CN103658571A - 一种层状复合材料半连铸结晶器 - Google Patents

Abstract

一种层状复合材料半连铸结晶器，包括外结晶器以及结晶器底模，所述外结晶器包括内衬和外套，内衬和外套之间形成水腔，水腔内设有一次冷却水，在外套上设有一次冷却水的进水口，其特征在于还包括至少一个内结晶器，该内结晶器固定设于结晶器底模上方的浇注模腔内，将不同合金熔体分开，当结晶器底模向下移动时所述内结晶器的底部与结晶器底模分离，使得合金熔体在内结晶器的下方实现彼此的熔合和扩散，进而铸造出两层或两层以上的层状复合铸锭。其设计合理，结构紧凑，而且便于制造、安装和调整，可以实现多种合金的两层或两层以上的合金的复合，制备出同时具备多种材料特性的层状复合材料，对实现降低成本、节约能源具有重要的现实意义。

Description

一种层状复合材料半连铸结晶器

技术领域

本发明涉及一种结晶器，具体是一种层状复合材料半连铸结晶器。

背景技术

近年来，随着现代工业技术的进步，许多产品的工作环境正朝着承受高温、高压和强烈的化学物质作用的方向发展，对材料的性能提出了更高、更严格的要求。首先，要求材料具有更高的强度、更高的韧性和更小的比重；其次，要求提高金属材料的耐热性和耐腐蚀性等。然而，对于这些要求如果单靠某一种材料是难以实现的，所要求的性能有时在同一材料上又是相互矛盾的。而利用复合技术将不同特性的物质材料结合在一起使制备的复合材料具备各单层材料的综合性能，能有效地结合其组成材料的各自优点以及在不同部位与侧面具有不同的性能，具有良好的可设计性，可以满足市场需求，同时能达到节能降耗、降低成本、发挥最佳经济效益等综合目的。金属层状复合材料是层状复合材料中一种应用较为广泛的新型复合材料，主要应用在汽车、航空、航天、兵器、交通运输、电子产品和高强度建筑材料等领域。

目前金属复合板材的制备技术主要采用轧制复合、爆炸复合、喷射沉积等方法制备，存在工序复杂、加工周期长、复合层结合强度低、生产成本高等诸多问题。而复合连铸成型技术易于实现批量化、连续化和自动化生产，有利于降低成本和减少生产工艺流程，其研究和开发受到越来越广泛的关注。复合连铸技术是通过设计特殊结构的结晶器，待首先浇注的合金液凝固形成壳层后，接着浇注另一种合金液，使两种合金在半固态下实现冶金结合，直接铸造出由两层或两层以上合金组成的复合铸锭。在实现合金复合连铸技术中，半连铸结晶器是制备高质量合金层状复合铸锭的关键，其重要性被喻为连铸机的“心脏”。复合连铸结晶器是一个高效率的换热器、凝固成型器、夹杂物净化器和铸坯表面缺陷控制器。结晶器内的金属液、坯壳和冷却板的相互关系反映在结晶器内金属液流的流动、传热凝固、坯壳生长和相变以及坯壳应力的相互作用上，这是一个复杂的动态过程。因此，复合连铸结晶器的设计对这一动态过程控制有十分重要的影响，它对连铸机产量、铸坯质量和生产安全性有决定性作用。

现有申请号为200920351696.7、公开日期为2010年12月1日的实用新型专利提出了复合连铸辊式结晶器，在普通连续铸钢的结晶器上增加了二次浇注的复合连铸辊，该结晶器包括装框架、结晶器辊、轴承座、传动装置、旋转接头、浇注槽、冷却板、隔栅喷冷装置和清辊器等十几个关键部件。该技术方法应用实例中成功制备出复合钢板坯，但在复层钢板结合层氧化层的处理上还存在一定的问题。

还有公开号为CN101096051A、公开日期为2010年6月23日的发明专利申请提出了一种实现三层铝或铝合金复合材料的生产方法及其铸坯结晶器，该结晶器包括具有芯材浇铸通道和芯材浇铸通道两边侧的皮材结晶通道的浇铸段上段通道，下段通道为融合结晶段，每一皮材结晶通道是由两冷却介质夹层和两夹层之间的通道空间构成。该技术方案在一定程度上实现了在熔化料结晶过程中一次性生产三层复合锭坯材料的技术目的，但工装设计复杂，参数窗口较窄，很难实现工业化生产。

