CN110216250A - 一种组频超声镁合金半连续铸造装置及方法 - Google Patents

Abstract

一种组频超声镁合金半连续铸造装置及方法，装置包括中间包，中间包内设有两个超声发生装置，超声发生装置的超声辐射杆前端面位于中间包内；换能器与支撑装置装配在一起；支撑装置为升降支撑装置或变角度支撑装置；方法为：(1)熔炼镁合金熔体；(2)中间包、移液管和两个超声辐射杆预热；超声辐射杆插入中间包，或调整夹角后插入中间包；(3)镁合金熔体输送到中间包；开启超声发生器，两个超声辐射杆发射超声波，组合形成组频超声波；(4)开启结晶器；(5)施加组频超声波后，将中间包内的镁合金熔体输送到结晶器，进行半连续铸造。本发明的装置及方法能够增强声波的非线性耦合，提升熔体空化作用范围与空化强度，得到组织均匀、性能优良的大规格镁合金铸锭。

Description

一种组频超声镁合金半连续铸造装置及方法

技术领域

本发明属于轻合金冶炼技术领域，特别涉及一种组频超声镁合金半连续铸造装置及方法。

背景技术

镁合金作为最轻的结构金属材料，广泛应用于3C、航空航天、及高铁动车领域，具有比强度高、比模量高、减震性能好等优点；但由于镁合金低热容、低凝固潜热引起的枝晶发达、偏析严重及铸锭强度低等缺陷，造成其加工成形性差，限制了镁合金应用范围的拓广，因此，高强细晶均质镁合金铸锭成为镁合金领域研究热点。

半连续铸造方法以其效率高、生产成本低成为镁合金铸锭生产的主要方式，但于镁合金导热速率低使得铸锭中心与边部温差大、枝晶发达及组织不均匀等。

早期的细晶技术有加Zr变质法、加碳变质法、添加中间合金变质法，但由于其对合金成分要求严格，因而应用变质细化剂的方法受到限制；近年来，施加电磁场改变凝固行为的技术已得到飞速发展；自20世纪60年代前苏联Getselev在DC半连续铸造的基础上施加励磁线圈以来，电磁铸造工艺不断发展；东北大学开发的低频电磁半连续铸造取得一定进展，但施加电磁场存在趋肤效应使得作用区域局限且搅拌强度低，难以改善大规格铸锭组织及性能。

超声场作为一种行程短、效率高及稳定性强的机械波，已应用于有色金属冶炼领域以提升铸锭质量；目前，大多数学者认为超声场产生的空化效应及声流效应能促进形核达到细化晶粒的目的；其中，上海大学(2004年)发明一种侧部功率超声导入方法改善金属凝固组织；清华大学(2008年)发明了一种顶部导入超声处理装置，可细化晶粒尺寸及均匀成分；目前绝大多数铸造设备以单频超声为主，但由于超声波在熔体中共振频率不稳定、衰减严重等缺陷，使得超声空化范围仅局限于辐射杆端面附近，仅适用于小规格铸锭生产。

发明内容

本发明目的在于提供一种组频超声镁合金半连续铸造装置及方法，针对现有的单频超声共振频率飘移、声压衰减严重、空化强度低，不足以充分发挥超声场在镁合金熔体中的优势的问题，采用两个超声发生装置，并通过控制装置施加组频超声，实现声波的耦合叠加，增强空化及声流作用，改善镁合金组织，提升铸锭质量。

本发明的组频超声镁合金半连续铸造装置包括熔炼炉、中间包和结晶器，熔炼炉和中间包之间设有移液管，中间包和结晶器之间设有溜槽；结晶器顶部设有保护气环形管，保护气环形管的内部通过管道与保护气源连通，保护气环形管上设有出气孔，出气孔朝向结晶器轴线方向；其中中间包内设有第一超声发生装置和第二超声发生装置，第一超声发生装置由第一超声辐射杆、第一超声波导杆和第一超声换能器组成，第二超声发生装置由第二超声辐射杆、第二超声波导杆和第二超声换能器组成，第一超声换能器和第二超声换能器分别连接第一超声发生器和第二超声发生器；第一超声辐射杆和第二超声辐射杆的前端面均位于中间包内部；第一换能器和第二换能器与支撑装置装配在一起；所述的支撑装置为升降支撑装置或变角度支撑装置；升降支撑装置由滑块、横梁和升降装置组成，两个滑块分别与第一超声换能器和第二超声换能器固定连接，两个滑块套在一个横梁外，横梁与升降装置装配在一起；变角度支撑装置包括横梁、导向杆、升降装置和角度调节装置；升降装置的驱动电机固定在横梁上，与驱动电极装配在一起的螺杆穿过横梁并与横梁通过螺纹连接，并且螺杆底部通过轴承与两个连杆的一端连接；每个连杆的另一端固定有一个带燕尾槽的支杆，燕尾槽中设有水平通道用于轮轴水平移动；两个导向杆分别穿过一个连杆并与该连杆滑动连接；两个滑块分别与一个燕尾槽滑动连接，每个滑块上固定有一个棘爪，与每个棘爪相配合的一个棘轮套在轮轴上，每个轮轴分别穿过一个滑块和水平通道，并与该滑块滑动连接，每个轮轴的另一端固定有手轮；每个棘轮的下部与一个固定架固定连接；两个固定架分别与第一换能器和第二换能器固定连接；连杆、支杆、滑块、手轮、棘轮和棘爪构成角度调节装置。

