[发明专利]强剪切与电磁场协同制备大规格均质铸锭的装置及方法

说明书

一种强剪切与电磁场协同制备大规格均质铸锭的装置及方法，装置包括结晶器、感应线圈和熔体强剪切单元；熔体强剪切单元的上部为驱动电机，驱动电机下方为定子套筒，驱动电机与连接轴装配在一起，连接轴底端固定连接剪切叶片，连接轴和剪切叶片位于定子套筒内部。方法为：(1)熔炼获得铝合金熔体；(2)抬升引锭到结晶器内石墨环下沿；(3)结晶器冷却水套内通入冷却水；感应线圈通入交流电；铝合金熔体浇入结晶器；(4)将熔体强剪切单元插入熔池，启动驱动电机，通过剪切作用与电磁场形成复合作用，直至完成铸造。本发明的装置及方法保证了熔体温度场和成分场的均匀性，细化组织，减小中心偏析，提高铸造速度。

技术领域

本发明属于轻合金铸造技术领域，特别涉及一种强剪切与电磁场协同制备大规格均质铸锭的装置及方法。

背景技术

随着交通运输、航空航天等领域对铝合金大尺寸产品需求的与日俱增，半连续铸造铸锭尺寸不断增大。然而材料性能的稳定性和性能分布的均匀性严重制约了航空轻合金材料的发展。在半连续铸造大尺寸高强度铝合金铸锭时极易产生组织粗大不均匀、宏观偏析、热裂、冷裂等缺陷，严重制约了材料性能。

在常规半连续铸造过程中，铸锭在结晶器和二次冷却水的作用下由外向内凝固，液穴内存在较大的温度梯度，特别是在铸造大尺寸铸锭时，液穴深度非常大，造成温度场和成分场极不均匀，导致严重的宏观偏析现象和开裂倾向。此外，很大的液穴深度严重限制了铸造速度，使得冷却强度降低，造成组织的粗大和不均匀现象。

目前，国内外科研人员针对均匀温度场和成分场，改善铸锭的凝固条件，提高铸锭质量做了大量的研究工作。

在半连续铸造过程中施加电磁场一方面可以在熔体中产生强对流来促进温度场和成分场的均匀性，改善铸锭的凝固行为；另一方面对金属熔体产生约束作用，是熔体表明形成弯月面，与结晶器的接触线高度减小从而使得凝固初生坯壳的位置下降，改善了铸锭的表面质量。但由于电磁场的集肤效应特性，即使是低频电磁场，在金属熔体中的作用深度也受到限制。特别是在铸造大尺寸铸锭时，铸锭中心位置电磁场强度很弱，边部的电磁场强度很强，导致其对温度场和成分场的调控能力受到限制，对铸锭横截面组织的均匀性控制能力下降。

机械搅拌虽然可以非常好的的均匀温度场和成分场，但是机械搅拌产生的漩涡会引起夹杂、裹气等缺陷；定子套筒和剪切叶片组成的熔体强剪切装置不同于一般的机械搅拌装置，其熔体处理方式是将熔体从底部吸入，然后从定子套筒上的开孔上喷出，在熔体中形成强迫对流，同时使得即便在很高的转速条件也可以使得液面保持平稳，不产生漩涡；但熔体强剪切单元对周围熔体具有一定的冷却作用，尤其是在结晶器熔体液面位置，同时熔体对熔体强剪切单元具有一定的腐蚀作用，不利于铸锭冶金质量的提高。

专利CN104117645A提出了一种剪切、磁场复合作用下的轻合金半连铸装置及方法，利用电磁场和熔体剪切的互补性，充分均匀了结晶器内熔体的温度场和成分场，在一定程度上解决了现有技术制备大尺寸高强铝合金时组织粗大不均匀、偏析严重、易开裂等缺陷的技术难题。在该技术的基础上，对感应线圈的位置布置和熔体强剪切单元进行了改进。将感应线圈设置在结晶器冷却水箱内部；定子套筒设计为上部绝热端，下部开孔端，绝热端外镶有不与铝熔体反应的耐高温绝热材料。实现对DC铸造整个熔池的较强作用，进而提高大尺寸铝合金DC铸造速度，改善大尺寸铝合金DC铸锭的冶金质量，同时避免了熔体强剪切单元对熔体的冷却作用和熔体对熔体强剪切单元的腐蚀作用。

发明内容

针对大尺寸铝合金铸锭铸造过程易开裂，铸造速度低，严重限制了生产率；同时铸锭的宏观偏析严重，组织粗大且均匀性差，制约了材料性能的稳定性和性能分布的均匀性等问题。本发明提供一种强剪切与电磁场协同制备大规格均质铸锭的装置及方法，利用电磁场和熔体强剪切的互补性，充分均匀结晶器内熔体的温度场和成分场，解决现有技术制备大尺寸高强铝合金时组织粗大、偏析严重、易开裂等缺陷的技术难题。