CN109261916B - 一种金属半连续铸造结晶器熔池搅拌装置及方法 - Google Patents

Abstract

一种金属半连续铸造结晶器熔池搅拌装置及使用方法，属于金属加工领域。装置由搅拌装置、金属液分流盘、铸锭、引锭装置、金属熔池、结晶器及导流管组成。金属液分流盘中部为薄壁空心圆柱，薄壁空心圆柱上部加装法兰，通过螺杆固定于搅拌杆下部；搅拌装置由旋转电机和搅拌杆组成，搅拌杆通过金属液分流盘中部空心圆柱薄壁开孔处伸入熔体。金属液经导流管流入金属液分流盘，分流后进入结晶器，在搅拌及结晶器作用下凝固成铸坯，再由铸坯底部的引锭装置拉出。本发明方法和装置可显著细化组织，促进铸坯内温度场均匀分布，提高铸坯凝固组织及成分均匀性，降低铸坯裂纹缺陷，改善铸坯质量，同时工艺简单、操作方便、加工成本低，可广泛应用于金属铸坯制造过程。

Description

一种金属半连续铸造结晶器熔池搅拌装置及方法

技术领域

本发明属于金属加工领域，具体涉及一种金属半连续铸造结晶器熔池搅拌装置及方法。

背景技术

半连续铸造技术是目前金属铸坯生产的主要方式之一，最初由德国人Junghaus于1933年研制成功，该技术是将金属熔体注入水冷结晶器内，熔体与结晶器壁接触冷却凝固成壳，通过牵引装置将凝固的坯壳拉出结晶器并继续喷水冷却，从而得到铸锭。半连续铸造技术具有生产效率高、铸造成本低、操作简单等特点，在有色金属锭坯生产过程中应用广泛。

在半连续铸造过程中，金属熔体与结晶器壁接触部位降温迅速，而中心部位熔体热量难以快速导出，造成中心熔体温度较高边部熔体温度较低，在金属熔体内形成不均匀温度场，进而导致铸造过程中产生热应力，在后续加工过程中易产生裂纹。目前，在半连续铸造技术方面，减小铸坯裂纹缺陷，得到组织细小、成分均匀的铸坯成为金属铸造生产的主要课题。

专利“一种抑制镁合金锭坯开裂的半连续铸造装置及方法”（中国，公开号CN108246991A）提出了一种带可调式分流盘及带水冷装置组合引锭的半连续铸造装置，通过可调式分流盘达到镁液的合理分流，保证镁熔体在结晶器内均匀填充，同时通过组合引锭装置保证心部位置熔体冷却速度与边部同步，尽量减少内部应力的产生，但该设备操作复杂，中心部位金属液不能持续冷却。

专利“轻金属半连铸铸造方法及实施该方法的专用装置”（中国专利，专利号ZL200610031524.2）通过无机热管接入低熔点金属的搅拌桶将液穴处的热量导出并达到搅拌金属液的目的，但该设备更换无机热管较繁琐。

专利“一种用于镁合金半连续铸造的分流装置及铸造系统”（中国专利，CN105382227B）引入分流锥及氧化锆基体多孔形式的分流装置，将金属液由曲折的孔渗透进入结晶器，在工业应用中氧化锆多孔分流装置易堵塞，导致熔体分布不均，产生铸造缺陷。

专利“一种磁脉冲半连续铸造装置及铸造方法”（中国专利，公开号CN101733381A）在结晶器外部设置磁脉冲装置，当金属熔体经过结晶器时，磁脉冲装置可对熔体产生箍缩和震荡作用，增加熔体形核率，同时均匀化熔体温度，但是该装置需要在结晶器周围缠绕电磁线圈，成本较高，能耗较大。

专利“一种生产铝合金半固态铸锭的连续铸造方法”（中国专利，公开号CN102161081A）提出了一种包括分流盘、导流管中部安装机械搅拌装置、外部安装电磁搅拌器的连续铸造设备，其中分流盘相当于中间包，并没有起到分流作用，该装置机械搅拌没有冷却功能，不能将金属液中心部位的热量快速导出，并且工艺控制难，设备复杂，能耗较大。

除了上述装置外，专利CN105170926A提出了“一种三段立式镁合金铸轧布流装置”；专利CN102665965B提出了“用于连续铸造设备的金属填充装置”；专利CN102756102B提出了“铜空心圆锭立式半连续铸造内孔带水冷的工艺及设备”；专利CN104220191B提出了“连续铸造设备”；专利CN104511578A提出了“一种立式半连续铸造机结晶器冷却装置”；专利CN104117645B提出了“一种剪切、磁场复合作用下的轻金属半连铸装置及方法”；专利CN105522131A提出了“一种镁合金棒材功率超声半连续铸造及探伤装置和方法”；专利CN104511576A提出了“一种铜锭立式半连续铸造机”。

