一种静磁场作用下的气膜快速连铸装置及方法

摘要

一种静磁场作用下的气膜快速连铸装置，包括结晶器、热顶、感应线圈、双层冷却水通道、油气环和石墨环；特征在于：热顶外面环绕有感应线圈，在热顶出口处与石墨环之间设置油气环，油气环上开有进油孔和进气孔，进油孔和进气孔可以通过结晶器上的油通道和气通道从结晶器外向结晶器里通入油和气体；气膜快速连铸时，向油气环中通入润滑油和气体；通过感应线圈施加磁场，将合金在浇注温度开始浇注。本发明可以显著提高铸锭的表面质量和内部冶金质量，提高拉坯速度，提高生产率。

说明书

技术领域

本发明属于冶金技术领域，特别涉及一种静磁场作用下的气膜快速连铸装置及方法。

背景技术

气膜连铸技术是通过结晶器内壁与铸坯凝壳之间形成一层气膜，使结晶器内壁与铸锭处于软接触状态，不但减小了铸坯与结晶器之间的摩擦，提高了表面质量。现有技术中，有两种方式可以在结晶器与铸坯之间形成气膜，一种是美国的AIRSLIP连铸技术，另一种是德国的AIRSOL VEIL连铸技术，两种技术的不同之处在于前者通过一种高质量的多孔石墨环将油气注入结晶器内壁，而后者则是通过热顶与石墨环之间的缝隙将油气注入。国外的两种技术都已经应用到了实际生产之中，并有成套设备在世界各国推广使用。但是连铸设备中的结晶器作为核心设备，其结构一直属于机密技术，现有文献《The airslip casting mold-anestablished technology》(J.P.Faunce，Light metals 1985)及《Improved technology of the AIRSOLVEIL billet casting system》(W.Schneider，Light Metals 1994)中只能看到其结构简图。

国内专利CN1621179《铝合金气膜连铸结晶器》，文献《软接触气膜连铸的实验研究》(罗鸿博等，上海大学学报，2002年，8卷第5期)均对气膜连铸技术有详尽介绍，但是国内气膜铸造技术要么还在实验阶段，要么采用多孔石墨环，多孔石墨环价格昂贵，加工困难，且容易在连铸过程中因润滑油的碳化而将孔堵塞，影响铸坯质量。

现有技术由于受到气膜稳定性的影响，两种技术的拉坯速度较传统热顶铸造没有明显提高，快速高效的连铸技术一直是冶金工作者的追求。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术上的不足，提供一种静磁场作用下的气膜快速连铸装置及方法。

本发明的气膜快速连铸装置包括结晶器、热顶、感应线圈、双层冷却水通道、油气环和石墨环。其中热顶外面环绕有感应线圈，在热顶出口处与石墨环之间设置油气环，油气环上开有进油孔和进气孔，进油孔和进气孔可以通过结晶器上的油通道和气通道从结晶器外向结晶器里通入油和气体；油气环和石墨环的外面连接结晶器，结晶器在与石墨环连接处的下部设有双层冷却水通道，上层冷却水通道与结晶器壁之间夹角为45°～60°，下层冷却水通道与结晶器壁之间的夹角为25°～35°。

本发明的油气环上的进油孔和进气孔是在油气环的两个端面均匀分布的切口，其中上方的切口为进气孔，下方的切口为进油孔，每个进油孔在上方的两个进气孔之间。本发明采用的油气环材质为奥氏体不锈钢。

本发明的方法为：

在熔化炉中熔炼所选合金，温度为比浇注温度过热50℃～80℃，进行常规净化处理，静置保温。在连铸时，采用本发明的气膜快速连铸装置，向油气环中通入润滑油和气体，润滑油压力为0.5～4Mpa，气体压力为1～9Kpa；并在冷却水通道通入冷却水，冷却水压力在0.2Mpa以上，通过感应线圈施加磁场，磁感应强度为0.01～0.2T；将引锭头升至石墨环出口处，将合金冷却至浇注温度开始浇注，在浇注过程中严格控制液体流量和液位高度，以免影响油气膜的稳定性；在初始阶段，熔体受到的冷却较弱，凝壳较薄，为了避免拉漏事故的发生，连铸速度要慢，逐步提高拉坯速度，同时调节油气流量，直至到达所要求的速度，进入稳定连铸阶段。

本发明在热顶出口处与石墨环之间设置油气环，利用线切割技术在油气环端面切有0.1～0.2mm的切口，润滑油和气体通过油气环注入结晶器，铸造过程中在铸坯与结晶器之间形成一层气膜，气膜对熔体有约束作用，避免铸坯与结晶器内壁之间接触。油气环是保证气膜连续性和稳定性的关键所在，油气环上面通气，下面通油，油、气均有自己独立通道，在结晶器内汇合形成油气膜。较窄的缝隙保证了油气膜的均匀性和稳定性，且具有加工方便，不易堵塞等特点。结晶器内安装有石墨环，石墨环与结晶器过盈配合，润滑油与气体通过在石墨环与热顶之间的油气环进入结晶器内腔，使铸造过程中石墨环与铸坯之间形成气膜，减少铸坯与结晶器内壁之间的摩擦，提高铸坯的表面质量。

