CN110935853A - 用于过共晶铝硅合金的连铸装置及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于金属材料制备应用技术领域，具体公开了用于过共晶铝硅合金的连铸装置，由熔池组件，及与熔池组件相配合使用的电磁搅拌组件组成。本发明的有益效果在于：粉状或粒状变质剂产生大量的“异质”形核质点，作为初生硅的结晶的“核心”，提高初生硅的有效形核率，细化初生硅，改变初生硅的形貌，细化了初晶硅组织，减小变质剂用量，降低了成本；电磁搅拌器和气流搅动合金熔体，促进变质剂快速弥散强化的同时，可促进合金熔体温度场和成分场也更加均匀；与喷粉装置连接喷粉管的设置避免电磁场的趋肤效应的影响，电磁场的分布更加均匀，合金熔体温度场和成分场更加均匀，对过共晶铝硅合金熔体进行处理，有利于获得高品质的过共晶铝硅合金坯料。

Description

用于过共晶铝硅合金的连铸装置及其制备方法

技术领域

本发明属于金属材料制备应用技术领域，具体涉及用于过共晶铝硅合金的连

铸装置及其制备方法。

背景技术

A390过共晶铝硅合晶坯料由于具有轻质、高强、高耐磨、高耐热性及较低的热膨胀性等优点，通常用来制造汽车发送机活塞、转子、斜盘等关键部件。相比于常规铸件，不但比普通铸铁件轻，而且通过硅的球墨化消除了组织偏析，并通过固溶处理得到均匀的组织和细小的晶粒，能显著提高合金的力学性能和热工艺性能，被广泛应用于汽车行业，特别是汽车轻量化何新能源汽车的应用中。

在普通铸造下，初生硅一般都比较粗大，呈板片状、针状和其她复杂形貌且棱角锋利，严重割裂基体，这样降低了过共晶铝硅合金的力学性能和切削加工性能，尤其是塑形显著降低。因此改善初生硅的形态和分布，细化初生硅的尺寸，减小其对基体性能的削弱作用，对于提高过共晶铝硅合金的综合性能具有非常重要的意义。

加入了过饱和的硅后，再凝固过程中初晶硅形态对高硅铝合金性能具有重要影响，其形核长大机制、 形态演化机制一直是高硅铝合金的主要研究方向之一。

目前，用于高硅铝合金中初晶硅的缺陷控制主要制备方法包括: 变质剂处理、 半固态搅拌、快速凝固、电脉冲处理。在工艺制粉过程中，通过设备的优化来改善初晶硅形貌的方法，但目前要完全实现控制初晶硅形态并使之球化，使用现有工艺较为困难。由于A390铝合金工艺条件下加入硅粉后制备的工艺特点，不可避免的会带来夹杂，该缺陷是影响最终产品寿命的主要因素，以前的研究表明，按现在的铝合金合金制备工艺，完全消除夹杂是非常困难的，但可以通过控制工艺参数减少夹杂的数量。A390铝合金的夹杂物主要包括金属夹杂和氧化夹杂，金属夹杂主要来自于母合金熔炼过程中引入的颗粒，氧化瓷夹杂经常是Al，Mg， Ca等的氧化物。他们来自于母合金电渣熔炼过程中的熔渣，加工过程中加入硅粉过程中的不小心进入的空气和粉尘杂质产物，A390过饱和铝合金合金中夹杂缺陷的数量和尺寸是影响最终产品使用安全性和可靠性的重要因素。

我国在高纯A390过饱和铝合金合金中研制方面与美国和日本等汽车工业强国相比，仍存在巨大差距。无论是从高纯A390过饱和铝合金合金的制备还是对于汽车零部件产业的应用都受制于人。特别是针对新能源汽车对新一代轻量化高强高耐磨特性的铝合金应用的大背景下，该方面的研究仍处于起步阶段，因此开展A390过饱和铝合金合金中夹杂的形成及其控制研究方面的工作，变得十分有意义。