另有公开号为US2005/0011630 Al、公开日期为2005年6月20日的发明专利申请提出了一种利用结晶器和二次冷却热交换装置组成的半连续铸造铝合金复合锭技术,其中外部结晶器与普通铝合金结晶器类似，而内部热交换装置形成一个热交换腔，实际上起隔板作用，把流入模内的两种铝熔体分开，从而实现半连续铸造多层铝合金的复层材料。该方法结构简单，易于控制，但该结构易于氧化夹杂的混入，对铸坯后续加工质量不利。

本发明专利旨在避免上述技术中存在的缺点和不足之处，根据金属铸造复合原理，设计一种新型的层状复合材料半连铸结晶器，该结晶器不仅设计合理，结构紧凑，而且便于制造、安装和调整。该发明可以实现铝合金/铝合金、铝合金/镁合金、镁合金/镁合金等多种合金的两层或两层以上的合金的复合，制备出同时具备多种材料特性的层状复合材料，拓展铝合金、镁合金的应用领域，对实现降低成本、节约能源具有重要的现实意义。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种新型的层状复合材料半连铸结晶器，不仅设计合理，结构紧凑，而且便于制造、安装和调整，可以实现铝合金/铝合金、铝合金/镁合金、镁合金/镁合金等多种合金的两层或两层以上的合金的复合，制备出同时具备多种材料特性的层状复合材料，拓展铝合金、镁合金的应用领域，对实现降低成本、节约能源具有重要的现实意义。

本发明解决上述技术问题所采用的技术方案为：一种层状复合材料半连铸结晶器，包括外结晶器以及结晶器底模，所述外结晶器包括内衬和外套，内衬和外套之间形成水腔，水腔内设有一次冷却水，在外套上设有一次冷却水的进水口，其特征在于还包括至少一个内结晶器，该内结晶器固定设于结晶器底模上方的浇注模腔内，将不同合金熔体分开，当结晶器底模向下移动时所述内结晶器的底部与结晶器底模分离，使得合金熔体在内结晶器的下方实现彼此的熔合和扩散，进而铸造出两层或两层以上的层状复合铸锭。

作为改进，所述内结晶器为竖直的板状，通过固定在结晶器架上的横梁悬挂固定在浇注模腔内，在内结晶器内部成型有一U型的冷却水腔；所述内结晶器的一侧粘合有保温层，另一侧粘合有梯度保温层，形成两个不同的功能区，浇注时在保温层的一侧形成合金熔体，在梯度保温层的一侧形成一层半固态凝固层。

作为改进，所述保温层和梯度保温层是采用热喷涂的方式粘合在内结晶器的两侧，其中保温层的厚度为3～8mm，梯度保温层为上厚下薄的梯度结构，厚度为3～10mm，锥度在1:10～1:8之间。

作为改进，所述内结晶器采用厚度为15～25mm的不锈钢焊接而成，是通过模温机向所述U型的冷却水腔通入循环冷却油进行冷却。

再改进，所述外结晶器是采用高强度锻造铝合金型材加工而成，所述内衬与外套之间用紧固螺钉拼装连接，所述内衬的内壁板成型为上厚下薄的梯度结构，其锥度在1:12～1:8之间。

再改进，所述内衬的内壁板下方设有可供二次冷却水通过的间隙。

进一步改进，所述结晶器底模成型为底部水平、中间呈岛状突起的结构，所述内结晶器正好悬挂于结晶器底模的岛状突起的位置。

最后，所述结晶器底模的下方连接有铸锭平台，所述铸锭平台可随铸机上下移动，从而带动结晶器底模上下移动。

与现有技术相比，本发明的优点在于：采用外结晶器与内结晶器组合的方式进行半连铸复合，能够在熔体下部实现两种或二种以上合金的冶金结合，既避免了不同熔体的混合，又避免了合金结合区域的氧化，提高了合金的结合强度。本发明结构简单、易于调节、便于拆卸，可以实现两层或两层以上的层状复合材料的半连铸复合，而且适合于不同熔点的低熔点合金（铝合金、镁合金等）的任意组合，半连铸参数窗口宽，易于实现工业化生产，并且利用该发明的结晶器生产的层状复合材料具备多种材料特性，对实现降低成本、节约能源具有重要的现实意义。

