CN1314501C - 铝合金管材电磁半连铸方法及铸造装置 - Google Patents

Abstract

一种铝合金管材电磁半连铸方法，铸造温度为710～770℃，铸造速度为60～180mm/min，施加的电磁场为内线圈10000～20000安匝数，频率为1～100Hz，外线圈2000～8000安匝数，频率为1～100Hz，相位差为外线圈电流相位滞后于内线圈电流相位0°～359°。该方法所采用的铸造装置是在半连续铸造机上，设置外结晶器和内结晶器，并设置两个全内置水冷线圈，即外线圈和内线圈，以及设置内热顶、外热顶、石磨环和雨淋式流槽。采用本发明的铝合金管材电磁半连铸方法，能使管坯晶粒球化、细化、组织均匀，有效提高铝合金管坯的内、外表面质量，实现管材的近终形状铸造，并能解决“抱芯”问题。

Description

铝合金管材电磁半连铸方法及铸造装置

技术领域

本发明属于铝合金管材铸造技术领域，尤其涉及铝合金管材电磁半连铸方法及铸造装置。

背景技术

高性能的铝合金管材在电力、建筑等各行业得到广泛应用，其生产方法主要有两种：

1、铸造成棒坯，然后轧制或挤压成管材，但这样工序多、金属利用率低；

2、先铸造成空心管坯，施加较小的变形量制成管材，金属利用率高。普通铝合金空心管的铸造有：砂型铸造、离心铸造和半连续铸造。

砂型铸造：投资少、适应性强，可生产各种形状、规格的产品。但生产效率低，劳动强度大；而且铸造中冷却速度慢，形核率低，晶粒粗大；缩松、气孔、夹杂、偏析等显微组织缺陷以及凹陷、裂纹等表面缺陷较多。

离心铸造：设备简单，产品品种灵活，应用广泛，可批量生产。铸造中，金属液浇入型筒，转动型筒成型。由于金属液在离心力作用下成型，很容易产生偏析；而且离心铸造的内表面为自由表面，表面质量一般；内外表面冷却条件不同(内表面为空冷)，因此凝固组织一般都不均匀，但离心铸造在生产梯度材料方面具有独特的优势。电磁离心铸造是在离心铸造的基础上施加磁场的工艺，具有改变枝晶生长方向、细化晶粒的有益功效。

半连续铸造：是液态金属在内、外结晶器和引锭底座组成的型腔中成型，随引锭底座的移动拉制成管坯，工艺设备简单、投资少。铸造中，沿管壁周向力场分布均匀，不存在离心力的偏析问题。但凝固过程中，液态金属凝固收缩、铸锭初凝壳与内结晶器的接触压力迅速增加，常出现表面拉裂，甚至产生铸锭与内结晶器直接抱死的“抱芯”现象。晶粒粗大，具有方向性的枝晶组织比较发达影响铸锭的力学性能。大量试验表明在实心锭半连铸中施加磁场具有细化晶粒、提高表面光洁度的优点，是提高锭坯质量的简捷、有效的工艺方法。目前实心锭电磁铸造方法有无模铸造(美国专利No3,467,166)、工频电磁铸造(美国专利No4,523,628)、低频电磁铸造(中国专利No02133270.3)等。空心管的电磁半连续铸造除了早期空心管无模铸造(美国专利No 4,126,175)外，在空心管的工频电磁铸造、低频电磁铸造及电磁振荡等各方面的研究均属空白。由于无模铸造对控制系统的要求高、成材率低，因此从未见到空心管无模铸造的工业生产报导。近年来，与电磁半连续铸管相关的研究只有H.Harada、李丘林的单线圈电磁连续铸管，虽然在细化晶粒，提高外表面质量方面有良好效果，具有一定的工业生产价值。但因线圈产生的磁场使液态金属、初凝壳受到沿径向向内的电磁力，而产生以下问题：

1、内表面质量：内结晶器与内表面初凝壳接触紧密，传热好，金属凝固收缩强，内结晶器与初凝壳的摩擦力大，影响铸锭内表面质量；当摩擦力大于初凝壳的抗拉强度，内表面则会拉裂。

