CN110405171B - 冷却过程可精准匹配调节的电磁半连续铸造装置及方法 - Google Patents

Abstract

冷却过程可精准匹配调节的电磁半连续铸造装置及方法，装置包括结晶器框架、内套、一次冷却水腔、二次冷却水腔和三次冷却水腔；内套外部环绕有一次冷却水腔和二次冷却水腔，一次冷却水腔和二次冷却水腔的出水口上装配有可调球形喷头，三次冷却水腔位于二次冷却水腔下方；方法为：(1)调节喷头角度；(2)引锭头插入内套底部；(3)向一次冷却水腔和二次冷却水腔内通入冷却水，喷射形成一次冷却水和二次冷却水；向内套施加磁场；(4)合金熔体导入内套，启动引锭头开始连铸；(5)通过三次冷却水腔喷射三次冷却水，使铸锭降温至完成连铸。本发明的装置安装拆卸简单，易于维护保养，节省成本；适用于具有不同液穴深度的合金铸造过程。

Description

冷却过程可精准匹配调节的电磁半连续铸造装置及方法

技术领域

本发明属于金属材料制备领域，特别涉及一种冷却过程可精准匹配调节的电磁半连续铸造装置及方法。

技术背景

直冷式(Direct-chill casting，DC)铸造技术是目前生产制备金属圆锭和扁锭坯的主要方式，特别是铝、铜、镁等及其合金，结晶器则是整个合金熔铸过程中的核心部件，它结构是否合理直接影响下游变形加工性能和产品质量是否合格；因此，铸造结晶器工装的开发与制造一直是铸造行业的关键。

随着我国轨道交通、航空航天、通讯电子及军事工业的发展，对大规格、高质量锭坯及大中型结构型材的需求日益增长；但是，采用目前半连续铸造方法制备大规格锭坯不可避免地存在组织粗大不均匀、成分偏析严重和易产生裂纹等问题；此外，对于热裂敏感性较高的合金种类，目前仍无法实现大规格锭坯的制备，如ZK60镁合金、Mg-RE合金(3％≤RE≤15％)、高合金含量的铝合金等；对于Mg-Li合金，传统结晶器结构更是存在冷却水飞溅至高温熔体引起爆炸的风险；造成上述缺陷的主要原因是：现有铸造结晶器冷却系统结构形式单一不可调节，单个结晶器冷却水喷射到锭坯的角度不可变，调整冷却水强度往往是通过调节水量/水压来实现，其调整范围有限；因此，冷却存在由内及外的取向性，铸锭横截面上不同部位温度梯度和冷却速率差异较大，铸锭纵剖面上会形成液穴，使铸锭凝固收缩时的拉应力会产生一个轴向分量，导致初始凝固成型的铸锭发生变形；随着二次冷却强度的增加，铸锭局部冷却不均匀，则会产生表面裂纹，最终导致铸锭开裂。

研究表明，降低铸造初始阶段的冷却强度，可有效抑制应力的产生，铸造稳定阶段增加冷却强度，可以有效细化显微组织、提高铸锭质量。此外，通过施加电磁场可有效减小铸锭内外温差，使液穴熔体温度分布均匀，有效抑制铸造裂纹的产生；中国专利CN101844209A《铝合金铸造用可调节冷却水角度的结晶器》公开了一种可调节二次冷却水角度的铝合金铸造结晶器，但其一次冷却角度不可调，冷却强度调节范围仅限于冷却水量/水压的调节，可调节范围非常有限，而一次冷却对铸锭初始组织的形成和应力状态的形成至关重要；中国专利CN10251238A《一种铝合金半连续铸造冷却强度可变的结晶器》公开了一种通过设置减压腔调节冷却强度的铸造半连续铸造结晶器，避免因二次冷却水压过大导致的冷却水飞溅至高温金属熔体，但其冷却水方向不可调，结晶器适应性差，且结晶器结构复杂；中国专利CN106925736A《一种半连续铸造液穴熔体的电磁处理装置及其工作方法》和CN108405821A《无裂纹大规格镁合金扁锭的铸造装置及方法》均公开了一种电磁熔体处理铸造结晶器，但其冷却强度和冷却水角度均不可调，无法满足高热裂敏感性合金的生产与制备；此外，上述专利公开的结晶器一次冷却和二次冷却均相互关联，其冷却强度无法独立调节，一次、二次冷却协调性差，而一次和二次冷却强度的合理分配对铸锭的显微组织和应力状态至关重要。因此，冷却强度和冷却水方向同时可调的电磁铸造结晶器工装开发与制造是生产和制备高热裂敏感性合金的关键，同时也是金属坯料制备行业亟待解决的问题。