以上各种半连续铸造装置虽然有各自的特点，但都存在不足，大多数都存在工艺控制难、设备复杂、操作不便、制造成本高、能耗大的特点，因此，仍需要提出新的半连续铸造装置，以便简化工艺，提高效率，降低成本。

发明内容

为解决现有技术存在的上述问题，本发明设计一种操作方便、成本低廉、易于实现工业化应用的金属半连续铸造结晶器熔池搅拌装置及其铸造方法，实现在半连续铸造过程中，于金属熔体凝固前沿附近设置搅拌装置及金属液分流盘，得到组织成分均匀的铸坯，同时抑制铸造过程中内部应力的产生，减少铸坯内部裂纹缺陷。

一种金属半连续铸造结晶器熔池搅拌装置，包括搅拌装置、金属液分流盘、铸锭、引锭装置、金属熔池、结晶器及金属液导流管；所述金属液分流盘中心为空心圆柱薄壁，所述薄壁空心圆柱上接法兰；所述搅拌装置由旋转电机和具有冷却导热功能的搅拌杆组成，所述搅拌杆通过金属液分流盘中部空心圆柱中心伸入金属熔体；所述金属液分流盘通过螺杆固定于搅拌装置下部位置；所述金属液导流管设置分支导流管。

进一步地，所述搅拌杆直径d为所述铸锭直径D的0.1~0.3倍，所述金属液分流盘直径d ₂为所述铸锭直径D的0.3~0.8倍，所述金属液分流盘中部空心圆柱内径d ₁为所述搅拌杆直径d+5~15mm。

进一步地，所述搅拌装置上部固定有法兰，所述法兰直径d ₃=d ₁+20~40mm，所述法兰周向等间距设置三~四个螺孔，通过螺杆与所述金属液分流盘连接，所述螺杆长度L=0.5~3d ₂。

进一步地，所述搅拌杆由旋转电机带动旋转，所述旋转电机设置有转速调节装置，转速范围为0~1000r/min，所述搅拌杆具有冷却导热功能。

进一步地，所述金属液分流盘外侧壁面设置有均匀分布的分流孔，所述外侧壁面高度h为所述金属液分流盘直径d ₂的0.2~0.5倍，所述分流孔直径d′为所述外侧壁面高度h的0.1~0.3倍，所述分流孔形状可以为圆孔或其他形状孔，孔间距l为所述分流孔直径d′的1~3倍，所述分流孔距分流盘底部的高度差h′为所述外侧壁面高度h的0.2~0.4倍。

进一步地，所述分支导流管端部出口与水平面夹角为0~75°，所述端部出口朝向空心圆柱壁面。

本发明技术提供一种金属半连续铸造结晶器熔池搅拌方法，采用上述装置，可实现如下操作：

（1）将搅拌装置及金属液分流盘放置于结晶器上方，金属液分流盘边部距结晶器上部敞口距离30~80mm，将引锭装置由下方伸入结晶器内部20~70mm，并将引锭装置和结晶器之间的缝隙填充好，防止金属液漏出，烘干结晶器型腔；

（2）将金属液分支导流管引入金属液分流盘，对金属液熔炼炉进行加压，金属液流向：熔炼炉→金属液导流管→分支导流管→金属液分流盘，同时开启搅拌装置，并接通冷却系统及结晶器冷却水，从分支导流管流出的金属液先到达薄壁圆柱处，再流向分流盘周边分流孔处；

（3）金属液由金属液分流盘分流孔流入结晶器，与结晶器壁及引锭装置接触的熔体冷却凝固成壳，形成初生的坯壳，通过引锭装置的牵引作用拉出结晶器；

（4）未凝固的金属液继续流向结晶器中部位置，在搅拌装置的搅拌及冷却作用下凝固成壳，锭坯达到要求尺寸后，取出金属铸锭。

本发明在金属半连续铸造过程中可以将金属液合理分配到结晶器周围，通过搅拌装置搅拌及冷却作用可以将金属液中心部位的热量快速导出，与结晶器周边熔体形成均匀的温度场分布，同时搅拌作用使中心部位金属液得到充分搅拌，改善中心部位金属液流动性，提高铸坯组织及成分均匀性，可以消除铸坯组织疏松、成分偏析及铸造裂纹等缺陷。本发明的金属半连续铸造结晶器熔池搅拌装置可有效提高铸坯内部质量，减少裂纹发生，具有结构简单、操作方便、加工制造成本低、适用范围广的特点，可大规模应用于各种品种、规格金属铸坯制造过程。

