專利名稱：：鎂合金錠坯的油滑電磁立式半連續鑄造方法與結晶器的制作方法
技術領域：
：本發明屬于輕合金鑄造
技術領域：
，特別涉及一種在低頻電磁半連續立式鑄造工藝中采用帶油滑的全金屬內套結晶器系統實現高表面質量鎂合金錠坯生產的立式半連續鑄造方法及設備。
背景技術：
：傳統半連續鑄造工藝中，由于高溫下金屬液和金屬初始凝殼與金屬內套之間有較大的徑向正壓力，因此有較大的界面摩擦阻力，并且由于金屬液與內套壁面之間易于發生接觸式粘連，對于鎂合金來說，粘連程度更為嚴重，甚至容易發生反應性粘連，這些都加重了錠坯表面的劃痕，而且這些劃痕一般都是徑向深入錠坯內部，顯著增加錠坯的車削量，降低成材率。對于熱頂鑄造來說，由于鎂液與保溫帽之間的高反應性，這種反應性粘連更易發生，不僅降低了表面質量，而且由于反應所造成的保溫帽粉化產物漂離界面，很容易嵌入錠坯表層甚至進入金屬液也加大了錠坯所需的車削量。目前鎂合金錠坯生產企業的錠坯表面車削量一般高達到半徑8mm15mm，甚至更多，車削率達到10%20%,加上切除頭尾(切除量250mm300mm)，成材率只有70%80%，相當低。因此，提高鎂合金錠坯的表面質量對于提高錠坯成材率，降低生產成本，提高企業經濟效益至關重要。眾多研究均已表明，凝固時施加磁場(包括永磁場、電磁場、脈沖電磁場、組合電磁場等)對DC鑄造過程中合金液的溫度場、流場、濃度場以及形核和長大等凝固行為均產生影響，達到組織均勻化、晶粒細化、宏觀偏析得到抑制等效果，從而顯著改善半連續鑄造錠坯的冶金質量。同時，在電磁力徑向分量作用下，結晶器中的金屬液被推向中心，形成顯著的彎液面，降低了金屬液與結晶器內套的接觸壓力，因此施加電磁場也可以對錠坯表面質量的提高起到良好的作用。但是，由于高溫下金屬液與金屬內套之間仍然有較大的徑向正壓力，從而仍有較大的摩擦阻力，所以難以完全避免金屬液與內套壁面之間的粘連。對于鎂合金來說，粘連程度更為嚴重，這些都加重了錠坯表面的劃痕，而且這些劃痕一般都是徑向深入錠坯內部，顯著增加錠坯的車削量。另外，鎂合金的低頻電磁半連續立式鑄造一般采用熱頂加石墨環結構的結晶器系統(見CN1216707)，由于保溫帽和石墨環耐久性差，增加了成本消耗；同時，盡管由于施加了低頻電磁場所致的低鑄造液穴可以大幅度提高鑄造速度，但總體上來說，熱頂式結晶器鑄造系統的鑄造速度不高。而金屬內套結晶器系統由于有很強的一次冷卻，客觀上要求采用較高的鑄造速度，否則會由于"抱芯"作用而使鑄造過程難以持續，但此時一般均具有很深的液穴，錠坯中心組織粗大，宏觀偏析嚴重，冶金質量差。
發明內容針對目前鎂合金錠坯表面質量不盡如人意，造成表面車削量大，成材率低等問題，本發明提供一種鎂合金錠坯的油滑電磁立式半連續鑄造方法與結晶器。本發明的結晶器包括金屬內套、冷卻系統、勵磁線圈、潤滑油環和保護氣環，金屬內套處于結晶器的中心，在金屬內套外為冷卻水箱和擋板構成的腔體冷卻系統，在冷卻水腔內下部設有勵磁線圈，在結晶器內套的上沿設有油環，在油環的上方置有保護氣環。金屬內套為豎直的圓筒型或其下半部分有3~10°的開口度。冷卻系統設有進水口，設在冷卻水腔體內的勵磁線圈浸末在冷卻水中，勵磁線圈與設在結晶器外部的低頻電源相接。油環由下腔和上蓋構成，油環下腔設有3個凹槽與上蓋一起構成3個儲油室，儲油室之間由若干缺口連通，在油環下腔的上沿有一梢度，油環下腔與上蓋之間留有油縫，油環與設在結晶器外的供油系統相通；保護氣環上設有保護氣出口。