CN103736952B - 一种过共晶铝硅合金连铸过程中的熔体处理装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种过共晶铝硅合金连铸过程中的熔体处理装置，它包括有导气管、喷粉装置，导流管、电磁搅拌器、结晶器、铸锭、变质剂、缝隙通道、喷粉孔、合金熔体、热顶，其中，喷粉装置顶部与导气管连通，喷粉装置为中空的管状装置，喷粉装置底部侧壁上设有若干个喷粉孔，喷粉孔与导流管内壁之间形成缝隙通道，导流管底部安装在结晶器上，导流管外侧壁套装有电磁搅拌器，热顶内腔盛有合金熔体，缝隙通道顶部与合金熔体连通。本发明的优点在于：细化了初晶硅组织，减小变质剂用量，降低了成本。
Description
技术领域
本发明属于金属材料加工技术领域，尤其是指一种过共晶铝硅合金连铸过程中的熔体处理装置及利用该装置进行的处理方法。
背景技术
过共晶铝硅合金坯料由于具有轻质、高强、高耐磨、高耐热性及较低的热膨胀性等优点，通常用来制造汽车发动机活塞、转子，斜盘等关键部件。但是过共晶铝硅合金微观组织中通常存在粗大初生硅及初生硅偏聚现象，严重降低了合金的力学性能。在普通铸造下，初生硅一般都比较粗大，呈五瓣星形状、板片状、八面体和其它复杂形貌且棱角锋利，严重割裂基体，这样降低了过共晶铝硅合金的力学性能和切削加工性能，尤其是塑性显著降低。因此改善初生硅的形态和分布，细化初生硅的尺寸，减小其对基体性能的削弱作用，对于提高过共晶铝硅合金的综合性能具有非常重要的意义。
目前，在过共晶铝硅合金坯料的连铸过程中，常采用变质处理的方法控制过共晶铝硅合金的初晶硅的大小和形貌。中国专利201210042187.2公布了一种铝合金变质工艺，通过在铝合金熔炼过程中向合金熔体中加入中间合金变质剂，变质剂在合金熔体中发生熔化，形成弥散分布的形核质点，对初生硅的形核与生长产生作用，使得合金中的初生硅的大小、形貌及分布发生改变。但是这种变质工艺在连铸过共晶铝硅合金坯料时存在下列缺陷：（1）变质剂使用时多采用块状或丝状的方式加入，导致变质剂在熔体中的分布不均匀，往往达不到弥散分布的效果，变质剂加入量较多，利用率低，变质效果差。（2）变质过程往往在熔炼炉或静置炉中进行，变质完毕后直到浇注完毕，变质效果容易衰退。而且合金熔体经过路程较长，变质形核质点往往在流动过程中发生碰撞，形核质点减少，严重影响变质剂的变质效果。（3）虽然经过变质处理，但是获得的过共晶铝硅合金连铸坯料初生硅尺寸和形貌没有得到根本的改善，初生硅尺寸仍然很大，晶粒平均尺寸仍达到70微米以上，形貌较差，以板条状为主。因此仅通过常规的变质处理方法难以获得优质的过共晶铝硅合金坯料。
中国专利200810239936.4公布了一种低成本快速制备过共晶铝硅合金棒坯的方法。在惰性气体保护下对过共晶铝硅合金进行熔炼；在高温条件下采用复合变质精炼熔体；然后对熔体进行除气处理；最后采用电磁搅拌方法进行快速半连续铸造。但是这种工艺存在初生硅偏聚、组织分布不均匀的问题，也未能从根本上改善变质剂在铝合金熔体中的弥散分布状况，初生硅的大小不均，形貌较差。也提到了采用电磁搅拌进行半连续铸造，但未提及电磁搅拌过程中产生的趋肤效应如何避免，也未提到连铸过程中在线变质剂以及熔体的在线处理。
发明内容
本发明的目的在于克服过共晶铝硅合金连铸过程中存在的上述不足，提供一种过共晶铝硅合金连铸过程中的熔体处理方法及装置。
为实现上述目的，本发明所提供的技术方案为：一种过共晶铝硅合金连铸过程中的熔体处理装置，它包括有导气管、喷粉装置，导流管、电磁搅拌器、结晶器、铸锭、变质剂、缝隙通道、喷粉孔、合金熔体、热顶，其中，喷粉装置顶部与导气管连通，喷粉装置为中空的管状装置，喷粉装置底部侧壁上设有若干个喷粉孔，喷粉孔与导流管内壁之间形成缝隙通道，导流管底部安装在结晶器上上，导流管外侧壁套装有电磁搅拌器，热顶内腔盛有合金熔体，缝隙通道顶部与合金熔体连通。
