CN110216251A - 一种施加组频超声进行镁合金半连续铸造的装置及方法 - Google Patents

Abstract

一种施加组频超声进行镁合金半连续铸造的装置及方法，包括中间包，中间包侧壁或底板上固定有第一超声发生装置，中间包内设有第二超声发生装置，两个超声发生装置的超声辐射杆前端面位于中间包内；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；(3)精炼后的镁合金熔体输送到中间包；开启两个超声发生器，通过两个超声辐射杆发射超声波，形成组频超声波施加到镁合金熔体；(4)开启结晶器；(5)组频超声波施加完成后，开启控流阀，镁合金熔体进入结晶器内进行半连续铸造。本发明的装置及方法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。

Description

一种施加组频超声进行镁合金半连续铸造的装置及方法

技术领域

本发明属于轻合金冶炼领域，特别涉及一种施加组频超声进行镁合金半连续铸造的装置及方法。

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。

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；由于单一超声场的声波叠加效果有限，造成空化强度受限，因此组合频率超声场通过控制两列声波的频率、组频超声插入方式、超声波功率大小以增加熔体中声波耦合强度，从而在半连续铸造中得到高强、细晶、均质的镁合金铸锭。

发明内容

本发明目的在于提供一种施加组频超声进行镁合金半连续铸造的装置及方法，采用两个超声发生装置，通过引入组频超声场，改变超声辐射杆的插入方式，调整超声频率、功率，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。

本发明的施加组频超声进行镁合金半连续铸造的装置包括熔炼炉、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；其中中间包的侧壁或底板上固定有第一超声发生装置，并且中间包内设有第二超声发生装置，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，第一超声辐射杆位于第二超声辐射杆的下方；当中间包的侧壁上固定有第一超声发生装置时，第一超声辐射杆与第二超声辐射杆的轴线垂直；当中间包的底板上固定有第一超声发生装置时，第一超声辐射杆与第二超声辐射杆的轴线重合；第二换能器固定在滑块上，滑块套在横梁外，横梁与升降装置装配在一起；滑块、横梁、升降装置组成超声支撑装置。

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，电缆依次缠绕在铁化铽磁致伸缩材料的各伸缩杆上，电缆的两端分别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。

本发明的施加组频超声进行镁合金半连续铸造的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；将预热后的第二超声辐射杆插入中间包内；

3、将精炼后的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，超声波能力分别经两个超声换能器和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，此时第一辐射杆位于镁合金熔体内，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，所述的镁合金铸锭的直径其中，当制备的镁合金铸锭的直径时，采用的施加组频超声进行镁合金半连续铸造的装置中，中间包的侧壁上固定有第一超声发生装置，第一超声辐射杆位于第二超声辐射杆下方，第一超声辐射杆和第二超声辐射杆的垂直间距为50～100mm；当制备的镁合金铸锭的直径时，采用的种施加组频超声进行镁合金半连续铸造的装置中，中间包的底板上固定有第一超声发生装置，第一超声辐射杆位于第二超声辐射杆下方，第一超声辐射杆和第二超声辐射杆的垂直间距为100mm以上。

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，通过增加辐射杆数量及施加方式，调节两列声波的频率f、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。

本发明的装置及方法可通过改变超声杆的空间分布，调整两列超声波的频率、功率大小，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；可实现组频超声(n≥2)的同时作用；采用磁致伸缩换能器用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；中间包内部为倒置的圆台状，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；保温套可减少中间包内镁合金熔体热量的散失。

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是本发明实施例中施加组频超声进行镁合金半连续铸造的方法流程示意图；

图2是本发明实施例中施加组频超声进行镁合金半连续铸造的装置结构示意图；

图3是图1中的结晶器结构示意图；

图4是本发明实施例1中的中间包部分结构示意图；

图5是本发明实施例2中的中间包部分结构示意图；

图6是本发明实施例中的中间包的包盖俯视结构示意图；

图7是本发明实施例1和2中的第二超声换能器结构示意图；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中的第二超声换能器结构示意图；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、结晶器，3、保护气环形管，4、溜槽，5、熔炼炉，6、横梁，7、换能器固定板，8、移液管，9、滑块，10、第二超声波换能器，11、第二超声波导杆，12、第二超声波辐射杆，13、支柱，14、螺杆，15、手轮，16、底座，17、中间包，18、石棉，19、布油装置，20、内套，21、冷却水腔，22、顶板，23、结晶器进水口，24、外套，25、底板，26、封水板，27、二冷水出水口，28、中间包内衬，29、中间包炉体，30、保温套，31、第一超声波辐射杆，32、第一超声波导杆，33、第一超声波换能器，34、控流阀，35、石棉包盖部分，36、钢化玻璃包盖部分，37、换能器进水口，38、磁致伸缩换能器箱体，39、磁致伸缩换能器电缆接口，40、换能器出水口，41、磁致伸缩换能器电缆，42、铁化铽磁致伸缩材料，43、换能器进气口，44、压电陶瓷换能器箱体，45、压电陶瓷换能器电缆接口，46、压电陶瓷换能器电缆，47、金属膜片，48、钛酸压电陶瓷材料，49、换能器出气口；

