CN1603027A - 铝合金、镁合金低频电磁场水平连续铸造工艺与设备 - Google Patents

Abstract

一种用于铝合金、镁合金低频电磁场水平连续铸造工艺，包含有将合金熔体导入中间包与结晶器中，经结晶器内的石墨环与冷却水的两次冷却，再由链传动系统牵引的引锭杆拉出，拉制中在结晶器外套前端、结晶器与中间包之间，中间包前部中之一处配置励磁线圈，其产生的电磁场频率为18－80Hz，磁场强度为2000－5000安匝，中间包与结晶器过渡区内设置喇叭碗，拉制速度为150～300mm/min；使用本工艺的设备包含动力与传动系统，由导轨支撑的引锭杆，中间包与结晶器等部分，本工艺与设备结合可生产出晶粒组织细化、均匀，表面质量优良的铝合金、镁合金锭坯，利于深加工。

Description

铝合金、镁合金低频电磁场水平连续铸造工艺与设备

技术领域

本发明涉及轻合金铸造工艺和设备，尤其是关于铝合金或镁合金低频电磁场水平连续铸造工艺与设备。

背景技术

目前，在生产小规模、小批量、多品种铝合金或镁合金扁(方)坯或圆棒产品时，选用常规水平铸造工艺，实践中存在以下不足之处：

1)与热顶铸造(立式铸造)一样，由于凝固过程中的锭坯内部与边部存在温度梯度，锭坯微观组织不均，中心粗大，边部较为细小，并且平均晶粒大，枝晶发达；

2)同时水平铸造工艺中由于重力作用，锭坯凝固过程中其下部与结晶器中石墨环的接触压力和摩擦力也不同，二次冷却强度也因喷射水帘不均而存在差别(一般来说锭坯下部冷却强度较大)，因此，锭坯上部与下部的微观组织存在明显的差别，表面质量也不同，一般下部因有较大的接触摩擦而较为粗糙；

3)对于合金元素密度差较大的合金来说，由于合金元素的密度差以及冷却期间液穴的不对称性加剧了宏观偏析；

4)同时由于水平连铸二次冷却持续时间较立式铸造短，对于大尺寸锭坯可能加重晶粒粗大和锭坯内外组织差别，增加内应力，促进微裂纹产生。

特别是由于镁及其合金导热能力比铝和铜差，表面张力小，以上问题更为严重，造成产品质量下降，甚至产生废品，为此有以下专利旨在解决其上述问题，其中有：GB1194224为DC水平铸造方法，但该方法由于结晶器较长，难于对金属的凝固过程作良好控制，容易引起由于金属填充不足而导致的颈缩，并且对于镁合金难于得到高质量锭坯。US4474225是为了提高水平连续铸造的铸造速度以提高生产效率并消除高铸造速度下容易出现裂纹等缺陷为目的，经结晶器的石墨环与一次水冷之后，另设一个冷却剂喷嘴，喷射角度与结晶器相对，从而实现锭坯的三阶段冷却，其液穴变为奶嘴状。该方法主要用于铝合金。但在中间包温度发生波动时，难于通过铸造速度和两级冷却水量与压力的调整较好控制液穴的形状。US5431214也是为了实现三次冷却，不同的是在结晶器上设置喷射角不同的两级水冷，并与独立的第三级冷却前端设置擦水器来限定结晶器冷却水的喷射长度，工艺参数的控制也显得十分复杂。US5205344和WO01/00352A1主要通过优化结晶器结构改善结晶器内部的润滑系统以降低摩擦阻力，提高锭坯表面质量。US4605056作为金属水平连铸的方法是OCC方法与水平DC铸造工艺的结合。

由于水平铸造具有可实现连续化生产的重要特点，尽管在工业实践中尚未有镁合金水平铸造工艺，但相关研究却已引起人们的重视。针对镁合金水平DC铸造的发明专利较少。1999年挪威Hydro公司开发的镁合金水平DC铸造工艺与装置(US5915455)是一个里程碑。其特点是结晶器中具有两级相互独立的冷却水。并且在中间包与结晶器之间配置带加热装置的薄钢板，结晶器很短，一般为25～45mm，整个结构较为复杂。由于镁合金易于产生氢爆，镁合金板坯连铸一般采用非DC铸造方式，即不与冷却水接触。如2003年松下电气公司开发的镁合金铸件的铸造方法(US2003/0159797A1)是在无氧气氛中熔炼镁合金，通过配置在石墨冷却模外面的冷却管实现1～20K/s冷却速度下的水平板坯连铸。澳大利亚由于镁资源丰富，也对镁水平连铸工艺进行了研究，但获得的坯料表面质量很差，中心裂纹和表面冷隔为主要问题，未能得到满意产品。瑞士的P.Thevoz对镁合金水平连铸的温度场进行了数值模拟。澳大利亚CSIRO下属的制造科学与技术研究中心使用CalcoMOS软件对镁合金水平连铸的温度场与流场以及液穴形状进行了研究，目的在于开发镁合金水平连铸机。国内只有上海交通大学对镁合金专用水平连铸机进行了研究，并申请了专利(CN1317383A)，但该专利采用了较长的一次冷却带，难于保证良好的锭坯表面质量；采用节流阀来控制镁熔体流量的方法在实施过程中存在许多困难，因此国内尚无企业采用水平铸造生产镁合金锭坯。