众所周之，所有的物质都具有磁性。磁性的产生源于电子的轨道和自旋运动及电子之间的交互作用。按照物质对磁场的表现行为，它们可以分为五类：抗磁性、顺磁性、铁磁性、反铁磁性和亚铁磁性。其中，铁磁性和亚铁磁性材料通常被认为是磁性材料，而其它三种由于磁性很弱被称为非磁性材料。在超导磁铁技术成熟之前，普遍应用于电磁材料制备的是普通直流磁场。由于磁场强度低，它对材料的影响主要集中在磁性材料上，而对非磁性材料，也仅限于对材料的宏观作用(如Lorentz力)。上世纪80年代，随着低温超导技术的日趋成熟，超导直流强磁场的广泛应用成为可能，这极大的推动了EPM的发展。不同于普通直流磁场的宏观作用力，强磁场能够将高强度的能量无接触地传递并作用于物质的微观范围内，如改变原子的排列、匹配和迁移等行为，从而对材料的组织和性能产生重要的影响。强磁场的诞生，使EPM在非磁性材料方面的发展产生了革命性的变化。它使得非磁性材料在普通直流磁场下受到的一般可忽略的磁化力得到极大加强，从而能够对非磁性材料的组织结构产生重大影响。磁化力一般分为两种，一种是使物质旋转到磁场某一方向的“取向”磁化力(类似于指南针指向北极)，另外一种是吸引铁磁性和顺磁性物质或排斥抗磁性物质的“梯度”磁化力。前者主要应用于晶体排列，而后者则主要应用于磁分离、磁悬浮和材料磁化率的测量上。强磁场已经广泛应用于各种材料电磁过程中，如合金的凝固、相变、气相沉积、电沉积和电磁流铸等，并已经逐渐发展成为一个新的科学分枝，称为“强磁场材料科学”。

金属合金在从液相线冷却到“糊状区”时，初生的晶体会被液态介质所包围，这意味着此时如果施加一外力，它们的析出行为很容易被改变。在施加磁场的合金凝固过程中，会诱发出作用于初生晶体上的磁化力，从而对合金的铸态组织产生一定影响，其影响主要表现在晶体取向的改变和迁移上。

因此，基于上述问题，本发明提用于过共晶铝硅合金的连铸装置及其制备方法。

发明内容

发明目的：本发明的目的是提供用于过共晶铝硅合金的连铸装置及其制备方法，其设计结构合理，细化了初晶硅组织，减小变质剂用量，降低了成本。

技术方案：本发明的一方面提供用于过共晶铝硅合金的连铸装置，由熔池组件，及与熔池组件相配合使用的电磁搅拌组件组成；所述熔池组件，包括外壳，及设置在外壳内的真空熔炉，及设置在真空熔炉内壁的旋转电磁搅拌中空壳体，及设置在旋转电磁搅拌中空壳体内的带电线圈，及设置在外壳底部的溶液导管；所述电磁搅拌组件，包括与导管连接的过渡熔池，及设置在过渡熔池底部的若干个L形溶液输料管，及分别设置在若干个L形溶液输料管上的中空外壳，及设置在中空外壳内的中空内壳，及设置在中空外壳上的冷气进口、冷气出口，及从上至下依次设置在中空外壳、中空内壳之间的辅助带电线圈、若干个回形磁体和若干个螺旋磁体；所述真空熔炉外接喷粉管、通氮气保护导管，其中，喷粉管用于加硅粉。

本技术方案的，所述溶液导管的长度尺寸为5cm-10cm；所述若干个回形磁体设置四个或六个；所述若干个螺旋磁体设置四个或六个。

本技术方案的，所述用于过共晶铝硅合金的连铸装置，还包括设置在外壳顶端的定位座，及设置在定位座一面的竖外螺纹调节杆，及通过一组锁紧螺母固定在竖外螺纹调节杆上的横超声波检测探头安装板，及设置在横超声波检测头安装板一端内的超声波检测探头，其中，超声波检测探头与超声波检测仪连接，用于检测真空熔炉内部熔炼状态。

本发明的另一面提供用于过共晶铝硅合金的连铸制备方法，包括以下步骤，步骤1、首先将铝锭加入真空熔炉内进行熔炉，再通过喷粉管加入硅粉进行持续的熔炼，并通过通氮气保护导管通入氮气，带电线圈进行初步的熔炼电磁处理；步骤2、利用声波检测探头实时检测真空熔炉内，铝锭和硅粉的熔炼状态；步骤3、熔炼后的混合液通过导管进入过渡熔池进行预保温处理；步骤4、过渡熔池内的混合液进入L形溶液输料管内，经过辅助带电线圈、若干个回形磁体和若干个螺旋磁体进行电磁成型处理，其中，成型过程中通过冷气进口、冷气出口接通冷气供气设备进行一定的温度控制即可。

与现有技术相比，本发明的用于过共晶铝硅合金的连铸装置及其制备方法的有益效果在于：1、粉状或粒状变质剂产生大量的“异质”形核质点，作为初生硅的结晶的“核心”，提高初生硅的有效形核率，细化初生硅，改变初生硅的形貌，细化了初晶硅组织，减小变质剂用量，降低了成本；2、电磁搅拌器和气流搅动合金熔体，促进变质剂快速弥散强化的同时，可促进合金熔体温度场和成分场也更加均匀；3、与喷粉装置连接喷粉管的设置避免电磁场的趋肤效应的影响，电磁场的分布更加均匀，合金熔体温度场和成分场更加均匀，对过共晶铝硅合金熔体进行处理，有利于获得高品质的过共晶铝硅合金坯料。

