CN112974745A - 一种半连续铸造装置及方法 - Google Patents

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吴永福
刘金炎
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Abstract

本发明公开了一种半连续铸造装置，包括分流单元和半连续铸造单元，分流单元安装在半连续铸造单元上方，分流单元包括动力装置、连接杆、搅拌叶片、分流壳体和流槽，动力装置安装在流槽的上方，流槽顶部敞口，底部有下铸口，分流壳体为上开口的中空壳体，流槽的下铸口与分流壳体的上开口连接，动力装置与连接杆的上端连接，连接杆的下端穿过流槽进入分流壳体内部与搅拌叶片相连，分流壳体为中空壳体，分流壳体的侧部或底部有若干个分流口。本发明还公开了一种半连续铸造方法。本发明的半连续铸造方法保证了熔体均匀且高速的进入铸造腔，并铸造腔内形成强烈搅拌作用，改善金属熔体的流动状态，使温度、成分更均匀，从而减小宏观偏析。

Description

一种半连续铸造装置及方法
技术领域
本发明涉及有色金属半连续铸造技术领域，一种半连续铸造装置及方法。
背景技术
在合金铸造过程中，往往会出现不同程度的宏观偏析，即铸锭或铸件尺度上的化学成分空间不均匀分布。宏观偏析的尺度贯穿整个铸锭，无法通过后续加工及热处理消除，因此宏观偏析是一种永久性的不可逆缺陷，影响后续加工过程，并影响产品的最终性能。
铸锭宏观偏析产生的本质原因有两个：其一，凝固前沿的溶质再分配；其二，固液两相相对运动。其中溶质再分配是材料凝固过程的本质属性，很难改变；而对金属熔体施加作用力可以有效的改变金属熔体的运动，从而改善宏观偏析。在连续及半连续铸造过程中，常常使用分流装置使金属熔体较均匀的分布于铸造腔内，如铝合金半连续铸造分流带和分流盘，双辊铸轧的布流器。但是以上分流装置都是被动分流，主要取决于分流装置的结构，不能主动的对金属熔体施加作用，改善宏观偏析。
除了被动分流外，可以通过外加物理场对金属熔体作用，从而改变金属熔体流动，减小宏观偏析。现有技术中，改变金属熔体流动的方法有机械搅拌、电磁搅拌、超声震动。
通过机械搅拌是处理金属熔体并减小宏观偏析的简单方法，但是会导致金属液面出现严重的波动，导致金属熔液吸气及卷渣。电磁铸造是在金属液体外部施加交变电流产生磁场，磁场作用于金属液体产生感应电流，形成洛伦兹力，从而产生搅拌的效果，改善宏观偏析。但是电磁力存在集肤效应，对金属熔体的穿透能力有限，很难作用到大规格铸锭中心位置。通过特定的超声探头，将超声波施加到金属熔体，形成空化效应、声流效应等多种效应综合作用，改变金属的凝固行为，改善宏观偏析。但是超声发生装置功率不足，效率低下，且超声探头容易产生高温腐蚀和空化腐蚀。
因此，有必要研发一种装备和方法，可以容易地实现均匀的分流并且对金属熔体提供强搅拌作用，改善金属熔体流场，减小宏观偏析。
发明内容
本发明的目的是提供一种主动分流的半连续铸造装置及方法，用于改善半连续铸造过程中金属熔体的流动，从而改善宏观偏析。本装置简单实用易实现，效果好，成本低。
一种半连续铸造装置，包括分流单元和半连续铸造单元，所述的半连续铸造单元包括保温帽(7)，结晶器(8)，石墨环(9)以及引锭(14)，所述分流单元安装在半连续铸造单元上方，所述分流单元包括动力装置(1)、连接杆(2)、搅拌叶片(3)、分流壳体(4)和流槽(5)，所述动力装置(1)安装在流槽(5)的上方，所述流槽(5)的顶部敞口，所述流槽(5)的底部有下铸口，所述分流壳体(4)为上开口的中空壳体，所述流槽(5)的下铸口与分流壳体(4)的上开口连接，所述动力装置(1)与连接杆(2)的上端连接，所述连接杆(2)的下端穿过流槽(5)进入分流壳体(4)内部与搅拌叶片(3)相连，所述分流壳体(4)的侧部或底部有若干个分流口(6)。
