CN101549392A - 一种复层铸坯的电磁连续铸造方法与装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种复层铸坯的电磁连续铸造方法及其装置，在连续铸造水冷结晶器内插入石墨挡板，于水冷结晶器上方设置热顶，热顶内开设三个雨淋式浇注口，在水冷结晶器外侧、石墨挡板下端位置安装电磁制动器。铸造过程中内层金属液通过第一雨淋式浇注口浇注到水冷结晶器内，外层金属液通过第二和第三雨淋式浇注口浇注到水冷结晶器内，并由石墨挡板隔开，形成复层铸坯的三层，铁心产生的电磁力阻碍石墨挡板下端的内层金属液和外层金属液混流。用两种或两种以上的金属液直接连续铸造出复层铸坯，保证了界面具有良好的冶金结合，铸坯内外层的厚度可调；可以生产大规格的铸坯，显著降低了复层材料的生产成本，工艺过程和设备都比较简单，易于实现大批量连续生产。
Description
技术领域
本发明涉及一种复层铸坯的铸造方法和装置，属于金属材料制备技术领域。
背景技术
复层金属材料是利用复合技术使两种或两种以上的物理、化学、力学性能不同的金属在界面上实现牢固结合而制备的一种新型复合材料，在保持母材金属特性的同时具有“互补效应”，可以弥补各自的不足。被广泛地应用于汽车、舰船、航空航天、石油化工、电子和核工业等领域。
目前制备双金属材料的方法有多种。一般常用机械或化学的方法将不同性能的金属材料以固-固或固-液的形式复合在一起，如轧制复合、爆炸复合、固-液包熔复合等。然而目前的制备方法生产的复层金属材料在随后的轧制和机械加工过程中，由于应力集中，很容易在界面处出现裂纹，导致材料失效。
生产复层材料的主要方法有：
1、轧制复合法
在一定的压缩变形量下，经过表面处理的两种金属表面相互嵌合，露出的新鲜金属原子之间形成原子键。在这两种机制的共同作用下使两种金属结合在一起。轧制复合分为热轧复合和冷轧复合。其优点是可制备薄的复层板带，易于实现工业化生产，而且没有采用电镀和物理化学方法时存在的环境污染问题，但是由于轧制过程中扩散和化学反应进行的不充分，未完全在复合界面形成过渡结构，因此结合强度不理想
2、爆炸焊接法
是指将两种固体金属板材用爆破的方法熔合到一起，得到性能不同的两侧面的复层材料。该方法制备的复层材料存在固-固界面，生产效率低、不能生产大型的板材、劳动条件差，而且具有一定的危险性。
3、包覆铸造成形法
将预先制备好的经过表面处理的高熔点金属件作为芯材置于铸型内，预热到合适的温度后浇入熔点较低的金属，通过两者的扩散熔合形成整体铸件。其典型代表是用于生产复层轧辊的连续浇铸包覆法。这种方法生产工艺简单，得到的轧辊性能良好，生产成本低，但是包覆铸造成形法主要用于生产线材，且要求对预制件进行严格的表面处理，难以解决界面问题。即，外层凝固时，气体和杂质易于富集在界面。
4、双流连续铸造法
是指将两种金属在不同的熔化设备中分别进行熔炼，同时或先后浇铸到铸型中。采用双流浇注法能够避免上述的界面问题，可以得到从液态开始顺序凝固的复层铸件。目前，主要的双流连续铸造法有：双流浇注连铸工艺、双结晶器连铸工艺、充芯连铸工艺和电磁制动制备复层材料连铸工艺。其中，电磁制动复层材料连铸工艺是一种新型的制备复层铸坯的先进方法。
1998年，张文卫等在《金属学报》上发表的论文“以连续铸造法制备梯度材料的实验研究”中阐述了双流浇注连铸工艺的基本原理：在传统的连续铸造基础上增加一个内浇包及其导流系统，内外浇包分别容纳不同成分的两种熔体，流经外浇包的金属液经出水口后直接进入结晶器中，受激冷而首先凝固成具有一定厚度的薄壳，当内浇包的熔体脱离内导管时则被凝固薄壳和富含籽晶和熔断枝晶的残余外部金属液包围。通过调整铸造时的工艺参数，可以控制内外浇包中两种液体的凝固时间差，促进结晶器内熔体由外向内顺序凝固，实现两种液体的部分混合，形成合理厚度的中间结合层，从而得到梯度复合材料。该方法内外层合金液之间发生混合，得到的是梯度复合材料，没有明显的过渡层，且主要用来生产圆锭。
