CN1059484A - 直接激冷铸造金属锭的装置和方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及铝合金的直接激冷铸造，特别是大横 截面铸锭的铸造。其目的是显著降低宏观偏析并大 大提高成型铸锭横截面上的成分均匀性。上述目的 由下述方案达到；在铸造中使用一个导流装置，例如 一个导流片或流速加速器，其用于将浇入的大部分金 属液轴向向下导引，基本导至在浇铸中形成的一个液 相区或液池的底部，然后再将金属液向外及向上沿着 液池和环浇的凝固金属之间的界面导引。这样，保证 使最高温度的金属液向下供至液池底部的铸锭的中 央芯部，然后金属液再沿液池和环浇的凝固金属之间 的界面运动。

Description

本发明涉及一种改善金属铸锭内部宏观和微观结构和均匀性的装置和方法，特别是减小直接激冷铸造铝合金铸锭中心区域的宏观偏析。

生产铝合金铸锭的主要工艺是直接激冷铸造（C.D.）工艺。直接激冷铸造是在一个轴向垂直的铸模中进行的，在开始阶段铸模的下端由一个可向下运动的台板封闭，铝液被导入外表面由连续供给的冷却液激冷的铸模的上端，当金属液在靠近铸模周边的区域凝固时，所述的台板向下运动，随着台板有效连续地向下运动和相应地向铸模连续供入金属液，生产出所需长度的铸锭。从经济方面考虑，铸锭的厚度在持续增加，仅在几年前18″厚的铸锭被认为是厚大的，而今天26″到30″厚的铸锭则已是平常的了。

宏观偏析是衡量成品铸锭性质以确定其将来用途的一个参数。工业尺寸的铸件，特别是直接激冷铸造生产的铝合金铸锭，其宏观偏析的变化使之难以在整个铸件的横截面或厚度上将合金元素的含量保持在特定的范围之内。铸件中宏观偏析的程度基本上取决于铸件的厚度，浇铸速度、合金元素和它们的含量，以及铸锭中使用的工艺，然而，影响宏观偏析最重要的因素是被铸锭的厚度或直径，当铸锭厚度或直径增加至超过18″时，宏观偏析则成为一个非常严重的问题。对于这些大尺寸的铸锭，宏观偏析是在凝固中由铸锭横截面内各处热排出率的变化和在铸锭的液相与液-固区中对流力引起的不可避免变化的直接结果。

在铝合金铸锭的直接激冷铸造过程中，铸锭中通常有一个液相区或一个液池。其下面是一个液-固区，液-固区的下面是固相区，这些区均呈竖直方向布置。铸模是水冷的，因此，铸锭的外表面先于靠近纵向中心线的中心部分凝固。这样，在正在成形的铸锭的上端就产生了一个由已凝固金属围绕的液相区或金属液池。贫乏共晶元素的枝晶趋于环绕液相区或液池的周边生长，在液相区中强烈的对流导致枝晶的尖端拆断并由该对流带至液相区的中心，当枝晶向中心运动时，它们在热边界层内等温生长，并最终靠近中心线凝固。由于枝晶缺乏共晶合金元素，这将使最终产品在中心部分具有较低的合金元素含量，这种低合金元素含量引起铸锭宏观偏析的巨大偏差，如前面所述的原因，这种情况不是所期望的。

已经有各种减小工业尺寸铸锭纵向中心线附近宏观偏析的偿试。在Yu等人的美国专利第4709747号中，使用了一个位于液相区的机械闸板，用于在液相区控制液流的大小，其目的是希望减小已凝固铸件中的宏观偏析。Bryson的专利US  3672431中描述使用了一种置于铸模供液管之下的导流片结构，该导流片用于在横向引导大部分的铝液流动及向下引导小部分的铝液流动。另一个解决方案是Burkhar等人的专利US  3506059，其中有一个芯件或排出器在浇铸开始后置于模腔内并竖直向下插入液相区内，在该专利中，排出器也是用于向模腔四周导引正在浇入的高温金属液。

