CN108637200B - 大规格镁合金长扁锭半连续铸造装置 - Google Patents

Abstract

一种大规格镁合金长扁锭半连续铸造装置，包括分流盘、结晶器和引锭头；其中分流盘上方设置有高度调整装置，分流盘为单体式分流盘或分体式分流盘；单体式分流盘由矩形侧壁和梯形底槽构成一体结构，侧壁的每个角部均设有矩形的分流口；分体式分流盘由多个方形槽通过固定支撑底板固定连接在一起，角部设有矩形的分流口；一冷水箱下方设有三冷水箱，引锭头上部方槽内部为阶梯式的两层槽型结构，引锭头底座内部设有空腔。本发明装置可生产制备各种尺寸规格质量可靠镁合金扁锭；有效减小铸锭开裂倾向。

Description

大规格镁合金长扁锭半连续铸造装置

技术领域

本发明属于镁合金铸造技术领域，特别涉及一种大规格镁合金长扁锭半连续铸造装置。

背景技术

半连续铸造工艺又称为直接水冷铸造（Direct Chilling）是通过结晶器使金属熔体连续稳定凝固成锭坯的过程。结晶器主要由内套 冷却水箱 喷水孔等组成。熔体与结晶器内壁接触实现一次冷却，出结晶器后二次冷却水经喷水孔以一定的角度喷到铸锭表面，实现激冷。随着工业上对大尺寸变形结构材料性能要求的不断提高，生产大规格高质量铸坯作为高性能变形构材的前提显得格外重要。

目前在我国用于生产最大规格镁合金薄板所需机加工后铸锭的厚度与宽度分别为400mm与1600mm，称为大规格镁合金扁锭。然而，铸造坯料规格的扩大化在实际的铸造生产过程中产生了很多新问题。这些问题具体为相比于常规尺寸的铸锭晶粒较为粗大、横截面组织差别增加、宏观偏析严重等。

除上述问题外，大规格铸锭，尤其是对于具有面对称结构的矩形截面镁合金铸锭(包括扁锭或方锭)，在铸造过程中由于周向以及宽向的冷却速率与冷却时序不同而造成的铸造应力与应变，往往导致凝固过程中的热裂或者凝固后的冷裂问题。

发明内容

针对现在有镁合金半连续铸造存在的上述问题，本发明提供一种大规格镁合金长扁锭半连续铸造装置，通过改变分流盘结构及设置高度调整装置，配合三冷水箱以及中空引锭头，使铸造过程中镁合金温度分布更均匀，防止偏析问题，并在制备大规格铸锭时避免开裂问题。

本发明的大规格镁合金长扁锭半连续铸造装置包括分流盘、结晶器和引锭头6；结晶器包括结晶器内套26、电磁线圈5、一冷水箱31和油盖板24，油盖板24上方设置有气体保护喷管3，结晶器内套26外部设有，电磁线圈5位于一冷水箱31和结晶器内套26之间；结晶器内套26上方为分流盘，结晶器内套26下方为引锭头6；其中分流盘上方设置有高度调整装置，高度调整装置由高度调节螺杆固定底座14、高度调节螺杆13和分流盘支撑柱12组成，至少1个分流盘支撑柱12与分流盘固定在一起，至少1个分流盘支撑柱12与至少2个高度调节螺杆13通过螺纹装配在一起，每个高度调节螺杆13与1个高度调节螺杆固定底座14固定在一起；所述的分流盘为单体式分流盘1或分体式分流盘2；单体式分流盘1由矩形侧壁和梯形底槽9构成一体结构，矩形侧壁上设有圆形的分流孔7，矩形侧壁的每个角部均设有矩形的分流口8；分体式分流盘2由两个方形槽10通过固定支撑底板11固定连接在一起，并且各方形槽10的顶部通过连杆固定连接在一起，在方形槽10位于分体式分流盘2的角部的部分设有矩形的分流口8，方形槽10的侧壁上设有圆形的分流孔7；一个方形槽与另一个方形槽邻近的侧壁上设有若干个小孔。

