专利名称：：镁合金锭坯的油滑电磁立式半连续铸造方法与结晶器的制作方法
技术领域：
：本发明属于轻合金铸造
技术领域：
，特别涉及一种在低频电磁半连续立式铸造工艺中采用带油滑的全金属内套结晶器系统实现高表面质量镁合金锭坯生产的立式半连续铸造方法及设备。
背景技术：
：传统半连续铸造工艺中，由于高温下金属液和金属初始凝壳与金属内套之间有较大的径向正压力，因此有较大的界面摩擦阻力，并且由于金属液与内套壁面之间易于发生接触式粘连，对于镁合金来说，粘连程度更为严重，甚至容易发生反应性粘连，这些都加重了锭坯表面的划痕，而且这些划痕一般都是径向深入锭坯内部，显著增加锭坯的车削量，降低成材率。对于热顶铸造来说，由于镁液与保温帽之间的高反应性，这种反应性粘连更易发生，不仅降低了表面质量，而且由于反应所造成的保温帽粉化产物漂离界面，很容易嵌入锭坯表层甚至进入金属液也加大了锭坯所需的车削量。目前镁合金锭坯生产企业的锭坯表面车削量一般高达到半径8mm15mm，甚至更多，车削率达到10%20%,加上切除头尾(切除量250mm300mm)，成材率只有70%80%，相当低。因此，提高镁合金锭坯的表面质量对于提高锭坯成材率，降低生产成本，提高企业经济效益至关重要。众多研究均已表明，凝固时施加磁场(包括永磁场、电磁场、脉冲电磁场、组合电磁场等)对DC铸造过程中合金液的温度场、流场、浓度场以及形核和长大等凝固行为均产生影响，达到组织均匀化、晶粒细化、宏观偏析得到抑制等效果，从而显著改善半连续铸造锭坯的冶金质量。同时，在电磁力径向分量作用下，结晶器中的金属液被推向中心，形成显著的弯液面，降低了金属液与结晶器内套的接触压力，因此施加电磁场也可以对锭坯表面质量的提高起到良好的作用。但是，由于高温下金属液与金属内套之间仍然有较大的径向正压力，从而仍有较大的摩擦阻力，所以难以完全避免金属液与内套壁面之间的粘连。对于镁合金来说，粘连程度更为严重，这些都加重了锭坯表面的划痕，而且这些划痕一般都是径向深入锭坯内部，显著增加锭坯的车削量。另外，镁合金的低频电磁半连续立式铸造一般采用热顶加石墨环结构的结晶器系统(见CN1216707)，由于保温帽和石墨环耐久性差，增加了成本消耗；同时，尽管由于施加了低频电磁场所致的低铸造液穴可以大幅度提高铸造速度，但总体上来说，热顶式结晶器铸造系统的铸造速度不高。而金属内套结晶器系统由于有很强的一次冷却，客观上要求采用较高的铸造速度，否则会由于"抱芯"作用而使铸造过程难以持续，但此时一般均具有很深的液穴，锭坯中心组织粗大，宏观偏析严重，冶金质量差。
发明内容针对目前镁合金锭坯表面质量不尽如人意，造成表面车削量大，成材率低等问题，本发明提供一种镁合金锭坯的油滑电磁立式半连续铸造方法与结晶器。本发明的结晶器包括金属内套、冷却系统、励磁线圈、润滑油环和保护气环，金属内套处于结晶器的中心，在金属内套外为冷却水箱和挡板构成的腔体冷却系统，在冷却水腔内下部设有励磁线圈，在结晶器内套的上沿设有油环，在油环的上方置有保护气环。金属内套为竖直的圆筒型或其下半部分有3~10°的开口度。冷却系统设有进水口，设在冷却水腔体内的励磁线圈浸末在冷却水中，励磁线圈与设在结晶器外部的低频电源相接。油环由下腔和上盖构成，油环下腔设有3个凹槽与上盖一起构成3个储油室，储油室之间由若干缺口连通，在油环下腔的上沿有一梢度，油环下腔与上盖之间留有油缝，油环与设在结晶器外的供油系统相通；保护气环上设有保护气出口。