CN106862515A - 一种大直径轻合金长管坯的制备装置和方法 - Google Patents

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Abstract

一种大直径轻合金长管坯的制备装置和方法，属于金属材料加工和冶金技术领域。该制备装置主要由离心模具、辊轮、流槽、移动小车和小车导轨组成。该制备方法包括：1.计算机模拟仿真，确定凝固速度；2.配制轻合金熔液；3.制备管坯：(1)离心模具预热；(2)逐层浇注，最终制得大直径轻合金长管坯。该方法采用卧式离心铸造，通过逐层凝固的方式即从外层至内层依次浇注，层与层之间实现冶金结合不能出现分层，制备出了外直径400mm‑1400mm，内直径为380‑1380mm，长度2m‑20m的镁合金管材，铸件组织细小、组织致密，消除了宏观偏析，开创了大直径高性能镁合金长管坯制备工艺的先河。

Description

一种大直径轻合金长管坯的制备装置和方法
技术领域
本发明涉及金属材料加工和冶金技术领域，具体为一种大直径轻合金长管坯的制备装置和方法。
背景技术
目前镁合金的生产工艺主要以压铸为主，90％左右的商用镁合金零部件都是压铸件，离心铸造件很少，而且离心铸造主要应用在生产铸铁、铸钢件，在轻质合金方面应用很少。大量实验研究表明，镁合金晶粒组织在得到充分细化后，可以显著地提高镁合金的室温力学性能。金属型离心铸造工艺所生产的铸件中少、无夹杂和气孔、组织致密，显著地提高了铸件成品率和力学性能，达到以较少的成本生产出较多优质铸件的目标，是管件生产的主要方法。
专利[CN104625003A]发明公开了一种离心铸造生产镁合金大型环件的方法，制备出组织致密、抗拉强度好的镁合金大型环件；专利[CN102601338A]发明了一种离心铸造生产大型环件的方法，运用重力系数公式确定离心模具转速等参数，制备出组织均匀，抗拉强度好的镁合金大型环件。
上述研究表明离心铸造镁合金管件是可行的，但以前的研究存在一定的局限，一些研究工作是立式离心机上进行的，管件长度受到限制，不能制备长度大于10m的大型管件；而另一些卧室离心机上制备的镁合金管直径受到限制。
发明内容
针对现有技术存在的缺点，本发明提供了一种大直径轻合金长管坯的制备装置和方法，该制备装置为一种卧式离心动力装置，该装置主要由离心模具、辊轮、流槽、移动小车和小车导轨组成，该制备方法采用卧式离心铸造，通过逐层凝固的方式即从外层至内层依次浇注，层与层之间实现冶金结合不能出现分层，制备出了外直径400mm-1400mm，内直径为380-1380mm，长度2m-20m的镁合金管材，铸件组织细小、组织致密，消除了宏观偏析，开创了大直径高性能镁合金长管坯制备工艺的先河。
本发明的一种大直径轻合金长管坯的制备装置，包括离心模具、辊轮、流槽、移动小车和小车导轨；所述的离心模具为空心管材，其下方设置有辊轮，在离心模具空心内设置有流槽，流槽的另一端与移动小车相连接，移动小车上方设置有放置熔炼设备的可倾转浇注支架，移动小车的车轮下方设置有小车导轨；
浇注时，熔炼设备放置于移动小车的可倾转浇注支架上，熔炼设备的垂直中心轴和流槽的水平中心轴垂直。
所述的离心模具为浇注模具。
所述的辊轮包括支撑辊和驱动辊，驱动辊的作用为驱动离心模具旋转，驱动辊由电机驱动，支撑模具的作用为支撑离心模具并旋转离心模具。
所述的支撑辊至少为3个，驱动辊至少为1个。
驱动辊和支撑辊之一设置于接近移动小车的一端，通过驱动辊带动离心模具旋转；在离心模具下方至少设置有一对支撑辊，至少有一对支撑辊设置于离心模具远离移动小车的一端。
所述的流槽与移动小车相连接的方式是螺栓连接。
所述的熔炼设备设置有开口，方便轻合金熔液的倾倒，将熔炼设备放置于移动小车的可倾转浇注支架时，熔炼设备的开口位于流槽的正上方。
所述的轻合金具体为镁合金或铝合金，优选为镁合金。
本发明的一种大直径轻合金长管坯的制备方法，包括以下步骤：
步骤1：确定凝固速度
通过计算机模拟离心铸造逐层凝固过程中温度场的变化，优化离心铸造工艺参数，确定合理的凝固速度、装置中可旋转浇注支架的角速度、装置中移动小车的车速；
步骤2：配制轻合金熔液
按照轻合金成分配比称量原料，熔炼，制得轻合金熔液，加热到浇注温度，保温待用；
步骤3：制备管坯
(1)离心模具预热
对离心模具外壁进行加热，对离心模具内壁温度进行测量，当离心模具内壁温度为150℃-300℃时，开始浇注；
(2)逐层浇注
根据计算机仿真模拟优化后的工艺参数，将装有轻合金熔液的熔炼设备放入移动小车的可倾转浇注支架上进行浇注，轻合金熔液流入流槽中，通过流槽引导进入离心模具中进行浇注，同时，移动小车在小车导轨上移动，实现流槽在离心模具内移动，将轻合金熔液采用逐层浇注的方式浇注，最终制得大直径轻合金长管坯；
其中，逐层浇注的具体方法为：离心铸造过程采用逐层浇注，以设定的大直径轻合金长管坯的外径为第一层，由外径向内径进行浇注，浇注的层数按照壁厚进行设定，浇注过程中，每层厚度L需满足L1>L2>L3>……>Li，其中，L1为第一层浇注厚度，L2为第二层浇注的厚度，L3为第三层浇注的厚度，依次类推，Li为最后一层浇注的厚度；其中，每一层浇注过程中，离心模具转速分为三个阶段：第一阶段是快速使得合金液尽快达到预设转速；第二阶段中速，当轻合金熔液充满离心模具后，轻合金熔液与离心模具旋转同步时适当降低旋转速度。第三阶段慢速，当轻合金熔液凝固完成时进一步降低转速，防止热裂的产生。
