60分钟。后续工序与上述的AZ31铸锭铸造方法相同。

合金铸锭的宏观组织见图9，可见AZ91合金的组织要比AZ31合金细得多，边部依然是细晶组织，但是靠近细晶层没有AZ31合金那样的粗晶层，越靠近铸锭中心，晶粒尺寸越小，铸锭中部(铸锭边部与铸锭中心之间1/2处)的晶粒尺寸最大，见图10。图11是组合外场铸造的铸锭的主合金元素分布图，可见合金元素分布均匀，铝在边部有微量反偏析的迹象，但是合金元素的偏析率都小于5％。

本发明通过将低频电磁场与超声场组合施加，充分利用电磁场在熔体边部作用强和超声场在熔体中部作用强的特点，开发了可以显著改善镁合金大尺寸板坯铸锭的高效、经济的新技术。

Claims (7)

1.一种利用组合外场作用的板坯连铸装置，该装置包括结晶器和引锭块，其特征在于该装置还包括结晶器水箱内的电磁线圈、保护气体喷管、2个超声波头、导流钢管、分流盘，其中2个超声波头对称布置于结晶器内宽度中心线的两侧，距离为铸锭宽度的40-70％，超声波头的直径为30-80mm，在分流盘的四个顶角部即分流盘对角线方向的顶端各设有1个分流孔，每个分流孔的截面积为1000-3000mm²，分流盘的底盘中心位置设有导流锥，且导流锥与导流钢管上下相对，各自的中轴线在同一条垂线上。

2.根据权利要求1所述的利用组合外场作用的板坯连铸装置，其特征在于装置中结晶器水箱内的电磁线圈的匝数为100-500匝。

3.根据权利要求1所述的利用组合外场作用的板坯连铸装置，其特征在于保护气体喷管的内径为6-15mm，在保护气体喷管的下部钻直径0.5-2mm的小孔，孔的中心线与水平面成20-35°夹角，孔间距为5-30mm。

4.根据权利要求1所述的利用组合外场作用的板坯连铸装置，其特征在于结晶器壳体采用低碳钢或不锈钢制造，结晶器内壁采用6061铝合金或TC4钛合金制作，超声杆用碳钢如45#钢制作，线圈由包覆绝缘膜的铜导线制作，分流盘和保护气体钢管用304不锈钢制作。

5.一种利用组合外场作用的板坯连铸方法，其特征是该方法采用了如权利要求1所述的装置，铸锭时按如下工艺过程进行操作：

(1)设备启动：开通结晶器的冷却水和润滑油，开通保护气体，开通低频电源向电磁线圈通入电流并且启动超声波；

(2)连续铸坯：将经净化、静置后的合金液经导流钢管和分流盘分流到结晶器中，当液面达到与分流盘的上沿平齐时，启动铸造机，同时将已经启动的超声波头插入合金液面下50-100mm，铸造中控制分流盘上分流锥与导流钢管的间距以便保证铸造过程中金属液面的稳定；

(3)铸造结束：铸坯达到预定高度时，停止供给合金液，在液面低于分流盘底面时，铸造机停车，提起超声波头，取出分流盘；

(4)提取铸锭：铸锭上表面凝固后，停止电源供电、冷却水供水和保护气体供气，吊出铸锭。

6.根据权利要求5所述的板坯连铸方法，其特征在于方法中采用的超声是连续超声，超声的频率为10-30KHz，超声的功率为3-5KW。

7.根据权利要求5所述的板坯连铸方法，其特征在于向电磁线圈通入电流的电流频率为20-35Hz，电流强度为100-500A。

Images