CN101020228A

CN101020228A - 功率超声与低频电磁协同作用的轻合金水平连续铸造方法及设备

Info

Publication number: CN101020228A
Application number: CNA2007100106400A
Authority: CN
Inventors: 乐启炽; 崔建忠; 赵志浩; 张志强
Original assignee: Northeastern University China
Current assignee: Northeastern University China
Priority date: 2007-03-19
Filing date: 2007-03-19
Publication date: 2007-08-22
Anticipated expiration: 2027-03-19
Also published as: CN100515606C

Abstract

一种功率超声与低频电磁协同作用的轻合金水平连续铸造方法及设备，在水套内置一组励磁线圈并通以交流电为熔体提供低频电磁场，同时超声杆通过中间包侧面沿结晶器轴线施加功率超声场；或在结晶器水套内置一组通以低频交流电线圈，同时在结晶器与中间包之间配置一组通以直流电的励磁线圈，为结晶器熔体提供低频电磁振荡场，同时在铸造过程中，超声杆通过中间包侧面沿结晶器轴线施加功率超声场，调节功率超声场和低频电磁场或低频电磁振荡场的工艺参数实现协同场作用下的水平连续铸造；本发明可降低铸坯凝固时温度梯度，改变液穴形状，提高锭坯凝固的均匀性，降低锭坯铸造缺陷的尺寸效应，改善水平连续铸造轻合金大型锭坯的内部和表面质量。

Description

功率超声与低频电磁协同作用的轻合金水平连续铸造方法及设备

技术领域

本发明属于轻合金铸造技术领域，特别涉及一种施加功率超声与低频电磁两种外场协同作用进行轻合金水平连续铸造方法及设备。

背景技术

水平连续铸造技术可以实现连续铸造，具有生产效率高、自动化水平高等优点，但由于重力场引起的上下接触压力和冷却水强度不同，锭坯的一次冷却和二次冷却均存在高向的不均匀性，因此，该方法所制备的锭坯不仅存在晶粒粗大、易热裂和组织疏松等问题，而且高向的组织差别与宏观偏析严重，因此，轻合金的水平连续铸造一般只用于重力场影响较小的直径小于Φ100mm或厚度小于100mm的小规格轻合金锭坯的制备与生产。

施加电磁场或超声波均为改变金属凝固行为的十分有效的方法。电磁场在半连续铸造中的应用的开拓者前苏联的工程师Getselev ZN利用500～4000Hz高频电磁场的磁压力使熔体避免结晶器的一次冷却，直接二次冷却，实现无模铸造以提高铝合金铸坯的表面质量。法国人Vives等利用工频电磁场实现了2024和2214铝合金的电磁铸造，发明了电磁搅拌细化晶粒工艺。近年来，电磁场在有色金属的水平连铸中得到应用，如东北大学利用低频电磁场的特点发明的铝合金、镁合金低频电磁场水平连续铸造工艺，大连理工大学等把电磁场用于铜合金的水平连铸。但由于电磁场在金属熔体中难以克服的集肤效应，即使是低频电磁场，其作用深度也十分有限。这在大规格锭坯的制备中显得十分明显，限制了通过电磁来改变冶金熔体凝固行为的物理尺度。

前苏联在1930年代即开始了金属的超声凝固研究，并发明了轻金属熔体的超声立式半连续铸造技术。水平连铸中常见利用超声进行中间包中的熔体预处理或利用超声振动结晶器。熔体超声预处理主要是通过浸入熔体中的变幅杆实现能量传递，达到改变凝固行为的效果，然而，超声波是纵波，其作用有很显著的方向性，同时超声在金属熔体中的衰减十分严重，使得超声效应主要集中在超声源作用的熔体中部的附近区域，其作用的金属体积同样受到一定限制，一般施加于凝固液芯中的超声难于作用到凝壳附近的表层熔体。另外，熔体超声处理有时效性，即处理后不及时进行凝固将丧失其效果。

