CN102189103B

CN102189103B - 一种轻合金电磁超声铸轧一体化装置和方法

Info

Publication number: CN102189103B
Application number: CN 201110048275
Authority: CN
Inventors: 房灿峰; 贾非; 张兴国; 郝海; 孟玲刚
Original assignee: Dalian University of Technology
Current assignee: Dalian University of Technology
Priority date: 2011-03-01
Filing date: 2011-03-01
Publication date: 2013-05-08
Anticipated expiration: 2031-03-01
Also published as: CN102189103A

Abstract

一种轻合金电磁超声铸轧一体化装置和方法，属于金属材料制备技术领域。其特征是将板坯的连续铸造技术与热轧连续变形技术结合，并在连续铸造结晶器内引入电磁/超声复合场，提供一种短流程、高效率的轻合金薄板材制备装置和方法。电磁/超声铸轧一体化装置的工作原理是将熔炼好的金属液由浸入式直浇道浇入结晶器内，金属液受结晶器的冷却、凝固，形成一定厚度的坯壳；结晶器的外部和上部分别设置感应线圈和超声发生器，产生电磁/超声复合外场，改善铸坯的表面及内部质量、提高铸坯的塑性变形能力，高质量的连续铸造板坯直接进行热轧变形；铸坯在与结晶器相近的间隙可调的多排轧辊作用下，发生连续的塑性变形，厚度不断减小，获得轻合金的薄板材。

Description

一种轻合金电磁超声铸轧一体化装置和方法

技术领域

本发明属于金属材料制备技术领域，特别涉及到轻合金板带材的连铸连轧技术。

背景技术

轻合金具有密度小、比强度大、导电导热性好且可再生，成为用量仅次于钢铁材料的第二大类结构材料。目前轻合金的生产和应用主要以铸造合金和变形合金为主，与铸造合金相比，变形轻合金可获得更高的强度，更好的延性及满足更多用途使用要求的力学性能。开发新型的变形轻合金及其成型技术，提高变形合金的性能，替代钢铁材料在机械设备、交通运输及航空航天等领域的应用，对于推动节能减排，解决或缓解当前世界范围所面临的能源危机和环境危机，促进经济和社会可持续发展具有重要的意义。但是，变形轻合金，尤其是镁合金，由于室温和高温强度低、塑性变形能力差、板带材的生产成本高，限制了其作为高性能结构材料的应用范围和产品形式。

轻合金薄板材的制造过程，一般是将熔炼后的金属熔体用半连续铸造的方法铸成扁锭；再进行铣面、探伤、切割后，经过均匀化退火、加热、热轧成板坯；再经过温轧/冷轧成薄板。这种工艺方法流程长、能源消耗大、金属损耗多、成本较高，尤其是用来生产镁合金等塑性变形能力差的材料时，板坯在常温下难以塑性加工，成品率低，对于1.0mm厚镁合金板材成品率仅为20％左右。与传统流程工艺相比，薄板坯连铸连轧工艺具有流程短、设备简化、投资省、成材率高、生产成本低、产品质量好、品种开发潜力大等优点，经济效益十分明显。

现开发的轻合金连铸连轧技术主要是连续铸轧技术，根据铸轧机的类型可以分为带式连续铸轧法、双带式连续铸轧法、双辊连续铸轧法及辊带式连续铸轧法等，其中双辊薄带坯连续铸轧技术比较适于大规模、低成本的商业化生产。双辊连续铸轧法在铝合金的生产中已成为成熟的技术，并开始在镁合金薄板带生产中的应用(公开号CN 1603020A)。H.Watari等人利用带有冷却斜面的双辊带坯铸轧机实现了多个牌号镁合金的半固态连续铸轧。澳大利亚的CSIRO公司已成功开发出双辊法水平连续铸轧镁合金带坯，带坯的厚度为2.3～5mm，并顺利地轧成0.5～0.6mm的薄板带。