上述装置中，超声换能器为压电陶瓷换能器或磁致伸缩换能器；压电陶瓷换能器包括换能器箱体、金属膜片和钛酸压电陶瓷材料，换能器箱体上设有进气口和出气口用于流通冷却气体，钛酸压电陶瓷材料的上下两个端面分别连接一个金属膜片，两个金属膜片分别通过电缆与超声发生器的两极连接；磁致伸缩换能器包括换能器箱体和铁化铽磁致伸缩材料，换能器箱体上设有进水口和出水口用于流通冷却水，铁化铽磁致伸缩材料的前后两端分别通过电缆与超声发生器的两极连接。

上述装置中，第一超声换能器和第二超声换能器分别通过航空接头连接器连接第一波导杆和第二波导杆；第一波导杆和第二波导杆分别通过螺纹连接第一超声辐射杆和第二超声辐射杆。

上述的中间包内部空间为倒置的圆台状，该圆台状的侧壁倾角(侧部母线与圆台轴线夹角)为3°～10°。

上述的中间包包括炉体和包盖，炉体内壁上设有内衬，外壁包覆有保温套，炉体下部的中间包水口上设置有控流阀；包盖由两部分组成，其中一部分材质为石棉，另一部分材质为钢化玻璃用于观测中间包内部情况；包盖材质为石棉的部分设有进料口与移液管装配在一起。

上述的结晶器包括内套、外套、底板、封水板和顶板；内套顶部设有布油装置，底部设有二冷水出水口；外套的侧壁上设有进水口；结晶器下方设有引锭头；引锭头与内套的内壁之间的缝隙填充有石棉；内套上方与顶板密封连接，下方与封水板密封连接；外套的上方与顶板密封连接，下方与底板的外部密封连接；底板的内部与封水板密封连接；内套和外套之间的空间为冷却水腔。

上述的熔炼炉和移液管外壁均设有保温装置，并装配有热电偶用于测温。

本发明的组频超声镁合金半连续铸造方法是采用上述装置，按以下步骤进行：

1、在熔炼炉中熔炼镁合金熔体，镁合金熔体经搅拌均匀后，扒渣处理，向熔体洒入二号熔剂进行精炼，精炼结束后再静置10～15min，此时镁合金熔体的温度为镁合金液相线以上30～80℃；

2、将中间包、移液管、第一超声辐射杆和第二超声辐射杆进行预热，预热至温度为镁合金液相线以上30～80℃，预热时间30min以上；将预热后的第一超声辐射杆和第二超声辐射杆通过升降装置插入中间包内，或者先将第一超声辐射杆和第二超声辐射杆通过角度调节装置调整至夹角10°～30°，且两个超声辐射杆的轴线交点位于两个超声辐射杆的下方，然后预热，再通过升降装置插入中间包内；

3、将镁合金熔体通过移液管输送到中间包内；然后开启第一超声发生器和第二超声发生器，两超声波发生器产生的交流电信号分别经两个超声换能器转换为相应的机械振动，经两个超声波导杆传输到两个超声辐射杆，并通过两个超声辐射杆发射超声波，组合形成组频超声波，施加到镁合金熔体中；其中两个超声辐射杆发射超声波的频率为15～300kHz，并且两个超声辐射杆发射的超声波频率差在1～60kHz；

4、将引锭头插入结晶器内，在引锭头与结晶器的内套内壁之间的间隙用石棉填充；向结晶器的冷却水腔通入冷却水，并且冷却水从二冷水出水口排出；

5、当对镁合金熔体施加的组频超声波时间达到或超过2min时，开启中间包的控流阀，将中间包内的镁合金熔体经溜槽输送到结晶器内，进行半连续铸造，直至制成镁合金铸锭。

上述方法中，当制备的镁合金铸锭为AZ系镁合金时，步骤1中镁合金熔体的温度与镁合金液相线温度的温度差ΔT为30℃≤ΔT<50℃；当制备的镁合金铸锭为ZK系镁合金或RE系镁合金时，步骤1中镁合金熔体的温度与镁合金液相线温度的温度差ΔT为50℃≤ΔT≤80℃。