可见，电磁场或超声各有利弊，其中，各自作用区域有限：电磁场主要作用于表面区域，超声场主要作用于中心区域。两种外场单一施加均无法实现熔体的全体积作用，难于完全消除锭坯的粗晶区及枝晶区，特别是对于枝晶发达、晶粒粗大，容易造成内应力，裂纹倾向严重的材料的大型锭坯则难度更大。

发明内容

本发明的目的是针对轻合金水平连续铸造存在的问题，利用功率超声场和电磁场的各自特点，实现协同作用，提供一种提高轻合金水平铸造锭坯冶金质量并可成功实现较大规格轻合金锭坯水平连续铸造的技术与装备。

该方法利用低频电磁场与功率超声，或低频电磁振荡与功率超声的协同作用，实现轻合金锭坯铸造过程中的外场全体积作用。

本发明涉及的功率超声与低频电磁协同作用的轻合金较大规格锭坯水平连续铸造技术是采用在轻合金的水平连续铸造过程中同时施加低频电磁振荡场和功率超声场(图1)，或低频电磁场和功率超声场(图2)，功率超声场通过超声杆沿结晶器轴线作用于中间包后侧面部位，电磁场由结晶器的一组内置线圈和一组外置线圈提供，通过超声和电磁两种外场参数的调节实现协同作用，使得结晶器内熔体凝固过程中实现全体积外场作用。

本发明方法所采用的设备包含一个熔体炉，该熔体炉的一侧开有流量控制口、中间包、结晶器、引锭杆，其具体配置是在结晶器水套内置一组励磁线圈，并通之以低频交流电；或在结晶器水套内置一组励磁线圈通以低频交流电，同时在结晶器与中间包之间设置一组励磁线圈通以直流电，在中间包的上方或中间包侧面底部对应结晶器轴线或同时在中间包上方和中间包侧面底部对应结晶器轴线装有可移动的超声变幅杆，超声变幅杆装在由步进电机带动的可移动支架上，还包括一个超声电源和换能器系统，在中间包的前部与结晶器之间的连接设有带可调功率加热体的过渡段。即在中间包与结晶器之间配备一个加热器，其操作步骤是：在熔炼炉中按要求组分进行轻合金熔炼；预热中间包和过渡段，并把引锭杆引入结晶器中；把经过精炼和净化并达设定温度的轻合金熔体经由流量控制口进入中间包中，并通过流量控制口控制中间包中的液面高度；开动与中间包后侧面相连接的功率超声并调节到设定功率，随后开启铸造机并同时打开冷却水，按设定铸造速度进行铸造；给结晶器中的励磁线圈通之以预定频率与强度的交流电，或同时给另一个励磁线圈通之以预定强度的直流电；锭坯通过引锭杆拉出。待水平铸造过程达到稳定时可同时把经过预热的超声变幅杆插入中间包的熔体中施加超声进行预处理，以提高细化和除气效果。对于镁合金而言，中间包中的熔体要采用CO₂+5％SF₆混合气体进行保护，以避免熔体的二次氧化与燃烧而造成的熔体二次污染，保证熔体的质量和铸造过程的顺利进行。

本发明可以显著细化直径或厚度小于100mm的锭坯的内部组织，提高组织的均匀性，减小宏观偏析；并且利用本发明的方法可以成功实现直径或厚度范围在100mm～250mm或更大规格锭坯的水平连续铸造，并且内部组织优良；对镁合金铸造来说，熔体超声预处理用的变幅杆为经过特殊处理的含碳量为0.1～0.8％的低碳钢材料；对铝合金铸造来说，为高温钴基合金(GH605)材料或一种高温耐蚀镍基合金(GH5K)材料制成；从中间包后侧面施加的变幅杆可以是高温耐热钛基、镍基或钴基耐热合金材料制造；