优先地，所述分流壳体(4)为中空圆柱状壳体，所述中空圆柱状壳体的直径小于铸锭直径的1/2。
优先地，所述分流壳体(4)为中空椭圆柱状壳体，所述中空椭圆柱状壳体的短轴小于铸锭厚度的1/2，长轴小于铸锭宽度的1/2。
优先地，所述分流壳体(4)为中空矩形柱状壳体，所述中空矩形柱状壳体的宽度小于铸锭厚度的1/2，长度小于铸锭宽度的1/2。
优先地，所述搅拌叶片(3)转速可调节，通过转动能在分流壳体内形成中心低压边部高压的压力梯度。
优先地，所述分流壳体(4)上开口尺寸大于所述搅拌叶片(3)的直径，以方便搅拌叶片(3)与分流壳体(4)分离。
优选地，所述流槽(5)、分流壳体(4)和搅拌叶片(3)材料为耐高温材料，并且适合在高温金属熔体中使用，如石墨、陶瓷、耐火材料、钢。
一种利用上述装置进行半连续铸造的方法，包括以下步骤：
1)将引锭(14)移动至石墨环(9)的下沿，引锭(14)与石墨环(9)、结晶器(8)形成下端封闭上端敞口的铸造腔(11)，将分流壳体(4)的分流口(6)及搅拌叶片(3)位于铸造腔内,分流壳体(4)位于结晶器(8)中心位置，对流槽(5)、分流壳体(4)及搅拌叶片(3)结晶器(8)及引锭(14)进行烘干预热30min；
2)结晶器(8)内通入冷却水(10)，将经过精炼、扒渣、除气、静置处理后的金属熔体引入流槽(5)，在重力的作用下经过分流壳体(4)的分流口(6)流入铸造腔(11)内，铸造腔(11)内金属熔体浸没分流壳体(4)的分流口(6)及搅拌叶片(3)，并到达设定液面高度；
3)在结晶器(8)和石墨环(9)及引锭(14)的冷却作用下，铸造腔(11)内的金属熔体形成凝壳，开启铸造机控制引锭(14)下移开始铸造，启动动力装置(1)，使搅拌叶片(3)旋转，驱使金属熔体进入分流壳体(4)，并从分流壳体(4)的分流口(6)均匀高速的流入铸造腔(11)；
4)铸造结束时，关闭动力装置(1)，停止搅拌，将分流单元移出铸造腔(11)，将分流壳体(4)与搅拌叶片(3)分离，关闭铸造机。
优选地，所述搅拌叶片(3)的转速小于50000转/分钟，与铸造速度相匹配，铸造速度越快，搅拌叶片(3)的转速越快。
可以通过改变搅拌叶片(3)的转速来调节分流速度，也可以通过改变搅拌叶片(3)位置高度来调节分流速度，始终控制铸造腔(11)内的液面在一定高度。
上述方法中，金属熔体以高速离开分流壳体(4)，进入铸造腔(11)内，对铸造腔(11)内的金属熔体形成强烈的搅拌作用，促使铸造腔(11)内的金属熔体充分混合，使温度均匀，且成分均匀，从而改善铸锭宏观偏析。
由于采用如上所述技术方案，本发明产生如下积极效果：
1.本发明可通过分流壳体的分流口的形状及数量和搅拌叶片转速来匹配不同形状、尺寸的铸锭和铸造速度，大幅提升了其适用性，生产效率明显提高。
2.搅拌叶片在分流壳体内旋转形成高压，使金属熔体更均匀高速的流入铸造腔内，有利于分流的均匀性。
3.金属熔体从壳体开口均匀高速流出，对铸造腔内的金属熔体形成强烈搅拌作用，改善金属熔体的流动状态，使温度、成分更均匀，有利于实现减小宏观偏析。
附图说明
图1为本发明的半连续铸造装置示意图。
其中，1：动力装置，2：连接杆，3：搅拌叶片，4：分流壳体，5：流槽，6：分流口，7：保温帽，8：结晶器，9：石墨环，10：冷却水，11：铸造腔，12：半固态金属，13：已凝固的金属，14：引锭。
图2为本发明的半连续铸造装置用于扁锭的半连续铸造的铸锭流场分布图。
图3为本发明的半连续铸造装置用于扁锭的半连续铸造的铸锭温度分布图。
具体实施方式
本发明的核心是提供一种用于有色金属铸锭半连续铸造的装置及方法，通过在分流壳体内搅拌叶片高速转动，形成高压，驱使金属熔体均匀高速的离开分流壳体，进入铸造腔，并且对铸造腔内的金属熔体实现强搅拌作用，使铸造腔内金属熔体温度、成分更均匀，达到均匀分流的目的，从而实现减小宏观偏析。
