CN112475252B - 一种高铸造应力合金铸锭的电磁半连铸装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于铸造技术领域，特别涉及一种高铸造应力合金铸锭的电磁半连铸装置及应用所述装置进行铸锭铸造的方法。所述电磁半连铸装置主要包括分流槽、结晶器和引锭头，所述结晶器包括结晶器内套、一冷水箱、线圈和底部支架。在一冷水量不变的条件下，采用带有双排异径交叉水孔的一冷水箱，使一冷水出现双水流束，进而降低一冷水与结晶器内套接触处合金熔体的冷却速率，从而降低裂纹产生几率。通过双排水孔间距的设置，可以实现铸造时冷却强度的控制，有助于提高铸锭的表面质量。使用本发明装置中的分流槽也可有效降低扁锭中心和边部的温度梯度及铸造应力，从而降低铸锭开裂的可能性。本发明中的电磁半连铸装置还可以通过更换结晶器内套的规格来实现对于一定规格范围内产品的生产。

Description

一种高铸造应力合金铸锭的电磁半连铸装置及方法

技术领域

本发明属于铸造技术领域，特别涉及一种高铸造应力合金铸锭的电磁半连铸装置及应用所述装置进行铸锭铸造的方法。

背景技术

以镁合金为例，高铸造应力合金主要是包括Mg-RE系合金和Mg-Zn-Zr系合金，Mg-RE系合金是超过200℃应用的镁合金。常用的稀土元素是Y、Nd、Ce、Dy、Gd等。加入稀土元素是提高镁合金性能最为直接的方法，可以有效提高镁合金的室温和高温力学性能，因此稀土元素在镁合金中的应用十分广泛。Mg-Zn-Zr系合金是指添加锌和锆的镁合金，被认为是综合性能最好的镁合金之一。按ASTM标准，Mg-Zn-Zr合金主要有ZK31、ZK40A、ZK60A、ZK51A和ZK61等。

当铸造内应力超过铸件的强度极限时，铸件便产生裂纹。按照裂纹的形成温度不同，将裂纹分为热裂和冷裂两种。但是对于高铸造应力合金，在采用半连续铸造方式生产时，很容易产生铸造裂纹。对于Mg-Zn-Zr系合金，裂纹主要以热裂为主，主要变现为边部径向裂纹；对于Mg-RE系合金，裂纹主要以冷裂为主。

由于Mg-RE系和Mg-Zn-Zr系合金优异的综合性能，所以在生产出无裂纹的Mg-RE系和Mg-Zn-Zr系合金铸锭，对于提高镁合金的应用范围和促进镁合金的发展具有重要的意义。

有色合金半连续铸造过程中的电磁处理方法由于不接触熔体，对熔体没有污染，且不受合金成分影响，并在工业生产中得到了应用。有研究表明，在半连续铸造中添加电磁场后发现铸锭组织得到明显细化，组织分布的均匀性均有所改善，同时铸锭的热裂倾向减轻。

结晶器是半连续（连续）铸造用的铸模，它是决定铸锭成形和最终铸锭质量的关键装置。 半连续铸造用结晶器设计的科学合理，可以有效避免铸锭的缺陷通过“遗传效应”影响产品的质量和性能，是实现合金作为重要承载构件应用的关键。一般来说，对于直接水冷立式半连续铸造结晶器的要求是： 具有足够的强度和刚度，安装方便，具有高的导热性和良好的耐磨性，对铸锭的冷却要均匀且满足要求，脱模容易等。

然而普通半连续铸造结晶器冷却强度形式较为单一，一冷（本发明的一冷、二冷、三冷是一次冷却、二次冷却、三次冷却的简称，以下同）水喷射到结晶器内套，导致接触位置内套中的金属熔体的冷却速率较大，降温剧烈，从而导致晶粒生长迅速，容易长成柱状晶；并且，由于一次冷却水喷射处的合金熔体的冷却较快，同时由于凝固顺序上的差异导致严重的宏观偏析和内应力，从而会导致铸锭表面出现褶皱，进而会影响铸锭的表面质量，在实际的生产中会大大降低铸锭的成材率，因此，如何通过控制一冷使得高温阶段的合金熔体冷却速率有所下降，提高铸造锭坯的组织均匀性和细化效果，提高铸锭的冶金表面质量是镁合金生产行业亟待解决的问题。

