CN100531961C - 铝合金半连续铸造用连续润滑结晶器 - Google Patents
铝合金半连续铸造用连续润滑结晶器 Download PDFInfo
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Abstract
本发明涉及铝合金半连续铸造用连续润滑结晶器，结晶器的内壁镶嵌有石墨内衬，在上盖内设有独立的油腔，石墨内衬呈上下对称结构并带有锥度，结晶器本体设有上下两个独立水腔，上水腔和下水腔分别开有独立的进水口，上水腔和下水腔内分别安装有挡水板，在上水腔的底部设一排喷水孔，在下水腔的底部也设一排喷水孔，上水腔喷水孔的角度和下水腔喷水孔的角度不一致呈交错状。铸造时通过油腔向石墨内衬渗油形成一层连续油膜，在增加石墨润滑效果的同时起到隔热、减小铸锭一次冷却的作用，两个独立的水腔实现单独或者双水腔同时供水，在保证铝合金铸锭初期不发生热裂纹的前提下增加二次冷却效果，实现结晶器内部的低液面，显著提高了铸锭表面质量。
Description
技术领域
本发明涉及铝合金半连续铸造用结晶器，具体涉及铝合金半连续铸造用可润滑结晶器，属于铝合金半连续铸造技术领域。
背景技术
铝合金半连续铸造过程中，结晶器侧壁的传热对铝合金铸坯的表面质量具有重要的影响。在传统的半连续铸造工艺中，结晶器往往采用铜合金加工而成，铸造过程中铜质内壁和液态铝合金熔体直接接触，拉坯阻力大，通常靠人工涂抹润滑油的方式来实现顺利拉坯，因此铸锭的表面质量较差，需要较大的车削量才能满足后续热变形的要求。目前有多种改善铝合金铸锭表面质量的先进铸造工艺，包括电磁铸造技术、热顶铸造技术、气滑(气幕)铸造技术、低液位铸造技术等。
电磁铸造技术可以生产表面光亮的铝合金圆锭和扁锭，但是该技术的设备投资大、装备复杂、操作维护要求高，而且不能实现多模生产，因此该技术在工业生产中只获得小规模应用。热顶铸造技术自上个世纪70年代问世以来，由于其实现了稳定的矮结晶器铸造和同水平铸造，铸锭的表面质量和生产效率均大幅度提高，因此，该技术在铝合金企业获得了广泛应用。然而，热顶铸造技术需要操作工人具有熟练的操作技术，当工艺参数调节不好时铸锭会产生特有的搭接式和汗珠状表面缺陷。
气滑(气幕)铸造技术是铝合金热顶铸造技术的延伸，它是在热顶铸造的基础上增加了油气润滑系统，在减小铸锭和结晶器内壁摩擦力的同时降低了铸锭的一次冷却强度，从而提高了铝合金铸锭的表面质量。气滑(气幕)铸造技术能明显地改善铝合金铸锭的表面质量，一般用于圆棒生产。但是，气滑(气幕)结晶器的结构比较复杂，目前尚无自主设计的应用于商业化的此类结晶器及相关设备。
低液位铸造技术是西方发达国家在上个世纪90年代研制的新型铝合金铸造技术，该技术没有采用传统的保温帽—热顶铸造的方法，而是在传统的结晶器内壁镶嵌一层石墨板，石墨板采用连续渗透式润滑。铸造过程采用液位控制系统精确控制结晶器内金属液面的高度。采用该技术生产的锭坯表面光亮、光滑，甚至有些铸锭的表面质量可以和无模电磁铸造媲美。但是低液位铸造技术的设备价格非常昂贵，对控制系统的要求较严格，结晶器结构和设计处于保密状态。
发明内容
针对现有铝合金先进铸造结晶器结构复杂、设备昂贵等问题，本发明提供一种先进的现实可行的能大幅度提高铝合金铸锭表面质量的连续润滑结晶器，适用于铝合金圆锭和扁锭铸造。
本发明的目的通过以下技术方案来实现：
铝合金半连续铸造用连续润滑结晶器，包括结晶器本体和上盖，结晶器的内壁镶嵌有石墨内衬，特点是：在上盖内设有独立的油腔，所述石墨内衬呈上下对称结构并带有锥度，结晶器本体设有上下两个独立水腔，即上水腔和下水腔，上水腔开有独立的进水口，下水腔上也开有独立的进水口，上水腔内安装有挡水板，下水腔内也安装有挡水板，在上水腔的底部设一排喷水孔，在下水腔的底部也设一排喷水孔，上水腔喷水孔的角度和下水腔喷水孔的角度不一致，呈交错状。