上述装置中，一冷水箱31下方设有三冷水箱41，三冷水箱41环绕在引锭头6外侧，三冷水箱41上固定连接有固定板40，固定板40与三冷水箱41下方的固定螺栓39通过螺纹连接装配在一起；三冷水箱41上设有三冷水孔42朝向结晶器内套26，并且三冷水箱41的两端各设有一个三冷水进口43。

上述装置中，引锭头6从上到下依次为引锭头上部方槽44、引锭头底座45和引锭头固定柱47，其中引锭头上部方槽44内部为阶梯式的两层槽型结构，每层槽型结构的边角部分为弧形，并且下层槽型结构的中心向下凹陷；引锭头底座45内部设有空腔，该空腔通过上部方槽44底部的引锭头气孔46与上部方槽44的内部连通；其中下层槽型结构的中心凹陷深度为1.5~4.5mm。

上述装置中，单体式分流盘1的分流孔7直径15~22mm，全部分流孔总面积500~1000cm²，全部分流口8的总面积范围在150~500 cm²；其中位于分流盘长侧壁上的分流孔的总面积为A1，位于分流盘宽侧壁上的分流孔的总面积为A2，则A1与A2的比值在1.5~5.5之间。

上述装置中，分体式分流盘2的全部分流口的总面积为50~750cm²，全部分流孔总面积500~1000 cm²，分流孔7直径15~22mm，每个方形槽10的小孔直径为分流孔7直径的1/2~1/3，每个方形槽10的小孔的总面积为分流孔总面积的1/10~1/15。

上述装置中，单体式分流盘1的梯形底槽9由两个倾斜的侧板和两个垂直的端板组成，其轴向截面为梯形，其中端板的高度10~60mm，侧板与水平面的角度为20~60˚。

上述装置中，结晶器内套26上方设有气体保护喷管3，气体保护喷管3有进气管4和环形管道15组成，环形管道15外形与结晶器内套26相配合，环形管道15上均匀分布有气孔16朝向结晶器内套26一侧，环形管道15上还固定有气管支撑板17，气管支撑板17搭接在结晶器内套26上方的盖板24上。

上述装置中，结晶器内套26的顶面开设有至少1个环形的油槽20，并铺设有油盖板24盖在油槽20上，外壁上设有结晶器内套肋板28，底部开设有二冷水孔27，油槽20底部设有出油口22与结晶器内套26内部连通；其中油盖板24上开设有多个进油孔21，每个进油孔21通过导油管19与一个针阀油杯18连接。

采用上述装置的镁合金扁锭的铸造工艺为：

铸造镁合金锭时，炉内合金熔体经熔炼、净化和静置后，在供液装置的作用下经导液管从出料口流入分流盘，再由分流盘中的分流孔/分流口流入到结晶器内套中；向针阀油杯中注入润滑油，润滑油经油槽和出油孔流到结晶器内套中，实现铸锭表面润滑；向一冷水箱和三冷水箱内通入冷却水，向气体保护喷管中通入保护气体保护合金熔体，避免合金熔体的氧化与燃烧；当液面达到与分流盘的上沿平齐时，开始由脉冲电源向电磁线圈通入脉冲电流或低频电流，对合金熔体施加脉冲磁场或低频磁场，启动铸造机开始铸造；铸造过程中，通过调节导流锥与导液管口下端的间距以及通过分流盘调整装置调节分流盘位置，调控导液管出口合金熔体流量以及结晶器内合金熔体的温度分布，保持液面稳定；铸造到预定长度时，停止供给镁合金液，在合金熔体的液面低于分流盘底时，铸造机停车，取出分流盘，待铸锭上表面凝固后，关闭脉冲电流，停止电源、冷却水和保护气体，吊出铸锭，铸造结束。