本发明的方法采用前述镁合金锭坯油滑电磁立式半连续铸造用的结晶器，按以下步骤进行(1)首先在金属内套内壁涂上薄层润滑油，对中引锭头，开启结晶器冷却系统，控制冷却水流量先冷却励磁线圈；(2)开启低频发生电源，向励磁线圈通低频交流电，如两组励磁线圈时一组通低频交流电，另一组同时通直流电，为结晶器提供低频电磁场或低频电磁振荡场；使电磁场达到设定值2000AT4000AT;施加的电磁场为低频电磁场，频率范围为1Hz90Hz，结晶器空载时结晶器中心的电磁场强度为10mT200mT，直流电磁感应强度为5100mT;(3)将镁合金液引入置于结晶器内套心部的分流盘中，由分流盘分流后进入结晶器的金属内套与引锭头组成的空间中，同时开启保护气环为镁合金液提供气体保护；(4)待镁合金液充满引锭头顶部，液面上升至接近正常铸造高度后，按设定铸造速度开动铸造机并调控结晶器液面至稳定。设定铸造速度依合金牌号和锭坯规格而异，一般为50~300mm/min;(5)加大冷却水流量，开启与调节控制油环的控制阀门为金属内套内壁提供连续润滑。本发明在完全金属内套的结晶器系统中施加低频电磁场，并采用连续供油方式实现金属内套壁面的润滑，实现低频电磁铸造与金属内套结晶器系统的结合(附图l)，达到两者的优势互补。在铸造过程中低频电磁场的电磁表面压力所致的熔体与结晶器内壁的软接触效应，大大降低了界面接触压力，更重要的是促进了润滑剂在熔体与结晶器内套内壁之间的渗入，从而易于使熔体与内套之间形成连续的润滑油膜层，大大降低了界面的滑动摩擦系数，同时还可以采用下半部内壁具有一定开口度的金属内套以进一步降低初始凝壳与内套的摩擦。界面接触压力和滑动摩擦系数的降低均对界面摩擦力的降低起到良好作用，从而导致锭坯表面质量的显著提高。而连续润滑油膜层的形成，则可以降低镁液通过结晶器内壁的导热通量，有效减小了金属内套的一次冷却作用，减小初始凝壳厚度和降低初始凝固点高度，这有利于增强电磁的软接触效果。两者相互促进，并结合特别设计的保护气供给系统，可以实现表面质量十分优良的镁合金锭坯的生产与制备。同时，低频电磁场通过对流场的改变，降低了锭坯凝固的径向温度梯度，降低了凝固液穴深度，提高了传统全金属内套结晶器系统铸造工艺生产的锭坯的内部冶金质量；全金属内套结晶器系统则避免了低频电磁铸造一般采用的热顶铸造结晶器系统的相对低速和铸造成本(保温帽消耗)高等缺陷，并可显著提高低频电磁铸造工艺的铸造速度。内套壁面油膜的存在也有利于促进液穴中合金液的对流范围与强度，同时也有利于增强电磁细化效果。因此，本研究的工艺方法也可实现镁合金锭坯的高速高质量铸造，并可降低铸造耗材成本。因此，本发明通过结晶器系统的优化设计，实现了电磁、油滑、水冷、保护气的有机结合，可极大提高镁合金锭坯的表面质量，大幅度降低镁合金锭坯的表面车削量，同时可以显著提高铸造速度，提高劳动生产率。图1是本发明的油滑低频电磁半连续铸造结晶器系统结构示意图；图2为本发明的油滑低频电磁半连续铸造结晶器的油环与保护气环的部分结构示意图；图3为本发明的油滑低频电磁半连续铸造结晶器金属内套的结构示意图；图4是本发明的低位励磁线圈所形成的液穴与对流涡旋形状示意图；图中，l水箱盖，2水箱底，3挡水板，4金属内套，5二次冷却水缝，6油环，7保护气环，8励磁线圈，9进水口，IO内套上沿与油环的接触点，ll油环下腔，12油环上盖，13保护气环下底，14保护气环上盖，15油缝，16结晶器内套内壁，17分流盘，18弯液面，19润滑油膜，20液一固相区界面。