CN105522131A - 一种镁合金棒材功率超声半连续铸造及探伤装置和方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种镁合金棒材功率超声半连续铸造及探伤装置和方法，包括功率超声发生装置、超声波探伤处理系统和立式直接水冷半连续铸造机；功率超声发生装置包括超声波发生器、超声分时振动控制系统和三个同规格超声发射部件，超声发射部件包括超声波换能器、超声波变幅杆和工具头，超声波探伤处理系统包括超声波接收传感器、信号处理和判定模块、超声探伤显示屏。超声发射部件同时插入镁合金熔体中，在超声分时振动系统控制下间隔发射功率超声，熔体在超声场作用下凝固得到细晶铸棒。以超声发射部件发出的超声波为信号源，经超声波接收传感器，信号处理和判定模块对超声波波形进行处理，超声探伤显示屏上的提示确定铸棒内部缺陷状况。

Description

一种镁合金棒材功率超声半连续铸造及探伤装置和方法

技术领域

本发明属于冶金及金属材料制备领域，特别是涉及一种镁合金棒材功率超声半连续铸造及探伤装置和方法。

背景技术

镁合金被称为“21世纪的绿色工程材料”，具有密度小，比强度、比刚度高，电磁屏蔽能力强，切削加工性能好，铸造性能优良以及易回收等优点，被广泛应用于航空航天、汽车及电子领域。

半连续铸造的基本原理是将金属熔体浇入由循环水冷却的结晶器中，当熔体开始凝固成坯壳后，通过牵引装置把其拉出结晶器，并继续喷水冷却，从而得到铸锭。半连续铸造方法具有生产率高，铸造成本低，操作简单等优点，经过多年的发展和改进，已成为工业上广泛采用的有色金属铸棒生产方法。

半连续铸棒的显微组织具有以下缺点，如晶粒粗大，组织不均匀，存在化学成分偏析等，严重影响半连续铸棒力学性能和变形性能。另外，由于生产铸棒时冷却速度过快，在铸棒内产生较大内应力，易产生热裂纹等缺陷。若缺陷在后续变形加工中被扩大，对设备安全运行构成较大隐患，因此应尽量在变形加工前发现缺陷，并将不合格铸棒进行报废处理。

由于细化晶粒可有效提高铸棒的力学性能和变形性能，因此对如何细化半连续铸棒的组织，开展了许多的研究，但是只通过改进半连续铸造过程中的浇注温度、铸造速度和冷却条件等，效果有限，并不能大幅细化铸棒晶粒。

超声波检测作为一种无损检测方法，具有穿透能力强、灵敏度高、缺陷定位准确、检测成本低、速度快、对人体及环境无害等优点，被广泛应用于金属等材料的缺陷检测。

近年来，在半连续铸造过程中应用超声场进行细化晶粒的技术得到快速发展，已成为一种有效改善铸锭凝固组织和力学性能的重要方法。美国的VladimirIvanovich等人发明了轻合金的超声波连铸铸造方法，并通过实验验证其细化晶粒的效果；北京有色金属研究总院的张康等人对超声波处理对镁合金铸态组织的影响进行了研究，通过实验验证超声处理可起到降低晶粒尺寸、均匀化组织的效果；东北大学的邵志文对镁合金熔体超声处理的空化效应进行了研究，得出有效空化区域为超声发射面前的一个旋转椭球体，其深度最大值随着超声功率的增加而增加。

同时，利用超声波对连铸件进行在线超声波无损探伤也取得了一定的进展。日本昭和电工株式会社的小田岛康秀发明了利用相控阵型超声波探头发出的纵波斜角波和纵波垂直波，在水平连铸的铸模出口附近对铸棒进行超声波探伤检查的方法，使用两个探头即可实现铸棒的周向全检测；德东电工机械制造有限公司的张大海等人发明了一种连铸连轧生产线的无损探伤装置及其探伤方法，将涡流探伤仪和超声波探伤仪放置在运行与轨道上的滑车内，利用超声波和涡流进行铸轧件的探伤。