上述的保护气体为含有SF₆的CO₂ ，其中SF₆的体积百分比为0.5~5%。

上述的分流盘上沿与结晶器的上盖板的距离70-120mm。

上述的脉冲磁场或低频磁场的频率范围为5~40Hz。

相比于传统半连续铸造装置，本发明装置有以下优点：

可生产制备各种尺寸规格质量可靠镁合金扁锭；分体式分流盘尤其在制备生产大规格镁合金扁锭时相比传统具有更好的均热作用，结晶器内套中的镁合金熔体温度梯度进一步减小；通过改进单体式分流盘对常规尺寸镁合金扁锭具有较好的分流作用，结晶器内套中的镁合金熔体温度梯度进一步减小；三冷水箱是对铸造过程中的铸锭进行的第三次冷却，与传统无三冷设备相比，可有效减小铸锭内整体的温度梯度，有效减小铸锭开裂倾向；引锭头采用了复合式中空设计，有效节约了资源，同时延长了铸造机的使用寿命，并且通过方形槽底面合理的月牙形设计及气孔的合理分布可有效减小铸锭的温度梯度，减小铸锭产品的开裂倾向。

附图说明

图1为本发明实施例1中的大规格镁合金长扁锭半连续铸造装置结构示意图；

图2为本发明实施例1中的单体式分流盘结构示意图；

图3为本发明实施例2中的分体式分流盘结构示意图；

图4为本发明实施例中的气体保护喷管结构示意图；

图5为本发明实施例中的油盖板结构示意图；

图6为本发明实施例中的结晶器内套剖面结构示意图；

图7为本发明实施例中的三冷水箱结构示意图和局部剖面结构示意图；其中左图为局部剖面结构示意图，右图为结构示意图；

图8为本发明实施例中的引锭头剖面结构示意图；

图中，1、单体分流盘，2、分体式分流盘，3、气体保护喷管，4、进气管，5、电磁线圈，6、引锭头，7、分流孔，8、分流口，9、梯形底槽，10、方形槽，11、固定支撑底板，12、分流支撑柱， 13、高度调节螺杆，14、高度调节螺杆固定底座，15、环形管道，16、气孔，17、气管支撑板，18、针阀油杯，19、导油管，20、油槽，21、进油孔，22、出油口，23、油盖板固定螺钉，24、油盖板，25、结晶器内套固定螺钉，26、结晶器内套，27、二冷水孔，28、结晶器内套肋板，29、上盖板固定螺钉，30、上盖板，31、一冷水箱，34、电磁线圈固定螺母，35、电磁线圈固定电木板，36、电磁线圈固定柱，37、一冷水箱板下封板， 38、水箱地脚，39、固定螺栓，40、固定板，41、三冷水箱，42、三冷水孔，43、三冷水进口，44、引锭头上部方槽，45、引锭头底座，46、引锭头气孔，47、引锭头固定柱；

图9为本发明对比试验获得的镁合金铸锭产品外观图；图中，圆圈处为裂纹；

图10为本发明实施例1中制备的镁合金铸锭产品外观图；

图11为传统半连续铸造装置与本发明实施例1的半连续铸造装置稳定状态下的结晶器内熔体的温度分布曲线图；图中■为传统半连续铸造装置，●为实施例1的半连续铸造装置。

具体实施方式

本发明实施例中引锭头上部方槽44的材质为不锈钢，引锭头底座45的材质为碳钢。

本发明实施例中导油管19的材质为铜。

本发明实施例中三冷水孔内径1.5~5.5mm，优选内径2~3.5mm，相邻两个三冷水孔43的轴线的间距3~18mm，三冷水孔的轴线与水平面夹角向上0~60°。

本发明实施例中引锭头气孔均匀分布在引锭头宽度方向的中心线上，数量为2~5个，引锭头气孔的直径15~45mm；引锭头固定柱焊接固定在铸造机上。

本发明实施例中单体式分流盘1的分流孔7直径15~22mm，全部分流孔总面积500~1000 cm²，全部分流口8的总面积范围在150~500 cm²；其中位于分流盘长侧壁上的分流孔的总面积为A1，位于分流盘宽侧壁上的分流孔的总面积为A2，则A1与A2的比值在1.5~5.5之间。

