CN112808955B - 高硅铝合金半固态铸棒的铸造结晶器及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种高硅铝合金半固态铸棒的铸造结晶器及其制备方法，该铸造结晶器包括内部具有容纳腔的水箱以及结晶器、石墨环结构和超声振动机构，所述水箱的顶部镶嵌有导流管，所述水箱的底部设有开口；所述结晶器设置在容纳腔内，结晶器的上端与导流管的下端密封连接，结晶器的下端与水箱开口处的侧壁密封连接；石墨环结构至少包括第一石墨环，第一石墨环位于结晶器内，并在第一石墨环与铸棒之间形成一层汽膜；超声振动机构至少部分悬置在导流管内，用于对铸棒进行超声振动。该铸造结晶器通过设置第一石墨环以及超声振动机构，能够使铸棒获得良好半固态凝固组织，且组织均匀细小，宏观偏析以及铸棒的表面质量得到明显改善。

Description

高硅铝合金半固态铸棒的铸造结晶器及其制备方法

技术领域

本发明涉及半连续铸造技术领域，具体涉及一种高硅铝合金半固态铸棒的铸造结晶器及其制备方法。

背景技术

在高硅铝合金半固态铸造过程中最关键的技术是利用机械搅拌或者物理外场对铝合金熔体的凝固过程施加干扰，形成半固态特有的凝固组织。而机械搅拌由于其对合金熔体存在污染，不适用于工业生产。

目前，适用于半固态半连续铸造的物理外场主要有气体扰动、电磁场和超声振动等。气体扰动对合金熔体的搅拌强度较低，无法获得良好的半固态凝固组织；电磁场主要分为：旋转电磁场、行波电磁场以及两者的复合场，但由于电磁场对合金熔体心部搅拌强度很低，因此存在搅拌不均匀的现象，同时由于电磁场对铸棒凝固组织中宏观偏析的改善较为明显，但是对晶粒细化的影响较弱；超声振动的剪切强度较高，能够显著促进铸棒的凝固组织晶粒细化和均匀化。

通过施加物理外场的方法虽然可以解决凝固组织粗大、成分偏析严重的问题，但是对高合金化合金铸棒的表面质量没有明显改善。

油气滑工艺通过在多孔介质类型的石墨环中分别通入空气和润滑油来改善铸棒凝壳和冷却石墨环之间的接触，从而提高铸棒的表面质量。但是油气滑工艺对冷却水存在污染的同时也会降低石墨环的使用寿命。传统石墨环及油气滑石墨环均为一体式结构，达到一定使用次数后石墨环的透气性、透油性、表面质量均会降低，对石墨环的使用寿命造成影响。

发明内容

本发明的主要目的在于提供一种高硅铝合金半固态铸棒的铸造结晶器及其制备方法，该铸造结晶器通过设置多段式石墨环结构，并将第一石墨环分别连通供水和供气系统，因而在第一石墨环与铸棒之间形成一层汽膜，加之超声振动机构的设置，能够使铸棒获得良好半固态凝固组织，且组织均匀细小，宏观偏析得到明显改善，同时铸棒的表面质量得到明显提高，以解决现有技术中不能同时改善高合金化合金铸棒凝固组织粗大、不均匀以及表面质量的技术问题。