所述的步骤1中，所述优化离心铸造工艺参数包括：离心模具预热温度、浇注温度、离心模具转速和浇注速度；其中，离心模具预热温度为150℃-300℃，浇注温度为650℃-850℃，离心模具转速为700r/min-1500r/min，浇注速度为4.3m3/h-8.3m3/h。
所述的步骤1中，所述的计算机为采用计算机模拟仿真，模拟软件为Flow3d，根据实验方法进行建模，模拟离心铸造逐层凝固过程中温度场的变化，当温度低于固相线则认为合金完全凝固，得到凝固速度，凝固速度与离心模具预热温度和浇注温度有关系。
所述的步骤1中，所述的离心模具转速的确定方法为：采用康斯坦丁诺夫公式进行计算，其公式如下：
其中，n—离心模具转速(r/min)；r0—铸件内表面半径(m)；γ—液体金属重度(N/m3)；β—调整系数。
所述的步骤1中，所述的浇注速度是通过控制可倾转浇注支架角速度和装置中移动小车的车速确定的。
所述的步骤1中，所述的可倾转浇注支架角速度和装置中移动小车的车速采用数值模拟的方法确定。
所述的步骤2中，当轻合金为镁合金时，镁合金熔液含有的成分及成分的重量百分比为：铝8.5-9.5％、锌0.45-0.9％、锰0.17-0.5％、余量为镁。
所述的步骤2中，所述的熔炼，具体包括：在熔炼设备上涂抹涂料，加入轻合金原料，熔炼过程中，通保护气体防止金属氧化；当轻合金中的成分完全熔化后，加入精炼剂精炼，扒渣，静置，得到轻合金熔液。
所述的步骤2中，所述的熔炼采用的设备为电阻炉，熔炼设备为铁质坩埚，所述的涂料为氧化锌与酒精的混合物；其中，按质量比，氧化锌：酒精＝1：(3～9)。
当轻合金为镁合金时，所述的涂料为氧化锌、酒精和硼酸的混合物，按质量比，氧化锌：酒精：硼酸＝1:(3～9)：(1～2)，加入的硼酸能防止金属氧化。
所述的步骤3(1)中，所述的对离心模具内壁温度进行测量采用的工具为测温枪。
所述的步骤3(2)中，所述的逐层浇注的过程为：每一层的浇注过程为流槽出口初始位置在离心模具远离移动小车的一端，移动小车上的熔炼设备开始倾转，轻合金熔液流入流槽并沿流槽流入旋转的离心模具中，当轻合金熔液开始顺着流槽进入离心模具内时，移动小车带动流槽开始向着离心模具另一端移动。到流槽出口到达离心模具另一端时熔炼设备停止旋转，移动小车停止移动，第一层浇注完毕。移动小车带动流槽移动到第一层浇注的初始位置，准备浇注第二层。
所述的步骤3(2)中，所述的移动小车为可变速小车，其中，可变速小车的车速为0.1m/s-1m/s。
所述的步骤3(2)中，所述的移动小车的可倾转浇注支架的倾转角速度为0.1rad/s-1rad/s。
所述的步骤3(2)中，所述的逐层浇注中，每一层浇注速度与浇注时间采用线性数学关系模型确定。
所述的线性数学关系模型为：
浇注速度的公式为：V＝2M/Πσ
其中，V是浇注速度，即单位时间浇注的轻金属质量，单位是kg/s
M是浇注轻合金总质量，单位是kg
σ是熔炼设备旋转角速度，即移动小车的可倾转浇注支架的角速度，单位是rad/s
Π为圆周率。
某一层的浇注时间的公式为：t＝m/V
m是某层所需浇注的轻金属质量，单位kg
V是浇注速度，单位是kg/s
所述的步骤3(2)中，在浇注前，在离心模具内壁，流槽内壁，均匀涂上涂料，涂料为氧化锌与酒精的混合物；其中，按质量比，氧化锌：酒精＝1：(3～9)。
当轻合金为镁合金时，所述的涂料为氧化锌、酒精和硼酸的混合物，按质量比，氧化锌：酒精：硼酸＝1:(3～9)：(1～2)，加入的硼酸能防止金属氧化。
本发明的一种大直径轻合金长管坯的制备装置和方法，相比于现有技术，其有益效果在于：
本发明采用逐层浇注，解决了现有技术中制备大直径、厚壁、长管坯的难题，通过离心铸造，采用分段离心模具转速，避免了轻合金在离心铸造过程中出现淋落现象。通过逐层浇注消除了离心铸造宏观偏析的现象。
通过本发明所述技术方案的实施，方法操作简单，便于控制，产品质量高，可以提高镁合金管材产品的合格率和生产效率。
附图说明
图1为本发明的大直径轻合金长管坯的制备装置的结构示意图；
其中，1为离心模具，2为支撑辊，3为驱动辊，4为流槽，5为移动小车，6为熔炼设备，7为小车导轨；
图2为本发明实施例1中离心铸造得到的AZ91镁合金管材的金相显微组织图。
具体实施方式
结合本发明内容进一步描述，并提供实施例进一步说明；
以下实施例采用的卧式离心机的型号为LZG12。
以下实施例采用的计算机仿真的模拟软件为Flow3d。
实施例1
一种大直径轻合金长管坯的制备装置，其结构示意图见图1，该制备装置包括离心模具1、辊轮、流槽4、移动小车5和小车导轨7；其中，离心模具1作为浇注模具，离心模具为一空心管材，下方设置有辊轮，所述的辊轮包括3个支撑辊2和1个驱动辊3，流槽4一端设置于离心模具1内，流槽4的另一端与移动小车5相连接，移动小车5上方设置有可以放置熔炼设备的可倾转浇注支架，浇注时，熔炼设备6放置于移动小车5的可倾转浇注支架上，熔炼设备6的垂直中心轴和流槽4的水平中心轴垂直，移动小车5的车轮下方设置有小车导轨7。