本发明实施例中分体式分流盘2的全部分流口的总面积为50~750cm²，全部分流孔总面积500~1000 cm²，分流孔7直径15~22mm，每个方形槽10的小孔直径为分流孔7直径的1/2~1/3，每个方形槽10的小孔的总面积为分流孔总面积的1/10~1/15。

本发明实施例中单体式分流盘1的梯形底槽9由两个倾斜的侧板和两个垂直的端板组成，其轴向截面为梯形，其中端板的高度10~60mm，侧板与水平面的角度为20~60˚。

本发明实施例中环形管道15的内径在4~20mm，气孔16的直径0.5~2.5mm，相邻两个气孔16的轴线的间距3~25mm，气孔16的轴线与水平面的夹角向下15°~40°。

本发明实施例中结晶器内套肋板的外端面与结晶器内套侧壁的间距10~25mm，相邻两个结晶器内套肋板28的垂直间距15~30mm，结晶器内套肋板28的厚度15~40mm。

本发明实施例中二冷水孔27的内径1.5~3.5mm，相邻两个二冷水孔27的轴线的间距5~20mm。

本发明实施例中二冷水孔27的轴线与水平面之间的夹角向下15°~45°。

本发明实施例中三冷水箱包括相互连接的四个横截面为菱形的管道，每个管道由四个侧壁组成，三冷水孔位于靠近引锭头一侧的上方的侧壁上。

本发明实施例中的下层槽型结构的中心凹陷深度为1.5~4.5mm

本发明实施例中制备的镁合金为AZ31。

本发明实施例中的大规格镁合金长扁锭半连续铸造装置包括单体分流盘1/分体式分流盘2、气体保护喷管3、电磁线圈5、引锭头6、分流支撑柱12、高度调节螺杆13、油盖板固定螺钉23、油盖板24、结晶器内套固定螺钉25、结晶器内套26、结晶器内套肋板28、上盖板固定螺钉29、上盖板30、一冷水箱31、一冷水箱进水口、一冷水箱排水口、电磁线圈固定螺母34、电磁线圈固定电木板35、电磁线圈固定柱36、一冷水箱板下封板37、水箱地脚38、固定螺栓39、固定板40、三冷水箱41、三冷水孔42、三冷水进口43、引锭头上部方槽44、引锭头底座45、引锭头气孔46和引锭头固定柱47；如图1所示。

实施例1

大规格镁合金长扁锭半连续铸造装置结构如图1所示，包括分流盘、结晶器和引锭头6；结晶器包括结晶器内套26、电磁线圈5、一冷水箱31和油盖板24，油盖板24上方设置有气体保护喷管3，结晶器内套26外部设有，电磁线圈5位于一冷水箱31和结晶器内套26之间；结晶器内套26上方为分流盘，结晶器内套26下方为引锭头6；

分流盘为单体式分流盘1，如图2所示，分流盘上方设置有高度调整装置，高度调整装置由高度调节螺杆固定底座14、高度调节螺杆13和分流盘支撑柱12组成，2个分流盘支撑柱12与分流盘固定在一起，2分流盘支撑柱12各自连接一个横杆，该横杆与4个高度调节螺杆13通过螺纹装配在一起，每个高度调节螺杆13与1个高度调节螺杆固定底座14固定装配在一起；

单体式分流盘1由矩形侧壁和梯形底槽9构成一体结构，矩形侧壁上设有圆形的分流孔7，矩形侧壁的每个角部均设有矩形的分流口8；

一冷水箱31下方设有三冷水箱41，三冷水箱41结构如图7所示，环绕在引锭头6外侧，三冷水箱42上固定连接有固定板40，固定板41与三冷水箱41下方的固定螺栓39通过螺纹连接装配在一起；三冷水箱41上设有三冷水孔42朝向结晶器内套26，并且三冷水箱41的两端各设有一个三冷水进口43；

引锭头6结构如图8所示，从上到下依次为引锭头上部方槽44、引锭头底座45和引锭头固定柱47，其中引锭头上部方槽45内部为阶梯式的两层槽型结构，每层槽型结构的边角部分为弧形，并且下层槽型结构的中心向下凹陷；引锭头底座45内部设有空腔，该空腔通过上部方槽45底部的引锭头气孔46与上部方槽44的内部连通；