已经发现，上述全部的工艺对宏观偏析问题仅具有有限的作用。本发明的目的是提供一种新的设备和方法，其可以大大减小宏观偏析。

本发明涉及一种装置和方法，以便于减小直接激冷铸造金属，如铝合金铸锭的宏观偏析，改善其均匀性。根据本发明已经发现，如果使用一个导流装置，将供入的金属液的大部分中心向下基本导入正在成形之铸锭内的液池底部，然后最好再将其向外和向上沿着已凝固金属和其环绕的液池之间的界面引导，将使铸锭的均匀性得到明显的改善。该系统通过  确保温度最高的金属液供至铸造的中心部位，并且一般与现有的将最热的金属供到铸锭的表面区域，然后再使其横向扩散的操作正相反的方式进行工作。本发明的系统抵制一般发生在大型铸锭直接激冷铸造中的自然产生的浮力造成的流动，并阻止贫化的合金枝晶传输到铸锭的中心区域。

本发明的装置包括：

（a）一个具有侧壁的铸模，所述的侧壁限定了一个具有下端开口的轴向竖直铸造区;

（b）用于将金属液流向下供入到上述铸造区上部的装置;

（c）封闭铸模下端的装置，该装置被定位并用于支承在铸造区被铸铸锭的下端，在铸造中，该装置可以向下移离铸模，以实现铸锭向下的连续发展，从而由铸模中排出的铸锭部分包含了一个已凝固金属围绕的中心液池或液相区。本发明的特征是具有导流装置，该装置将供入的金属液的大部分沿中心向下导引并基本进入液池的底部。

上述特征可以用许多不同的方式来达到，例如用一个导流片或可垂直移动的插管，它们引导浇入的金属液到达液池的底部，或者可以设置增加浇入金属液速度的装置，该速度足以迫使浇入的金属液穿过液池并基本到达液池的底部，最好是浇入的金属液从液池的底部向外和向上沿液池与环绕它的已凝固金属之间的界面而被引导。

当应用导流片时，导流片被置于铸造区的上部区域之内，并向下插入液池中，该导流片装置具有基本封闭的侧壁，并且至少有一个底部开口，以将浇入的金属液的大部分沿轴向向下导过底部开口，并基本进入液池的底部，然后，金属液向外并向上沿液池和环绕它的凝固金属之间的界面而导引。

液池与已凝固金属之间的界面在正在成形的铸锭中一般沿向下及向内的方向伸展，并且导流片最好是向下并向内倾斜。也可以作成固定导流片的形式，或者一排导流片，导流片的位置在浇铸中可以独立调节，以更好地符合不断变化的界面轮廓。导流片可以是固态金属，例如合金钢结构，但其最好设计成带有玻璃布侧壁的易处理的部件。所述的玻璃布可以是典型的编织玻璃纤维网，在本申请中，横向筛网不存在压差时，金属液不能通过该网，而相同类型的纤维网在已知的应用中，例如在传输槽的金属液流中，在存在压降的条件下是允许金属液通过的，以便筛分金属液去除粗夹杂物。根据本发明的最佳实施例，导流片可以成摺折叠，并且在直接激冷铸造的开始形成液池时，导流片能够向下分阶段打开。在铸造大尺寸的工业铸锭时，液池可以是2-3英尺深，并且导流片最好向下伸入液池的底部。

导流片顶部典型的宽度大约为铸锭宽度的75%，导流片的壁通常平行于液池侧壁向内斜削，其可以用于各种常见形状的铸模上，包括矩形、正方形、长方形和圆形的等等。

在浇铸中，本发明的导流装置可以越来越深的推入铸锭的上部，且在有些情况下可以推到起始固相线位置之下。在浇铸中将导流推入正在凝固的金属之中时，液相线和固相线等温线可动平衡地自动调节，以适应所施与的轮廓。可以在导流片的侧壁上设置孔眼或缝隙，并且最好底部开口和侧壁开口的设计，应保证通过它们的液流速度足够高，以大大降低下部导流片向在导流片之上的高温液体的冷却扩散渗透。

因此，该导流片能够在固化前沿提供更高温度的金属液，例如比通常的高20°K。这样，就提高了液-固区和其前面的局部温度梯度，从而降低局部的固化时间，已经知道，微观结构的标度（二次枝晶臂的间隔和第二相粒子的尺寸）次定于局部凝固时间，从而本发明的导流装置可对结构产生极大的影响。

