CN114130975A - 一种复合振动连铸均质细晶铸锭的装置与连铸方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了属于金属连续铸造领域的一种复合振动连铸均质细晶铸锭的装置与连铸方法；其中预搅拌器位于振动器的上方；连铸机包括：连铸平台、导流管、结晶器和连铸锭，导流管、结晶器和连铸锭由上而下依次设置于连铸平台内，导流管和结晶器的轴线与连铸中心线共线；预搅拌器包括：搅拌电机、转轴和搅拌头，搅拌头位于导流管中；振动器包括：振动源、连杆和振动头；搅拌头位于振动头的上方。本发明先通过预搅拌处理使熔体均质化，再施加强烈有效的振动处理使正在凝固的金属熔体组织细晶化。这种连铸中的复合振动熔体处理技术能显著地减少铸锭的卷气卷渣、形成偏析和裂纹等缺陷，具有更优异的熔体处理效果。

Description

一种复合振动连铸均质细晶铸锭的装置与连铸方法

技术领域

本发明属于金属连续铸造技术领域，具体为一种复合振动连铸均质细晶铸锭的装置与方法。

背景技术

在冶金、铸造等金属材料热加工行业中，有时需要对金属熔体施加各种搅拌处理，以促进合金成份溶解，使金属熔体的温度场、成分场均匀化。同时，对金属熔体的剪切搅拌处理也能够控制并改善金属熔体的凝固过程，避免粗大的树枝晶组织单向生长，获得具有等轴晶组织的铸件。为了追求进一步地细化结晶组织，研究者们发明了强剪切搅拌方案。但是，剧烈搅拌也增加了熔体卷气卷渣倾向、会在局部形成方向性层流等若干问题。

为了达到更细化铸件组织的目的，本发明对熔体施加振动处理以克服上述搅拌处理的不足。连续或脉冲的振动会瞬间对熔体微观区域形成强烈剪切并产生空化效应，诱发形成晶核增殖和整体形核的形核环境，有利于均匀形核。振动法熔体处理存在的问题是宏观均质效果差。

本发明汲取了搅拌熔体处理技术和振动熔体处理技术在连续制备均质细晶铸锭方面的优势，创新实现了二者的有机复合。

发明内容

针对背景技术中存在的问题，本发明提供了一种复合振动连铸均质细晶铸锭的装置，其特征在于，包括：预搅拌器、振动器和连铸机，其中预搅拌器位于振动器的上方；连铸机包括：连铸平台、导流管、结晶器和连铸锭，导流管、结晶器和连铸锭由上而下依次设置于连铸平台内，导流管和结晶器的轴线与连铸中心线共线；

预搅拌器包括：搅拌电机、转轴和搅拌头，转轴的上端与搅拌电机固接，下端与搅拌头固接，搅拌头位于导流管中；振动器包括：振动源、连杆和振动头，连杆的上端与振动源固接，下端与振动头固接；搅拌头位于振动头的上方。

所述振动源通过连杆向振动头传递振动，进而引发连铸金属熔体的细晶化结晶和生长过程。

所述振动头距离搅拌头的下端5cm，振动头的下端低于导流管的下端5毫米。

所述振动头位于导流管至结晶器之间的区域中。

所述振动头的下端距离铸锭固液界面5mm-50mm。

所述振动头由底板、至少两条交叉凹槽和联通孔组成，其中底板与振动头中线垂直，凹槽设置于底板的正上方，凹槽的上端形成凸台，两侧为连接侧板，多条凹槽的顶部形成与全部凹槽设置形状匹配的整块凸台，多块被独立的连接侧板用于连接凸台和底板。

所述连接侧板上开有至少一个联通孔。

所述底板的外形轮廓为圆形或矩形。

还提出了一种基于复合振动连铸均质细晶铸锭的装置的连铸方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤1、连铸过程开始前，在连铸平台上先后固定放置好振动器和预搅拌器，确认振动头及转轴的中心线与连铸中心线重合；调节振动头的位置，使振动头处于导流管至结晶器内；调节搅拌头的位置，使搅拌头处于导流管内、以及振动头上方；

