一種剪切、磁場復合作用下的輕合金半連鑄裝置及方法
【專利摘要】一種剪切、磁場復合作用下的輕合金半連鑄裝置及方法，屬于輕合金半連續鑄造【技術領域】。本發明與現有技術相比，在常規半連鑄的基礎上組合利用磁場和熔體剪切，其熔體剪切單元具有強剪切、弱對流的特點，彌補了電磁場的弱剪切、強對流的不足，半連鑄時在熔體中能夠同時產生強剪切、強對流；本發明能夠完全滿足溫度場的均勻性要求，能夠促進枝晶的破碎，并將熔體中的膜狀氧化物分散破碎為單獨分布的細小顆粒，能夠有效細化合金組織，不但增加了有效形核質點，還減弱了熔體中膜狀氧化物等缺陷對鑄錠性能的危害，提高了鑄錠抵抗裂紋的能力，提高了鑄錠的成材率。
【專利說明】
【技術領域】
[0001] 本發明屬于輕合金半連續鑄造【技術領域】，特別是涉及一種剪切、磁場復合作用下 的輕合金半連鑄裝置及方法。 一種剪切、磁場復合作用下的輕合金半連鑄裝置及方法

【背景技術】
[0002] 高強度鋁合金、鎂合金作為最典型的兩種輕合金，其生產過程中的鑄錠制備環節 主要是通過半連鑄來實現的。在鑄造高強度輕合金鑄錠時，特別是大尺寸高強度輕合金鑄 錠時，由于其具有較高的模量和強度及較低塑性的特點，因此極易出現熱裂、冷裂等鑄造缺 陷，一旦熱裂或冷裂發生，則鑄錠材料就會報廢，降低鑄錠的成材率。
[0003] 在理論上可以從兩個方面避免上述鑄造缺陷的發生，一是使溫度場更均勻從而減 小內應力，二是通過細化合金鑄態組織來細化缺陷并提高鑄錠抵抗裂紋的能力。另外，近年 來研究表明，鋁合金、鎂合金中顆粒狀的氧化物和α相具有匹配的位向關系，可以作為輕 合金的有效形核質點，能夠細化合金組織，而合金中膜狀的氧化物則沒有這樣的作用，將膜 狀的氧化物分散破碎為單獨分布的細小顆粒可以增加形核質點，促進組織細化。
[0004] 在常規的半連鑄過程中，技術人員通過調整鑄造速度、鑄造溫度和冷卻水量可以 在一定程度上抑制鑄造缺陷的產生，但作用效果有限。在常規的半連鑄基礎上增加電磁場 的使用，利用電磁場在熔體中引起強對流來促進溫度場的均勻，并減小內應力，在一定程度 上可以細化合金組織，但是制備大尺寸鑄錠時，由于電磁場在金屬中的集膚效應，作用在鑄 錠中心處的磁場強度會比較弱，因此導致鑄錠中心處的組織細化減弱，對溫度場的均勻性 調控能力會顯著降低，且電磁場引起的剪切作用較弱，也不能將膜狀的氧化物分散破碎為 單獨分布的細小顆粒，鑄錠的制備尺寸越大，鑄錠抵抗裂紋的能力越差。


【發明內容】

[0005] 針對現有技術存在的問題，本發明提供一種剪切、磁場復合作用下的輕合金半連 鑄裝置及方法，在常規的半連鑄基礎上增加了熔體剪切單元，并組合利用磁場和熔體剪切， 熔體剪切單元具有強剪切、弱對流的特點，彌補了電磁場的弱剪切、強對流的不足，半連鑄 時在熔體中能夠同時產生強剪切、強對流，完全滿足了溫度場的均勻性要求，能夠有效細化 合金組織，提1? 了鑄淀抵抗裂紋的能力，提1? 了鑄淀的成材率。
[0006] 為了實現上述目的，本發明采用如下技術方案：一種剪切、磁場復合作用下的輕合 金半連鑄裝置，包括鑄造單元，所述鑄造單元包括熱頂、結晶器、引錠及感應線圈，所述熱頂 位于結晶器上方，感應線圈設置在結晶器外圍，在結晶器內壁設置有石墨環，引錠位于結晶 器下方且與結晶器相對應；其特點是：在所述鑄造單元上方設置有熔體剪切單元，所述熔 體剪切單元包括驅動電機、定子套筒、連接軸及剪切葉片，驅動電機的電機軸與連接軸的一 端相連，剪切葉片設置在連接軸的另一端，定子套筒套裝在連接軸外側并固接在驅動電機 外殼上；所述剪切葉片與定子套筒內壁之間留有間隙，在剪切葉片對應的定子套筒筒壁上 設置有若干通孔。