1个驱动辊3和支撑辊2之一设置于接近移动小车5的一端，通过电机带动驱动辊3转动，从而带动离心模具1旋转；在离心模具1下方远离移动小车的一端设置有一对支撑辊2。
所述的流槽4与移动小车5相连接的方式是螺栓连接。
所述的熔炼设备6设置有开口，方便轻合金熔液的倾倒，熔炼设备6放置于移动小车5的可倾转浇注支架时，熔炼设备6的开口位于流槽4的正上方。
一种大直径轻合金长管坯的制备方法，包括以下步骤：
步骤1：确定凝固速度
通过计算机模拟离心铸造逐层凝固过程中温度场的变化，优化离心铸造工艺参数(离心模具预热温度，浇注温度，离心模具转速，浇注速度)，确定合理的凝固速度、装置中可旋转浇注支架的角速度、装置中移动小车的车速；
所述的计算机为采用计算机模拟仿真，根据实验方法进行建模，模拟离心铸造逐层凝固过程中温度场的变化，当温度低于固相线则认为合金完全凝固，得到凝固速度为0.0189m/s；
所述的离心模具转速的确定方法为：采用康斯坦丁诺夫公式进行计算，其公式如下：
其中，n—离心模具转速(r/min)；r0—铸件内表面半径(m)；γ—液体金属重度(N/m3)；β—调整系数。
所述的浇注速度是通过控制可倾转浇注支架角速度和装置中移动小车的车速确定的。
所述的可倾转浇注支架角速度和装置中移动小车的车速采用数值模拟的方法确定。
其中，优化确定的离心铸造工艺参数包括：离心模具预热温度为150℃-200℃，浇注温度为750℃，离心模具转速为780r/min-900r/min，浇注速度为4.3m3/h-8.3m3/h。
装置中可旋转浇注支架的角速度为0.1rad/s-1rad/s，装置中移动小车的车速为0.1m/s-1m/s；
步骤2：配制轻合金熔液
按照AZ91合金的成分配比称量原料，铁质坩埚上涂抹氧化锌涂料，加入AZ91合金的原料，采用电阻炉加热至750℃进行熔炼，熔炼过程中，通氮气和六氟化硫气体(氮气的流量为0.2～0.4m3/h，六氟化硫的流量为20～30ml/min)；
所述的涂料为氧化锌、酒精和硼酸的混合物，按质量比，氧化锌：酒精：硼酸＝1:(3～9)：(1～2)，加入的硼酸能防止金属氧化。
当AZ91合金中的成分完全熔化后，加入六氯化碳精炼，精炼温度为700℃，保温10min，扒渣，静置，得到AZ91熔液，加热到浇注温度750℃，保温10min待用；其中，加入的六氯化碳的质量为AZ91合金总质量的1％。
步骤3：制备管坯
(1)离心模具预热
开启卧式离心机，使其低速运转，对离心模具外壁进行加热，采用测温枪对离心模具内壁温度进行测量，当离心模具内壁温度为150-200℃时，开始浇注工作；
在浇注前，在离心模具内壁，流槽内壁，均匀涂上涂料，所述的涂料为氧化锌、酒精和硼酸的混合物，按质量比，氧化锌：酒精：硼酸＝1:5：1，加入的硼酸能防止金属氧化。
(2)逐层浇注
根据计算机仿真模拟优化后的工艺参数，以设定的大直径轻合金长管坯的外径为第一层，由外径向内径进行浇注，浇注过程中，每一层的浇注过程为流槽出口初始位置在离心模具远离移动小车的一端，移动小车上的熔炼设备开始倾转，AZ91合金熔液流入流槽并沿流槽流入旋转的离心模具中，当AZ91合金熔液开始顺着流槽进入离心模具内时，移动小车带动流槽开始向着离心模具另一端移动。到流槽出口到达离心模具另一端时熔炼设备停止旋转，移动小车停止移动，第一层浇注完毕。移动小车带动流槽移动到第一层浇注的初始位置，准备浇注第二层，依次类推。
①将装有AZ91合金熔液的铁质坩埚6放入移动小车5的可倾转浇注支架上进行浇注，AZ91合金熔液流入流槽中，浇注入离心模具中，浇注温度为750℃，浇注前离心模具转速为900r/min，浇注过程中离心模具转速为850r/min，铸件凝固后离心模具转速为830r/min，浇注时间为10s-15s，第一层厚度为4-15mm。
②根据得到的凝固速度判定，当第一层AZ91合金熔液完全凝固后，将AZ91合金熔液浇注入离心模具中，浇注温度为750℃，浇注前离心模具转速为850r/min，浇注过程中离心模具转速为830r/min，铸件凝固后，离心模具转速为800r/min，浇注时间为10s-13s，第二层厚度为4-12mm。
③根据得到的凝固速度判定，当第二层AZ91合金熔液完全凝固后，将AZ91合金熔液浇注入离心模具中，浇注温度为750℃，浇注前离心模具转速为830r/min，浇注过程中离心模具转速为800r/min，铸件凝固后，离心模具转速为780r/min，浇注时间为10s-13s，第三层厚度为4-8mm，最终制得大直径轻合金长管坯；制备的大直径轻合金长管坯的外径为400mm，内径为200-250mm，长度为2000mm。
本实施例中离心铸造得到的AZ91镁合金管材的金相显微组织图见图2，从图中可以看出组织致密细小均匀，没有出现偏析缺陷。
实施例2
一种大直径轻合金长管坯的制备装置，同实施例1。
一种大直径轻合金长管坯的制备方法，包括以下步骤：
步骤1：确定凝固速度
通过计算机模拟离心铸造逐层凝固过程中温度场的变化，优化离心铸造工艺参数(离心模具预热温度，浇注温度，离心模具转速，浇注速度)，确定合理的凝固速度、装置中可旋转浇注支架的角速度、装置中移动小车的车速；
