CN102430732A - 内外双向冷却连铸镁合金和铝合金锭坯装置与工艺 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种镁合金和铝合金锭坯连铸设备和方法，所述连铸设备包括结晶器和引锭块，并且在所述连铸设备中还设有液面控制杠杆、内冷装置、油路润滑系统和分流盘，其中所述内冷装置由内冷芯管、内冷头、进水管、密封环、振头、偏心轮、变速电机、外壳、出水管和弹簧等组成，偏心轮依靠变速电机驱动，振头的上端和偏心轮相接，振头的下端和内冷头的上端固接为一体，并置于由上板和下板确定的滑道内，进水管与内冷芯管、内冷头内腔以及出水管相连通。当本发明的镁合金和铝合金锭坯连铸设备在工作时，内冷装置的内冷头被置于铸锭中间，以起到将铸锭中心冷却的作用，从而显著改善了铸锭中心部位的质量。

Description

内外双向冷却连铸镁合金和铝合金锭坯装置与工艺

技术领域

本发明属于有色金属合金铸锭技术领域，具体涉及镁合金和铝合金锭坯连铸设备和方法。

背景技术

自金属铸锭实施表面直接喷水即DC(Direct-Chill)铸造工艺以来，连续或半连续铸造已成为金属和其合金铸锭的主要制备方法。由于铸锭受到激冷，因此DC铸造具有生产率高、铸锭组织细小等优点。理想的铸锭内部组织应具有细小的等轴晶，无宏观偏析，合金元素在晶体内高度固溶，良好的表面质量，内外组织一致，并且无铸造裂纹、疏松等缺陷。这除了在熔炼时需要严格控制合金液体成分、杂质含量外，铸造冷却也已成为保证铸坯质量的主要环节。

现有的DC铸造工艺基本上是采用单向冷却，即仅在铸锭外表面实施喷水冷却，铸锭过程中铸坯上未凝金属液体的液穴形状如图1中的液穴B所示，即中部深、边部浅，呈现倒圆锥状。此时形成的组织，边部细小，中部粗大。中部缺陷多，易形成裂纹。在热导率低的镁合金等和大铸锭时更加显著。而理想的液穴形状应如图1中的液穴A所示，即浅而平。这种情况下，熔体各部同时受到均匀的冷却，各部的组织相同，如果冷却速度足够高，则组织可以显著细化，裂纹和缺陷基本得到消除。

我国的铝和镁产量均居世界第一，因此也是铝和镁合金生产大国，但并不是镁和铝合金的制造强国，高附加值的合金产品很少。主要的技术瓶颈是缺乏高质量的锭坯制备技术。铸锭、尤其是高合金化、大尺寸的铸锭，其内部组织粗大，铸锭的中心与边部组织差异比较悬殊，宏观偏析严重，且易产生疏松和气孔，所以铸锭的成材率低，严重制约了铝和镁合金制品的应用与发展。

发明内容

本发明是在低频电磁连铸技术基础上，提出一种在结晶器内熔体的中部增加冷却源的方法和装置，以提高合金熔体的中部冷却速度，使结晶器内的熔体实现中部和边部双向同时快速冷却，以制备出高质量锭坯，由此满足社会的需求。

根据本发明的一方面，提供了一种镁合金和铝合金锭坯连铸设备，该设备包括结晶器和引锭块，在所述连铸设备中还设有分流盘、内冷装置、液面控制杆和油路润滑系统，其中，分流盘放置到结晶器的内腔内，分流盘的主体是一个由底板、外壁和内壁围成的上部开口、截面为四边形的环状槽，环形槽一侧的外壁开口且与梯形槽相通，梯形槽底板上设有分流锥，分流盘的内壁上正对着梯形槽处设有导向锥，分流盘的外壁沿圆周对称开有分流盘外孔，分流盘的内壁沿圆周对称开有分流盘内孔，在环形槽上与梯形槽对着的相反方向固定有2个平衡杆，2个平衡杆与T型把手刚性连接，2个平衡杆通过穿过杆体的平衡轴被固定在轴座上，轴座通过固定螺栓被固定在底座上，底座通过连接螺栓固定在结晶器上。