发明内容

针对现有半连续铸造结晶器存在的各种问题，本发明提供一种冷却过程可精准匹配调节的电磁半连续铸造装置及方法，在结晶器内套外设置两个独立的冷却水腔，装配在高度调节装置上，且两个独立的冷却水腔上设置喷头与内套相对；通过调节水腔的位置以及喷头，在半连铸过程中对冷却方式进行精准调节匹配，满足高热裂敏感性合金的生成需要。

本发明的冷却过程可精准匹配调节的电磁半连续铸造装置包括结晶器框架、内套、一次冷却水腔、二次冷却水腔和三次冷却水腔；结晶器框架的顶板上设有中孔，上介板放置在中孔内，内套为筒状且上部的外壁上固定有连接板，内套位于上介板内部且与上介板固定连接；内套外部环绕有一次冷却水腔和二次冷却水腔，一次冷却水腔和二次冷却水腔内部分别设有励磁线圈，一次冷却水腔和二次冷却水腔的出水口上装配有可调球形喷头，可调球形喷头朝向内套方向；一次冷却水腔和二次冷却水腔的外壁上均设有至少2个升降板，各升降板上开设有内螺纹孔，各升降板的内螺纹孔分别与一个丝杠螺纹连接，各丝杠底端固定在下轴承内，下轴承外部固定在结晶器框架的底板上；各丝杠的上部固定在上轴承内，且顶端装配有手轮，上轴承的外部固定在结晶器框架的顶板上；结晶器的顶板和底板通过支杆固定在一起；三次冷却水腔位于二次冷却水腔下方，三次冷却水腔上开设有出水孔朝向内套侧壁或内套下方，三次冷却水腔外壁设有至少2个固定板，固定板上开设有内螺纹孔，底板上装配的螺杆与固定板上的内螺纹孔通过螺纹连接；底板上开设有铸锭通道。

上述装置中，一次冷却水腔和二次冷却水腔分别设有两个以上的进水口，每个进水口分别与一个进水管连通。

上述装置中，一次冷却水腔和二次冷却水腔上的出水口各自分为上下两排，各出水口上的可调球形喷头的内径1～4mm，同一排出水口中相邻两个出水口的间距5～20mm。

上述装置中，上介板由水平环形板和垂直环形板构成一体结构，水平环形板与垂直环形板互相垂直，水平环形板位于垂直环形板的外侧；水平环形板顶面与连接板连接，底面与顶板连接；垂直环形板的螺栓孔与内套上的螺纹孔相对应，垂直环形板通过螺栓与内套固定，垂直环形板位于顶板的内端面和内套外壁之间。

上述装置中，内套的水平截面为圆形或带有圆角的矩形；内套的内壁面与轴线平行，或者与轴线有之间有≤5°的夹角；当内壁面与轴线之间有夹角时，内套内部空间的顶部截面面积小于顶部截面面积；内套的外壁面下部的垂直截面为楔形，垂直截面为楔形的部分位于底板下方。

上述装置中，结晶器框架上共设有4个丝杠，一次冷却水腔和二次冷却水腔上分别设有2个升降板，一次冷却水腔的2个升降板分别与2个丝杠螺纹连接，二次冷却水腔的2个升降板分别与另外2个丝杠螺纹连接；其中与一次冷却水腔的升降板连接的两个丝杠称为一次丝杠，与二次冷却水腔的升降板链接的两个丝杠称为二次丝杠，两个一次丝杠和两个二次丝杠沿结晶器框架的周向交错分布。

上述装置中，一次冷却水腔和二次冷却水腔内的励磁线圈通过线圈压板和螺栓固定；一次冷却水腔和二次冷却水腔的侧壁上分别设有电缆通孔；各励磁线圈所连接的电缆穿过电缆通孔与电源连接。

上述装置中，一次冷却水腔和二次冷却水腔均由水腔外套和水腔盖板组成，水腔外套由外侧壁、内侧壁和水腔底板构成一体结构；水腔盖板覆盖在水腔外套上方并与水腔外套通过螺栓连接，水腔盖板上设有密封槽，水腔盖板和水腔外套之间通过密封垫密封；升降板、进水口和电缆通孔设置在水腔外套的外侧壁上，出水口设置在水腔外套的内侧壁上。

