CN101185960A - 铝合金中频电磁振荡半连续铸造用结晶器 - Google Patents

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Inventor
王家淳
郭世杰
刘金炎
马科
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Suzhou Nonferrous Metal Research Institute Co Ltd
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Suzhou Nonferrous Metal Research Institute Co Ltd
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Abstract

本发明提供一种铝合金中频电磁振荡半连续铸造用结晶器，包括结晶器本体和石墨内衬，石墨内衬镶嵌在结晶器的内壁，在石墨内衬上侧安装保温帽，在保温帽的外侧布置交流线圈，在交流线圈的外侧布置直流线圈，交流线圈和直流线圈的外围设置绝缘垫圈，绝缘垫圈使交流线圈及直流线圈与结晶器本体隔离。铸造过程中通过两个磁场的相互耦合作用实现对铝合金熔体的中频电磁振荡，达到细化铸锭晶粒的目的；采用中频交流电磁场，有效避免了低频电磁场强烈搅拌作用产生的熔体液面波动，使得熔体不易卷气和裹渣；电磁振荡磁场频率范围较宽，实现多种频率的电磁振荡功能，产生了极为明显的经济效益。

Description

铝合金中频电磁振荡半连续铸造用结晶器
技术领域
本发明涉及铝合金中频电磁振荡半连续铸造用结晶器，属于铝合金半连续铸造技术领域。
背景技术
目前铝合金铸造通常采用直冷式半连续铸造工艺来生产铝合金的圆锭和扁锭，为了细化铝合金铸锭的晶粒尺寸，提高铸锭的综合质量，采取了多种方法，包括：添加晶粒细化剂、改善铸锭的冷却环境、施加外场辅助铸造等。
添加晶粒细化剂(Al-Ti-B/Al-Ti-C)是铝合金生产企业普遍采用的一种细化方法，广泛应用于纯铝以及低合金含量铝合金铸锭的生产中。该方法的主要原理是通过在铝熔体内引入大量的异质形核核心来达到细化晶粒的目的。虽然这种方法细化效果明显，但是细化剂价格较贵，并且对于2×××和7×××硬铝合金，细化效果不明显。
改善铸锭的冷却环境主要是通过增大铸锭冷却速率的方式来达到细化晶粒的目的。较先进的铝合金铸造生产工艺，如低液位铸造、气滑铸造、铝合金铸轧等，均是通过增大铝合金铸坯的冷却环境提高铸锭的综合性能。但是这些铸造工艺装备比较复杂，对自动化要求的程度较高，而且其中的关键技术实行保密，不利于推广运用。
通过施加外场辅助铸造来细化铸锭晶粒是目前研究的热点，主要包括施加机械搅拌、超声波、电磁场等。施加机械搅拌来细化铝合金铸锭组织曾广泛采用，并取得了明显的细化效果，但是机械搅拌时搅拌棒非常容易被铝合金熔体腐蚀，导致对熔体造成二次污染，因此已基本不采用。施加超声波也是细化效果较好的方式之一，但是施加超声时超声的振头必须要浸入到铝熔体中，在对熔体进行超声振动的同时势必也对熔体污染，因此超声波的使用也受到了一定的限制。电磁场通过感应线圈产生的电磁波作用于铝合金熔体，由于电磁波的传播可以不依靠任何介质，因此电磁场作用于铝熔体具有“非接触”特性，从而有效的避免了杂质对熔体的二次污染。
电磁振荡技术是采用复合电磁场即直流磁场和交流磁场的复合作用对凝固熔体达到细化铸锭晶粒的目的。法国研究学者Vives首先将工频电磁振荡技术应用于铝合金的半连续铸造，有效的细化了晶粒。专利CN1425519在此基础上采用更低的电磁场频率，开发了铝合金低频电磁铸造技术。但是，采用低频电磁振荡技术由于振荡频率的选择范围较窄，对铸锭的细化效果有限，此外，由于低频电磁场强烈的搅拌作用会使熔体液面出现波动，容易卷气和裹渣。