上述方法中，第一超声辐射杆和第二超声辐射杆进行预热时，通过红外线测温枪测温。

上述的步骤3中，当中间包内的镁合金熔体体积达到中间包容积的70％以上时，开启第一超声发生器和第二超声发生器，此时第一辐射杆和第二辐射杆的底端位于液面下方20～50mm。

上述方法中，当超声换能器为压电陶瓷换能器时，压电陶瓷换能器的换能器箱体内设有一个或多个钛酸压电陶瓷材料，每个钛酸压电陶瓷材料上下两端均连接有一个金属膜片，与同一个钛酸压电陶瓷材料连接的两个金属膜片分别通过电缆与一个超声发生器的两极连接；当超声换能器为磁致伸缩换能器时，磁致伸缩换能器的换能器箱体内设有一个或多个铁化铽磁致伸缩材料，每个铁化铽磁致伸缩材料的前后两端分别通过电缆与一个超声发生器的两极连接。

上述方法中，当开启第一超声发生器和第二超声发生器时，且当超声换能器为压电陶瓷换能器时，通过向换能器箱体内通入冷却气体空气，控制压电陶瓷换能器的温度≤40℃；当开启第一超声发生器和第二超声发生器时，且当超声换能器为磁致伸缩换能器时，通过向换能器箱体内通入冷却水，控制磁致伸缩换能器的温度≤40℃。

上述方法中，进行半连续铸造时，铸造速度0.3～3mm/s。

上述的步骤4中，通过结晶器顶部的保护气环形管向结晶器的顶部持续喷吹保护气体；通过结晶器布油系统向结晶器内套的内壁润滑油。

上述的保护气体为CO₂和SF₆的混合气体，其中CO₂的体积百分比70～85％。

本发明的原理是：单一频率超声场中共振频率受熔体高温影响，产生频率漂移，且受熔体粘滞性的影响，空化作用范围局限在端面附近，难以实现对整个熔体的超声处理；组频超声在总功率不变的条件下，通过支撑装置增加辐射杆数量及空间分布，调节两列声波的频率、功率大小，增强声波的非线性耦合，提升熔体空化作用范围与空化强度，从而在半连续铸造中得到组织均匀、性能优良的大规格镁合金铸锭。

本发明的装置通过两个超声辐射杆的频率及功率大小，或者同时两个超声辐射杆的角度，实现熔体中声波的非线性叠加，解决频率飘移、声压衰减等问题所带来的局限性，使空化作用范围增强，空化强度提高；采用制冷空气冷却或者水冷装置，维持超声波换能器温度；磁致伸缩换能器用TbFe₂(铁化铽)材质，其饱和磁致伸缩应力比镍大50～60倍，可用来制作大功率声源；中间包的结构利于中间包脱渣处理；中间包的包盖利于保温、减少氧化、观察中间包熔体高度。