上述装置中，一次冷却水腔和二次冷却水腔的出水口均为内螺纹结构，通过螺纹与可调球形喷头装配在一起。

上述装置中，上轴承和下轴承分别通过轴承固定装置固定在顶板和底板上。

本发明的冷却过程可精准匹配调节的电磁半连续铸造方法是采用上述装置，按以下步骤进行；

1、调节各可调球形喷头的角度；

2、将引锭头插入内套底部；

3、向一次冷却水腔和二次冷却水腔内通入冷却水，然后分别通过一次冷却水腔和二次冷却水腔的可调球形喷头喷射到内套外壁；由一次冷却水腔内喷出的冷却水称为一次冷却水，有二次冷却水腔内喷出的冷却水称为二次冷却水，一次冷却水和二次冷却水均沿内套外壁流向内套下方；通过励磁线圈向内套内部施加磁场；

4、将合金熔体通过溜槽导入内套内，合金熔体受磁场作用，并在内套的冷却作用下逐渐凝固，在内套底部形成糊状熔体和铸锭；当内套内的合金熔体达到设定高度时，启动引锭头使凝固的铸锭向下移动，开始连铸；

5、形成的铸锭底端脱离结晶器内套时，一次冷却水和二次冷却水从内套流向铸锭表面；此时通过三次冷却水腔向内套外壁面或铸锭表面喷射三次冷却水，使铸锭继续降温，直至完成连铸。

上述的步骤1中，调节各可调球形喷头的角度时，采用方向调节装置；所述的方向调节装置由平板和平板上固定的端子组成，端子的排列方式与部分可调球形喷头的排列方式相对应；进行角度调节时，将端子插入可调球形喷头的喷孔内，翻转平板同时一次调节部分可调球形喷头与水平面的夹角。

上述的步骤1中，调节各可调球形喷头的角度时，当可调球形喷头带有延长管时，采用方向调节装置；所述的方向调节装置为带有多个调节孔的平板，调节孔的排列方式与不分可调球形喷头的排列方式相对应；进行角度调节时，将调节孔套在延长管上，翻转平板同时一次调节部分可调球形喷头与水平面的夹角。

上述方法中，当铸锭为圆锭时，单位时间内二次冷却水与一次冷却水的流量比为0.8～1.2；当铸锭为长扁锭时，单位时间内，二次冷却水与一次冷却水的流量比为0.8～1.2，并且单位时间内，窄面的二次冷却水与宽面的二次冷却水的流量比为0.8～1.0，窄面的一次冷却水与宽面的一次冷却水的流量比为0.8～1.0。

上述方法中，连铸时的铸造速度为10～100mm/min。

上述方法中，单位时间内，三次冷却水与一次冷却水的流量比为0.3～0.8。

上述方法中，铸锭为镁合金、铝合金、铜或铜合金。

上述方法中，铸锭为圆锭或长扁锭，其中圆锭的直径300～800mm，长扁锭宽度500～1800mm且宽厚比在1～5之间。

上述方法中，通过转动手轮，使丝杠转动，从而调节一次冷却水腔或二次冷却水腔的高度；当一次冷却水腔和二次冷却水腔的高度为H时，一次冷却水腔的水腔盖板与结晶器框架的顶板之间的高度差为0～0.5H，二次冷却水腔的水腔盖板与一次冷却水腔的水腔底板之间的高度差为0.2～1H。

上述方法中，通过旋转底板上装配的螺杆，调节三次冷却水腔的高度；当铸锭为Mg-Li合金时，控制三次冷却水腔的出水孔朝向内套的外壁面下部，并且三次冷却水腔与二次冷却水腔的垂直间距0～100mm；当铸锭为非Mg-Li合金时，控制三次冷却水腔的出水孔朝向内套的底端下方，并且三次冷却水腔与二次冷却水腔的垂直间距60～200mm。

现有半连续铸造结晶器采用一次与二次冷却相互关联的结构，一次冷却为内套和合金熔体之间的接触换热，二次冷却为冷却水和铸锭表面之间的对流换热，各级冷却无法独立调节，此外，冷却水的强度调节范围及其有限，冷却水方向无法调节；因此，现有结晶器仍无法满足于热裂敏感性较高的合金和Mg-Li合金锭坯的制备；针对上述缺点，本发明采用多级独立冷却，形成独立可调的一次、二次冷却和三次冷却，其中，一次和二次冷却水的强度和方向分别独立可调，水腔内设置有励磁线圈，可产生不同形式的熔体对流震荡效果，三次冷却水腔采用传统冷却方式，高度可调。冷却水可直接喷淋至金属锭坯产生较强的冷却强度，同时亦可喷淋至金属内套，降低其冷却强度。