[0007] 所述剪切葉片的數量大于等于一個，剪切葉片為直板葉片或曲面葉片，剪切葉片 與堅直方向相平行或成夾角設置。
[0008] 所述剪切葉片與定子套筒內壁之間的間隙范圍為50微米?10毫米。
[0009] 所述通孔為方形孔、圓形孔或長槽形孔，通孔的截面積為1?100平方毫米。
[0010] 所述通孔的開孔方向與定子套筒的半徑方向相同或成夾角，夾角范圍為〇? 60。。
[0011] 采用所述的剪切、磁場復合作用下的輕合金半連鑄裝置的半連鑄方法，具體包括 如下步驟：
[0012] 步驟一：進行半連鑄前，首先抬升引錠，直到引錠升高到結晶器內石墨環下沿位 置，使熱頂、結晶器及引錠形成上端開口且下端封閉的熔體存放空間；
[0013] 步驟二：對熔體剪切單元進行預熱處理，將其剪切葉片一端置于預熱坩堝中，預熱 溫度為300?700°C ;
[0014] 步驟三：向感應線圈中通入交流電，其頻率為5?100赫茲，電流為0?400安；
[0015] 步驟四：向結晶器內通入冷卻水；
[0016] 步驟五：當感應線圈中的電流達到穩定狀態后，向鑄造單元內導入輕合金熔體，待 部分熔體在引錠上凝固后，啟動引錠進行牽引；
[0017] 步驟六：在進行引錠牽引的同時，將預熱后的熔體剪切單元的剪切葉片一端置于 熔體中，其沒入熔體液面以下的距離為30?150毫米；
[0018] 步驟七：啟動熔體剪切單元的驅動電機，通過連接軸帶動剪切葉片高速旋轉，在剪 切葉片高速旋轉作用下，熔體會被吸入定子套筒內并通過其上的通孔快速噴出，在此過程 中，剪切葉片與定子套筒內壁之間的間隙處及定子套筒上的通孔處會產生強剪切作用；
[0019] 步驟八：當鑄錠達到預定長度時，停止導入輕合金熔體，同時關閉熔體剪切單元的 驅動電機；
[0020] 步驟九：將熔體剪切單元的剪切葉片一端抬離熔體，再將該端置于預熱坩堝中以 備下一個鑄次使用，然后斷開感應線圈中的交流電；
[0021] 步驟十：停止引錠的牽引，然后切斷供向結晶器內的冷卻水，最后取出鑄錠，準備 下一個鑄次。
[0022] 本發明的有益效果：
[0023] 本發明與現有技術相比，在常規半連鑄的基礎上組合利用磁場和熔體剪切，其熔 體剪切單元具有強剪切、弱對流的特點，彌補了電磁場的弱剪切、強對流的不足，半連鑄時 在熔體中能夠同時產生強剪切、強對流；本發明完全滿足溫度場的均勻性要求，能夠促進枝 晶的破碎，并將熔體中的膜狀氧化物分散破碎為單獨分布的細小顆粒，能夠有效細化合金 組織，不但增加了有效形核質點，還減弱了熔體中膜狀氧化物等缺陷對鑄錠性能的危害，提 1? 了鑄淀抵抗裂紋的能力，提1? 了鑄淀的成材率。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0024] 圖1為本發明的一種剪切、磁場復合作用下的輕合金半連鑄裝置結構原理圖；
[0025] 圖2為一種7XXX系鋁合金采用常規半連鑄方法獲得的微觀組織圖；
[0026] 圖3為一種7XXX系鋁合金采用本發明的半連鑄方法獲得的微觀組織圖；
[0027] 圖中，1 一驅動電機，2-定子套筒，3-連接軸，4一期切葉片，5-熱頂，6-結晶器， 7一石墨環，8-感應線圈，9一引淀，10-鑄淀。

【具體實施方式】
[0028] 下面結合附圖和具體實施例對本發明做進一步的詳細說明。