为了使本技术领域的人员更好的理解本发明方案，下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。
图1为本发明所提供半连续铸造装置的示意图。其中，该装置包括分流单元和半连续铸造单元，半连续铸造单元包括保温帽7，结晶器8，石墨环9以及引锭14，分流单元安装在半连续铸造单元上方，分流单元包括动力装置1、连接杆2、搅拌叶片3、分流壳体4和流槽5，动力装置1安装在流槽5的上方，流槽5的顶部敞口，底部有下铸口，分流壳体4为上开口的中空壳体，流槽5的下铸口与分流壳体4的上开口连接，动力装置1与连接杆2的上端连接，连接杆2的下端穿过流槽5进入分流壳体4内部与搅拌叶片3相连，分流壳体4为中空壳体，分流壳体4的侧部或底部有若干个分流口6；动力装置1可为搅拌叶片3提供0～50000转/分钟的转速，以调节分流流量的大小并控制液面高度。
分流壳体4的分流口6浸没与铸造腔11内液面，搅拌叶片3在动力装置1的驱动下在分流壳体4内高速旋转，形成了高压，驱使金属熔体均匀高速的离开分流壳体4，进入铸造腔11并对铸造腔11内的金属熔体实现强搅拌作用，使铸造腔11内金属熔体温度、成分更均匀。
采用上述装置进行半连续铸造的方法，其步骤为：
1)将引锭14移动至石墨环9的下沿，引锭14与石墨环9、结晶器8形成下端封闭上端敞口的铸造腔11，将分流壳体4的分流口6及搅拌叶片3位于铸造腔11内,分流壳体4位于结晶器8中心位置，对流槽5、分流壳体4及搅拌叶片3结晶器8及引锭14进行烘干预热30min-60min；
2)结晶器8内通入冷却水10，将经过精炼、扒渣、除气、静置处理后的金属熔体引入流槽5，在重力的作用下经过分流壳体4的分流口6流入铸造腔11内，铸造腔11内金属熔体浸没分流壳体4的分流口6及搅拌叶片3，并到达设定液面高度；
3)在结晶器8和石墨环9及引锭14的冷却作用下，铸造腔11内的金属熔体形成凝壳，开启铸造机控制引锭14下移开始铸造，启动动力装置1，使搅拌叶片3旋转，通过搅拌叶片3的转动，在分流壳体4内形成高压，驱使金属熔体进入分流壳体4，并从分流壳体4的分流口6均匀高速的流入铸造腔11，达到均匀分流的目的。
4)铸造结束时，关闭动力装置1，停止搅拌，将分流单元移出铸造腔11，将分流壳体4与搅拌叶片3分离，关闭铸造机。
实施例1
下面以440×1320mm规格5182铝合金扁锭的半连续铸造来详细对本发明描述。该半连续铸造装置包括分流单元和半连续铸造单元，半连续铸造单元包括保温帽7，结晶器8，石墨环9以及引锭14，分流单元安装在半连续铸造单元上方，动力装置1安装在流槽5的上方，流槽5的顶部敞口，底部有下铸口，分流壳体4为上开口的中空壳体，流槽5的下铸口与分流壳体4的上开口连接，动力装置1与连接杆2的上端连接，连接杆2的下端穿过流槽5进入分流壳体4内部与搅拌叶片3相连，连接杆2的直径20mm。
分流壳体4为中空圆柱状壳体，材质为塞隆陶瓷，直径为60mm，圆柱高度为500mm，在圆柱侧边上开有18个大小不等的正方形分流口6，底部开有直径为5mm的分流口6，分流口6的大小和数量可以根据铸造速度进行调整。
采用上述装置进行5182铝合金半连续铸造的方法，其步骤为：
1)将引锭14移动至石墨环9下沿，引锭14与石墨环9、结晶器8形成下端封闭上端敞口的铸造腔。将分流单元安装在铸造腔11上部，分流壳体4位于结晶器8中心位置，分流壳体4的分流口6及搅拌叶片3位于铸造腔内11，对流槽5、分流壳体4、搅拌叶片3、结晶器8及引锭14进行烘干预热30min。
2)结晶器8内通入冷却水10，冷却水量为20m3/h。将5182铝熔体精炼、扒渣、除气、静置处理，温度控制在720℃～740℃，将铝熔体引入流槽5，在重力的作用下进入分流壳体4，并通过分流口6流入铸造腔11内，实现充型，铸造腔11内的铝熔体浸没分流壳体4的分流口6及搅拌叶片3，并到达设定液面高度。