本发明的导流片不管其由导热材料还是绝热材料制造，均能很好地发挥其作用，不管是哪一种，其均将液池同外部冷却热隔绝，并且发现，液池中导流片每侧上的典型温差可达50～70℃，这样，金属液只有当其向下穿过导流片到达液池底部时，才置露于外部冷却的完全影响之下。

代替上述导流片，也可以使用可垂直移动的中间包和插管，它们用于在轴向向下导引浇入的大部分金属液，并将其基本导入液池的底部。使用可垂直移动的插管时，铸锭成形是从DC铸模上部的上位的插管底端开始的。在达到稳态浇铸条件，完全形成一个液池后，插管的下端下降并插入液池，从而浇入的金属液基本导至液池的底部，金属液的流速和插管的位置可动态调节液相线和固相线等温线，以适应施与的轮廓。正如所描述的导流片那样，该垂直可移动的插管也能够将浇入的金属液以比通常更高的温度供至凝固前沿附近。

将浇入的金属液基本导至液池底部的另一个方法是提高浇入金属液的速度，该速度足以迫使大部分浇入的金属液沿轴向向下穿过液池，基本到达液池的底部。实现该方案的一个方便的方法就是围绕插管安装一个电磁线性发动机，插管的出口连同该装置定位于DC铸模的上部，当浇铸达到稳态，完全形成一个液池时，才接通线性发动机。接通发动机。并对其调节，以使浇入的金属液基本传输到液池的底部，然后向外并向上沿液池和环绕它的凝固金属之间的界面传送。金属液的速度能够调节，以使相线和固相线等温线保持在所施与的轮廓之内。虽然增加速度的电磁装置是特别符合要求的，但其它诸如液压或气动的装置也可用来提高液流的速度。

本发明也涉及一种新型的产品，即一种改善了均匀性的铝-镁合金铸锭。这样得到的直接激冷铝-镁合金铸锭，在其横截面上镁含量的最大变化为合金平均镁含量的+5%到-5%。

本发明的最佳实施例由附图予以描述，其中;

图1是本发明一个特定结构的直接激冷铸造装置的简化纵剖视图;

图2是图1中所示的本发明的导流片的顶视图;

图3是带有本发明的一个倾斜导流片机构的直接激冷铸造装置的简化纵剖视图;

图4是图3所示导流片一半的透视图;

图5是带有本发明可折合导流片的直接激冷铸造装置的简化纵剖视图，其中的导流片是完全折合的;

图6是图5所示的装置在导流片部分未折合时的简化纵剖视图;

图7是导流片完全打开时的简化的纵剖视图;

图8是带有可垂直移动插管的铸造装置的简化纵剖视图;

图9是图8中的插管已下降时的铸造装置的简化纵剖视图;

图10是带有电磁加速器的浇铸装置的简化剖视图;

图11是沿铸锭厚度方向上镁含量的变化曲线;

参照图1，其中表示了一个成形细长矩形铸锭17的直接激冷铸锭模10。为了适于各种实际情况，该成形装置可以是各种类型的连续或半连续铸模，以制造具有圆形、长方形、正方形或矩形横截面的长铸锭，所述的铸模包括一个冷却水腔11、一个模面12和一个冷却水排出口18，熔融铝液13经插管15并受棒塞23控制地从流槽14供入铸模10中。

在铸造作业的开始阶段，模面12之间的铸造区的下端由一个液压油缸支承的台板19封闭，当铝液在铸造区中贴邻模面12凝固时，台板19借助于液压油缸的操作，被慢慢地垂直向下牵引，而在该台板的正在凝固的铸锭的底边则开始从铸造区的下端排出。由出口18喷出的水流直接地被喷射到紧靠模面12之下正在排出的已凝固的铸锭表面上。射到铸锭表面上的水流在铸锭17向下移离铸模时用于增强其冷却和随后的凝固。

如图1所示，在铸造区内和紧靠铸造区下面的铸锭成形区内，有一个由已凝固金属20所包围的金属液池16，已凝固的金属20与金属液池16之间的界面21由于模面12和水流18的冷却作用而向下和向内成斜锥形，在液池16的下面是完全凝固的铸锭17。