图5为采用本发明方法与传统DC铸造方法制备的AZ80镁合金锭坯的表面特征对比图；其中(a)为采用传统DC铸造方法制备，(b)为采用本发明方法铸造制备图6为采用本发明方法制备的几种添加了阻燃元素的AZ80镁合金锭坯的典型表面特征对比图；其中(a)为AZ80+20ppmBe，(b)为AZ80+0.2%Y，(c)为AZ80+0.5%Y图7为电磁场与油滑对锭坯表面质量影响的对照图；其中(a)油滑对DC铸造锭坯表面的影响，(b)电磁对油滑铸造锭坯表面的影响图8为采用本发明方法铸造的镁合金锭坯车削量的效果示意图。其中(a)0)244mmAZ80车削量R-2mm，(b)OlOOmmAZ31车削量R=lmm(c)0160mmGW103K镁合金车削量R=0.5~1.5mm具体实施方式本发明的结晶器如图1所示，其结晶器的内套4为全金属制成，12个励磁线圈8置于由水箱盖1、水箱底2和挡水板3围成的结晶器二次冷却水水腔内偏下部。全金属内套4置于结晶器中心孔中，金属内套4为竖直的圆筒型或者其下半部分有倾斜角度为310。的开口度，如图3所示。油环6置于结晶器金属内套4的上沿，在油环6的上方设有保护气环7。二次冷却水由进水口9进入水腔内部，经由挡水板3上沿，再由二/欠冷却水缝5喷射到锭坯表面。挡水板3的作用在于励磁线圈8可以浸末在冷却水中，不发生因过热而破坏其绝缘层。润滑系统采用具有很好刚度并且透磁性能优良的不锈钢材质制造，在铸造过程中不因高温发生变形，同时对电磁场的削弱作用也较小。油环由油环下腔11和上盖12构成，由油环下腔11的三个凹槽和上盖构成A、B、C三个环状储油室，之间由若干个缺口连通，如图2所示。润滑油由A室进入B室，再进入C室，然后由油缝15进入油环下腔11上沿的斜台D，再进入金属内套上沿的斜台E，这样可以有效保证润滑油的均匀分布。保护气环也由下底13和上盖14构成，保护气出口大小和斜度要能够保证气体在液面上的有效覆盖。供油系统一般采用液位差实现供油，也可以采用小泵站加压的方式实现供油。油环6和保护气环7以及结晶器内的全金属内套4均可以很方便拆卸与安装，便于系统的维护与修理。锭坯铸造的基本方法是将镁合金液引入结晶器内套与引锭头组成的空间中，由保护气环为镁合金液提供气体保护，由结晶器内套顶部的油环系统为金属内套内壁提供润滑，置于结晶器二次冷却水水腔内部的励磁线圈通低频交流电或直流电为结晶器中的镁合金液提供电磁场。图4为低位励磁线圈所形成的液穴与对流涡旋形状示意图。可见，由于励磁线圈位置较靠近结晶器底部，电磁场引起的涡旋中心接近液穴底部，可使液穴底部的镁液及糊状两相区的镁液得到较充分的对流搅动，而接近弯液面的镁液搅动速度较小，从而使得液穴中实现"表面风平浪静，下面波涛汹涌"的效果。这种结构可以避免由于涡旋而加重液面的氧化膜破坏，又可以加强液穴底部初生枝晶的破碎与漂移。对提高锭坯表面质量和优化锭坯内部组织都是相当重要的。本发明的方法采用前述镁合金锭坯油滑电磁立式半连续铸造用的结晶器，具体操作是完成镁合金熔炼与净化工作，并完成结晶器系统安装、金属内套内壁涂油(预先涂抹一薄层润滑油)和引锭头对中等相关准备工作之后，开启结晶器的二次水冷系统(可以控制较小的水量，主要目的是冷却置于二次水冷腔中的励磁线圈)；开启低频发生电源，为励磁线圈通低频交流电(或两组时的另一组同时通以直流电)，为结晶器系统提供低频电磁场(或低频电磁振荡场)；待电磁场达到设定值之后，通过引流管(动力为电子输液泵或者气泵造成的密闭坩埚内与大气的正压差。