尽管上述单位或个人对超声细化晶粒或超声无损探伤进行了细致的研究工作，但都没有将二者结合起来，往往只关注其中一个方面。本发明将克服这个壁垒，将超声细化晶粒和超声无损探伤结合，节约资源，大大提高生产效率。

发明内容

本发明的目的是提供一种镁合金棒材功率超声半连续铸造及探伤装置，其是连铸生产线的超声半连续铸造和超声无损探伤装置，能达到细化晶粒、早发现早处理内部有缺陷铸件的目的，从而提高镁、铝等连铸件的合格率和生产率，避免人力和物力的浪费。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

一种镁合金棒材功率超声半连续铸造及探伤装置，用于对镁、铝等连铸生产线的合金熔体进行超声细化晶粒作用和对生产出的铸件进行无损探伤检测，其包括功率超声发生装置、超声波探伤处理系统和立式直接水冷半连续铸造机，所述功率超声发生装置包括超声波发生器、超声分时振动控制系统和三个同规格的超声发射部件构成，且超声波发生器和超声分时振动控制系统通过电缆连接，超声分时振动控制系统分别与三个同规格的超声发射部件通过电缆连接；所述超声发射部件包括依次螺纹连接的超声波换能器、超声波变幅杆和工具头，超声波换能器通过电缆与超声分时振动控制系统连接，工具头插入合金熔体内；所述超声波探伤处理系统包括依次通过电缆连接的超声波接收传感器、信号处理和判定模块和超声探伤显示屏，超声波接收传感器通过环形定位装置均布于铸棒外周向侧；所述立式直接水冷半连续铸造机包括合金熔体、铸棒、结晶器和引锭装置，结晶器位于滑轨之上，可左右移动，浇注前将引锭装置深入结晶器内部。

所述的一种镁合金棒材功率超声半连续铸造及探伤装置，其中，三个同规格的超声发射部件沿直径方向排列，中间的超声发射部件位于铸棒截面的圆心处，另两个位于其左右1/2半径处。

本发明同时提供一种镁合金棒材功率超声半连续铸造及探伤方法，其能对镁、铝等连铸生产线的合金熔体进行超声细化晶粒作用和对生产出的铸件进行快速全面的无损探伤检测。

以上目的通过以下技术方案实现：

一种镁合金棒材功率超声半连续铸造及探伤方法，其包括如下步骤：

步骤一、合金经过配料后，在熔化炉内进行合金的熔化与精炼，然后将镁合金熔体转移到保温炉中，调整到浇注温度，待浇注；

步骤二、对半连续铸造机的流槽和结晶器进行预热；

步骤三、浇注前将引锭装置深入结晶器内，然后注入镁合金熔体，开启功率超声发生装置，由超声波发生器产生高频交流电信号，分时驱动超声波换能器工作，利用超声变幅杆使机械振动的振幅放大，通过与超声变幅杆相连的工具头插入结晶器内镁合金熔体中，使超声场作用于镁合金熔体中，待镁合金熔体在结晶器壁附近形成凝固坯壳，进而在引锭装置向下牵引的过程中继续凝固成铸坯，实现超声场作用下镁合金熔体的半连续铸造；

步骤四、引锭装置开启的同时，打开超声波探伤处理系统，以超声发射部件发出的超声波为信号源，通过超声波接收传感器将接收到的超声波信号发送至信号处理和判定模块，由信号处理和判定模块对接收到的超声波波形进行处理，最后根据超声探伤显示屏上的提示确定铸棒内部缺陷状况。超声波探伤处理系统的工作方式可以设置为只记录缺陷位置或存在较大缺陷时停止铸造过程两种方式。

所述的一种镁合金棒材功率超声半连续铸造及探伤方法，步骤三中，将插入镁合金熔体中的三个同规格超声发射部件沿直径方向排列，中间的超声发射部件位于铸棒截面的圆心处，另两个位于其左右1/2半径处。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

