CN112496281B - 一种分体式电磁半连铸结晶器与应用方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于铸造技术领域，特别涉及一种分体式电磁半连铸结晶器与应用所述分体式电磁半连铸结晶器进行合金铸造的方法。本发明提供一种分体式电磁半连铸结晶器结构，本装置的一冷水箱、二冷水箱及一冷线圈、二冷线圈是互相独立的，并且二冷水箱的二冷出水口设置在水箱底面；通过调节一冷线圈、二冷线圈、一冷水箱、二冷水箱以及二冷出水口的万向直角喷头，可以满足多种合金半连续铸造，特别是大扁锭半连续铸造的生产要求，并且在制备大扁锭时避免开裂；通过一种结晶器规格配备有一定范围内多种不同规格结晶器内套的方式提高了结晶器的实用性，在一定程度上可以有效地降低生产成本。同时还提出了根据结晶器的规格不同，线圈内脉冲电流值的调整原则。

Description

一种分体式电磁半连铸结晶器与应用方法

技术领域

本发明属于铸造技术领域，特别涉及一种分体式电磁半连铸结晶器与应用所述分体式电磁半连铸结晶器进行合金铸造的方法。

背景技术

镁及镁合金由于重量轻、吸震性能强、铸造性能好，自动化生产能力和模具寿命高、尺寸稳定等特点，所以在工程材料的应用中，镁合金能够凭借其优异的性能及低廉的原镁价格而备受关注。因此，能够在企业实际生产中生产出高质量、大规格的铜合金和镁合金坯料对于保证合金板材的质量和规格意义十分重大。

由于塑性加工产品的组织性能与铸造工艺之间存在着紧密的内在联系，对于铝、镁、铜在内的合金在采用轧制、锻造等塑性加工方式时所需的原始坯料大部分采用半连续铸造方式生产提供。

半连续铸造工艺是将高温的金属熔体通过导流管注入结晶器，在结晶器的冷却作用下使铸坯冷却，而结晶器决定了最终半连铸的产品是否会产生成分偏析和裂纹等缺陷。然而传统的结晶器结构复杂，一冷（一次冷却）和二冷（二次冷却）共用一个水箱，无法精确控制一冷和二冷出水孔的流量，并且将线圈放置在结晶器内，一旦损坏，线圈维修需要将整个结晶器拆开，维修耗时耗力，极不方便。另外，传统结晶器的二冷的出水孔与结晶器内套相对，二冷水喷射的角度不可调节，所以在生产热烈敏感性较高的合金如ZK60镁合金、 Mg-RE合金时，二冷水会喷射到内套上，沿内套顺流到铸锭表面，易导致铸锭出现裂纹。

现有的半连续铸造用结晶器几乎没有配备有多种规格的结晶器内套，并且在采用电磁条件下的半连续铸造结晶器中配有多种规格的结晶器内套更是少之又少。并且，内套规格在一定范围内变化时，所对应的工艺条件都会有所变化，需要进行相应的调整，具体的调节方式并没有明确的说明。

中国专利CN 105108080 A《抑制镁合金锭坯开裂的半连续铸造结晶器》公开了一种抑制镁合金锭坯开裂的半连续铸造结晶器及其使用方法。但其一次冷却出水孔孔径不变，且无二冷，无法满足生产需要二次冷却的合金种类；中国专利CN110405171A《冷却过程可精准匹配调节的电磁半连续铸造装置及方法》公开了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，但其两个线圈放置在两个独立水箱内，一旦线圈损坏，后续维修较为麻烦，而且线圈的位置固定在水箱内，在铸造时无法调节线圈的位置。中国专利CN108405821A 《无裂纹大规格镁合金扁锭的铸造装置及方法》 均公开了一种无裂纹大规格镁合金扁锭的铸造装置及方法，但该结晶器只配对有一个内套，只能生产一种规格的铸锭，无法生产多种规格铸锭，结晶器的适用范围比较窄。

因此，为提高半连铸铸锭的冶金质量以及电磁半连铸时一种结晶器的适用性，实现一个结晶器配备有多种不同规格的结晶器内套，从而可以使用同一半连续铸造装置生产一定范围内不同规格的合金铸锭，进而降低生产成本，设计并开发一种能够在一定范围内配备有多个结晶器内套的分体式电磁半连铸结晶器结构与方法显得尤为重要。

发明内容

针对现在铝合金和镁合金等有色金属在电磁半连铸中存在的上述问题，本发明提供一种分体式电磁半连铸结晶器结构，本装置的一冷水箱、二冷水箱及一冷线圈、二冷线圈是互相独立的，并且二冷水箱的出水口设置在水箱底面；通过调整一冷线圈与二冷线圈、一冷水箱与二冷水箱以及二冷水箱的二冷出水口上的万向直角喷头，从而满足多种合金半连续铸造，特别是大扁锭半连续铸造的生产要求，并且在制备大扁锭时避免开裂；通过一种结晶器规格配备有一定范围内多种不同规格结晶器内套的方式提高了结晶器的实用性，在一定程度上可以有效地降低生产成本。