结晶器内套26上方设有气体保护喷管3，结构如图4所示，气体保护喷管3有进气管4和环形管道15组成，环形管道15外形与结晶器内套26相配合，环形管道15上均匀分布有气孔16朝向结晶器内套26一侧，环形管道15上还固定有气管支撑板17，气管支撑板17搭接在结晶器内套26上方的盖板24上；

结晶器内套26横截面如图6所示，顶面开设有2个环形的油槽20，并铺设有油盖板24盖在油槽20上，外壁上设有结晶器内套肋板28，底部开设有二冷水孔27，每个油槽20底部设有若干个出油口22与结晶器内套26内部连通；

油盖板24结构如图5所示，板体上开设有多个进油孔21，每个进油孔21通过导油管19与一个针阀油杯18连接；

采用上述装置的镁合金扁锭的铸造工艺为：

将准备的合金在电阻熔炼炉中熔炼，纯镁熔化后添加Zn，然后添加Al-10%Mn中间合金，经溶剂精炼后，向炉内吹氩气精炼，在700~720℃保温、静置30-60分钟；利用电阻加热装置加热导液管，结晶器通水，打开电源，向电磁线圈通入脉冲电流，向针阀油杯中注入润滑油并确保油槽畅通；打开保护气阀，向气体保护喷管中通入保护气；

启动连续供液装置，镁合金液经过导液管进入分流盘，采用304不锈钢扒渣板扒出分流盘内的夹杂，引导镁合金液均匀的从分流孔与分流口中流入结晶器；用扒渣板搅动镁合金液，使其尽量均匀铺到引锭头的底面；随着液面的逐渐增高，提升分流盘，减少镁合金熔体的流量，当镁合金液面达到与结晶器油盖板的距离70~120mm时，启动铸造机，开始铸造，铸造机的速度要缓慢增加，从启动到稳定铸造速度需要5~8分钟；调整锥阀与导液管下端的间距，控制镁合金液流量，保持液面稳定；

铸造到预定长度后，关闭连续供液装置以停止供应镁合金液，同时将铸造机速度为零，然后关闭油杯阀门；结晶器内的镁合金液逐渐凝固，待结晶器边部的镁合金液凝固壳厚度达到30~50mm时，关闭线圈电流和结晶器的供水阀；镁合金液全部凝固后，移开结晶器，将镁合金扁锭吊出；

制备的镁合金铸锭产品外观如图10所示，厚度400mm，宽度1600mm，表面无裂纹；

采用传统连铸方式铸造同种镁合金，进行对比试验，获得的产品外观如图9所示，可见明显的边部裂纹；

对比传统连铸方式与本实施例的连铸方式的结晶器内熔体的温度分布曲线，结构如图11所示，由图可见，本实施例的连铸方式温度分布相比均匀很多。

实施例2

装置结构同实施例1，不同点在于：

分流盘为分体式分流盘2，结构如图3所示，分体式分流盘2由两个方形槽10通过固定支撑底板11固定连接在一起，并且各方形槽10的顶部通过连杆固定连接在一起，在方形槽10位于分体式分流盘2的角部的部分设有矩形的分流口8，方形槽10的侧壁上设有圆形的分流孔7；一个方形槽与另一个方形槽邻近的侧壁上设有若干个小孔；

方法同实施例1；获得的镁合金大规格铸锭产品无裂纹。

Claims (3)

