CN201534212U - 一种复层金属铸锭的半连续铸造装置 - Google Patents

Abstract

一种复层金属铸锭的半连续铸造装置，属于金属材料制备领域。在石墨内衬结晶器正上方放置内设雨淋式浇注口的热顶；在石墨内衬结晶器的空腔内插入形核装置；在石墨内衬结晶器外侧安装稳恒磁场发生装置。用该装置生产出的复层铸锭左右或内外层成分和性能不同，界面清晰、平直，具有牢固的冶金结合，铸锭表面光洁。本实用新型同时浇注两种金属熔体直接连续铸造出二层或三层复层铸锭，复合界面具有良好的冶金结合而且清晰、平直，显著降低了复层材料的生产成本，易于实现大批量连续生产。在汽车、舰船、航空航天、石油化工、电子、核工业等领域有广阔的应用前景。

Description

一种复层金属铸锭的半连续铸造装置

技术领域

本实用新型属于金属材料制备领域，特别涉及到复层金属铸锭的连续铸造装置。

背景技术

复层金属材料是利用复合技术使两种或两种以上的物理、化学、力学性能不同的金属在界面上实现牢固结合而制备的一种新型复合材料，在保持母材金属特性的同时具有“互补效应”，可以弥补各自的不足，被广泛地应用于汽车、舰船、航空航天、石油化工、电子和核工业等领域。

目前制备双金属材料的方法有多种。一般常用机械或化学的方法将不同性能的金属材料以固-固或固-液的形式复合在一起，如轧制复合、爆炸复合、固-液包熔复合等。

1、轧制复合法

在一定的压缩变形量下，经过表面处理的两种金属表面相互嵌合，露出的新鲜金属原子之间形成原子键。在这两种机制的共同作用下使两种金属结合在一起。轧制复合分为热轧复合和冷轧复合。其优点是可制备薄的复层板带，易于实现工业化生产，而且没有采用电镀和物理化学方法时存在的环境污染问题，但是由于轧制过程中扩散和化学反应进行的不充分，未完全在复合界面形成过渡结构，因此结合强度不理想

2、爆炸焊接法

是指将两种固体金属板材用爆破的方法熔合到一起，得到性能不同的两侧面的复层材料。该方法制备的复层材料存在固-固界面，生产效率低、不能生产大型的板材、劳动条件差，而且具有一定的危险性。

3、包覆铸造成形法

将预先制备好的经过表面处理的高熔点金属件作为芯材置于铸型内，预热到合适的温度后浇入熔点较低的金属，通过两者的扩散熔合形成整体铸件。其典型代表是用于生产复层轧辊的连续浇铸包覆法。这种方法生产工艺简单，得到的轧辊性能良好，生产成本低，但是包覆铸造成形法主要用于生产线材，且要求对预制件进行严格的表面处理，难以解决界面问题。即，外层凝固时，气体和杂质易于富集在界面。

4、双流连续铸造法

1998年，张文卫等在金属学报上发表的论文“以连续铸造法制备梯度材料的实验研究”中阐述了双流浇注连铸工艺的基本原理：在传统的连续铸造基础上增加一个内浇包及其导流系统，内外浇包分别容纳不同成分的两种熔体，流经外浇包的金属液经出水口后直接进入结晶器中，受激冷而首先凝固成具有一定厚度的薄壳，当内浇包的熔体脱离内导管时则被凝固薄壳和富含籽晶和熔断枝晶的残余外部金属液包围。通过调整铸造时的工艺参数，可以控制内外浇包中两种液体的凝固时间差，促进结晶器内熔体由外向内顺序凝固，实现两种液体的部分混合，形成合理厚度的中间结合层，从而得到梯度复合材料。该方法内外层合金液之间发生混合，得到的是梯度复合材料，没有清晰的过渡层，且主要用来生产圆锭。

上述的制备方法生产的复层金属材料在随后的轧制和机械加工过程中，由于应力集中，很容易在界面处出现裂纹，导致材料失效。

1999年公开的专利98101042.3应用了双结晶器连铸工艺的基本原理，该专利提出由2～4个水冷结晶器、1～3个氧化防护套、1～3个熔池感应加热器、红外测温与温度控制仪、引锭机组成，各结晶器沿引锭方向配置于同一轴线上。该发明的优点为多层复合材料可以一次铸造成形，实现短流程复合，获得各层之间的界面无氧化皮、油污夹杂的高质量的复合材料。但是，该方法主要用来生产圆锭，不宜用来生产板坯且只适合心部金属熔点高，外层金属熔点低的情况。