中国专利CN108637200A《大规格镁合金长扁锭半连续铸造装置》、中国专利CN108405821A 《无裂纹大规格镁合金扁锭的铸造装置及方法》、中国专利CN110125358A《一种有色金属及其合金电磁半连铸装置》分别公开了一种大规格镁合金长扁锭半连续铸造装置及方法、一种无裂纹大规格镁合金扁锭的铸造装置及方法和一种有色金属及其合金电磁半连铸装置，但其一冷为单排水孔，冷却水量相对较大，内套与结晶器熔体刚接触部分的熔体的冷却速度过快，晶粒生长较快，柱状晶容易长大。中国专利CN110405170A《一种低一冷的电磁半连续铸造装置及方法》公开了一种低一冷的电磁半连续铸造装置及方法，虽然其一冷及三冷可以独立调节，但是一冷水喷射到内套外壁产生的冷却速率比较大，降温剧烈，从而导致晶粒生长迅速，容易长成柱状晶。

对于高铸造应力合金，采用传统的半连续铸造装置生产时主要以圆锭为主，且生产难度高，所以对于具有一定宽厚比的大扁锭生产来说难度更大。基于此，我们设计了一种针对于高铸造应力合金铸锭（特别是扁锭）的电磁半连铸装置，改善了电磁半连续铸造结晶器的结构从而提高半连铸铸锭的冶金表面质量，并设计了铸造方法与之配合，实现高铸造应力合金铸锭的无裂纹生产。

发明内容

针对采用半连续铸造生产高铸造应力合金时存在的上述问题，本发明提供一种高铸造应力合金铸锭的无裂纹电磁半连铸装置及方法，在一冷水量不变的条件下，采用双排异径交叉水孔的一冷水箱内侧挡水板，使一冷水出现双水线，进而降低一冷水与内套接触处合金熔体的冷却速率，从而降低裂纹产生几率。同时，通过双排水孔间距的设置，实现铸造时冷却强度的控制，有助于提高铸锭的表面质量。

本发明的一种高铸造应力合金铸锭的电磁半连铸装置，包括分流槽、结晶器和引锭头，所述结晶器包括结晶器内套、一冷水箱、线圈和底部支架，所述一冷水箱环绕结晶器内套设置。如果铸造的铸锭为圆锭，则结晶器内套为圆筒形，一冷水箱为圆环，一冷水箱在水平方向截面的内侧形状为大于结晶器内套水平截面的圆形。如果铸造的铸锭为扁锭，结晶器内套为水平截面为圆角矩形的方筒形，一冷水箱则为方环，在水平方向截面的内侧形状为大于结晶器内套水平截面的圆角矩形，结晶器内套的方筒形和一冷水箱方环均有相应的长度方向和宽度方向，在铸造时，习惯上将竖直方向，即扁锭拉出的方向称为扁锭长度方向，扁锭水平截面的长和宽分别称为扁锭的宽度和厚度。因此在铸造时，结晶器内套方筒和一冷水箱方环的长度方向对应的是扁锭的宽度方向，结晶器内套方筒和一冷水箱方环的宽度方向对应的是扁锭的厚度方向。结晶器内套上端可以通过螺栓连接角钢铁环等方法固定在一冷水箱的顶板上。

一冷水箱包括顶板、外侧的水箱外壁、朝向结晶器内套一侧的挡水板和底板，顶板、水箱外壁、挡水板和底板形成的空间用于容纳冷却水。一冷水箱外壁的外侧设置电缆孔（用于线圈电缆线伸出以接入电流）、一冷进水口、一冷出水口，一冷出水口上可以设置阀门。所述线圈设置于一冷水箱内部；底部支架设置于一冷水箱下方；所述分流槽设置于结晶器内套内，为敞口结构，侧面开有方孔，能够使进入分流槽的金属熔体从方孔流入结晶器内套与引锭头形成的半封闭空间内，当金属熔体从分流槽侧面的方孔流出，流到中心时，温度会有所降低，从而可有效降低铸锭中心和边部的温度梯度。引锭头在铸造时能够伸入结晶器内套底部形成半封闭空间。

所述一冷水箱在靠近结晶器内套的内侧上端平行设置双排异径交叉喷水孔：所述双排异径交叉喷水孔分为上下两排，上排喷水孔的孔径小于下排喷水孔孔径，上排每两个相邻的喷水孔的间距内，在平行方向有两个下排喷水孔。上排喷水孔的数量少，间距相对较大，孔径较小，这样布置可以使上排喷水孔喷射出的冷却水接触到结晶器内套时的冷却速率相对较小，而下排喷水孔较上排喷水孔数量多、间距相对小、孔径大，则下排喷水孔喷射出的冷却水接触到结晶器内套时的冷却速率相对较大，从而分阶段达到原有一次冷却的效果（总水量不变），通过双排水孔的设置，在保证总水量不变的条件下，可以有效降低一次冷却水喷射处的合金熔体的冷却速率，实现分“阶段”降温，降低内应力，降低铸锭表面出现褶皱的几率，进而会提高铸锭的表面质量。

