CN108480580A - 一种感应线圈与永磁搅拌协同dc制备铝合金铸锭的装置 - Google Patents

Abstract

一种感应线圈与永磁搅拌协同DC制备铝合金铸锭的装置，包括结晶器、感应线圈和永磁体搅拌单元；感应线圈位于结晶器冷却水套内；永磁体搅拌单元的上部为驱动电机，驱动电机下方为导磁套筒，导磁套筒外部套有隔热套，驱动电机与连接轴装配在一起，连接轴底端固定连接永磁体；连接轴和永磁体位于导磁套筒内。本发明的装置能够在半连续铸造过程中同时利用感应线圈产生电磁场和永磁体产生磁场，通过感应线圈和永磁体参数的调整实现复合场铸造，保证熔体温度场和成分场的均匀性，得到均匀细小的铸锭组织，减小中心负偏析和铸锭开裂现象。

Description

一种感应线圈与永磁搅拌协同DC制备铝合金铸锭的装置

技术领域

本发明属于轻合金半连续铸造技术领域，特别涉及一种感应线圈与永磁搅拌协同DC制备铝合金铸锭的装置。

背景技术

半连续铸造(DC)是生产铝合金最重要的方法，具有冷却强度大，结晶速度快，组织细小，成品率高等优点；然而，在传统半连铸铸造过程中由于冷却方式单一，冷却强度大，温度梯度大，铸锭由外向内凝固，液穴较深，铸锭心部冷却速率慢易产生组织不均，成分偏析甚至开裂等缺陷。尤其是制备大尺寸高强铝合金时，造成组织、成分、性能不均，严重制约了交通运输、航空航天等领域对铝合金大尺寸产品与日俱增的需求。

目前，国内外研究者通过各种方法均改变铸锭的凝固条件方面做了大量的研究并取得了较大的进展，如在半连续铸造过程中施加电场、磁场、超声波、机械搅拌等外场可以显著改善铸锭质量，提高铸锭性能；施加电磁场是一种高效、环保、经济、简单、非接触式的熔体处理方式，不仅可以均匀温度场和成分场，减少铸造缺陷，改善铸锭的凝固行为，并且施加电磁场处理熔体无污染，经济环保；因此，施加电磁场在半连续铸造领域广泛应用；施加电磁场进行熔体处理的方式主要有传统线圈或超导线圈所产生的直流磁场，频率从几赫兹到数十兆赫兹的交流磁场及移动磁场、变幅磁场、脉冲磁场等特殊磁场。

低频电磁铸造工艺是东北大学崔建忠等在电磁细晶铸造工艺基础上，采用更低的频率(低于50Hz)，在结晶器周围布置感应线圈，连续低频电磁铸造铝合金铸坯的方法；利用低频电磁场在熔体中渗透率强的特点，制备了不同规格的铝合金铸锭；不仅实现了电磁细晶铸造工艺细化组织，提高表面质量的目的，而且可以大大提高晶内合金元素含量，减弱宏观偏析，提高铸锭抗裂纹能力；但由于电磁场的集肤效应特性，即使是低频电磁场，在金属熔体中的作用深度也受到限制；特别是在铸造大尺寸铸锭时，铸锭中心位置电磁场强度很弱，边部的电磁场强度很强，导致其对温度场和成分场的调控能力受到限制，对铸锭组织的均匀性控制能力下降。

单一的外场难以满足金属凝固过程中对磁场分布和强度的要求，组合场开始应用于材料的制备过程中，利用两个及两个以上的外场同时进行熔体处理。在专利CN104117645A提出了一种剪切、磁场复合作用下的轻合金半连铸装置及方法，利用电磁场和熔体剪切的互补性，充分均匀了结晶器内熔体的温度场和成分场，在一定程度上解决了现有技术制备大尺寸高强铝合金时组织粗大不均匀、偏析严重、易开裂等缺陷的技术难题。在该技术的基础上，新开发了利用外部感性线圈和心部旋转的永磁搅拌单元同时在铸锭心部和周边同时获得较强磁场，实现对DC铸造整个熔池的较强作用，进而提高大尺寸铝合金DC铸造速度，改善大尺寸铝合金DC铸锭的冶金质量。