1999年公开的专利号为98101042.3应用了双结晶器连铸工艺的基本原理，该专利提出由2～4个水冷结晶器、1～3个氧化防护套、1～3个熔池感应加热器、红外测温与温度控制仪、引锭机组成，各结晶器沿引锭方向配置于同一轴线上。该发明的优点为多层复合材料可以一次铸造成形，实现短流程复合，获得各层之间的界面无氧化皮、油污夹杂的高质量的复合材料。但是，该方法主要用来生产圆锭，不宜用来生产板坯且只适合心部金属熔点高，外层金属熔点低的情况。
2002年公开的专利号为01109076.6中提出了充芯连铸的方法，该方法的主要特征是采用上下两个坩锅，使心部金属与外层金属分别在上下两个坩锅中熔化；由导流管和结晶器共同构成连铸铸管的铸型，外层金属液在其中凝固形成铸管；下拉外层金属铸管的同时，心部金属液随之充入铸管中，在一定的拉速和温度下，实现心部金属的凝固及其与外部金属的复合，该方法主要用来铸造复层圆锭且只适合于心部金属熔点低，外层金属熔点高的情况。
1998年公开的JP平1-271042专利提出在结晶器底部施加直流电磁场的方法。两种不同成分的液态金属同时通过一长一短两个浸入式水口进入结晶器，借助位于结晶器下面的水平磁场的作用，产生与上部金属液重力相等的洛仑兹力，使结晶器内形成上、下两个区域，在连铸过程中，上部区域中的金属液形成外层金属，而下部区域的金属液进入芯部成为内层金属。
2003年公开的CN 1413782A专利提出在水冷结晶器外侧施加直流电磁场的方法。该方法的特征是同时向连铸结晶器内浇注两种不同成分的金属液，在水冷结晶器外侧施加直流电磁场降低浸入式浇口流出的金属液的流速，从而抑制两种金属液间的混流，直接连续铸造出左右两侧面具有不同成分的复层铸坯。该方法工艺过程简单，显著降低了复层材料的生产成本；由于两种金属液是直接铸造形成复层材料，不存在一般复层材料的界面问题，所以制备的铸件质量好。但是，该方法只适合生产左右分层的复层铸坯。
发明内容
本发明要解决的技术问题是，提供一种复层铸坯的电磁连续铸造装置方法，用该方法可以生产出界面清晰，表面光洁，内、外三层成分性能不同的复层铸坯；另外，本发明还提供一种复层铸坯的电磁连续铸造装置，该装置可以生产出界面清晰，表面光洁，内、外三层成分性能不同的复层铸坯。
为解决上述技术问题，本发明提供了一种复层铸坯的电磁连续铸造装置，包括水冷结晶器9，其上方设置热顶5，在热顶(5)中间开设第一雨淋式浇注口(3)，在热顶(5)两侧开设第二雨淋式浇注口(4a)和第三雨淋式浇注口(4b)；所述热顶5的上方设置有支架1，石墨挡板2安装在所述支架1上；所述石墨挡板2插入水冷结晶器9内，将雨淋式浇注口4分隔成浇注口4a和4b；电磁制动器设置在所述水冷结晶器9的外侧，所述石墨挡板2的下端。
上述复层铸坯的电磁连续铸造装置，其中，所述电磁制动器由线圈7和铁心8组成。
上述复层铸坯的电磁连续铸造装置，其中，所述电磁制动器外部设置有一容器，用于容纳冷却水6。
上述复层铸坯的电磁连续铸造装置，其中，所述水冷结晶器9内镶嵌有石墨内衬10，该石墨内衬10与所述水冷结晶器9形成一体结构。
本发明还提供了一种复层铸坯的电磁连续铸造方法，采用本发明提供的装置，该方法包括以下步骤：
a将复层铸坯的内层铝合金金属液13和外层铝合金金属液14加热至熔化，精炼去气后保温待用对于保温的温度没有特殊要求，可以满足铝合金铸造的需要即可，一般可以在680～780℃；