优选的，上排喷水孔与下排喷水孔相互平行，两排之间的间距为10~40mm，双排喷水孔排间距的设置是为了控制双水线喷射到内套上的距离，从而控制分阶段冷却的分界线，也是为了控制熔体的冷却速率，提高表面质量。上排喷水孔孔径为1.5～3mm，铸造扁锭时，在结晶器内套长度方向上（也是一冷水箱的长度方向，即铸造扁锭的宽度方向）相邻两个上排喷水孔的间距10～20mm，结晶器内套宽度方向上（也是一冷水箱的宽度方向，即铸造扁锭的厚度方向）相邻两个上排喷水孔的间距为20～35mm；所述下排喷水孔的孔径为2.5～3mm，铸造扁锭时，在结晶器内套长度方向上相邻两个下排喷水孔的间距5～15mm，在结晶器内套宽度方向上相邻两个喷水孔的间距为10～30mm。

优选的，在铸造扁锭时，在结晶器内套长度方向（即一冷水箱方环长度方向，扁锭宽度方向）和宽度方向（即一冷水箱方环宽度方向，扁锭厚度方向）的上排、下排喷水孔孔径分别从中心向两边逐渐减小，扁锭的四个侧面中心的温度比较高，散热比两侧慢，为了提高冶金质量，每一个侧面中间位置的喷水孔孔径大则水流大，散热相对较快，每一个侧面两边位置的喷水孔孔径小则水流较小，散热相对较慢，从而降低了扁锭侧面中心和两侧的温度差，有助于半连铸铸造的顺利进行。同时扁锭边角处冷却速度较快，所以一冷水箱在对应结晶器内套边角的位置不设置喷水孔。

优选的，单个的上排喷水孔和下排喷水孔均为变径水孔，即朝向结晶器内套的出口侧的孔径小于朝向一冷水箱内部一侧的孔径，上排喷水孔或下排喷水孔中，单个喷水孔的中心轴线与喷水孔内壁面的夹角范围为0.5~3°，单个喷水孔的中心轴线与结晶器内套外壁夹角为20~80°。

所述的双排异径交叉喷水孔设置在一冷水箱靠近结晶器内套的内侧上端，可以设置在挡水板上，也可以按照如下方法设置：一冷水箱还包括环形的底端固定块和上端固定块，所述底端固定块设置于底板靠近结晶器内套的一侧，可通过焊接等方式固定；上端固定块设置于顶板靠近结晶器内套一侧的相应凹槽中，可通过焊接等方式固定；底端固定块顶部和上端固定块底部均设置凹槽，二者中间的挡水板设置于底端固定块顶部和上端固定块底部的凹槽中，所述双排异径交叉喷水孔设置于上端固定块上；所述挡水板高度为80~200mm，材质为不锈钢；所述上端固定块的高度为40~150mm。这样设置的好处是上端固定块可以相对较厚方便钻孔，而挡水板可以比较薄，对线圈产生的电磁场屏蔽作用非常小。

上述装置中，挡水板与结晶器内套外壁距离为20~70mm，所述电磁半连铸装置可以配备多个(比如4~6个)结晶器内套，并且通过调节电流保证电磁条件不变的条件下，通过更换不同的内套规格，可实现使用同一结晶器铸造一定规格范围内的铸锭产品。

上述电磁半连铸装置还可以包括二冷装置，所述二冷装置设置于结晶器内套下方，能够向引锭头从结晶器内套底部引出的铸锭上喷射二次冷却水。优选的二冷装置包括相互连接的四个横截面为菱形的管道，每个管道由四个侧壁组成，二冷水孔位于靠近引锭头一侧的上方的侧壁上，如图2所示。二冷装置底端设置支撑块和支撑杆，支撑杆长度为80～150mm；二冷装置侧面焊接四块支撑板，实际操作过程中支撑板可安装在操作平台上。

优选的，如图4所示，当铸造扁锭时，所述分流槽为长方体结构，分流槽两个宽度方向侧面下方分别开有宽度侧方形孔，宽度侧方形孔底边距分流槽底面10~30mm，分流槽两个长度方向侧面下方靠近两端处分别开有长度侧方形孔，长度侧方形孔面积小于宽度侧方形孔；分流槽内对称设置两个平行于分流槽宽度侧的挡板，挡板下方分别开有挡板方形孔，挡板方形孔面积大于宽度侧方形孔；长度侧方形孔和宽度侧方形孔的底沿与上沿分别保持平齐，挡板方形孔的底沿高于长度侧方形孔和宽度侧方形孔的底沿；分流槽挡板方形孔上固定有过滤网（优选在挡板内侧焊接窄钢板与挡板之间形成凹槽，用于过滤网的安装和固定），分流槽内底部正中心设置控流锥；在铸造时，控流锥尖头插入导液管内，合金熔体从导液管和控流锥之间的间隙流出，通过调整间隙大小可以调节合金熔体的流量。