本发明的装置及方法适用于镁、铝、铜等有色金属，通过提升空化及声流效应细化铸锭组织。

附图说明

图1是本发明实施例1中的组频超声镁合金半连续铸造装置结构示意图；

图2是图1的侧视图；

图3是本发明实施例2中变角度支撑装置部分结构示意图；

图4是图3棘轮部分结构局部放大图；图中，(a)为左侧棘轮部分，(b)为右侧棘轮部分；

图5是本发明实施例中的中间包剖面结构及俯视结构示意图；图中，左图为剖面结构，右图为俯视结构；

图6是本发明实施例中的结晶器结构示意图；

图7是本发明实施例1和2中的超声换能器剖面结构示意图，图中(a)为磁致伸缩换能器，(b)为压电陶瓷换能器；

图8是本发明实施例3和4中的超声换能器剖面结构示意图，图中(a)为磁致伸缩换能器，(b)为压电陶瓷换能器；

图中，1、引锭头，2、镁合金铸锭，3、镁合金熔体，4、结晶器进水口，5、结晶器，6、保护气环形管，7、熔炼炉，8、移液管，9、升降支撑装置支柱，10、升降支撑装置螺杆，11、升降支撑装置横梁，12、第一超声换能器，13、第一超声波导杆，14、第一超声辐射杆，15、换能器固定板，16、中间包，17、溜槽，18、升降支撑装置滑块，19、中间包包盖，20、升降支撑装置底座，21、变角度支撑装置底座，22、连杆，23、变角度支撑装置支柱，24、支杆，25、导向杆，26、变角度支撑装置螺杆，27变角度支撑装置横梁，28、驱动电机，29、锥齿轮，30、轴承，31、变角度支撑装置滑块，32、变角度支撑装置手轮，33、棘轮，34、燕尾槽，35、固定架，36、棘爪，37、保温套，38、中间包炉体，39、中间包内衬，40、石棉包盖部分，41、钢化玻璃包盖部分，42、石棉，43、布油装置，44、内套，45、冷却水腔，46、顶板，48、外套，49、底板，50、封水板，51、二冷水出水口，52、换能器进水口，53、磁致伸缩换能器箱体，54、磁致伸缩换能器电缆接口，55、换能器出水口，56、磁致伸缩换能器电缆，57、铁化铽磁致伸缩材料，58、换能器进气口，59、压电陶瓷换能器箱体，60、压电陶瓷换能器电缆接口，61、压电陶瓷换能器电缆，62、金属膜片，63、钛酸压电陶瓷材料，64、换能器出气口，65、控流阀，66、升降支撑装置手轮；

图9是本发明实施例中的组频超声镁合金半连续铸造流程示意图；

图10是本发明实施例2中单频超声与组频超声声压波动图，图中，左图为两种单频超声，右图为组频超声；

图11是本发明实施例2中传统单频超声场与组频超声的数值模拟软件空化区域图；图中，左图为20kHz，中图为15kHz，右图为组频超声；

图12是本发明实施例2中不同方式制备的镁合金铸锭金相组织图；图中(a)为不施加超声，(b)为施加20kHz单频超声，(c)为施加15kHz单频超声，(d)为组频超声；

图13是本发明实施例2中不同方式制备的镁合金铸锭的抗拉强度对比图。

具体实施方式

本发明实施例中超声发生装置的功率变化范围0～2000W。

本发明实施例中第一超声辐射杆和第二超声辐射杆的预热方式为乙炔块预热。

本发明实施例中的结晶器内套中设置油沟槽、渗油缝，利于铸造过程中顺利脱模，依据公开号为CN106944598的专利申请文献设置。

本发明实施例中的布油装置依据公开号为CN106944598的专利申请文献设置。

本发明实施例中进行半连续铸造时，冷却水流量为15～800L/min；

本发明实施例中，采用升降支撑装置时，换能器固定板15焊接固定在升降支撑装置滑块18上；采用变角度支撑装置时，固定架上焊接固定有换能器固定板。

本发明实施例中当换能器为磁致伸缩换能器时，箱体内使用的电缆为防水电缆。

本发明实施例中超声辐射杆的前端面为超声辐射杆远离超声波导杆的一端端面，即底端面。

本发明实施例中的二号熔剂(钡熔剂)的用量按加入后使金属镁燃烧产生的火焰熄灭为准。

本发明实施例中，当镁合金铸锭的直径在30～200mm时，第一超声辐射杆和第二超声辐射杆发射的超声波频率≤40kH；当镁合金铸锭的直径超过200mm时，，第一超声辐射杆和第二超声辐射杆发射的超声波频率>40kHz。

本发明实施例中的磁致伸缩换能器的铁化铽磁致伸缩材料由多个铁化铽磁致伸缩杆组成，同一个电缆缠绕在各铁化铽磁致伸缩杆上。

本发明实施例中磁致伸缩换能器的设置方式依据公开号为CN102205312A的专利申请文献设置，压电陶瓷换能器的设置方式依据公开号为CN204035003U的专利申请文献设置；第一超声换能器结构与第二超声换能器的结构相同。

本发明实施例中，采用升降支撑装置时，升降支撑装置横梁11通过套筒与升降支撑装置支柱9滑动连接，升降支撑装置横梁11的一端装配在包括升降支撑装置螺杆10和升降支撑装置手轮66的手动升降装置上，升降支撑装置手轮66和升降支撑装置螺杆10之间装配有锥齿轮；升降支撑装置支柱9底部固定在升降支撑装置底座20上；进行升降操作时，通过升降支撑装置手轮66转动，使与升降支撑装置手轮66装配在一起的锥齿轮转动，锥齿轮沿升降支撑装置螺杆10(丝杠)升降，带动升降支撑装置横梁11沿升降支撑装置支柱9上下移动；进行水平位置调节时，移动升降支撑装置滑块18调节两个超声辐射杆的间距。