发明内容

针对上述不足之处，本发明是要提供一种使铝合金、镁合金组织细化、均匀、合金元素偏折消除，熔体吸气量减少，氧化燃烧降低，内应力减少，无裂纹，表面质量好，利于后序加工的低频电磁场水平连续铸造工艺及使用此工艺的设备，并使该设备具有结构简单，方便操作，节能，可控，劳动强度低的特点。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：将高于液相线温度50～100℃的合金熔体导入中间包中，再进入固定在中间包上的结晶器中，经设在其内的石墨环一次冷却和冷却水二次冷却，由引锭杆在链传动系统牵引下，沿导轨拉出，同时测速电机测出速度信号提供给编码器，控制拉制速度。拉制过程中在结晶器外套前端，结晶器与中间包之间，中间包前部中之一处对熔体施加电磁场，其频率为18～80Hz，磁场强度为2000～5000安匝，使之对熔体产生涡流搅动，一般的铸造速度范围在150～300mm/min之间；铸造温度根据合金体系与牌号的不同而定，一般来说在高于液相线温度50～100℃温度下实现铸造，比传统水平铸造要低得多，即可以实现低温铸造；中间包内熔体温度控制在比液相线温度高30～60℃范围。为优化中间包与结晶器连接之过渡区内的流场，采用了喇叭型通路，此通路的截面形状是渐开线型或抛物线型。用于该工艺的设备包含设在机座上的动力系统(包括电机、传动带、减速器、主轴等)和由主轴带动的链条，储水槽及由链条牵引的引锭杆，测速电机与电机轴端相连并与设在机台上的编码器相连接，导轨前部控制熔体流动与凝固的中间包与结晶器相连，结晶器由外套和内套组成，内通有冷却水，内套内壁依次设有具有渐开线型或抛物线型的喇叭碗和石墨环，环长2～30毫米，在结晶器外套前端，结晶器与中间包之间，中间包前部中之一处设有励磁线圈。

本发明的有益效果是：铝合金或镁合金组织细化、均匀、消除合金元素偏折，减少熔体吸气量降低氧化燃烧，减少内应力，无裂纹，表面质量好，利于后序加工的水平连续铸造工艺及使用此工艺的设备，并使该设备具有结构简单，方便操作，节能，可控，劳动强度低的特点。

附图说明

图1：是用于本发明工艺的设备结构示意图；

图2：是图1断面结构示意图；

图3：是图2中中间包、结晶器、励磁线圈配置示意图；

图4：是AZ91Φ66电磁场水平铸造锭坯不同部位化学成分光谱分析部位图；

图5：是施加与未施加电磁场时AZ91镁合金在T＝685℃，U＝180mm/min条件下，水平铸锭金相组织对比图；

图6：是施加电场时AZ91镁合金表面质量图；

图7：是未施加电场时AZ91镁合金表面质量图；

图8：是电磁场频率对2024铝合金锭坯Cu元素在横截面底部与中心的相对含量影响图；

图9：是电磁场强度对2024铝合金锭坯Cu元素在横截面底部与中心的相对含量影响图；

图10：是施加与未施加电磁场对2024铝合金在T＝720℃，U＝225mm/min条件下，水平铸造锭坯金相组织对比图；

图11：是低频电磁场对铝合金水平铸造锭坯表面质量影响对比图。

图中：1中间包，2结晶器，3储水槽，4从动系统，5导轨，6动力系统，7编码器，8测速电机，9链条，10引锭杆，11合金熔液，12隔热板，13喇叭碗，14石墨环，15进水管，16液穴，17锭坯，18冷却水，19励磁线圈。