所述分流槽可以通过悬挂钩挂在支撑板上，通过支撑板固定在结晶器内套内，悬挂钩通过螺纹配合等方式与支撑板固定，分流槽也可以通过其他方式固定设置在结晶器内套内。高温的合金熔体通过导流管和控流锥流出，通过控制控流锥与导液管之间的缝隙实现对流量的控制。熔体首先充满两个挡板之间的位置，然后流过挡板上的过滤网和方形孔，最后从四周的六个方形孔中流出。挡板方形孔底沿设置得比分流槽四周的方形孔底沿高，可以储存合金熔体，有一定的降温作用，同时还可以使熔体中的渣滓沉降，过滤网也有过滤渣滓的作用，从而提高铸锭的质量。由于一开始进入分流槽的合金熔体较多，挡板方形孔尺寸相对大一些方便控制。

上述长方体结构的分流槽的长宽高规格优选为400×100×100～800×200×200mm，所述控流锥高度优选为30～60 mm，所述过滤网为10～20目，两个挡板之间的距离优选为200～400 mm，挡板方形孔和宽度侧方形孔规格分别优选为60×30～100×50 mm、40×20～80×40 mm。

分流槽和一冷水箱的挡水板使用的材料优选为304不锈钢薄板，不锈钢薄板厚度1~3mm。结晶器内套优选采用铜或铜合金材质。

作为本发明的另一个方面，提供一种应用上述高铸造应力合金铸锭的电磁半连铸装置进行包括铜、镁、铝合金在内的有色金属铸锭铸造的方法，包括以下步骤：

(1)根据铸造合金的种类和热裂敏感性及铸锭的规格选择分流槽的规格和是否使用二冷装置：一般而言，如果是铸造扁锭，分流槽的长度约为扁锭的水平横截面长度（即扁锭宽度）的一半，宽度约为扁锭的水平横截面宽度（即扁锭厚度）的1/3~1/2。对于热裂敏感性较大的合金，则在铸造过程不使用二冷装置，否则可以采用二冷装置；

(2)通过一冷进水口向一冷水箱通入冷却水，冷却水通过双排异径交叉喷水孔喷出，形成双水流束的一次冷却水，双水流束喷洒到结晶器内套外壁，然后沿挡水板与结晶器内套外壁之间的狭缝流下；

(3)将所需合金经熔炼、精炼和静置后，合金熔体经导液管流入分流槽，再经过分流槽流入到结晶器内套与引锭头形成的半封闭空间中；

(4)开始向线圈通入脉冲电流，启动引锭头开始半连续铸造，在铸造过程中，控制合金熔体的流量，在半连铸铸造过程中保持合金熔体液面的稳定，如果采用的是上述的底部正中心有控流锥的分流槽，则可以通过调整导液管与控流锥间隙的方式调整合金熔体流量；如果使用二冷装置，当铸造长度大于结晶器高度时，向铸锭上喷射二次冷却水；

(5)当铸造长度符合实际要求时，停止合金熔体供液，关闭铸造机，关闭脉冲电流、关闭冷却水，铸造过程结束。

上述方法中，当铸锭为大扁锭时，扁锭的厚度≥300mm且宽厚比为2～5。扁锭窄面（扁锭厚度方向）的冷却水量是宽面（扁锭宽度方向）的冷却水量的0.001～0.4。

上述方法中铸造速度优选为10～40mm/min。

优选的，上述方法中铸造时液面距离结晶器内套的上顶面70-120mm。

上述方法中一冷、二冷的冷却水流量优选为10~20m³/h。

优选的，上述方法中，所铸造的铸锭为铝合金或镁合金铸锭。

与现有的半连续铸造装置相比，本发明装置有以下优点：

(1)采用双排异径交叉水孔的一冷设置，与之前相比，可以有效的降低一次冷却时高温熔体的冷却速率，从而降低晶粒的生长速度，有助于提高铸锭的表面质量。

(2)分流槽结构简单、规格更小，浇注时在结晶器内占据的空间更小，方便实际过程的操作；此外，分流槽采用两侧开口的方式，将高温的合金熔体导入到两侧，当两侧方孔流出的合金熔体流到中心时，温度有所降低，从而可有效降低大扁锭中心和边部的温度梯度，有助于减小铸造应力并降低铸锭开裂的可能性；同时，在分流槽内设置了过滤网，保证合金熔体的冶金质量。

