[发明专利]制备大尺寸合金连续铸锭的装置和方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种制备大尺寸合金连续铸锭的装置和方法，属于金属连铸成形技术领域。

背景技术

大尺寸合金铸锭在军事、航空航天、交通运输等大型装备领域的作用举足轻重。但是传统连续铸造或半连续铸造是一个复杂的熔体凝固过程,各种铸造缺陷容易在凝固过程中形成，尤其是一些高元素含量合金，更易产生枝晶偏析，并且在铸坯中产生强的内应力和裂纹倾向，对后期铝合金塑性变形也会造成不良影响。随着人类对材料性能、能源的消耗、产品的成本越来越关注,对连铸坯的质量也提出了更高的要求。因此,近年来,很多研究者采取了各种办法,以便制备低成本、低能耗、高性能、高效率的铸锭。

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，电磁搅拌技术对熔体进行处理,可以使得不均匀特性减小,可以适当改善连续铸造所导致的缺陷。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，通常制备铸锭尺寸会受到限制。

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，因此铸锭尺寸超过英寸时组织成分均匀性变差。

发明内容

本发明所针对的是大尺寸合金铸锭的连铸制备有很大的难点,特别是对于高合金化合金，例如高强铝合金。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，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，本发明在环缝式电磁搅拌等技术的稽查会给你进一步创新优化，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。

为实现上述目的，本发明的技术方案是：一种制备大尺寸合金连续铸锭的装置，包括熔炉、结晶器、保温套、引锭，熔炉下部通过浸入式水口插入结晶器中，所述结晶器上部设有保温套，底部设有引锭，所述结晶器上部插有冷却搅拌器，下部设有二次水冷装置，所述冷却搅拌器内部设有冷却管，其上部与旋转接头相连，其外侧与传动齿轮相连；所述搅拌冷却器、内部冷管通过旋转接头与进水管和出水管相连并形成封闭的水循环冷却通道，从而达到熔体-搅拌器壁-循环水直接接触的高效传热效果；所述结晶器外侧或内部设有电磁搅拌器，由冷却搅拌器与电磁搅拌器相互藕合,使整个熔炉中的熔体产生充分均匀的搅拌。

进一步，所述冷却搅拌器为直杆搅拌轴、具有桨叶的搅拌轴、具有沟槽的搅拌轴、具有枝杈的搅拌轴、具有凸台的搅拌轴中的一种；所述冷却搅拌器的材质为不锈钢、陶瓷、表面涂有耐火涂层的材料中的一种。

进一步，所述旋转接头为复合内管固定式接头或复合内管旋转式接头，冷却介质流经进水管和旋转接头，从内部冷管流入搅拌冷却器，并沿着内部冷管和搅拌冷却器之间的缝隙流回旋转接头，最终从出水管流出。

进一步，所述内部冷管结构为通管，或在偏底部边壁上开有孔洞的管，冷却介质由内部冷管上部流入，下部流出。

进一步，所述结晶器内部通冷却水进行冷却；所述电磁搅拌器为旋转电磁搅拌器或行波电磁搅拌器或符合电磁搅拌器，所述电磁搅拌器置于结晶器内部形成复合电磁搅拌结晶器。

进一步，所述结晶器的材质为铜质材料或石墨。

一种应用制备大尺寸合金连续铸锭的装置制备大尺寸合金连续铸锭的方法，首先将合金锭在熔炉中熔化、精炼、除气、排渣后，利用浸入式水口或流槽转移到结晶器中，由保温套对熔体保温，减轻结晶器带给熔体上部边壁位置的一次冷却，用具有熔体-搅拌器壁-循环水结构的冷却搅拌器对熔体进行强冷却，使熔体中间位置迅速降温，形核长大的晶粒不断的向下沉积，同时结晶器对边部熔体降温形成凝固壳，使熔体边部和心部都能够快速的冷却，减少熔体心部和边部的温差，减少后续热裂倾向；同时采用冷却搅拌器的机械搅拌和电磁搅拌器的电磁搅拌来实现熔体温度和成分的相对均匀，偏下部的熔体在结晶器的作用下边部熔体形成一次凝固壳，下部的二次水强化凝固壳，底部的引锭拉着铸锭缓慢下降，得到大规格细晶均质铝合金铸锭。