与现有铸造结晶器相比，本发明采用多级独立调控的冷却水腔，冷却水腔高度、水量大小和冷却水喷淋角度可分别独立调节，适用于多种合金类型锭坯的制备；一次、二次冷却水腔分别设置上下两层冷却水出口，冷却范围增加；冷却水口采用可调球形喷头，冷却水大小和方向可在较大范围内调控；上介板和金属内套组合的装配方式，结合金属内套本身自重，只需较小宽度的法兰即可完成内套的固定和定位，无需采用螺栓连接，安装拆卸简单，易于维护保养，节省成本；一次和二次冷却水腔内分别设置有励磁线圈，可实现单相或差相位磁场的施加，产生不同形式的熔体对流震荡效果；此外，高度可调的结构使本发明适用于具有不同液穴深度的合金铸造过程。

附图说明

图1是本发明实施例1中的冷却过程可精准匹配调节的电磁半连续铸造装置轴侧结构示意图；

图2是本发明实施例1中的冷却过程可精准匹配调节的电磁半连续铸造装置剖面结构示意图；

图3是本发明实施例1中的一次冷却水腔轴侧结构示意图；

图4是图1中内套和上介板部分的轴侧结构示意图；

图5是图1中底板部分的轴侧结构示意图；

图6是本发明实施例中方向调节装置轴侧结构示意图；

图中：1、结晶器框架(顶板部分)，2、第一手轮，3、内套，4、上介板，5、第二手轮，6、第三手轮，7、三次冷却水腔，8、底板，9、二次冷却水腔(包括进水管部分)，10、下轴承固定装置，11、第四手轮，12、一次冷却水腔(包括进水管部分)，13、线圈压板，14、励磁线圈，15、上轴承固定装置，16、丝杠，17、电缆通孔，18、可调球形喷头，19、水腔盖板，20、水腔外套，21、螺栓，22、螺杆，23、平板，24、端子；

图7是本发明实施例1和传统铸造方式分别制备的ZK60长扁锭外观照片图；图中，(a)为实施例1，(b)为传统方式。

图8是本发明实施例2中圆锭的宏观组织金相照片图；

图9是本发明实施例3中圆锭表面车削后的外观照片图；

具体实施方式

本发明实施例中内套材质为紫铜、6061铝合金、6063铝合金、6082铝合金、钛合金或奥氏体不锈钢。

本发明实施例中一次冷却水腔和二次冷却水腔的高度H相同，H＝80～140mm。

本发明实施例中内套高度220～500m；除楔形部分和连接板以外，厚度8～30mm。

本发明实施例中内套材质为紫铜时，内壁面镀有厚度0.04～0.16mm的镀铬层。

本发明实施例中上介板厚度3～8mm。

本发明实施例中上介板的螺栓孔直径8～10mm，相邻两个螺栓孔的间距100～400mm。

本发明实施例中可调球形喷头为市购产品，内径1～4mm。

本发明实施例中可调球形喷头与水平面夹角≤60°(朝上或朝下)。

本发明实施例中同一排可调球形喷头中，相邻两个可调球形喷头的间距5～20mm。

本发明实施例中可调球形喷头与内套的水平间距10～40mm.

本发明实施例中的励磁线圈采用螺线管线圈、克莱姆绕组线圈或齿形绕组线圈。

本发明实施例中的励磁线圈采用的电磁线为厚2～4mm、宽2～10mm的双层聚酰亚胺-氟46复合薄膜包扁铜线，或者为直径为2～5mm的圆形水泵线。

本发明实施例中一次冷却水腔和二次冷却水腔的励磁线圈通入的电流为相同电流或者有相位角差的电流；其中相位角差为60°、90°或120°。

本发明实施例中的三次冷却水腔为管道式结构，管道的横截面为圆形或矩形，壁厚2～6mm，截面积700～5000mm²，材质为钢；三次冷却水腔上的出水孔为孔径1～4mm的圆孔，或与圆孔截面积相等的矩形孔；三次冷却水腔上的出水孔沿内套的周向排成一排，相邻两个出水孔的间距5～20mm。