流量采用调节输液泵流量或者调节压差与浮漂联合控制)把镁合金液引入置于结晶器内套心部的分流盘中，由分流盘分流后进入结晶器的金属内套与引锭头组成的空间中，同时开启保护气环为镁合金液提供气体保护；待镁合金液充满引锭头顶部并且液面上升到接近正常铸造高度后，按设定铸造速度开动铸造^l并调控结晶器液面；液面稳定之后，加大二次冷却水流量到正常值，并开启与调节油环的控制阀门为金属内套内壁提供连续润滑(润滑油可以靠液位差供油也可以用油泵加压供油)，从而实现镁合金的油滑低频电磁立式半连续铸造。图7是电磁场与油滑对锭坯表面质量的影响效果比较。可见，油滑与电磁场共同对锭坯表面质量的提高作贡献。图5是本发明方法与传统DC铸造方法制备的AZ80镁合金锭坯的表面特征对比。可见，本发明的方法制备的镁合金锭坯的表面质量明显优于传统铸造。本发明适合于铸造①100rmnO500mm的镁合金圆坯和各种规格的镁合金扁坯的生产。同时，也可以用于如铝等其他轻金属及其合金的圆坯或方坯的制备。结晶器中的全金属内套一般采用锻铝合金制造，也可以采用透磁不锈钢或者钛及其合金制造。油环和保护气环采用透磁不锈钢制造。所用的润滑剂为工业蓖麻油或工业椰子油等在室温下具有适当流动性并与镁合金液接触时具有较少油烟的含碳量较高的油脂。保护气体采用COrK0.55)vol。/。SF6混合气体。在结晶器中所施加的低频电磁频率范围为1Hz90Hz，励磁线圈的低频磁场强度为2000AT40000AT;或者所施加的低频电磁振荡频率范围为1Hz90Hz，低频电磁强度为2000AT40000AT，静磁场强度为1500AT30000AT。引锭头进入结晶器内套且无镁液时，结晶器金属内套下沿的交流电紐感应强度达到10200mT，直流电磁感应强度达到5100mT。冷却水流量、润滑油流量和保护气体流量根据合金牌号、铸造速度、锭坯规格而具体确定。原则是冷却水流量应保证足够的二次冷却强度且不引起锭坯热裂发生；润滑油流量要保证镁合金液与金属内套内壁不发生粘连同时不因油量过大而发生润滑油的燃烧；保护气则要保证镁合金液表面保持良好的保护膜。图6表明，镁合金添加阻燃元素后的锭坯表面特征有所差别，但已经表明，车削量并没有明显差别。图8是本发明方法的几个应用效果实例。可见，对于不同规格与牌号的镁合金锭坯，本发明的方法均可以达到小车削量的效果。本发明的优点是采用低频电磁场与施加油滑的全金属内套结晶器系统的有机结合，大大降低了镁合金液与金属内套之间的摩擦力，显著提高了锭坯的表面质量，锭坯表面车削量由传统DC铸造的5nun10mm(车削率为9%~18°/)降低到lmm5mm(车削率为48%)，降低幅度达50%以上，可以显著降低生产成本。同时，由于结晶器采用了油滑结合金属内套设计，并由于电磁铸造时显著变浅的液穴，使得铸造速度得到显著提高，提高幅度达到1.4~23倍。下表为采用本发明的方法对AZ31、AZ80、GW103K等几种镁合金制备不同规格的锭坯。表l列出了本发明方法制备锭坯的车削量和车削率，并与传统DC铸造方法制备锭坯进行了比较，可见锭坯的车削率得到显著降低。表2为几种不同规格锭坯的铸造速度对比，可见，本发明方法的铸造速度明显高于传统DC铸造方法的铸造速度。表1本发明方法与传统DC铸造方法的车削量和车削率对比<table>tableseeoriginaldocumentpage8</column></row><table>表2本发明方法与传统DC铸造方法的铸造速度对比<table>tableseeoriginaldocumentpage8</column></row><table>权利要求1、一种镁合金锭坯的油滑电磁立式半连续铸造用的结晶器，其特征在于该结晶器包括金属内套、冷却系统、励磁线圈、润滑油环和保护气环，金属内套处于结晶器的中心，在金属内套外为冷却水箱和挡板构成的腔体冷却系统，在冷却水腔内下部设有励磁线圈，在结晶器内套的上沿设有油环，在油环的上方置有保护气环。