一種剪切、磁場復(fù)合作用下的輕合金半連鑄裝置及方法
【專利摘要】一種剪切、磁場復(fù)合作用下的輕合金半連鑄裝置及方法，屬于輕合金半連續(xù)鑄造【技術(shù)領(lǐng)域】。本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比，在常規(guī)半連鑄的基礎(chǔ)上組合利用磁場和熔體剪切，其熔體剪切單元具有強(qiáng)剪切、弱對(duì)流的特點(diǎn)，彌補(bǔ)了電磁場的弱剪切、強(qiáng)對(duì)流的不足，半連鑄時(shí)在熔體中能夠同時(shí)產(chǎn)生強(qiáng)剪切、強(qiáng)對(duì)流；本發(fā)明能夠完全滿足溫度場的均勻性要求，能夠促進(jìn)枝晶的破碎，并將熔體中的膜狀氧化物分散破碎為單獨(dú)分布的細(xì)小顆粒，能夠有效細(xì)化合金組織，不但增加了有效形核質(zhì)點(diǎn)，還減弱了熔體中膜狀氧化物等缺陷對(duì)鑄錠性能的危害，提高了鑄錠抵抗裂紋的能力，提高了鑄錠的成材率。
【專利說明】
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于輕合金半連續(xù)鑄造【技術(shù)領(lǐng)域】，特別是涉及一種剪切、磁場復(fù)合作用下 的輕合金半連鑄裝置及方法。 一種剪切、磁場復(fù)合作用下的輕合金半連鑄裝置及方法

【背景技術(shù)】
[0002] 高強(qiáng)度鋁合金、鎂合金作為最典型的兩種輕合金，其生產(chǎn)過程中的鑄錠制備環(huán)節(jié) 主要是通過半連鑄來實(shí)現(xiàn)的。在鑄造高強(qiáng)度輕合金鑄錠時(shí)，特別是大尺寸高強(qiáng)度輕合金鑄 錠時(shí)，由于其具有較高的模量和強(qiáng)度及較低塑性的特點(diǎn)，因此極易出現(xiàn)熱裂、冷裂等鑄造缺 陷，一旦熱裂或冷裂發(fā)生，則鑄錠材料就會(huì)報(bào)廢，降低鑄錠的成材率。
[0003] 在理論上可以從兩個(gè)方面避免上述鑄造缺陷的發(fā)生，一是使溫度場更均勻從而減 小內(nèi)應(yīng)力，二是通過細(xì)化合金鑄態(tài)組織來細(xì)化缺陷并提高鑄錠抵抗裂紋的能力。另外，近年 來研究表明，鋁合金、鎂合金中顆粒狀的氧化物和α相具有匹配的位向關(guān)系，可以作為輕 合金的有效形核質(zhì)點(diǎn)，能夠細(xì)化合金組織，而合金中膜狀的氧化物則沒有這樣的作用，將膜 狀的氧化物分散破碎為單獨(dú)分布的細(xì)小顆?？梢栽黾有魏速|(zhì)點(diǎn)，促進(jìn)組織細(xì)化。
[0004] 在常規(guī)的半連鑄過程中，技術(shù)人員通過調(diào)整鑄造速度、鑄造溫度和冷卻水量可以 在一定程度上抑制鑄造缺陷的產(chǎn)生，但作用效果有限。在常規(guī)的半連鑄基礎(chǔ)上增加電磁場 的使用，利用電磁場在熔體中引起強(qiáng)對(duì)流來促進(jìn)溫度場的均勻，并減小內(nèi)應(yīng)力，在一定程度 上可以細(xì)化合金組織，但是制備大尺寸鑄錠時(shí)，由于電磁場在金屬中的集膚效應(yīng)，作用在鑄 錠中心處的磁場強(qiáng)度會(huì)比較弱，因此導(dǎo)致鑄錠中心處的組織細(xì)化減弱，對(duì)溫度場的均勻性 調(diào)控能力會(huì)顯著降低，且電磁場引起的剪切作用較弱，也不能將膜狀的氧化物分散破碎為 單獨(dú)分布的細(xì)小顆粒，鑄錠的制備尺寸越大，鑄錠抵抗裂紋的能力越差。