本發明的方法采用前述鎂合金錠坯油滑電磁立式半連續鑄造用的結晶器，按以下步驟進行(1)首先在金屬內套內壁涂上薄層潤滑油，對中引錠頭，開啟結晶器冷卻系統，控制冷卻水流量先冷卻勵磁線圈；(2)開啟低頻發生電源，向勵磁線圈通低頻交流電，如兩組勵磁線圈時一組通低頻交流電，另一組同時通直流電，為結晶器提供低頻電磁場或低頻電磁振蕩場；使電磁場達到設定值2000AT4000AT;施加的電磁場為低頻電磁場，頻率范圍為1Hz90Hz，結晶器空載時結晶器中心的電磁場強度為10mT200mT，直流電磁感應強度為5100mT;(3)將鎂合金液引入置于結晶器內套心部的分流盤中，由分流盤分流后進入結晶器的金屬內套與引錠頭組成的空間中，同時開啟保護氣環為鎂合金液提供氣體保護；(4)待鎂合金液充滿引錠頭頂部，液面上升至接近正常鑄造高度后，按設定鑄造速度開動鑄造機并調控結晶器液面至穩定。設定鑄造速度依合金牌號和錠坯規格而異，一般為50~300mm/min;(5)加大冷卻水流量，開啟與調節控制油環的控制閥門為金屬內套內壁提供連續潤滑。本發明在完全金屬內套的結晶器系統中施加低頻電磁場，并采用連續供油方式實現金屬內套壁面的潤滑，實現低頻電磁鑄造與金屬內套結晶器系統的結合(附圖l)，達到兩者的優勢互補。在鑄造過程中低頻電磁場的電磁表面壓力所致的熔體與結晶器內壁的軟接觸效應，大大降低了界面接觸壓力，更重要的是促進了潤滑劑在熔體與結晶器內套內壁之間的滲入，從而易于使熔體與內套之間形成連續的潤滑油膜層，大大降低了界面的滑動摩擦系數，同時還可以采用下半部內壁具有一定開口度的金屬內套以進一步降低初始凝殼與內套的摩擦。界面接觸壓力和滑動摩擦系數的降低均對界面摩擦力的降低起到良好作用，從而導致錠坯表面質量的顯著提高。而連續潤滑油膜層的形成，則可以降低鎂液通過結晶器內壁的導熱通量，有效減小了金屬內套的一次冷卻作用，減小初始凝殼厚度和降低初始凝固點高度，這有利于增強電磁的軟接觸效果。兩者相互促進，并結合特別設計的保護氣供給系統，可以實現表面質量十分優良的鎂合金錠坯的生產與制備。同時，低頻電磁場通過對流場的改變，降低了錠坯凝固的徑向溫度梯度，降低了凝固液穴深度，提高了傳統全金屬內套結晶器系統鑄造工藝生產的錠坯的內部冶金質量；全金屬內套結晶器系統則避免了低頻電磁鑄造一般采用的熱頂鑄造結晶器系統的相對低速和鑄造成本(保溫帽消耗)高等缺陷，并可顯著提高低頻電磁鑄造工藝的鑄造速度。內套壁面油膜的存在也有利于促進液穴中合金液的對流范圍與強度，同時也有利于增強電磁細化效果。因此，本研究的工藝方法也可實現鎂合金錠坯的高速高質量鑄造，并可降低鑄造耗材成本。因此，本發明通過結晶器系統的優化設計，實現了電磁、油滑、水冷、保護氣的有機結合，可極大提高鎂合金錠坯的表面質量，大幅度降低鎂合金錠坯的表面車削量，同時可以顯著提高鑄造速度，提高勞動生產率。圖1是本發明的油滑低頻電磁半連續鑄造結晶器系統結構示意圖；圖2為本發明的油滑低頻電磁半連續鑄造結晶器的油環與保護氣環的部分結構示意圖；圖3為本發明的油滑低頻電磁半連續鑄造結晶器金屬內套的結構示意圖；圖4是本發明的低位勵磁線圈所形成的液穴與對流渦旋形狀示意圖；圖中，l水箱蓋，2水箱底，3擋水板，4金屬內套，5二次冷卻水縫，6油環，7保護氣環，8勵磁線圈，9進水口，IO內套上沿與油環的接觸點，ll油環下腔，12油環上蓋，13保護氣環下底，14保護氣環上蓋，15油縫，16結晶器內套內壁，17分流盤，18彎液面，19潤滑油膜，20液一固相區界面。