[发明专利]一种镁合金变频超声半连续铸造设备

说明书

技术领域

本发明属于轻合金加工领域，具体涉及一种镁合金变频超声半连续铸造设备。

技术背景

镁合金具有密度轻，比强度、比刚度高，电磁屏蔽性好，阻尼性能好等优点，使其广泛应用在交通运输、航空航天、国防科技和3C电子等多个领域。半连续铸造因其生产率高，铸造成本低，操作简单而成为生产镁合金锭坯的主要手段。然而，由于镁合金低热熔、低融化热、低导热能力等特点，使其凝固散热困难，凝固边界与熔体中心温度差异大，从而造成凝固组织组织晶粒粗大，枝晶发达，组织不均，溶质元素宏观偏析严重等缺点。同时，由于镁合金易燃，大凝固收缩比及高的氢溶解度等特点，易导致铸锭铸造应力大，组织疏松严重。因此，研制能够生产细晶、均匀、纯净的镁合金锭坯的设备是镁合金加工领域追求的目标。

施加外场能够显著改变镁合金的凝固行为，如：在凝固时施加电场、磁场、超声波等，都能对半连铸过程中合金的温度场、流场、浓度场以及长大形核等凝固行为产生影响。目前，超声场和电磁场是镁合金铸造过程中应用最广的两种外场。美国的Vladimir Ivanovich等人发明了轻合金的超声波连续铸造方法，并通过实验验证其细化效果。东北大学开发了轻合金电磁半连续铸造的技术，并验证了其细化晶粒均匀组织的效果。然而，这两种技术都有其明显缺点。电磁场作用于镁合金熔体存在趋肤效应，即越远离线圈，电磁场强度越弱。这使得大直径锭坯生产中，熔体中心受到洛伦兹力的作用很小。超声场作用于镁合金熔体时会产生空化效应和声流效应，这两种声致非线性效应会促进异质形核，搅动熔体，产生晶粒细化、除气、均匀组织的效果。

现有超声半连铸技术存在衰减严重和频率漂移两个问题，由于超声场在镁合金熔体中衰减严重，导致超声场作用范围有限，使得远离超声工具头的熔体受到超声场作用小而不利于大直径锭坯的生产。同时，由于半连铸生产中熔体物性参数并不是恒定不变，导致熔体的谐振频率会发生改变，现有固定频率超声场难以克服这种由于谐振频率改变而使得声致非线性效应减弱的现象。不能充分发挥超声场所带来的细化晶粒，均匀组织等效果。

南京声学研究所冯诺等人的研究指出多种频率的超声波共同作用会产生更高密度的空化泡，显著增强空化效应，且这些高密度的空化泡相互影响还会增强声流效应。因此，若超声频率可变化且变化很快，可在同一时间在熔体内存在多种频率的超声波，这些超声波的相互叠加可显著增强声致非线性效应。

发明内容

本发明的目的在于提供一种变频超声场作用下的镁合金立式半连续铸造方法，针对现有镁合金外场半连续铸造所存在的各种问题，同时为了充分发挥超声场在镁合金熔体中的作用，增强空化、声流效应，显著改善镁合金锭坯组织结构与成分分布，改善铸锭性能。

本发明目的通过以下技术方案来实现：

一种镁合金变频超声半连续铸造设备，该设备由变频超声系统和半连续铸造系统组成，所述的变频超声系统包括变频超声电源、变频超声换能器、超声波导杆、超声辐射杆、超声冷却装置和精确定位装置，变频超声换能器为压电超声换能器或磁致伸缩超声换能器；对于压电超声换能器，超声冷却装置为气体冷却装置；对于磁致伸缩超声换能器，超声冷却装置为循环水冷却装置；变频超声换能器、超声波导杆、超声辐射杆按自上而下依次设置，变频超声换能器、超声波导杆、超声辐射杆固定在精确定位装置上，通过精确定位装置实现三维精确定位和移动，超声辐射杆插入镁合金熔体内部，超声冷却装置位于精确定位装置上；所述的半连铸系统包括熔炼炉、中间包、结晶器，结晶器固定于铸造平台之上，浇铸前将引锭装置伸入结晶器内部，熔炼炉与中间包之间通过导液管连通，熔体经结晶器后，在引锭装置顶部形成镁合金锭坯；在半连续铸造过程中，变频超声系统产生频率实时极速变化的变频超声场，在结晶器内熔体凝固过程中，实现全体镁合金熔体均处于连续变频率超声场处理之下。

所述的镁合金变频超声半连续铸造设备，变频超声换能器和超声波导杆通过螺纹紧密连接，超声波导杆和超声辐射杆通过螺纹紧密连接。

所述的镁合金变频超声半连续铸造设备，中间包设有中间包浇嘴通道、流量控制头、中间包外壁、中间包保温层、气环，中间包的顶部设置气环，中间包的气环一端与保护气体气罐相连，气环内圆一侧设有气孔，保护气通过气环通入中间包中；中间包的侧面和底面均为由外到内的三层结构：中间包外壁、中间包保温层和中间包内壁，中间包的侧面设置中间包浇嘴通道，中间包浇嘴通道与中间包内腔之间开设出口并由流量控制头控制出口大小。