进一步地，上述的铝合金半连续铸造用连续润滑结晶器，石墨内衬带有锥度，其锥角范围在174°～179°。
更进一步地，上述的铝合金半连续铸造用连续润滑结晶器，上水腔喷水孔的角度范围在15°～35°，下水腔喷水孔角度范围在40°～60°。
本发明技术方案突出的实质性特点和显著的进步主要体现在：
①结晶器的上盖设独立油腔，在铸造过程中保持铝合金熔体液面在石墨内衬中心线以下，高强石墨内衬表面本身不易被熔融金属润湿，具有自润滑特性，此外，结晶器上壁的油腔连续向石墨内壁渗油，在石墨和熔体之间形成一层连续的油膜，增加润滑效果的同时减小了铸锭的一次冷却强度；铸造时熔体在结晶器内的液面高度较低，变化范围6～15mm，在减小铸锭一次冷却的同时，铸锭表面质量也得到了大幅度提高；
②石墨内衬带有锥度设计，可以减小铸造过程中铝合金熔体和石墨的接触摩擦力；石墨内衬采用上下对称设计，磨损时可将石墨内衬翻转继续使用，延长了石墨内衬的使用寿命；
③结晶器本体采用独立的双水腔设计，铸造时可以根据需要采用一个水腔供水或者两个水腔同时供水。当两个水腔同时供水时，下水腔冷却水冲击到铸锭表面形成的喷溅(反射喷溅)可以大部分被上水腔的冷却水消除，铸锭的二次冷却效果明显增强。
④与现有铝合金先进铸造结晶器相比，本发明结晶器结构新颖、设备成本小，适用于铝合金圆锭和扁锭铸造，具有极好的推广应用价值。
附图说明
下面结合附图对本发明技术方案作进一步说明：
图1：本发明连续润滑结晶器的结构示意图；
图2：本发明连续润滑结晶器应用时的示意图。
图中各附图标记的含义见下表：
| 附图标记 | 含义 | 附图标记 | 含义 | 附图标记 | 含义 |
| 1 | 上水腔 | 2 | 下水腔 | 3 | 油腔 |
| 4 | 石墨内衬 | 5 | 上盖 | 61 | 上水腔挡水板 |
| 62 | 下水腔挡水板 | 71 | 上水腔进水口 | 72 | 下水腔进水口 |
| 附图标记 | 含义 | 附图标记 | 含义 | 附图标记 | 含义 |
| 8 | 结晶器本体 | 9 | 上水腔喷水孔 | 10 | 下水腔喷水孔 |
| 11 | 下盖 | 12 | 熔体液面 | 13 | 熔体 |
| 14 | 液固两相区 | 15 | 铸锭 | 16 | 油膜 |
| 17 | 冷却水 | 18 | 底座 |
具体实施方式
如图1所示，铝合金半连续铸造用连续润滑结晶器，包括结晶器本体8、上盖5和下盖11；结晶器的内壁镶嵌有石墨内衬4，在上盖5内设有独立的油腔3，石墨内衬4呈上下对称结构并带有锥度，其锥角范围在174°～179°；结晶器本体8设有上下两个独立水腔，即上水腔1和下水腔2，上水腔1上开有独立的进水口71，下水腔2上开有独立的进水口72，上水腔1内安装有挡水板61，下水腔2内安装有挡水板62，在上水腔1的底部设一排喷水孔9，喷水孔9的角度范围在15°～35°，在下水腔2的底部设一排喷水孔10，喷水孔10角度范围在40°～60°，喷水孔9的角度和喷水孔10的角度不一致形成交错状。
结晶器的上盖5设计一个独立的油腔3，铸造时油腔向石墨内衬4连续、自动渗油，增加结晶器的润滑效果。石墨内衬4采用铸造用高强高韧石墨，石墨内衬4采用锥度设计，锥角范围在174°～179°，可以减小铸造过程中铝合金熔体和石墨的接触摩擦力。石墨内衬4采用上下对称设计，当下面的石墨由于铸造时间过长而磨损时可将石墨翻转继续使用，石墨的使用寿命可比采用非对称设计延长一倍。