双辊连续铸轧法中，轧辊主要起冷凝金属液的作用，同时又起到轻量轧压作用，主要的变形特点是铸轧区的熔体受到激烈冷却，冷却速度可达10²～10³K/s，金属的组织具有快速凝固与定向结晶的特点，晶体的生长方向性比较强，导致带坯的各向异性与偏析严重，连续铸轧板带的深冲性能明显低于热轧开坯板带。同时，铸轧过程中对轧辊内金属液的液面控制要求高、轧辊容易与金属粘结影响铸坯表面质量甚至使铸坯开裂。为改善双辊连续铸轧法的凝固结晶条件，提高铸轧板带的冶金质量及力学性能，在铸轧区引入了行波磁场(公开号CN1225297A)、超声外场(公布号101850362A)及行波磁场/超声复合外场(公布号CN101844212A)，在细化铸轧组织、改善各向异性及减小铸坯宏、微观缺陷方面取得了显著的效果，但并未从根本上改变双辊连续铸轧法中金属凝固、变形的特点。

电磁场可以对熔融金属进行非接触性搅拌、加热、运输和形状控制。电磁铸造EMC(Electro-Magnetic Casting)是利用电磁感应原理实现的无模成型技术，液体金属的形状由电磁力约束，与电磁结晶器无任何物理接触，消除了铸坯表面的裂纹、冷隔、偏析瘤，铸坯无须铣面而直接进行轧制变形；电磁场的作用还使铸坯凝固组织细化、无偏析。在连铸结晶器外面施加交流电磁场，依靠结晶器和电磁压力共同来支撑金属液，减少金属铸坯与结晶器之间的接触压力，使液态金属在″软接触″条件下凝固成形的电磁连续铸造方法，由于电磁场的存在同样获得表面光洁、组织致密的铸坯。

超声波对金属熔体具有空化效应和声流效应。在声空化泡形成长大及崩溃过程中，在金属液的局部产生能量起伏、提高晶核的形核率；搅拌和热脉冲的作用使枝晶破碎及熔断，增加形核数并抑制树枝晶的长大，形成细小的等轴晶。超声波通过液体金属时，可以降低金属液粘度，使气泡上浮而进行除气，同时气泡带动金属液中的非金属夹杂物一起运动，使金属液得到净化。

为提高轻合金板带材的生产效率，降低生产成本，解决连续铸轧技术中的凝固、变形问题，本发明提出了将板坯立式半连续铸造技术与连续轧制技术相结合的轻合金电磁/超声铸轧一体化装置和方法。在板坯连续铸造初期凝固部位引入电磁/超声复合外场，提高连续铸造板坯的表面及内部质量，减少铸造缺陷；利用多排轧辊对铸坯进行连续多道次的热轧变形。利用该技术，可以简约、高效的制备出晶粒细化、各向异性小、缺陷少、性能高的轻合金薄板材或温轧/冷轧用板坯。

本发明的原理是：

1.将轻合金的板坯立式半连续铸造技术与连续轧制技术相结合，开发一种流程短、设备简化、成材率高、生产成本低的薄板坯连铸连轧方法。板坯的连续铸造采用结晶器成型和喷水冷却的方式，轧制工序采用轧辊间隙不同的多排轧辊，轧辊间隙动态可调，实现多道次的连续热轧变形，获得轻合金薄板材或温轧/冷轧用薄板坯。

2.在连续铸造结晶器内施加交变电磁场，利用电磁场与金属液交互作用产生的电磁压力实现铸坯的软接触凝固；电磁场对铸坯表层金属具有感应加热作用，降低凝固壳高度。合适的交变磁场作用下，可以获得表面光洁的铸坯，铸坯可以不经过铣面而直接进行轧制。

3.在金属液内引入电磁/超声复合外场，利用电磁场的电磁搅拌作用及超声波产生的空化效应及声流效应，细化铸坯晶粒，减少偏析、缩松及缩孔等缺陷，去除金属液中的气体和夹杂物，改善铸坯的内部质量和塑性变形能力，提高铸坯在轧制过程中的成品率。

4.轧辊紧邻板坯结晶器和二次喷水冷却区，出结晶器后具有一定坯壳厚度的铸坯直接送入轧制区，此时铸坯仍具有较高温度，不经过加热而满足热轧的温度要求，实现铸造-轧制短流程工艺。