2002年公开的专利01109076.6中提出了充芯连铸的方法，该方法的主要特征是采用上下两个坩锅，使心部金属与外层金属分别在上下两个坩锅中熔化；由导流管和结晶器共同构成连铸铸管的铸型，外层金属液在其中凝固形成铸管；下拉外层金属铸管的同时，心部金属液随之充入铸管中，在一定的拉速和温度下，实现心部金属的凝固及其与外部金属的复合，该方法主要用来铸造复层圆锭且只适合于心部金属熔点低，外层金属熔点高的情况。

1998年公开的JP平1-271042专利提出在结晶器底部施加直流电磁场的方法。两种不同成分的液态金属同时通过一长一短两个浸入式水口进入结晶器，借助位于结晶器下面的水平磁场的作用，产生与上部金属液重力相等的洛仑兹力，使结晶器内形成上、下两个区域，在连铸过程中，上部区域中的金属液形成外层金属，而下部区域的金属液进入芯部成为内层金属。

2003年公开的CN1413782A专利提出在水冷结晶器外侧施加直流电磁场的方法。该方法的特征是同时向连铸结晶器内浇注两种不同成分的金属液，在水冷结晶器外侧施加直流电磁场降低浸入式浇口流出的金属液的流速，从而抑制两种金属液间的混流，直接连续铸造出左右两侧面具有不同成分的复层铸锭。该方法工艺过程简单，显著降低了复层材料的生产成本；由于两种金属液是直接铸造形成复层材料，不存在一般复层材料的界面问题，所以制备的铸件质量好。但是，该方法只适合生产左右分层的复合铸锭。

2005年公开的US2005011630-A1专利提出在水冷结晶器内设置隔板，将水冷结晶器的内腔分隔成两个单独的空腔，第一种金属液由浸入式水口浇铸到隔板形成的空腔，表面形成薄壳后，进入水冷结晶器形成的、液面更低的第二种金属液的熔池内，第二种金属液也是通过浸入式水口浇铸的，两者相互结合形成复层铸锭。但是，该技术要求精确控制第二种合金液在结晶器内的液面高度，使其不能接触到隔板底端。而且采用浸入式浇口浇注合金液可能会对半固态凝壳造成冲击使其破裂，导致芯层和表层合金液混流。

实用新型内容

本实用新型要提供一种复层金属铸锭的半连续铸造装置，用该装置生产出的复层铸锭左右或内外层成分和性能不同，界面清晰、平直，具有牢固的冶金结合，铸锭表面光洁。

本实用新型的技术方案如下：

在石墨内衬结晶器正上方放置内设雨淋式浇注口和的热顶。在石墨内衬结晶器的空腔内插入形核装置，该形核装置一侧具有冷却功能、与芯层金属熔体接触，其冷却强度可以通过调节流入、流出管道的冷却介质的流量来控制，另一侧和底面为与表层金属熔体接触由绝热材料制成的保温层。在石墨内衬结晶器外侧安装稳恒磁场发生装置。铸造过程中芯层金属熔体和表层金属熔体通过各自的雨淋式浇注口浇注到石墨内衬结晶器内，并由形核装置隔开，形核装置在芯层金属熔体的局部区域形核、并形成一个含有一定固相比率的低温带，阻止芯层金属熔体和表层金属熔体之间的混流，固相的比率可通过改变形核装置的冷却强度调整。同时，稳恒磁场发生装置产生的磁场能够对流动的芯层和表层金属熔体产生电磁制动力，以阻止它们对低温带的冲击，避免芯层金属熔体和表层金属熔体之间的混流，两种合金凝固后便形成可靠的冶金结合。底模以一定速度连续下拉铸造出界面清晰，表面光洁，内外层性能不同的复层铸锭。

本实用新型具有以下优点和效果铸造平稳，容易操作，同时浇注两种金属熔体直接连续铸造出二层或三层复层铸锭，复合界面具有良好的冶金结合而且清晰、平直。铸锭各层的厚度比例任意可调，可以生产大规格的铸锭，显著降低了复层材料的生产成本，易于实现大批量连续生产。