本发明的分体式电磁半连铸结晶器包括结晶器内套、顶板、一冷水箱、二冷水箱、一冷线圈、一冷线圈外壳、二冷线圈、二冷线圈外壳、中间板、底部支架、分流槽；从上至下依次设置顶板、一冷水箱、中间板、二冷水箱和底部支架；使用时引锭头伸入结晶器内套底部，与结晶器内套形成半封闭的空间。本发明的权利要求书和说明书在提及一冷水箱、二冷水箱、一冷线圈外壳、二冷线圈外壳、顶板的中心开孔、中间板中心开孔时，会提及它们的内侧和外侧，这些部件的内侧均指水平方向上朝向结晶器内套一侧，外侧均指水平方向上远离结晶器内套、朝向结晶器外部一侧。特别是对于一冷水箱、二冷水箱、一冷线圈外壳、二冷线圈外壳这些有内部腔体的环形部件，本发明权利要求书和说明书中提到的这些部件的“内侧”或“外侧”是按上述说法，指代这些部件的环形结构朝向或远离结晶器内套侧，而非这些部件的腔体内部或外部。

所述顶板中心有中心开孔，顶板设置于一冷水箱上方。

所述一冷水箱、二冷水箱为环形，一冷水箱环形的横截面为外侧宽内侧窄的倒L型，二冷水箱环形的横截面为外侧宽内侧窄的L型，一冷水箱和二冷水箱环形外侧均设置进水口和出水口，出水口处可以安装阀门调控。

一冷线圈外壳和二冷线圈外壳为环形，一冷线圈外壳设置在倒L型截面的一冷水箱内侧（靠近结晶器内套的一侧）下端的环形凹槽中，二冷线圈外壳设置在L型截面的二冷水箱内侧（靠近结晶器内套的一侧）上端的环形凹槽中，一冷线圈设置在一冷线圈外壳内，二冷线圈设置在二冷线圈外壳内，一冷线圈外壳和二冷线圈外壳上均设置进水口、出水口和线圈的电缆线出口，一冷线圈外壳和二冷线圈外壳进水口、出水口均接软管，例如塑料软管。

所述中间板设置在一冷水箱与二冷水箱之间，同时也在一冷线圈外壳与二冷线圈外壳之间，中间板中心有中心开孔，中间板边缘至中间板中心开孔之间设置缝隙，缝隙位置与一冷线圈外壳和二冷线圈外壳的进水口、出水口和电缆线出口位置对应，一冷水箱、中间板、二冷水箱依次可拆卸固定连接，例如采用定位销固定连接。

一冷线圈外壳和二冷线圈外壳的进水口软管、出水口软管和一冷线圈、二冷线圈的电缆线能够通过中间板上的缝隙延伸出结晶器，从进水口软管接入外接的水源，从电缆线接入外部电源，并从出水口软管出水。

所述顶板的中心开孔形状、中间板中心开孔形状、一冷水箱倒L型截面上端内侧围成的形状、二冷水箱L型截面下端内侧围成的形状、一冷线圈外壳内侧和二冷线圈外壳内侧围成的形状完全相同，这一形状根据所铸造的铸锭和结晶器内套的形状确定，铸造圆锭时这一形状可为圆形，铸造扁锭时这一形状可为圆角矩形。所述顶板的中心开孔内侧、中间板中心开孔内侧、一冷水箱倒L型截面上端内侧、二冷水箱L型截面下端内侧、一冷线圈外壳内侧和二冷线圈外壳内侧在竖直方向相互平齐，并且同在一个环形面上（环形面只在中间板处有几个缝隙用于伸出线圈外壳的进、出水口软管和线圈的电缆线），所述环形面即为结晶器内侧面；结晶器内套设置于所述结晶器内侧面围成的空间内部中心，结晶器内套外壁与所述结晶器内侧面共同构成一次冷却的冷却水通道。

所述一冷水箱倒L型截面上端内侧壁上设置一冷喷水孔，可喷射一次冷却水，所述二冷水箱底部靠近结晶器内套处设置二冷出水口，二冷出水口上设置万向直角喷头，可喷射二次冷却水。

所述分流槽设置在结晶器内套内，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，再流到结晶器内套中心时，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。

优选的，所述一冷喷水孔为变径水孔，朝向一冷水箱内部一侧的孔径大于朝向结晶器内套侧的孔径，变径水孔能够让一冷水箱内部的冷却水形成射流喷射到结晶器内套外壁上。一冷喷水孔朝向一冷水箱内部一侧的孔径和朝向结晶器内套侧的孔径均在1~4mm范围内，相邻的一冷喷水孔中心间距为5~20mm。

优选的，所述二冷出水口轴线与结晶器内套的角度为5~20°，二冷出水口与二冷水箱L型截面下端内壁距离5~20mm，所述万向直角喷头在与二冷出水口轴线方向可调角度0~30°，即二次冷却水喷射方向在垂直于二冷出水口轴线方向可调角度0~30°，实现二次冷却强度的可调。万向直角喷头的内径为1~4mm。