本发明实施例中，一次冷却水腔的上下两排出水口的垂直间距80～140mm，二次冷却水腔上的上下两排出水口的垂直间距80～140mm。

本发明实施例中，一次冷却水腔的上排出水口与一次冷却水腔顶面的垂直间距5～20mm，一次冷却水腔的下排出水口与一次冷却水腔底面的垂直间距5～20mm；二次冷却水腔的上排出水口与二次冷却水腔顶面的垂直间距5～20mm，二次冷却水腔的下排出水口与二次冷却水腔底面的垂直间距5～20mm。

本发明的方法中，当铸锭材质为热裂敏感性较高的合金时，二次冷却水腔的水腔盖板和一次冷却水腔的水腔底板之间的高度差为0.7～1H。

本发明实施例中，调节一次冷却水腔和二次冷却水腔的可调球形喷头的角度时，控制可调球形喷头的轴线与水平面夹角≤60°。

本发明的方法中，当铸锭材质为热裂敏感性较高的合金时，一次冷却水腔的可调球形喷头的轴线与水平面夹角≤30°，二次冷却水腔的可调球形喷头的轴线与水平面夹角在30°～60°之间。

本发明的方法中，根据液穴深度以及液穴边部的凝固壳厚度，对可调球形喷头的角度进行调节；当液穴深度大于所需深度时，或者当液穴边部的凝固壳厚度大于所需厚度时，将可调球形喷头的角度向下调节，以降低液穴上方的熔体降温速度，增加液穴下方的散热，从而降低液穴深度，或者减少液穴边部的凝固壳厚度。

本发明实例中励磁线圈采用螺线管线圈绕组，工作时的电磁条件为：电流60～150A，频率15～25Hz，占空比20～30％。

本发明的方法中，当铸锭为铝合金或镁合金时，铸造过程中熔体和内套之间的润滑剂为润滑油；当铸锭为铜或铜合金时，铸造过程中熔体和内套之间的润滑剂采用碳粉，同时起到防止氧化的作用。

本发明的方法中，铸造结束后通过上介板上的吊孔将内套和上介板一同吊起，不需复杂的配合结构，拆装简单，便于冷却水腔和金属内套的维修和保养。

本发明的方法中，连铸时的铸造速度为10～100mm/min。

实施例1

冷却过程可精准匹配调节的电磁半连续铸造装置轴侧结构如图1所示，剖面结构如图2所示，包括结晶器框架1、内套3、一次冷却水腔12、二次冷却水腔9和三次冷却水腔7；

结晶器框架1的顶板上设有中孔，上介板4放置在中孔内，内套3为筒状且上部的外壁上固定有连接板，内套3和上介板4部分的轴侧结构如图4所示，内3套位于上介板4内部且与上介板4固定连接；

内套3外部环绕有一次冷却水腔12和二次冷却水腔9，一次冷却水腔12和二次冷却水腔9内部分别设有励磁线圈14；

一次冷却水腔12和二次冷却水腔9的结构相同，如图3所示，冷却水腔的出水口上装配有可调球形喷头18，可调球形喷头18朝向内套3方向；一次冷却水腔12和二次冷却水腔9的外壁上均设有2个升降板，各升降板上开设有内螺纹孔，各升降板的内螺纹孔分别与一个丝杠16螺纹连接，各丝杠16底端固定在下轴承内，下轴承外部通过下轴承固定装置10固定在结晶器框架的底板8上；

各丝杠16的上部固定在上轴承内，且顶端装配有手轮，上轴承的外部通过上轴承固定装置固定在结晶器框架的顶板上；

结晶器的顶板和底板8通过支杆固定在一起；

三次冷却水腔7位于二次冷却水腔9下方，三次冷却水腔7上开设有出水孔朝向内套3侧壁或内套3下方，三次冷却水腔7外壁设有6个固定板，固定板上开设有内螺纹孔，底板8上装配的螺杆22与固定板上的内螺纹孔螺纹连接；底板8上开设有铸锭通道，结构如图5所示；

一次冷却水腔12和二次冷却水腔9分别设有两个进水口，每个进水口分别与一个进水管连通；

一次冷却水腔12和二次冷却水腔9上的出水口各自分为上下两排，同一排出水口中相邻两个出水口的间距5～20mm；

上介板4由水平环形板和垂直环形板构成一体结构，水平环形板与垂直环形板互相垂直，水平环形板位于垂直环形板的外侧；水平环形板顶面与连接板底面连接，底面与顶板顶面连接；垂直环形板的螺栓孔与内套上的螺纹孔相对应，垂直环形板通过螺栓21与内套固定，垂直环形板位于顶板的中孔内端面和内套3外壁之间；