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)存在的問題，本發(fā)明提供一種剪切、磁場復(fù)合作用下的輕合金半連 鑄裝置及方法，在常規(guī)的半連鑄基礎(chǔ)上增加了熔體剪切單元，并組合利用磁場和熔體剪切， 熔體剪切單元具有強(qiáng)剪切、弱對(duì)流的特點(diǎn)，彌補(bǔ)了電磁場的弱剪切、強(qiáng)對(duì)流的不足，半連鑄 時(shí)在熔體中能夠同時(shí)產(chǎn)生強(qiáng)剪切、強(qiáng)對(duì)流，完全滿足了溫度場的均勻性要求，能夠有效細(xì)化 合金組織，提1? 了鑄淀抵抗裂紋的能力，提1? 了鑄淀的成材率。
[0006] 為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用如下技術(shù)方案：一種剪切、磁場復(fù)合作用下的輕合 金半連鑄裝置，包括鑄造單元，所述鑄造單元包括熱頂、結(jié)晶器、引錠及感應(yīng)線圈，所述熱頂 位于結(jié)晶器上方，感應(yīng)線圈設(shè)置在結(jié)晶器外圍，在結(jié)晶器內(nèi)壁設(shè)置有石墨環(huán)，引錠位于結(jié)晶 器下方且與結(jié)晶器相對(duì)應(yīng)；其特點(diǎn)是：在所述鑄造單元上方設(shè)置有熔體剪切單元，所述熔 體剪切單元包括驅(qū)動(dòng)電機(jī)、定子套筒、連接軸及剪切葉片，驅(qū)動(dòng)電機(jī)的電機(jī)軸與連接軸的一 端相連，剪切葉片設(shè)置在連接軸的另一端，定子套筒套裝在連接軸外側(cè)并固接在驅(qū)動(dòng)電機(jī) 外殼上；所述剪切葉片與定子套筒內(nèi)壁之間留有間隙，在剪切葉片對(duì)應(yīng)的定子套筒筒壁上 設(shè)置有若干通孔。
[0007] 所述剪切葉片的數(shù)量大于等于一個(gè)，剪切葉片為直板葉片或曲面葉片，剪切葉片 與堅(jiān)直方向相平行或成夾角設(shè)置。
[0008] 所述剪切葉片與定子套筒內(nèi)壁之間的間隙范圍為50微米?10毫米。
[0009] 所述通孔為方形孔、圓形孔或長槽形孔，通孔的截面積為1?100平方毫米。
[0010] 所述通孔的開孔方向與定子套筒的半徑方向相同或成夾角，夾角范圍為〇? 60。。
[0011] 采用所述的剪切、磁場復(fù)合作用下的輕合金半連鑄裝置的半連鑄方法，具體包括 如下步驟：
[0012] 步驟一：進(jìn)行半連鑄前，首先抬升引錠，直到引錠升高到結(jié)晶器內(nèi)石墨環(huán)下沿位 置，使熱頂、結(jié)晶器及引錠形成上端開口且下端封閉的熔體存放空間；
[0013] 步驟二：對(duì)熔體剪切單元進(jìn)行預(yù)熱處理，將其剪切葉片一端置于預(yù)熱坩堝中，預(yù)熱 溫度為300?700°C ;
[0014] 步驟三：向感應(yīng)線圈中通入交流電，其頻率為5?100赫茲，電流為0?400安；
[0015] 步驟四：向結(jié)晶器內(nèi)通入冷卻水；
[0016] 步驟五：當(dāng)感應(yīng)線圈中的電流達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)后，向鑄造單元內(nèi)導(dǎo)入輕合金熔體，待 部分熔體在引錠上凝固后，啟動(dòng)引錠進(jìn)行牽引；