b将底模11提升入所述水冷结晶器9内；
c将内层铝合金金属液13通过所述的第一雨淋式浇注口3浇注到所述水冷结晶器9内，外层铝合金金属液14通过所述的第二雨淋式浇注口4a和第三雨淋式浇注口4b浇注到所述水冷结晶器9内；
d接通电磁制动器电源，使所述的电磁制动器产生直流磁场，并牵引所述底模11。
上述复层铸坯的电磁连续铸造方法，其中，所述步骤a中外层铝合金金属液14为两种不同的铝合金金属液。
上述复层铸坯的电磁连续铸造方法，其中，当铸造出的复层铸坯12达到要求长度时，停止所述步骤b中的浇注合金液，切断电源，停止所述电磁连续铸造装置。
上述复层铸坯的电磁连续铸造方法，其中，所述电磁制动器内产生的直流磁场的范围是：140mT～300mT；所述牵引底模11的速度范围是：40～140mm/s。
上述复层铸坯的电磁连续铸造方法，其中，电磁制动器内产生的直流磁场值为180mT的直流磁场，所述牵引底模11的速度值为100mm/min。
上述复层铸坯的电磁连续铸造方法，其中，所述石墨挡板2设置在所述水冷结晶器9内，通过所述支架1进行调整。
采用本发明的技术方案，在连续铸造水冷结晶器内插入石墨挡板，于水冷结晶器上方设置热顶，热顶内开设三个雨淋式浇注口，在水冷结晶器外侧、石墨挡板下端位置安装由线圈和铁心组成的电磁制动器。铸造过程中内层金属液通过第一雨淋式浇注口浇注到水冷结晶器内，外层金属液通过第二和第三雨淋式浇注口浇注到水冷结晶器内，并由石墨挡板隔开，形成复层铸坯的三层，铁心产生的电磁力阻碍石墨挡板下端的内层金属液和外层金属液混流。用两种或两种以上的金属液直接连续铸造出复层铸坯，保证了界面具有良好的冶金结合，铸坯内外层的厚度可调；可以生产大规格的铸坯，显著降低了复层材料的生产成本，工艺过程和设备都比较简单，易于实现大批量连续生产。
附图说明
附图为本发明复层铸坯的电磁连续铸造装置的结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图及实施例详细描述本发明。
本发明复层铸坯的电磁连续铸造装置的结构，参看附图，水冷结晶器9上方设置热顶5，热顶5中间开设第一雨淋式浇注口3，热顶5两侧开设第二雨淋式浇注口4a和第三雨淋式浇注口4b，在浇注口4a和4b内可以分别注入相同或不相同的铝合金金属液作为外层金属液；热顶5上方设置有支架1，石墨挡板2安装在支架1上并插入水冷结晶器9内；电磁制动器设置在水冷结晶器9的外侧石墨挡板2的下端位置，电磁制动器由线圈7和铁心8组成。
在电磁制动器外部设置有一容器，其中注有冷却水6，其用来冷却感应线圈7，以避免线圈7在使用过程中因发热量过大而烧毁。
水冷结晶器9内设置有石墨内衬10，用来吸收外层金属液14的热量，使其凝固成一定厚度的凝壳，从而得到复层铸坯；石墨内衬10通过镶嵌在结晶器9的内表面的凹陷处，与结晶器9形成一体结构。
参照附图，本发明复层铸坯的电磁连续铸造方法的步骤如下：
实施例一
步骤1：铝合金坯料熔炼和保温
将3003铝合金和4004铝合金分别作为内层金属液13和外层金属液14，分别将它们加热至730℃和700℃，精炼去气后保温待用。
步骤2：复层材料的电磁连续铸造
将底模11升入所述复层铸坯的电磁连续铸造装置的水冷结晶器9内，通过支架1调整石墨挡板2的位置。检查冷却水系统并保证其处于正常工作状态后，将预先保温的内层金属液13通过第一雨淋式浇注口3注入到水冷结晶器9内，外层金属液14通过第二雨淋式浇注口4a和第三雨淋式浇注口4b浇注到水冷结晶器9内，接通线圈7的电流，使铁芯8内产生180mT的直流磁场，以100mm/min的速度牵引底模11。
步骤3：停止铸造