附图说明

图1是本发明实施例中制备两种合金复合铸锭浇注的开始阶段的结构示意图；

图2为本发明实施例中制备两种合金复合铸锭浇注的稳定阶段的结构示意图。

具体实施方式

以下结合附图实施例对本发明作进一步详细描述。

一种层状复合材料半连铸结晶器，包括外结晶器1、一个或一个以上内结晶器2以及结晶器底模3，结晶器底模3与外结晶器1之间形成浇注模腔，外结晶器1是采用高强度锻造铝合金型材加工而成。包括内衬11和外套12，内衬11和外套12之间用紧固螺钉7拼装连接，并在内部形成水腔，水腔内设有一次冷却水14，在外套12上设有一次冷却水14的进水口15，为实现合金熔体在外结晶器1内的缓慢冷却，抑制合金熔体在外结晶器1内的冷却速度，内衬11的内壁板成型为上厚下薄的梯度结构，其锥度在1:12～1:8之间，这样可根据热传导介质的厚度差实现上部缓冷下部快冷的梯度冷却方式，并在内衬11的内壁板下方设有可供二次冷却水15通过的间隙；外结晶器1的高度约为普通铝合金结晶器的1.2～1.5倍，为合金的复合提供必要的熔合和扩散时间；内结晶器2为竖直的板状，是采用304不锈钢焊接而成，不锈钢板厚度约为15～25mm，内结晶器2的内部形成U型冷却水腔，为增加复合铸造的安全系数，内结晶器2利用模温机向内结晶器2通入循环冷却油进行冷却；安装时，内结晶器2通过固定在结晶器架上的横梁悬挂固定在结晶器底模3上方的浇注模腔内，将不同合金熔体分开，这有利于根据不同的合金和铸造参数对内结晶器2进行有效调整；内结晶器2两侧采用热喷涂的方式粘合一层保温层5和梯度保温层6，形成两个不同的功能区，保温层5一侧浇注凝固区间较小的合金a，而梯度保温层6一侧浇注凝固区间较大的合金b，保温层5的厚度选择3～8mm为宜，而梯度保温层,6的厚度选择3～10mm为宜，根据不同合金成分选择锥度在1:10～1:8之间为宜；结晶器底模3采用LD5或LY11合金锻造毛坯制造，其结构成型为底部水平、中间呈岛状突起的结构，内结晶器2正好悬挂于结晶器底模3的岛状突起的位置，这种结构有利于结晶器底模3与内结晶器2和外结晶器1的匹配，同时可以减少复合铸锭底部的切除；在结晶器底模3的下方连接有铸锭平台4，铸锭平台4可随铸机上下移动，从而带动结晶器底模4上下移动；

在复合连铸浇注区域的选择中，合金a选择相对结晶区间较小的合金，而合金b选择结晶区间相对较大的合金，首先将合金a和合金b熔化到浇注温度，然后进行净化处理，等待合金达到预定浇注温度后开始浇注，首先浇注合金b，在合金b的区域形成了一个内结晶器2和外结晶器1构成的“新的结晶器”，合金b在内结晶器2壁面和外结晶器1壁面均形成一层半固态凝固层，然后浇注合金a，在合金a的区域形成一个内结晶器2保温层和外结晶器1的“半结晶器”。待铸锭平台4随铸机以一定的速度向下移动时，内结晶器2一侧的合金a熔体迅速与内结晶器2另一侧的合金b的半固态层接触，通过熔合和扩散实现冶金结合，形成合金a和合金b的复合铸锭。图2是复合连铸结晶器底模3离开外结晶器1后的稳定阶段，两种合金熔体在内结晶器的下侧实现彼此的熔合和扩散，形成牢固的冶金结合过渡区。

下面通过具体实施例子对本发明进行更为详细地说明：

实施例1

合金a选择Al-Si系4004合金，4004合金熔炼采用纯Al、Al-20%Si中间合金、纯Mg熔炼而成，在合金加入炉体之前，对配料进行预热处理，防止合金配料时吸收的水汽以及沾染的油污等杂质。同时对合金熔炼过程中使用的搅拌棒、扒渣勺、钟罩等工具涂抹涂料并进行烘烤，防止铁含量的增加和水分随熔炼工具带入熔体。为了避免添加镁块时镁合金的氧化燃烧，在添加镁元素的时候采用钟罩将镁块压入铝液以下，待镁块完全熔化后再将钟罩取出。待合金熔化后升高到750℃进行净化处理，然后静置20min后扒渣，随后对熔体继续降温，当合金熔体降温至685℃-700℃备用。合金b选择Al-Mn系的3003铝合金，3003铝合金熔炼采用纯Al、Al-10%Mn中间合金熔炼而成，待合金熔化后升高到750℃进行净化处理，然后静置20min后扒渣，随后对熔体继续降温，当合金熔体降温至710℃-720℃备用。