内套3的水平截面为带有圆角的矩形；内套3的内壁面与轴线平行；内套3的外壁面下部的垂直截面为楔形，垂直截面为楔形的部分位于底板8下方；

结晶器框架上共设有4个丝杠16，4个丝杠16的顶端装配的手轮分别为第一手轮2、第二手轮5、第三手轮6和第四手轮11，一次冷却水腔12和二次冷却水腔9上分别设有2个升降板，一次冷却水腔12的2个升降板分别与2个丝杠16螺纹连接，二次冷却水腔的2个升降板分别与另外2个丝杠16螺纹连接；第一手轮2、第二手轮5、第三手轮6和第四手轮11沿结晶器框架的周向分布，且第一手轮2和第三手轮6装配在一次冷却水腔12所连接的2个丝杠16上，第二手轮5和第四手轮11装配在二次冷却水腔9所连接的2个丝杠16上；

一次冷却水腔12和二次冷却水腔9内的励磁线圈14分别通过线圈压板13和螺栓固定；一次冷却水腔12和二次冷却水腔9的侧壁上分别设有电缆通孔17；各励磁线圈14所连接的电缆穿过电缆通孔17与电源连接；

一次冷却水腔12和二次冷却水腔9均由水腔外套20和水腔盖板19组成，水腔外套20由外侧壁、内侧壁和水腔底板构成一体结构；水腔盖板19覆盖在水腔外套20上方并与水腔外套20通过螺栓连接，水腔盖板19上设有密封槽，水腔盖板19和水腔外套20之间通过密封垫密封；升降板、进水口和电缆通孔17设置在水腔外套20的外侧壁上，出水口设置在水腔外套20的内侧壁上；

一次冷却水腔12和二次冷却水腔9的出水口均为内螺纹结构，通过螺纹与可调球形喷头装配在一起；

制备的铸锭为ZK60镁合金长扁锭，厚度225mm，宽度500mm，长度5000mm，宽厚比2.22；示例成分按质量百分比含Zn 5.5％，Zr 0.45％，Fe<0.001％，其余为镁；

方法为：

调节各可调球形喷头的角度，采用方向调节装置；所述的方向调节装置结构如图6所示，由平板23和多个平板上固定的端子24组成，各端子的排列方式与部分可调球形喷头的排列方式相对应；进行角度调节时，将端子插入可调球形喷头的喷孔内，翻转平板同时一次调节部分可调球形喷头与水平面的夹角；平板23上还设有多个调节孔，用于调节带有延长管的可调球形喷头带有延长管；

将引锭头插入内套底部；

向一次冷却水腔和二次冷却水腔内通入冷却水，然后分别通过一次冷却水腔和二次冷却水腔的可调球形喷头喷射到内套外壁；由一次冷却水腔内喷出的冷却水称为一次冷却水，有二次冷却水腔内喷出的冷却水称为二次冷却水，一次冷却水和二次冷却水均沿内套外壁流向内套下方；通过励磁线圈向内套内部施加磁场；

熔炼ZK60镁合金熔体，先熔炼纯镁再分别加入其他合金元素，经过精炼后静置，静置时温度700～710℃，时间45min；在内套中放置分流装置，在SF₆和CO₂的混合气体保护的条件下，将合金熔体通过溜槽导入内套内，合金熔体受磁场作用，并在内套的冷却作用下逐渐凝固，在内套底部形成糊状熔体和铸锭；当内套内的合金熔体达到设定高度时(液面距离内套上沿30～40mm)，启动引锭头使凝固的铸锭向下移动，开始连铸；此时液面须保持稳定和平稳，避免剧烈升降和波动；控制分流装置内合金熔体的温度为670～680℃；

形成的铸锭底端脱离结晶器内套时，一次冷却水和二次冷却水从内套流向铸锭表面；此时通过三次冷却水腔向内套外壁面或铸锭表面喷射三次冷却水，使铸锭继续降温，直至完成连铸；铸造速度35～45mm/min；一次冷却水总流量为200～250L/min；一次冷却水宽面(单侧)流量为45～85L/min；

单位时间内，二次冷却水与一次冷却水的流量比为1.0，窄面的二次冷却水与宽面的二次冷却水的流量比为0.9，窄面的一次冷却水与宽面的一次冷却水的流量比为0.9；

单位时间内，三次冷却水与一次冷却水的流量比为0.5；

通过转动手轮，使丝杠转动，从而调节一次冷却水腔或二次冷却水腔的高度；一次冷却水腔的水腔盖板与结晶器框架的顶板之间的高度差为0.2H，二次冷却水腔的水腔盖板与一次冷却水腔的水腔底板之间的高度差为0..6H；