①超声无损检测与功率超声细晶使用同一信号源，同时进行，节省成本，提高效率；

②功率超声发生装置的电压低，电流小，能源消耗小，工艺简单，操作简便；

③超声作用下熔体运动平稳，熔体表面不被破坏，有效避免吸气夹渣，提高产品质量；

④超声场频率、功率可自由调节，并与铸造速度相匹配，确定最佳铸造参数；

⑤无污染，晶粒细化效果显著，适用合金范围广，也可用于铝合金及其他合金；

⑥成本低，工艺流程短，更容易于实现工业化生产。

附图说明

图1是将功率超声半连续铸造和超声无损探伤相结合的本发明半一种镁合金棒材功率超声半连续铸造及探伤装置。

图中：1超声波发生器，2超声分时振动控制系统，3超声波换能器，4超声波变幅杆，5工具头，6镁合金熔体，7结晶器，8超声波接收传感器，9信号处理部，10超声波探伤判定装置，11铸棒，12引锭装置。

具体实施方式

下面结合具体的实施例对本发明的实施方式进一步说明：

如图1所示，一种镁合金棒材功率超声半连续铸造及探伤装置，用于对镁、铝等连铸生产线的合金熔体进行超声细化晶粒作用和对生产出的铸件进行无损探伤检测，包括功率超声发生装置、超声波探伤处理系统和立式直接水冷半连续铸造机，所述的功率超声发生装置由电源、超声波发生器1、超声分时振动控制系统2和三个同规格的超声发射部件构成，并由电缆连接；所述的超声发射部件的定位由位于结晶器之上的工作台控制，包括超声波换能器3、超声波变幅杆4和工具头5，超声波换能器3和超声波变幅杆4通过螺纹连接，超声波变幅杆4和工具头5通过螺柱连接，超声波换能器3通过电缆与超声分时振动控制系统连接，运行时工具头5插入合金熔体内；所述的超声波探伤处理系统包括超声波接收传感器8、信号处理和判定模块9、超声探伤显示屏10和电源，超声波接收传感器8、信号处理和判定模块9、超声探伤显示屏10依次通过电缆连接，超声波接收传感器8与铸棒11为非接触布置，由环形定位装置均匀布置于铸棒11外周向；所述的立式直接水冷半连续铸造机包括合金熔体、铸棒11、结晶器和引锭装置12，结晶器位于滑轨之上，可左右移动，同时浇注前将引锭装置12深入结晶器内部。

其中，插入镁合金熔体中的三个同规格超声发射部件沿直径方向排列，中间的超声发射部件位于铸棒截面的圆心处，另两个位于其左右，大致位于1/2半径处。由于单个超声发射部件作用范围有限，这样的排列可使超声作用范围尽可能覆盖整个铸棒截面，得到组织分布更加均匀的细晶铸棒。

本装置的工作原理为：将超声场作用引入半连续铸造过程中，使结晶器中的镁合金熔体在超声场作用下发生凝固。将合金熔炼炉中的镁合金熔体6转移到保温炉中保温一段时间，然后通过流槽流入到结晶器7中。由超声波发生器1产生高频交流电信号，超声分时振动控制系统2分时驱动超声波换能器3工作，利用超声变幅杆4使机械振动的振幅放大，将与超声变幅杆4相连的工具头5插入镁合金熔体6中，使超声场的空化和声流效应作用于镁合金熔体中，在结晶器壁7附近形成凝固坯壳，进而在引锭装置12向下牵引的过程中继续凝固成均匀细化的铸棒11，实现功率超声场下的镁合金熔体半连续铸造。以超声发射部件发出的超声波为信号源，在连铸机的铸模出口处(铸棒外周)周向布置超声波接收传感器8，通过超声波接收传感器将接收到的超声波信号发送至信号处理和判定模块，由信号处理和判定模块9对接收到的超声波波形进行处理，最后由超声波探伤显示屏10确定铸棒内部缺陷状况。

