CN106270427A - 一种非晶母合金锭连铸系统及其使用方法 - Google Patents

一种非晶母合金锭连铸系统及其使用方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种非晶母合金连铸系统，包括熔料装置、水冷结晶器、牵引杆、牵引杆密封套以及牵引设备，其中熔料装置设于真空室内；熔料装置的出口与水冷结晶器相连接，牵引杆设于非晶合金熔液的流道中，其引流端与熔料装置出口相连；牵引杆的牵引端外部设有牵引杆密封套，牵引杆的牵引端与牵引设备相连；牵引杆、牵引杆密封套与水冷结晶器形成密闭空腔，水冷结晶器上设有真空控制阀，用于控制上述密闭空腔的真空度。本发明中的单真空室的非晶合金材料的连铸系统，不仅可有效避免铸造过程中非晶合金材料表面发生氧化，同时该系统结构简单、造价低廉，适合大规模使用。

Description

一种非晶母合金锭连铸系统及其使用方法
技术领域
本发明涉及一种金属的连续铸造系统，具体涉及一种可实现对非晶态合金的母合金铸锭进行连续铸造的系统以及该系统的使用方法。
背景技术
非晶态合金（Amorphous Alloy）与晶态合金一样，都是多组元的合金体系，但是与晶态合金中原子的周期性排列不同，在非晶态合金中，原子的排列不具有长程有序的特点，仅在单个原子的附近具有一定程度的短程有序。由于非晶态合金的特殊微观结构特征，非晶态合金没有传统晶体材料的晶界、位错和孪晶等缺陷，因此具有许多优异的性能，如独特的电磁性能、机械性能、高强度硬度以及高耐腐蚀性能。迄今为止，非晶态合金（简称非晶合金）的研究已成为当前金属新材料研发的非常重要的研究方向之一。
非晶合金的制备方法与传统合金类似，都是将原料熔炼后制成母合金铸锭，然后再进行其他深加工。现有技术中制备非晶母合金铸锭的工艺步骤为：首先将非晶合金的原料熔炼成熔体，然后将熔体送至既定的模具中，待模具冷却后取出模具中的非晶母合金铸锭，然后重复上述步骤继续生产非晶合金锭；如果要得到不同尺寸或者形状的非晶合金锭，需要改换模具或者继续对初步得到的非晶母合金铸锭进行整形、切割等物理加工。在现有技术的非晶母合金铸锭制备过程中，需要耗费大量的人工进行模具的拆卸组装，导致生产效率低和生产时间长，尤其当需要采用不同的模具时，更增加了模具的费用，使得制造成本居高不下。为解决上述问题，许多研究人员考虑使用连铸的方式进行非晶母合金铸锭的制备，许多研究中，将用于炼钢的连铸系统应用于非晶母合金锭的连续成型工艺中，然而非晶材料不同于普通钢铁材料，非晶材料易氧化，在使用炼钢所使用的连铸设备或系统时容易导致非晶母合金锭表面发生氧化。也有针对非晶合金材料开发的连铸系统，如申请号为200910011405.4名为《一种块体金属玻璃连续成型的装置和方法》的中国发明专利中提供了一种具有两个存在气压差的真空室的连铸系统，用于实现大块金属玻璃的连续成型。上述方案虽然可实现避免非晶母合金锭表面发生氧化，然而系统需要两间真空室才能使用，而且从真空控制运行上来讲，其可控制性差，造价及运行成本都高，不宜推广使用。
发明内容
由于非晶合金表面在高温条件下易发生氧化，所以现有技术中普遍使用的连铸系统并不完全适用于非晶合金的生产过程。针对这一问题，许多改进方案应运而生，如将所有非晶合金生产环境完全设为真空，或者分布将非晶合金生产各个步骤设为多个真空环境，这些方案尽管从逻辑上存在实现的可能，然而对于实际生产来说，生产成本及控制条件都过于高要求，工业化的可能性非常低。本发明提供了一种单真空室的非晶合金材料的连铸系统，不仅可有效避免铸造过程中非晶合金材料表面发生氧化，同时该系统结构简单、造价低廉，适合大规模使用。