5.与铸轧法相比，板坯连续铸造的铸坯厚度较大，改善结晶器区域的浇注条件、提高铸坯质量和生产稳定性。

发明内容

本发明的提供了一种轻合金电磁/超声铸轧一体化装置和方法。

本发明的技术方案如下：

一种轻合金电磁/超声铸轧一体化装置，主要由浸入式直浇道、结晶器、感应线圈、超声发生器和轧辊组成，熔炼后的金属液通过浸入式直浇道浇注到结晶器内；结晶器的横截面为宽度大于10mm的矩形；结晶器的外部和上部分别设置感应线圈和超声发生器，对金属液施加交变磁场/超声复合外场，改善铸坯的表面和内部质量，减少气孔、夹杂、偏析、缩松及缩孔等缺陷的产生，使铸坯质量满足轧制的要求；结晶器下部安装多组轧辊，轧辊间隙动态可调；轧辊紧邻结晶器，出结晶器的铸坯直接送入轧制区，进行连续多道次的热轧变形，获得轻合金薄板材或温轧/冷轧用薄板坯。多组轧辊采用圆弧形式布置，利用热轧变形的方法将轻合金立式连续铸造铸坯轧制成水平方向输出的薄板，薄板可以直接输送到冷轧机内，进一步轧制成高精度带材；每对轧辊中，一个轧辊位置固定，另一个轧辊位置可调，根据工序进行情况动态调整轧辊对的工作间隙。

结晶器外侧设有感应线圈，感应线圈用铜板制成单匝线圈、或用铜管及铜线制成相互绝缘的多匝线圈；结晶器上部的超声发生器由电控系统、变幅杆与工具头组成，工具头可以调整位置和角度，将工具头插入金属液面以下一定深度，在金属熔体内导入超声波。

结晶器用铜合金、铝合金、不锈钢及高纯石墨等导电材料制作，结晶器壁切缝，缝隙内用绝缘材料填充，增强电磁场的穿透效率。

使用上述轻合金电磁/超声铸轧一体化装置的方法，包括以下步骤：

a、合金熔炼及浇注：用电阻加热炉或感应炉熔炼轻合金，将熔炼后的合金由浸入式直浇道浇注到结晶器内，金属液受到结晶器的冷却作用，形成一定厚度的凝固坯壳，金属液的浇注温度为合金液相线温度以上50～150℃，制备化学活性大、易氧化的合金，金属液面用气体或保护剂进行保护；

b、施加电磁场：感应线圈通入交变电流，在结晶器内产生交变磁场，电磁场与结晶器内金属液相互作用，产生具有驱动金属液流动的电磁力及平衡金属液静压力的电磁压力。电磁压力与结晶器共同作用，实现金属液的软接触成型，提高铸坯的表面质量，减小铸坯表面反渗、裂纹、溶质偏析等缺陷的产生。感应线圈内电流的频率为1Hz～10kHz，电流强度为50～4000A，结晶器内的磁感应强度为0.01～0.08T；

c、引入超声波：调整超声发生器的超声探头位置和插入深度，将功率超声引入结晶器内的金属液中，超声与交变电磁场一起对金属液产生晶粒细化、去除气体及非金属夹杂物、减少中心偏析及缩孔和缩松等缺陷的作用，超声波的频率为1Hz～40kHz，功率为0.1～5kW；

d、连铸连轧：开动结晶器下部的轧辊，对铸坯进行热塑性变形，并带动铸坯向下运动，完成连续铸造和连续轧制过程，经过热轧变形，铸坯的厚度不断减小，获得满足性能要求的轻合金板材，或供冷轧、精轧用的薄板坯。