为了实现上述目的，根据本发明的第一方面，提供了一种高硅铝合金半固态铸棒的铸造结晶器。

该高硅铝合金半固态铸棒的铸造结晶器包括：

内部具有容纳腔的水箱，所述水箱的顶部镶嵌有导流管，所述水箱的底部设有开口；

结晶器，所述结晶器设置在所述容纳腔内，所述结晶器的上端与所述导流管的下端密封连接，所述结晶器的下端与所述水箱开口处的侧壁密封连接；

石墨环结构，至少包括第一石墨环，所述第一石墨环位于所述结晶器内，且其分别连通供水和供气系统，并在所述第一石墨环与铸棒之间形成一层汽膜；

超声振动机构，其至少部分悬置在所述导流管内，用于对铸棒进行超声振动。

进一步的，所述超声振动机构包括超声探头和超声发射器，所述超声探头的一端悬置于所述导流管内，另一端连接所述超声发射器。

进一步的，所述结晶器呈圆柱体状，所述超声探头与所述结晶器同心设置；

所述导流管和所述结晶器的连接处与所述超声探头头端端部的距离L为70～100mm。

进一步的，所述第一石墨环为多孔结构，所述结晶器上分别设有贯通其侧壁的通气孔道和通水孔道，所述通气孔道和通水孔道分别连通所述第一石墨环；

所述通水孔道连接在所述第一石墨环的上端位置，所述通气孔道连接在所述第一石墨环的中部。

进一步的，所述通气孔道和所述通水孔道的孔径分别为2±0.5mm。

进一步的，所述石墨环结构包括第二石墨环和第一石墨环，所述第二石墨环密封连接在所述第一石墨环上方，并且所述第二石墨环的一端与所述导流管密封连接。

进一步的，所述第一石墨环上设有卡槽，所述第二石墨环上对应设有插头，所述第一石墨环与所述第二石墨环卡接固定。

进一步的，所述结晶器上开设有通水腔，并且所述通水腔靠近所述第一石墨环设置。

为了实现上述目的，根据本发明的第二方面，提供了一种高硅铝合金半固态铸棒的制备方法。

该高硅铝合金半固态铸棒的制备方法采用上述的高硅铝合金半固态铸棒的铸造结晶器，所述制备方法包括：

获得高硅铝合金熔液，并保持在一定温度下进行浇注；

所述高硅铝合金熔液流入结晶器，开始铸造；

当铸造长度为200～400mm时，开启脉冲送水和通气，以在第一石墨环上形成汽膜；其中：气压为1.0±0.1MPa，连铸速度为280±5mm/min，冷却水流量为260±20L/min；

铸造结束，获得高硅铝合金铸棒。

进一步的，所述高硅铝合金熔液的浇注温度为860±10℃；

铸造过程中，当铸造温度为680～720℃时开启超声振动，振动频率为25～34kHz，功率密度为0.3～0.35W/cm²。

本发明通过在铸棒和结晶器一冷区石墨环的内壁之间形成一层汽膜，将合金熔体凝固初期形成的薄凝壳与石墨环内壁的硬性接触转变为柔性接触，进而可有效改善铸棒的表面质量。而且超声振动的剪切强度较高，能够显著促进铸棒的凝固组织晶粒细化，且能抑制初晶硅的析出。因此采用汽膜和超声振动相结合的方法对导流管内的高硅铝合金熔体施加超声振动以细化组织晶粒，利用汽膜改善铸棒的表面质量。

另一方面，超声与汽膜相结合并不是单一的功能叠加，对工艺参数有严格的要求。为了达到必要的细化效果，需要对超声探头的插入深度及工艺参数进行精确的控制，且超声振动状态下的铝液在凝固过程中不能破坏石墨环内壁产生的汽膜，对超声工艺参数和气压及水压的工艺参数也有较高的要求。

在本发明中，高硅铝合金半固态铸棒的硅含量为12～25(wt.％)。

附图说明

通过阅读下文优选实施方式的详细描述，各种其他的优点和益处对于本领域普通技术人员将变得清楚明了。附图仅用于示出优选实施方式的目的，而并不认为是对本发明的限制。而且在整个附图中，用相同的参考符号表示相同的部件。在附图中：

图1为本发明实施例中高硅铝合金半固态铸棒的铸造结晶器的截面示意图；

图2为本发明实施例中石墨环结构的截面示意图；

图3为本发明实施例中采用汽膜以及超声振动连续铸造制备得到的铸棒的表面图；

图4为采用传统工艺连续铸造得到的铸棒的表面图；

图5为本发明实施例中采用汽膜以及超声振动连续铸造制备得到的铸棒的金相组织图；

图6为采用传统工艺连续铸造得到的铸棒的金相组织图。

图中：

1、水箱；2、导流管；3、结晶器；4、第二石墨环；5、第一石墨环；6、通气孔道；7、通水孔道；8、通水腔；9、超声探头；10、超声发射器；11、卡槽。

具体实施方式

下面将参照附图更详细地描述本公开的示例性实施方式。虽然附图中显示了本公开的示例性实施方式，然而应当理解，可以以各种形式实现本公开而不应被这里阐述的实施方式所限制。相反，提供这些实施方式是为了能够更透彻地理解本公开，并且能够将本公开的范围完整的传达给本领域的技术人员。