首先浇注合金3003铝合金，在3003合金的区域形成了一个内结晶器2和外结晶器1构成的“新的结晶器”，3003铝合金在内结晶器2壁和外结晶器1壁均形成一层半固态凝固层，然后浇注4004合金，在4004合金的区域形成一个内结晶器2保温层5和外结晶器1的“半结晶器”。待铸锭平台4随铸机以65-75mm/min的速度向下移动时，内结晶器2一侧的4004合金熔体迅速与内结晶器2另一侧的3003合金的半固态层接触，通过熔合和扩散实现冶金结合，形成3003合金和4004合金的复合铸锭。图2是复合连铸结晶器底模离开外结晶器后的稳定阶段，两种合金熔体在内结晶器的下侧实现彼此的熔合和扩散，形成牢固的冶金结合过渡区。随着浇注的连续进行，形成3003/4004铝合金复合铸锭。

实施例2

合金a选择Al-Mg系的5A13合金，5A13合金熔炼采用纯Al、Al-10%Mn中间合金、纯Mg熔炼而成，在合金加入炉体之前，对配料进行预热处理，防止合金配料时吸收的水汽以及沾染的油污等杂质。同时对合金熔炼过程中使用的搅拌棒、扒渣勺、钟罩等工具涂抹涂料并进行烘烤，防止铁含量的增加和水分随熔炼工具带入熔体。为了避免添加镁块时镁合金的氧化燃烧，在添加镁元素的时候采用钟罩将镁块压入铝液以下，待镁块完全熔化后再将钟罩取出。待合金熔化后升高到750℃进行净化处理，然后静置20min后扒渣，随后对熔体继续降温，当合金熔体降温至700℃-710℃备用。合金b选择Mg-Al系的AZ31镁合金，AZ31镁合金熔炼采用纯Al、纯Al、Al-10%Mn中间合金熔炼而成，配料用合金炉料熔炼前要进行霉斑、锈蚀和油污的处理，熔炼前将炉料加热到400℃进行预热干燥处理。合金熔炼溶剂、精炼剂进行干燥处理，去除溶剂和精炼剂吸附的水份，并放入干燥箱中备用。镁合金熔炼过程中采用CO₂+2%SF₆的混合气体进行保护熔炼，该混合气体的保护原理是熔体与SF₆反应生成的MgF₂与MgO共同构成连续致密的氧化膜，对熔体起到保护作用。当熔体温度达到730时通入惰性气体Ar进行除气，通气速度适当，能产生大量气泡且不产生熔体飞溅为宜，通气时间约为20min，通气后静置15min后扒渣。将镁合金熔体的温度调整到730-750℃，加入熔体质量分数1.5-2.0%的精炼剂，有上至下强烈地垂直搅拌合金熔体3-5min，直至合金熔体呈现镜面光泽为止，然后撇除熔体表面的残渣，随后对熔体继续降温，当合金熔体降温至690℃-705℃备用。

首先浇注AZ31镁合金，在AZ31镁合金的区域形成了一个内结晶器2和外结晶器1构成的“新的结晶器”，AZ31镁合金在内结晶器壁和外结晶器壁均形成一层半固态凝固层，然后浇注5A13合金，在5A13合金的区域形成一个内结晶器2保温层5和外结晶器1的“半结晶器”。待铸锭平台4随铸机以55-70mm/min的速度向下移动时，内结晶器2一侧的5A13合金熔体迅速与内结晶器2另一侧的AZ31镁合金的半固态层接触，通过熔合和扩散实现冶金结合，形成AZ31镁合金和5A13合金的复合铸锭。图2是复合连铸结晶器底模离开外结晶器后的稳定阶段，两种合金熔体在内结晶器的下侧实现彼此的熔合和扩散，形成牢固的冶金结合过渡区。随着浇注的连续进行，形成AZ31/5A13的铝/镁合金复合铸锭，然后通过轧制可以制备同时具备铝合金耐蚀性、耐磨性和镁合金质量轻、抗震性好的复合板材。