结晶器本体内设置上下两个独立水腔，分别为上水腔1和下水腔2，两个水腔分别靠两个独立的进水管供水，实现分别或者同时向铸锭供水。两个水腔内分别安装有挡水板，以均匀分布两个水腔内的冷却水。在两个水腔的底部交错设计两排角度不一致的喷水孔，当两个水腔同时供水时，下水腔冷却水冲击到铸锭表面形成的喷溅(反射喷溅)可以大部分被上水腔的冷却水消除，铸锭的二次冷却效果增强。
铝合金半连续铸造时，如图2，首先打开结晶器上部油腔3，连续、均匀地向结晶器内渗油，使石墨内衬4表面形成一薄层均匀的油膜16；铝合金熔体13进入结晶器后首先充满由底座18和石墨形成的内腔，并在底座18和石墨内衬4的一次冷却作用下凝固成形。由于金属熔体没有和导热能力相对较强的石墨直接接触，而是隔着一层油膜，因此熔体的一次冷却强度大大降低。当结晶器内熔体液面12升至接近石墨内衬中线时底座18开始以一定的速度下移，部分凝固的铸锭脱开结晶器后受到以一定角度冲击表面的冷却水的二次冷却作用，铸锭15和冷却水17发生强烈的热交换，整个铸锭逐渐完全凝固成形。铸造过程中，金属熔体在结晶器内的液面高度范围为6～15mm。
不同牌号的铝合金铸造工艺不同。在铸造开始阶段，对于比较容易开裂的硬铝合金，如2×××和7×××，可选择只打开上水腔1，减小铸锭的二次冷却强度，在铸锭进入稳定阶段后再打开下水腔2，实现两个水腔供水。而对于铸造性能较佳的铝合金，如1×××和3×××，则可以在铸造的开始阶段即打开两个水腔，实现两个水腔的同时供水。与传统的常规结晶器相比，本结晶器两个水腔同时供水可以避免由单一水腔供水时冷却水在铸锭表面形成的“反射喷溅”，增强铸锭和冷却水的换热效果，增大二次冷却强度。在二次冷却强度增强的前提下，铸锭液穴的形貌更加平滑，可以保证结晶器内即使具有较低的熔体液面也不发生拉漏现象。
综上所述，在铝合金的半连续铸造过程中通过油腔向石墨内衬连续、均匀渗油，在石墨表面形成一层连续油膜，在增加石墨润滑效果的同时起到隔热、减小铸锭一次冷却的作用，同时结晶器两个独立的水腔在铸造过程中可根据不同铝合金的铸造性质独立调节，实现单独或者双水腔同时供水，在保证铝合金铸锭初期不发生热裂纹的前提下增加二次冷却效果，实现结晶器内部的低液面，液面高度在6～15mm，从而极大地改善铝合金铸锭的表面质量，给生产带来了极好的技术意义和显著的经济效应。
以上仅是本发明的具体应用范例，对本发明的保护范围不构成任何限制。凡采用等同变换或者等效替换而形成的技术方案，均落在本发明权利保护范围之内。
Claims (3)
1.铝合金半连续铸造用连续润滑结晶器，包括结晶器本体(8)和上盖(5)，结晶器的内壁镶嵌有石墨内衬(4)，其特征在于：在上盖(5)内设有独立的油腔(3)，所述石墨内衬(4)呈上下对称结构并带有锥度，结晶器本体(8)设有上下两个独立水腔，即上水腔(1)和下水腔(2)，上水腔(1)上开有独立的进水口(71)，下水腔(2)上开有独立的进水口(72)，上水腔(1)内安装有挡水板(61)，下水腔(2)内安装有挡水板(62)，在上水腔(1)的底部设一排喷水孔(9)，在下水腔(2)的底部设一排喷水孔(10)，两排喷水孔(9、10)的角度不等，呈交错状。
2.根据权利要求1所述的铝合金半连续铸造用连续润滑结晶器，其特征在于：石墨内衬(4)的锥角范围在174°～179°。
3.根据权利要求1所述的铝合金半连续铸造用连续润滑结晶器，其特征在于：上水腔喷水孔(9)的角度范围在15°～35°，下水腔喷水孔角度范围在40°～60°。
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