附图说明

图1是本发明的用于过共晶铝硅合金的连铸装置的结构示意图；

图2是本发明的用于过共晶铝硅合金的连铸装置过渡熔池、若干个L形溶液输料管的侧视部分结构示意图；

图3和图4是本发明的用于过共晶铝硅合金的连铸装置的定位座、竖外螺纹调节杆、一组锁紧螺母、横超声波检测探头安装板、超声波检测探头的结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例，进一步阐明本发明。

实施例

如图1、图2、图3和图4所示的用于过共晶铝硅合金的连铸装置，由熔池组件，及与熔池组件相配合使用的电磁搅拌组件组成；所述熔池组件，包括外壳1，及设置在外壳1内的真空熔炉2，及设置在真空熔炉2内壁的旋转电磁搅拌中空壳体3，及设置在旋转电磁搅拌中空壳体3内的带电线圈4，及设置在外壳1底部的溶液导管7；所述电磁搅拌组件，包括与导管7连接的过渡熔池8，及设置在过渡熔池8底部的若干个L形溶液输料管9，及分别设置在若干个L形溶液输料管9上的中空外壳10，及设置在中空外壳10内的中空内壳21，及设置在中空外壳10上的冷气进口11、冷气出口12，及从上至下依次设置在中空外壳10、中空内壳21之间的辅助带电线圈13、若干个回形磁体14和若干个螺旋磁体15；所述真空熔炉2外接喷粉管5、通保护导管6，其中，喷粉管5用于加硅粉。

进一步优选的，所述溶液导管7的长度尺寸为5cm-10cm；所述若干个回形磁体17设置四个或六个；所述若干个螺旋磁体22设置四个或六个；及所述用于过共晶铝硅合金的连铸装置，还包括设置在外壳1顶端的定位座16，及设置在定位座16一面的竖外螺纹调节杆17，及通过一组锁紧螺母19固定在竖外螺纹调节杆17上的横超声波检测探头安装板18，及设置在横超声波检测头安装板18一端内的超声波检测探头20，其中，超声波检测探头20与超声波检测仪连接，用于检测真空熔炉2内部熔炼状态。

本发明的用于过共晶铝硅合金的连铸制备方法，包括以下步骤，步骤1、首先将铝锭加入真空熔炉2内进行熔炉，再通过喷粉管5加入硅粉进行持续的熔炼，并通过通氮气保护导管6通入氮气，带电线圈4进行初步的熔炼电磁处理；步骤2、利用声波检测探头20实时检测真空熔炉2内，铝锭和硅粉的熔炼状态；步骤3、熔炼后的混合液通过导管7进入过渡熔池8进行预保温处理；步骤4、过渡熔池8内的混合液进入L形溶液输料管9内，经过辅助带电线圈13、若干个回形磁体14和若干个螺旋磁体15进行电磁成型处理，其中，成型过程中通过冷气进口11、冷气出口12接通冷气供气设备进行一定的温度控制即可。

本发明制备的A390铝合金坯料，含硅量为17.2%，采用的变质剂为粉状铝磷变质剂，磷含量为4.5%。浇注之前，将喷粉装置和变质剂预热到300℃（喷粉装置、变质剂图1中未标出），制备时，将820℃的A390铝合金熔体导入热顶中，熔体经缝隙通道流向结晶进行连续铸造；连铸过程稳定后，开启喷粉装置（喷粉装置图1中未标出），吹入的氮气压力为0.05Mpa，氮气流量为0.1L/min,粉状变质剂出入量150g/min，采用的电磁搅拌器的名义输入功率是1.2kw，搅拌频率为40Hz，连铸稳定后采用的连铸工艺参数为：连铸速度为300mm/min，冷却水压为0.35Mpa，缝隙通道内熔体温度为740-780℃，连铸结束获得了组织细小，成分均匀的A390铝合金铸锭。