步骤2、开启预搅拌器使其达到初始转速；开启振动器使其达到初始振动方式和初始振动频率；

步骤3、连铸过程中，向连铸结晶器和导流管内连续浇入所需温度的金属熔体，开始匀速牵引的连续铸锭过程；这时，逐渐调节预搅拌器使其达到最佳转速、调节振动器使其达到最佳振动方式和振动频率，使连铸的金属熔体在凝固前进行预搅拌均质化和振动细晶化的复合熔体处理。

所述初始振动方式为脉冲振动；所述初始转速为50rpm-500rpm；所述初始振动频率为30Hz-300Hz；所述最佳转速为100rpm-2000rpm；所述最佳振动方式为连续振动；最佳振动频率为50Hz-150Hz。

本发明的有益效果在于：

1、本发明的技术装备和工艺过程简单，其中，关键的搅拌电机和振动源设备都具有很好的工艺可控性。

2、本发明首先通过预搅拌处理使熔体均质化，再施加强烈有效的振动处理使正在凝固的金属熔体组织细晶化。这种连铸中的复合振动熔体处理技术能显著地减少铸锭的卷气卷渣、形成偏析和裂纹等缺陷，具有更优异的熔体处理效果。

附图说明

图1为本发明复合振动连铸均质细晶铸锭装置宽泛实施例的主剖面视图。

图2为本发明宽泛实施例中的预搅拌器示意图。

图3为本发明宽泛实施例中的振动器示意图。

图4为本发明宽泛实施例、实施例1和实施例2中的振动头主视图。

图5为本发明实施例1中圆形振动头的俯视图。

图6为本发明实施例1中圆形振动头在图4中A-A剖面的剖面图。

图7为本发明实施例2中矩形振动头的俯视图。

图8为本发明实施例2中矩形振动头在图4中A-A剖面的剖面图。

其中，1-预搅拌器，2-振动器，3-连铸机，4-连铸平台，5-熔体液面，6-导流管，7-结晶器，8-连铸锭，9-连铸中心线，10-搅拌电机，11-转轴，12-搅拌头，13-振动源，14-连杆，15-振动头，16-凸台，17-联通孔，18-凹槽，19-振动头中线，20-底板，21-连接侧板。

具体实施方式

以下结合附图对本发明作进一步的详细说明。

如图1所示的本发明宽泛实施例，包括：预搅拌器1、振动器2和连铸机3，其中

连铸机包括：连铸平台4、导流管6、结晶器7和连铸锭8，其中设置于连铸平台4内的导流管6、结晶器7和连铸锭8由上而下依次设置，导流管6和结晶器7的轴线与连铸中心线9共线；金属熔体由连铸平台一侧的连铸流槽(图中为标记)流入导流管6、结晶器7和连铸锭8，金属熔体停留的液面为熔体液面5；

预搅拌器1由搅拌电机10、转轴11和搅拌头12组成，转轴11的上端与搅拌电机10固接，下端与搅拌头12固接；振动器2由振动源13、连杆14和振动头15组成，连杆14的上端与振动源13固接，下端与振动头15固接；

搅拌电机10和振动源13均通过支架安装于连铸平台4上；搅拌头12位于导流管6中，振动头15位于导流管6至结晶器7之间的区域中；预搅拌器1位于振动器2的上方；具体的，搅拌电机10位于振动源13的上方，搅拌头12位于振动头15的上方；

搅拌头12均布置在连铸中心线9上；搅拌电机10带动转轴11实现搅拌头12对连铸金属熔体的均质化预搅拌；

振动源13通过连杆14向振动头15传递振动，进而引发连铸金属熔体的细晶化结晶和生长过程；振动头15的振动头中线19、转轴11的中心线与连铸中心线9共线。

在本实施例中，搅拌电机10为调速电机，根据不同的金属材料和熔体处理温度，搅拌电机10的转速可以在初始转速和最佳转速之间任意调节。

在本实施例中，连杆14由上方的“L”形连杆(图中未标号)和下方的中心线同轴连杆(图中未标号)一体组成，“L”形连杆中的长杆和中心线同轴连杆均竖直设置，中心线同轴连杆的中心线和振动头中线19共线。