优选的，所述结晶器内套采用铜或铜合金材质；结晶器内套高度为160～300mm。所述结晶器内套外壁与结晶器内侧面距离为10～60mm。

同一个结晶器可以配置有多个结晶器内套。例如最大规格的结晶器内套水平截面尺寸为结晶器内套外壁与结晶器内侧面距离为10mm，最小规格的结晶器内套水平截面尺寸为结晶器内套外壁与结晶器内侧面距离为60mm，一套结晶器可以配备3～5个内套，从而满足一定规格范围内的铸锭生产。

优选的，所述一冷线圈外壳和二冷线圈外壳的材质为不锈钢，不锈钢对线圈产生的电磁场的穿透影响很小，一冷线圈外壳和二冷线圈外壳厚度为1~3mm，一冷线圈外壳和二冷线圈外壳的垂直横截面规格范围为40×40～100×200 mm。

如果所述分体式电磁半连铸结晶器用于扁锭的铸造，习惯上把扁锭从结晶器内套拉出的垂直方向称作扁锭长度方向，扁锭水平截面矩形的长和宽称为扁锭的宽度和厚度，扁锭的两对侧面分别称为宽面和窄面。此时所述一冷水箱、二冷水箱、一冷线圈外壳、二冷线圈外壳均为方环形，所述顶板的中心开孔形状、中间板中心开孔形状、一冷水箱倒L型截面上端内侧围成的形状、二冷水箱L型截面下端内侧围成的形状、一冷线圈外壳内侧和二冷线圈外壳内侧围成的形状均为完全相同的圆角矩形，即所述结晶器内侧面的水平向截面是上述的圆角矩形，圆角矩形的长度方向和宽度方向分别对应的是扁锭的宽度方向和厚度方向。为了铸造扁锭，显然结晶器内套应是一个方筒形，整个分体式电磁半连铸结晶器结构也近似为一个方筒形，整个分体式电磁半连铸结晶器方筒和结晶器内套方筒的长度侧面对应的是扁锭的宽面，宽度侧面对应的是扁锭的窄面。所述一冷水箱的进水口优选为两个，分别设置于一冷水箱方环两个长度方向外侧中心偏下位置，一冷水箱的出水口优选为两个，分别设置于一冷水箱方环两个宽度方向外侧中心偏上位置。一冷水箱这样设置进水口和出水口的位置，是为了实现“憋水”的目的，出水口位于上侧，易于排出空气，有利于冷却水充满型腔内；进水口位于下侧，使得一冷水从一冷喷水孔的喷出更加平稳。优选的，所述一冷线圈外壳和二冷线圈外壳方环四边外侧均设置一个进水口、一个出水口，一冷线圈外壳和二冷线圈外壳方环两个长度方向外侧设置均设置一个电缆线出口；所述中间板分为四部分，四部分围成的内侧即为中间板中心开孔，每两部分中间板的缝隙用于通过一冷线圈外壳和二冷线圈外壳的进水口、出水口软管和电缆线。

在用于扁锭铸造时，一冷水箱的一冷喷水孔的孔径在一冷水箱倒L型截面上端内侧围成的圆角矩形的每条边上均呈由中间向两侧逐渐减小分布，圆角矩形的圆角处（即对应结晶器内套边角的位置处）没有一冷喷水孔。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，中间孔径大则水流大，散热相对较快，两侧孔径小则水流较小散热相对较慢，从而降低了扁锭各个侧面中心和两侧的温度差，有助于半连续铸造的顺利进行。

作为本发明的另一个方面，提供一种应用上述的分体式电磁半连铸结晶器进行合金铸造的方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)根据铸造合金的种类和规格，选择合适规格的结晶器内套并调整二冷出水口万向直角喷头的角度；

(2)将引锭头插入到结晶器内套底部，然后使用喷火枪将分流槽、引锭头以及结晶器内套烘干，并且使用石棉绳将引锭头与结晶器内套之间的缝隙塞住；然后在结晶器内套的内侧上涂满润滑脂，实现铸锭表面的润滑；调节分流槽的位置：分流槽调节的位置根据工艺条件设定，通常将分流槽中心调节至于结晶器内套中心位置重合，并且分流槽两侧方形孔的下沿与结晶器内套上沿距离为60~100mm；

(3)向一冷水箱和二冷水箱通入冷却水，形成一次冷却和二次冷却，并且向一冷线圈外壳和二冷线圈外壳中通入冷却水，对线圈进行冷却；

(4)将所需合金经熔炼、精炼和静置后，在保护气压力的作用下金属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；

(5)当金属熔体液面高于分流槽底部3～5mm时，开启电源，一冷线圈和二冷线圈中产生磁场，启动铸造机开始半连续铸造；

(6)当铸造长度符合要求时，停止供应金属熔体，关闭铸造机，让金属熔体在结晶器内套内逐渐凝固，在上表面凝固之后，关闭电源、冷却水，之后吊出铸锭，铸造结束。

上述的结晶器内套规格可以在一定范围内改变，对应的电磁条件需要进行相应的调整，在保持一冷线圈、二冷线圈的电流占空比、线圈匝数、线圈位置不变时，以使用最大规格结晶器内套铸造时，结晶器内套外壁与所述结晶器内侧面的距离、一冷线圈或二冷线圈中通入的电流为初始值，换用其他结晶器内套时，结晶器内套外壁与结晶器内侧面的距离相对初始值的增量