所述的电磁搅拌器为旋转电磁搅拌器、行波电磁搅拌器、螺旋式电磁搅拌器，或前述搅拌器组成的复合电磁搅拌器。
按照上述所述装置处理过共晶铝硅合金熔体的方法，该熔体处理方法主要包括以下关键步骤：
1）将粉状或粒状变质剂和喷粉装置预热到200-500℃；
2）将高于液相线温度60-200℃的过共晶铝硅合金熔体导入热顶内，合金熔体通过缝隙通道流入到结晶器中；
3）连铸过程稳定后，开启喷粉装置，在气体压力作用下，喷粉装置中的粉状或粒状变质剂被均匀吹入缝隙通道内的合金熔体中，粉状或粒状变质剂快速熔解。同时，喷出的气体剧烈搅动合金熔体，促进变质剂快速吸收并均匀弥散分布，并净化铝合金熔体，降低合金熔体含气量；
4）连铸过程稳定后，开启电磁搅拌器，搅动合金熔体，并与剧烈搅动的气体相互作用，促进粉状或粒状变质剂快速熔解弥散分布到合金熔体中；
5）连铸即将结束时，关闭电磁搅拌器，关闭喷粉装置并进行清理。
所述的粉状变质剂为磷变质剂、铝磷变质剂、铝硅磷变质剂、磷铜变质剂、铝磷铜变质剂、磷化合物变质剂、稀土变质剂、锶变质剂、铝锶变质剂、锶化合物变质剂或稀土化合物变质剂。
所述的粉状或粒状变质剂颗粒大小为10-2000目。
所述的导气管通入的气体为氮气、惰性气体。
与现有技术相比，本发明的优点在于：
第一、粉状或粒状变质剂产生大量的“异质”形核质点，作为初生硅的结晶的“核心”，提高初生硅的有效形核率，细化初生硅，改变初生硅的形貌，细化了初晶硅组织，减小变质剂用量，降低了成本。
第二、电磁搅拌器和气流搅动合金熔体，促进变质剂快速弥散强化的同时，可促进合金熔体温度场和成分场的均匀化，非常有利于获得细小的晶粒。
第三、喷粉装置的设置避免电磁场的趋肤效应的影响，电磁场的分布更加均匀，合金熔体温度场和成分场也更加均匀。
第四、该方法集在线变质—在线除气—在线净化，集物理细化和化学细化于一起，对过共晶铝硅合金熔体进行处理，有利于获得高品质的过共晶铝硅合金坯料。
附图说明
图1为本发明的整体结构示意图。
具体实施方式
下面结合所有附图对本发明作进一步说明，本发明的较佳实施例为：参见附图1，本实施例所述的过共晶铝硅合金连铸过程中的熔体处理装置包括有导气管1、喷粉装置2，导流管3、电磁搅拌器4、结晶器5、铸锭6、变质剂7、缝隙通道8、喷粉孔9、合金熔体10、热顶11，其中，喷粉装置2的材质为硅酸铝保温材料，外壁光滑，外壁直径为40mm。导流管3内径为60mm，结晶器5中石墨环内径为75mm。喷粉装置2顶部与导气管1连通，喷粉装置2为中空的管状装置，管腔内装有AL-P粉状变质剂，粉状变质剂的大小为200目。喷粉装置2底部侧壁上设有若干个喷粉孔9，喷粉孔9与导流管3内壁之间形成缝隙通道8，缝隙通道8宽度为10mm。导流管3底部安装在铸锭6上，导流管3外侧壁套装有电磁搅拌器4，，热顶11内腔盛有合金熔体10，缝隙通道8顶部与合金熔体10连通，电磁搅拌器4为旋转电磁搅拌器、行波电磁搅拌器、螺旋式电磁搅拌器，或前述搅拌器组成的复合电磁搅拌器。
上述装置处理过共晶铝硅合金熔体的方法主要包括以下关键步骤：
1）将粉状或粒状变质剂和喷粉装置预热到200-500℃；粉状变质剂为磷变质剂、铝磷变质剂、铝硅磷变质剂、磷铜变质剂、铝磷铜变质剂、磷化合物变质剂、稀土变质剂、锶变质剂、铝锶变质剂、锶化合物变质剂或稀土化合物变质剂，其大小为10-2000目；
2）将高于液相线温度60-200℃的过共晶铝硅合金熔体导入热顶内，合金熔体通过缝隙通道流入到结晶器中；