本发明公开了一种高硅铝合金半固态铸棒的铸造结晶器，如图1所示，该铸造结晶器包括内部具有容纳腔的水箱1以及导流管2、结晶器3、多段式石墨环结构和超声振动机构。导流管2镶嵌在水箱1的顶部，并且导流管2的下端位于容纳腔内，水箱1的底部设有开口；结晶器3设置在容纳腔内，结晶器3的上端与导流管2的下端密封连接，结晶器3的下端与水箱1开口处的侧壁密封连接；第一石墨环5位于结晶器3内，并且第一石墨环5分别连通供水和供气系统，并在第一石墨环5与铸棒之间形成一层汽膜；超声振动机构的至少部分悬置在导流管2内，用于对铸棒进行超声振动，能够使铸棒获得良好半固态凝固组织，组织均匀细小，宏观偏析得到明显改善。

在上述实施例中，结晶器3内通过设置第一石墨环5，并且由于第一石墨环5分别连通供水和供气系统，因而在第一石墨环5与合金铸棒之间形成一层汽膜，将合金熔体凝固初期形成的薄凝壳与石墨环内壁的硬性接触转变为柔性接触，进而可有效改善铸棒的表面质量；同时结合超声振动机构对导流管内的高硅铝合金熔体施加超声振动以细化组织晶粒。

作为本发明的另一种实施例，超声振动机构包括超声探头9和超声发射器10，如图1所示，超声探头9的一端悬置于导流管2内，超声探头9的另一端连接超声发射器10。

作为本发明的另一种实施例，结晶器3呈圆柱体状，如图1所示，超声探头9与结晶器3同心设置。

进一步地，导流管2和结晶器3的连接处与超声探头9头端端部的距离L在70～100mm范围内。

在铝合金连续铸造中，超声波振动能够改变正在凝固的熔融铝合金的组织和力学性能，其效果取决于采用的振动频率、振动功率、处理温度及探头位置。超声波除了起到振动作用外，还能引起强烈的空化现象，以及超声场的不均匀产生的强烈移动现象。因此，在高硅铝合金的连续铸造过程中超声振动要在保证凝壳不被破坏的情况下达到细化晶粒的效果。本发明的实施例中，将超声探头9的轴线与结晶器3的轴线对齐，即保持在一条直线上，并且超声探头9头端端部与一冷区(石墨环位置)的距离L控制在70～100mm范围内。

作为本发明的另一种实施例，第一石墨环5为多孔结构，如图1所示，结晶器3上分别设有贯通其侧壁的通气孔道6和通水孔道7，通气孔道6和通水孔道7分别连通第一石墨环5。

在本发明的实施例中，通过在结晶器3上开设通气孔道6和通水孔道7，使得第一石墨环5接通供水以及供气系统，因而能够在多孔结构的第一石墨环5上形成一层汽膜，从而将合金熔体凝固初期形成的薄凝壳与石墨环内壁的硬性接触转变为柔性接触，进而可有效改善铸棒的表面质量。

作为本发明的一种具体实施方式，第一石墨环5上设有通气槽和通水槽，并且通水槽位于上端，通气槽位于中部，通水孔道7通过通水槽连接在第一石墨环5的上端位置，通气孔道6通过通气槽连接在第一石墨环5的中部，气和水分别通过通气槽及通水槽进入第一石墨环5，并在第一石墨环5内侧形成一层汽膜。

作为本发明的另一种实施例，通气孔道6的孔径在2±0.5mm范围内。

作为本发明的另一种实施例，通水孔道7的孔径在2±0.5mm范围内。

作为本发明的另一种实施例，石墨环结构为复合多段石墨环，具体包括第二石墨环4和第一石墨环5，结合图1和图2所示，普通结构的第二石墨环4密封连接在多孔结构的第一石墨环5上方，并且第二石墨环4的一端与导流管2密封连接。