所述的计算机为采用计算机模拟仿真，根据实验方法进行建模，模拟离心铸造逐层凝固过程中温度场的变化，当温度低于固相线则认为合金完全凝固，得到凝固速度为0.0189m/s；
所述的离心模具转速的确定方法为：采用康斯坦丁诺夫公式进行计算，其公式如下：
其中，n—离心模具转速(r/min)；r0—铸件内表面半径(m)；γ—液体金属重度(N/m3)；β—调整系数。
所述的浇注速度是通过控制可倾转浇注支架角速度和装置中移动小车的车速确定的。
所述的可倾转浇注支架角速度和装置中移动小车的车速采用数值模拟的方法确定。
其中，优化确定的离心铸造工艺参数包括：离心模具预热温度为150℃-200℃，浇注温度为750℃，离心模具转速为850r/min-1100r/min，浇注速度为4.3m3/h-8.3m3/h。
装置中可旋转浇注支架的角速度为0.1rad/s-0.2rad/s，装置中移动小车的车速为0.25m/s-0.3m/s；
步骤2：配制轻合金熔液
按照AZ91合金的成分配比称量原料，铁质坩埚上涂抹氧化锌涂料，加入AZ91合金的原料，采用电阻炉加热至750℃进行熔炼，熔炼过程中，通氮气和六氟化硫气体(氮气的流量为0.2～0.4m3/h，六氟化硫的流量为20～30ml/min)；
所述的涂料为氧化锌、酒精和硼酸的混合物，按质量比，氧化锌：酒精：硼酸＝1:(3～9)：(1～2)，加入的硼酸能防止金属氧化。
当AZ91合金中的成分完全熔化后，加入六氯化碳精炼，精炼温度为700℃，保温10min，扒渣，静置，得到AZ91熔液，加热到浇注温度750℃，保温10min待用；其中，加入的六氯化碳的质量为AZ91合金总质量的1％。
步骤3：制备管坯
(1)离心模具预热
开启卧式离心机，使其低速运转，对离心模具外壁进行加热，采用测温枪对离心模具内壁温度进行测量，当离心模具内壁温度为150-200℃时，开始浇注工作；
在浇注前，在离心模具内壁，流槽内壁，均匀涂上涂料，所述的涂料为氧化锌、酒精和硼酸的混合物，按质量比，氧化锌：酒精：硼酸＝1:9：2，加入的硼酸能防止金属氧化。
(2)逐层浇注
根据计算机仿真模拟优化后的工艺参数，以设定的大直径轻合金长管坯的外径为第一层，由外径向内径进行浇注，浇注过程中，每一层的浇注过程为流槽出口初始位置在离心模具远离移动小车的一端，移动小车上的熔炼设备开始倾转，AZ91合金熔液流入流槽并沿流槽流入旋转的离心模具中，当AZ91合金熔液开始顺着流槽进入离心模具内时，移动小车带动流槽开始向着离心模具另一端移动。到流槽出口到达离心模具另一端时熔炼设备停止旋转，移动小车停止移动，第一层浇注完毕。移动小车带动流槽移动到第一层浇注的初始位置，准备浇注第二层，依次类推。
①将装有AZ91合金熔液的铁质坩埚6放入移动小车5的可倾转浇注支架上进行浇注，AZ91合金熔液流入流槽中，浇注入离心模具中，浇注温度为750℃，浇注前离心模具转速为1100r/min，浇注过程中离心模具转速为980r/min，铸件凝固后离心模具转速为950r/min，浇注时间为10s，第一层厚度为4-15mm。
②根据得到的凝固速度判定，当第一层AZ91合金熔液完全凝固后，将AZ91合金熔液浇注入离心模具中，浇注温度为750℃，浇注前离心模具转速为950r/min，浇注过程中离心模具转速为930r/min，铸件凝固后，离心模具转速为900r/min，浇注时间为10s，第二层厚度为4-12mm。
③根据得到的凝固速度判定，当第二层AZ91合金熔液完全凝固后，将AZ91合金熔液浇注入离心模具中，浇注温度为750℃，浇注前离心模具转速为900r/min，浇注过程中离心模具转速为870r/min，铸件凝固后，离心模具转速为850r/min，浇注时间为10s，第三层厚度为4-8mm，最终制得大直径轻合金长管坯；制备的大直径轻合金长管坯的外径为1000mm，内径为800mm，长度为3000mm。
实施例3
一种大直径轻合金长管坯的制备装置，同实施例1。
一种大直径轻合金长管坯的制备方法，包括以下步骤：
步骤1：确定凝固速度
通过计算机模拟离心铸造逐层凝固过程中温度场的变化，优化离心铸造工艺参数(离心模具预热温度，浇注温度，离心模具转速，浇注速度)，确定合理的凝固速度、装置中可旋转浇注支架的角速度、装置中移动小车的车速；
所述的计算机为采用计算机模拟仿真，根据实验方法进行建模，模拟离心铸造逐层凝固过程中温度场的变化，当温度低于固相线则认为合金完全凝固，得到凝固速度为0.0189m/s；
所述的离心模具转速的确定方法为：采用康斯坦丁诺夫公式进行计算，其公式如下：
其中，n—离心模具转速(r/min)；r0—铸件内表面半径(m)；γ—液体金属重度(N/m3)；β—调整系数。
所述的浇注速度是通过控制可倾转浇注支架角速度和装置中移动小车的车速确定的。
所述的可倾转浇注支架角速度和装置中移动小车的车速采用数值模拟的方法确定。
其中，优化确定的离心铸造工艺参数包括：离心模具预热温度为150℃-200℃，浇注温度为750℃，离心模具转速为870r/min-1200r/min，浇注速度为4.3m3/h-8.3m3/h。
装置中可旋转浇注支架的角速度为5rad/s-20rad/s，装置中移动小车的车速为0.3m/s-1m/s；