2、抱芯：施加磁场后的电磁力是沿径向向内的，液态金属、初凝壳对于内结晶器的接触压力不但没有减少反而增加，因此增加了“抱芯”的几率。

3、组织分布不均：铸锭内外表面与内、外结晶器的接触紧密程度不同，冷却强度也不同，使凝固组织分布不均。

发明内容

针对现有铝合金管材铸造技术的不足之处，本发明提供一种铝合金管材电磁半连铸方法及铸造装置。

本发明的铝合金管材电磁半连铸铸造装置，是在半连续铸造机上，设置非磁性不锈钢结晶器，包括外结晶器和内结晶器，内结晶器略高于外结晶器，并设置两个全内置水冷线圈，即外线圈和内线圈，两线圈均为涂有绝缘漆的耐高温电磁线。铸造装置工作时，两线圈产生的磁场同时作用于铝合金金属熔体，与单线圈相比磁场分布更加复杂、磁场调节范围更宽。非磁性不锈钢结晶器使磁场在结晶器上的损失减小，使线圈产生的磁场更有效的作用在铝合金熔体上。内结晶器和外结晶器都设置有50～200mm高的热顶，实现对铝合金熔体的有效保温，能使铝熔体充分流动减少熔体的径向温差。在内结晶器的内热顶上端设置雨淋式流槽，实现雨淋式浇注，使管坯周向温度更加均匀从而能够铸造出更优质的管坯。

铸造中，金属熔体在电磁力作用下发生振动和强制对流，对铝熔体起到除气精练的作用。强制对流促使铸锭壁厚中心与边部的温度梯度降低，减少热应力；由于金属熔体的温度场均匀，会在两相区靠近液相区的很大范围内同时爆发式形核，形成均匀的等轴细晶组织；同时强制对流和振动使枝晶熔断、折断抑制了枝晶的生长，增加等轴晶数量；使两相区下部，靠近固相线的效结晶区宽度减少，加强了凝固中的补缩能力，减少了疏松、缩孔等缺陷；强制对流使结晶器壁上形成的晶核脱离壁面进入熔体中成为形核中心，增加形核数量，细化晶粒。另外电磁力推动金属熔体和初凝壳，有平衡静压力和控制表面成形的作用，高频下作用明显。双线圈条件下，可以使电磁力的方向沿径向向外，实现内表面的电磁成形。由于电磁力平衡或减弱了熔体静压力，抑制了偏析瘤的形成；电磁力推动铸锭内表面初凝壳，使初凝壳与内结晶器有分离的趋势，减弱了热传导及凝固收缩，减少了裂纹和“抱芯”发生；电磁力作用金属熔体形成弯液面，减少了熔体与内结晶器的的接触长度和压力，减弱了一次冷却强度，提高了铸锭表面质量。

本发明的铝合金管材电磁半连铸工艺是采用如上所述的铝合金管材电磁半连铸装置完成的，方法如下：

接通内线圈和外线圈的冷却水，接通内线圈和外线圈的电源，内线圈和外线圈通入电流后，浇注铝水，铝水由雨淋式流槽下的雨淋孔进入凝固型腔，形成初凝壳，向下移动引锭底座，进行空心锭的铸造。本发明铸造温度710～770℃，铸造速度为60～180mm/min，由于铸造中，有效的作用于铸锭的电磁场为内线圈的外侧磁场和外线圈的内侧磁场，因此施加的电磁场为内线圈10000～20000安匝数，频率为1～100Hz，外线圈为2000～8000安匝数，频率为1～100Hz，相位差为外线圈电流相位滞后于内线圈电流相位0°～359°。

采用本发明方法，通过调整加载电流的强度、频率、相位可实现差相工频电磁连铸、低频电磁连铸。

差相工频电磁连铸工艺铸造温度为710～770℃，铸造速度为60～180mm/min，施加的电磁场为内线圈10000～20000安匝数，频率为50Hz，外线圈2000～8000安匝数，频率为50Hz，相位差为外线圈电流相位滞后于内线圈电流相位1°～90°。在差相工频磁场作用下，铸锭中磁场分布均匀，内石墨环、外石墨环附近的金属熔体及初凝壳受到很强的电磁斥力作用；充分抑制了偏析瘤的形成，得到了内外表面均平整光洁的铸锭；壁厚中部金属熔体的流动速度明显加快，流动状态由无磁场的双侧对称小漩涡变为波及整个熔池的大环流；液相线向上移动，固相线变得平坦，两相区扩大，熔池中温度均匀，使得金属熔体在较小的过冷度下，即可形成爆发式的形核，晶核相互碰撞、摩擦，使枝晶生长困难，晶粒成近球状；同时壁厚中部与内外表面的温差减小，降低了铸锭的热应力，抑制了裂纹的形成。