熔体预处理用变幅杆在浸入熔体之前须预热至一定温度，保持0.5h～1h；或者采用乙炔烘烤至相应温度；从中间包后侧面施加作用于结晶器中的熔体所施加的超声频率为18kHz～28kHz，超声强度为3W/cm²～30W/cm²，进行连续施加；或者施加频率为18kHz～28kHz的脉冲超声，脉宽为10^-4s～10^-1s，超声强度为7W/cm²～60W/cm²，进行连续施加；中间包熔体超声预处理时，施加的超声频率为18kHz～28kHz，声强为7W/cm²～60W/cm²；所施加的低频电磁频率范围为1Hz～90Hz，强度为2000Hz～40000AT，静磁场强度为1500AT～30000AT；中间包预热温度至接近铸造温度，烘烤时间2h以上，熔炼炉中的熔体温度控制在高于液相线温度50℃～100℃；铸造速度为60mm/min～400mm/min，应根据锭坯牌号和规格进行调整。

本发明方法极大降低铸坯凝固时的温度梯度，改变液穴形状，提高锭坯凝固的均匀性，显著降低锭坯铸造缺陷的尺寸效应，极大改善水平连续铸造轻合金大型锭坯的内部冶金质量和表面质量，可以获得宏观偏析显著减小，晶粒细化，组织差别减小，裂纹和疏松等缺陷显著抑制，表面质量提高的水平连续铸造锭坯，并由于铸造缺陷的尺寸效应的减小可实现较大规格轻合金锭坯的水平连续铸造。该技术对于枝晶发达、晶粒粗大、偏析严重、组织凝固尺寸效应显著，含气量大、易热裂的镁合金或7075，7055等高合金化的铝合金来说，将可实现其高品质大型锭坯的顺利生产，并显著提高成材率，是有色金属锭坯，特别是轻金属合金和易于出现以上铸造缺陷的较大型锭坯水平连续铸造的先进工艺方法。

附图说明

图1是本发明功率超声与低频电磁振荡协同场作用下的轻合金水平连续铸造装置结构示意图；

图2是本发明功率超声与低频电磁协同场作用下的轻合金水平连续铸造装置结构示意图；

图3为实例中圆形锭坯横截面上的金相组织观察取样部位示意图；

图4为传统水平连铸、低频电磁水平连铸和本发明图2所示水平连铸法制备的AZ91镁合金Φ120mm锭坯的组织对比；

图5为传统水平连铸、低频电磁振荡水平连铸和本发明图1所示水平连铸法制备的ZK60镁合金Φ80mm锭坯的组织对比；

图6为传统水平连铸、低频电磁振荡水平连铸和本发明图1所示水平连铸法制备的一种7XXX铝合金Φ150mm锭坯组织对比；

图7为传统水平连铸、低频电磁水平连铸和本发明图2所示水平连铸法制备的7075铝合金Φ100mm锭坯的组织对比；

图8为ZK60镁合金水平连铸Φ80mm锭坯突然中断铸造过程所显示的不同液穴深度；

其中(a)为传统水平连铸(液穴深度50mm左右)；

(b)为传统水平连铸(液穴深度30mm左右)；

图中：1熔炼炉、2轻合金熔体、3流量控制口、4超声变幅杆、5中间包、6励磁线圈、7冷却水、8锭坯、9引锭杆、10结晶器、11带加热体的过渡段。

具体实施方式

实施例1AZ91镁合金Φ120mm锭坯水平连铸

按照配比熔炼AZ91镁合金，并添加2％Ca以实现阻燃；熔体在中间包中无超声处理，在结晶器中施加功率超声场与低频电磁场的协同作用。

铸造工艺条件为：铸造速度为120mm/min；Φ20mm超声变幅杆为高温钴基合金材质；超声频率为20kHz，超声强度约为10W/cm²；中间包中的熔体温度为680℃～690℃；交流频率25Hz，强度5000AT。

图4为传统水平连铸、低频电磁水平连铸和本发明的低频电磁与功率超声协同场水平铸造方法获得的AZ91镁合金Φ120mm锭坯的组织比较。可见，传统水平连铸组织晶粒粗大，枝晶特别发达，为放射状大枝晶，其中部的枝晶达到700μm以上；低频电磁水平连铸组织中的晶粒明显细化，枝晶退化明显，但中部和上部的晶粒，仍然为较为粗大的晶粒；本发明的低频电磁与超声协同场下的水平铸造获得的组织则为细小、均匀的细小枝晶或蔷薇晶，上、中、下不同部位组织没有明显差别。