具体实施方式

为实现其发明目的，本发明将高于液相线温度50-100℃的合金熔体导入中间包中，再进入固定在中间包前壁上的结晶器中，经设在其内的石墨环的一次冷却和冷却水的二次冷却，由引锭杆在链传动系统牵引下，沿导轨拉出，测速电机测出速度信号提供给编码器以实现铸造速度控制，拉制过程中在结晶器外套前端，结晶器与中间包之间，中间包前部中之一处对熔体施加电磁场，其频率为18～80Hz，磁场强度为2000～5000安匝，使之产生涡流搅动，一般的铸造速度范围在150～300mm/min之间；铸造温度根据合金体系与牌号的不同而定，一般来说在高于液相线温度50～100℃温度下实现铸造，比传统水平铸造要低得多，即可以实现低温铸造；中间包中熔体温度控制在比液相线温度高30～60℃范围。在中间包与结晶器连接之过渡区内填充用以改善流场的喇叭型通路。用于该工艺的设备包含设在机座上动力系统(6)(包括电机、传动带、减速器、主轴等)和由主轴带动的链条(9)，由导轨(5)支撑的引锭杆(10)，与电机轴端相连的测速电机(8)和与测速电机测出速度信号相连的编码器(7)，导轨前部有依次相连的中间包(1)，隔热板(12)和结晶器(2)。结晶器(2)由外套和内套组成，内通有冷却水(18)，内套内壁依次设有断面是渐开线型或抛物线型的喇叭碗(13)和石墨环(14)，环长2～30毫米，在结晶器外套前端，结晶器与中间包之间，中间包前部中之一处设有励磁线圈(19)。该励磁线圈(19)可采用紫铜管绕制并作匝间绝缘处理，管内通以冷却水用以降温。

下面再结合实例作进一步说明：

例1：

这里以AZ91镁合金水平铸造时的锭坯质量作为例子进行阐述。本发明对其它AZ系列合金以及包括ZK和AM等系列在内的其它镁合金均有相类似效果。

A、工艺条件比较

一般来说，由于镁合金导热性能差，因此其拉制速度比相应规格铝合金低。对直径小于Φ100mm的铝合金圆棒，其传统水平铸造速度不高于180～220mm/min，相应规格镁合金的铸造速度要低得多。通过试验表明，在未加电磁场时，Φ66AZ91镁合金锭坯的铸造速度一般不宜高于180mm/min，通过施加低频电磁场(感应线圈电流为40A，频率为30Hz)，其铸造速度可在达到345mm/min时仍然不发生裂纹或漏流等问题。生产效率显著提高。由于锭坯凝固过程的内外温度梯度减小，液穴长度减小，可以大大降低铸造温度，如AZ91镁合金的铸造温度可以由690～710℃降低到660～690℃。

B、合金元素分析

铸造条件：铸锭尺寸：Φ66(采用铝合金引锭杆)；电磁场条件：频率50Hz，安匝数2400AN；铸造速度：180mm/min；铸造温度：660～670℃。

表1给出了铸造锭坯横截面上不同部位的化学成分光谱分析结果。主合金元素Al和Zn的偏差分别在-0.025～+0.019％和-0.03～+0.03％之间，可见合金元素的宏观偏析相当小，如表1所示。

                 表1锭坯不同部位化学成分的光谱分析结果

分析部位                            化学成分，/质量百分数

               Al    Zn    Mn    Si      Fe      Cu      Ni      Be

距顶部10mm     8.52  0.70  0.27  0.0295  0.0046  0.0022  0.0027  0.0004

距顶部22mm     8.34  0.68  0.27  0.0277  0.0041  0.0021  0.0023  0.0004

距顶部37mm     8.16  0.66  0.26  0.0263  0.0035  0.0019  0.0017  0.0004

距顶部50mm     8.24  0.68  0.26  0.0277  0.0038  0.0020  0.0018  0.0004

C、微观组织比较

图5分别给出了AZ91镁合金水平铸造过程无电磁与施加电磁条件下的锭坯微观组织照片。可见，未施加电磁场时，水平铸造锭坯枝晶十分发达，晶粒大小不均，存在许多特别粗大的晶粒组织，并且锭坯上、中、下不同部位的组织差别显著。低频电磁水平铸造锭坯的晶粒细小而均匀，枝晶由于熔断或破碎等而造成的退化显著，不同部位的微观组织差别明显减小，如表2所示。

