[发明专利]一种施加组频超声进行镁合金半连续铸造的装置及方法

说明书

一种施加组频超声进行镁合金半连续铸造的装置及方法，包括中间包，中间包侧壁或底板上固定有第一超声发生装置，中间包内设有第二超声发生装置，两个超声发生装置的超声辐射杆前端面位于中间包内；方法为：(1)熔炼镁合金熔体；(2)中间包、移液管和两个超声辐射杆预热；(3)精炼后的镁合金熔体输送到中间包；开启两个超声发生器，通过两个超声辐射杆发射超声波，形成组频超声波施加到镁合金熔体；(4)开启结晶器；(5)组频超声波施加完成后，开启控流阀，镁合金熔体进入结晶器内进行半连续铸造。本发明的装置及方法实现熔体中声波的非线性叠加，解决频率飘移、声压衰减等问题所带来的局限性，使空化作用范围增强，空化强度提高。

技术领域

本发明属于轻合金冶炼领域，特别涉及一种施加组频超声进行镁合金半连续铸造的装置及方法。

背景技术

镁合金作为最轻的结构金属材料，广泛应用于3C、航空航天、及高铁动车领域，具有比强度高、比模量高、减震性能好等优点；但由于镁合金低热容、低凝固潜热引起的枝晶发达、偏析严重及铸锭强度低等缺陷，造成其加工成形性差，限制了镁合金应用范围的拓广，因此，高强细晶均质镁合金铸锭成为镁合金领域研究热点。

半连续铸造方法以其效率高、生产成本低成为镁合金铸锭生产的主要方式，但于镁合金导热速率低，使得铸锭中心与边部温差大、枝晶发达及组织不均匀。

早期的细晶技术有加Zr变质法、加碳变质法、添加中间合金变质法，但由于其对合金成分要求严格，因而应用变质细化剂的方法受到限制；近年来，施加电磁场改变凝固行为的技术已得到飞速发展，自20世纪60年代前苏联Getselev在DC半连续铸造的基础上施加励磁线圈以来，电磁铸造工艺不断发展；东北大学开发的低频电磁半连续铸造取得一定进展。但施加电磁场存在趋肤效应使得作用区域局限且搅拌强度低，难以改善大规格铸锭组织及性能。

超声场作为一种行程短、效率高及稳定性强的机械波，已应用于有色金属冶炼领域以提升铸锭质量；目前，大多数学者认为超声场产生的空化效应及声流效应能促进形核达到细化晶粒的目的；其中，上海大学(2004年)发明一种侧部功率超声导入方法改善金属凝固组织；清华大学(2008年)发明了一种顶部导入超声处理装置，可细化晶粒尺寸及均匀成分；目前绝大多数铸造设备以单频超声为主，但由于超声波在熔体中共振频率不稳定、衰减严重等缺陷，使得超声空化范围仅局限于辐射杆端面附近，仅适用于小规格铸锭生产；由于单一超声场的声波叠加效果有限，造成空化强度受限，因此组合频率超声场通过控制两列声波的频率、组频超声插入方式、超声波功率大小以增加熔体中声波耦合强度，从而在半连续铸造中得到高强、细晶、均质的镁合金铸锭。

发明内容

本发明目的在于提供一种施加组频超声进行镁合金半连续铸造的装置及方法，采用两个超声发生装置，通过引入组频超声场，改变超声辐射杆的插入方式，调整超声频率、功率，实现声波的耦合叠加，增强空化及声流作用，改善镁合金组织，提升铸锭质量。

本发明的施加组频超声进行镁合金半连续铸造的装置包括熔炼炉、中间包和结晶器，熔炼炉和中间包之间设有移液管，中间包和结晶器之间设有溜槽；结晶器顶部设有保护气环形管，保护气环形管的内部通过管道与保护气源连通，保护气环形管上设有出气孔，出气孔朝向结晶器轴线方向；其中中间包的侧壁或底板上固定有第一超声发生装置，并且中间包内设有第二超声发生装置，第一超声发生装置由第一超声辐射杆、第一超声波导杆和第一超声换能器组成，第二超声发生装置由第二超声辐射杆、第二超声波导杆和第二超声换能器组成，第一超声换能器和第二超声换能器分别连接第一超声发生器和第二超声发生器；第一超声辐射杆和第二超声辐射杆的前端面均位于中间包内部，第一超声辐射杆位于第二超声辐射杆的下方；当中间包的侧壁上固定有第一超声发生装置时，第一超声辐射杆与第二超声辐射杆的轴线垂直；当中间包的底板上固定有第一超声发生装置时，第一超声辐射杆与第二超声辐射杆的轴线重合；第二换能器固定在滑块上，滑块套在横梁外，横梁与升降装置装配在一起；滑块、横梁、升降装置组成超声支撑装置。