通过对突然中断铸造检测得到液穴深度表明，铸造速度为120mm/min时，传统水平半连铸的液穴深度为70mm左右，本发明方法为50mm左右。

实施例2：ZK60镁合金Φ80mm锭坯水平连铸

按照配比熔炼ZK60镁合金，并添加20ppmBe以实现阻燃；熔体在中间包中无超声处理，在结晶器中施加功率超声场与低频电磁振荡场的协同作用。

铸造工艺条件为：铸造速度为160mm/min；超声频率为20kHz，超声强度约为10W/cm²；中间包中的熔体温度690℃～700℃；交流电磁频率30Hz，强度为3200AT，直流电磁场强度为3200AT。

图5为传统水平连铸、低频电磁振荡水平连铸和本发明的低频电磁振荡与功率超声协同场的水平连铸三种方法获得的ZK60镁合金Φ80mm锭坯的组织比较。可见，ZK60组织均为等轴组织，传统水平连铸组织平均晶粒度大约为90μm～100μm，上部和中部的晶粒度比下部大一些；低频电磁振荡水平连铸组织中的晶粒明显细化，上部和下部的晶粒度差别较小，但中部仍然较为粗大，平均晶粒度为50μm～60μm；本发明方法铸造获得的组织，不同部位差别很小，晶粒细小，平均晶粒度大约为30μm～40μm。

通过对突然中断铸造检测得到液穴深度表明，铸造速度为160mm/min时，传统水平半连铸的液穴深度为50mm左右，本发明方法为30mm左右。

实施例3：一种7XXX铝合金Φ150mm锭坯水平连铸

按照配比熔炼一种7XXX铝合金，并经过除气与净化操作；熔体在中间包中无超声处理，在结晶器中施加功率超声场与低频电磁振荡场的协同作用。

铸造工艺条件为：铸造速度为110mm/min；超声频率为20kHz，超声强度约为10W/cm²；中间包中的熔体温度700℃～710℃；交流频率25Hz，强度12000AT。

图6为传统水平连铸、低频电磁振荡水平连铸和本发明的低频电磁振荡与功率超声协同场的水平连铸三种方法获得的该7XXX铝合金Φ150mm锭坯的组织比较。可见，该合金传统水平连铸锭坯组织除了上部存在一些小枝晶外，主要为等轴晶粒组成，但晶粒都很粗大且不同部位差别很大，中部组织晶粒度达到120μm～130μm以上；低频电磁振荡水平连铸组织明显细化，不同部位的组织差别较小，但中部和上部仍然较粗大，平均晶粒度为60μm～65μm；本发明方法铸造获得的组织，晶粒进一步细化，不同部位差别很小，平均晶粒度大约为40μm～50μm。

通过对突然中断铸造检测得到液穴深度表明，铸造速度为110mm/min时，传统水平半连铸的液穴深度为40mm左右，本发明方法为30mm左右。

实施例4：7075铝合金Φ100mm锭坯水平连铸

按照配比熔炼7075铝合金；熔体在中间包中无超声处理，在结晶器中施加功率超声场与低频电磁场的协同作用。

铸造工艺条件为：铸造速度为125mm/min；超声频率为20kHz，超声强度约为10W/cm²；中间包中的熔体温度710℃～720℃；交流频率25Hz，强度7200AT。

图7为传统水平连铸、低频电磁水平连铸和本发明的低频电磁与功率超声协同场的水平连铸三种方法获得的7075铝合金Φ100mm锭坯的组织比较。可见，7075铝合金组织均为枝晶组织，传统水平连铸组织晶粒粗大，不同部位也存在明显差别；低频电磁水平连铸组织中的晶粒明显细化，枝晶退化为蔷薇晶，组织差别减小；本发明方法铸造获得的组织进一步细化，不同部位差别很小。