通过旋转底板上装配的螺杆，调节三次冷却水腔的高度；三次冷却水腔的出水孔朝向内套的底端下方，三次冷却水腔与二次冷却水腔的垂直间距60mm；

获得的铸锭组织均匀、冶金质量良好，未产生裂纹，外观照片如图7(a)所示，铸锭宽度方向和厚度方向铸锭组织均匀，Zn元素和Zr元素分布均匀，铸锭偏析率明显减小，显著提高了易裂合金制备的成材率，锭坯冶金质量得到显著改善；采用传统铸造结晶器制备相同材质相同尺寸的铸锭，其外观照片如图7(b)所示，图中划线区域有明显裂纹。

实施例2

装置结构同实施例1，不同点在于：

内套水平截面为圆形；

内套的内侧壁与内套轴线有之间有5°的夹角，内套内部空间的顶部截面面积小于顶部截面面积；

方法同实施例1，不同点在于：

铸锭为Mg-4Al-3La-1.5Gd-0.5Mn镁稀土合金圆锭，直径400mm；

单位时间内二次冷却水与一次冷却水的流量比为0.8，没有宽面和窄面的区别；

单位时间内，三次冷却水与一次冷却水的流量比为0.8；

一次冷却水腔的水腔盖板与结晶器框架的顶板之间的高度差为0H，二次冷却水腔的水腔盖板与一次冷却水腔的水腔底板之间的高度差为0.3H。

控制三次冷却水腔的出水孔朝向内套的底端下方，三次冷却水腔与二次冷却水腔的垂直间距150mm；

获得的铸锭组织均匀、冶金质量良好，未产生裂纹。铸锭宏观组织如图8所示，晶粒尺寸明显细化且分布均匀。

实施例3

装置结构同实施例1，不同点在于：

内套水平截面为圆形；

内套的内侧壁与内套轴线有之间有5°的夹角，内套内部空间的顶部截面面积小于顶部截面面积；

方法同实施例1，不同点在于：

铸锭为Mg-5Li-3Al-2Zn-0.2Y镁合金圆锭，直径380mm；

单位时间内二次冷却水与一次冷却水的流量比为1.2，没有宽面和窄面的区别；

单位时间内，三次冷却水与一次冷却水的流量比为0.3；

一次冷却水腔的水腔盖板与结晶器框架的顶板之间的高度差为0.5H，二次冷却水腔的水腔盖板与一次冷却水腔的水腔底板之间的高度差为1H。

控制三次冷却水腔的出水孔朝向内套的底端下方，并且三次冷却水腔与二次冷却水腔的垂直间距120mm；

获得的铸锭表面车削后的外观如图9所示，铸锭表面质量良好，内部组织致密，无缩孔缩松和裂纹产生。

以上所述实施方法仅是对本发明的优先实施方式进行描述，并非对于本发明的适用范围进行限定，在不脱离本发明思想的前提下，针对本发明做出的各种变形和改进，均应纳入本发明专利权利要求书的保护范围内。

Claims (9)

1.一种冷却过程可精准匹配调节的电磁半连续铸造装置，其特征在于包括结晶器框架、内套、一次冷却水腔、二次冷却水腔和三次冷却水腔；结晶器框架的顶板上设有中孔，上介板放置在中孔内，内套为筒状且上部的外壁上固定有连接板，内套位于上介板内部且与上介板固定连接；内套外部环绕有一次冷却水腔和二次冷却水腔，一次冷却水腔和二次冷却水腔内部分别设有励磁线圈，一次冷却水腔和二次冷却水腔的出水口上装配有可调球形喷头，可调球形喷头朝向内套方向；一次冷却水腔和二次冷却水腔的外壁上均设有至少2个升降板，各升降板上开设有内螺纹孔，各升降板的内螺纹孔分别与一个丝杠螺纹连接，各丝杠底端固定在下轴承内，下轴承外部固定在结晶器框架的底板上；各丝杠的上部固定在上轴承内，且顶端装配有手轮，上轴承的外部固定在结晶器框架的顶板上；结晶器的顶板和底板通过支杆固定在一起；三次冷却水腔位于二次冷却水腔下方，三次冷却水腔上开设有出水孔朝向内套侧壁或内套下方，三次冷却水腔外壁设有至少2个固定板，固定板上开设有内螺纹孔，底板上装配的螺杆与固定板上的内螺纹孔通过螺纹连接；底板上开设有铸锭通道。

