一种剪切、磁场复合作用下的轻合金半连铸装置及方法

摘要

一种剪切、磁场复合作用下的轻合金半连铸装置及方法，属于轻合金半连续铸造技术领域。本发明与现有技术相比，在常规半连铸的基础上组合利用磁场和熔体剪切，其熔体剪切单元具有强剪切、弱对流的特点，弥补了电磁场的弱剪切、强对流的不足，半连铸时在熔体中能够同时产生强剪切、强对流；本发明能够完全满足温度场的均匀性要求，能够促进枝晶的破碎，并将熔体中的膜状氧化物分散破碎为单独分布的细小颗粒，能够有效细化合金组织，不但增加了有效形核质点，还减弱了熔体中膜状氧化物等缺陷对铸锭性能的危害，提高了铸锭抵抗裂纹的能力，提高了铸锭的成材率。

说明书

技术领域

本发明属于轻合金半连续铸造技术领域，特别是涉及一种剪切、磁场复合作用下的轻合 金半连铸装置及方法。

背景技术

高强度铝合金、镁合金作为最典型的两种轻合金，其生产过程中的铸锭制备环节主要是 通过半连铸来实现的。在铸造高强度轻合金铸锭时，特别是大尺寸高强度轻合金铸锭时，由 于其具有较高的模量和强度及较低塑性的特点，因此极易出现热裂、冷裂等铸造缺陷，一旦 热裂或冷裂发生，则铸锭材料就会报废，降低铸锭的成材率。

在理论上可以从两个方面避免上述铸造缺陷的发生，一是使温度场更均匀从而减小内应 力，二是通过细化合金铸态组织来细化缺陷并提高铸锭抵抗裂纹的能力。另外，近年来研究 表明，铝合金、镁合金中颗粒状的氧化物和α相具有匹配的位向关系，可以作为轻合金的有 效形核质点，能够细化合金组织，而合金中膜状的氧化物则没有这样的作用，将膜状的氧化 物分散破碎为单独分布的细小颗粒可以增加形核质点，促进组织细化。

在常规的半连铸过程中，技术人员通过调整铸造速度、铸造温度和冷却水量可以在一定 程度上抑制铸造缺陷的产生，但作用效果有限。在常规的半连铸基础上增加电磁场的使用， 利用电磁场在熔体中引起强对流来促进温度场的均匀，并减小内应力，在一定程度上可以细 化合金组织，但是制备大尺寸铸锭时，由于电磁场在金属中的集肤效应，作用在铸锭中心处 的磁场强度会比较弱，因此导致铸锭中心处的组织细化减弱，对温度场的均匀性调控能力会 显著降低，且电磁场引起的剪切作用较弱，也不能将膜状的氧化物分散破碎为单独分布的细 小颗粒，铸锭的制备尺寸越大，铸锭抵抗裂纹的能力越差。

发明内容

针对现有技术存在的问题，本发明提供一种剪切、磁场复合作用下的轻合金半连铸装置 及方法，在常规的半连铸基础上增加了熔体剪切单元，并组合利用磁场和熔体剪切，熔体剪 切单元具有强剪切、弱对流的特点，弥补了电磁场的弱剪切、强对流的不足，半连铸时在熔 体中能够同时产生强剪切、强对流，完全满足了温度场的均匀性要求，能够有效细化合金组 织，提高了铸锭抵抗裂纹的能力，提高了铸锭的成材率。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：一种剪切、磁场复合作用下的轻合金半 连铸装置，包括铸造单元，所述铸造单元包括热顶、结晶器、引锭及感应线圈，所述热顶位 于结晶器上方，感应线圈设置在结晶器外围，在结晶器内壁设置有石墨环，引锭位于结晶器 下方且与结晶器相对应；其特点是：在所述铸造单元上方设置有熔体剪切单元，所述熔体剪 切单元包括驱动电机、定子套筒、连接轴及剪切叶片，驱动电机的电机轴与连接轴的一端相 连，剪切叶片设置在连接轴的另一端，定子套筒套装在连接轴外侧并固接在驱动电机外壳上； 所述剪切叶片与定子套筒内壁之间留有间隙，在剪切叶片对应的定子套筒筒壁上设置有若干 通孔。