步骤2：配制轻合金熔液
按照AZ91合金的成分配比称量原料，铁质坩埚上涂抹氧化锌涂料，加入AZ91合金的原料，采用电阻炉加热至750℃进行熔炼，熔炼过程中，通氮气和六氟化硫气体(氮气的流量为0.2～0.4m3/h，六氟化硫的流量为20～30ml/min)；
所述的涂料为氧化锌、酒精和硼酸的混合物，按质量比，氧化锌：酒精：硼酸＝1:(3～9)：(1～2)，加入的硼酸能防止金属氧化。
当AZ91合金中的成分完全熔化后，加入六氯化碳精炼，精炼温度为700℃，保温10min，扒渣，静置，得到AZ91熔液，加热到浇注温度750℃，保温10min待用；其中，加入的六氯化碳的质量为AZ91合金总质量的1％。
步骤3：制备管坯
(1)离心模具预热
开启卧式离心机，使其低速运转，对离心模具外壁进行加热，采用测温枪对离心模具内壁温度进行测量，当离心模具内壁温度为150-200℃时，开始浇注工作；
在浇注前，在离心模具内壁，流槽内壁，均匀涂上涂料，所述的涂料为氧化锌、酒精和硼酸的混合物，按质量比，氧化锌：酒精：硼酸＝1:3：1，加入的硼酸能防止金属氧化。
(2)逐层浇注
根据计算机仿真模拟优化后的工艺参数，以设定的大直径轻合金长管坯的外径为第一层，由外径向内径进行浇注，浇注过程中，每一层的浇注过程为流槽出口初始位置在离心模具远离移动小车的一端，移动小车上的熔炼设备开始倾转，AZ91合金熔液流入流槽并沿流槽流入旋转的离心模具中，当AZ91合金熔液开始顺着流槽进入离心模具内时，移动小车带动流槽开始向着离心模具另一端移动。到流槽出口到达离心模具另一端时熔炼设备停止旋转，移动小车停止移动，第一层浇注完毕。移动小车带动流槽移动到第一层浇注的初始位置，准备浇注第二层，依次类推。
①将装有AZ91合金熔液的铁质坩埚6放入移动小车5的可倾转浇注支架上进行浇注，AZ91合金熔液流入流槽中，浇注入离心模具中，浇注温度为750℃，浇注前离心模具转速为1200r/min，浇注过程中离心模具转速为1100r/min，铸件凝固后离心模具转速为980r/min，浇注时间为5s-10s，第一层厚度为4-15mm。
②根据得到的凝固速度判定，当第一层AZ91合金熔液完全凝固后，将AZ91合金熔液浇注入离心模具中，浇注温度为750℃，浇注前离心模具转速为980r/min，浇注过程中离心模具转速为950r/min，铸件凝固后，离心模具转速为920r/min，浇注时间为5s-10s，第二层厚度为4-12mm。
③根据得到的凝固速度判定，当第二层AZ91合金熔液完全凝固后，将AZ91合金熔液浇注入离心模具中，浇注温度为750℃，浇注前离心模具转速为920r/min，浇注过程中离心模具转速为900r/min，铸件凝固后，离心模具转速为870r/min，浇注时间为5s-10s，第三层厚度为4-8mm，最终制得大直径轻合金长管坯；制备的大直径轻合金长管坯的径为1000mm、内径为900mm，长度为3000mm。
实施例4
一种大直径轻合金长管坯的制备装置，同实施例1。
一种大直径轻合金长管坯的制备方法，包括以下步骤：
步骤1：确定凝固速度
通过计算机模拟离心铸造逐层凝固过程中温度场的变化，优化离心铸造工艺参数(离心模具预热温度，浇注温度，离心模具转速，浇注速度)，确定合理的凝固速度、装置中可旋转浇注支架的角速度、装置中移动小车的车速；
所述的计算机为采用计算机模拟仿真，根据实验方法进行建模，模拟离心铸造逐层凝固过程中温度场的变化，当温度低于固相线则认为合金完全凝固，得到凝固速度为0.025m/s；
所述的离心模具转速的确定方法为：采用康斯坦丁诺夫公式进行计算，其公式如下：
其中，n—离心模具转速(r/min)；r0—铸件内表面半径(m)；γ—液体金属重度(N/m3)；β—调整系数。
所述的浇注速度是通过控制可倾转浇注支架角速度和装置中移动小车的车速确定的。
所述的可倾转浇注支架角速度和装置中移动小车的车速采用数值模拟的方法确定。
其中，优化确定的离心铸造工艺参数包括：离心模具预热温度为150℃-300℃，浇注温度为700℃-750℃，离心模具转速为750r/min-850r/min，浇注速度为4.3m3/h-8.3m3/h。
装置中可旋转浇注支架的角速度为0.1rad/s-0.3rad/s，装置中移动小车的车速为0.1m/s-1m/s；
步骤2：配制轻合金熔液
按照铝合金7075的成分配比称量原料，铁质坩埚上涂抹氧化锌涂料，加入铝合金7075的原料，采用电阻炉加热至750℃进行熔炼，熔炼过程中，通入加入六氯化碳精炼，精炼温度为700℃，保温10min，扒渣，静置，使用锶盐进行变质处理，变质处理时间为40min，得到铝合金7075熔液，加热到浇注温度700℃-750℃，保温10min待用；其中，加入的六氯化碳的质量为铝合金7075总质量的1％，锶盐的加入量为总质量的6％。
所述的涂料为氧化锌、酒精和硼酸的混合物，按质量比，氧化锌：酒精＝1:(3～9)。
步骤3：制备管坯
(1)离心模具预热
开启卧式离心机，使其低速运转，对离心模具外壁进行加热，采用测温枪对离心模具内壁温度进行测量，当离心模具内壁温度为150-200℃时，开始浇注工作；