本发明所要解决的技术问题通过以下技术方案予以实现：
本发明中提供的非晶母合金锭连铸系统，包括熔料装置、水冷结晶器、牵引杆、牵引杆密封套以及牵引设备，其中：
熔料装置设于真空室内；
熔料装置的出口与水冷结晶器相连接，牵引杆设于非晶合金熔液的流道中，其引流端与熔料装置出口相连；
牵引杆的牵引端外部设有牵引杆密封套，牵引杆的牵引端与牵引设备相连；牵引杆、牵引杆密封套与水冷结晶器形成密闭空腔，水冷结晶器上设有真空控制阀，用于控制上述密闭空腔的真空度。
本发明中，为防止非晶合金在铸造的过程中表面发生氧化，牵引杆的牵引端外部首先设有牵引杆密封套，使牵引杆的牵引端在连铸开始之前即不与外界接触。在连铸开始之前，牵引杆、水冷结晶器及牵引杆密封套形成的空腔通过设置的真空控制阀将真空度保持与真空熔炼室一致，在非晶熔液表面张力作用下，实现了牵引杆对熔化炉内熔液的有效密封，而在连铸开始以后，关闭上述真空控制阀，又可实现水冷结晶器内的气氛与真空熔炼室内腔气氛的有效隔绝。
进一步地，牵引杆密封套内腔截面面积比水冷结晶器内腔截面面积大1-20%。牵引杆密封套可以任何可拆装的方式与水冷结晶器相连接，为保证密封效果同时还需保证密封套在连铸开始后的脱除过程不受影响，牵引杆密封套内腔截面面积宜比水冷结晶器内腔截面面积大，然而不宜过大，从经济适用的角度上考虑，牵引杆密封套内腔截面面积比水冷结晶器内腔截面面积大1-3%最佳。
牵引杆密封套材料可选用硅胶、塑料、橡胶、金属中的一种。进一步优选，牵引杆密封套材料可使用不锈钢、无氧铜等金属材料。
本发明还提供一种利用本发明中的非晶母合金锭连铸系统的连续铸造方法，包括如下步骤：
步骤1：将非晶合金原料加入熔料装置中，对熔料装置所在的真空室与牵引杆和水冷结晶器所形成的密闭空腔同时抽真空至真空度为10-3-102Pa，然后通入惰性气体，充入惰性气体压力为（1~1.5）×105Pa。
步骤2：熔料装置加热熔化非晶合金原料直至形成非晶合金熔液。
步骤3：连铸开始前，关闭水冷结晶器上的真空控制阀；连铸开始后，松开牵引杆密封套，启动牵引装置；水冷结晶器对进入冷却段的非晶合金熔液进行冷却；
进一步平衡压力，连铸开始前，控制水冷结晶器上的真空控制阀，将结晶器腔内的气体压力调整为大于1×105Pa，优选地，将结晶器腔内的气体压力调整为（1.001~1.03）×105Pa。
非晶合金原料熔化后，保持非晶合金熔液温度高于该非晶合金液相线温度30-150℃；
控制水冷结晶器调节非晶合金熔液的冷却速度为10-103K/s。
步骤4：牵引杆的密封套在牵引装置的作用下水平运动直至脱落，同时非晶合金熔液在牵引杆的牵引作用下流至水冷结晶器，然后凝固成型，从而连续产出直至熔料装置内原料消耗殆尽。
本发明具有如下有益效果：
1、本发明中的非晶母合金锭连铸系统采用单真空室连铸，比起设备成本高、操作复杂、运行成本高的多真空室连铸装置更适合工业低成本生产需求。
2、本发明中的非晶母合金锭连铸系统采用真空熔炼后，再进行破真空连铸，真空室内的惰性气体保护可避免空气对流进入真空熔化炉内导致非晶熔液被氧化。
附图说明
图1 为本发明中非晶母合金锭连铸系统的示意图；