本发明实施例中，采用变角度支撑装置进时，变角度支撑装置横梁27固定在两个变角度支撑装置支柱23上，变角度支撑装置支柱23底部固定在变角度支撑装置底座21上；进行升降操作时，通过驱动电机28带动锥齿轮29旋转，使变角度支撑装置螺杆26升降，带动轴承30升降，从而带动连杆22和支杆24沿导向杆25上下移动，调节两个超声辐射杆的水平高度；进行水平位置调节时，移动变角度支撑装置滑块31沿燕尾槽34滑动，进而调节两个超声辐射杆的间距；进行角度调节操作时，通过旋转变角度支撑装置手轮32，使棘轮33旋转，达到所需角度后被棘爪36定位，从而使每个固定架35带动各自连接的超声换能器转动，使两个超声辐射杆形成所需角度。

本发明实施例中通过保护气环形管上的出气孔直径8～16mm，保护气环形管的内径20～40mm，喷吹保护气体时，保护气体的流速为4～6m/s，保护气环形管内的气压为0.2～0.8MPa。

本发明实施例中的超声波导杆和超声辐射杆均为市购产品。

本发明实施例中的数值模拟软件为COMSOL。

本发明实施例中观测金相组织采用的设备为OLYMPUS X53。

本发明实施例中第一超声辐射杆和第二超声辐射杆的前端面涂覆有ZrO₂涂层，用于延长辐射杆使用寿命。

本发明实施例中，镁合金熔体通过移液管输送到中间包时，通过向熔炼炉内封闭加压，将镁合金熔体经移液管压入中间包内。

本发明实施例中的AZ系镁合金采用的示例牌号为AZ80镁合金或AZ31镁合金，ZK系镁合金采用的示例牌号为ZK60镁合金，RE系镁合金采用的示例牌号为Mg-Sm镁合金。

本发明实施例中，通过结晶器顶部的保护气环形管向结晶器的顶部持续喷吹保护气体；通过结晶器布油系统向结晶器内套的内壁润滑油；保护气体为CO₂和SF₆的混合气体，其中CO₂的体积百分比70～85％。

本发明实施例中的预热时间为温度达到预热目标温度后保持的时间。

本发明实施例的方法流程如图9所示。

实施例1

组频超声镁合金半连续铸造装置结构如图1和图2所示，包括熔炼炉7、中间包16和结晶器5，熔炼炉7和中间包16之间设有移液管8，中间包16和结晶器5之间设有溜槽17；

结晶器5顶部设有保护气环形管6，保护气环形管6的内部通过管道与保护气源连通，保护气环形管6上设有出气孔，出气孔朝向结晶器轴线方向；

中间包内设有第一超声发生装置和第二超声发生装置，第一超声发生装置由第一超声辐射杆14、第一超声波导杆13和第一超声换能器12组成，第二超声发生装置与第一超声发生装置结构相同，第一超声换能器12和第二超声换能器分别连接第一超声发生器和第二超声发生器；

第一超声辐射杆14和第二超声辐射杆的前端面均位于中间包16内部；第一换能器12和第二换能器与支撑装置装配在一起；

支撑装置为升降支撑装置，由升降支撑装置滑块18、升降支撑装置横梁11和升降装置组成，两个升降支撑装置滑块18分别固定有一个换能器固定板15，两个换能器固定板15分别与第一超声换能器12和第二超声换能器固定连接，两个升降支撑装置滑块18套在一个升降支撑装置横梁11外，升降支撑装置横梁11与升降装置装配在一起；

两个超声换能器为压电陶瓷换能器，结构如图7(b)所示，包括压电陶瓷换能器箱体59、金属膜片62和钛酸压电陶瓷材料63，压电陶瓷换能器箱体59上设有换能器进气口58和换能器出气口64用于流通冷却气体，钛酸压电陶瓷材料63的上下两个端面分别连接一个金属膜片62，两个金属膜片62分别与一个压电陶瓷换能器电缆61的一端连接，两个压电陶瓷换能器电缆61的另一端分别与超声发生器的两极连接；

第一超声换能器12和第二超声换能器分别通过航空接头连接器连接第一波导杆13和第二波导杆；第一波导杆13和第二波导杆分别通过螺纹连接第一超声辐射杆14和第二超声辐射杆；

中间包16内部空间为倒置的圆台状，该圆台状的侧壁倾角为10°；

中间包结构如图5所示，包括中间包炉体38，顶部设有中间包包盖19，中间包炉体38内壁上设有中间包内衬39，外壁包覆有保温套37，中间包炉体38下部的中间包水口上设置有控流阀65；中间包包盖19结构如图5右图所示，由两部分组成，其中一部分材质为石棉，称为石棉包盖部分40，另一部分材质为钢化玻璃用于观测中间包内部情况，称为钢化玻璃包盖部分41；中间包包盖19材质为石棉的部分设有进料口与移液管8装配在一起；