在本实施例中，振动源为机械振动发生器或者超声振动发生器二者的一种；

如图4所示的振动头15由底板20、至少两条交叉凹槽18和联通孔17组成，其中底板20与振动头中线19垂直，凹槽18设置于底板20的正上方，凹槽18的上端形成凸台16，两侧为连接侧板21，多条凹槽18的顶部形成与全部凹槽18设置形状匹配的整块凸台16，多块被独立的连接侧板21用于连接凸台16和底板20，每块连接侧板21上开有至少一个联通孔17；振动头15独特的构造，能更大程度地增加振动头15与熔体间的有效处理面积，却又不限制熔体流动。

底板20的俯视图外形轮廓与连铸锭横截面的外形轮廓相似，即：圆形铸锭使用圆形的振动头(实施例1)，矩形铸锭使用矩形的振动头(实施例2)；

在本实施例中，两条凹槽18相互垂直，且中心正好相交于振动头中线19。

在连铸过程的不同阶段，振动源的振动方式可以调节为连续振动或者脉冲振动，振动源直接通过连杆向振动头传递着这种振动方式，进而引发连铸金属熔体的细晶化结晶和生长过程；振动头是位于连铸中心线上的导流管至结晶器内，且布置在搅拌头的下方，这样，熔体在经历初次的预搅拌后，再进行第二次振动处理；第二次振动处理的作用效果是：在接近铸锭近终凝固的区域进一步强化预均质化熔体的形核并强烈抑制长大，形成细晶的铸件组织。

宽泛实施例的连铸方法为：

步骤1、连铸过程开始前，在连铸平台4上先后固定放置好振动器和预搅拌器，确认转轴11的中心线、振动头中线19与连铸中心线9重合；调节振动头的位置，使振动头15正好处于导流管6至结晶器7内的恰当位置；调节搅拌头的位置，使搅拌头12正好处于导流管6内、振动头15上方的恰当位置；

步骤2、开启预搅拌器1使其达到初始转速；开启振动器2使其达到初始振动方式和初始振动频率。

步骤3、连铸过程中，向连铸结晶器和导流管内连续浇入所需温度的金属熔体，形成完全没过振动头15和搅拌头12的熔体液面5，开始匀速牵引的连续铸锭过程。这时，逐渐调节预搅拌器使其达到最佳转速、调节振动器使其达到最佳振动方式和振动频率，使连铸的金属熔体在凝固前进行预搅拌均质化和振动细晶化的复合熔体处理。施加这种预搅拌和振动的复合熔体处理方法直至整个连铸过程结束。生产出具有均质细晶组织的金属铸锭。

在本实施例中，振动头15位于的恰当位置为：随着振动头高度的尺寸、铸锭合金的固液U形界面弯曲程度、以及铸锭直径尺寸的不同，振动头下端探入结晶器7中的位置可能不同；一般的，振动头的下端距离铸锭固液界面5－50mm，通常是振动头的下部在结晶器中而上部在导流管中；较优的，振动头15的下端低于导流管6的下端5毫米，且振动头15距离搅拌头12下端5cm；此时，搅拌头12所处的位置为搅拌头12正好处于导流管6内、振动头15上方的恰当位置。

在本实施例中，初始转速为50-500rpm；初始振动方式为脉冲振动；初始振动频率为30-300Hz；

在本实施例中，最佳转速为100-2000rpm；最佳振动方式为连续振动；最佳振动频率为50-150Hz。

如图5和图6所示的本发明实施例1，主要就用于匹配圆形铸锭使用圆形振动头进行进一步描述，其他未描述的部分与宽泛实施例中的相同。

连杆14的中心线同轴连杆在凹槽18的顶部形成的凸台16中央固接；

在本实施例中，使用圆形铸锭的圆形结晶器，因此底板20的轮廓形状为与匹配的圆形；

在本实施例中，每块连接侧板21均只在中央位置开有一个联通孔17，全部联通孔17均分布于同一与底板和平台平行的平面内。

如图7和图8所示的本发明实施例2，主要就用于匹配矩形铸锭使用矩形振动头进行进一步描述，其他未描述的部分与宽泛实施例中的相同。

连杆14的中心线同轴连杆在凹槽18的顶部形成的凸台16中央固接；

在本实施例中，使用矩形铸锭的矩形结晶器，因此底板20的轮廓形状为与匹配的矩形；

在本实施例中，每块连接侧板21均只在中央位置开有一个联通孔17，全部联通孔17均分布于同一与底板和平台平行的平面内。

Claims (10)