发明内容

本发明的目的是提供一种感应线圈与永磁搅拌协同DC制备铝合金铸锭的装置以及方法，针对现有技术铸造大尺寸铝合金铸锭存在的上述不足，利用感应线圈所产生的电磁场和永磁体所产生的磁场相互补充，使得结晶器内整个熔体均在外场的作用下，充分均匀温度场和成分场，解决铸锭组织中组织粗大不均匀、偏析严重、易开裂等缺陷的技术难题。

本发明的感应线圈与永磁搅拌协同DC制备铝合金铸锭的装置包括结晶器、热顶15、感应线圈13、永磁体搅拌单元和引锭9；感应线圈13位于结晶器冷却水套12内；结晶器外套的内壁上镶嵌有石墨环14；永磁体搅拌单元的上部为驱动电机1，驱动电机1下方为导磁套筒3，导磁套筒3顶部设有顶板与驱动电机1的外壳固定连接，导磁套筒3外部套有隔热套2，驱动电机1与连接轴4装配在一起，连接轴4底端固定连接永磁体10；连接轴4和永磁体10位于导磁套筒内。

上述装置中，永磁体搅拌单元与升降装置装配在一起，连接轴4的轴线与结晶器的轴线重合。

上述装置中，导磁套筒3内部设有隔板11和两个冷却介质管路16，隔板11上设有两个冷却介质通孔，隔板11下方为封闭的空腔，永磁体10位于该空腔内；连接轴4穿过隔板11并与隔板11滑动密封连接，两个冷却介质管路16穿过隔板11将空腔与外部连通，用于流通冷却介质。

上述的永磁体10在工作预设位置时，其顶面与石墨环14之间的垂直高度差≤160mm，即永磁体10顶面在低于石墨环14上沿160mm到高于石墨环14上沿160mm范围内，永磁体驱动电机转速为10～6000RPM。

上述的导磁套筒材质为铁、硅钢、铁铝系合金、铁钴系合金、铁氧体或超导材料。

上述的隔热套材质为耐高温绝热材料，选用石棉、硅酸铝毡或耐热陶瓷管。

本发明的感应线圈与永磁搅拌协同DC制备铝合金铸锭的方法是采用上述装置，包括以下步骤：

1、在熔炼炉中进行合金熔炼，经精炼和静置后获得铝合金熔体；

2、抬升引锭到结晶器内石墨环下沿位置，使热顶、结晶器及引锭形成上端开口且下端封闭的空间；

3、向结晶器冷却水套内通入冷却水；对感应线圈通入交流电；控制熔体温度高于液相线50～100℃，将铝合金熔体浇入结晶器内，通过浇嘴或分流盘控制铝合金熔体流量；通过冷却介质管路向导磁套筒的空腔内通入冷却介质并保持流通，对永磁体进行冷却；

4、当结晶器内铝合金熔体的液面高度达到设定值后，通过升降装置将永磁体搅拌单元位置下调，插入结晶器内的熔池中并位于工作预设位置，启动驱动电机使永磁体旋转，同时开启铸造机开始铸造，铸造过程中整个结晶器内铝合金熔体均在感应线圈与永磁体产生的复合磁场作用下，直至完成铸造获得铝合金铸锭。

上述方法中，当铸锭达到预定长度后停止导入熔体，断开交流电并关闭驱动电机，停止向结晶器内提供冷却水，取出铝合金铸锭，铸造结束。

上述的冷却介质为空气、氩气、油或水。

上述的铝合金铸锭为圆锭或扁锭；圆锭的直径≥100mm；扁锭的厚度≥100mm。

本发明的装置及方法是在半连续铸造过程中同时利用感应线圈产生电磁场和永磁体产生磁场，通过感应线圈和永磁体参数的调整实现复合场铸造，永磁体搅拌单元作用在结晶器轴心附近区域熔体，感应线圈产生电磁场主要作用于铝合金熔体的表面附近区域，相互补充，复合磁场产生的强对流作用于结晶器内整个铝合金熔体范围内，从而保证了熔体温度场和成分场的均匀性，从而得到均匀细小的铸锭组织。

与现有技术相比，本发明在半连续铸造过程中在使整个结晶器内熔体均在感应线圈与永磁体复合磁场作用下，熔体的温度场和成分场均匀，避免了趋肤效应的不利影响，有利于获得组织更加细小，成分更加均匀的铸锭，同时可以提高生产速度和生产效率；本发明的方法解决了半连续铸造大尺寸、高合金化铸锭时易出现组织粗大不均、成分偏析、开裂等缺陷的技术难题。