第一超声辐射杆14和第二超声辐射杆的前端面涂覆有ZrO₂涂层；

结晶器结构如图6所示，包括内套44、外套48、底板49、封水板50和顶板46；内套44顶部设有布油装置43，底部设有二冷水出水口54；外套48的侧壁上设有结晶器进水口4；结晶器6下方设有引锭头1；引锭头1与内套44的内壁之间的缝隙填充有石棉42；内套44上方与顶板46密封连接，下方与封水板50密封连接；外套48的上方与顶板46密封连接，下方与底板49的外部密封连接；底板49的内部与封水板50密封连接；内套44和外套48之间的空间为冷却水腔45；

熔炼炉7和移液管8外壁均设有保温装置，并装配有热电偶用于测温；

方法为：

制备镁合金铸锭；

在熔炼炉中熔炼镁合金熔体，镁合金熔体经搅拌均匀后，扒渣处理，向熔体洒入二号熔剂进行精炼，精炼结束后再静置10min，此时镁合金熔体的温度为镁合金液相线以上40℃；

将中间包、移液管、第一超声辐射杆和第二超声辐射杆进行预热，预热至温度为镁合金液相线以上40℃，预热时间30min；通过向换能器箱体内通入冷却气体空气，控制压电陶瓷换能器的温度≤40℃；

将镁合金熔体通过移液管输送到中间包内，两个超声辐射杆的轴线平行；然后开启第一超声发生器和第二超声发生器，两超声波发生器产生的交流电信号分别经两个超声换能器转换为相应的机械振动，经两个超声波导杆传输到两个超声辐射杆，并通过两个超声辐射杆发射超声波，组合形成组频超声波，施加到镁合金熔体中；第一超声辐射杆和第二超声辐射杆发射超声波的频率分别为15kHz和20kHz；当中间包内的镁合金熔体体积达到中间包容积的70％以上时，开启第一超声发生器和第二超声发生器，此时第一辐射杆和第二辐射杆的底端位于液面下方50mm；

将引锭头插入结晶器内，在引锭头与结晶器的内套内壁之间的间隙用石棉填充；向结晶器的冷却水腔通入冷却水，并且冷却水从二冷水出水口排出；

当对镁合金熔体施加的组频超声波时间达到2min时，开启中间包的控流阀，将中间包内的镁合金熔体经溜槽输送到结晶器内，进行半连续铸造，直至制成镁合金铸锭。

实施例2

装置结构同实施例1，不同点在于：

(1)支撑装置为变角度支撑装置，结构如图3和图4所示，包括变角度支撑装置横梁27、导向杆25、升降装置和角度调节装置；升降装置的驱动电机28固定在变角度支撑装置横梁27，与驱动电极28装配在一起的变角度支撑装置螺杆26穿过变角度支撑装置横梁27并与变角度支撑装置横梁27通过螺纹连接，变角度支撑装置螺杆26底部通过轴承30与两个连杆22的一端连接；每个连杆22的另一端固定有一个带燕尾槽34的支杆24，燕尾槽34中设有水平通道用于轮轴水平移动；两个导向杆25分别穿过一个连杆22并与该连杆22滑动连接；两个变角度支撑装置滑块31分别与一个燕尾槽34滑动连接，每个变角度支撑装置滑块31上固定有一个棘爪36，与每个棘爪36相配合的一个棘轮33套在轮轴上，每个轮轴分别穿过一个变角度支撑装置滑块31和水平通道，并与该变角度支撑装置滑块31滑动连接，每个轮轴的另一端固定有变角度支撑装置手轮32；每个棘轮33的下部与一个固定架35固定连接；两个固定架35分别与第一换能器12和第二换能器固定连接；连杆22、支杆24、变角度支撑装置滑块31、变角度支撑装置手轮32、棘轮33和棘爪36构成角度调节装置；

(2)超声换能器为磁致伸缩换能器，结构如图7(a)所示，包括磁致伸缩换能器箱体53和铁化铽磁致伸缩材料57，磁致伸缩换能器箱体53上设有换能器进水口52和换能器出水口55用于流通冷却水；磁致伸缩换能器电缆56依次缠绕在铁化铽磁致伸缩材料57的各伸缩杆上，磁致伸缩换能器电缆56的两端通过磁致伸缩换能器电缆接口54分别与超声发生器的两极连接；