以上实施例是采用外结晶器1和一个内结晶器2组合方式，用于制备两种合金组合的复合铸锭，当需要制备两层以上的层状复合材料时，则可以采用一个以上的内结晶器2与外结晶器1进行组合，制备原理是相同的。

实施例3

选择1个外结晶器1和两个内结晶器2组合制备3层的4004/3003/4004复合铸锭，3003铝合金浇注在两个内结晶器的中间，其中两个内结晶器的梯度保温层形成“新的结晶器”。

合金a选择4004合金，4004合金熔炼采用纯Al、Al-20%Si中间合金、纯Mg熔炼而成，在合金加入炉体之前，对配料进行预热处理，防止合金配料时吸收的水汽以及沾染的油污等杂质。同时对合金熔炼过程中使用的搅拌棒、扒渣勺、钟罩等工具涂抹涂料并进行烘烤，防止铁含量的增加和水分随熔炼工具带入熔体。为了避免添加镁块时镁合金的氧化燃烧，在添加镁元素的时候采用钟罩将镁块压入铝液以下，待镁块完全熔化后再将钟罩取出。待合金熔化后升高到750℃进行净化处理，然后静置20min后扒渣，随后对熔体继续降温，当合金熔体降温至685℃-700℃备用。合金b选择3003铝合金，3003铝合金熔炼采用纯Al、Al-10%Mn中间合金熔炼而成，待合金熔化后升高到750℃进行净化处理，然后静置20min后扒渣，随后对熔体继续降温，当合金熔体降温至710℃-720℃备用。

首先浇注合金3003铝合金，在3003合金的区域形成了两个内结晶器2构成的“新的结晶器”，3003铝合金在两个内结晶器2均形成一层半固态凝固层，然后浇注4004合金，在4004合金的区域形成一个内结晶器2保温层5和外结晶器1的“半结晶器”。待铸锭平台4随铸机以55-70mm/min的速度向下移动时，内结晶器2一侧的4004合金熔体迅速与内结晶器2另一侧的3003合金的半固态层接触，通过熔合和扩散实现冶金结合，形成3003合金和4004合金的4004/3003/4004复合铸锭。

Claims (7)

1.一种层状复合材料半连铸结晶器，包括外结晶器以及结晶器底模，所述外结晶器包括内衬和外套，内衬和外套之间形成水腔，水腔内设有一次冷却水，在外套上设有一次冷却水的进水口，其特征在于还包括至少一个内结晶器，该内结晶器固定设于结晶器底模上方的浇注模腔内，将不同合金熔体分开，当结晶器底模向下移动时所述内结晶器的底部与结晶器底模分离，使得合金熔体在内结晶器的下方实现彼此的熔合和扩散，进而铸造出两层或两层以上的层状复合铸锭。

2.根据权利要求1所述的层状复合材料半连铸结晶器，其特征在于所述内结晶器为竖直的板状，通过固定在结晶器架上的横梁悬挂固定在浇注模腔内，在内结晶器内部成型有一U型的冷却水腔；所述内结晶器的一侧粘合有保温层，另一侧粘合有梯度保温层，形成两个不同的功能区，浇注时在保温层的一侧形成合金熔体，在梯度保温层的一侧形成一层半固态凝固层。

3.根据权利要求2所述的层状复合材料半连铸结晶器，其特征在于所述保温层和梯度保温层是采用热喷涂的方式粘合在内结晶器的两侧，其中保温层的厚度为3～8mm，梯度保温层为上厚下薄的梯度结构，厚度为3～10mm，锥度在1:10～1:8之间。

4.根据权利要求3所述的层状复合材料半连铸结晶器，其特征在于所述内结晶器采用厚度为15～25mm的不锈钢焊接而成，是通过模温机向所述U型的冷却水腔通入循环冷却油进行冷却。

5.根据权利要求1所述的层状复合材料半连铸结晶器，其特征在于所述外结晶器是采用锻造铝合金型材加工而成，所述内衬与外套之间用紧固螺钉拼装连接，所述内衬的内壁板成型为上厚下薄的梯度结构，其锥度在1:12～1:8之间。

6.根据权利要求5所述的层状复合材料半连铸结晶器，其特征在于所述内衬的内壁板下方设有可供二次冷却水通过的间隙。

7.根据权利要求1所述的层状复合材料半连铸结晶器，其特征在于所述结晶器底模成型为底部水平、中间呈岛状突起的结构，所述内结晶器正好悬挂于结晶器底模的岛状突起的位置。

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