附图说明

图1为本发明的感应线圈与永磁搅拌协同DC制备铝合金铸锭的装置结构示意图；

图中：1、驱动电机，2、隔热套，3、导磁套筒，4、连接轴，5、进水口，6、出水口，7、铝合金熔体，8、铸锭，9、引锭，10、永磁体，11、冷却介质通孔，12、结晶器冷却水套，13、感应线圈，14、石墨环，15、热顶，16、冷却介质管路；

图2为本发明实施例1中的铸锭及采用普通半连续铸造进行对比试验获得的铸锭金相组织图；图中，(a)本发明实施例1，(b)对比试验；

图3为本发明实施例1中的铸锭及采用普通半连续铸造进行对比试验获得的铸锭Cu元素分布曲线图；图中，■本发明实施例1，●对比试验。

具体实施方式

本发明的导磁套筒与顶板为一体结构。

本发明的电磁场频率为5～50Hz，电流强度为1～600A。

本发明的永磁体磁感应强度为0.1～3T。

本发明实施例中的导磁套筒的材质为铁、硅钢、铁铝系合金、铁钴系合金、铁氧体或超导材料，磁导率为100～20000H/m。

本发明实施例中的隔热套材质为耐高温绝热材料，选用石棉、硅酸铝毡或耐热陶瓷管。

本发明的引锭与结晶器配套使用，将铸锭从结晶器中拉出。

本发明的方法铸造速度20～300mm/min。

本发明的导磁套筒上设置冷却介质管路的进口和出口。

本发明的隔热套镶嵌在导磁套筒外。

本发明实施例中隔板的材质与导磁套筒相同。

本发明的冷却介质管路的材质选用铜管。

实施例1

感应线圈与永磁搅拌协同DC制备铝合金铸锭的装置结构如图1所示，包括结晶器、热顶15、感应线圈13、永磁体搅拌单元和引锭9；感应线圈13位于结晶器冷却水套12内；结晶器外套的内壁上镶嵌有石墨环14；

永磁体搅拌单元的上部为驱动电机1，驱动电机1下方为导磁套筒3，导磁套筒3顶部设有顶板与驱动电机1的外壳固定连接，导磁套筒3外部套有隔热套2，驱动电机1与连接轴4装配在一起，连接轴4底端固定连接永磁体10；连接轴4和永磁体10位于导磁套筒内；

永磁体搅拌单元与升降装置装配在一起，连接轴4的轴线与结晶器的轴线重合；

导磁套筒3内部设有隔板11和两个冷却介质管路16，隔板11上设有两个冷却介质通孔，隔板11下方为封闭的空腔，永磁体10位于该空腔内；连接轴4穿过隔板11并与隔板11滑动密封连接，两个冷却介质管路16穿过隔板11将空腔与外部连通，用于流通冷却介质；

结晶器冷却水套12上设有进水口5和出水口6；

制备铝合金铸锭的方法包括以下步骤：

在熔炼炉中进行合金熔炼，经精炼和静置后获得铝合金熔体；所述的铝合金熔体为2524铝合金；

抬升引锭到结晶器内石墨环下沿位置，使热顶、结晶器及引锭形成上端开口且下端封闭的空间；

向结晶器冷却水套内通入冷却水，经进水口流入，出水口流出，并对感应线圈进行冷却，流量为130L/min；对感应线圈通入交流电，电流100A，频率为40Hz，感应线圈匝数为50匝；控制熔体温度高于液相线50～100℃，将铝合金熔体浇入结晶器内，通过分流盘控制铝合金熔体流量；

通过冷却介质管路向导磁套筒的空腔内通入冷却介质并保持流通，对永磁体进行冷却；所述的冷却介质为水；

当结晶器内铝合金熔体的液面高度达到设定值后，将永磁体搅拌单元位置下调，插入结晶器内的熔池中，永磁体底面与石墨环上沿的高度差为10mm(工作预设位置)，启动驱动电机使永磁体旋转，转速1000rpm，永磁体的磁感应强度为1.5T；同时开启铸造机开始铸造，铸造速度60mm/min，铸造过程中整个结晶器内铝合金熔体均在感应线圈与永磁体产生的复合磁场作用下，直至完成铸造获得铝合金铸锭；