(3)顶板与结晶器一冷水箱内侧挡水板平齐，并且在电磁作用不减的条件下，挡水板与结晶器内套之间存在一定的距离，可以通过更换结晶器内套的规格来实现对于一定规格范围内产品的生产，有助于降低生产设备的成本。

附图说明

图1为本发明实施例中的新型电磁半连铸装置等轴侧示意图；

图2为本发明实施例中的新型电磁半连铸装置竖直剖面结构示意图；

图3为本发明实施例中的一冷水箱内侧不锈钢挡水板及上端固定块、底端固定块的结构示意图；

图4为本发明中的一种分流槽的结构示意图；

图5为本发明实施例1中的新旧铸造装置一冷喷水孔流量对比图；

图6为本发明实施例1中的新旧铸造装置合金熔体凝固壳形状（固相线形状）对比图；

图7为本发明实施例1中制备的镁合金铸锭产品外观图；

图中，1、结晶器内套，2、提手，3、支撑板，4、分流槽，5、螺杆悬挂钩，6、顶板，7、一冷出水口，8、底部支架，9、电缆孔，10、一冷进水口，11、水箱外壁，12、二冷装置支撑板， 13、控流锥，14、上端固定块，15、挡水板，16、螺杆，17、线圈，18、电木板，19、下挡水板，20、二冷装置，21、上排喷水孔，22、下排喷水孔，23、底端固定块；24、宽度侧方形孔；25、挡板；26、挡板方形孔；27、长度侧方形孔；28、底板。

具体实施方式

下面结合附图对本发明进行进一步的描述。

本发明实施例中所用的电磁新型半连铸装置的等轴侧示意图如图1所示，沿结晶器内套宽度方向（扁锭厚度方向）的侧视竖直剖面图如图2所示。所用分流槽结构如图4所示。

半连铸装置铸造的铸锭为大扁锭，合金种类为镁合金或铝合金，规格为800×400mm~1400×500mm，宽厚比为2～5。

如图1和图2所示，本发明实施例中顶板6、水箱外壁11、底板28和挡水板15，共同构成一冷水箱，水箱外壁11的外侧设置一冷出水口7、一冷进水口10和电缆孔9。一冷水箱围绕结晶器内套设置。顶板6厚度为10~20mm，中心的圆角矩形开孔的宽度520mm。

一冷水箱内侧挡水板上端固定块14焊接在上顶板6上，底端固定块23焊接在底板28上，中间的不锈钢档水板15下端插入到底端固定块23的凹槽中，并且将其焊接；不锈钢档水板15上端插入到上端固定块14预留的凹槽中，通过密封条、密封圈和密封胶密封。

一冷水箱内侧中间的挡水板15的厚度1～3mm。

如图3所示，本发明实施例中，结晶器的上端固定块14上有双排异径交叉喷水孔；上排喷水孔21孔径为1.5～3mm，结晶器内套长度方向（即扁锭宽度方向）相邻两个上排喷水孔的间距10～20mm，结晶器内套宽度方向（即扁锭厚度方向）相邻两个上排喷水孔的间距为20～35mm；下排喷水孔22的孔径为2.5～3mm，结晶器内套长度方向（即扁锭宽度方向）相邻两个下排喷水孔的间距5～15mm，结晶器内套宽度方向（即扁锭厚度方向）相邻两个下排喷水孔的间距为10～30mm；并且结晶器内套宽度方向（即扁锭厚度方向）中间喷水孔孔径大，两端喷水孔孔径逐渐缩小，圆角处没有喷水孔。

上端固定块14上的双排异径交叉喷水孔，上排喷水孔间距较大，下排喷水孔间距较小，在上排相邻喷水孔的间距中，平行方向上的下排喷水孔有两个；上下两排喷水孔的排间距为10～40mm；上排喷水孔和下排喷水孔均为变径水孔，靠近结晶器内套出口侧孔径相对较小，上排喷水孔或下排喷水孔中，单个喷水孔的中心轴线与喷水孔内壁面夹角范围在0.5～3°，单个喷水孔中心轴线与结晶器内套1外壁夹角为20～80°。

分流槽4和过滤网的材质为不锈钢，螺杆悬挂钩5和支撑板3材质为45#碳钢。

结晶器内套1的材质为铜或铜合金。结晶器内套1高度为250~550mm；沿结晶器内套1顶端外侧使用螺栓安装角钢，角钢搭接在顶板上，用于固定结晶器内套1在结晶器中的位置，提手2焊接在角钢槽内，角钢高度为30~40mm。结晶器内套1底部设置下挡水板19，防止一冷水喷射到刚从结晶器内拉出的铸锭表面，避免铸锭开裂。