一种使用本发明镁合金棒材功率超声半连续铸造及探伤装置进行镁合金棒材功率超声半连续铸造及探伤的方法，其包括如下步骤：

步骤一、合金经过配料后，在熔化炉内进行合金的熔化与精炼，然后将镁合金熔体转移到保温炉中，调整到适宜的浇注温度，待浇注。

步骤二、为防止热量散失而导致浇注温度低于预设温度，对半连续铸造机的流槽和结晶器等部件进行充分预热，一般将流槽预热至600℃左右，结晶器预热至400-600℃。

步骤三、浇注前将引锭装置深入结晶器内，然后注入镁合金熔体，开启功率超声发生装置，由超声波发生器产生高频交流电信号，分时驱动超声波换能器工作，利用超声变幅杆使机械振动的振幅放大，通过与超声变幅杆相连的工具头插入结晶器内镁合金熔体中，使超声场作用于镁合金熔体中，待镁合金熔体在结晶器壁附近形成凝固坯壳，进而在引锭装置向下牵引的过程中继续凝固成铸坯，实现超声场作用下镁合金熔体的半连续铸造。

其中，插入镁合金熔体中的三个同规格超声发射部件沿直径方向排列，中间的超声发射部件位于铸棒截面的圆心处，另两个位于其左右，大致位于1/2半径处。由于单个超声发射部件作用范围有限，这样的排列可使超声作用范围尽可能覆盖整个铸棒截面，得到组织分布更加均匀的细晶铸棒。

步骤四、引锭装置开启的同时，打开超声波探伤处理系统。以超声发射部件发出的超声波为信号源，在连铸机的铸模出口处周向布置超声波接收传感器，通过超声波接收传感器将接收到的超声波信号发送至信号处理和判定模块，由信号处理和判定模块对接收到的超声波波形进行处理，最后根据超声探伤显示屏上的提示确定铸棒内部缺陷状况。判断铸棒内部缺陷的标准是，无缺陷存在时对称布置的各传感器接收到的超声信号幅值为定值，缺陷的存在会引起各传感器接收到的超声波信号幅值出现变化，根据设定的变化阀值，判定引起信号幅值差异的部分是否为缺陷。超声波探伤处理系统的工作方式可以设置为只记录缺陷位置和存在较大缺陷时停止铸造过程两种方式。

其中，采用单个超声发射部件作为检测缺陷的信号源，对于非中心部位的缺陷有很好的检出率，但对于中心部位的缺陷，尤其是垂直或平行拉坯方向的缺陷，由于超声波接收传感器沿轴向等间距布置，致使接收到的信号幅值相等，极易造成漏检。而采用三个同规格的超声发射部件分时驱动，当位于1/2半径处的超声发射部件作为信号源时，可以有效检出中心部位的缺陷，弥补单个检测信号源的漏检情况，进而实现铸棒缺陷的周向全检测。

该方法涉及半连续超声铸造和超声无损探伤，相关参数需根据合金成分、浇注温度、拉坯速度等进行调节，以得到最佳的工艺效果。相关参数的选择可遵循以下原则：结晶器的尺寸由铸棒直径、浇注温度和拉坯速度等因素确定，直径一般略大于铸棒直径，通常采用矮结晶器，高度在200-400mm之间；引锭装置由丝杠传动，拉坯速度范围可在80-240mm/min之间任意调节；采用JTS-3000型智能数控超声波发生器，功率超声发生装置的最大输出功率为3kW，频率为20-100KHz，可在如下范围内任意调节；采用的超声波接收传感器频率与功率超声发生装置的激励频率相同，同时沿铸棒周向等间距布置，布置数量由铸棒直径和探伤精度等因素决定。

实施例

按照AZ31B镁合金的配料比依次将纯Mg、纯Al和纯Zn等在680-720℃的合金熔炼炉内熔化并精炼，然后转移到保温炉中，在720℃下保温，保证合金液温度均匀，待浇注。考虑到存在3-5mm的缩坯现象和去除铸棒外表皮8-10mm厚度的缺陷层，为生产出90mm镁合金铸棒，选用结晶器直径为105mm，按照合金种类、浇铸温度和铸棒直径等参数，选择超声场参数为100KHz脉冲波的，功率为1KW，与之相匹配的铸造速度为100mm/min，分别在功率超声发生装置和半连续铸造机上设置好参数。考虑到从结晶器拉出的铸棒直径约为100mm，故周向均匀布置6个超声波接收传感器，且传感器频率为100KHz。在浇注前，对合金的流槽和结晶器进行充分的烘烤预热，并使流槽温度达到600℃，结晶器温度达到500℃。将流槽和结晶器预热后，开启冷却水循环系统，打开流量阀，开始浇注，并打开功率超声发生装置。随着合金熔体在结晶器壁凝固成具有一定厚度的坯壳，启动引锭装置和超声波探伤装置。在浇注过程中，保重流槽内液面的稳定。在铸棒被不断拉出的过程中，超声波接收传感器实时接收从超声发射部件发出的超声波信号，经过信号处理和判定模块后，通过超声波探伤显示屏观察并记录铸棒内部缺陷的分布情况。若发现较大缺陷，则发出警报，停止浇注过程。当保温炉内熔体浇注完成后，关闭流量阀。直到铸棒从结晶器中拉出，关闭功率超声发生装置、超声波探伤装置和半连续铸造机。通过此工艺过程可制备出细晶均匀的AZ31B镁合金铸棒，并且了解内部缺陷的分布情况。