3)在结晶器8和石墨环9及引锭14的冷却作用下，铸造腔11内的铝熔体形成凝壳，开启铸造机控制引锭14以60mm/min的速度下移开始铸造，并且同时启动动力装置1，搅拌叶片3角度速度控制在3000转/分钟。
4)铸锭达到4m时，关闭动力装置1，停止搅拌，将分流单元移出铸造腔11，将分流壳体4与搅拌叶片3分离，关闭铸造机，铸造完毕。
采用上述装置进行半连续铸造能够达到的效果是：搅拌叶片3在动力装置1的驱动下，在分流壳体4内形成高压，驱使铝熔体从流槽5流入分流壳体4，并从分流壳体4分流口6高速均匀流出。高速铝熔体进入铸造腔11内形成强搅拌，其流场如图2所示，铸造腔11内形成了均匀的流场。其温度分布如图3所示，铸造腔11内温度分布均匀，减少了宏观偏析。

Claims (6)

1.一种半连续铸造装置，包括分流单元和半连续铸造单元，所述的半连续铸造单元包括保温帽(7)，结晶器(8)，石墨环(9)以及引锭(14)，所述分流单元安装在半连续铸造单元上方，其特征在于，所述分流单元包括动力装置(1)、连接杆(2)、搅拌叶片(3)、分流壳体(4)和流槽(5)，所述动力装置(1)安装在流槽(5)的上方，所述流槽(5)的顶部敞口，所述流槽(5)的底部有下铸口，所述分流壳体(4)为上开口的中空壳体，所述流槽(5)的下铸口与分流壳体(4)的上开口连接，所述动力装置(1)与连接杆(2)的上端连接，所述连接杆(2)的下端穿过流槽(5)进入分流壳体(4)内部与搅拌叶片(3)相连，所述分流壳体(4)的侧部或底部有若干个分流口(6)。
2.根据权利要求1所述的半连续铸造装置，其特征在于，所述分流壳体(4)为中空圆柱状壳体，所述中空圆柱状壳体的直径小于铸锭直径的1/2。
3.根据权利要求1所述的半连续铸造装置，其特征在于，所述分流壳体(4)为中空椭圆柱状壳体，所述中空椭圆柱状壳体的短轴小于铸锭厚度的1/2，长轴小于铸锭宽度的1/2。
4.根据权利要求1所述的半连续铸造装置，其特征在于，所述分流壳体(4)为中空矩形柱状壳体，所述中空矩形柱状壳体的宽度小于铸锭厚度的1/2，长度小于铸锭宽度的1/2。
5.根据权利要求1所述的半连续铸造装置，其特征在于，所述分流壳体(4)的上开口尺寸大于搅拌叶片(3)的直径，方便搅拌叶片(3)与分流壳体(4)的分离。
6.一种如权利要求1-5任一所述的装置进行半连续铸造的方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：
1)将引锭(14)移动至石墨环(9)的下沿，引锭(14)与石墨环(9)、结晶器(8)形成下端封闭上端敞口的铸造腔(11)，分流壳体(4)的分流口(6)及搅拌叶片(3)位于铸造腔内,分流壳体(4)位于结晶器(8)中心位置，对流槽(5)、分流壳体(4)及搅拌叶片(3)结晶器(8)及引锭(14)进行烘干预热30min-60min；
2)结晶器(8)内通入冷却水(10)，将经过精炼、扒渣、除气、静置处理后的金属熔体引入流槽(5)，金属熔体在重力的作用下经过分流壳体(4)的分流口(6)流入铸造腔(11)内，铸造腔(11)内的金属熔体浸没分流壳体(4)的分流口(6)及搅拌叶片(3)，并到达设定液面高度；
3)开启铸造机控制引锭(14)下移开始铸造，启动动力装置(1)，使搅拌叶片(3)旋转，驱使金属熔体进入分流壳体(4)，并从分流壳体(4)的分流口(6)流入铸造腔(11)；
4)铸造结束时，关闭动力装置(1)，将分流单元移出铸造腔(11)，将分流壳体(4)与搅拌叶片(3)分离，关闭铸造机。
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