如图2所示，线圈17安装在一冷水箱内，线圈横截面规格为40×40～80×80 mm；线圈设置于通过电木板18和螺杆16形成的空间。一冷水箱外侧的电缆孔9用于将线圈的导线连接出来。电木板18厚度为10～30mm，电木板18上开有小孔，用于插入螺杆16。本发明实施例中在底板28上均匀焊接了8根不锈钢螺杆16，螺杆长度为100~150mm，每根螺杆上配2～4个螺母，用于固定线圈。

线圈17为厚1～4mm、宽1～8mm的复合薄膜包扁铜线。线圈为两组时，两组线圈的电流相同或不同，相位角相差为60°、90°或120°。

电磁场条件为占空比10~25%，频率10~30Hz，电流50~100A。

半连续铸造时的铸造速度为10～80mm/min；

一冷、二冷的冷却水流量为10~20m³/h；

铸造时液面距离结晶器内套1的上顶面70-120mm。

本发明实例中半连续铸造的工艺为：

(1)根据铸造合金的种类和热裂敏感性及铸锭的规格选择分流槽4的规格，选择是否使用二冷装置。

(2)通过进水管向一冷水箱通入冷却水，冷却水通过双排异径交叉水孔喷出，形成双水流束的一次冷却水，双水流束喷洒到结晶器内套外壁，然后沿结晶器内侧挡水板与内套外壁之间的狭缝流下。

(3)将所需合金经熔炼、精炼和静置后，合金熔体经导液管流入分流槽4，再经过分流槽4的过滤网和挡板方形孔26流到宽度侧方形孔24和长度侧方形孔27，最后流入到结晶器内套1与引锭头（图中未画出）形成的半封闭空间中。

(4)开始向线圈17通入脉冲电流，启动引锭头开始半连续铸造。在铸造过程中，通过调节导液管与控流锥13的间隙进而控制合金的流量，在半连铸铸造过程中保持合金液面的稳定。

(5)当铸造长度大于结晶器高度时，根据铸造合金的特性选择喷洒二冷水或不喷洒二冷水，促进铸锭冷却，当铸造长度符合实际要求时，停止合金熔体供液，停止铸造机，关闭脉冲电流、冷却水，铸造过程结束。

实施例1

本实施例选择铸造的合金为AZ31，其成分按重量百分比含Al 2 .79％，Zn 0.74％，Mn 0 .31％，Si 0 .012％，Fe<0 .01％，其余为镁；宽厚比为3，规格为1200×400mm。

选择分流槽规格为400×100×100 mm；宽度侧方形孔24和长度侧方形孔27上沿距离结晶器内套上顶面70mm；分流槽4中过滤网为12目，控流锥13高度为30mm, 两挡板25之间的距离为350mm，挡板方形孔26和宽度侧方形孔24规格分别为80×40 mm、60×30 mm。长度侧方形孔27和宽度侧方形孔24的底沿与上沿分别保持平齐，底沿与分流槽底部的距离为20mm，挡板方形孔26的底沿高于长度侧方形孔和宽度侧方形孔的底沿。

结晶器内套的材质为铜，内套高度为320mm；顶板6厚度为20mm；一冷水箱的材质为不锈钢，水箱外壁11和底板28厚度均为10mm；一冷水箱高度为250mm。

安装二冷装置20，二冷装置20距离一冷水箱底板150mm，如图2所示，二冷装置20包括相互连接的四个横截面为菱形的管道，每个管道由四个侧壁组成，二冷水孔位于靠近引锭头一侧的上方的侧壁上。二冷装置底端设置支撑块和支撑杆，支撑杆长度为80mm；二冷装置侧面焊接四块支撑板20，实际操作过程中支撑板安装在操作平台上。

调节一冷进水口和二冷装置的进水口的水量分别为12、15m³/h。

顶板6下面靠结晶器内套侧设置上端固定块14，底端固定块23焊接在底板28上，挡水板15设置在二者之间，卡在二者的凹槽内。上端固定块14高度60mm，挡水板15高度为180mm，底端固定块23高度20mm，挡水板15距结晶器内套外壁的距离20mm。