发明内容
本发明的目的是克服现有技术存在的不足，提供一种铝合金中频电磁振荡半连续铸造用结晶器，实现细化铸锭晶粒的作用。
本发明的目的通过以下技术方案来实现：
铝合金中频电磁振荡半连续铸造用结晶器，包括结晶器上盖、结晶器本体和石墨内衬，石墨内衬镶嵌在结晶器的内壁，其特点是：在石墨内衬上侧安装保温帽，在保温帽的外侧布置交流线圈，在交流线圈的外侧布置直流线圈，交流线圈和直流线圈的外围设置绝缘垫圈，绝缘垫圈使交流线圈及直流线圈与结晶器本体隔离。
进一步地，上述的铝合金中频电磁振荡半连续铸造用结晶器，所述结晶器本体的材质采用锻铝。
更进一步地，上述的铝合金中频电磁振荡半连续铸造用结晶器，所述保温帽的厚度为5～20mm。
再进一步地，上述的铝合金中频电磁振荡半连续铸造用结晶器，所述交流线圈采用单匝铜板或者多匝铜管制成，所述直流线圈也采用单匝铜板或者多匝铜管制成。
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：
本发明结构新颖，在保温帽的外侧布置有交流线圈和直流线圈，铸造过程中通过两个磁场的相互耦合作用实现对铝合金熔体的中频电磁振荡，达到细化铸锭晶粒的目的。采用中频交流电磁场，有效的避免了低频电磁场强烈搅拌作用产生的熔体液面波动，使得熔体不易卷气和裹渣。电磁振荡磁场频率范围较宽，实现多种频率的电磁振荡功能。本发明结晶器可根据不同铝合金系列的铸造特性改变电磁振荡的施加方式和施加时间，在保证铸锭成品率的同时达到较优的电磁振荡效果。
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：本发明中频电磁振荡半连续铸造用结晶器的剖视示意图；
图2：本发明中频电磁振荡半连续铸造用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   保温帽   2   绝缘垫圈   3   交流线圈
  4   直流线圈   5   石墨内衬   6   结晶器
  7   喷水孔   8   挡水板   9   进水孔
  10   冷却水   11   液固两相区   12   铸锭
  13   引锭头   14   熔体液面
具体实施方式
如图1所示，铝合金中频电磁振荡半连续铸造用结晶器，包括结晶器上盖、结晶器本体6和石墨内衬5，结晶器本体6采用锻铝材质，结晶器上盖采用切缝设计，缝隙处用云母片填充，可以减小电磁场在结晶器内造成的不必要损耗。结晶器内壁镶嵌一个具有自润滑功能的石墨内衬5，增加结晶器的润滑效果。在石墨内衬5上侧安装保温帽1，保温帽1的厚度为5～20mm。在保温帽1的外侧布置交流线圈3，交流线圈3采用单匝铜板或者多匝铜管制成；在交流线圈3的外侧布置直流线圈4，直流线圈4也采用单匝铜板或者多匝铜管制成。交流线圈3和直流线圈4的外围设置绝缘垫圈2，绝缘垫圈2使交流线圈3及直流线圈4与结晶器本体6隔离。在结晶器内部空腔中设置挡水板8，结晶器底面设有进水孔9，结晶器本体上还开有斜向喷水孔7。
在保温帽1的外侧先布置交流线圈3，产生频率范围在500～3000Hz，强度范围在5～60mT内的交变电磁场。在交流线圈3的外侧布置直流线圈4，产生强度范围在15～70mT的静磁场，通过两个磁场的耦合作用使保温帽内的铝合金熔体受到较宽频率范围的电磁振荡作用。
当交流线圈中通入频率为f的交变磁场B(t)时，B(t)可表示为：B(t)＝B sin(2πft)；根据电磁感应原理，处在交变电磁场中的金属熔体内会产生相同频率的感生电流J，由于熔体同时处在静磁场B0环境中，熔体产生的感生电流J和静磁场B0发生交互作用，使熔体产生同频率的电磁力F，可表示为：F＝J×B0＝B0J(V/A)sin(2πft)；式中V为熔体体积，A为垂直于力的作用表面积。由于感生电流J主要集中在熔体的集肤深度内，因此电磁振荡力F主要发源于熔体的外表面集肤深度内。熔体内感生电流的方向周期变化，因此，熔体受到的电磁振荡力的方向也周期变化，并且它起源于熔体边部，依靠熔体的弹性向熔体中心传播。