本发明的有益效果是：

1.将轻合金的板坯立式半连续铸造技术与连续轧制技术相结合，实现轻合金薄板材的流程短、低成本化生产；

2.利用交变电磁场实现轻合金铸坯的软接触凝固，铸坯表面光洁、无偏析瘤及冷隔等表面缺陷，可以不经过铣面而直接进行轧制；

3.在板坯的初期凝固部位，施加电磁/超声复合外场，可以改善铸坯的内部质量和塑性变形能力，提高板带材在轧制过程中的变形率和成材率；

4.轧辊紧邻结晶器，实现铸坯的液芯压下和动态软压下，解决薄板坯连续铸轧过程中连铸与轧制工艺对铸坯厚度要求的矛盾，增加生产灵活性。

附图说明

图1是本发明的轻合金电磁/超声铸轧一体化技术的原理结构示意图。

图中：1浸入式直浇道，2超声发生器，3结晶器，4冷却水，5感应线圈，6轧辊，7铸坯。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步说明。

利用本发明提供的轻合金电磁/超声铸轧一体化装置和方法，制备截面尺寸为6.0×600mm²的AZ31变形镁合金板材。

a、合金熔炼及浇注：按质量比配制AZ31变形镁合金，原料选用工业用金属Mg、Al及Zn，在感应炉内熔化、熔炼合金，熔炼时采用含2‰SF₆的CO₂保护气体进行保护；将熔炼好的合金通过浸入式直浇道浇注到铜制结晶器内，结晶器的尺寸为120×600mm²，结晶器沿纵向切宽度为0.4mm的缝隙，缝隙内用云母片填充，相邻缝隙间的距离为30mm，连铸过程中用与熔炼工艺相同的保护气体对金属液面进行保护；

b、施加电磁场：开启感应线圈的电源，使感应线圈内通过交变电流，在结晶器内产生交变电磁场，电源的频率为2.5kHz，输出功率为15kW；

c、引入超声波：开启超声发生器，将工具头插入结晶器内的金属液中，在金属液内导入超声波，超声发生器的频率为20kHz，功率为2kW；

d、连铸连轧：当金属液面达到设定高度时，启动拉坯系统，带动牵引头拉动铸坯向下运动，牵引头通过轧辊后，启动可动轧辊的液压缸，调整轧辊之间的间隙，使铸坯通过间隙逐渐减小的多组轧辊，进行连续多道次热轧变形，获得截面尺寸为6.0×600mm²的AZ31变形镁合金板材。

Claims

1.一种轻合金电磁超声铸轧一体化装置，包括浸入式直浇道（1）、超声发生器（2）、结晶器（3）、感应线圈（5）和轧辊（6），熔炼后的金属液通过浸入式直浇道浇注到结晶器内；

其特征在于：结晶器的横截面为宽度大于10mm的矩形，结晶器外侧设有感应线圈，结晶器上部设有超声发生器，结晶器下部安装多组轧辊，轧辊间隙动态可调；感应线圈用铜板制成单匝线圈或用铜管及铜线制成相互绝缘的多匝线圈；结晶器上部的超声发生器由电控系统、变幅杆与工具头组成，工具头调整位置和角度，将工具头插入金属液面以下，在金属熔体内导入超声波；

结晶器用铜合金、铝合金、不锈钢及高纯石墨导电材料制作，结晶器壁切缝，缝隙内用绝缘材料填充。

2.根据权利要求1所述的轻合金电磁超声铸轧一体化装置，其特征在于：多组轧辊采用圆弧形式布置；每对轧辊中，一个轧辊位置固定，另一个轧辊位置可调。

3.使用权利要求1或2所述轻合金电磁超声铸轧一体化装置的方法，包括以下步骤：

a、合金熔炼及浇注：用电阻加热炉或感应炉熔炼轻合金，将熔炼后的合金由浸入式直浇道（1）浇注到结晶器（3）内，金属液受到结晶器的冷却作用，形成凝固坯壳；金属液的浇注温度为合金液相线温度以上50~150℃；

b、施加电磁场：感应线圈（5）通入交变电流，在结晶器（3）内产生交变磁场，感应线圈内电流的频率为1Hz~10kHz，电流强度为50~4000A，结晶器内的磁感应强度为0.01~0.08T；

c、引入超声波：启动超声发生器（2），将功率超声引入结晶器（3）内的金属液中，超声波的频率为1Hz~40kHz，功率为0.1~5kW；

d、连铸连轧：开动结晶器（3）下部的轧辊（6），对铸坯（7）进行热塑性变形，并带动铸坯向下运动，完成连续铸造和连续轧制过程。