附图说明

图1为本发明的金属半连续铸造结晶器熔池搅拌装置结构示意图：其中1-搅拌装置；2-旋转电机；3-法兰；4-金属液分流盘；5-搅拌杆；6-铸锭；7-引锭装置；8-金属熔池；9-结晶器；10-金属液导流管；11-螺杆。

图2为图1所示金属分流盘结构示意图：其中4-金属液分流盘；4-2-分流孔；3-法兰；11-螺杆。

具体实施方式

以下将结合具体附图详细描述本发明具体实施例或现有技术中的技术方案，下述实施例只用于对本发明进行进一步说明，不能理解为对本发明保护范围的限制，凡是根据本发明技术实质对以下实施例所作的任何简单修改、变更及等效结构变化，均仍属于本发明技术方案的保护范围内。

本发明具体实施例提供一种金属半连续铸造结晶器熔池搅拌装机，其结构如图1~2所示，包括搅拌装置（1）、金属液分流盘（4）、铸锭（6）、引锭装置（7）、金属熔池（8）、结晶器（9）及金属液导流管（10）。所述金属液分流盘（4）中部为薄壁空心圆柱，所述搅拌装置由旋转电机（2）和具有冷却功能的搅拌杆（5）组成，所述搅拌杆（5）通过所述空心圆柱中心伸入金属液熔体，所述空心圆柱上接法兰（3），所述法兰（3）周向设置3~4个螺孔，通过螺杆（11）将金属液分流盘（4）与搅拌装置（1）固定；所述金属液分流盘（4）外侧壁面均匀设置多个分流孔（4-2）；金属液分流盘（4）与搅拌装置（1）放置于结晶器（9）上方，所述金属液导流管设置分支导流管，所述分支导流管引入所述金属液分流盘内，所述分支导流管端部出口与水平面夹角呈0~75°，所述端部出口朝向空心圆柱壁面。

实施例

本实施例提供一种截面尺寸F450mm的镁合金金属圆柱坯的半连续搅拌铸造方法，采用上述装置：其中金属液分流盘直径350mm，搅拌杆直径50mm，金属液分流盘中部空心薄壁圆柱内径60mm，搅拌杆搅拌端伸入熔体深度与所述金属液分流盘底部距离为70mm，外侧壁面高度75mm，分流孔直径15mm，分流孔距分流盘底部高度差15mm，在外侧壁面均匀分布30个分流孔，法兰设置四个螺孔，螺杆长度200mm，支导流管直径70mm，搅拌杆端部伸入熔池距离分支导流管端部出口与水平面呈45°角，具体实施步骤如下：

（1）将搅拌装置及金属液分流盘放置于结晶器上方，金属液分流盘边部距结晶器上部敞口距离80mm，将引锭装置由下方伸入结晶器内部50mm，并将引锭装置和结晶器之间的缝隙填充好，防止金属液漏出，烘干结晶器型腔；

（2）将金属液分支导流管引入金属液分流盘，对金属液熔炼炉进行加压，金属液流向：熔炼炉→导流管→分支导流管→金属液分流盘，同时开启搅拌装置，并接通冷却系统及结晶器冷却水，从分支导流管流出的金属液先到达薄壁圆柱处，再流向分流盘周边分流孔处；

（3）金属液由金属液分流盘分流孔流入结晶器，与结晶器壁及引锭装置接触的熔体冷却凝固成壳，形成初生的坯壳，通过引锭装置的牵引作用拉出结晶器；

（4）未凝固的金属液继续流向结晶器中部位置，在搅拌装置的搅拌及冷却作用下凝固成壳，锭坯达到要求尺寸后，取出金属铸锭。

实施例

本实施例提供一种截面尺寸F200mm的铝合金金属圆柱坯的半连续搅拌铸造方法，采用上述装置：其中金属液分流盘直径150mm，搅拌杆直径30mm，金属液分流盘中部空心薄壁圆柱内径40mm，搅拌杆搅拌端伸入熔体深度与所述金属液分流盘底部距离为20mm，外侧壁面高度50mm，分流孔直径8mm，分流孔距分流盘底部高度差10mm，在外侧壁面均匀分布20个分流孔，法兰设置三个螺孔，金属液分支导流管直径40mm，分支导流管端部出口轴线与水平面呈30°，具体实施步骤如下：