[0017] 步驟六：在進(jìn)行引錠牽引的同時(shí)，將預(yù)熱后的熔體剪切單元的剪切葉片一端置于 熔體中，其沒入熔體液面以下的距離為30?150毫米；
[0018] 步驟七：啟動(dòng)熔體剪切單元的驅(qū)動(dòng)電機(jī)，通過連接軸帶動(dòng)剪切葉片高速旋轉(zhuǎn)，在剪 切葉片高速旋轉(zhuǎn)作用下，熔體會(huì)被吸入定子套筒內(nèi)并通過其上的通孔快速噴出，在此過程 中，剪切葉片與定子套筒內(nèi)壁之間的間隙處及定子套筒上的通孔處會(huì)產(chǎn)生強(qiáng)剪切作用；
[0019] 步驟八：當(dāng)鑄錠達(dá)到預(yù)定長度時(shí)，停止導(dǎo)入輕合金熔體，同時(shí)關(guān)閉熔體剪切單元的 驅(qū)動(dòng)電機(jī)；
[0020] 步驟九：將熔體剪切單元的剪切葉片一端抬離熔體，再將該端置于預(yù)熱坩堝中以 備下一個(gè)鑄次使用，然后斷開感應(yīng)線圈中的交流電；
[0021] 步驟十：停止引錠的牽引，然后切斷供向結(jié)晶器內(nèi)的冷卻水，最后取出鑄錠，準(zhǔn)備 下一個(gè)鑄次。
[0022] 本發(fā)明的有益效果：
[0023] 本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比，在常規(guī)半連鑄的基礎(chǔ)上組合利用磁場和熔體剪切，其熔 體剪切單元具有強(qiáng)剪切、弱對(duì)流的特點(diǎn)，彌補(bǔ)了電磁場的弱剪切、強(qiáng)對(duì)流的不足，半連鑄時(shí) 在熔體中能夠同時(shí)產(chǎn)生強(qiáng)剪切、強(qiáng)對(duì)流；本發(fā)明完全滿足溫度場的均勻性要求，能夠促進(jìn)枝 晶的破碎，并將熔體中的膜狀氧化物分散破碎為單獨(dú)分布的細(xì)小顆粒，能夠有效細(xì)化合金 組織，不但增加了有效形核質(zhì)點(diǎn)，還減弱了熔體中膜狀氧化物等缺陷對(duì)鑄錠性能的危害，提 1? 了鑄淀抵抗裂紋的能力，提1? 了鑄淀的成材率。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0024] 圖1為本發(fā)明的一種剪切、磁場復(fù)合作用下的輕合金半連鑄裝置結(jié)構(gòu)原理圖；
[0025] 圖2為一種7XXX系鋁合金采用常規(guī)半連鑄方法獲得的微觀組織圖；
[0026] 圖3為一種7XXX系鋁合金采用本發(fā)明的半連鑄方法獲得的微觀組織圖；
[0027] 圖中，1 一驅(qū)動(dòng)電機(jī)，2-定子套筒，3-連接軸，4一期切葉片，5-熱頂，6-結(jié)晶器， 7一石墨環(huán)，8-感應(yīng)線圈，9一引淀，10-鑄淀。

【具體實(shí)施方式】
[0028] 下面結(jié)合附圖和具體實(shí)施例對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步的詳細(xì)說明。