圖5為采用本發明方法與傳統DC鑄造方法制備的AZ80鎂合金錠坯的表面特征對比圖；其中(a)為采用傳統DC鑄造方法制備，(b)為采用本發明方法鑄造制備圖6為采用本發明方法制備的幾種添加了阻燃元素的AZ80鎂合金錠坯的典型表面特征對比圖；其中(a)為AZ80+20ppmBe，(b)為AZ80+0.2%Y，(c)為AZ80+0.5%Y圖7為電磁場與油滑對錠坯表面質量影響的對照圖；其中(a)油滑對DC鑄造錠坯表面的影響，(b)電磁對油滑鑄造錠坯表面的影響圖8為采用本發明方法鑄造的鎂合金錠坯車削量的效果示意圖。其中(a)0)244mmAZ80車削量R-2mm，(b)OlOOmmAZ31車削量R=lmm(c)0160mmGW103K鎂合金車削量R=0.5~1.5mm具體實施方式本發明的結晶器如圖1所示，其結晶器的內套4為全金屬制成，12個勵磁線圈8置于由水箱蓋1、水箱底2和擋水板3圍成的結晶器二次冷卻水水腔內偏下部。全金屬內套4置于結晶器中心孔中，金屬內套4為豎直的圓筒型或者其下半部分有傾斜角度為310。的開口度，如圖3所示。油環6置于結晶器金屬內套4的上沿，在油環6的上方設有保護氣環7。二次冷卻水由進水口9進入水腔內部，經由擋水板3上沿，再由二/欠冷卻水縫5噴射到錠坯表面。擋水板3的作用在于勵磁線圈8可以浸末在冷卻水中，不發生因過熱而破壞其絕緣層。潤滑系統采用具有很好剛度并且透磁性能優良的不銹鋼材質制造，在鑄造過程中不因高溫發生變形，同時對電磁場的削弱作用也較小。油環由油環下腔11和上蓋12構成，由油環下腔11的三個凹槽和上蓋構成A、B、C三個環狀儲油室，之間由若干個缺口連通，如圖2所示。潤滑油由A室進入B室，再進入C室，然后由油縫15進入油環下腔11上沿的斜臺D，再進入金屬內套上沿的斜臺E，這樣可以有效保證潤滑油的均勻分布。保護氣環也由下底13和上蓋14構成，保護氣出口大小和斜度要能夠保證氣體在液面上的有效覆蓋。供油系統一般采用液位差實現供油，也可以采用小泵站加壓的方式實現供油。油環6和保護氣環7以及結晶器內的全金屬內套4均可以很方便拆卸與安裝，便于系統的維護與修理。錠坯鑄造的基本方法是將鎂合金液引入結晶器內套與引錠頭組成的空間中，由保護氣環為鎂合金液提供氣體保護，由結晶器內套頂部的油環系統為金屬內套內壁提供潤滑，置于結晶器二次冷卻水水腔內部的勵磁線圈通低頻交流電或直流電為結晶器中的鎂合金液提供電磁場。圖4為低位勵磁線圈所形成的液穴與對流渦旋形狀示意圖。可見，由于勵磁線圈位置較靠近結晶器底部，電磁場引起的渦旋中心接近液穴底部，可使液穴底部的鎂液及糊狀兩相區的鎂液得到較充分的對流攪動，而接近彎液面的鎂液攪動速度較小，從而使得液穴中實現"表面風平浪靜，下面波濤洶涌"的效果。這種結構可以避免由于渦旋而加重液面的氧化膜破壞，又可以加強液穴底部初生枝晶的破碎與漂移。對提高錠坯表面質量和優化錠坯內部組織都是相當重要的。本發明的方法采用前述鎂合金錠坯油滑電磁立式半連續鑄造用的結晶器，具體操作是完成鎂合金熔煉與凈化工作，并完成結晶器系統安裝、金屬內套內壁涂油(預先涂抹一薄層潤滑油)和引錠頭對中等相關準備工作之后，開啟結晶器的二次水冷系統(可以控制較小的水量，主要目的是冷卻置于二次水冷腔中的勵磁線圈)；開啟低頻發生電源，為勵磁線圈通低頻交流電(或兩組時的另一組同時通以直流電)，為結晶器系統提供低頻電磁場(或低頻電磁振蕩場)；待電磁場達到設定值之后，通過引流管(動力為電子輸液泵或者氣泵造成的密閉坩堝內與大氣的正壓差。