内冷装置的作用是在结晶器内的熔体中部施加冷却，内冷装置由内冷芯管、内冷头套、下板、上下板紧固螺栓、上板、内冷头套下盘、内冷头套上盘、进水管、密封环、振头、偏心轮、变速电机、变速电机固定螺栓、外壳、出水管和弹簧组成，其中偏心轮固定在变速电机轴上，振头的上端和偏心轮相接，振头的下端和内冷头的上端固接为一体，振头和内冷头固结为一体后置于由上板和下板确定的滑道内，弹簧处于下板与内冷头套下盘之间，进水管与内冷芯管、内冷头内腔以及出水管相连通，内冷装置通过固结在下板的支架固定在底盘上，底盘通过连接螺栓被固定在结晶器上。

所述油路润滑系统设置在结晶器的顶部，主要由油槽、上盖和油管组成，其中油槽共有3道，采用迷宫式结构，油槽上部设置有密封的上盖，润滑油由油管流入，经油槽进入油孔，从而流入结晶器内壁，保证连铸的顺利进行。

所述内冷装置的内冷头套由低碳钢制成，或者由表面喷涂有氧化锆或氧化铝的钛合金制成。

内冷芯管、轴座、平衡杆、平衡轴和把手均由304奥氏体不锈钢制成。

根据本发明的另一方面，提供了一种镁合金和铝合金锭坯连铸方法，所述镁合金和铝合金锭坯连铸方法使用上面所述的镁合金和铝合金锭坯连铸设备进行连铸，所述方法包括下述步骤：(1)铸坯时先向结晶器油路润滑系统供油，并向结晶器及内冷头进水管供水；(2)当被铸金属镁合金或铝合金熔体温度降低到高于液相线温度的30-40℃时，将金属熔体导入到分流盘；使金属熔体经分流盘的内孔和外孔分流到结晶器的边部和中心；(3)当结晶器内的液面高度高于分流盘外壁的分流孔中线后，启动铸造机开始连续铸锭；并将金属合金的液面始终稳定在此高度内；(4)将锭坯铸造到预定长度后，停止合金液体的供应，等金属熔体液面降到分流盘底面以下之后，抬起分流盘之下后，关闭润滑油及供水阀门，待铸锭完全冷却，移开结晶器，吊出铸锭。

本发明的镁合金和铝合金锭坯连铸设备和方法能够显著提高合金熔体的中部冷却速度，实现熔体的均匀冷却，从而能够制造出高质量的锭坯。

附图说明

图1是一般DC铸造和本发明的内外双向冷却连铸的液穴形状的示意图；其中图中的B区域为一般铸造形成的液穴形状示意图，A区域则为利用本发明的内外双向冷却连铸方法形成的液穴形状示意图；

图2是本发明的连铸镁合金和铝合金锭坯设备的结构示意图；

图3是本发明的连铸镁合金和铝合金锭坯设备分流盘的主视图；

图4是本发明的连铸镁合金和铝合金锭坯设备分流盘的俯视图；

图5是本发明的镁合金铸造时的熔体流入设备的结构示意图；

图6是本发明的铝合金铸造时的熔体流入设备的结构示意图；

图7是本发明的结晶器油路润滑系统的示意图；

图8是本发明的连铸镁合金和铝合金锭坯设备的内冷装置结构部件的示意图。

具体实施方式

在图2中示出了本发明的连铸镁合金和铝合金锭坯设备的结构示意图，其主要由结晶器1、液面控制杆2、轴座与底盘的固定螺栓3，内冷装置4、上下板紧固螺栓5、下板6、支架7、分流盘8、底座9、底座与结晶器的连接螺栓10、油槽11、上盖12、油管13、电磁线圈14、分流锥15、引锭块16组成。