图9是本发明实施例中制备的镁合金铸锭的拉伸试样取样位置示意图；

图10是本发明实施例1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11是本发明实施例1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15kHz单频超声，(c)为组频超声；

图12是本发明实施例1中不同方式制备的镁合金铸锭的抗拉强度对比图；

图13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15kHz单频超声，(c)为组频超声；

图14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；

本发明实施例中换能器固定板焊接固定在滑块上。

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。

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。

本发明实施例中的横梁6通过套筒与支柱13滑动连接，横梁6的一端装配在包括螺杆14和手轮15的手动升降装置上，手轮15和螺杆14之间装配有锥齿轮；支柱13底部固定在底座16上；进行升降操作时，通过手轮15转动，使与手轮15装配在一起的锥齿轮转动，锥齿轮沿螺杆14(丝杠)升降，带动横梁6沿支柱13上下移动。

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1所示。

实施例1

施加组频超声进行镁合金半连续铸造的装置结构如图2所示，包括熔炼炉5、中间包17和结晶器2，熔炼炉5和中间包17之间设有移液管8，中间包17和结晶器2之间设有溜槽4；结晶器2顶部设有保护气环形管3，保护气环形管3的内部通过管道与保护气源连通，保护气环形管3上设有出气孔，出气孔朝向结晶器轴线方向；

中间包结构如图4所示，侧壁上固定有第一超声发生装置，并且中间包内设有第二超声发生装置，第一超声发生装置由第一超声辐射杆31、第一超声波导杆32和第一超声换能器33组成，第二超声发生装置由第二超声辐射杆12、第二超声波导杆11和第二超声换能器10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31和第二超声辐射杆12的前端面均位于中间包内部，第一超声辐射杆31位于第二超声辐射杆12的下方；

第一超声辐射杆31与第二超声辐射杆12的轴线垂直；

第二换能器10固定在换能器固定板7上，换能器固定板7固定在滑块9上，滑块9套在横梁6外，横梁6与升降装置装配在一起；滑块9、横梁6、升降装置组成超声支撑装置；

超声换能器为磁致伸缩换能器，结构如图7(a)所示；磁致伸缩换能器包括磁致伸缩换能器箱体38和铁化铽磁致伸缩材料42，磁致伸缩换能器箱体38上设有换能器进水口37和换能器出水口40用于流通冷却水，磁致伸缩换能器电缆41依次缠绕在铁化铽磁致伸缩材料42的各伸缩杆上，磁致伸缩换能器电缆41的两端通过磁致伸缩换能器电缆接口39分别与超声发生器的两极连接；

第一超声换能器33和第二超声换能器10分别通过航空接头连接器连接第一波导杆32和第二波导杆11；第一波导杆32和第二波导杆11分别通过螺纹连接第一超声辐射杆31和第二超声辐射杆12；

中间包内部空间为倒置的圆台状，侧壁倾角3°～10°；

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；

中间包包括中间包炉体29和包盖，中间包炉体29内壁上设有中间包内衬28，外壁包覆有保温套30，中间包炉体29下部的中间包水口上设置有控流阀34；

包盖结构如图6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35，另一部分材质为钢化玻璃，称为钢化玻璃包盖部分36，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8装配在一起；

结晶器2结构如图3所示，包括内套20、外套24、底板25、封水板26和顶板22；内套20顶部设有布油装置19，底部设有二冷水出水口27；外套24的侧壁上设有进水口22；

结晶器2下方设有引锭头1；引锭头1与内套20的内壁之间的缝隙填充有石棉18；内套20上方与顶板22密封连接，下方与封水板26密封连接；外套24的上方与顶板22密封连接，下方与底板25的外部密封连接；底板25的内部与封水板26密封连接；内套20和外套24之间的空间为冷却水腔21；

熔炼炉5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；其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；将预热后的第二超声辐射杆插入中间包内；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℃；第一超声辐射杆和第二超声辐射杆的垂直间距80mm；

将精炼后的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，超声波能力分别经两个超声换能器和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；两个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，此时第一辐射杆位于镁合金熔体内，第二辐射杆的底端位于液面下方20mm；

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；

将制成的镁合金铸锭取样进行测试，取样位置如图9所示；其金相组织如图11(c)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11(a)所示；采用施加单个超声波的方式，超声波频率15kHz，重复上述实验，获得的镁合金铸锭的金相组织如图11(b)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；