上端固定块14上有双排异径交叉喷水孔；上排喷水孔21孔径为1.5~2mm，结晶器内套长度方向（即扁锭宽度方向）相邻两个上排喷水孔的间距20mm，结晶器内套宽度方向（即扁锭厚度方向）相邻两个上排喷水孔的间距为35mm；下排喷水孔22的孔径为2.5~3mm，结晶器内套长度方向（即扁锭宽度方向）相邻两个下排喷水孔的间距10mm，结晶器内套宽度方向（即扁锭厚度方向）相邻两个下排喷水孔的间距为15~20mm；并且结晶器内套宽度方向（即扁锭厚度方向）中间喷水孔孔径大，两端喷水孔孔径逐渐缩小，圆角处没有喷水孔。

上下两排喷水孔的平行间距为20mm。喷水孔为变径水孔，靠近结晶器内套出口侧内径相对较小，单个喷水孔中心轴线与喷水孔壁面夹角范围在3°，单个喷水孔中心轴线与结晶器内套1外壁夹角为80°

设定引锭头的运动速度为25mm/min，调节电磁场条件为占空比20%，频率20Hz，电流100A。

具体操作工艺流程为：

(1)通过一冷进水口10向一冷水箱通入冷却水，冷却水通过双排异径交叉喷水孔喷出，形成双水流束的一次冷却水，双水流束喷洒到结晶器内套1外壁，然后沿一冷水箱内侧挡水板15与结晶器内套外壁之间的狭缝流下。

(2)将AZ31合金经熔炼、精炼和静置后，经导液管流入分流槽4，再经过分流槽4的过滤网和挡板方形孔26流到宽度侧方形孔24和长度侧方形孔27，最后流入到结晶器内套1与引锭头形成的半封闭空间中。

(3)开始线圈17通入脉冲电流，启动引锭头开始铸造。在铸造过程中，通过调节导液管插入到控流锥13的深度进而控制合金的流量，在半连铸铸造过程中保持合金液面的稳定。当铸造长度大于结晶器高度时，通过二冷装置向引锭头引出的铸锭上喷洒二冷水。

(4)当铸造长度符合实际要求时，停止供液，停止铸造机，关闭电磁场电源、冷却水，铸造过程结束。

结晶器内套1放入结晶器中之前，测量了本实施例1中的新型双排异径交叉喷水孔的上下排喷水流量，并且与旧有的单排喷水孔的设备的喷水流量进行了对比，如图5。由图5可见，在水量不变的条件下，单排喷水孔的水流量为双排异径交叉喷水孔的水流量之和，可以通过设置双排喷水孔的孔径不同，从而实现对铸锭初始冷却速率的控制。

在半连续铸造过程中，使用测量杆插入到合金熔体中测量液穴深度，测量了扁锭宽度方向中心纵截面的数据并且与原来的单排喷水孔的设备进行了对比，生成图6。由图6可见，采用双排喷水孔，合金熔体的凝固壳形状（即固相线形状）相对来说更加的平缓，有助于提高铸锭的质量。

制备的镁合金铸锭产品外观如图7所示，厚度400mm，宽度1200mm，表面无裂纹，表面质量良好。

实施例2

装置结构和铸造工艺流程同实施例1，不同点在于：

铸造合金为AZ800，规格为800×400mm。

选择分流槽4规格为350×80×100 mm，分流槽内两挡板25间距为160mm。

结晶器内套1高度为280mm。

无二冷装置，只通过一冷冷却，一冷冷却水量为20m³/h。

给定的电磁场条件为占空比10%，频率20Hz，电流80A。

方法同实施例1；获得的镁合金大扁锭产品无裂纹。

Claims (9)

1.一种高铸造应力合金铸锭的电磁半连铸装置，其特征在于，包括分流槽、结晶器和引锭头，所述结晶器包括结晶器内套、一冷水箱、线圈和底部支架，所述一冷水箱环绕结晶器内套设置，一冷水箱包括顶板、外侧的水箱外壁、朝向结晶器内套一侧的挡水板和底板；水箱外壁的外侧设置电缆孔、一冷进水口、一冷出水口，所述线圈设置于一冷水箱内部；底部支架设置于一冷水箱下方；所述分流槽设置于结晶器内套内，为敞口结构，侧面开有方孔，能够使进入分流槽的金属熔体从方孔流入结晶器内套与引锭头形成的半封闭空间内；引锭头在铸造时能够伸入结晶器内套底部；

所述一冷水箱在靠近结晶器内套的内侧的上端平行设置双排异径交叉喷水孔：上排喷水孔的孔径小于下排喷水孔孔径，上排相邻两个喷水孔的间距内，在平行方向有两个下排喷水孔；

所述上排喷水孔和下排喷水孔均为变径水孔，朝向结晶器内套的出口侧孔径小于朝向一冷水箱内部一侧的孔径，上排喷水孔或下排喷水孔中，单个喷水孔的中心轴线与喷水孔内壁面的夹角范围为0.5~3°，单个喷水孔的中心轴线与结晶器内套外壁夹角为20~80°；所述上排喷水孔与下排喷水孔的排间距为10~40mm；上排喷水孔孔径为1.5～3mm，下排喷水孔的孔径为2.5～3mm。