与一冷线圈或二冷线圈中采用的电流相对初始值的增量

有如下关系式(1)：

(1)

式中，

单位为A；

单位为mm。

上述的方法铸造扁锭时，扁锭的宽度200～2200mm，厚度100～650mm，宽厚比2～5。

上述的半连铸结晶器与方法适合于包括镁合金和铝合金等合金铸锭的半连铸过程。

与现有的半连续铸造用结晶器相比，本发明装置有以下优点：

一冷水箱和二冷水箱以及一冷线圈、二冷线圈是分别独立的，既可以精准和准确控制一冷水和二冷水的流量，同时也方便维修，并且结晶器的结构更加的简单明了，同时也为线圈预留了一定的空间，方便后续根据实际要求更换更大规格的线圈。

本发明中一种规格的半连铸结晶器配有一定规格范围内的多个结晶器内套，从而可以使用同一半连续铸造装置生产一定范围内不同规格的合金铸锭，从一定程度上可以较少结晶器的占用位置，降低生产成本。

将二冷水箱的二冷出水口设置在水箱底面，并且安装了万向直角喷头，可以实现对热裂敏感性不同的合金的半连续铸造，提高了一种规格的结晶器对于不同种类的合金的生产适用性，对于企业来说，可以有效的降低生产成本，提高生产效率。本发明装置可用于生产各种规格的质量良好的铸锭，特别是大扁锭。

附图说明

图1为本发明实施例中的一种分体式电磁半连铸结晶器结构的爆炸示意图；

图2为本发明实施例中的一种分体式电磁半连铸结晶器结构的垂直方向剖面示意图；

图3为本发明实施例中的一冷线圈外壳结构示意图；

图4为本发明实施例中的二冷水箱结构示意图；

图5为本发明实施例1中的换用不同规格的结晶器内套时，测量位置磁感应强度与距离之间的关系曲线图；

图6为本发明实施例1中的线圈中的电流增量值与距离（结晶器内套外壁与结晶器内侧面之间的距离）增量之间的关系曲线图；

图7为本发明实施例1中制备的镁合金铸锭产品外观图；

附图标记：1、支撑板，2、分流槽，3、内套把手，4、结晶器内套，5、顶板，6、一冷水箱，7、一冷水箱进水口，8、一冷线圈外壳，9、一冷线圈外壳长度方向进水口，10、中间板定位销，11、中间板，12、二冷线圈外壳， 13、二冷线圈电缆线，14、二冷水箱，15、二冷水箱进水口，16、底部支架，17、引锭头，18、螺纹悬挂钩，19、侧面方形孔，20、上介板，21、顶板螺栓，22、一冷水箱出水口，23、一冷线圈外壳宽度方向出水口，24、中间板缝隙，25、二冷线圈外壳宽度方向进水口，26、万向直角喷头，27、一冷线圈外壳长度方向出水口，28、一冷线圈电缆线，29、一冷线圈外壳宽度方向进水口，30、结晶器内侧面，31、一冷喷水孔；32、二冷出水口，33、测量位置。

具体实施方式

本发明实施例中，铸造的合金镁合金或铝合金大扁锭，规格为200×100×2600mm~2200×650×1800mm。

本发明实施例中使用的分体式电磁半连铸结晶器结构的爆炸示意图如图1所示，顶板5、一冷水箱6、中间板11、二冷水箱14和底部支架16由上至下依次设置。中间板11分为四部分，四部分围成的内侧即为中间板中心开孔，每两部分中间板的缝隙用于通过一冷线圈外壳和二冷线圈外壳的进水口、出水口软管和电缆线。图2为以分体式电磁半连铸结晶器两个长度侧面的竖直方向中心线所在的平面为剖切面的剖面示意图，如图2所示，一冷线圈外壳8和二冷线圈外壳12分别设置在一冷水箱6的倒L型截面和二冷水箱14的L型截面的凹槽内。

如图2所示，一冷线圈（用一冷线圈外壳8中的阴影部分表示）和二冷线圈（用二冷线圈外壳23中的阴影部分表示）分别设置在一冷线圈外壳8和二冷线圈外壳23内，一冷线圈、二冷线圈的进水口、出水口和一冷线圈电缆线、二冷线圈电缆线一起从中间板缝隙24延伸出来（图2中仅标记了一冷线圈电缆线28和二冷线圈电缆线13，一冷线圈外壳和二冷线圈外壳的进水口软管和出水口软管也设在电缆线出口附近从中间板缝隙24延伸出来）；顶板5的中心开孔内侧、中间板11中心开孔内侧、一冷水箱6倒L型截面上端内侧、二冷水箱14的L型截面下端内侧、一冷线圈外壳8内侧和二冷线圈外壳12内侧在竖直方向互相平齐，同在一个环形面上，即为结晶器内侧面30，结晶器内套4设置在结晶器内侧面30内；一冷水箱6倒L型截面上端内侧壁上设置一冷喷水孔31。