图2为本发明中牵引杆密封套与水冷结晶器的连接示意图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明进行详细的说明。
实施例1
本实施例中提供的非晶母合金锭连铸系统，包括熔料装置2、水冷结晶器4、牵引杆5和牵引设备8，其中熔料装置设于真空室1内。熔料装置可使用现有技术中常用的非晶合金的熔炼炉，真空室即真空熔炼室，采用与现有技术中的真空熔炼室类似的结构，设有真空控制阀、惰性气体阀、放气阀以及安全阀等阀门装置（附图中未标示出），真空室1的顶盖101可开启，便于投料。牵引设备可使用辊轮等可实现牵引功能的机械设备。
熔料装置2的出口与水冷结晶器冷却段403相连接，牵引杆5设于非晶合金熔液3的流道中，其引流端与熔料装置出口相连，牵引端则与牵引设备8相连,。非晶合金熔液3由牵引杆5引出，流至水冷结晶器中，在冷却段403内熔液冷却凝结成固态合金，牵引杆5和冷却成型的非晶母合金在牵引设备8的带动下被引出。
牵引杆的牵引端外部设有牵引杆密封套6，在水冷结晶器上还设有真空控制阀404。真空控制阀404可控制牵引杆、水冷结晶器及牵引杆密封套所形成的密闭空腔7的真空度。牵引杆密封套可以任何可拆装的方式与水冷结晶器相连接，如附图2所示，可采用挤压密封圈密封的方式。为保证密封效果还需保证密封套在连铸开始后的脱除过程不受影响，同时也考虑到密封套安装过程，牵引杆密封套内腔截面面积设为比水冷结晶器内腔截面面积略大，本发明的发明人在实践中发现只需大于1%即可，考虑到实际应用的方便程度，牵引杆密封套内腔截面面积设为比水冷结晶器内腔截面面积大1-20%是最佳的范围，进一步优选，从经济适用的角度上考虑，牵引杆密封套内腔截面面积比水冷结晶器内腔截面面积大1-3%最佳。本实施例中采用的牵引杆密封套内腔截面面积比水冷结晶器内腔截面面积大2%左右，不仅便于安装和拆卸，而且能够实现有效密封。
牵引杆密封套材料可选用硅胶、塑料、橡胶、金属中的一种。考虑到连铸过程中密封套可能会接触到温度较高的母合金，牵引杆密封套材料可采用金属材料，金属材料中优选不锈钢。
使用实施例中的非晶金母合金锭连铸系统的连续铸造方法步骤如下：
1、将非晶合金原料加入熔料装置2中，关闭真空室顶盖101和真空阀404，对真空室1和密闭腔室7同时抽真空、抽至真空度为10-3-102Pa，然后通入惰性气体，并充入惰性气体压力为（1~1.5）×105Pa；
2、熔料装置2加热融化合金原料直至形成非晶合金熔液3；
3、连铸开始前，关闭水冷结晶器上的真空控制阀404；连铸开始后，松开牵引杆密封套7，启动牵引装置8。水冷结晶器内进水口401和出水口402位于冷却段，将进入冷却段的非晶熔液进行冷却，根据非晶原料体系的不同控制水冷结晶器，调节非晶合金熔液的冷却速度为10-103K/s。
根据不同的非晶合金体系，非晶合金原料熔化后，保持非晶合金熔液温度高于该非晶合金液相线温度30-150℃，如锆基非晶合金 Zr55Cu30Al10Ni5的液相线为870℃，熔化后保持温度在950℃，然后进行合金锭连铸。
在连铸开始之前，牵引杆、水冷结晶器及牵引杆密封套形成的空腔通过设置的真空控制阀将真空度保持与真空熔炼室一致，在非晶熔液表面张力和空腔7内的保护气氛联合作用下，实现了牵引杆对熔化炉内熔液的有效密封，而在连铸开始以后，关闭上述真空控制阀，又可实现水冷结晶器内的气氛与真空熔炼室内腔气氛的有效隔绝。