(3)中间包内部空间为倒置的圆台状，该圆台状的侧壁倾角为5°；

方法同实施例1，不同点在于：

(1)制备镁合金铸锭；

(2)精炼结束后再静置15min，此时镁合金熔体的温度为镁合金液相线以上30℃；

(3)中间包、移液管、第一超声辐射杆和第二超声辐射杆预热至镁合金熔体相同温度；预热前先将第一超声辐射杆和第二超声辐射杆通过角度调节装置调整至夹角30°，且两个超声辐射杆的轴线交点位于两个超声辐射杆的下方，然后预热，再通过升降装置插入中间包内；

(4)将预热后的第一超声辐射杆和第二超声辐射杆通过升降装置插入中间包内；第一超声辐射杆和第二超声辐射杆进行预热时，通过红外线测温枪测温；通过向换能器箱体内通入冷却水，控制磁致伸缩换能器的温度≤40℃；

(5)第一超声辐射杆和第二超声辐射杆发射超声波的频率分别为20kHz和35kHz；第一辐射杆和第二辐射杆的底端位于液面下方20mm；

对单个辐射杆发射超声波形成的单频声压与上述组频超声的声压进行对比，结果如图10所示，可见组频超声带来的声压波动更为明显；

采用数值模拟软件对空化区域进行分析，结果如图11所示，由图可见，相较单频超声场，组频超声场所产生的空化范围更大，作用范围更广；

将制成的镁合金铸锭取样进行测试其金相组织如图12(d)所示；采用不施加超声波的方式，重复上述实验，获得的镁合金铸锭的金相组织如图12(a)所示；采用施加单个超声波的方式，超声波频率15kHz和20kHz，重复上述实验，获得的镁合金铸锭的金相组织如图12(b)和图12(c)所示；由图可见，组频超声施加方法下的组织晶粒更为均匀、细小，还大幅度减少铸锭柱状晶区；

上述四种方法获得的镁合金铸锭进行抗拉强度测试，结果如图13所示。

实施例3

装置结构同实施例1，不同点在于：

超声换能器结构如图8(b)所示，每个换能器箱体内设置两套钛酸压电陶瓷材料；

方法同实施例1，不同点在于：

(1)制备镁合金铸锭；

(2)镁合金熔体的温度为镁合金液相线以上50℃；

(3)中间包、移液管、第一超声辐射杆和第二超声辐射杆预热至镁合金熔体相同温度；

(4)第一超声辐射杆和第二超声辐射杆发射超声波的频率分别为30kHz和35kHz；第一辐射杆和第二辐射杆的底端位于液面下方30mm。

实施例4

装置结构同实施例2，不同点在于：

超声换能器结构如图8(a)所示，每个换能器箱体内设置两套钛酸压电陶瓷材料；

方法同实施例2，不同点在于：

(1)制备镁合金铸锭；

(2)镁合金熔体的温度为镁合金液相线以上70℃；

(3)中间包、移液管、第一超声辐射杆和第二超声辐射杆预热至镁合金熔体相同温度；预热前先将第一超声辐射杆和第二超声辐射杆通过角度调节装置调整至夹角10°；

(4)第一超声辐射杆和第二超声辐射杆发射超声波的频率分别为45kHz和100kHz；第一辐射杆和第二辐射杆的底端位于液面下方35mm。

Claims (7)

1.一种组频超声镁合金半连续铸造装置，包括熔炼炉、中间包和结晶器，熔炼炉和中间包之间设有移液管，中间包和结晶器之间设有溜槽；结晶器顶部设有保护气环形管，保护气环形管的内部通过管道与保护气源连通，保护气环形管上设有出气孔，出气孔朝向结晶器轴线方向；其特征在于：中间包内设有第一超声发生装置和第二超声发生装置，第一超声发生装置由第一超声辐射杆、第一超声波导杆和第一超声换能器组成，第二超声发生装置由第二超声辐射杆、第二超声波导杆和第二超声换能器组成，第一超声换能器和第二超声换能器分别连接第一超声发生器和第二超声发生器；第一超声辐射杆和第二超声辐射杆的前端面均位于中间包内部；第一换能器和第二换能器与支撑装置装配在一起；所述的支撑装置为升降支撑装置或变角度支撑装置；升降支撑装置由滑块、横梁和升降装置组成，两个滑块分别与第一超声换能器和第二超声换能器固定连接，两个滑块套在一个横梁外，横梁与升降装置装配在一起；变角度支撑装置包括横梁、导向杆、升降装置和角度调节装置；升降装置的驱动电机固定在横梁上，与驱动电极装配在一起的螺杆穿过横梁并与横梁通过螺纹连接，并且螺杆底部通过轴承与两个连杆的一端连接；每个连杆的另一端固定有一个带燕尾槽的支杆，燕尾槽中设有水平通道用于轮轴水平移动；两个导向杆分别穿过一个连杆并与该连杆滑动连接；两个滑块分别与一个燕尾槽滑动连接，每个滑块上固定有一个棘爪，与每个棘爪相配合的一个棘轮套在轮轴上，每个轮轴分别穿过一个滑块和水平通道，并与该滑块滑动连接，每个轮轴的另一端固定有手轮；每个棘轮的下部与一个固定架固定连接；两个固定架分别与第一换能器和第二换能器固定连接；连杆、支杆、滑块、手轮、棘轮和棘爪构成角度调节装置。