流量采用調節輸液泵流量或者調節壓差與浮漂聯合控制)把鎂合金液引入置于結晶器內套心部的分流盤中，由分流盤分流后進入結晶器的金屬內套與引錠頭組成的空間中，同時開啟保護氣環為鎂合金液提供氣體保護；待鎂合金液充滿引錠頭頂部并且液面上升到接近正常鑄造高度后，按設定鑄造速度開動鑄造^l并調控結晶器液面；液面穩定之后，加大二次冷卻水流量到正常值，并開啟與調節油環的控制閥門為金屬內套內壁提供連續潤滑(潤滑油可以靠液位差供油也可以用油泵加壓供油)，從而實現鎂合金的油滑低頻電磁立式半連續鑄造。圖7是電磁場與油滑對錠坯表面質量的影響效果比較。可見，油滑與電磁場共同對錠坯表面質量的提高作貢獻。圖5是本發明方法與傳統DC鑄造方法制備的AZ80鎂合金錠坯的表面特征對比。可見，本發明的方法制備的鎂合金錠坯的表面質量明顯優于傳統鑄造。本發明適合于鑄造①100rmnO500mm的鎂合金圓坯和各種規格的鎂合金扁坯的生產。同時，也可以用于如鋁等其他輕金屬及其合金的圓坯或方坯的制備。結晶器中的全金屬內套一般采用鍛鋁合金制造，也可以采用透磁不銹鋼或者鈦及其合金制造。油環和保護氣環采用透磁不銹鋼制造。所用的潤滑劑為工業蓖麻油或工業椰子油等在室溫下具有適當流動性并與鎂合金液接觸時具有較少油煙的含碳量較高的油脂。保護氣體采用COrK0.55)vol。/。SF6混合氣體。在結晶器中所施加的低頻電磁頻率范圍為1Hz90Hz，勵磁線圈的低頻磁場強度為2000AT40000AT;或者所施加的低頻電磁振蕩頻率范圍為1Hz90Hz，低頻電磁強度為2000AT40000AT，靜磁場強度為1500AT30000AT。引錠頭進入結晶器內套且無鎂液時，結晶器金屬內套下沿的交流電紐感應強度達到10200mT，直流電磁感應強度達到5100mT。冷卻水流量、潤滑油流量和保護氣體流量根據合金牌號、鑄造速度、錠坯規格而具體確定。原則是冷卻水流量應保證足夠的二次冷卻強度且不引起錠坯熱裂發生；潤滑油流量要保證鎂合金液與金屬內套內壁不發生粘連同時不因油量過大而發生潤滑油的燃燒；保護氣則要保證鎂合金液表面保持良好的保護膜。圖6表明，鎂合金添加阻燃元素后的錠坯表面特征有所差別，但已經表明，車削量并沒有明顯差別。圖8是本發明方法的幾個應用效果實例。可見，對于不同規格與牌號的鎂合金錠坯，本發明的方法均可以達到小車削量的效果。本發明的優點是采用低頻電磁場與施加油滑的全金屬內套結晶器系統的有機結合，大大降低了鎂合金液與金屬內套之間的摩擦力，顯著提高了錠坯的表面質量，錠坯表面車削量由傳統DC鑄造的5nun10mm(車削率為9%~18°/)降低到lmm5mm(車削率為48%)，降低幅度達50%以上，可以顯著降低生產成本。同時，由于結晶器采用了油滑結合金屬內套設計，并由于電磁鑄造時顯著變淺的液穴，使得鑄造速度得到顯著提高，提高幅度達到1.4~23倍。下表為采用本發明的方法對AZ31、AZ80、GW103K等幾種鎂合金制備不同規格的錠坯。表l列出了本發明方法制備錠坯的車削量和車削率，并與傳統DC鑄造方法制備錠坯進行了比較，可見錠坯的車削率得到顯著降低。表2為幾種不同規格錠坯的鑄造速度對比，可見，本發明方法的鑄造速度明顯高于傳統DC鑄造方法的鑄造速度。表1本發明方法與傳統DC鑄造方法的車削量和車削率對比<table>tableseeoriginaldocumentpage8</column></row><table>表2本發明方法與傳統DC鑄造方法的鑄造速度對比<table>tableseeoriginaldocumentpage8</column></row><table>權利要求1、一種鎂合金錠坯的油滑電磁立式半連續鑄造用的結晶器，其特征在于該結晶器包括金屬內套、冷卻系統、勵磁線圈、潤滑油環和保護氣環，金屬內套處于結晶器的中心，在金屬內套外為冷卻水箱和擋板構成的腔體冷卻系統，在冷卻水腔內下部設有勵磁線圈，在結晶器內套的上沿設有油環，在油環的上方置有保護氣環。