低频电磁连铸工艺铸造温度为710～770℃，铸造速度为60～180mm/min，施加的电磁场为内线圈10000～20000安匝数，频率为1～50Hz，外线圈2000～8000安匝数，频率为1～50Hz，外线圈电流与内线圈电流相位差为0°。在低频磁场作用下，铸锭中磁场分布均匀，内/外石墨环附近的金属熔体及初凝壳受到一定的电磁斥力作用；能够抑制偏析瘤的形成，得到内外表面平整的铸锭；壁厚中部金属熔体的流动速度明显加快，在熔池中形成一个大环流，流动方向与差相磁场下的相反；液相线向上移动，固相线变得平坦，两相区扩大，温度梯度减小，熔体中产生爆发式的形核，形核数量激增，使晶粒充分细化，同时晶粒相互碰撞、摩擦，抑制枝晶生长，使晶粒成近球状；而且低频磁场下，电磁力的低频脉动量，更接近于晶间熔体的惯性响应区间，能引发两相区中晶间熔体产生受迫振荡，改变晶间熔体的流动方式，从而避免枝晶过分长大，起到细化晶粒和提高等轴晶比例的作用；由于壁厚中部与内外表面温差的减小，降低了管壁中的热应力，抑制了裂纹的形成。

采用本发明的电磁半连铸方法及铸造装置，能使管坯晶粒球化、细化、组织均匀，有效提高铝合金管坯的内、外表面质量，实现管材的近终形状铸造；并能解决“抱芯”问题。本发明方法工艺简单，通过调整加载电流的强度、频率、相位可实现多种铸造工艺，除工频电磁连铸、差相工频电磁连铸、低频电磁连铸外，还可实施电磁振荡、高频电磁连铸、单(内/外)线圈电磁连铸等，因此本发明具有很强的工业实用价值。

附图说明

图1是本发明的铝合金管材电磁半连铸铸造装置结构示意图，其中包括：1支架、2雨淋式流槽、3内热顶、4压盖、5外结晶器外套、6引锭底座、7螺帽、8内结晶器入口水管、9内结晶器上盖、10内结晶器体、11外热顶、12外结晶器入口水管、13外线圈、14外结晶器内套、15石磨环、16铝合金铸管、17内线圈。

图2～图5表示的是铸锭中磁感强度的分布，其中图2是差相磁场条件下在铸锭中磁感强度的实部示意图，图3是差相磁场条件下在铸锭中磁感强度的虚部示意图，图4是低频磁场条件下在铸锭中磁感强度的实部示意图，图5是低频磁场条件下在铸锭中磁感强度的虚部示意图。

图6～图7表示的是铸锭中电磁力的分布，其中图6是差相磁场条件下在铸锭中电磁力的分布示意图，图7是低频磁场条件下在铸锭中电磁力的分布示意图。

图8～图10表示的是速度场的分布，其中图8是无磁场条件下速度场的分布示意图，图9是差相磁场条件下速度场分布示意图，图10是低频磁场条件下速度场分布示意图。

图11～13表示的是温度场的分布，其中图11是无磁场条件下温度场的分布示意图，图12是差相磁场条件下温度场分布示意图，图13是低频磁场条件下温度场分布示意图。

图14～图17表示的是铸锭的宏观组织及裂纹，其中图14是无磁场条件下的宏观裂纹照片，图15是无磁场条件下的宏观组织照片，图16是差相磁场条件下的宏观组织照片，图17是低频磁场条件下的宏观组织照片。

图18～图24是铸锭的微观组织照片，其中图18是无磁场条件下边部铸锭的微观组织照片，图19是无磁场条件下中部微观组织照片，图20是差相磁场条件下边部微观组织照片，图21是差相磁场条件下中部微观组织照片，图22是低频磁场条件下边部微观组织照片，图23是低频磁场条件下中部微观组织照片，.图24是无磁场条件下边部发达的枝晶组织照片。

图25～图27是表示铸锭表面质量的照片，其中图25是无磁场条件下铸造的铝锭的表面照片，图26是差相磁场条件下铸造的铝锭的表面照片，图27是低频磁场条件下铸造的铝锭的表面照片。

具体实施方式

实施例1

如图1所示，本发明的铝合金管材电磁半连铸铸造装置包括：1支架、2雨淋式流槽、3内热顶、4压盖、5外结晶器外套、6引锭底座、7螺帽、8内结晶器入口水管、9内结晶器上盖、10内结晶器体、11外热顶、12外结晶器入口水管、13外线圈、14外结晶器内套、15石磨环、16铝合金铸管、17内线圈。外结晶器内套14和外结晶器外套5对合后，用压盖4固定，形成外结晶器水冷腔，外线圈13置于外结晶器水冷腔中；外结晶器内套14嵌有外热顶11、石磨环15；内结晶器体10、内结晶器上盖9结合构成内结晶器水冷腔，内线圈17置于内结晶器水冷腔中。内结晶器体10上嵌有内热顶3。内结晶器略高于外结晶器。支架1座于外结晶器上，内结晶器入口水管8从支架1中间穿过，用螺帽7固定，内结晶器冷却水由内结晶器入口水管8进入，一方面冷却内线圈17，另一方面提供铝合金铸管16的二次冷却水；外结晶器冷却水由外结晶器入口水管12进入，一方面冷却外线圈13，另一方面提供铝合金铸管16的二次冷却水。下部的引锭底座6与内结晶器、外结晶器配合构成凝固型腔；雨淋式流槽2设置于内结晶器的内热顶3上端。