上述三种方法获得的镁合金铸锭进行抗拉强度测试，结果如图12所示；

采用数值模拟软件对空化区域进行分析，结果如图10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；

实施例2

施加组频超声进行镁合金半连续铸造的装置结构同实施例1，不同点在于：

(1)中间包结构如图5所示，底板上固定有第一超声发生装置；

(2)第一超声辐射杆31与第二超声辐射杆12的轴线重合；

(3)超声换能器为压电陶瓷换能器，结构如图7(b)所示；压电陶瓷换能器包括压电陶瓷换能器箱体44、两个金属膜片47和钛酸压电陶瓷材料48，压电陶瓷换能器箱体44上设有换能器进气口43和换能器出气口49用于流通冷却气体，钛酸压电陶瓷材料48的上下两个端面分别连接一个金属膜片47，两个金属膜片47分别与压电陶瓷换能器电缆46的一端连接，两个压电陶瓷换能器电缆46的另一端通过压电陶瓷换能器电缆接口45与超声发生器的两极连接；

(4)中间包内部空间为倒置的圆台状，侧壁倾角8°；

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；

(4)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℃；

(5)第一超声辐射杆和第二超声辐射杆的垂直间距120mm；

(6)第二辐射杆的底端位于液面下方50mm；

取样进行测试方法同实施例1，其金相组织如图13(c)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13(a)所示；采用施加单个超声波的方式，超声波频率20kHz，重复上述实验，获得的镁合金铸锭的金相组织如图13(b)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；

上述三种方法获得的镁合金铸锭进行抗拉强度测试，结构如图14所示。

实施例3

施加组频超声进行镁合金半连续铸造的装置结构同实施例1，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铁化铽磁致伸缩材料；

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；第一超声辐射杆和第二超声辐射杆的垂直间距50mm

(4)两个超声辐射杆发射超声波的频率分别为20kHz和35kHz；第二辐射杆的底端位于液面下方40mm。

实施例4

施加组频超声进行镁合金半连续铸造的装置结构同实施例2，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2，不同点在于：

(1)制备镁合金铸锭；

(2)精炼结束后镁合金熔体的温度为镁合金液相线以上60℃；

(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；第一超声辐射杆和第二超声辐射杆的垂直间距150mm

(4)两个超声辐射杆发射超声波的频率分别为80kHz和140kHz；第二辐射杆的底端位于液面下方30mm。

Claims (8)

1.一种施加组频超声进行镁合金半连续铸造的装置，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：中间包的侧壁或底板上固定有第一超声发生装置，并且中间包内设有第二超声发生装置，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，第一超声辐射杆位于第二超声辐射杆的下方；当中间包的侧壁上固定有第一超声发生装置时，第一超声辐射杆与第二超声辐射杆的轴线垂直；当中间包的底板上固定有第一超声发生装置时，第一超声辐射杆与第二超声辐射杆的轴线重合；第二换能器固定在滑块上，滑块套在横梁外，横梁与升降装置装配在一起；滑块、横梁、升降装置组成超声支撑装置。

2.根据权利要求1所述的一种施加组频超声进行镁合金半连续铸造的装置，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，电缆依次缠绕在铁化铽磁致伸缩材料的各伸缩杆上，电缆的两端分别与超声发生器的两极连接。

3.根据权利要求1所述的一种施加组频超声进行镁合金半连续铸造的装置，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所述的一种施加组频超声进行镁合金半连续铸造的装置，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。

5.一种施加组频超声进行镁合金半连续铸造的方法，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；将预热后的第二超声辐射杆插入中间包内；

(3)将精炼后的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，超声波能力分别经两个超声换能器和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所述的一种施加组频超声进行镁合金半连续铸造的方法，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，此时第一辐射杆位于镁合金熔体内，第二辐射杆的底端位于液面下方20～50mm。

7.根据权利要求5所述的一种施加组频超声进行镁合金半连续铸造的方法，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℃。

8.根据权利要求5所述的一种施加组频超声进行镁合金半连续铸造的方法，其特征在于所述的镁合金铸锭的直径其中，当制备的镁合金铸锭的直径时，采用的施加组频超声进行镁合金半连续铸造的装置中，中间包的侧壁上固定有第一超声发生装置，第一超声辐射杆位于第二超声辐射杆下方，第一超声辐射杆和第二超声辐射杆的垂直间距为50～100mm；当制备的镁合金铸锭的直径时，采用的种施加组频超声进行镁合金半连续铸造的装置中，中间包的底板上固定有第一超声发生装置，第一超声辐射杆位于第二超声辐射杆下方，第一超声辐射杆和第二超声辐射杆的垂直间距为100mm以上。