在浇注前，在离心模具内壁，流槽内壁，均匀涂上涂料，所述的涂料为氧化锌、酒精和硼酸的混合物，按质量比，氧化锌：酒精＝1:6。
(2)逐层浇注
根据计算机仿真模拟优化后的工艺参数，以设定的大直径轻合金长管坯的外径为第一层，由外径向内径进行浇注，浇注过程中，每一层的浇注过程为流槽出口初始位置在离心模具远离移动小车的一端，移动小车上的熔炼设备开始倾转，铝合金7075熔液流入流槽并沿流槽流入旋转的离心模具中，当铝合金7075熔液开始顺着流槽进入离心模具内时，移动小车带动流槽开始向着离心模具另一端移动。到流槽出口到达离心模具另一端时熔炼设备停止旋转，移动小车停止移动，第一层浇注完毕。移动小车带动流槽移动到第一层浇注的初始位置，准备浇注第二层，依次类推。
①将装有铝合金7075熔液的铁质坩埚6放入移动小车5的可倾转浇注支架上进行浇注，铝合金7075熔液流入流槽中，浇注入离心模具中，浇注温度为700℃-750℃，浇注前离心模具转速为850r/min，浇注过程中离心模具转速为780r/min，铸件凝固后离心模具转速为750r/min，浇注时间为7s-10s，第一层厚度为4-15mm。
②根据得到的凝固速度判定，当第一层铝合金7075熔液完全凝固后，将铝合金7075熔液浇注入离心模具中，浇注温度为700℃-750℃，浇注前离心模具转速为830r/min，浇注过程中离心模具转速为800r/min，铸件凝固后，离心模具转速为770r/min，浇注时间为7s-10s，第二层厚度为4-12mm。
③根据得到的凝固速度判定，当第二层铝合金7075熔液完全凝固后，将铝合金7075熔液浇注入离心模具中，浇注温度为700℃-750℃，浇注前离心模具转速为800r/min，浇注过程中离心模具转速为770r/min，铸件凝固后，离心模具转速为750r/min，浇注时间为7s-10s，第三层厚度为4-8mm，最终制得大直径轻合金长管坯；制备的大直径轻合金长管坯的外径为400mm、内径为380mm，长度为1500mm。
实施例5
一种大直径轻合金长管坯的制备装置，同实施例1。
一种大直径轻合金长管坯的制备方法，包括以下步骤：
步骤1：确定凝固速度
通过计算机模拟离心铸造逐层凝固过程中温度场的变化，优化离心铸造工艺参数(离心模具预热温度，浇注温度，离心模具转速，浇注速度)，确定合理的凝固速度、装置中可旋转浇注支架的角速度、装置中移动小车的车速；
所述的计算机为采用计算机模拟仿真，根据实验方法进行建模，模拟离心铸造逐层凝固过程中温度场的变化，当温度低于固相线则认为合金完全凝固，得到凝固速度为0.026m/s；
所述的离心模具转速的确定方法为：采用康斯坦丁诺夫公式进行计算，其公式如下：
其中，n—离心模具转速(r/min)；r0—铸件内表面半径(m)；γ—液体金属重度(N/m3)；β—调整系数。
所述的浇注速度是通过控制可倾转浇注支架角速度和装置中移动小车的车速确定的。
所述的可倾转浇注支架角速度和装置中移动小车的车速采用数值模拟的方法确定。
其中，优化确定的离心铸造工艺参数包括：离心模具预热温度为250℃-300℃，浇注温度为650℃，离心模具转速为750r/min-850r/min，浇注速度为4.3m3/h-8.3m3/h。
装置中可旋转浇注支架的角速度为0.1rad/s-0.3rad/s，装置中移动小车的车速为0.1m/s-1m/s；
步骤2：配制轻合金熔液
按照铝合金6061的成分配比称量原料，铁质坩埚上涂抹氧化锌涂料，加入铝合金6061的原料，采用电阻炉加热至620℃进行熔炼，熔炼过程中，通入加入六氯化碳精炼，精炼温度为650℃，保温10min，扒渣，静置，使用锶盐进行变质处理，变质处理时间为40min，得到铝合金6061熔液，加热到浇注温度650℃，保温10min待用；其中，加入的六氯化碳的质量为铝合金6061总质量的1％，锶盐的加入量为总质量的6％。
所述的涂料为氧化锌、酒精和硼酸的混合物，按质量比，氧化锌：酒精＝1:(3～9)。
步骤3：制备管坯
(1)离心模具预热
开启卧式离心机，使其低速运转，对离心模具外壁进行加热，采用测温枪对离心模具内壁温度进行测量，当离心模具内壁温度为250-300℃时，开始浇注工作；
在浇注前，在离心模具内壁，流槽内壁，均匀涂上涂料，所述的涂料为氧化锌、酒精和硼酸的混合物，按质量比，氧化锌：酒精＝1:3。
(2)逐层浇注
根据计算机仿真模拟优化后的工艺参数，以设定的大直径轻合金长管坯的外径为第一层，由外径向内径进行浇注，浇注过程中，每一层的浇注过程为流槽出口初始位置在离心模具远离移动小车的一端，移动小车上的熔炼设备开始倾转，铝合金6061熔液流入流槽并沿流槽流入旋转的离心模具中，当铝合金6061熔液开始顺着流槽进入离心模具内时，移动小车带动流槽开始向着离心模具另一端移动。到流槽出口到达离心模具另一端时熔炼设备停止旋转，移动小车停止移动，第一层浇注完毕。移动小车带动流槽移动到第一层浇注的初始位置，准备浇注第二层，依次类推。
①将装有铝合金6061熔液的铁质坩埚6放入移动小车5的可倾转浇注支架上进行浇注，铝合金6061熔液流入流槽中，浇注入离心模具中，浇注温度为650℃，浇注前离心模具转速为850r/min，浇注过程中离心模具转速为780r/min，铸件凝固后离心模具转速为750r/min，浇注时间为7s-10s，第一层厚度为4-15mm。