所述剪切叶片的数量大于等于一个，剪切叶片为直板叶片或曲面叶片，剪切叶片与竖直 方向相平行或成夹角设置。

所述剪切叶片与定子套筒内壁之间的间隙范围为50微米～10毫米。

所述通孔为方形孔、圆形孔或长槽形孔，通孔的截面积为1～100平方毫米。

所述通孔的开孔方向与定子套筒的半径方向相同或成夹角，夹角范围为0～60°。

采用所述的剪切、磁场复合作用下的轻合金半连铸装置的半连铸方法，具体包括如下步 骤：

步骤一：进行半连铸前，首先抬升引锭，直到引锭升高到结晶器内石墨环下沿位置，使 热顶、结晶器及引锭形成上端开口且下端封闭的熔体存放空间；

步骤二：对熔体剪切单元进行预热处理，将其剪切叶片一端置于预热坩埚中，预热温度 为300～700℃；

步骤三：向感应线圈中通入交流电，其频率为5～100赫兹，电流为0～400安；

步骤四：向结晶器内通入冷却水；

步骤五：当感应线圈中的电流达到稳定状态后，向铸造单元内导入轻合金熔体，待部分 熔体在引锭上凝固后，启动引锭进行牵引；

步骤六：在进行引锭牵引的同时，将预热后的熔体剪切单元的剪切叶片一端置于熔体中， 其没入熔体液面以下的距离为30～150毫米；

步骤七：启动熔体剪切单元的驱动电机，通过连接轴带动剪切叶片高速旋转，在剪切叶 片高速旋转作用下，熔体会被吸入定子套筒内并通过其上的通孔快速喷出，在此过程中，剪 切叶片与定子套筒内壁之间的间隙处及定子套筒上的通孔处会产生强剪切作用；

步骤八：当铸锭达到预定长度时，停止导入轻合金熔体，同时关闭熔体剪切单元的驱动 电机；

步骤九：将熔体剪切单元的剪切叶片一端抬离熔体，再将该端置于预热坩埚中以备下一 个铸次使用，然后断开感应线圈中的交流电；

步骤十：停止引锭的牵引，然后切断供向结晶器内的冷却水，最后取出铸锭，准备下一 个铸次。

本发明的有益效果：

本发明与现有技术相比，在常规半连铸的基础上组合利用磁场和熔体剪切，其熔体剪切 单元具有强剪切、弱对流的特点，弥补了电磁场的弱剪切、强对流的不足，半连铸时在熔体 中能够同时产生强剪切、强对流；本发明完全满足温度场的均匀性要求，能够促进枝晶的破 碎，并将熔体中的膜状氧化物分散破碎为单独分布的细小颗粒，能够有效细化合金组织，不 但增加了有效形核质点，还减弱了熔体中膜状氧化物等缺陷对铸锭性能的危害，提高了铸锭 抵抗裂纹的能力，提高了铸锭的成材率。

附图说明

图1为本发明的一种剪切、磁场复合作用下的轻合金半连铸装置结构原理图；

图2为一种7xxx系铝合金采用常规半连铸方法获得的微观组织图；

图3为一种7xxx系铝合金采用本发明的半连铸方法获得的微观组织图；

图中，1—驱动电机，2—定子套筒，3—连接轴，4—剪切叶片，5—热顶，6—结晶器，7 —石墨环，8—感应线圈，9—引锭，10—铸锭。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步的详细说明。

如图1所示，一种剪切、磁场复合作用下的轻合金半连铸装置，包括铸造单元，所述铸 造单元包括热顶5、结晶器6、引锭9及感应线圈8，所述热顶5位于结晶器6上方，感应线 圈8设置在结晶器6外围，在结晶器6内壁设置有石墨环7，引锭9位于结晶器6下方且与 结晶器6相对应；在所述铸造单元上方设置有熔体剪切单元，所述熔体剪切单元包括驱动电 机1、定子套筒2、连接轴3及剪切叶片4，驱动电机1的电机轴与连接轴3的一端相连，剪 切叶片4设置在连接轴3的另一端，定子套筒2套装在连接轴3外侧并固接在驱动电机1外 壳上；所述剪切叶片4与定子套筒2内壁之间留有间隙，在剪切叶片4对应的定子套筒2筒 壁上设置有若干通孔。