本发明采用双流冷却，而且冷却水的喷水角度不同，上层冷却水与铸坯之间夹角为45°～60°，下层水与铸坯之间的夹角是25°～35°，由于气膜铸造与常规的DC铸造不同，熔体基本不与结晶器壁接触，所以来自于结晶器壁的第一次冷却很弱，初凝壳形成位置点降低。为了缩短了结晶器的有效冷却长度(喷水点至热顶端口的距离)，加大了第一层冷却水的角度；同时，双层冷却水的使用，强化了铸坯的二次冷却(即冷却水冷却)，使初凝壳厚度增加，这不但可以保证铸锭表面的稳定，提高铸锭表面质量，同时也可以提高铸锭的冷却速度，液穴平直，提高铸锭内部冶金质量，更重要的是在提高铸坯的表面质量和内部质量的同时，可以提高铸造速度，提高生产率。

本发明结晶器上施加静磁场，当液态金属在结晶器内流动时，如果流动的金属熔体切割了磁力线，则在液态金属中产生感生电流，感生电流与恒稳磁场的交互作用又在液态金属中产生与流动方向相反的洛仑兹力，从而使液态金属的流动受到控制，液体金属的流动速度越高，其横向(垂直于结晶器中心线)的分量越大，则洛伦兹力越强，流动的阻力越大，所以可以显著地抑制浇入的液态金属对液态金属和铸锭表面的冲击，确保结晶器内的液态金属周向的压力稳定和初凝壳的稳定。由于气膜铸造时第一次冷却较弱，初凝壳形成很晚，所以避免液态金属对结晶器壁附近的熔体的冲击和初凝壳的冲击，即可以保证获得高表面质量的铸锭，又可以提高铸造速度。

本发明的气膜快速连铸装置及方法，可以保证铸锭圆周上的气膜均匀、稳定；设置双流冷却，提高第二次冷却强度，同时施加静磁场、抑制熔体的横向冲刷、保证熔体周向压力的稳定，该技术可以显著提高铸锭的表面质量和内部冶金质量，提高拉坯速度，提高生产率。

附图说明

图1为本发明的静磁场作用下的气膜快速连铸装置应用示意图。图中，1、热顶，2、感应线圈，3、进气孔，4、进油孔，5、双层冷却水通道，6、油气环，7、石墨环，8、结晶器，9、熔体，10、铸坯，11、引锭头。

图2为本发明的油气环切口结构示意图。

图3为传统热顶铸造和本发明的气膜快速连铸制备的铸锭表面质量对比图，其中a、传统热顶铸造制备的铸锭表面质量，b、本发明的气膜快速连铸方法制备的铸锭表面质量。

图4为传统热顶铸造和本发明的气膜快速连铸制备的铸锭表面偏析层厚度对比图，其中a、传统热顶铸造制备的铸锭表面偏析层厚度，b、本发明的气膜快速连铸方法制备的铸锭表面偏析层厚度。

具体实施方式

实施例1

气膜快速连铸装置如图1所示，热顶外面环绕有感应线圈，在热顶出口处与石墨环之间设置油气环，其材质为奥氏体不锈钢，油气环上开有进油孔和进气孔，进油孔和进气孔可以通过结晶器上的油通道和气通道从结晶器外向结晶器里通入油和气体；油气环和石墨环的外面连接结晶器，结晶器在与石墨环连接处的下部设有双层冷却水通道，上层冷却水通道与结晶器壁之间夹角为60°，下层冷却水通道与结晶器壁之间的夹角为30°。

本发明的油气环如图2所示，进油孔和进气孔是在油气环的两个端面均匀分布的切口，其中上方的切口为进气孔，下方的切口为进油孔，每个进油空在上方的两个进气孔之间；其具体尺寸为，油气环厚度为4mm，切口宽度为0.1mm，每个油气空和进气孔间距为5mm，油气空和进气孔的深度为2mm。

采用如图1所示气膜快速连铸装置，在静磁场作用下气膜快速连铸6063铝合金φ174mm铸坯。

将合金在感应炉熔炼，780℃时转入中间包进行除气、扒渣，静置保温。将合金温度降至浇注温度(720℃)，同时将引锭头升至石墨环处，打开润滑油、氩气以及冷却水的阀门，向油气环中通入润滑油和气体，润滑油压力为2Mpa，气体压力为4Kpa；并在冷却水通道通入冷却水，冷却水压力在0.2Mpa，并通过感应线圈施加磁场，结晶器中心磁感应强度大小为0.04T；将引锭头升至石墨环出口处，将液体合金引入结晶器。当液位升至距热顶上端40mm时开始起车，起车速度为90mm/min，然后逐步提高速度，平稳过渡到所要求的速度，进入稳定阶段，连铸速度为170mm/min。

本发明制备的6063铝合金铸锭内部组织致密，表面光洁，皮下偏析层较薄，可以达到直接挤压的要求，其铸锭表面质量和铸锭表面偏析层厚度与传统热顶铸造的铸锭对比如图3和图4所示。

本发明与目前的气膜连铸技术相比，油气环能够保证润滑油和气体的均有性和稳定性；施加静磁场能够有效阻止高温熔体对凝壳的冲刷，杜绝了偏析瘤的产生，铸坯表面光亮；双流冷却提高了结晶器的有效冷却强度，减小了液穴深度，为提高拉坯速度创造了条件，本发明的连铸速度较传统气膜连铸速度提高50～60％，能够有效提高生产效率。