本发明铝合金中频电磁振荡半连续铸造用结晶器，在结晶器的工作过程中，内侧的交流线圈3通入交流电的频率范围为500～3000Hz，铸造中保证交变电磁场的强度范围为15～60mT。外侧的直流线圈4通入直流电后保证直流磁场的强度范围为20～70mT。如图2，铝合金熔体进入结晶器后，形成液固两相区11，喷水孔7喷出的冷却水10对铸锭12进行冷却，液固两相区11上方为熔体液面14，液固两相区11下方形成铸锭12，由引锭头13引出。
对于不同合金牌号的铝合金，本结晶器有多种不同的方式：
对于铸造性能较优，铸锭不易产生热裂纹的以1×××为代表的软铝合金，铝合金熔体经除气和除渣处理进入结晶器后，可以在铸造的开始阶段铝合金熔体刚接触引锭头时即开始同时施加交流和直流电磁场，但是此时两个磁场的强度不易过大。随着铸造进行到稳定阶段后，加大交流磁场和直流磁场到预设强度值，使铝合金熔体在相对较强的电磁振荡作用下铸造成形。对于此系列的铝合金铸锭，交流磁场和直流磁场的强度都可以适当加大，为了保证电磁振荡对铸锭的细化效果以及金属液面的稳定，直流磁场的强度大于交流磁场的强度。
对于铸造性能相对较差的5×××系、6×××系铝合金，在铸造过程中，铝合金熔体经除气和除渣处理进入结晶器后首先进行不施加电磁振荡的常规铸造过程，待铸造达到稳定阶段后再逐渐增大交流和直流磁场强度到预设值，铝合金熔体在两个磁场振荡作用下凝固成形，达到细化铸锭显微组织的目的。
对于铸造性能较差，热裂倾向较严重的2×××系、7×××系铝合金，在铸造的开始阶段铸锭非常容易发生热裂纹而导致整个铸造过程失败，因此，当熔体进入结晶器后首先施加较高强度的中频交流磁场，随后随着铸造的进行并进入稳定阶段后再逐渐施加直流磁场强度的强度，并逐步降低交流磁场强度，在保证熔体液面稳定地同时对熔体施加相对较强的电磁振荡，达到细化铸锭显微组织的目的。
综上所述，本发明结晶器在铸造过程中通过两个磁场的相互耦合作用实现对铝合金熔体的中频电磁振荡，达到细化铸锭晶粒的目的。采用中频交流电磁场，有效避免了低频电磁场强烈搅拌作用产生的熔体液面波动，使得熔体不易卷气和裹渣；电磁振荡磁场频率范围较宽，实现多种频率的电磁振荡功能。根据不同铝合金系列的铸造特性改变电磁振荡的施加方式和施加时间，在保证铸锭成品率的同时达到较优的电磁振荡效果，经济效益和社会效应显著，具有较佳的实际应用意义。
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 (4)

1.铝合金中频电磁振荡半连续铸造用结晶器，包括结晶器本体(6)和石墨内衬(5)，石墨内衬(5)镶嵌在结晶器的内壁，其特征在于：在石墨内衬(5)上侧安装保温帽(1)，在保温帽(1)的外侧布置交流线圈(3)，在交流线圈(3)的外侧布置直流线圈(4)，交流线圈(3)和直流线圈(4)的外围设置绝缘垫圈(2)，绝缘垫圈(2)使交流线圈(3)及直流线圈(4)与结晶器本体(6)隔离。
2.根据权利要求1所述的铝合金中频电磁振荡半连续铸造用结晶器，其特征在于：所述结晶器本体(6)的材质采用锻铝。
3.根据权利要求1所述的铝合金中频电磁振荡半连续铸造用结晶器，其特征在于：所述保温帽(1)的厚度为5～20mm。
4.根据权利要求1所述的铝合金中频电磁振荡半连续铸造用结晶器，其特征在于：所述交流线圈(3)采用单匝铜板或者多匝铜管制成，所述直流线圈(4)也采用单匝铜板或者多匝铜管制成。
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