Claims (5)

1.一种镁合金棒材功率超声半连续铸造及探伤装置，用于对镁、铝等连铸生产线的合金熔体进行超声细化晶粒作用和对生产出的铸件进行无损探伤检测，包括立式直接水冷半连续铸造机，其特征在于，还包括功率超声发生装置和超声波探伤处理系统，所述功率超声发生装置包括超声波发生器、超声分时振动控制系统和三个同规格的超声发射部件构成，且超声波发生器和超声分时振动控制系统通过电缆连接，超声分时振动控制系统分别与三个同规格的超声发射部件通过电缆连接；所述超声发射部件包括依次螺纹连接的超声波换能器、超声波变幅杆和工具头，超声波换能器通过电缆与超声分时振动控制系统连接，工具头插入合金熔体内；所述超声波探伤处理系统包括依次通过电缆连接的超声波接收传感器、信号处理和判定模块和超声探伤显示屏，超声波接收传感器通过环形定位装置均布于铸棒外周向侧。

2.如权利要求1所述的一种镁合金棒材功率超声半连续铸造及探伤装置，其特征在于，所述三个同规格的超声发射部件沿直径方向排列，中间的超声发射部件位于铸棒截面的圆心处，另两个位于其左右1/2半径处。

3.一种使用如权利要求1所述的一种镁合金棒材功率超声半连续铸造及探伤装置进行镁合金棒材功率超声半连续铸造及探伤的方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤一、合金经过配料后，在熔化炉内进行合金的熔化与精炼，然后将镁合金熔体转移到保温炉中，调整到浇注温度，待浇注；

步骤二、对半连续铸造机的流槽和结晶器进行预热；

步骤三、浇注前将引锭装置深入结晶器内，然后注入镁合金熔体，开启功率超声发生装置，由超声波发生器产生高频交流电信号，分时驱动超声波换能器工作，利用超声变幅杆使机械振动的振幅放大，通过与超声变幅杆相连的工具头插入结晶器内镁合金熔体中，使超声场作用于镁合金熔体中，待镁合金熔体在结晶器壁附近形成凝固坯壳，进而在引锭装置向下牵引的过程中继续凝固成铸坯，实现超声场作用下镁合金熔体的半连续铸造；

步骤四、引锭装置开启的同时，打开超声波探伤处理系统，以超声发射部件发出的超声波为信号源，通过超声波接收传感器将接收到的超声波信号发送至信号处理和判定模块，由信号处理和判定模块对接收到的超声波波形进行处理，最后根据超声探伤显示屏上的提示确定铸棒内部缺陷状况。

4.如权利要求3所述的一种使用如权利要求1所述的一种镁合金棒材功率超声半连续铸造及探伤装置进行镁合金棒材功率超声半连续铸造及探伤的方法，其特征在于，所述步骤三中，将插入镁合金熔体中的三个同规格超声发射部件沿直径方向排列，中间的超声发射部件位于铸棒截面的圆心处，另两个位于其左右1/2半径处。

5.如权利要求3所述的一种使用如权利要求1所述的一种镁合金棒材功率超声半连续铸造及探伤装置进行镁合金棒材功率超声半连续铸造及探伤的方法，其特征在于，所述超声波探伤处理系统的工作方式可以设置为只记录缺陷位置或存在较大缺陷时停止铸造过程两种方式。