[0029] 如圖1所示，一種剪切、磁場復合作用下的輕合金半連鑄裝置，包括鑄造單元，所 述鑄造單元包括熱頂5、結晶器6、引錠9及感應線圈8,所述熱頂5位于結晶器6上方，感 應線圈8設置在結晶器6外圍，在結晶器6內壁設置有石墨環7,引錠9位于結晶器6下方 且與結晶器6相對應；在所述鑄造單元上方設置有熔體剪切單元，所述熔體剪切單元包括 驅動電機1、定子套筒2、連接軸3及剪切葉片4,驅動電機1的電機軸與連接軸3的一端相 連，剪切葉片4設置在連接軸3的另一端，定子套筒2套裝在連接軸3外側并固接在驅動電 機1外殼上；所述剪切葉片4與定子套筒2內壁之間留有間隙，在剪切葉片4對應的定子套 筒2筒壁上設置有若干通孔。
[0030] 所述剪切葉片4的數量大于等于一個，剪切葉片4為直板葉片或曲面葉片，剪切葉 片4與堅直方向平行設置或成夾角設置。
[0031] 所述剪切葉片4與定子套筒2內壁之間的間隙范圍為50微米?10毫米。
[0032] 所述通孔為方形孔、圓形孔或長槽形孔等，通孔的截面積為1?100平方毫米。
[0033] 所述通孔的開孔方向與定子套筒2的半徑方向相同或者成夾角，夾角范圍為0? 60°，通過對開孔方向的設定，可以控制熔體的宏觀流動形式，減少熔體的液面波動。
[0034] 本實施例中，制備的為7xxx系錯合金鑄徒，其總合金兀素含量在14%以上，其中 鋅含量在9. 5 %以上；其中鑄造單元的結晶器6為水冷結晶器，其內的石墨環7內徑為204 毫米，高為25毫米，其外側的感應線圈8由外徑8毫米且壁厚為1毫米的外層絕緣的銅管 纏繞而成，共80匝；驅動電機1的轉速范圍為0?10000轉/分鐘，剪切葉片4由四片矩形 葉片組成，形成十字花型，剪切葉片4與定子套筒2內壁之間的間隙為200微米；通孔為圓 形孔，通孔的截面積為6. 25平方毫米。
[0035] 采用所述的剪切、磁場復合作用下的輕合金半連鑄裝置的半連鑄方法，具體包括 如下步驟：
[0036] 步驟一：進行半連鑄前，首先抬升引錠9,直到引錠9升高到結晶器6內石墨環7下 沿位置，使熱頂5、結晶器6及引錠9形成上端開口且下端封閉的熔體存放空間；
[0037] 步驟二：對熔體剪切單元進行預熱處理，將其剪切葉片4 一端置于預熱坩堝中，預 熱溫度為600°C ;
[0038] 步驟三：向感應線圈8中通入交流電，其頻率為25赫茲，電流為120安；
[0039] 步驟四：向結晶器6內通入冷卻水；
[0040] 步驟五：當感應線圈8中的電流達到穩定狀態后，向鑄造單元內導入輕合金熔體， 待部分溶體在引徒9上凝固后，啟動引徒9進彳丁牽引；
[0041] 步驟六：在進行引錠9牽引的同時，將預熱后的熔體剪切單元的剪切葉片4一端置 于熔體中，其沒入熔體液面以下的距離為60毫米；
[0042] 步驟七：啟動熔體剪切單元的驅動電機1，通過連接軸3帶動剪切葉片4高速旋 轉，轉速為5000轉/分鐘，在剪切葉片4高速旋轉作用下，熔體會被吸入定子套筒2內并通 過其上的通孔快速噴出，在此過程中，剪切葉片4與定子套筒2內壁之間的間隙處及定子套 筒2上的通孔處會產生強剪切作用；
[0043] 步驟八：當鑄錠10達到預定長度時，停止導入輕合金熔體，同時關閉熔體剪切單 元的驅動電機1 ;
[0044] 步驟九：將熔體剪切單元的剪切葉片4 一端抬離熔體，再將該端置于預熱坩堝中 以備下一個鑄次使用，然后斷開感應線圈8中的交流電；
[0045] 步驟十：停止引錠9的牽引，然后切斷供向結晶器6內的冷卻水，最后取出鑄錠 10,準備下一個鑄次。
[0046] 本發明裝置中的熔體剪切單元不但具有分散、破碎、減徑、混合的功能，還在其產 生強對流的同時避免熔體液面發生劇烈波動，彌補了常規半連鑄的不足之處，促進了枝晶 的破碎，并將熔體中的膜狀氧化物破碎分散為單獨分布的細小顆粒，不但增加了有效形核 質點，還減弱了熔體中膜狀氧化物等缺陷對鑄錠性能的危害。