在图3和图4中分别示出了本发明的连铸镁合金和铝合金锭坯设备的分流盘8结构示意图，其主体是由分流盘底板23、外壁24和内壁25共同围成的上部开口、断面为四边形的环形槽，环形槽一侧的外壁24开口并与梯形槽28相通，梯形槽28的底板17上设有分流锥15，在分流盘8的内壁25上正对着梯形槽28处设有导向锥27，分流盘8的外壁24沿其圆周对称开有4-8个分流盘外孔19，分流盘8的内壁25沿其圆周对称开有4-8个分流盘内孔18，在环形槽上与梯形槽28相对的另一侧设有2个平衡杆26，2个平衡杆26与T型把手2刚性连接，2个平衡杆26通过穿过杆体的平衡轴20被固定在轴座22上，轴座22通过固定螺栓3被固定在底座9上，底座9通过连接螺栓10固定在结晶器1上，工作时分流盘8可以平衡轴为支点，压低T型把手2，即可抬高梯形槽的高度。

铸造镁合金时，为了控制铸造液面的高度，采用了如图5所示的熔体流入装置，在图5中用标号29表示导流钢管。铸造时静止炉中的液态镁合金由机械泵打出，经导流钢管29进入分流盘8的梯形槽28内，再经导向锥27的分流，流入到分流盘8的环形槽内；导流钢管29由低碳钢或不锈钢管制成，其中心线与分流锥15的中心线在同一垂线上，上下调整T型把手2，使分流盘8的平衡杆26以平衡轴20为支点小幅转动，以带动分流盘8上的梯形槽28上下小幅移动，从而可以调整梯形槽的底板17上的分流锥15和导流钢管29底部的间距，进而调整熔体流入分流盘8和结晶器1的流量，从而控制金属镁合金的液面高度一直处于相对稳定的状态。

铸造铝合金时，为了控制铸造液面的高度，采用了如图6所示的熔体流入装置，在图6中用标号30表示导流管，31为溜槽，液态铝合金由溜槽31和导流管30流入到分流盘8的梯形槽内，并最终进入到结晶器1内，导流管30由石墨制成，其中心线与分流锥15的中心线在同一垂线上，这里的导流管30和上述的导流钢管29具有同样的功能，即上下调整T型把手2，以带动分流盘8上的梯形槽28上下小幅移动，从而可以调整梯形槽的底板17上的分流锥15和导流管30底部的间距，进而调整熔体流入分流盘8和结晶器1的流量，从而控制金属铝合金的液面高度一直处于相对稳定的状态。

结晶器的润滑系统设置在结晶器的顶部，采用油路润滑方式，在图7中示出了油路润滑系统，油路润滑系统的油槽11采用迷宫式结构，油槽11的上部设置有密封的上盖12，润滑油由油管13流入，经3道油槽进入油孔，然后流入结晶器1的内壁。

在图8中示出了内冷装置4的结构部件，内冷装置由内冷芯管32、内冷头套33、下板6、上下板紧固螺栓5、上板34、内冷头套下盘35、内冷头套上盘36、进水管37、密封环38、振头39、偏心轮40、变速电机41、外壳42、变速电机固定螺栓43、出水管44和弹簧45组成，图中46为内冷头，其中偏心轮40固定在变速电机41的轴上，振头39的上端和偏心轮40相接，振头39的下端和内冷头46的上端固接为一体，振头和内冷头固结为一体后置于由上板34和下板6确定的滑道内，弹簧45处于下板6与内冷头套下盘35之间，进水管37与内冷芯管32、内冷头46内腔以及出水管44相连通，内冷装置4通过固结在下板6的支架7固定在底盘9上，底盘9通过连接螺栓10被固定在结晶器1上。