              表2镁合金低频电磁水平铸造与传统水平铸造微观组织比较

     铸造方法                                  AZ91微观组织

   传统水平铸造    ＞200μm，粗大或放射状枝晶，锭坯横截面高向上的晶粒度及主合金元素差别大

低频电磁场水平铸造 ＜100μm，蔷薇晶或退化枝晶，锭坯不同部位组织与元素分布差别很小

D、表面质量比较

图6～7给出了施加与不施加电磁场对AZ91镁合金水平铸造锭坯表面质量的影响。可见，施加电磁场消除了冷隔和深的缩坑，表面质量大大提高。

例2：

A、工艺条件比较

铸造速度是一个最重要的工艺参数，其大小的确定必须考虑合金发生裂纹的倾向以及锭坯形状与规格尺寸等因素，另外还与工艺件的结构参数有密切关系。裂纹倾向或锭坯尺寸大时，铸造速度宜小，反之，可以有较高的铸造速度，另外降低铸造温度或结晶器等工艺件结构改进与优化也可以为铸造速度的提高提供可能。铸造速度太高将由于液穴长度的增加而另剧裂纹趋势，也可因一次冷却不足而导致漏铝事故。与镁合金相比，铝合金的裂纹趋势较小，可以有较高的铸造速度，但是锭坯规格为Φ60～100mm铝合金的传统水平铸造速度一般不高于180～220mm/min，否则将发生拉裂或漏铝导致拉铸过程中断。在本发明的条件下，2024铝合金的铸造速度在达到300mm/min以上时，不仅铸造过程可以顺利进行，而且锭坯表面质量优良，无裂纹发生，不过在兼顾内部组织的条件下，不宜采用太高的铸造速度。

B、电磁场对合金元素分布的影响

2024铝合金中具有较高的铜含量(3.8～4.9％，ASTM标准)，Cu由于与基体有较大的密度差，容易造成比重偏析。图8～9给出了不同电磁场频率与强度下，2024铝合金在铸造温度为720℃，铸造速度为225mm/min时拉制的Φ100mm锭坯横截面底部与顶部Cu元素相对含量变化情况。其中C_bot和C_top为底部和顶部Cu的质量百分数。可见，施加电磁场后Cu在锭坯底部的偏聚显著减小，在电磁场频率在20～50Hz范围效果最好，并且电磁场强度增加，促进了Cu在锭坯横截面高向上分布均匀程度的提高。

C、微观组织比较

由图10可知，未施加与施加电磁场时2024(Φ100mm)铝合金水平铸造(铸造温度与铸造速度分别为720℃和225mm/min)时锭坯不同部位的金相组织。可见，施加电磁场后极大细化了微观组织，而且宏观组织差别也显著减小。

D表面质量比较

由图11可知，铝合金电磁水平铸造锭坯表面质量比传统水平铸造好得多，施加低频电磁场消除了冷隔、偏析瘤和微裂纹等常见缺陷。

Claims (5)

1、铝合金或镁合金低频电磁场水平连续铸造工艺，包含有将合金熔体导入中间包中，再进入固定在中间包前端上的结晶器中，经设在其内的石墨环的一次冷却和冷却水的二次冷却，再由链传动系统牵引的引锭杆沿导轨拉出，其特征是导入合金熔体温度为高于液相线50～100℃，拉制中在结晶器外套前端、结晶器与中间包之间、中间包前部中之一处对熔体施加由励磁线圈产生的电磁场，频率为18～80Hz，磁场强度为2000～5000安匝，在中间包与结晶器连接过渡区内，设置具有流体疏张通路的喇叭碗，拉制速度为150～300mm/min。

2、使用权利要求1工艺的设备包含有设在机架上依次相连的电机、传动带、减速器和主轴构成的动力系统和由主轴带动的链条、与链条相连由导轨支撑的引锭杆，与电机轴相连的测速电机，与测速电机信号相连的编码器，其特征是导轨前部依次设有便于熔体流动的中间包和控制熔体凝固的结晶器，并在结晶器外套前端，结晶器与中间包之间，中间包前部中之一处设有励磁线圈。

3、根据权利要求2所述的设备，其特征在于所说的结晶器，包含有具有外套和与其结合的内套，外套上设有进水管，内套内壁设有石墨环，环长2～30毫米。

4、根据权利要求2所述的设备，其特征在于所说的励磁线圈，为一空心或实心绝缘导线绕制而成，其中空心式绝缘导线内通有冷却水，磁场强度为2000～5000安匝。

5、根据权利要求2所述的设备，其特征在于所说的中间包与结晶器连接区域内所设的喇叭碗采用具有保温性能的由耐火材料制成的渐开线型或抛物线型喇叭状通路。

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