[0029] 如圖1所示，一種剪切、磁場復(fù)合作用下的輕合金半連鑄裝置，包括鑄造單元，所 述鑄造單元包括熱頂5、結(jié)晶器6、引錠9及感應(yīng)線圈8,所述熱頂5位于結(jié)晶器6上方，感 應(yīng)線圈8設(shè)置在結(jié)晶器6外圍，在結(jié)晶器6內(nèi)壁設(shè)置有石墨環(huán)7,引錠9位于結(jié)晶器6下方 且與結(jié)晶器6相對(duì)應(yīng)；在所述鑄造單元上方設(shè)置有熔體剪切單元，所述熔體剪切單元包括 驅(qū)動(dòng)電機(jī)1、定子套筒2、連接軸3及剪切葉片4,驅(qū)動(dòng)電機(jī)1的電機(jī)軸與連接軸3的一端相 連，剪切葉片4設(shè)置在連接軸3的另一端，定子套筒2套裝在連接軸3外側(cè)并固接在驅(qū)動(dòng)電 機(jī)1外殼上；所述剪切葉片4與定子套筒2內(nèi)壁之間留有間隙，在剪切葉片4對(duì)應(yīng)的定子套 筒2筒壁上設(shè)置有若干通孔。
[0030] 所述剪切葉片4的數(shù)量大于等于一個(gè)，剪切葉片4為直板葉片或曲面葉片，剪切葉 片4與堅(jiān)直方向平行設(shè)置或成夾角設(shè)置。
[0031] 所述剪切葉片4與定子套筒2內(nèi)壁之間的間隙范圍為50微米?10毫米。
[0032] 所述通孔為方形孔、圓形孔或長槽形孔等，通孔的截面積為1?100平方毫米。
[0033] 所述通孔的開孔方向與定子套筒2的半徑方向相同或者成夾角，夾角范圍為0? 60°，通過對(duì)開孔方向的設(shè)定，可以控制熔體的宏觀流動(dòng)形式，減少熔體的液面波動(dòng)。
[0034] 本實(shí)施例中，制備的為7xxx系錯(cuò)合金鑄徒，其總合金兀素含量在14%以上，其中 鋅含量在9. 5 %以上；其中鑄造單元的結(jié)晶器6為水冷結(jié)晶器，其內(nèi)的石墨環(huán)7內(nèi)徑為204 毫米，高為25毫米，其外側(cè)的感應(yīng)線圈8由外徑8毫米且壁厚為1毫米的外層絕緣的銅管 纏繞而成，共80匝；驅(qū)動(dòng)電機(jī)1的轉(zhuǎn)速范圍為0?10000轉(zhuǎn)/分鐘，剪切葉片4由四片矩形 葉片組成，形成十字花型，剪切葉片4與定子套筒2內(nèi)壁之間的間隙為200微米；通孔為圓 形孔，通孔的截面積為6. 25平方毫米。
[0035] 采用所述的剪切、磁場復(fù)合作用下的輕合金半連鑄裝置的半連鑄方法，具體包括 如下步驟：
[0036] 步驟一：進(jìn)行半連鑄前，首先抬升引錠9,直到引錠9升高到結(jié)晶器6內(nèi)石墨環(huán)7下 沿位置，使熱頂5、結(jié)晶器6及引錠9形成上端開口且下端封閉的熔體存放空間；
[0037] 步驟二：對(duì)熔體剪切單元進(jìn)行預(yù)熱處理，將其剪切葉片4 一端置于預(yù)熱坩堝中，預(yù) 熱溫度為600°C ;
[0038] 步驟三：向感應(yīng)線圈8中通入交流電，其頻率為25赫茲，電流為120安；
[0039] 步驟四：向結(jié)晶器6內(nèi)通入冷卻水；
[0040] 步驟五：當(dāng)感應(yīng)線圈8中的電流達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)后，向鑄造單元內(nèi)導(dǎo)入輕合金熔體， 待部分溶體在引徒9上凝固后，啟動(dòng)引徒9進(jìn)彳丁牽引；
[0041] 步驟六：在進(jìn)行引錠9牽引的同時(shí)，將預(yù)熱后的熔體剪切單元的剪切葉片4一端置 于熔體中，其沒入熔體液面以下的距離為60毫米；