作为本发明的另一种实施例，第一石墨环5上设有卡槽11，第二石墨环4上对应设有插头，如图2所示，第一石墨环5与第二石墨环4通过卡槽11与插头卡接固定。

作为本发明的另一种实施例，结晶器3上开设有通水腔8，如图1所示，通水腔8靠近第一石墨环5设置。

本发明还公开了一种高硅铝合金半固态铸棒的制备方法，以下将通过具体实施例对本发明中的制备方法以及有益效果进行详细说明。

实施例1：

(1)在中频炉中将定量的高硅铝合金锭子熔化加温到920℃；

(2)在中频炉中对铝液进行变质处理；

(3)浇包保温温度设置为750℃，并在浇包进行除气除渣；

(4)铝液温度控制在850℃进行浇注；

(5)铝液经分流盘流入结晶器开始铸造，铸造温度控制在680℃，当铸造开启后启动超声振动，振动频率为25kHz，功率密度为0.3W/cm²；

(6)铸造长度在200mm时，开启脉冲送水和通气，气压控制在1.0±0.1MPa，连铸速度控制在275mm/min，冷却水流量控制为240L/min；

(7)结晶器石墨环为分段式设计，超声振动状态下的铝液先经过普通石墨环进行初步冷却凝壳，再经过多孔石墨环上形成的汽膜进行后续冷却，汽膜由水和气通过通气孔及通水孔在多孔石墨环上形成，随后在二次冷却水的作用下进行持续冷却，铸造过程结束并获得高硅铝合金铸棒。

实施例2：

(1)在中频炉中将定量的高硅铝合金锭子熔化加温到940℃；

(2)在中频炉中对铝液进行变质处理；

(3)浇包保温温度设置为820℃，并在浇包进行除气除渣；

(4)铝液温度控制在870℃进行浇注；

(5)铝液经分流盘流入结晶器开始铸造，铸造温度控制在720℃，当铸造开启后启动超声振动，振动频率为34kHz，功率密度为0.35W/cm²；

(6)铸造长度在400mm时，开启脉冲送水和通气，气压控制在1.0±0.1MPa，连铸速度控制在285mm/min，冷却水流量控制为280L/min；

(7)结晶器石墨环为分段式设计，超声振动状态下的铝液先经过普通石墨环进行初步冷却凝壳，再经过多孔石墨环上形成的汽膜进行后续冷却，汽膜由水和气通过通气孔及通水孔在多孔石墨环上形成，随后在二次冷却水的作用下进行持续冷却，铸造过程结束获得高硅铝合金铸棒。

实施例1～2中制备得到的高硅铝合金半固态铸棒的表面图以及金相组织图分别如图3和图5所示，采用传统工艺连续铸造得到的铸件的表面图以及金相组织图分别如图4和图6所示，通过与采用传统工艺连续铸造得到的铸件进行比较，实施例1～2中采用汽膜以及超声振动连续铸造生产的铸棒表面质量具有极大的提高，并且铸棒初晶硅晶粒的细化得到了明显的改善。

需要说明的是，本发明的说明书和权利要求书中的术语“包括”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列部件不必限于清楚地列出的那些部件，而是可包括没有清楚地列出的或对于部件固有的其它部件。

在本发明中，术语“上”、“下”、“底”、“顶”、“左”、“右”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系。这些术语主要是为了更好地描述本发明及其实施例，并非用于限定所指示的装置、元件或者组成部分必须具有特定方位，或以特定方位进行构造和操作。

并且，上述部分术语除了可以用于表示方位或者位置关系以外，还可能用于表示其他含义，例如术语“上”在某些情况下也可能用于表示某种依附关系或者连接关系。对于本领域普通技术人员而言，可以根据具体情况理解这些术语在本发明中的具体含义。

另外，本发明中涉及的“第一”、“第二”等的描述，该“第一”、“第二”等的描述仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示其相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。