本发明的特征是设有导流装置25，该导流装置向下在轴向引导流出插入管15的金属液并使之通过底部出口27，以便使金属液输至液池16的下端，然后再向上传送至导流片的外面，并接近界面21。所述的导流片具有向内倾斜的侧壁26，侧壁26通常平行于界面21和端壁28。导流片最好作成易处理的部件，它具有一个钢架，钢架上带有由玻璃布构成的侧壁26和端壁28，在每次铸造结束时，导流片被从液池中拉出，例如由一个绞盘拉出，然后去掉玻璃布，再换上新的纤维织物。

图3和图4给出了导流片装置的一个变型，其中，导流片30具有两个半段部分30a和30b，半段30a和30b的每一个均由靠悬架35枢轴式支承的臂34呈枢轴式装配。每个导流片半段具有一对侧壁31和一个端壁32，其底部是敞开的，并且壁最好是斜的。

在铸造作业的开始，导流片半段30a和30b抬高至图3中点划线所示的位置，当金属液池开始形成一个深度时，可以将导流片逐渐向下倾转，这样，其最后达到图3实线所示的位置，在该位置，导流片对铸锭铸造的后续部分完全起作用，所述导流片的半段也可以由钢架和玻璃布壁制成易处理的部件。

图5至图7示出了导流片装置的另一种形式，在该装置中，导流片40具有柔性的玻璃布纤维壁41，壁41由支承杆42连接，这样，整个导流片如图5所示，可以被摺折在一个容器43中，从而导流片的各段随着建立起的液池达到其图7所示的最大深度，可以象图6和图7所示的那样展开。导流片这种形式的展开完全可以通过对较低的导流片使用电磁线圈，并通过计算机控制电磁线圈而自动实现。

本发明另外一个的导流结构表示在图8和图9中。在该实施例中应用一个相当长度的插入管15，该插入和流槽14可以如图示那样垂直移动。

图8表示浇铸的开始，并且开始形成液池16，当金属液在铸造区紧贴铸模面12凝固时，台板19连同在该台板之上铸造的铸锭之正在凝固的基底一起缓慢垂直向下移动，最后达到图9所示的一个稳定状态，其中具有一个由已凝固的金属20所环绕的相当深的金属槽或液池16，已凝固金属20和液池16之间的界面21由于模面12和水流的冷却作用而向下及向内斜削，在液池16之下的区域为完全成形的铸锭17。

当浇铸作业达到图9所示的稳定状态时，插管15和流槽14如图示那样下降，以使插管15的下端深深没入液池16之中，在该位置，高温金属穿过插管15被向下导引，并被排入液池16的下部，然后沿着已凝固金属与液池16之间的界面21向外及向上流动。

图10所示的实例是带有一个液流加速器的本发明的浇铸装置，其使用带有插管15和流槽14的同图8和图9所示结构基本相同的浇铸系统。然而，在图10的实施例中，插管15被一个线性电磁发动机50所包围，该发动机50用于增加向下穿过插管15的金属液的流速。带有线性电磁发动机的浇铸作业以与图8所示的相同的方式开始，即插管15的出口位于直接激铸模10内的上部，在断开线性发动机条件下，浇铸作业以台板19的下移而开始，当其达到图10所示的完全形成一个液池的稳定状态时，接通线性发动机，从而使插管排出的金属液获得足够的速度，以推动浇入的金属液向下穿过液池16，基本到达图10所示的液池的底部，在此，还必须有足够的速度推动浇入的金属液，向外和向上沿已凝固的金属20和液池16之间的界面21运动。

下面的非限定的实例给出了本发明的一个最佳实施例。

使用图1和图2所示的直接激冷铸模和导流片进行了实际设备试验。铸模是长方形，且其用于铸造铸锭的尺寸为635MM×1350MM，被铸金属是铝合金AA3004，该合金的公称镁含量为1.15%，可以典型地用于饮料包装上。

铸造工艺包括带导流片和不带导流片的两种，其结果的比较表示在图11中，可以看出，在没有导流片时，镁含量的波动大大超出了3004铝合金相应的镁含量，所测得的波动范围在公称含量1.15%Mg周围+4%到-11%。