[0042] 步驟七：啟動(dòng)熔體剪切單元的驅(qū)動(dòng)電機(jī)1，通過連接軸3帶動(dòng)剪切葉片4高速旋 轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)速為5000轉(zhuǎn)/分鐘，在剪切葉片4高速旋轉(zhuǎn)作用下，熔體會(huì)被吸入定子套筒2內(nèi)并通 過其上的通孔快速噴出，在此過程中，剪切葉片4與定子套筒2內(nèi)壁之間的間隙處及定子套 筒2上的通孔處會(huì)產(chǎn)生強(qiáng)剪切作用；
[0043] 步驟八：當(dāng)鑄錠10達(dá)到預(yù)定長度時(shí)，停止導(dǎo)入輕合金熔體，同時(shí)關(guān)閉熔體剪切單 元的驅(qū)動(dòng)電機(jī)1 ;
[0044] 步驟九：將熔體剪切單元的剪切葉片4 一端抬離熔體，再將該端置于預(yù)熱坩堝中 以備下一個(gè)鑄次使用，然后斷開感應(yīng)線圈8中的交流電；
[0045] 步驟十：停止引錠9的牽引，然后切斷供向結(jié)晶器6內(nèi)的冷卻水，最后取出鑄錠 10,準(zhǔn)備下一個(gè)鑄次。
[0046] 本發(fā)明裝置中的熔體剪切單元不但具有分散、破碎、減徑、混合的功能，還在其產(chǎn) 生強(qiáng)對(duì)流的同時(shí)避免熔體液面發(fā)生劇烈波動(dòng)，彌補(bǔ)了常規(guī)半連鑄的不足之處，促進(jìn)了枝晶 的破碎，并將熔體中的膜狀氧化物破碎分散為單獨(dú)分布的細(xì)小顆粒，不但增加了有效形核 質(zhì)點(diǎn)，還減弱了熔體中膜狀氧化物等缺陷對(duì)鑄錠性能的危害。
[0047] 本實(shí)施例中的鋁合金鑄錠，如果采用常規(guī)的半連鑄方法獲得，其組織為粗大的枝 晶組織，如圖2所示，具有該枝晶組織的鋁合金鑄錠會(huì)極易出現(xiàn)鑄造裂紋。
[0048] 采用本發(fā)明的半連鑄方法獲得的鋁合金鑄錠，其組織如圖3所示，相比于圖2中的 枝晶組織，其轉(zhuǎn)變?yōu)榫鶆?、?xì)小的等軸晶組織，提高了鑄錠抵抗裂紋的能力。
[0049] 實(shí)施例中的方案并非用以限制本發(fā)明的專利保護(hù)范圍，凡未脫離本發(fā)明所為的等 效實(shí)施或變更，均包含于本案的專利范圍中。
【權(quán)利要求】
1. 一種剪切、磁場復(fù)合作用下的輕合金半連鑄裝置，包括鑄造單元，所述鑄造單元包括 熱頂、結(jié)晶器、引錠及感應(yīng)線圈，所述熱頂位于結(jié)晶器上方，感應(yīng)線圈設(shè)置在結(jié)晶器外圍，在 結(jié)晶器內(nèi)壁設(shè)置有石墨環(huán)，引錠位于結(jié)晶器下方且與結(jié)晶器相對(duì)應(yīng)；其特征在于：在所述 鑄造單元上方設(shè)置有烙體剪切單元，所述烙體剪切單元包括驅(qū)動(dòng)電機(jī)、定子套筒、連接軸及 剪切葉片，驅(qū)動(dòng)電機(jī)的電機(jī)軸與連接軸的一端相連，剪切葉片設(shè)置在連接軸的另一端，定子 套筒套裝在連接軸外側(cè)并固接在驅(qū)動(dòng)電機(jī)外殼上；所述剪切葉片與定子套筒內(nèi)壁之間留有 間隙，在剪切葉片對(duì)應(yīng)的定子套筒筒壁上設(shè)置有若干通孔。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種剪切、磁場復(fù)合作用下的輕合金半連鑄裝置，其特征在 于：所述剪切葉片的數(shù)量大于等于一個(gè)，剪切葉片為直板葉片或曲面葉片，剪切葉片與堅(jiān)直 方向相平行或成夾角設(shè)置。