当铸造出的复层铸坯12达到要求长度时，停止浇注合金液，停止铸机，关闭冷却系统，切断电源。
步骤4：复层铸坯的质量检验
检查铸坯的表面质量。将制得的铸坯12从距底端1000mm处锯断，取得厚度为20mm的切片，将其抛光、腐蚀后观察宏观金相组织。可以看到铸坯12的内、外层分别为3003和4004铝合金，有清晰的界面、表面光洁，为合格产品。
实施例二
步骤1：铝合金坯料熔炼和保温
将3003铝合金和4045铝合金分别作为内层金属液13和外层金属液14，分别将它们加热至730℃和715℃，精炼去气后保温待用。
步骤2：复层材料的电磁连续铸造
将底模11升入所述复层铸坯的电磁连续铸造装置的水冷结晶器9内，通过支架1调整石墨挡板2的位置。检查冷却水系统并保证其处于正常工作状态后，将预先保温的内层金属液13通过第一雨淋式浇注口3注入到水冷结晶器9内，外层金属液14通过第二雨淋式浇注口4a和第三雨淋式浇注口4b浇注到水冷结晶器9内，接通线圈7的电流，使铁芯8内产生140mT的直流磁场，以140mm/min的速度牵引底模11。
步骤3：停止铸造
当铸造出的复层铸坯12达到要求长度时，停止浇注合金液，停止铸机，关闭冷却系统，切断电源。
步骤4：复层铸坯的质量检验
检查铸坯的表面质量。将制得的铸坯12从距底端1000mm处锯断，取得厚度为20mm的切片，将其抛光、腐蚀后观察宏观金相组织。可以看到铸坯12的内、外层分别为3003和4045铝合金，有清晰的界面、表面光洁，为合格产品。
实施例三
步骤1：铝合金坯料熔炼和保温
将3103铝合金和4343铝合金分别作为内层金属液13和外层金属液14，分别将它们加热至725℃和700℃，精炼去气后保温待用。
步骤2：复层材料的电磁连续铸造
将底模11升入所述复层铸坯的电磁连续铸造装置的水冷结晶器9内，通过支架1调整石墨挡板2的位置。检查冷却水系统并保证其处于正常工作状态后，将预先保温的内层金属液13通过第一雨淋式浇注口3注入到水冷结晶器9内，外层金属液14通过第二雨淋式浇注口4a和第三雨淋式浇注口4b浇注到水冷结晶器9内，接通线圈7的电流，使铁芯8内产生300mT的直流磁场，以110mm/min的速度牵引底模11。
步骤3：停止铸造
当铸造出的复层铸坯12达到要求长度时，停止浇注合金液，停止铸机，关闭冷却系统，切断电源。
步骤4：复层铸坯的质量检验
检查铸坯的表面质量。将制得的铸坯12从距底端1000mm处锯断，取得厚度为20mm的切片，将其抛光、腐蚀后观察宏观金相组织。可以看到铸坯12的内、外层分别为3103和4343铝合金，有清晰的界面、表面光洁，为合格产品。
实施例四
步骤1：铝合金坯料熔炼和保温
将3003铝合金和4047铝合金分别作为内层金属液13和外层金属液14，分别将它们加热至730℃和700℃，精炼去气后保温待用。
步骤2：复层材料的电磁连续铸造
将底模11升入所述复层铸坯的电磁连续铸造装置的水冷结晶器9内，通过支架1调整石墨挡板2的位置。检查冷却水系统并保证其处于正常工作状态后，将预先保温的内层金属液13通过第一雨淋式浇注口3注入到水冷结晶器9内，外层金属液14通过第二雨淋式浇注口4a和第三雨淋式浇注口4b浇注到水冷结晶器9内，接通线圈7的电流，使铁芯8内产生260mT的直流磁场，以40mm/min的速度牵引底模11。
步骤3：停止铸造
当铸造出的复层铸坯12达到要求长度时，停止浇注合金液，停止铸机，关闭冷却系统，切断电源。
步骤4：复层铸坯的质量检验
检查铸坯的表面质量。将制得的铸坯12从距底端1000mm处锯断，取得厚度为20mm的切片，将其抛光、腐蚀后观察宏观金相组织。可以看到铸坯12的内、外层分别为3003和4047铝合金，有清晰的界面、表面光洁，为合格产品。