2.根据权利要求1所述的一种组频超声镁合金半连续铸造装置，其特征在于所述的超声换能器为压电陶瓷换能器或磁致伸缩换能器；压电陶瓷换能器包括换能器箱体、金属膜片和钛酸压电陶瓷材料，换能器箱体上设有进气口和出气口用于流通冷却气体，钛酸压电陶瓷材料的上下两个端面分别连接一个金属膜片，两个金属膜片分别通过电缆与超声发生器的两极连接；磁致伸缩换能器包括换能器箱体和铁化铽磁致伸缩材料，换能器箱体上设有进水口和出水口用于流通冷却水，铁化铽磁致伸缩材料的前后两端分别通过电缆与超声发生器的两极连接。

3.根据权利要求1所述的一种组频超声镁合金半连续铸造装置，其特征在于所述的中间包内部空间为倒置的圆台状，该圆台状的侧壁倾角为3°～10°。

4.根据权利要求1所述的一种组频超声镁合金半连续铸造装置，其特征在于所述的中间包包括炉体和包盖，炉体内壁上设有内衬，外壁包覆有保温套，炉体下部的中间包水口上设置有控流阀；包盖由两部分组成，其中一部分材质为石棉，另一部分材质为钢化玻璃用于观测中间包内部情况；包盖材质为石棉的部分设有进料口与移液管装配在一起。

5.一种组频超声镁合金半连续铸造方法，其特征在于采用权利要求1所述的装置，按以下步骤进行：

(1)在熔炼炉中熔炼镁合金熔体，镁合金熔体经搅拌均匀后，扒渣处理，向熔体洒入二号熔剂进行精炼，精炼结束后再静置10～15min，此时镁合金熔体的温度为镁合金液相线以上30～80℃；

(2)将中间包、移液管、第一超声辐射杆和第二超声辐射杆进行预热，预热至温度为镁合金液相线以上30～80℃，预热时间30min以上；将预热后的第一超声辐射杆和第二超声辐射杆通过升降装置插入中间包内，或者先将第一超声辐射杆和第二超声辐射杆通过角度调节装置调整至夹角10°～30°，且两个超声辐射杆的轴线交点位于两个超声辐射杆的下方，然后预热，再通过升降装置插入中间包内；

(3)将镁合金熔体通过移液管输送到中间包内；然后开启第一超声发生器和第二超声发生器，两超声波发生器产生的交流电信号分别经两个超声换能器转换为相应的机械振动，经两个超声波导杆传输到两个超声辐射杆，并通过两个超声辐射杆发射超声波，组合形成组频超声波，施加到镁合金熔体中；其中两个超声辐射杆发射超声波的频率为15～300kHz，并且两个超声辐射杆发射的超声波频率差在1～60kHz；

(4)将引锭头插入结晶器内，在引锭头与结晶器的内套内壁之间的间隙用石棉填充；向结晶器的冷却水腔通入冷却水，并且冷却水从二冷水出水口排出；

(5)当对镁合金熔体施加的组频超声波时间达到或超过2min时，开启中间包的控流阀，将中间包内的镁合金熔体经溜槽输送到结晶器内，进行半连续铸造，直至制成镁合金铸锭。

6.根据权利要求5所述的一种组频超声镁合金半连续铸造方法，其特征在于步骤(3)中，当中间包内的镁合金熔体体积达到中间包容积的70％以上时，开启第一超声发生器和第二超声发生器，此时第一辐射杆和第二辐射杆的底端位于液面下方20～50mm。

7.根据权利要求5所述的一种组频超声镁合金半连续铸造方法，其特征在于步骤(3)中，当开启第一超声发生器和第二超声发生器时，且当超声换能器为压电陶瓷换能器时，通过向换能器箱体内通入冷却气体空气，控制压电陶瓷换能器的温度≤40℃；当开启第一超声发生器和第二超声发生器时，且当超声换能器为磁致伸缩换能器时，通过向换能器箱体内通入冷却水，控制磁致伸缩换能器的温度≤40℃。