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種剪切、磁場復(fù)合作用下的輕合金半連鑄裝置，其特征在 于：所述剪切葉片與定子套筒內(nèi)壁之間的間隙范圍為50微米?10毫米。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種剪切、磁場復(fù)合作用下的輕合金半連鑄裝置，其特征在 于：所述通孔為方形孔、圓形孔或長槽形孔，通孔的截面積為1?100平方毫米。
5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種剪切、磁場復(fù)合作用下的輕合金半連鑄裝置，其特征在 于：所述通孔的開孔方向與定子套筒的半徑方向相同或成夾角，夾角范圍為0?60°。
6. 采用權(quán)利要求1所述的剪切、磁場復(fù)合作用下的輕合金半連鑄裝置的半連鑄方法， 具體包括如下步驟： 步驟一：進(jìn)行半連鑄前，首先抬升引錠，直到引錠升高到結(jié)晶器內(nèi)石墨環(huán)下沿位置，使 熱頂、結(jié)晶器及引錠形成上端開口且下端封閉的熔體存放空間； 步驟二：對(duì)熔體剪切單元進(jìn)行預(yù)熱處理，將其剪切葉片一端置于預(yù)熱坩堝中，預(yù)熱溫度 為 300 ?700°C ; 步驟三：向感應(yīng)線圈中通入交流電，其頻率為5?100赫茲，電流為0?400安； 步驟四：向結(jié)晶器內(nèi)通入冷卻水； 步驟五：當(dāng)感應(yīng)線圈中的電流達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)后，向鑄造單元內(nèi)導(dǎo)入輕合金熔體，待部分 熔體在引錠上凝固后，啟動(dòng)引錠進(jìn)行牽引； 步驟六：在進(jìn)行引錠牽引的同時(shí)，將預(yù)熱后的熔體剪切單元的剪切葉片一端置于熔體 中，其沒入熔體液面以下的距離為30?150毫米； 步驟七：啟動(dòng)熔體剪切單元的驅(qū)動(dòng)電機(jī)，通過連接軸帶動(dòng)剪切葉片高速旋轉(zhuǎn)，在剪切葉 片高速旋轉(zhuǎn)作用下，熔體會(huì)被吸入定子套筒內(nèi)并通過其上的通孔快速噴出，在此過程中，剪 切葉片與定子套筒內(nèi)壁之間的間隙處及定子套筒上的通孔處會(huì)產(chǎn)生強(qiáng)剪切作用； 步驟八：當(dāng)鑄錠達(dá)到預(yù)定長度時(shí)，停止導(dǎo)入輕合金熔體，同時(shí)關(guān)閉熔體剪切單元的驅(qū)動(dòng) 電機(jī)； 步驟九：將熔體剪切單元的剪切葉片一端抬離熔體，再將該端置于預(yù)熱坩堝中以備下 一個(gè)鑄次使用，然后斷開感應(yīng)線圈中的交流電； 步驟十：停止引錠的牽引，然后切斷供向結(jié)晶器內(nèi)的冷卻水，最后取出鑄錠，準(zhǔn)備下一 個(gè)鑄次。
【文檔編號(hào)】B22D11/14GK104117645SQ201410363685
【公開日】2014年10月29日 申請(qǐng)日期:2014年7月28日 優(yōu)先權(quán)日:2014年7月28日
【發(fā)明者】左玉波, 李磊, 朱慶豐, 趙志浩, 崔建忠 申請(qǐng)人:東北大學(xué)