分流槽的规格为200×50×50～800×200×200 mm的敞口长方形桶，分流槽内部中心有控流锥，在铸造时控流锥插入供应合金熔体的导液管中，通过调整控流锥与导液管的间隙控制合金熔体的流量。控流锥高度为60~150 mm，分流槽内有两个挡板，挡板上设有方孔，挡板方孔上设置过滤网，过滤网为10～20目，两挡板之间的距离为100～400 mm。分流槽2和分流槽2内过滤网的材质为不锈钢。分流槽宽度方向侧面设置侧面方形孔19，挡板上的方形孔和分流槽侧面方形孔19规格分别为25×15～100×50 mm、20×10～80×40 mm。分流槽2挂在螺纹悬挂钩18上，置入结晶器内套4内，带螺纹悬挂钩18的支撑板1搭接在结晶器内套4上沿。螺纹悬挂钩18和支撑板1的材质为45#碳钢。

结晶器内套4的材质为铜或铜合金。结晶器内套4高度为160~500mm。

顶板5和中间板11的厚度分别为5~20mm、10~40mm。顶板螺栓21直径为8～10mm，共8个，均匀分布在顶板5中心开孔周围，将顶板5固定在一冷水箱6顶端；中间板定位销10直径为8～10mm，长60～120mm，共8个，中间板定位销10插入到中间板11上相应的孔中，稍微高于中间板11，对一冷水箱6有定位作用。

一冷水箱6和二冷水箱14的材质为不锈钢，厚度均为5~20mm。一冷水箱长度方向外侧中心偏下位置设置一冷水箱进水口7，宽度方向外侧中心偏上位置设置一冷水箱出水口22。一冷水箱6的一冷喷水孔31为变径水孔，朝向一冷水箱6内部一侧的孔径大于朝向结晶器内套4侧的孔径，相邻一冷喷水孔31之间的距离为5~20mm；二冷水箱14的结构如图4所示，图4中的二冷水箱为底部朝上，两个二冷水箱进水口15分别设置在两个长度方向外侧中心偏上（图4中因为底部朝上所以是偏下）位置，二冷水箱14底部靠近下端内侧5~20mm的位置设置一圈二冷出水口32，二冷出水口32上设置万向直角喷头26，万向直角喷头26为市购产品，内径1～4mm。

一冷线圈和二冷线圈分别安装在不锈钢的一冷线圈外壳8和二冷线圈外壳12内，一冷线圈外壳和二冷线圈外壳的厚度为1～3mm，一冷线圈外壳和二冷线圈外壳的横截面规格为40×40～100×200 mm；一冷线圈、二冷线圈采用螺线管线圈或齿形绕组线圈；电磁线为厚1～4mm、宽1～8mm的复合薄膜包扁铜线。以一冷线圈外壳8的结构（如图3所示）为例，在一冷线圈外壳8的长度方向（即扁锭的宽度方向）中间设置一冷线圈外壳长度方向进水口9、一冷线圈外壳长度方向出水口27（均接软管）和供一冷线圈电缆线28伸出的一冷线圈电缆线出口，在一冷线圈外壳8的宽度方向（即扁锭的厚度方向）中间设置一冷线圈外壳宽度方向出水口23和一冷线圈外壳宽度方向进水口29（均接软管）。

本发明实施例中应用上述分体式电磁半连铸结晶器进行铸造时，采用如下步骤：

(1)根据铸造合金的种类和规格，选择合适规格的结晶器内套并调整二冷出水口万向直角喷头的角度。

(2)将引锭头17插入到结晶器内套4底部，然后使用喷火枪将分流槽2、引锭头17以及结晶器内套4烘干，并且使用石棉绳将引锭头17与结晶器内套4之间的缝隙塞住；然后在结晶器内套4的内侧上涂满润滑脂，实现铸锭表面的润滑；然后将分流槽2的位置调节至结晶器内套中心。

(3)向一冷水箱6和二冷水箱14通入冷却水，形成一次冷却和二次冷却，并且向一冷线圈外壳8和二冷线圈外壳12中通入冷却水，对线圈进行冷却。

(4)在大扁锭半连续铸造时，将所需合金经熔炼、精炼和静置后，在保护气压力的作用下金属熔体经导液管流入分流槽2，再经过分流槽2流入到结晶器内套4与引锭头17形成的半封闭空间中。

(5)当金属熔体液面高于分流槽2底部3～5mm时，开启电源，启动磁场，启动铸造机开始半连续铸造。

(6)当铸造长度符合实际要求时，停止供液，关闭铸造机，让金属熔体在结晶器内套4内逐渐凝固，在上表面凝固之后，关闭电磁场电源、冷却水，之后吊出大扁锭，铸造结束。

本发明实施例中电磁场条件为占空比10~30%，频率5~40Hz，产生电磁场的脉冲电流范围50~200A。一冷线圈和二冷线圈通入的电流大小相同或带有相位差；相位差为60°、90°或120°。

本发明实施例中，铸造速度为10～40mm/min；一冷、二冷冷却水流量为8~20m³/h。

本发明实施例中，可以通过更换不同规格的内套，并配合相应电磁场条件的修改，实现一定范围内不同规格的合金铸锭的半连续铸造生产：保持一冷线圈或二冷线圈的电流占空比、线圈匝数、线圈位置不变时，以使用最大规格结晶器内套铸造时，结晶器内套4外壁与所述结晶器内侧面30的距离，以及一冷线圈或二冷线圈中通入的电流为初始值，换用其他结晶器内套时，结晶器内套4外壁与结晶器内侧面30的距离相对初始值的增量