用图1和图2的带导流片装置铸造的铸锭，其镁含量的波动大约在+1%到-5%，在铸锭整个横截面上很好地落在铝合金相应的含量范围之内，并且接近1.15%的镁公称含量。

虽然本发明是以特定的实施例来描述的，但很明显，对于本领域的技术人员来说其可以有许多变型，例如图1至图10所示的是带有相应矩形导流片的矩形模，而本发明则等效地适用于正方形、圆形或其它横截面的铸模，譬如，当铸模是圆形时，导流片具有相应的截锥形状，因此本发明包括所有属于本发明精神和权利要求范围内的结构及变型。

Claims (17)

1、一种连续浇铸金属铸锭的装置，包括：

(a)具有侧壁的铸模，所述的侧壁限定了一个下端开口的轴向垂直铸造区；

(b)向下将金属液流供入所述铸造区上部的装置；

(c)用于封闭所述铸模下端的装置，该装置被定位并支承在所述铸造区铸造的铸锭的下端，而且可以向下运动，移离所述铸模，以实现铸锭在浇铸中向下连续的发展，这样排出铸模的铸锭部分就包含了一个由已凝固金属包围的中心液池；

本发明的特征在于，还包括导流装置，其用于将供入的大部分金属液沿轴向向下引导，并基本进入液池的底部，从而保证最热的金属液浇到铸锭的中央芯部。

2、按照权利要求1所述的装置，其特征在于，导流装置也可用于从液池的底部向外和向上沿液池与环绕它的已凝固金属之间的界面导引浇入的金属液。

3、按照权利要求1所述的装置，其特征在于，导流装置包括提高浇入的金属液下行速度的装置，以便足以迫使大部分浇入的金属液轴向向下穿过液池，基本到达液池的底部。

4、按照权利要求2所述的装置，其特征在于导流装置包括置于所述铸造区上部之内的导流片装置，它向下伸入所述的液池中，所述的导流片装置具有基本封闭的侧壁，且至少具有一个底部开口，以引导大部分的浇入的金属液轴向向下穿过底部开口，基本进入所述液池的底部，然后金属液流向外并向上沿着液池和环绕的凝固金属之间的界面导引。

5、按照权利要求4所述的装置，其特征在于导流片具有向下及向内倾斜的侧壁，该侧壁通常平行于液池与凝固金属之间的界面。

6、按照权利要求4所述的装置，其特征在于所述的导流片侧壁由玻璃布构成。

7、按照权利要求1所述的装置，其特征在于导流装置包括一个可垂直移动的插管，当液池形成后，该插管向下运动，进入中心液池。

8、按照权利要求3所述的装置，其特征在于提高流速的装置可以是液压、气动或电磁增速装置。

9、按照权利要求3所述的装置，其特征在于提高流速的装置包括一个电磁线性发动机环绕的插管。

10、用于连续浇铸金属铸锭的方法，其特征在于包括以下步骤：

（a）向下连续地将金属液浇入铸模的轴向垂直铸造区的上部区域，在该铸模中金属液聚集并逐渐凝固，形成铸锭，其中首先是形成一个凝固金属环绕的中心液池，然后金属液逐步凝固，直至形成一个完全固化的铸锭，

（b）导引浇入的金属液流，使大部分浇入的金属液轴向向下传输，并基本到达所述液池的底部，以保证浇入的温度最高的金属液浇至铸锭的中央芯部。

11、按照权利要求10所述的方法，其特征在于金属液流从液池的底部在向外及向上的方向沿液池和环绕的凝固金属之间的界面传输。

12、按照权利要求10所述的方法，其特征在于液流的传输是以提高浇入的金属液流速的方式进行的，以便足以使大部分浇入的金属液轴向向下输至所述液池的底部，再由此向上沿液池的四周传送。

13、按照权利要求10所述的方法，其特征在于浇入的金属液由机械导流片装置导流，以使大部分浇入的金属液轴向向下基本传输至液池的底部，再由此向上沿液池的四周传输。

14、按照权利要求10所述的方法，其特征在于浇铸的金属为铝或铝合金。

15、按照权利要求14所述的方法，其特征在于铝中含有一定量的合金元素镁。

16、一种直接激冷铸造的铝-镁合金铸锭，其特征在于，横过铸锭截面的镁含量的最大变化范围是合金中平均镁含量的+5%到-5%。

17、按照权利要求16所述的铸锭，其特征在于平均镁含量为1.15%（重量）。

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