振头39在变速电机41带动的偏心轮40和处于下板6与内冷头套下盘35之间的弹簧45的联合作用下，拉动内冷头46在由上板34和下板6确定的滑道内以5-30mm的幅度上下往复运动，调整偏心轮40的偏心距可以调整内冷头46的振动幅度，改变变速电机41的电压可以改变变速电机41的转速，从而控制内冷头46的振动频率；冷却水自进水管37进入到内冷芯管32和内冷头46腔体内，然后自出水管44处流出。

在连铸镁合金时，本发明的内冷头46可以用低碳钢制成，而在铸造铝合金时，本发明的内冷头46需要用钛合金如TC4合金或纯钛制成，并且表面要热喷涂氧化锆或氧化铝。内冷芯管32需要用不锈钢制成，例如304不锈钢，其余部分可以用低碳钢制作，弹簧45可以用弹簧钢如60Si2Mn制成。

本发明的结晶器1的内壁由6061合金制成，其余部分可以用铝合金或低碳钢制成。铸造镁合金时，本发明的分流盘8可以用304奥氏体不锈钢制成，但是铸造铝合金时，分流盘8需要采用钛合金制成，且表面要热喷涂氧化锆或氧化铝，以防止铝合金熔体的腐蚀。为了防止施加磁场时可能产生的振动，平衡杆26和T型把手2及轴座22和平衡轴20都用304奥氏体不锈钢制成。

利用上述的设备，可以形成一种新的镁合金或铝合金的锭坯铸造方法。具体的实施方法如下：

(1)镁合金或铝合金经过熔炼、净化后，先向结晶器1的油路润滑系统供油，并向结晶器1及内冷装置的进水管37供水；

(2)金属熔体镁合金或铝合金的温度降低到高于液相线温度的30-40℃时，镁合金由机械泵打入到导流钢管29、铝合金经溜槽31进入导流管30，然后进入分流盘8的梯形槽28内，经过导流锥27流入分流盘8的环形槽内，熔体再通过分流盘内孔18和分流盘外孔19进入结晶器1的内腔之中。

(3)当结晶器1内的金属液面高度高于分流盘8的外壁分流孔19中线后，启动铸造机开始连续铸锭，并将金属合金的液面稳定在此高度内；

(4)将镁合金或铝合金锭坯铸造到预定长度后，停止合金液体的供应，等金属熔体液面降到分流盘8底面以下之后，抬起分流盘8，关闭润滑油及供水阀门，待铸锭完全冷却，移开结晶器，吊出铸锭。

发明效果

熔体通过分流盘内孔18和分流盘外孔19进入结晶器1的内腔之后，其中从外孔19流出的合金熔体主要流向结晶器壁区域，与结晶器壁接触后实现一次冷却，在结晶器壁上形成凝固壳；由于外加电磁场在合金熔体中产生感生电流，感生电流与磁场作用产生洛伦兹力，在洛伦兹力作用下将凝固壳附近的激冷熔体带到锭坯的中心区域，使结晶器内的熔体温度迅速降低到液相线温度附近。同时由于电磁场产生向内的压力，使熔体上表面形成弯月面，结晶器润滑油沿结晶器壁流下，实现了润滑，电磁场产生的弯月面和润滑油的分解，可以显著减少熔体与结晶壁的接触面积、降低压力，减少铸锭的一次冷却强度，显著提高铸锭的表面质量，为了减少磁场的损失，可采用频率≤50Hz的低频磁场，从而提高磁场的贯穿能力。

但当铸锭尺寸不断加大时，中心部位的洛伦兹力会很小，因此洛伦兹力作用下的强制流动将无法致使中心部位热态熔体的快速冷却。为此，在结晶器中心施加一个上述内冷装置，施加该内冷装置后，分流盘内孔18流出的合金熔体流到内冷头46处，由于内冷头46的内部通有流动的冷却水，所以成为一个新的冷却源。中心部的熔体与内冷头46接触，实现类似于处在结晶器壁附近的快速冷却，使该处的熔体温度也能得到迅速降低。正常连铸时内冷头28插入金属熔体的深度为50-150mm，为了避免在内冷头46上结晶的凝层过分长大，粘接在内冷头上，内冷头46在偏心轮40的作用下，不断上下往复运动，使在内冷头46上刚形成的过冷半固态熔体向外迅速扩散到结晶器内1/2半径的区域。这大大强化了整个结晶器内熔体的过冷度，使结晶器内的熔体温度迅速降低到低于液相线温度。这些低温的半固态熔体与下部经二冷水冷却的形成凝固锭体的铸锭接触后，迅速结晶形成铸锭。