与一冷线圈或二冷线圈中采用的电流

相对初始值的增量有如下关系式：

式中，

单位为A；

单位为mm。

实施例1

本实施例选择铸造的合金为AZ31，规格为2200×650×2050mm。

选择分流槽规格为800×200×200 mm；分流槽2两侧的侧面方形孔19上沿距离结晶器内套4上顶面70mm；分流槽中过滤网为20目，控流锥高度为60mm, 两挡板之间的距离为400mm，挡板上的方形孔和分流槽2两侧侧面方形孔19规格分别为100×40 mm、80×40 mm。

结晶器内套4的材质为铜，高度为500mm；结晶器内套外侧壁与结晶器内侧面30 的距离为10mm。顶板5和中间板11的厚度分别为10mm、20mm；一冷水箱6和二冷水箱14的材质为不锈钢，厚度均为10mm，一冷水箱6的倒L型横截面和二冷水箱14的L型横截面的方形凹槽规格为70×70mm，这一规格也是一冷线圈外壳8和二冷线圈外壳12的横截面规格；一冷水箱6和二冷水箱14的高度均为130mm。

调节对应结晶器内套侧面的二冷出水口万向直角喷头26轴线与结晶器内套4外壁之间的夹角为40°，对应结晶器内套边角部的万向直角喷头26轴线与结晶器内套4外壁之间的夹角为-20°（当万向直角喷头轴向与结晶器内套外壁所形成的锐角开口向上时夹角为正，反之，锐角开口向下时为负）；调节一冷水箱和二冷水箱的进水口的水量为20m³/h，设定铸造机的拉坯速度为40mm/min。

给定的电磁场条件为一冷线圈和二冷线圈通入脉冲电流，电流大小180A，占空比20%，频率5Hz。

大扁锭铸造过程如下：

将引锭头17插入到结晶器内套4底部，然后使用喷火枪将分流槽2、引锭头17以及结晶器内套4烘干，并且使用石棉绳将引锭头17与结晶器内套4之间的缝隙塞住；然后在结晶器内套4的内侧上涂满润滑脂，实现铸锭表面的润滑；然后将分流槽2固定并调节位置；

向一冷水箱6和二冷水箱14通入冷却水，形成一次冷却和二次冷却，并且向一冷线圈外壳8和二冷线圈外壳12中通入冷却水，对线圈进行冷却。

在大扁锭半连续铸造时，将所需合金经熔炼、精炼和静置后，在保护气压力的作用金属熔体下经导液管流入分流槽2，再经过分流槽2流入到结晶器内套4与引锭头17形成的半封闭空间中。

当液面高于分流槽2底部3～5mm时，开启电源，启动磁场，启动铸造机开始半连续铸造。

当铸造长度符合实际要求时，停止供应金属熔体，关闭铸造机，让金属熔体在结晶器内套4内逐渐凝固，在上表面凝固之后，关闭电磁场、冷却水，之后吊出大扁锭，铸造结束。

本发明实施例1中，在一冷线圈和二冷线圈中电流不变的情况下，换用不同规格的结晶器内套（规格为2200×650×500mm、2180×630×500mm、2160×610×500mm、2140×590×500mm、2120×570×500mm、2100×550×500mm）时，在每个结晶器内套内壁上取一个测量位置33，并测量了每一个结晶器内套的测量位置33处的磁感应强度值。测量位置33在各个结晶器内套长度侧面内壁的竖直中心线上，在垂直方向距离顶板5顶端所在的平面150mm，如图2所示，这一距离可确保测量位置在垂直方向和中间板厚度中心平齐，并且在垂直方向上一冷线圈和二冷线圈的正中间。各个结晶器内套内壁上的测量位置的磁感应强度与距离（指相应的结晶器内套外壁与结晶器内侧面之间的距离）之间的关系曲线图如图5所示。

由图5可知，当更换不同规格的内套时，如果一冷线圈、二冷线圈的位置、匝数及线圈中通入的电流不变，则结晶器内套的内壁处的磁感应强度会有变化。为保证更换结晶器内套时，结晶器内套的内壁，即铸造时的铸锭外侧的磁感应强度相对稳定，电磁场的条件（即一冷线圈、二冷线圈中的电流值）需要进行相应的调整：如果能够通过调整电流值使每一个结晶器内套的测量位置33处的磁感应强度保持一致，则可以实现每一个结晶器内套的内壁（即铸造时铸锭外侧）磁感应强度的相对稳定。在本实施例1中使用的几种不同规格的结晶器内套，以2200×650×300mm的结晶器内套采用的线圈电流值（180A）作为电流初始值，这一规格的结晶器内套与结晶器内侧面的距离作为距离初始值。如果更换不同的结晶器内套，结晶器内套外壁与结晶器内侧面的距离就会增加，为保证更换不同结晶器内套后每一个结晶器内套的测量位置33处的磁感应强度一致，一冷线圈或二冷线圈中需要通入的电流值相对电流初始值的增量，与结晶器内套4外壁与结晶器内侧面30的距离相对距离初始值的增量之间的关系曲线图如图6所示，经过拟合后的曲线符合式(1)。