[0047] 本實施例中的鋁合金鑄錠，如果采用常規的半連鑄方法獲得，其組織為粗大的枝 晶組織，如圖2所示，具有該枝晶組織的鋁合金鑄錠會極易出現鑄造裂紋。
[0048] 采用本發明的半連鑄方法獲得的鋁合金鑄錠，其組織如圖3所示，相比于圖2中的 枝晶組織，其轉變為均勻、細小的等軸晶組織，提高了鑄錠抵抗裂紋的能力。
[0049] 實施例中的方案并非用以限制本發明的專利保護范圍，凡未脫離本發明所為的等 效實施或變更，均包含于本案的專利范圍中。
【權利要求】
1. 一種剪切、磁場復合作用下的輕合金半連鑄裝置，包括鑄造單元，所述鑄造單元包括 熱頂、結晶器、引錠及感應線圈，所述熱頂位于結晶器上方，感應線圈設置在結晶器外圍，在 結晶器內壁設置有石墨環，引錠位于結晶器下方且與結晶器相對應；其特征在于：在所述 鑄造單元上方設置有烙體剪切單元，所述烙體剪切單元包括驅動電機、定子套筒、連接軸及 剪切葉片，驅動電機的電機軸與連接軸的一端相連，剪切葉片設置在連接軸的另一端，定子 套筒套裝在連接軸外側并固接在驅動電機外殼上；所述剪切葉片與定子套筒內壁之間留有 間隙，在剪切葉片對應的定子套筒筒壁上設置有若干通孔。
2. 根據權利要求1所述的一種剪切、磁場復合作用下的輕合金半連鑄裝置，其特征在 于：所述剪切葉片的數量大于等于一個，剪切葉片為直板葉片或曲面葉片，剪切葉片與堅直 方向相平行或成夾角設置。
3. 根據權利要求1所述的一種剪切、磁場復合作用下的輕合金半連鑄裝置，其特征在 于：所述剪切葉片與定子套筒內壁之間的間隙范圍為50微米?10毫米。
4. 根據權利要求1所述的一種剪切、磁場復合作用下的輕合金半連鑄裝置，其特征在 于：所述通孔為方形孔、圓形孔或長槽形孔，通孔的截面積為1?100平方毫米。
5. 根據權利要求1所述的一種剪切、磁場復合作用下的輕合金半連鑄裝置，其特征在 于：所述通孔的開孔方向與定子套筒的半徑方向相同或成夾角，夾角范圍為0?60°。
6. 采用權利要求1所述的剪切、磁場復合作用下的輕合金半連鑄裝置的半連鑄方法， 具體包括如下步驟： 步驟一：進行半連鑄前，首先抬升引錠，直到引錠升高到結晶器內石墨環下沿位置，使 熱頂、結晶器及引錠形成上端開口且下端封閉的熔體存放空間； 步驟二：對熔體剪切單元進行預熱處理，將其剪切葉片一端置于預熱坩堝中，預熱溫度 為 300 ?700°C ; 步驟三：向感應線圈中通入交流電，其頻率為5?100赫茲，電流為0?400安； 步驟四：向結晶器內通入冷卻水； 步驟五：當感應線圈中的電流達到穩定狀態后，向鑄造單元內導入輕合金熔體，待部分 熔體在引錠上凝固后，啟動引錠進行牽引； 步驟六：在進行引錠牽引的同時，將預熱后的熔體剪切單元的剪切葉片一端置于熔體 中，其沒入熔體液面以下的距離為30?150毫米； 步驟七：啟動熔體剪切單元的驅動電機，通過連接軸帶動剪切葉片高速旋轉，在剪切葉 片高速旋轉作用下，熔體會被吸入定子套筒內并通過其上的通孔快速噴出，在此過程中，剪 切葉片與定子套筒內壁之間的間隙處及定子套筒上的通孔處會產生強剪切作用； 步驟八：當鑄錠達到預定長度時，停止導入輕合金熔體，同時關閉熔體剪切單元的驅動 電機； 步驟九：將熔體剪切單元的剪切葉片一端抬離熔體，再將該端置于預熱坩堝中以備下 一個鑄次使用，然后斷開感應線圈中的交流電； 步驟十：停止引錠的牽引，然后切斷供向結晶器內的冷卻水，最后取出鑄錠，準備下一 個鑄次。
【文檔編號】B22D11/14GK104117645SQ201410363685
【公開日】2014年10月29日 申請日期:2014年7月28日 優先權日:2014年7月28日
【發明者】左玉波, 李磊, 朱慶豐, 趙志浩, 崔建忠 申請人:東北大學