通过对突然中断铸造检测得到液穴深度表明，铸造速度为125mm/min时，传统水平半连铸的液穴深度为30mm左右，本发明方法为25mm左右。

Claims

1、一种功率超声与低频电磁协同作用的轻合金水平连续铸造方法，其特征在于轻合金水平连续铸造过程中在水套内置一组励磁线圈并通之以交流电为熔体提供低频电磁场，同时超声杆通过中间包侧面沿结晶器轴线施加功率超声场；或在结晶器水套内置一组通之以低频交流电线圈，同时在结晶器与中间包之间配置一组通之以直流电的励磁线圈，两组线圈产生的电磁场交互作用为结晶器熔体提供低频电磁振荡场，同时在铸造过程中，超声杆通过中间包侧面沿结晶器轴线施加功率超声场，调节功率超声场和低频电磁场或低频电磁振荡场的工艺参数实现协同场作用下的水平连续铸造。

2、如权利要求1所述功率超声与低频电磁协同作用的轻合金水平连续铸造方法，其特征在于该方法的工艺步骤是：在熔炼炉中按要求组分进行轻合金熔炼；预热中间包和过渡段，并把引锭杆引入结晶器中；把经过精炼和净化并达设定温度的轻合金熔体经由流量控制口进入中间包中，并通过流量控制口控制中间包中的液面高度；开动与中间包后侧面相连接的功率超声并调节到设定功率，随后开启铸造机并同时打开冷却水，按设定铸造速度进行铸造；给结晶器中的励磁线圈通之以预定频率与强度的交流电，或同时给另一个励磁线圈通之以预定强度的直流电；锭坯通过引锭杆拉出，待水平铸造过程达到稳定时可同时把经过预热的超声变幅杆插入中间包的熔体中施加超声进行预处理。

3、如权利要求1所述功率超声与低频电磁协同作用的轻合金水平连续铸造方法，其特征在于所述调节参数：熔体预处理用变幅杆在浸入熔体之前须预热至一定温度，保持0.5h～1h；或者采用乙炔烘烤至相应温度；从中间包后侧面施加作用于结晶器中的熔体所施加的超声频率为18kHz～28kHz，超声强度为3W/cm²～30W/cm²，进行连续施加；或施加频率为18kHz～28kHz的脉冲超声，脉宽为10^-4s～10^-1s，超声强度为7W/cm²～60W/cm²，进行连续施加；中间包熔体超声预处理时，施加的超声频率为18kHz～28kHz，声强为7W/cm²～60W/cm²；所施加的低频电磁频率范围为1Hz～90Hz，强度为2000Hz～40000AT，静磁场强度为1500AT～30000AT；中间包预热温度至接近铸造温度，烘烤时间2h以上，熔炼炉中的熔体温度控制在高于液相线温度50℃～100℃；铸造速度为60mm/min～400mm/min。

4、如权利要求1所述功率超声与低频电磁协同作用的轻合金水平连续铸造方法，其特征在于当铸造镁合金时，中间包中的熔体采用CO₂+5％SF6混合气体进行保护。

5、权利要求1功率超声与低频电磁协同作用的轻合金水平连续铸造方法所用的设备，包括一个熔体炉，该熔体炉的一侧开有流量控制口、中间包、结晶器、引锭杆，其特征在于在结晶器水套内置一组励磁线圈，并通之以低频交流电；或在结晶器水套内置一组励磁线圈通以低频交流电，同时在结晶器与中间包之间设置一组励磁线圈通以直流电，在中间包的上方或中间包侧面底部对应结晶器轴线或同时在中间包上方和中间包侧面底部对应结晶器轴线装有可移动的超声变幅杆，超声变幅杆装在由步进电机带动的可移动支架上，还包括一个超声电源和换能器系统，在中间包的前部与结晶器之间的连接设有带可调功率加热体的过渡段。

6、如权利要求5所述功率超声与低频电磁协同作用的轻合金水平连续铸造方法所用的设备，其特征在于对镁合金铸造来说，熔体超声预处理用的变幅杆为经过特殊处理的含碳量为0.1～0.8％的低碳钢材料；对铝合金铸造来说，为高温钴基合金材料GH605或一种高温耐蚀镍基合金材料GH5K制成；从中间包后侧面施加的变幅杆采用高温耐热钛基、镍基或钴基耐热合金材料制造。