制备的镁合金铸锭产品外观如图7所示，厚度648mm，宽度2196mm，表面无裂纹，表面质量良好。

实施例2

装置结构同实施例1，不同点在于：

铸造合金为AZ80，规格为400×200×2500mm。

选择分流槽2规格为400×100×120 mm；控流锥高度为20mm, 两挡板之间的距离为100mm ，挡板上的方形孔和分流槽2两侧侧面方形孔19的规格分别为25×15 mm、20×10mm。

结晶器内套4的材质为铜，高度为200mm；顶板5和中间板11的厚度分别为10mm、15mm；一冷水箱6和二冷水箱14的材质为不锈钢，厚度均为5mm，一冷水箱6的倒L型横截面和二冷水箱14的L型横截面的方形凹槽规格为50×50mm，这一规格也是一冷线圈外壳8和二冷线圈外壳12的横截面规格；一冷水箱6和二冷水箱14的高度均为70mm。

调节二冷出水口万向直角喷头26与结晶器内套4外壁之间的夹角为-25°（当万向直角喷头轴向与结晶器内套外壁所形成的锐角开口向上时夹角为正，反之，锐角开口向下时为负）；调节一冷水箱和二冷水箱的进水口的水量为8m³/h，设定铸造机的拉坯速度为15mm/min；

给定的电磁场条件为占空比20%，频率40Hz，电流60A。

方法同实施例1；获得的镁合金大扁锭产品无裂纹。

本实施例中，使用结晶器内套规格为400×200×200mm（初始规格）、380×180×200mm、360×160×200mm、340×140×200mm、320×120×200mm、300×100×200mm，电流初始值为60A，结晶器内套外壁与结晶器内侧面之间的距离初始值为10mm。电流值相对初始值的增量与距离（结晶器内套外壁与结晶器内侧面之间的距离）相对初始值的增量如下表1。

表1 电流值相对初始值的增量与距离相对初始值的增量关系

距离增量（mm）	电流值增量(A)
		10	19
20	27
		30	33
40	38
		50	42

Claims (10)

1.一种分体式电磁半连铸结晶器，其特征在于，包括结晶器内套、顶板、一冷水箱、二冷水箱、一冷线圈、一冷线圈外壳、二冷线圈、二冷线圈外壳、中间板、底部支架、分流槽；

从上至下依次设置顶板、一冷水箱、中间板、二冷水箱、底部支架；

所述顶板中心有中心开孔；

所述一冷水箱、二冷水箱为环形，一冷水箱环形的横截面为外侧宽内侧窄的倒L型，二冷水箱环形的横截面为外侧宽内侧窄的L型，一冷水箱和二冷水箱环形外侧均设置进水口和出水口；

一冷线圈外壳和二冷线圈外壳为环形，一冷线圈外壳设置在倒L型截面的一冷水箱靠近结晶器内套的一侧下端的环形凹槽中，二冷线圈外壳设置在L型截面的二冷水箱靠近结晶器内套的一侧上端的环形凹槽中，一冷线圈设置在一冷线圈外壳内，二冷线圈设置在二冷线圈外壳内，一冷线圈外壳和二冷线圈外壳上均设置进水口、出水口和线圈的电缆线出口，一冷线圈外壳和二冷线圈外壳进水口、出水口均接软管；

所述中间板设置在一冷水箱与二冷水箱之间、一冷线圈外壳与二冷线圈外壳之间，中间板中心有中心开孔，中间板边缘至中间板中心开孔之间设置缝隙，缝隙位置与一冷线圈外壳和二冷线圈外壳的进水口、出水口和电缆线出口位置对应，一冷水箱、中间板、二冷水箱依次可拆卸固定连接，一冷线圈外壳和二冷线圈外壳的进水口软管、出水口软管和一冷线圈、二冷线圈的电缆线通过中间板缝隙延伸出结晶器；

所述顶板的中心开孔形状、中间板中心开孔形状、一冷水箱倒L型截面上端内侧围成的形状、二冷水箱L型截面下端内侧围成的形状、一冷线圈外壳内侧和二冷线圈外壳内侧围成的形状完全相同，所述顶板的中心开孔内侧、中间板中心开孔内侧、一冷水箱倒L型截面上端内侧、二冷水箱L型截面下端内侧、一冷线圈外壳内侧和二冷线圈外壳内侧在竖直方向相互平齐，同在一个环形面上，所述环形面为结晶器内侧面；

结晶器内套设置于所述结晶器内侧面内，结晶器内套外壁与所述结晶器内侧面共同构成一次冷却的冷却水通道；

所述一冷水箱倒L型截面上端内侧壁上设置一冷喷水孔，所述二冷水箱底部靠近结晶器内套处设置二冷出水口，二冷出水口上设置万向直角喷头；

所述分流槽设置在结晶器内套内，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；

所述一冷水箱、二冷水箱、一冷线圈外壳、二冷线圈外壳、顶板的中心开孔、中间板中心开孔的内侧均为水平方向上朝向结晶器内套一侧，外侧均为水平方向上远离结晶器内套、朝向结晶器外部一侧；