2.根据权利要求1所述的高铸造应力合金铸锭的电磁半连铸装置，其特征在于，所述一冷水箱还包括环形的底端固定块和上端固定块，所述底端固定块设置于底板靠近结晶器内套的一侧，上端固定块设置于顶板靠近结晶器内套一侧的相应凹槽中，底端固定块顶部和上端固定块底部均设置凹槽，挡水板设置于底端固定块顶部和上端固定块底部的凹槽中，所述双排异径交叉喷水孔设置于上端固定块上；所述挡水板材质为不锈钢，高度为80~200mm，所述上端固定块的高度为40~150mm。

3.根据权利要求1所述的高铸造应力合金铸锭的电磁半连铸装置，其特征在于，所述高铸造应力合金铸锭的电磁半连铸装置用于扁锭的铸造，所述一冷水箱为方环形，所述结晶器内套为方筒形，在结晶器内套长度方向上相邻两个上排喷水孔中心的间距10～20mm，结晶器内套宽度方向上相邻两个上排喷水孔中心的间距为20～35mm；在结晶器内套长度方向上相邻两个下排喷水孔的中心的间距5～15mm，在结晶器内套宽度方向上相邻两个下排喷水孔中心的间距为10～30mm；在结晶器内套长度方向和宽度方向，上排、下排喷水孔孔径分别从中心向两边逐渐减小，一冷水箱在对应结晶器内套边角的位置不设置喷水孔。

4.根据权利要求1所述的高铸造应力合金铸锭的电磁半连铸装置，其特征在于，所述挡水板与结晶器内套外壁距离为20~70mm，所述电磁半连铸装置配备多个结晶器内套，能够实现不同规格的铸锭的铸造。

5.根据权利要求1所述的高铸造应力合金铸锭的电磁半连铸装置，其特征在于，所述电磁半连铸装置还包括二冷装置，所述二冷装置设置于结晶器内套下方，能够向引锭头从结晶器内套底部引出的铸锭上喷射二次冷却水。

6.根据权利要求3所述的高铸造应力合金铸锭的电磁半连铸装置，其特征在于，所述分流槽为长方体结构，分流槽两个宽度方向侧面下方分别开有宽度侧方形孔，宽度侧方形孔底沿距分流槽底面10~30mm，分流槽两个长度方向侧面下方靠近两端处分别开有长度侧方形孔，长度侧方形孔面积小于宽度侧方形孔面积；长度侧方形孔和宽度侧方形孔的底沿和上沿分别保持平齐；分流槽内对称设置两个平行于分流槽宽度侧的挡板，两个挡板下方均开有挡板方形孔，挡板方形孔面积大于宽度侧方形孔，挡板方形孔底沿高于长度侧方形孔和宽度侧方形孔的底沿；分流槽挡板方形孔上固定有过滤网，分流槽内底部正中心设置控流锥。

7.应用权利要求1中的高铸造应力合金铸锭的电磁半连铸装置的铸锭铸造方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)根据铸造合金的种类和热裂敏感性及铸锭的规格选择分流槽的规格和是否使用二冷装置；

(2)通过一冷进水口向一冷水箱通入冷却水，冷却水通过双排异径交叉喷水孔喷出，形成双水流束的一次冷却水，双水流束喷洒到结晶器内套外壁，然后沿挡水板与结晶器内套外壁之间的狭缝流下；

(3)将所需合金经熔炼、精炼和静置后，合金熔体经导液管流入分流槽，再经过分流槽流入到结晶器内套与引锭头形成的半封闭空间中；

(4)开始向线圈通入脉冲电流，启动引锭头开始半连续铸造，在铸造过程中，控制合金熔体的流量，保持合金熔体液面的稳定；如果使用二冷装置，当铸造长度大于结晶器高度时，向铸锭上喷射二次冷却水；

(5)当铸造长度符合实际要求时，停止合金熔体供液，关闭铸造机，关闭脉冲电流、关闭冷却水，铸造过程结束。

8.根据权利要求7所述的铸锭铸造方法，其特征在于，所铸造的铸锭为扁锭，扁锭的厚度≥300mm，宽厚比为2～5。

9.根据权利要求7或8所述的铸锭铸造方法，其特征在于，所铸造的铸锭为铝合金或镁合金铸锭。

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