（1）将搅拌装置及金属液分流盘放置于结晶器上方，金属液分流盘边部距结晶器上部敞口距离50mm，将引锭装置由下方伸入结晶器内部30mm，并将引锭装置和结晶器之间的缝隙填充好，防止金属液漏出，烘干结晶器型腔；

（2）将金属液分支导流管引入金属液分流盘，对金属液熔炼炉进行加压，金属液流向：熔炼炉→导流管→分支导流管→金属液分流盘，同时开启搅拌装置，并接通冷却系统及结晶器冷却水，从分支导流管流出的金属液先到达薄壁圆柱处，再流向分流盘周边分流孔处；

（3）金属液由金属液分流盘分流孔流入结晶器，与结晶器壁及引锭装置接触的熔体冷却凝固成壳，形成初生的坯壳，通过引锭装置的牵引作用拉出结晶器；

（4）未凝固的金属液继续流向结晶器中部位置，在搅拌装置的搅拌及冷却作用下凝固成壳，锭坯达到要求尺寸后，取出金属铸锭。

以上仅是本发明的具体应用范例，对本发明的保护范围不构成任何限制。凡采用等同变换或者等效替换而形成的技术方案，均落在本发明权利保护范围之内。

Claims (5)

1.一种金属半连续铸造结晶器熔池搅拌装置，其特征在于，包括搅拌装置（1）、金属液分流盘（4）、铸锭（6）、引锭装置（7）、金属熔池（8）、结晶器（9）及金属液导流管（10）；所述金属液分流盘（4）中心为空心圆柱薄壁，所述薄壁空心圆柱上接法兰；所述搅拌装置（1）由旋转电机（2）和搅拌杆（5）组成，所述搅拌杆（5）通过金属液分流盘（4）空心圆柱中心伸入金属熔体；所述金属液分流盘（4）通过螺杆（11）固定于搅拌装置（1）下部位置；所述金属液导流管（10）设置分支导流管；

所述搅拌杆（5）直径d为所述铸锭（6）直径D的0.1~0.3倍，所述金属液分流盘（4）直径d ₂为所述铸锭（6）直径D的0.3~0.8倍，所述金属液分流盘（4）中部空心圆柱内径d ₁为所述搅拌杆直径d+（5~15）mm；

所述分支导流管端部出口与水平面夹角为0~75°，所述端部出口朝向空心圆柱壁面。

2.根据权利要求1所述的金属半连续铸造结晶器熔池搅拌装置，其特征在于，所述搅拌装置（1）上部固定有法兰（3），所述法兰直径d ₃=d ₁+（20~40）mm，所述法兰周向等间距设置三~四个螺孔，通过螺杆（11）与所述金属液分流盘（4）连接，所述螺杆（11）长度L=（0.5~3）d ₂。

3.根据权利要求1所述的金属半连续铸造结晶器熔池搅拌装置，其特征在于，所述搅拌杆（5）由旋转电机（2）带动旋转，所述旋转电机（2）设置有转速调节装置，转速范围为0~1000r/min，所述搅拌杆（5）具有冷却导热功能。

4.根据权利要求1所述的金属半连续铸造结晶器熔池搅拌装置，其特征在于，所述金属液分流盘（4）外侧壁面设置有均匀分布的分流孔，所述外侧壁面高度h为所述金属液分流盘直径d ₂的0.2~0.5倍，所述分流孔形状为圆孔或其他形状孔，所述分流孔距分流盘底部的高度差h′为所述外侧壁面高度h的0.1~0.5倍。

5.一种如权利要求1所述的金属半连续铸造结晶器熔池搅拌装置的使用方法，其特征在于，具体操作步骤如下：

（1）将搅拌装置及金属液分流盘放置于结晶器上方，金属液分流盘边部距结晶器上部敞口距离30~80mm，将引锭装置由下方伸入结晶器内部20~70mm，并将引锭装置和结晶器之间的缝隙填充好，防止金属液漏出，烘干结晶器型腔；

（2）将金属液分支导流管引入金属液分流盘，对金属液熔炼炉进行加压，金属液流向：熔炼炉→金属液导流管→分支导流管→金属液分流盘，同时开启搅拌装置，并接通冷却系统及结晶器冷却水，从分支导流管流出的金属液先到达薄壁圆柱处，再流向分流盘周边分流孔处；

（3）金属液由金属液分流盘分流孔流入结晶器，与结晶器壁及引锭装置接触的熔体冷却凝固成壳，形成初生的坯壳，通过引锭装置的牵引作用拉出结晶器；

（4）未凝固的金属液继续流向结晶器中部位置，在搅拌装置的搅拌及冷却作用下凝固成壳，锭坯达到要求尺寸后，取出金属铸锭。