另外，各个实施例之间的技术方案可以相互结合，但是必须是以本领域普通技术人员能够实现为基础，当技术方案的结合出现相互矛盾或无法实现时应当认为这种技术方案的结合不存在，也不在本发明要求的保护范围之内。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。

Claims (10)

1.一种高硅铝合金半固态铸棒的铸造结晶器，其特征在于，包括：

内部具有容纳腔的水箱(1)，所述水箱(1)的顶部镶嵌有导流管(2)，所述水箱(1)的底部设有开口；

结晶器(3)，所述结晶器(3)设置在所述容纳腔内，所述结晶器(3)的上端与所述导流管(2)的下端密封连接，所述结晶器(3)的下端与所述水箱(1)开口处的侧壁密封连接；

石墨环结构，至少包括第一石墨环(5)，所述第一石墨环(5)位于所述结晶器(3)内，且其分别连通供水和供气系统，并在所述第一石墨环(5)与铸棒之间形成一层汽膜；

超声振动机构，其至少部分悬置在所述导流管(2)内，用于对铸棒进行超声振动。

2.根据权利要求1所述的高硅铝合金半固态铸棒的铸造结晶器，其特征在于，所述超声振动机构包括超声探头(9)和超声发射器(10)，所述超声探头(9)的一端悬置于所述导流管(2)内，另一端连接所述超声发射器(10)。

3.根据权利要求2所述的高硅铝合金半固态铸棒的铸造结晶器，其特征在于，所述结晶器(3)呈圆柱体状，所述超声探头(9)与所述结晶器(3)同心设置；

所述导流管(2)和所述结晶器(3)的连接处与所述超声探头(9)头端端部的距离L为70～100mm。

4.根据权利要求1所述的高硅铝合金半固态铸棒的铸造结晶器，其特征在于，所述第一石墨环(5)为多孔结构，所述结晶器(3)上分别设有贯通其侧壁的通气孔道(6)和通水孔道(7)，所述通气孔道(6)和通水孔道(7)分别连通所述第一石墨环(5)；

所述通水孔道(7)连接在所述第一石墨环(5)的上部位置，所述通气孔道(6)连接在所述第一石墨环(5)的中部。

5.根据权利要求4所述的高硅铝合金半固态铸棒的铸造结晶器，其特征在于，所述通气孔道(6)和所述通水孔道(7)的孔径分别为2±0.5mm。

6.根据权利要求1所述的高硅铝合金半固态铸棒的铸造结晶器，其特征在于，所述石墨环结构包括第二石墨环(4)和第一石墨环(5)，所述第二石墨环(4)密封连接在所述第一石墨环(5)上方，并且所述第二石墨环(4)的一端与所述导流管(2)密封连接。

7.根据权利要求6所述的高硅铝合金半固态铸棒的铸造结晶器，其特征在于，所述第一石墨环(5)上设有卡槽(11)，所述第二石墨环(4)上对应设有插头，所述第一石墨环(5)与所述第二石墨环(4)卡接固定。

8.根据权利要求1所述的高硅铝合金半固态铸棒的铸造结晶器，其特征在于，所述结晶器(3)上开设有通水腔(8)，并且所述通水腔(8)靠近所述第一石墨环(5)设置。

9.一种高硅铝合金半固态铸棒的制备方法，其特征在于，采用权利要求1-8任一项所述的高硅铝合金半固态铸棒的铸造结晶器，所述制备方法包括：

获得高硅铝合金熔液，并保持在一定温度下进行浇注；

所述高硅铝合金熔液流入结晶器，开始铸造；

当铸造长度为200～400mm时，开启脉冲送水和通气，以在第一石墨环上形成汽膜；其中：气压为1.0±0.1MPa，连铸速度为280±5mm/min，冷却水流量为260±20L/min；

铸造结束，获得高硅铝合金铸棒。

10.根据权利要求9所述的高硅铝合金半固态铸棒的制备方法，其特征在于，所述高硅铝合金熔液的浇注温度为860±10℃；

铸造过程中，当铸造温度为680～720℃时开启超声振动，振动频率为25～34kHz，功率密度为0.3～0.35W/cm²。

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