2.根据权利要求1所述的一种冷却过程可精准匹配调节的电磁半连续铸造装置，其特征在于所述的一次冷却水腔和二次冷却水腔上的出水口各自分为上下两排，各出水口上的可调球形喷头的内径1~4mm，同一排出水口中相邻两个出水口的间距5~20mm。

3.根据权利要求1所述的一种冷却过程可精准匹配调节的电磁半连续铸造装置，其特征在于所述的上介板由水平环形板和垂直环形板构成一体结构，水平环形板与垂直环形板互相垂直，水平环形板位于垂直环形板的外侧；水平环形板顶面与连接板连接，底面与顶板连接；垂直环形板的螺栓孔与内套上的螺纹孔相对应，垂直环形板通过螺栓与内套固定，垂直环形板位于顶板的内端面和内套外壁之间。

4.根据权利要求1所述的一种冷却过程可精准匹配调节的电磁半连续铸造装置，其特征在于所述的结晶器框架上共设有4个丝杠，一次冷却水腔和二次冷却水腔上分别设有2个升降板，一次冷却水腔的2个升降板分别与2个丝杠螺纹连接，二次冷却水腔的2个升降板分别与另外2个丝杠螺纹连接；其中与一次冷却水腔的升降板连接的两个丝杠称为一次丝杠，与二次冷却 水腔的升降板链接的两个丝杠称为二次丝杠，两个一次丝杠和两个二次丝杠沿结晶器框架的周向交错分布。

5.根据权利要求1所述的一种冷却过程可精准匹配调节的电磁半连续铸造装置，其特征在于所述的一次冷却水腔和二次冷却水腔内的励磁线圈通过线圈压板和螺栓固定；一次冷却水腔和二次冷却水腔的侧壁上分别设有电缆通孔；各励磁线圈所连接的电缆穿过电缆通孔与电源连接。

6.根据权利要求1所述的一种冷却过程可精准匹配调节的电磁半连续铸造装置，其特征在于所述的一次冷却水腔和二次冷却水腔均由水腔外套和水腔盖板组成，水腔外套由外侧壁、内侧壁和水腔底板构成一体结构；水腔盖板覆盖在水腔外套上方并与水腔外套通过螺栓连接，水腔盖板上设有密封槽，水腔盖板和水腔外套之间通过密封垫密封；升降板、进水口和电缆通孔设置在水腔外套的外侧壁上，出水口设置在水腔外套的内侧壁上。

7.一种冷却过程可精准匹配调节的电磁半连续铸造方法，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）调节各可调球形喷头的角度；

（2）将引锭头插入内套底部；

（3）向一次冷却水腔和二次冷却水腔内通入冷却水，然后分别通过一次冷却水腔和二次冷却水腔的可调球形喷头喷射到内套外壁；由一次冷却水腔内喷出的冷却水称为一次冷却水，由二次冷却水腔内喷出的冷却水称为二次冷却水，一次冷却水和二次冷却水均沿内套外壁流向内套下方；通过励磁线圈向内套内部施加磁场；

（4）将合金熔体通过溜槽导入内套内，合金熔体受磁场作用，并在内套的冷却作用下逐渐凝固，在内套底部形成糊状熔体和铸锭；当内套内的合金熔体达到设定高度时，启动引锭头使凝固的铸锭向下移动，开始连铸；

（5）形成的铸锭底端脱离结晶器内套时，一次冷却水和二次冷却水从内套流向铸锭表面；此时通过三次冷却水腔向内套外壁面或铸锭表面喷射三次冷却水，使铸锭继续降温，直至完成连铸。

8.根据权利要求7所述的冷却过程可精准匹配调节的电磁半连续铸造方法，其特征在于当铸锭为圆锭时，单位时间内二次冷却水与一次冷却水的流量比为0.8~1.2；当铸锭为长扁锭时，单位时间内，二次冷却水与一次冷却水的流量比为0.8~1.2，并且单位时间内，窄面的二次冷却水与宽面的二次冷却水的流量比为0.8~1.0，窄面的一次冷却水与宽面的一次冷却水的流量比为0.8~1.0。

9.根据权利要求7所述的冷却过程可精准匹配调节的电磁半连续铸造方法，其特征在于，铸锭为圆锭或长扁锭，其中圆锭的直径300~800mm，长扁锭宽度500~1800mm且宽厚比在1~5之间。

Images