4、牵引杆的密封套6在牵引装置8的作用下水平运动直至脱落，同时非晶合金熔液3在牵引杆5的牵引作用下流至水冷结晶器，然后凝固成型，从而连续产出直至熔料装置内原料消耗殆尽。
实施例2
实施例2中提供的非晶母合金锭连铸系统与实施例1相同，包括熔料装置2、水冷结晶器4、牵引杆5和牵引设备8，其中熔料装置设于真空室1内。熔料装置可使用现有技术中常用的非晶合金的熔炼炉，真空室即真空熔炼室，采用与现有技术中的真空熔炼室类似的结构，设有真空控制阀、惰性气体阀、放气阀以及安全阀等阀门装置（附图中未标示出），真空室1的顶盖101可开启，便于投料。牵引设备可使用辊轮等可实现牵引功能的机械设备。
熔料装置2的出口与水冷结晶器冷却段403相连接，牵引杆5设于非晶合金熔液3的流道中，其引流端与熔料装置出口相连，牵引端则与牵引设备8相连,。非晶合金熔液3由牵引杆5引出，流至水冷结晶器中，在冷却段403内熔液冷却凝结成固态合金，牵引杆5和冷却成型的非晶母合金在牵引设备8的带动下被引出。
牵引杆的牵引端外部设有牵引杆密封套6，在水冷结晶器上还设有真空控制阀404。真空控制阀404可控制牵引杆、水冷结晶器及牵引杆密封套所形成的密闭空腔7的真空度。牵引杆密封套可以任何可拆装的方式与水冷结晶器相连接，如附图2所示，可采用挤压密封圈密封的方式。保证密封效果还需保证密封套在连铸开始后的脱除过程不受影响，同时也考虑到密封套安装过程，牵引杆密封套内腔截面面积设为比水冷结晶器内腔截面面积略大，本发明的发明人在实践中发现只需大于1%即可，考虑到实际应用的方便程度，牵引杆密封套内腔截面面积设为比水冷结晶器内腔截面面积大1-20%是最佳的范围，进一步优选，从经济适用的角度上考虑，牵引杆密封套内腔截面面积比水冷结晶器内腔截面面积大1-3%最佳。本实施例中采用的牵引杆密封套内腔截面面积比水冷结晶器内腔截面面积大2%左右，不仅便于安装和拆卸，而且能够实现有效密封。
牵引杆密封套材料可选用硅胶、塑料、橡胶、金属的一种。考虑到连铸过程中密封套可能会接触到温度较高的母合金，牵引杆密封套材料可采用金属材料，金属材料中优选无氧铜。
使用实施例中的非晶金母合金锭连铸系统的连续铸造方法步骤如下：
1、将非晶合金原料加入熔料装置2中，关闭真空室顶盖101和真空阀404，对真空室1和密闭腔室7同时抽至真空度为10-3-102Pa，然后通入惰性气体，并充入惰性气体压力为（1~1.5）×105Pa；
2、熔料装置2加热融化合金原料直至形成非晶合金熔液3；
3、连铸开始前，控制水冷结晶器上的真空控制阀404，将结晶器腔内的气体压力调整为大于1×105Pa；连铸开始后，松开牵引杆密封套7，启动牵引装置8。水冷结晶器内进水口401和出水口402位于冷却段，将进入冷却段的非晶熔液进行冷却，根据非晶原料体系的不同控制水冷结晶器，调节非晶合金熔液的冷却速度为10-103K/s。
根据不同的非晶合金体系，非晶合金原料熔化后，保持非晶合金熔液温度高于该非晶合金液相线温度30-150℃，如锆基非晶合金 Zr57Cu15.4Ni12.6Al10Nb5，熔化后保持温度在960℃，然后进行合金锭连铸。
在连铸开始之前，牵引杆、水冷结晶器及牵引杆密封套形成的空腔通过设置的真空控制阀将真空度保持与真空熔炼室一致，在非晶熔液表面张力和空腔7内的保护气氛联合作用下，实现了牵引杆对熔化炉内熔液的有效密封，而在连铸开始以后，关闭上述真空控制阀，又可实现水冷结晶器内的气氛与真空熔炼室内腔气氛的有效隔绝。