实施例五
步骤1：铝合金坯料熔炼和保温
将3103铝合金作为内层金属液13，将4045铝合金和4343铝合金分别作为外层金属液14，分别将它们加热至730℃、700℃和715℃，精炼去气后保温待用。
步骤2：复层材料的电磁连续铸造
将底模11升入所述复层铸坯的电磁连续铸造装置的水冷结晶器9内，通过支架1调整石墨挡板2的位置。检查冷却水系统并保证其处于正常工作状态后，将预先保温的内层金属液13通过第一雨淋式浇注口3注入到水冷结晶器9内，两种外层金属液14分别通过第二雨淋式浇注口4a和第三雨淋式浇注口4b浇注到水冷结晶器9内，接通线圈7的电流，使铁芯8内产生200mT的直流磁场，以100mm/min的速度牵引底模11。
步骤3：停止铸造
当铸造出的复层铸坯12达到要求长度时，停止浇注合金液，停止铸机，关闭冷却系统，切断电源。
步骤4：复层铸坯的质量检验
检查铸坯的表面质量。将制得的铸坯12从距底端1000mm处锯断，取得厚度为20mm的切片，将其抛光、腐蚀后观察宏观金相组织。可以看到铸坯12的内、外层三层分别为4045、3103和4343铝合金，有清晰的界面、表面光洁，为合格产品。
Claims (10)
1、一种复层铸坯的电磁连续铸造装置，其特征是该装置包括水冷结晶器(9)，其上方设置热顶(5)，在热顶(5)中间开设第一雨淋式浇注口(3)，在热顶(5)两侧开设第二雨淋式浇注口(4a)和第三雨淋式浇注口(4b)；所述热顶(5)的上方设置有支架(1)，石墨挡板(2)安装在所述支架(1)上；所述石墨挡板(2)插入水冷结晶器(9)内；电磁制动器设置在所述水冷结晶器(9)的外侧所述石墨挡板(2)的下端。
2、如权利要求1所述的装置，其特征是，所述电磁制动器由线圈(7)和铁心(8)组成。
3、如权利要求2所述的装置，其特征是，所述电磁制动器外部设置有一容器，用于容纳冷却水(6)。
4、如权利要求1、2或3所述的装置，其特征是，所述水冷结晶器(9)内镶嵌有石墨内衬(10)，该石墨内衬(10)与所述水冷结晶器(9)形成一体结构。
5、一种复层铸坯的电磁连续铸造方法，采用如权利要求1所述的装置，该方法包括以下步骤：
a将复层铸坯的内层铝合金金属液(13)和外层铝合金金属液(14)加热至熔化，精炼去气后保温待用；
b将底模(11)提升入所述水冷结晶器(9)内；
c将内层铝合金金属液(13)通过所述的第一雨淋式浇注口(3)浇注到所述水冷结晶器(9)内，外层铝合金金属液(14)通过所述的第二雨淋式浇注口(4a)和第三雨淋式浇注口(4b)浇注到所述水冷结晶器(9)内；
d接通电磁制动器电源，使所述的电磁制动器产生直流磁场，并牵引所述底模(11)。
6、如权利要求5所述的方法，其特征是，所述步骤a中外层铝合金金属液(14)为两种不同的铝合金金属液。
7、如权利要求5或6所述的方法，其特征是，当铸造出的复层铸坯(12)达到要求长度时，停止所述步骤b中的浇注合金液，切断电源，停止所述电磁连续铸造装置。
8、如权利要求5或6所述的方法，其特征是，所述电磁制动器内产生的直流磁场的范围是：140mT～300mT；所述牵引底模(11)的速度范围是：40～140mm/s。
9、如权利要求8所述的方法，其特征是，电磁制动器内产生的直流磁场值为180mT的直流磁场，所述牵引底模(11)的速度值为100mm/min。
10、如权利要求5或6所述的方法，其特征是，所述石墨挡板(2)设置在所述水冷结晶器(9)内，通过所述支架(1)进行调整。
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