2、如權利要求1所述的鎂合金錠坯的油滑電磁立式半連續鑄造用的結晶器，其特征在于所述金屬內套為豎直的圓筒型或其下半部分有310。的開口度。3、如權利要求1所述的鎂合金錠坯的油滑電磁立式半連續鑄造用的結晶器，其特征在于所述冷卻系統設有進水口，設在冷卻水腔體內的勵磁線圈浸末在冷卻水中，勵磁線圈與設在結晶器外部的低頻電源相接，且勵磁線圈較靠近結晶器底部。4、如權利要求1所述的鎂合金錠坯的油滑電磁立式半連續鑄造用的結晶器，其特征在于所述油環由下腔和上蓋構成，油環下腔設有3個凹槽與上蓋一起構成3個儲油室，儲油室之間由若干缺口連通，在油環下腔的上沿有一梢度，油環下腔與上蓋之間留有油縫，油環與設在結晶器外的供油系統相通，所用的潤滑劑為工業蓖麻油或工業椰子油等在室溫下具有適當流動性并與鎂合金液接觸時具有較少油煙的含碳量較高的油脂。5、如權利要求1所述的鎂合金錠坯的油滑電磁立式半連續鑄造用的結晶器，其特征在于所述保護氣環上設有保護氣出口。6、一種鎂合金錠坯的油滑電磁立式半連續鑄造方法，其特征在于采用權利要求1所述的鎂合金錠坯的油滑電磁立式半連續鑄造用的結晶器，按以下步驟進行-(1)首先在金屬內套內壁涂上薄層潤滑油，對中引錠頭，開啟結晶器冷卻系統，控制冷卻水流量先冷卻勵磁線圈；(2)開啟低頻發生電源，向勵磁線圈通低頻交流電，如兩組勵磁線圈時一組通低頻交流電，另一組同時通直流電，為結晶器提供低頻電磁場或低頻電磁振蕩場；使電磁場達到設定值2000AT4000AT;(3)將鎂合金液引入置于結晶器內套心部的分流盤中，由分流盤分流后進入結晶器的金屬內套與引錠頭組成的空間中，同時開啟保護氣環為鎂合金液提供氣體保護；(4)待鎂合金液充滿引錠頭頂部，液面上升至接近正常鑄造高度后，按設定鑄造速度開動鑄造機并調控結晶器液面至穩定，設定鑄造速度依合金牌號和錠坯規格而異，一般為50300mm/min;(5)加大冷卻水流量，開啟與調節控制油環的控制闊門為金屬內套內壁提供連續潤滑。7、如權利要求6所述的鎂合金錠坯的油滑電磁式立式半連續鑄造方法，其特征在于所施加的電磁場為低頻電磁場，頻率范圍為lHz90Hz，結晶器空載時結晶器中心的電磁場強度為10mT200mT，直流電磁感應強度為5100mT。全文摘要一種鎂合金錠坯的油滑電磁立式半連續鑄造方法與結晶器，包括金屬內套、冷卻系統、勵磁線圈、潤滑油環和保護氣環，金屬內套處于結晶器的中心，金屬內套外為腔體冷卻系統，在冷卻水腔內下部設有勵磁線圈，在結晶器內套上沿設有油環，在油環的上方置有保護氣環。本發明方法步驟是首先在金屬內套內壁涂上薄層潤滑油，開啟結晶器冷卻系統；然后開啟低頻發生電源，向勵磁線圈通低頻交流電；將鎂合金液引入置于結晶器內套心部的分流盤中，開啟保護氣環；待鎂合金液充滿引錠頭頂部，開動鑄造機并調控結晶器液面至穩定；加大冷卻水流量，開啟與調節控制油環的控制閥門。本發明可提高鎂合金錠坯的表面質量，降低鎂合金錠坯的表面車削量，提高鑄造速度。文檔編號B22D11/10GK101239371SQ20081001064公開日2008年8月13日申請日期2008年3月14日優先權日2008年3月14日發明者樂啟熾,崔建忠,張志強,趙志浩申請人:東北大學