所述分体式电磁半连铸结晶器配有多个结晶器内套。

2.根据权利要求1所述的分体式电磁半连铸结晶器，其特征在于，所述一冷喷水孔为变径水孔，朝向一冷水箱内部一侧的孔径大于朝向结晶器内套侧的孔径，一冷喷水孔朝向一冷水箱内部一侧的孔径和朝向结晶器内套侧的孔径均在1~4mm范围内，相邻两个一冷喷水孔中心的间距为5~20mm。

3.根据权利要求1所述的分体式电磁半连铸结晶器，其特征在于，所述二冷出水口轴线方向与结晶器内套的角度为5~20°，二冷出水口与二冷水箱L型截面下端内壁距离5~20mm，所述万向直角喷头与二冷出水口轴线方向可调角度0~30°，万向直角喷头的内径为1~4mm。

4.根据权利要求1所述的分体式电磁半连铸结晶器，其特征在于，所述结晶器内套采用铜或铜合金材质；结晶器内套高度为160～500mm；所述结晶器内套外壁与结晶器内侧面距离为10～60mm。

5.根据权利要求1所述的分体式电磁半连铸结晶器，其特征在于，所述一冷线圈外壳和二冷线圈外壳的材质为不锈钢，厚度为1~3mm，一冷线圈外壳和二冷线圈外壳的垂直横截面规格范围为40×40～100×200 mm。

6.根据权利要求1-5中任一项所述的分体式电磁半连铸结晶器，其特征在于，所述分体式电磁半连铸结晶器用于扁锭的铸造，所述一冷水箱、二冷水箱、一冷线圈外壳、二冷线圈外壳均为方环形，所述顶板的中心开孔形状、中间板中心开孔形状、一冷水箱倒L型截面上端内侧围成的形状、二冷水箱L型截面下端内侧围成的形状、一冷线圈外壳和二冷线圈外壳内侧围成的形状均为完全相同的圆角矩形，所述结晶器内侧面的水平向截面为所述圆角矩形；在一冷水箱倒L型截面上端内侧围成的圆角矩形每条边上，所述一冷水箱的一冷喷水孔的孔径均呈由中间向两侧逐渐减小分布，圆角矩形的圆角处没有一冷喷水孔。

7.根据权利要求6所述的分体式电磁半连铸结晶器，其特征在于，所述一冷水箱的进水口有两个，分别设置于一冷水箱方环两个长度方向外侧中心偏下位置，一冷水箱的出水口有两个，分别设置于一冷水箱方环两个宽度方向外侧中心偏上位置；所述一冷线圈外壳和二冷线圈外壳方环四边外侧均设置一个进水口、一个出水口，一冷线圈外壳和二冷线圈外壳方环两个长度方向外侧设置均设置一个电缆线出口；所述中间板分为四部分，四部分围成的内侧即为中间板的中心开孔，每两部分中间板的缝隙用于通过一冷线圈外壳和二冷线圈外壳的进水口软管、出水口软管和电缆线。

8.应用权利要求1所述的分体式电磁半连铸结晶器进行合金铸造的方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)根据铸造合金的种类和规格，选择合适规格的结晶器内套并调整二冷出水口万向直角喷头的角度；

(2)将引锭头插入到结晶器内套底部，然后使用喷火枪将分流槽、引锭头以及结晶器内套烘干，并且使用石棉绳将引锭头与结晶器内套之间的缝隙塞住；然后在结晶器内套的内侧上涂满润滑脂，实现铸锭表面的润滑；调节分流槽的位置；

(3)向一冷水箱和二冷水箱通入冷却水，形成一次冷却和二次冷却，并且向一冷线圈外壳和二冷线圈外壳中通入冷却水，对线圈进行冷却；

(4)将所需合金经熔炼、精炼和静置后，在保护气压力的作用下金属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；

(5)当金属熔体液面高于分流槽底部3～5mm时，开启电源，一冷线圈和二冷线圈中产生磁场，启动铸造机开始半连续铸造；

(6)当铸造长度符合要求时，停止供应金属熔体，关闭铸造机，让金属熔体在结晶器内套内逐渐凝固，在上表面凝固之后，关闭电源、冷却水，之后吊出铸锭，铸造结束。

9.根据权利要求8所述的合金铸造的方法，其特征在于，所述分体式电磁半连铸结晶器配有多个结晶器内套，保持一冷线圈、二冷线圈的电流占空比、线圈匝数、线圈位置不变时，以使用最大规格结晶器内套铸造时，结晶器内套外壁与所述结晶器内侧面的距离为距离初始值，一冷线圈或二冷线圈中通入的电流为电流初始值，换用其他结晶器内套时，结晶器内套外壁与结晶器内侧面的距离相对距离初始值的增量

与一冷线圈或二冷线圈中采用的电流相对电流初始值的增量

有如下关系式：

式中，

单位为A；

单位为mm。

10.根据权利要求8或9所述的合金铸造的方法，其特征在于，铸造的铸锭为镁合金或铝合金扁锭，扁锭的宽度200～2200mm，厚度100～650mm，宽厚比2～5。

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