3）连铸过程稳定后，开启喷粉装置，在气体压力作用下，喷粉装置中的粉状或粒状变质剂被均匀吹入缝隙通道内的合金熔体中，粉状或粒状变质剂快速熔解。同时，喷出的气体剧烈搅动合金熔体，促进变质剂快速吸收并均匀弥散分布，并净化铝合金熔体，降低合金熔体含气量；导气管通入的气体为氮气、惰性气体；
4）连铸过程稳定后，开启电磁搅拌器，搅动合金熔体，并与剧烈搅动的气体相互作用，促进粉状或粒状变质剂快速熔解弥散分布到合金熔体中；
5）连铸即将结束时，关闭电磁搅拌器，关闭喷粉装置并进行清理。
上述方案制备的A390铝合金坯料，含硅量为17.2%。采用的变质剂为粉状铝磷变质剂，磷含量为4.5%。浇注之前，将喷粉装置和变质剂预热到300℃。制备时，将820℃的A390铝合金熔体导入热顶中，熔体经缝隙通道流向结晶器进行连续铸造。连铸过程稳定后，开启喷粉装置，吹入的氮气压力为0.05Mpa，氮气流量为0.1L/min，粉状变质剂吹入量150g/min。采用的电磁搅拌器的名义输入功率是1.2kW，搅拌频率为40Hz，连铸稳定后采用的连铸工艺参数为：连铸速度为300mm/min，冷却水压为0.35Mpa，缝隙通道内熔体温度为740-780℃。连铸结束获得了组织细小、成分均匀的A390铝合金铸锭。
以上所述之实施例只为本发明之较佳实施例，并非以此限制本发明的实施范围，故凡依本发明之形状、原理所作的变化，均应涵盖在本发明的保护范围内。
Claims (6)
1.一种过共晶铝硅合金连铸过程中的熔体处理装置，其特征在于：它包括有导气管（1）、喷粉装置（2），导流管（3）、电磁搅拌器（4）、结晶器（5）、铸锭（6）、变质剂（7）、缝隙通道（8）、喷粉孔（9）、合金熔体（10）、热顶（11），其中，喷粉装置（2）顶部与导气管（1）连通，喷粉装置（2）为中空的管状装置，喷粉装置（2）底部侧壁上设有若干个喷粉孔（9），喷粉孔（9）与导流管（3）内壁之间形成缝隙通道（8），导流管（3）底部安装在结晶器（5）上，导流管（3）外侧壁套装有电磁搅拌器（4）；热顶（11）内腔盛有合金熔体（10），缝隙通道（8）顶部与合金熔体（10）连通。
2.按照权利要求1所述的过共晶铝硅合金连铸过程中的熔体处理装置，其特征在于：电磁搅拌器为旋转电磁搅拌器、行波电磁搅拌器、螺旋式电磁搅拌器，或前述搅拌器组成的复合电磁搅拌器。
3.按照权利要求1所述的装置处理过共晶铝硅合金熔体的方法，其特征在于：该熔体处理方法主要包括以下关键步骤：
1）将粉状或粒状变质剂和喷粉装置预热到200-500℃；
2）将高于液相线温度60-200℃的过共晶铝硅合金熔体导入热顶内，合金熔体通过缝隙通道流入到结晶器中；
3）连铸过程稳定后，开启喷粉装置，在气体压力作用下，喷粉装置中的粉状或粒状变质剂被均匀吹入缝隙通道内的合金熔体中，粉状或粒状变质剂快速熔解；同时，喷出的气体剧烈搅动合金熔体，促进变质剂快速吸收并均匀弥散分布，并净化铝合金熔体，降低合金熔体含气量；
4）连铸过程稳定后，开启电磁搅拌器，搅动合金熔体，并与剧烈搅动的气体相互作用，促进粉状或粒状变质剂快速熔解弥散分布到合金熔体中；
5）连铸即将结束时，关闭电磁搅拌器，关闭喷粉装置并进行清理。
4.按照权利要求3所述的处理过共晶铝硅合金熔体的方法，其特征在于：粉状变质剂为磷变质剂、铝磷变质剂、铝硅磷变质剂、磷铜变质剂、铝磷铜变质剂、磷化合物变质剂、稀土变质剂、锶变质剂、铝锶变质剂、锶化合物变质剂或稀土化合物变质剂。
5.按照权利要求3所述的处理过共晶铝硅合金熔体的方法，其特征在于：粉状或粒状变质剂颗粒大小为10-2000目。
6.按照权利要求3所述的处理过共晶铝硅合金熔体的方法，其特征在于：导气管通入的气体为氮气或惰性气体。
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