以下实施例2和实施例3以6063铝合金的电磁半连铸为例，分别采用差相工频电磁连铸、低频电磁连铸进行铸造。

实施例2

差相工频电磁连铸

铸锭尺寸：φ290mm×35mm，不锈钢引锭底座

磁场条件：内线圈：安匝数14400AT；外线圈：安匝数6000AT；频率50Hz；外线圈电流相位滞后于内线圈50°

工艺参数：铸造温度为750℃，铸造速度为140mm/min。

铸锭质量比较如下：

铸造方法	表面质量	晶粒形状	晶粒尺寸/μm	裂纹
					传统半连铸	偏析瘤严重、表面凸凹不平	边部：枝晶或放射状枝晶中部：粗大等轴晶	边部：100～1000中部：100～200	纵向裂纹
差相工频半连铸	平整光洁	边、中部均为较小的等轴晶	边部：30～50中部：40～80	无

实施例3

低频电磁连铸

铸锭尺寸：φ290mm×35mm，不锈钢引锭底座

磁场条件：内线圈：安匝数12000AT；外线圈：安匝数5000AT；频率30Hz；外线圈电流相位滞后于内线圈0°

工艺参数：铸造温度750℃，铸造速度为140mm/min。

铸锭质量比较如下：

铸造方法	表面质量	晶粒形状	晶粒尺寸/μm	裂纹
					传统半连铸	偏析瘤严重、表面凸凹不平	边部：枝晶或放射状枝晶中部：粗大等轴晶	边部：100～1000中部：100～200	纵向裂纹
低频半连铸	平整、有少量偏析瘤	边、中部均为细小的等轴晶	边部：20～40中部：30～60	无

Claims (7)

1、一种铝合金管材电磁半连铸铸造装置，包括支架、雨淋式流槽、内热顶、压盖、外结晶器外套、引锭底座、螺帽、内结晶器入口水管、内结晶器上盖、内结晶器体、外热顶、外结晶器入口水管、外线圈、外结晶器内套、石磨环、内线圈，其特征是在半连续铸造机上，设置外结晶器和内结晶器，并设置两个全内置水冷线圈，即外线圈和内线圈，以及设置内热顶、外热顶、石磨环和雨淋式流槽，外结晶器内套和外结晶器外套对合后，用压盖固定构成外结晶器水冷腔，外线圈置于外结晶器的水冷腔中，内结晶器体和内结晶器上盖结合构成内结晶器水冷腔，内线圈置于内结晶器水冷腔中，外结晶器内套嵌有外热顶和石磨环，内结晶器体上嵌有内热顶，在内结晶器的内热顶上端设置雨淋式流槽。

2、按照权利要求1所述的铝合金管材电磁半连铸铸造装置，其特征在于外结晶器、内结晶器均为非磁性不锈钢结晶器，内结晶器高于外结晶器。

3、按照权利要求1所述的铝合金管材电磁半连铸铸造装置，其特征在于内线圈和外线圈均为涂有绝缘漆的耐高温电磁线。

4、按照权利要求1所述的铝合金管材电磁半连铸铸造装置，其特征在于内热顶和外热顶的高度均为50～200mm。

5、采用权利要求1所述的铝合金管材电磁半连铸铸造装置铸造铝合金管材的方法，其特征在于铸造工艺为：接通内线圈和外线圈的冷却水，接通内线圈和外线圈的电源，内线圈和外线圈通入电流后，浇注铝水，铝水由雨淋式流槽下的雨淋孔进入凝固型腔，形成初凝壳，向下移动引锭底座，进行铝合金空心锭的铸造，铸造温度为710～770℃，铸造速度为60～180mm/min，施加的电磁场为内线圈10000～20000安匝数，频率为1～100Hz，外线圈2000～8000安匝数，频率为1～100Hz，相位差为外线圈电流相位滞后于内线圈电流相位0°～359°，通过调整加载电流的强度、频率、相位实现差相工频电磁连铸、低频电磁连铸。

6、按照权利要求5所述的铸造铝合金管材的方法，其特征在于差相工频电磁连铸工艺施加的电磁场为内线圈10000～20000安匝数，频率为50Hz，外线圈2000～8000安匝数，频率为50Hz，相位差为外线圈电流相位滞后于内线圈电流相位1°～90°。

7、按照权利要求5所述的铸造铝合金管材的方法，其特征在于低频电磁连铸工艺施加的电磁场为内线圈10000～20000安匝数，频率为1～50Hz，外线圈2000～8000安匝数，频率为1～50Hz，外线圈电流与内线圈电流相位差为0°。

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