1.一种大规格镁合金长扁锭半连续铸造装置，包括分流盘、结晶器和引锭头（6）；结晶器包括结晶器内套（26）、电磁线圈（5）、一冷水箱（31）和油盖板（24），油盖板（24）上方设置有气体保护喷管（3），结晶器内套（26）外部设有一冷水箱（31），电磁线圈（5）位于一冷水箱（31）和结晶器内套（26）之间；结晶器内套（26）上方为分流盘，结晶器内套（26）下方为引锭头（6）；其特征在于：分流盘上方设置有高度调整装置，高度调整装置由高度调节螺杆固定底座（14）、高度调节螺杆（13）和分流盘支撑柱（12）组成，至少1个分流盘支撑柱（12）与分流盘固定在一起，至少1个分流盘支撑柱（12）与至少2个高度调节螺杆（13）通过螺纹装配在一起，每个高度调节螺杆（13）与1个高度调节螺杆固定底座（14）固定在一起；所述的分流盘为单体式分流盘（1）或分体式分流盘（2）；单体式分流盘（1）由矩形侧壁和梯形底槽（9）构成一体结构，矩形侧壁上设有圆形的分流孔（7），矩形侧壁的每个角部均设有矩形的分流口（8）；分体式分流盘（2）由两个方形槽（10）通过固定支撑底板（11）固定连接在一起，并且各方形槽（10）的顶部通过连杆固定连接在一起，在方形槽（10）位于分体式分流盘（2）的角部的部分设有矩形的分流口（8），方形槽（10）的侧壁上设有圆形的分流孔（7）；一个方形槽与另一个方形槽邻近的侧壁上设有若干个小孔；所述的一冷水箱（31）下方设有三冷水箱（41），三冷水箱（41）环绕在引锭头（6）外侧，三冷水箱（41）上固定连接有固定板（40），固定板（40）与三冷水箱（41）下方的固定螺栓（39）通过螺纹连接装配在一起；三冷水箱（41）上设有三冷水孔（42）朝向结晶器内套（26），并且三冷水箱（41）的两端各设有一个三冷水进口（43）；所述的引锭头（6）从上到下依次为引锭头上部方槽（44）、引锭头底座（45）和引锭头固定柱（47），其中引锭头上部方槽（44）内部为阶梯式的两层槽型结构，每层槽型结构的边角部分为弧形，并且下层槽型结构的中心向下凹陷；引锭头底座（45）内部设有空腔，该空腔通过上部方槽（44）底部的引锭头气孔（46）与上部方槽（44）的内部连通；其中下层槽型结构的中心凹陷深度为1.5~4.5mm；所述的单体式分流盘（1）的分流孔（7）直径15~22mm，全部分流孔（7）总面积500~1000 cm²，全部分流口（8）的总面积范围在150~500 cm²；其中位于分流盘长侧壁上的分流孔（7）的总面积为A1，位于分流盘宽侧壁上的分流孔（7）的总面积为A2，则A1与A2的比值在1.5~5.5之间；分体式分流盘（2）的全部分流口的总面积为50~750cm²，全部分流孔（7）总面积500~1000 cm²，分流孔（7）直径15~22mm，每个方形槽（10）的小孔直径为分流孔（7）直径的1/2~1/3，每个方形槽（10）的小孔的总面积为分流孔（7）总面积的1/10~1/15；三冷水箱（41）包括相互连接的四个横截面为菱形的管道，每个管道由四个侧壁组成，三冷水孔位于靠近引锭头一侧的上方的侧壁上。

2.根据权利要求1所述的大规格镁合金长扁锭半连续铸造装置，其特征在于所述的结晶器内套（26）上方设有气体保护喷管（3），气体保护喷管（3）由进气管（4）和环形管道（15）组成，环形管道（15）外形与结晶器内套（26）相配合，环形管道（15）上均匀分布有气孔（16）朝向结晶器内套（26）一侧，环形管道（15）上还固定有气管支撑板（17），气管支撑板（17）搭接在结晶器内套（26）上方的油盖板（24）上。

3.根据权利要求1所述的大规格镁合金长扁锭半连续铸造装置，其特征在于所述的结晶器内套（26）的顶面开设有至少1个环形的油槽（20），并铺设有油盖板（24）盖在油槽（20）上，外壁上设有结晶器内套肋板（28），底部开设有二冷水孔（27），油槽（20）底部设有出油口（22）与结晶器内套（26）内部连通；其中油盖板（24）上开设有多个进油孔（21），每个进油孔（21）通过导油管（19）与一个针阀油杯（18）连接。