所述剪切叶片4的数量大于等于一个，剪切叶片4为直板叶片或曲面叶片，剪切叶片4 与竖直方向平行设置或成夹角设置。

所述剪切叶片4与定子套筒2内壁之间的间隙范围为50微米～10毫米。

所述通孔为方形孔、圆形孔或长槽形孔等，通孔的截面积为1～100平方毫米。

所述通孔的开孔方向与定子套筒2的半径方向相同或者成夹角，夹角范围为0～60°， 通过对开孔方向的设定，可以控制熔体的宏观流动形式，减少熔体的液面波动。

本实施例中，制备的为7xxx系铝合金铸锭，其总合金元素含量在14％以上，其中锌含量 在9.5％以上；其中铸造单元的结晶器6为水冷结晶器，其内的石墨环7内径为204毫米，高 为25毫米，其外侧的感应线圈8由外径8毫米且壁厚为1毫米的外层绝缘的铜管缠绕而成， 共80匝；驱动电机1的转速范围为0～10000转/分钟，剪切叶片4由四片矩形叶片组成，形 成十字花型，剪切叶片4与定子套筒2内壁之间的间隙为200微米；通孔为圆形孔，通孔的 截面积为6.25平方毫米。

采用所述的剪切、磁场复合作用下的轻合金半连铸装置的半连铸方法，具体包括如下步 骤：

步骤一：进行半连铸前，首先抬升引锭9，直到引锭9升高到结晶器6内石墨环7下沿 位置，使热顶5、结晶器6及引锭9形成上端开口且下端封闭的熔体存放空间；

步骤二：对熔体剪切单元进行预热处理，将其剪切叶片4一端置于预热坩埚中，预热温 度为600℃；

步骤三：向感应线圈8中通入交流电，其频率为25赫兹，电流为120安；

步骤四：向结晶器6内通入冷却水；

步骤五：当感应线圈8中的电流达到稳定状态后，向铸造单元内导入轻合金熔体，待部 分熔体在引锭9上凝固后，启动引锭9进行牵引；

步骤六：在进行引锭9牵引的同时，将预热后的熔体剪切单元的剪切叶片4一端置于熔 体中，其没入熔体液面以下的距离为60毫米；

步骤七：启动熔体剪切单元的驱动电机1，通过连接轴3带动剪切叶片4高速旋转，转 速为5000转/分钟，在剪切叶片4高速旋转作用下，熔体会被吸入定子套筒2内并通过其上 的通孔快速喷出，在此过程中，剪切叶片4与定子套筒2内壁之间的间隙处及定子套筒2上 的通孔处会产生强剪切作用；

步骤八：当铸锭10达到预定长度时，停止导入轻合金熔体，同时关闭熔体剪切单元的驱 动电机1；

步骤九：将熔体剪切单元的剪切叶片4一端抬离熔体，再将该端置于预热坩埚中以备下 一个铸次使用，然后断开感应线圈8中的交流电；

步骤十：停止引锭9的牵引，然后切断供向结晶器6内的冷却水，最后取出铸锭10，准 备下一个铸次。

本发明装置中的熔体剪切单元不但具有分散、破碎、减径、混合的功能，还在其产生强 对流的同时避免熔体液面发生剧烈波动，弥补了常规半连铸的不足之处，促进了枝晶的破碎， 并将熔体中的膜状氧化物破碎分散为单独分布的细小颗粒，不但增加了有效形核质点，还减 弱了熔体中膜状氧化物等缺陷对铸锭性能的危害。

本实施例中的铝合金铸锭，如果采用常规的半连铸方法获得，其组织为粗大的枝晶组织， 如图2所示，具有该枝晶组织的铝合金铸锭会极易出现铸造裂纹。

采用本发明的半连铸方法获得的铝合金铸锭，其组织如图3所示，相比于图2中的枝晶 组织，其转变为均匀、细小的等轴晶组织，提高了铸锭抵抗裂纹的能力。

实施例中的方案并非用以限制本发明的专利保护范围，凡未脱离本发明所为的等效实施 或变更，均包含于本案的专利范围中。