附图说明

图1是芯层合金熔点高、表层合金熔点低时，复层金属铸锭电磁连续铸造示意图。

图2是芯层合金熔点低、表层合金熔点高时，复层金属铸锭电磁连续铸造示意图。

图3是二层复层铸坯的铸造时，复层金属铸锭电磁连续铸造示意图。

图中：1形核装置，2保温层，3冷却介质，4冷却介质流入、流出管道，5雨淋式浇注口I，6雨淋式浇注口II，7热顶，8石墨内衬结晶器，9稳恒磁场发生装置，10芯层金属熔体，11表层金属熔体，12含有一定固相比率的低温带，14复层铸坯复合界面，15底模。

具体实施方式

以下结合技术方案和附图详细叙述本实用新型的具体实施例。

实施例1：芯层合金熔点高，表层合金熔点低，参看图1。

石墨内衬结晶器8的断面尺寸为400mm×125mm。插入两个形核装置1于石墨内忖结晶器8内，形成三个单独的空腔。3003铝合金为芯层金属熔体10，4004铝合金表层金属熔体11，分别通过雨淋式浇注口5和6浇注到石墨内衬结晶器8的三个空腔中，浇注温度分别为730℃和680℃，水为冷却介质3。接通稳恒磁场发生器9，调整至产生180mT的直流磁场，以85mm/min的速度牵引底模15，当铸造出的复层铸锭13达到要求长度时，停止浇注合金熔体，停止铸机，关闭冷却系统，切断电源。获得的铸锭的复合界面14处无气孔、氧化和夹杂等，具有良好的冶金结合且清晰、平直，铸锭表面光洁。

实施例2：芯层合金熔点低，表层合金熔点高，参看图2。

石墨内衬结晶器8的断面尺寸为400mm×125mm。插入两个形核装置1于石墨内衬结晶器8内，形成三个单独的空腔。AZ61A镁合金为芯层金熔体10，A356铝合金表层金属熔体11，分别通过雨淋式浇注口5和6浇注到石墨内衬结晶器8的三个空腔中，浇注温度分别为620℃和660℃，机油为冷却介质3。接通稳恒磁场发生器9，调整至产生180mT的直流磁场，以85mm/min的速度牵引底模15，当铸造出的复层铸锭13达到要求长度时，停止浇注合金熔体，停止铸机，关闭冷却系统，切断电源。获得的铸锭的复合界面14处无气孔、氧化和夹杂等，具有良好的冶金结合且清晰、平直，铸锭表面光洁。

实施例3：二层复层铸坯的铸造，参看图3。

石墨内衬结晶器8的断面尺寸为400mm×125mm。插入一个形核装置1于石墨内衬结晶器8内，形成二个单独的空腔。3003铝合金10和4004铝合金11分别通过雨淋式浇注口5和6浇注到石墨内衬结晶器8的三个空腔中，浇注温度分别为730℃和680℃，水为冷却介质3。接通稳恒磁场发生器9，调整至产生180mT的直流磁场，以85mm/min的速度牵引底模15，当铸造出的复层铸锭13达到要求长度时，停止浇注合金熔体，停止铸机，关闭冷却系统，切断电源。获得的铸锭的复合界面14处无气孔、氧化和夹杂等，具有良好的冶金结合且清晰、平直，铸锭表面光洁。

Claims (3)

1.一种复层金属铸锭的半连续铸造装置，其特征是在石墨内衬结晶器(8)正上方放置内设雨淋式浇注口I(5)和雨淋式浇注口II(6)的热顶(7)；在石墨内衬结晶器(8)的空腔内插入形核装置(1)；在石墨内衬结晶器(8)外侧安装稳恒磁场发生装置(9)。

2.根据权利要求1所述的一种复层金属铸锭的半连续铸造装置，其特征在于：该形核装置一侧由具有冷却功能的金属制成，另一侧和底面由绝热材料制成的保温层(2)。

3.根据权利要求1所述的一种复层金属铸锭的半连续铸造装置，其特征在于：形核装置(1)的冷却强度通过调节流入、流出管道(4)的冷却介质(3)的流量来控制，冷却介质是水或机油。

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