镁合金圆锭水平连铸装置设计与工艺研究

摘要

镁合金是当今实际应用中最轻的金属结构材料之一，被誉为“21世纪绿色工程材料”。大尺寸的镁合金铸件由垂直连续铸造方法制备，工作环境差，在浇注前易造成熔体的二次氧化，降低熔体质量，铸锭表面质量差，加工余量大，经济成本高，不符合环保标准。水平连铸中保温炉与结晶器密封相接，并采用底部浇注的方式，很好地防止了二次氧化和夹杂，降低了合金中易产生的氧化物夹杂和其他掺杂的含量，铸锭的内部气孔和疏松现象较少；同时结晶速度快，组织结构较好，具有高的致密性；另外结晶器导热集中于前端，二冷区冷却均匀且速度快，铸坯表面质量好。因此，开发研究大尺寸镁合金圆坯水平连铸技术具有重要的现实意义。电磁搅拌技术作为一种具备无接触性、可控性好、无污染性等特点的加工技术，属于晶粒细化方法中的重要改性手段，可改善熔体内部溶质场、温度场的均匀化程度，以保证内部组织的均匀性。 本文选用AZ31镁合金作为研究材料，开发了一种Ф160mm直径镁合金圆锭的水平连续铸造设备和制备工艺。得到以下结论： （1）制备大直径镁合金圆坯的水平连铸系统主要包括设计改造的熔炼炉、结晶器、电磁搅拌系统、冷却水系统、拉坯系统、润滑保护系统、气氛保护系统等。本实验中所自主设计改造的镁合金熔炼炉经过一些列改良优化后，熔炼、控液系统可适用于进行水平连铸生产，浇口处对温度的要求较高，需尽可能保证连铸中浇口端熔融镁合金态，炉衬的设置可以显著改善该问题。结晶器的设计要与冷却水系统适配，同时也要根据熔液性质进行材质的选择与长度的设计，本文中所进行的一冷装置与二冷装置的设计与改良符合连铸工艺的需求，二冷装置的方案Ⅰ与方案Ⅱ均可作为连铸系统的选用方案； （2）镁合金在浇注温度为720℃，引锭杆预热时间为20min，拉坯速度为50mm/min，拉坯方式选择拉-停结合的方式，一冷水水流量为50L/min，二冷水水流量为20L/min的连铸工艺条件下，保证熔体质量较好，可以制备表面质量较好，截面无缩孔疏松等缺陷的铸锭。 （3）普通水平连铸中存在严重的溶质元素(Al、Zn）的比重偏析现象，Al、Zn元素在圆截面中相对中心位置的局部偏析度均在铸锭顶端取得最小值，分别为-2.2%和-3.6%，均在铸锭底端取得最大值，分别为40.7%和59.0%；铸锭内部晶粒整体较细小但分布不均匀，铸锭底端的平均晶粒尺寸最小，为112μm，铸锭底端与中心处的中间部位为相对粗大的柱状晶，平均晶粒尺寸可达到254μm；以上均需通过电磁搅拌加以改善。

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