②根据得到的凝固速度判定，当第一层铝合金6061熔液完全凝固后，将铝合金6061熔液浇注入离心模具中，浇注温度为650℃，浇注前离心模具转速为830r/min，浇注过程中离心模具转速为800r/min，铸件凝固后，离心模具转速为770r/min，浇注时间为7s-10s，第二层厚度为4-12mm。
③根据得到的凝固速度判定，当第二层铝合金6061熔液完全凝固后，将铝合金6061熔液浇注入离心模具中，浇注温度为650℃，浇注前离心模具转速为800r/min，浇注过程中离心模具转速为770r/min，铸件凝固后，离心模具转速为750r/min，浇注时间为7s-10s，第三层厚度为4-8mm，最终制得大直径轻合金长管坯；制备的大直径轻合金长管坯的外径为400mm、内径为380mm，长度为1500mm。
实施例6
一种大直径轻合金长管坯的制备装置，同实施例1。
一种大直径轻合金长管坯的制备方法，包括以下步骤：
步骤1：确定凝固速度
通过计算机模拟离心铸造逐层凝固过程中温度场的变化，优化离心铸造工艺参数(离心模具预热温度，浇注温度，离心模具转速，浇注速度)，确定合理的凝固速度、装置中可旋转浇注支架的角速度、装置中移动小车的车速；
所述的计算机为采用计算机模拟仿真，根据实验方法进行建模，模拟离心铸造逐层凝固过程中温度场的变化，当温度低于固相线则认为合金完全凝固，得到凝固速度为0.025m/s；
所述的离心模具转速的确定方法为：采用康斯坦丁诺夫公式进行计算，其公式如下：
其中，n—离心模具转速(r/min)；r0—铸件内表面半径(m)；γ—液体金属重度(N/m3)；β—调整系数。
所述的浇注速度是通过控制可倾转浇注支架角速度和装置中移动小车的车速确定的。
所述的可倾转浇注支架角速度和装置中移动小车的车速采用数值模拟的方法确定。
其中，优化确定的离心铸造工艺参数包括：离心模具预热温度为200℃-300℃，浇注温度为760℃-850℃，离心模具转速为1500r/min-1000r/min，浇注速度为4.3m3/h-8.3m3/h。
装置中可旋转浇注支架的角速度为0.1rad/s-0.3rad/s，装置中移动小车的车速为0.1m/s-1m/s；
步骤2：配制轻合金熔液
按照铝合金7005的成分配比称量原料，铁质坩埚上涂抹氧化锌涂料，加入铝合金7005的原料，采用电阻炉加热至760℃-780℃进行熔炼，熔炼过程中，通入加入六氯化碳精炼，精炼温度为700℃，保温10min，扒渣，静置，使用锶盐进行变质处理，变质处理时间为40min，得到铝合金7005熔液，加热到浇注温度760℃-850℃，保温10min待用；其中，加入的六氯化碳的质量为铝合金7005总质量的1％，锶盐的加入量为总质量的6％。
所述的涂料为氧化锌、酒精和硼酸的混合物，按质量比，氧化锌：酒精＝1:(3～9)。
步骤3：制备管坯
(1)离心模具预热
开启卧式离心机，使其低速运转，对离心模具外壁进行加热，采用测温枪对离心模具内壁温度进行测量，当离心模具内壁温度为200℃-300℃时，开始浇注工作；
在浇注前，在离心模具内壁，流槽内壁，均匀涂上涂料，所述的涂料为氧化锌、酒精和硼酸的混合物，按质量比，氧化锌：酒精＝1:9。
(2)逐层浇注
根据计算机仿真模拟优化后的工艺参数，以设定的大直径轻合金长管坯的外径为第一层，由外径向内径进行浇注，浇注过程中，每一层的浇注过程为流槽出口初始位置在离心模具远离移动小车的一端，移动小车上的熔炼设备开始倾转，铝合金7005熔液流入流槽并沿流槽流入旋转的离心模具中，当铝合金7005熔液开始顺着流槽进入离心模具内时，移动小车带动流槽开始向着离心模具另一端移动。到流槽出口到达离心模具另一端时熔炼设备停止旋转，移动小车停止移动，第一层浇注完毕。移动小车带动流槽移动到第一层浇注的初始位置，准备浇注第二层，依次类推。
①将装有铝合金7005熔液的铁质坩埚6放入移动小车5的可倾转浇注支架上进行浇注，铝合金7005熔液流入流槽中，浇注入离心模具中，浇注温度为760℃-850℃，浇注前离心模具转速为1500r/min，浇注过程中离心模具转速为1400r/min，铸件凝固后离心模具转速为1320r/min，浇注时间为7s-10s，第一层厚度为4-15mm。
②根据得到的凝固速度判定，当第一层铝合金7005熔液完全凝固后，将铝合金7005熔液浇注入离心模具中，浇注温度为760℃-850℃，浇注前离心模具转速为1320r/min，浇注过程中离心模具转速为1280r/min，铸件凝固后，离心模具转速为1210r/min，浇注时间为7s-10s，第二层厚度为4-12mm。
③根据得到的凝固速度判定，当第二层铝合金7005熔液完全凝固后，将铝合金7005熔液浇注入离心模具中，浇注温度为760℃-850℃，浇注前离心模具转速为1210r/min，浇注过程中离心模具转速为1100r/min，铸件凝固后，离心模具转速为1000r/min，浇注时间为7s-10s，第三层厚度为4-8mm，最终制得大直径轻合金长管坯；制备的大直径轻合金长管坯的外径为400mm、内径为380mm，长度为1500mm。

Claims (10)

