[实用新型]一种大规格细晶均质铝合金铸锭的制备装置

说明书

技术领域

本实用新型属于金属材料加工领域，特别涉及一种大规格细晶均质铝合金铸锭 的制备装置。

背景技术

大规格铝合金铸锭在航空航天、轨道交通、船舶等大型装备领域的作用举足轻 重。但是采用传统半连续铸造方法制备的大规格铝合金铸锭不可避免地存在组织粗 大不均匀、成分偏析严重、易开裂等缺陷问题，导致产品质量差且成品率低，不能 满足高端制造业对优质的大规格高强铝合金材料的需求。

电磁场具有非接触、能量密度高、清洁和可精确设计与控制等特点，在金属材 料制备成形领域发挥着越来越大的作用。美国专利US4229210、US4434837公开了 几种制备金属半固态浆料或连铸坯料的电磁搅拌方法，其原理是利用强烈的电磁感 应力抑制初生枝晶的析出，制备球状或粒状初晶半固态金属浆料以及半固态的连铸 坯料。但是由于交变电磁场的集肤效应，随着铸锭尺寸增加，搅拌作用在铸锭边部 和心部差别较大，铸锭组织成分均匀性难以控制，通常制备的半固态坯料尺寸不能 超过6英寸。

为了改善传统电磁搅拌法的不均匀性，中国专利CN101745629A公开了一种环 缝式电磁搅拌制备半固态合金浆料的方法，其主要原理是：在熔体处理室的中心设 置圆形激冷棒，激冷棒的外壁和熔体处理室的内壁之间形成一个圆形环形窄缝。对 狭窄环形缝隙内的合金熔体实施电磁搅拌处理，有效避免电磁感应趋肤效应导致的 搅拌力的不均匀性，熔体温度场更加均匀，组织成分均匀性较传统电磁搅拌方法有 明显改善。但是随着铸锭尺寸的增加，心部与边部温差增大，由于铸造过程中熔体 由外到内这一单一的冷却模式，该方法也无法有效控制熔体内温度场和成分场的均 匀性，因此铸锭尺寸超过12英寸时组织成分均匀性变差。

实用新型内容

本实用新型所针对的是大规格铝合金铸锭，制备该类型铸锭有很大的难点，特 别是对于高合金化7xxx系列铝合金，难度更大。其一，铸造过程中容易产生宏微 观偏析，导致成分组织性能的偏差，铸锭热裂趋向较大，高合金化合金铸锭这些现 象尤为突出；其二，制备大规格铸锭，凝固过程中径向温差较大，冷却不均匀性更 明显，导致组织粗大不均匀，成分偏析严重。为了从根本上解决大规格铸锭存在的 组织粗大不均匀、成分偏析、易开裂等缺陷问题，本实用新型提出了一种大规格细 晶均质铝合金铸锭的制备方法及其装置。

本实用新型的主要技术思想是：对半连续铸造过程中的合金熔体施加均匀冷却 和电磁搅拌耦合处理，增加铸锭凝固过程中的冷却维度，强化凝固过程熔体的立体 化对流，保证大体积合金熔体温度场和成分场的均匀性，实现大体积熔体的强制均 匀凝固，从而制备出大规格细晶均质铝合金铸锭。

为实现以上实用新型的目的，采用以下技术方案：

一种大规格细晶均质铝合金铸锭的制备装置，该装置主要由均匀冷却器、热顶、 电磁搅拌器、结晶器、引锭组成；所述的热顶设置于结晶器的上方，所述的电磁搅 拌器设置在热顶和结晶器外围，所述的引锭位于结晶器下方，所述的均匀冷却器设 置于结晶器内，所述的均匀冷却器由内管和外管组成。

均匀冷却器的外管的上部为绝热端，下部为冷却端；内管包括螺旋内管及分别 设置在螺旋内管入口和出口的入口端和出口端，螺旋内管以螺旋方式设置在外管的 冷却端内。

均匀冷却器外管的冷却端为半球形，半球外径为100～800mm，采用耐高温导 热材料制成，如石墨、铜、钼、钛及其复合材料；绝热端为圆筒形且与下部冷却端 平滑过度，外径不大于冷却端半球外径，外径尺寸为100～800mm，厚度为3～20mm， 厚度与冷却端相同，采用耐高温绝热陶瓷材料制成。

冷却端的最大半径处设有叶片结构，叶片数为0～8，优选为3～5个，叶片宽 度为10～100mm，叶片厚度为2～8mm，叶片转动时具有向下带动熔体流动的效果， 向下带动熔体向冷却端底部汇集，叶片采用耐高温材料制成，如铜、钼、钛、陶瓷 及其复合材料。

内管由导热性良好的材料制成，如铜、钢、钛及其合金与复合材料；内管内径 为2～30mm，厚度0.5～5mm，螺旋内管的螺旋数位3～50，螺旋间距为0～10mm， 优选为3～5mm。

螺旋内管的入口设置在外管冷却端的底部中心，螺旋内管的出口设在外管绝缘 端的底部，冷却介质经入口端从螺旋内管入口进入到达外管冷却端中心，通过底部 内管螺旋上升到外管绝热端处，然后从内管出口经出口端出来。