本发明的用于过共晶铝硅合金的连铸装置，整体连续铸造 ，采用L型连续铸造工艺，融化和凝固设备固定在垂直面，最后出品的产品放在水平面，提高了生产效率。

本结构的用于过共晶铝硅合金的连铸装置，金属液体首先从最顶端的一吨的熔池中搅拌融化，然后通过下方的溶液导管5cm的通道进入长方体过渡熔池（预浇注保温池，保温池的液体流动相对稳定，如果是真空熔炉直接下来，本身真空熔炉有搅拌，流场混乱）熔池中加入通过氮气保护的硅粉充分搅拌均匀，再从长方体的过渡熔池中分拆出若干个L形溶液输料管（4个小通道，提高了生产效率，可以1拖4生产等），最后进入水冷凝固和电磁搅拌组件进行电磁搅拌顺序，第一，电磁旋转搅拌，目的是通过旋转搅拌的方式将激冷层的枝晶甩掉，通过辅助带电线圈实现，上面下来的金属液在通过冷气进口11、冷气出口12接入的冷气时，产生激冷，激冷随之产生了枝晶，通过旋转搅拌的方式将激冷层的枝晶甩掉；第二，行波电磁搅拌，通过若干个回形磁体实现，原理解释：当通过第一个电磁搅拌的甩出来的碎枝晶通过该通道时候，为了使得甩出来的枝晶能够均匀的分布于熔池通道，必须加一个推动力，将圆柱形水冷壁产生的碎晶在整个熔池均匀化，在加一个水平方向的环行行波电磁场，将圆周面的碎晶通过行波的推力像中间扩散；第三，螺旋电磁搅拌，通过若干个螺旋磁体实现，碎晶和细晶扩散均匀后，需要将颗粒大的晶粒排出，施加一个向上的螺旋电磁搅拌，施加一个垂直的正旋波，待波能达到颗粒的上悬浮推进力后，颗粒会自动向上排除待凝固界面，从而达到最终优化组织的目的。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以作出若干改进，这些改进也应视为本发明的保护范围。

Claims (4)

1.用于过共晶铝硅合金的连铸装置，其特征在于：由熔池组件，及与熔池组件相配合使用的电磁搅拌组件组成；所述熔池组件，包括外壳（1），及设置在外壳（1）内的真空熔炉（2），及设置在真空熔炉（2）内壁的旋转电磁搅拌中空壳体（3），及设置在旋转电磁搅拌中空壳体（3）内的带电线圈（4），及设置在外壳（1）底部的溶液导管（7）；所述电磁搅拌组件，包括与导管（7）连接的过渡熔池（8），及设置在过渡熔池（8）底部的若干个L形溶液输料管（9），及分别设置在若干个L形溶液输料管（9）上的中空外壳（10），及设置在中空外壳（10）内的中空内壳（21），及设置在中空外壳（10）上的冷气进口（11）、冷气出口（12），及从上至下依次设置在中空外壳（10）、中空内壳（21）之间的辅助带电线圈（13）、若干个回形磁体（14）和若干个螺旋磁体（15）；所述真空熔炉（2）外接喷粉管（5）、通氮气保护导管（6），其中，喷粉管（5）用于加硅粉。

2.根据权利要求1所述的用于过共晶铝硅合金的连铸装置，其特征在于：所述溶液导管（7）的长度尺寸为5cm-10cm；所述若干个回形磁体（17）设置四个或六个；所述若干个螺旋磁体（22）设置四个或六个。

3.根据权利要求1所述的用于过共晶铝硅合金的连铸装置，其特征在于：所述用于过共晶铝硅合金的连铸装置，还包括设置在外壳（1）顶端的定位座（16），及设置在定位座（16）一面的竖外螺纹调节杆（17），及通过一组锁紧螺母（19）固定在竖外螺纹调节杆（17）上的横超声波检测探头安装板（18），及设置在横超声波检测头安装板（18）一端内的超声波检测探头（20），其中，超声波检测探头（20）与超声波检测仪连接，用于检测真空熔炉（2）内部熔炼状态。

4.根据权利要求3所述用于过共晶铝硅合金的连铸制备方法，其特征在于：包括以下步骤，

步骤1、首先将铝锭加入真空熔炉（2）内进行熔炉，再通过喷粉管（5）加入硅粉进行持续的熔炼，并通过通氮气保护导管（6）通入氮气，带电线圈（4）进行初步的熔炼电磁处理；

步骤2、利用声波检测探头（20）实时检测真空熔炉（2）内，铝锭和硅粉的熔炼状态；

步骤3、熔炼后的混合液通过导管（7）进入过渡熔池（8）进行预保温处理；

步骤4、过渡熔池（8）内的混合液进入L形溶液输料管（9）内，经过辅助带电线圈（13）、若干个回形磁体（14）和若干个螺旋磁体（15）进行电磁成型处理，其中，成型过程中通过冷气进口（11）、冷气出口（12）接通冷气供气设备进行一定的温度控制即可。

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