使用本发明进行镁合金或铝合金金属液体的连续铸造时，与DC铸造相比，在改善铸锭质量方面，具有显著的效果。主要表现在：

(1)可以明显降低铸锭中心区熔体温度，同时减少了熔体液穴的深度；

(2)能够明显细化铸锭的组织，更重要的是铸锭边部与心部的晶粒尺寸相近，晶粒大小均匀。

(3)能够明显降低铸锭内部合金元素偏析，显著提高铸坯质量。

实施例1

镁合金AZ80，直径320mm。

纯镁经电阻炉熔化后，加入Al、Zn、Mn等合金元素，加热到720℃，氩气精炼，溶剂覆盖，静置20分钟。打开结晶器1的油路润滑系统向其供油，并向结晶器1及内冷头进水管37供水，等到镁合金熔体温度降到700℃时开始铸造。开启磁场电源，熔体经机械泵打入到导流钢管29，进入分流盘8；调整T型把手2，调整液面高度，液面高度高于分流盘外壁的分流孔19中线后，启动铸造机，铸造开始。铸造过程中不断调整T型把手2，确保液面稳定，铸造到锭坯的预定长度后，停止合金液体的供应，当镁合金液面降到分流盘8的底板以下之后，关闭润滑油及供水阀门，待铸锭完全冷却，移开结晶器，吊出铸锭。

DC和内外双向冷却连铸AZ80镁合金铸锭中心区熔体温度和液穴深度见表1

表1.DC和内外双向冷却连铸AZ80镁合金铸锭中心区熔体温度和液穴深度表

由表1可见，双向冷却连铸时结晶内中心区的熔体温度显著降低，低于该合金的液相线温度609℃，且液穴显著变浅。

DC和内外双向冷却连铸的AZ80镁合金锭坯各部分的晶粒尺寸见表2

表2.DC和内外双向冷却连铸的AZ80镁合金锭坯各部分的晶粒尺寸表

由表2可见，与DC铸造相比，双向冷却连铸的晶粒显著细化，更重要的是铸锭边部与心部的晶粒尺寸相近，晶粒大小均匀，而且铸锭内部的合金元素的宏观偏析减弱，元素分布趋于均匀，更重要的是铸锭表面的反偏析也有了显著的减少。

实施例2

7050铝合金，直径420mm.

纯铝及Al锆中间合金经中频炉熔化后，加入Zn、Mg等合金元素，加热到750℃，氩气精炼，溶剂覆盖，静置30分钟。打开结晶器1的油路润滑系统向其供油，打开阀门，向结晶器1及内冷头进水管37供水。铝合金液温度降到725℃开始铸造，开启磁场电源，熔体导入溜槽31，经过导流管30进入分流盘8。等到铝合金熔体的液面高度高于分流盘外壁的分流孔19中线之后，启动铸造机，铸造开始。铸造过程中不断调整T型把手2，确保液面稳定，铸造到预定铸锭长度后，停止合金液体的供应，将液面降到分流盘8之下，关闭润滑油及供水阀门，待铸锭完全冷却，移开结晶器，吊出铸锭。