当铸锭达到预定长度后停止导入熔体，断开交流电并关闭驱动电机，停止向结晶器内提供冷却水，取出铝合金铸锭，铸造结束；

铝合金铸锭为Φ300mm的圆锭，其金相组织图如图2(a)所示，组织更为均匀、细小，中心负偏析减小；采用传统半连续铸造制备同种尺寸的铝合金，其金相组织图如图2(b)所示，组织粗大不均匀、偏析严重；两者的Cu元素分布曲线如图3所示。

实施例2

装置结构同实施例1；

方法同实施例1，不同点在于：

(1)制备的产品为7050铝合金圆锭，Φ300mm；

(2)浇入结晶器时铝合金溶体的温度730～740℃；

(3)铸造速度120mm/min；

获得的7050铝合金铸锭表面光滑，无明显冷隔，经检验铸锭内部无裂纹，组织细小均匀。

Claims (9)

1.一种感应线圈与永磁搅拌协同DC制备铝合金铸锭的装置，其特征在于包括结晶器、热顶15、感应线圈13、永磁体搅拌单元和引锭9；感应线圈13位于结晶器冷却水套12内；结晶器外套的内壁上镶嵌有石墨环14；永磁体搅拌单元的上部为驱动电机1，驱动电机1下方为导磁套筒3，导磁套筒3顶部设有顶板与驱动电机1的外壳固定连接，导磁套筒3外部套有隔热套2，驱动电机1与连接轴4装配在一起，连接轴4底端固定连接永磁体10；连接轴4和永磁体10位于导磁套筒内。

2.根据权利要求1所述的一种感应线圈与永磁搅拌协同DC制备铝合金铸锭的装置，其特征在于所述的永磁体搅拌单元与升降装置装配在一起，连接轴4的轴线与结晶器的轴线重合。

3.根据权利要求1所述的一种感应线圈与永磁搅拌协同DC制备铝合金铸锭的装置，其特征在于所述的导磁套筒3内部设有隔板11和两个冷却介质管路16，隔板11上设有两个冷却介质通孔，隔板11下方为封闭的空腔，永磁体10位于该空腔内；连接轴4穿过隔板11并与隔板11滑动密封连接，两个冷却介质管路16穿过隔板11将空腔与外部连通，用于流通冷却介质。

4.根据权利要求1所述的一种感应线圈与永磁搅拌协同DC制备铝合金铸锭的装置，其特征在于所述的永磁体10在工作预设位置时，其顶面与石墨环14之间的垂直高度差≤160mm，永磁体驱动电机转速为10～6000RPM。

5.根据权利要求1所述的一种感应线圈与永磁搅拌协同DC制备铝合金铸锭的装置，其特征在于所述的导磁套筒材质为铁、硅钢、铁铝系合金、铁钴系合金、铁氧体或超导材料。

6.根据权利要求1所述的一种感应线圈与永磁搅拌协同DC制备铝合金铸锭的装置，其特征在于所述的隔热套材质为耐高温绝热材料，选用石棉、硅酸铝毡或耐热陶瓷管等。

7.根据权利要求1所述的一种感应线圈与永磁搅拌协同DC制备铝合金铸锭的装置，其特征在于所述铸造过程中所施加电磁场频率为5～50Hz，电流强度为1～600A，永磁体磁感应强度为0.1～3T。

8.一种感应线圈与永磁搅拌协同DC制备铝合金铸锭的方法，其特征在于采用权利要求1所述的装置，包括以下步骤：

(1)在熔炼炉中进行合金熔炼，经精炼和静置后获得铝合金熔体；

(2)抬升引锭到结晶器内石墨环下沿位置，使热顶、结晶器及引锭形成上端开口且下端封闭的空间；

(3)向结晶器冷却水套内通入冷却水；对感应线圈通入交流电；通过冷却介质管路向导磁套筒的空腔内通入冷却介质并保持流通，对永磁体进行冷却；控制熔体温度高于液相线50～100℃，将铝合金熔体浇入结晶器内，通过浇嘴或分流盘控制铝合金熔体流量；

(4)当结晶器内铝合金熔体的液面高度达到设定值后，通过升降装置将永磁体搅拌单元位置下调，插入结晶器内的熔池中并位于工作预设位置，启动驱动电机使永磁体旋转，同时开启铸造机开始铸造，铸造过程中整个结晶器内铝合金熔体均在感应线圈与永磁体产生的复合磁场作用下，直至完成铸造获得铝合金铸锭。

9.根据权利要求7所述的一种感应线圈与永磁搅拌协同DC制备铝合金铸锭的方法，其特征在于所述的冷却介质为空气、氩气、油或水。