1.一种复合振动连铸均质细晶铸锭的装置，其特征在于，包括：预搅拌器(1)、振动器(2)和连铸机(3)，其中预搅拌器(1)位于振动器(2)的上方；连铸机(3)包括：连铸平台(4)、导流管(6)、结晶器(7)和连铸锭(8)，导流管(6)、结晶器(7)和连铸锭(8)由上而下依次设置于连铸平台(4)内，导流管(6)和结晶器(7)的轴线与连铸中心线(9)共线；

预搅拌器(1)包括：搅拌电机(10)、转轴(11)和搅拌头(12)，转轴(11)的上端与搅拌电机(10)固接，下端与搅拌头(12)固接，搅拌头(12)位于导流管(6)中；振动器(2)包括：振动源(13)、连杆(14)和振动头(15)，连杆(14)的上端与振动源(13)固接，下端与振动头(15)固接；搅拌头(12)位于振动头(15)的上方。

2.根据权利要求1所述的一种复合振动连铸均质细晶铸锭的装置，其特征在于，所述振动源(13)通过连杆(14)向振动头(15)传递振动，进而引发连铸金属熔体的细晶化结晶和生长过程。

3.根据权利要求1所述的一种复合振动连铸均质细晶铸锭的装置，其特征在于，所述振动头(15)距离搅拌头(12)的下端5cm，振动头(15)的下端低于导流管(6)的下端5毫米。

4.根据权利要求1所述的一种复合振动连铸均质细晶铸锭的装置，其特征在于，所述振动头(15)位于导流管(6)至结晶器(7)之间的区域中。

5.根据权利要求4所述的一种复合振动连铸均质细晶铸锭的装置，其特征在于，所述振动头(15)的下端距离铸锭固液界面5mm-50mm。

6.根据权利要求1～5之一所述的一种复合振动连铸均质细晶铸锭的装置，其特征在于，所述振动头(15)由底板(20)、至少两条交叉凹槽(18)和联通孔(17)组成，其中底板(20)与振动头中线(19)垂直，凹槽(18)设置于底板(20)的正上方，凹槽(18)的上端形成凸台(16)，两侧为连接侧板(21)，多条凹槽(18)的顶部形成与全部凹槽(18)设置形状匹配的整块凸台(16)，多块被独立的连接侧板(21)用于连接凸台(16)和底板(20)。

7.根据权利要求6所述的一种复合振动连铸均质细晶铸锭的装置，其特征在于，所述连接侧板(21)上开有至少一个联通孔(17)。

8.根据权利要求6所述的一种复合振动连铸均质细晶铸锭的装置，其特征在于，所述底板(20)的外形轮廓为圆形或矩形。

9.一种基于权利要求1所述的复合振动连铸均质细晶铸锭的装置的连铸方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤1、连铸过程开始前，在连铸平台上先后固定放置好振动器和预搅拌器，确认振动头及转轴的中心线与连铸中心线重合；调节振动头的位置，使振动头处于导流管至结晶器内；调节搅拌头的位置，使搅拌头处于导流管内、以及振动头上方；

步骤2、开启预搅拌器使其达到初始转速；开启振动器使其达到初始振动方式和初始振动频率；

步骤3、连铸过程中，向连铸结晶器和导流管内连续浇入所需温度的金属熔体，开始匀速牵引的连续铸锭过程；这时，逐渐调节预搅拌器使其达到最佳转速、调节振动器使其达到最佳振动方式和振动频率，使连铸的金属熔体在凝固前进行预搅拌均质化和振动细晶化的复合熔体处理。

10.根据权利要求9所述的一种连铸方法，其特征在于，所述初始振动方式为脉冲振动；所述初始转速为50rpm-500rpm；所述初始振动频率为30Hz-300Hz；所述最佳转速为100rpm-2000rpm；所述最佳振动方式为连续振动；最佳振动频率为50Hz-150Hz。

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