4、牵引杆的密封套6在牵引装置8的作用下水平运动直至脱落，同时非晶合金熔液3在牵引杆5的牵引作用下流至水冷结晶器，然后凝固成型，从而连续产出直至熔料装置内原料消耗殆尽。
本发明中的非晶母合金锭连铸系统可适用于锆基非晶合金、镁基非晶合金、镍基非晶合金、铁基非晶合金、铜基非晶合金、钴基非晶合金等不同体系的非晶母合金连铸过程。
最后需要说明的是，以上实施例仅用以说明本发明实施例的技术方案而非对其进行限制。尽管参照较佳实施例对本发明实施例进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解依然可以对本发明实施例的技术方案进行修改或者等同替换，而这些修改或者等同替换亦不能使修改后的技术方案脱离本发明实施例技术方案的范围。

Claims (10)

1.一种非晶母合金锭连铸系统，包括熔料装置、水冷结晶器、牵引杆、牵引杆密封套以及牵引设备，其特征在于：
熔料装置设于真空室内；
熔料装置的出口与水冷结晶器相连接，牵引杆设于非晶合金熔液的流道中，其引流端与熔料装置出口相连；
牵引杆的牵引端外部设有牵引杆密封套，牵引杆的牵引端与牵引设备相连；牵引杆、牵引杆密封套与水冷结晶器形成密闭空腔，水冷结晶器上设有真空控制阀，用于控制上述密闭空腔的真空度。
2.如权利要求1所述非晶母合金锭连铸系统，其特征在于：牵引杆密封套材料为硅胶、塑料、橡胶、金属中的一种。
3.如权利要求1所述非晶母合金锭连铸系统，其特征在于：牵引杆密封套内腔截面面积比水冷结晶器内腔截面面积大1-20%。
4.如权利要求3所述非晶母合金锭连铸系统，其特征在于：牵引杆密封套内腔截面面积比水冷结晶器内腔截面面积大1-3%。
5.一种利用如权利要求1-4所述非晶母合金锭连铸系统的连续铸造方法，其特征在于包括如下步骤：
步骤1：将非晶合金原料加入熔料装置中，对熔料装置所在的真空室与牵引杆和水冷结晶器所形成的密闭空腔同时抽真空然后通入惰性气体；
步骤2：熔料装置加热熔化非晶合金原料直至形成非晶合金熔液；
步骤3：连铸开始前，关闭水冷结晶器上的真空控制阀；连铸开始后，松开牵引杆密封套，启动牵引装置；水冷结晶器对进入冷却段的非晶合金熔液进行冷却；
步骤4：牵引杆的密封套在牵引装置的作用下水平运动直至脱落，同时非晶合金熔液在牵引杆的牵引作用下流至水冷结晶器，然后凝固成型，从而连续产出直至熔料装置内原料消耗殆尽。
6.如权利要求5所述的连续铸造方法，其特征在于：步骤1中，熔料装置所在真空室真空度为10-3-102Pa，并充入惰性气体压力为（1~1.5）×105Pa。
7.如权利要求5所述的连续铸造方法，其特征在于：步骤3中，连铸开始前，控制水冷结晶器上的真空控制阀，将结晶器腔内的气体压力调整为大于1×105Pa。
8.如权利要求5所述的连续铸造方法，其特征在于：步骤3中，连铸开始前，控制水冷结晶器上的真空控制阀后，将结晶器腔内的气体压力调整为（1.001~1.03）×105Pa。
9.如权利要求5所述的连续铸造方法，其特征在于：步骤3中，非晶合金原料熔化后，保持非晶合金熔液温度高于该非晶合金液相线温度30-150℃。
10.如权利要求5所述的连续铸造方法，其特征在于：步骤3中，水冷结晶器调节非晶合金熔液的冷却速度为10-103K/s。
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