DC和内外双向冷却连铸7050铝合金时的铸锭中心区的熔体温度和液穴深度见表3。

表3.DC和内外双向冷却连铸的7050合金

铸锭的液穴深度表

可见双向冷却连铸时结晶内中心区的熔体温度显著降低，低于该合金的液相线温度(635℃)，且液穴显著变浅。

DC和内外双向冷却连铸的7050铝合金铸锭各部分的晶粒尺寸见表4。

表4.DC和内外双向冷却连铸的7050铝合金锭坯平均晶粒尺寸

与DC铸造相比，双向冷却连铸的晶粒显著细化，更重要的是铸锭边部与心部的晶粒尺寸相近，晶粒大小均匀，铸锭内部的合金元素的宏观偏析减弱，元素分布趋于均匀，且铸锭表面的反偏析显著减少。

Claims (5)

1.一种镁合金和铝合金锭坯连铸设备，该设备包括结晶器和引锭块，其特征在于，在所述连铸设备中还设有分流盘、内冷装置、T型把手和油路润滑系统，其中，分流盘放置到结晶器的内腔内，分流盘的主体是一个由底板、外壁和内壁围成的上部开口、截面为四边形的环状槽，环形槽一侧的外壁开口且与梯形槽相通，梯形槽底板上设有分流锥，分流盘的内壁上正对着梯形槽处设有导向锥，分流盘的外壁沿圆周对称开有分流盘外孔，分流盘的内壁沿圆周对称开有分流盘内孔，在环形槽上与梯形槽对着的相反方向固定有2个平衡杆，2个平衡杆与T型把手刚性连接，2个平衡杆通过穿过杆体的平衡轴被固定在轴座上，轴座通过固定螺栓被固定在底座上，底座通过连接螺栓固定在结晶器上。

2.根据权利要求1所述的镁合金和铝合金锭坯连铸设备，其特征在于所述内冷装置由内冷芯管、内冷头套、下板、上下板紧固螺栓、上板、内冷头套下盘、内冷头套上盘、进水管、密封环、振头、偏心轮、变速电机、变速电机固定螺栓、外壳、出水管和弹簧组成，其中偏心轮固定在变速电机轴上，振头的上端和偏心轮相接，振头的下端和内冷头的上端固接为一体，振头和内冷头固结为一体后置于由上板和下板确定的滑道内，弹簧处于下板与内冷头套下盘之间，进水管与内冷芯管、内冷头内腔以及出水管相连通，内冷装置通过固结在下板的支架固定在底盘上，底盘通过连接螺栓被固定在结晶器上。

3.根据权利要求1所述的镁合金和铝合金锭坯连铸设备，其特征在于所述油路润滑系统设置在结晶器的顶部，主要由油槽、上盖和油管组成，其中油槽共有3道，采用迷宫式结构，油槽上部设置有密封的上盖，润滑油由油管流入，经油槽进入油孔，从而流入结晶器内壁。

4.根据权利要求1所述的镁合金和铝合金锭坯连铸设备，其特征在于，所述内冷装置的内冷头套由低碳钢制成，或者由表面喷涂有氧化锆或氧化铝的钛合金制成，内冷芯管、轴座、平衡杆、平衡轴和把手均由304奥氏体不锈钢制成。

5.一种镁合金和铝合金锭坯连铸方法，其特征在于所述方法使用如权利要求1所述的镁合金和铝合金锭坯连铸设备进行连铸，所述方法包括下述步骤：

(1)铸坯时先向结晶器油路润滑系统供油，并向结晶器及内冷头进水管供水；

(2)当被铸金属镁合金或铝合金熔体温度降低到高于液相线温度30-40℃时，将金属熔体导入到分流盘；使金属熔体经分流盘的内孔和外孔分流到结晶器的边部和中心；

(3)当结晶器内的液面高度高于分流盘外壁的分流孔中线后，启动铸造机开始连续铸锭，并将金属合金的液面始终稳定在此高度内；

(4)当锭坯铸造到预定长度后，停止合金液体的供应，等金属熔体液面降到分流盘底面以下之后，抬起分流盘之下后，关闭润滑油及供水阀门，待铸锭完全冷却，移开结晶器，吊出铸锭。

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