2、如权利要求1所述的镁合金锭坯的油滑电磁立式半连续铸造用的结晶器，其特征在于所述金属内套为竖直的圆筒型或其下半部分有310。的开口度。3、如权利要求1所述的镁合金锭坯的油滑电磁立式半连续铸造用的结晶器，其特征在于所述冷却系统设有进水口，设在冷却水腔体内的励磁线圈浸末在冷却水中，励磁线圈与设在结晶器外部的低频电源相接，且励磁线圈较靠近结晶器底部。4、如权利要求1所述的镁合金锭坯的油滑电磁立式半连续铸造用的结晶器，其特征在于所述油环由下腔和上盖构成，油环下腔设有3个凹槽与上盖一起构成3个储油室，储油室之间由若干缺口连通，在油环下腔的上沿有一梢度，油环下腔与上盖之间留有油缝，油环与设在结晶器外的供油系统相通，所用的润滑剂为工业蓖麻油或工业椰子油等在室温下具有适当流动性并与镁合金液接触时具有较少油烟的含碳量较高的油脂。5、如权利要求1所述的镁合金锭坯的油滑电磁立式半连续铸造用的结晶器，其特征在于所述保护气环上设有保护气出口。6、一种镁合金锭坯的油滑电磁立式半连续铸造方法，其特征在于采用权利要求1所述的镁合金锭坯的油滑电磁立式半连续铸造用的结晶器，按以下步骤进行-(1)首先在金属内套内壁涂上薄层润滑油，对中引锭头，开启结晶器冷却系统，控制冷却水流量先冷却励磁线圈；(2)开启低频发生电源，向励磁线圈通低频交流电，如两组励磁线圈时一组通低频交流电，另一组同时通直流电，为结晶器提供低频电磁场或低频电磁振荡场；使电磁场达到设定值2000AT4000AT;(3)将镁合金液引入置于结晶器内套心部的分流盘中，由分流盘分流后进入结晶器的金属内套与引锭头组成的空间中，同时开启保护气环为镁合金液提供气体保护；(4)待镁合金液充满引锭头顶部，液面上升至接近正常铸造高度后，按设定铸造速度开动铸造机并调控结晶器液面至稳定，设定铸造速度依合金牌号和锭坯规格而异，一般为50300mm/min;(5)加大冷却水流量，开启与调节控制油环的控制阔门为金属内套内壁提供连续润滑。7、如权利要求6所述的镁合金锭坯的油滑电磁式立式半连续铸造方法，其特征在于所施加的电磁场为低频电磁场，频率范围为lHz90Hz，结晶器空载时结晶器中心的电磁场强度为10mT200mT，直流电磁感应强度为5100mT。全文摘要一种镁合金锭坯的油滑电磁立式半连续铸造方法与结晶器，包括金属内套、冷却系统、励磁线圈、润滑油环和保护气环，金属内套处于结晶器的中心，金属内套外为腔体冷却系统，在冷却水腔内下部设有励磁线圈，在结晶器内套上沿设有油环，在油环的上方置有保护气环。本发明方法步骤是首先在金属内套内壁涂上薄层润滑油，开启结晶器冷却系统；然后开启低频发生电源，向励磁线圈通低频交流电；将镁合金液引入置于结晶器内套心部的分流盘中，开启保护气环；待镁合金液充满引锭头顶部，开动铸造机并调控结晶器液面至稳定；加大冷却水流量，开启与调节控制油环的控制阀门。本发明可提高镁合金锭坯的表面质量，降低镁合金锭坯的表面车削量，提高铸造速度。文档编号B22D11/10GK101239371SQ20081001064公开日2008年8月13日申请日期2008年3月14日优先权日2008年3月14日发明者乐启炽,崔建忠,张志强,赵志浩申请人:东北大学