1.一种大直径轻合金长管坯的制备装置，其特征在于，该制备装置包括离心模具、辊轮、流槽、移动小车和小车导轨；所述的离心模具为空心管材，其下方设置有辊轮，在离心模具空心内设置有流槽，流槽的另一端与移动小车相连接，移动小车上方设置有放置熔炼设备的可倾转浇注支架，移动小车的车轮下方设置有小车导轨；
浇注时，熔炼设备放置于移动小车的可倾转浇注支架上，熔炼设备的垂直中心轴和流槽的水平中心轴垂直。
2.如权利要求1所述的大直径轻合金长管坯的制备装置，其特征在于，所述的辊轮包括支撑辊和驱动辊，驱动辊由电机驱动；
所述的支撑辊至少为3个，驱动辊至少为1个；
驱动辊和支撑辊之一设置于接近移动小车的一端，通过驱动辊带动离心模具旋转；在离心模具下方至少设置有一对支撑辊，至少有一对支撑辊设置于离心模具远离移动小车的一端。
3.如权利要求1所述的大直径轻合金长管坯的制备装置，其特征在于，所述的流槽与移动小车相连接的方式是螺栓连接；
所述的熔炼设备设置有开口，方便轻合金熔液的倾倒，将熔炼设备放置于移动小车的可倾转浇注支架时，熔炼设备的开口位于流槽的正上方。
4.采用权利要求1所述的装置制备大直径轻合金长管坯的方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1：确定凝固速度
通过计算机模拟离心铸造逐层凝固过程中温度场的变化，优化离心铸造工艺参数，确定合理的凝固速度、装置中可旋转浇注支架的角速度、装置中移动小车的车速；
步骤2：配制轻合金熔液
按照轻合金成分配比称量原料，熔炼，制得轻合金熔液，加热到浇注温度，保温待用；
步骤3：制备管坯
(1)离心模具预热
对离心模具外壁进行加热，对离心模具内壁温度进行测量，当离心模具内壁温度为150℃-300℃时，开始浇注；
(2)逐层浇注
根据计算机仿真模拟优化后的工艺参数，将装有轻合金熔液的熔炼设备放入移动小车的可倾转浇注支架上进行浇注，轻合金熔液流入流槽中，通过流槽引导进入离心模具中进行浇注，同时，移动小车在小车导轨上移动，实现流槽在离心模具内移动，将轻合金熔液采用逐层浇注的方式浇注，最终制得大直径轻合金长管坯；
其中，逐层浇注的具体方法为：离心铸造过程采用逐层浇注，以设定的大直径轻合金长管坯的外径为第一层，由外径向内径进行浇注，浇注的层数按照壁厚进行设定，浇注过程中，每层厚度L需满足L1>L2>L3>……>Li，其中，L1为第一层浇注厚度，L2为第二层浇注的厚度，L3为第三层浇注的厚度，依次类推，Li为最后一层浇注的厚度；其中，每一层浇注过程中，离心模具转速分为三个阶段：第一阶段是快速使得合金液尽快达到预设转速；第二阶段中速，当轻合金熔液充满离心模具后，轻合金熔液与离心模具旋转同步时适当降低旋转速度；第三阶段慢速，当轻合金熔液凝固完成时进一步降低转速。
5.如权利要求4所述的大直径轻合金长管坯的制备方法，其特征在于，所述的步骤1中，所述优化离心铸造工艺参数包括：离心模具预热温度、浇注温度、离心模具转速和浇注速度；其中，离心模具预热温度为150℃-300℃，浇注温度为650℃-850℃，离心模具转速为700r/min-1500r/min，浇注速度为4.3m3/h-8.3m3/h。
6.如权利要求4所述的大直径轻合金长管坯的制备方法，其特征在于，所述的步骤2中，当轻合金为镁合金时，镁合金熔液含有的成分及成分的重量百分比为：铝8.5-9.5％、锌0.45-0.9％、锰0.17-0.5％、余量为镁。
7.如权利要求4所述的大直径轻合金长管坯的制备方法，其特征在于，所述的步骤2中，所述的熔炼，具体包括：在熔炼设备上涂抹涂料，加入轻合金原料，熔炼过程中，通保护气体；当轻合金中的成分完全熔化后，加入精炼剂精炼，扒渣，静置，得到轻合金熔液；
所述的步骤2中，所述的熔炼采用的设备为电阻炉，熔炼设备为铁质坩埚。
8.如权利要求4所述的大直径轻合金长管坯的制备方法，其特征在于，所述的步骤3(2)中，所述的逐层浇注的过程为：每一层的浇注过程为流槽出口初始位置在离心模具远离移动小车的一端，移动小车上的熔炼设备开始倾转，轻合金熔液流入流槽并沿流槽流入旋转的离心模具中，当轻合金熔液开始顺着流槽进入离心模具内时，移动小车带动流槽开始向着离心模具另一端移动。到流槽出口到达离心模具另一端时熔炼设备停止旋转，移动小车停止移动，第一层浇注完毕。移动小车带动流槽移动到第一层浇注的初始位置，准备浇注第二层。
9.如权利要求4所述的大直径轻合金长管坯的制备方法，其特征在于，所述的步骤3(2)中，所述的移动小车为可变速小车，其中，可变速小车的车速为0.1m/s-1m/s；
所述的步骤3(2)中，所述的移动小车的可倾转浇注支架的倾转角速度为0.1rad/s-1rad/s。
10.如权利要求4所述的大直径轻合金长管坯的制备方法，其特征在于，所述的大直径轻合金长管坯的制备方法中，在熔炼设备、离心模具内壁和流槽内壁上，需均匀涂上涂料，涂料为氧化锌与酒精的混合物；其中，按质量比，氧化锌：酒精＝1：(3～9)；
当轻合金为镁合金时，所述的涂料为氧化锌、酒精和硼酸的混合物，按质量比，氧化锌：酒精：硼酸＝1:(3～9)：(1～2)。
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