本发明属于轻合金铸造技术领域，特别涉及一种强剪切与电磁场协同制备大规格均质铸锭的装置及方法。
背景技术：
随着交通运输、航空航天等领域对铝合金大尺寸产品需求的与日俱增，半连续铸造铸锭尺寸不断增大。然而材料性能的稳定性和性能分布的均匀性严重制约了航空轻合金材料的发展。在半连续铸造大尺寸高强度铝合金铸锭时极易产生组织粗大不均匀、宏观偏析、热裂、冷裂等缺陷，严重制约了材料性能。
在常规半连续铸造过程中，铸锭在结晶器和二次冷却水的作用下由外向内凝固，液穴内存在较大的温度梯度，特别是在铸造大尺寸铸锭时，液穴深度非常大，造成温度场和成分场极不均匀，导致严重的宏观偏析现象和开裂倾向。此外，很大的液穴深度严重限制了铸造速度，使得冷却强度降低，造成组织的粗大和不均匀现象。
目前，国内外科研人员针对均匀温度场和成分场，改善铸锭的凝固条件，提高铸锭质量做了大量的研究工作。
在半连续铸造过程中施加电磁场一方面可以在熔体中产生强对流来促进温度场和成分场的均匀性，改善铸锭的凝固行为；另一方面对金属熔体产生约束作用，是熔体表明形成弯月面，与结晶器的接触线高度减小从而使得凝固初生坯壳的位置下降，改善了铸锭的表面质量。但由于电磁场的集肤效应特性，即使是低频电磁场，在金属熔体中的作用深度也受到限制。特别是在铸造大尺寸铸锭时，铸锭中心位置电磁场强度很弱，边部的电磁场强度很强，导致其对温度场和成分场的调控能力受到限制，对铸锭横截面组织的均匀性控制能力下降。
机械搅拌虽然可以非常好的的均匀温度场和成分场，但是机械搅拌产生的漩涡会引起夹杂、裹气等缺陷；定子套筒和剪切叶片组成的熔体强剪切装置不同于一般的机械搅拌装置，其熔体处理方式是将熔体从底部吸入，然后从定子套筒上的开孔上喷出，在熔体中形成强迫对流，同时使得即便在很高的转速条件也可以使得液面保持平稳，不产生漩涡；但熔体强剪切单元对周围熔体具有一定的冷却作用，尤其是在结晶器熔体液面位置，同时熔体对熔体强剪切单元具有一定的腐蚀作用，不利于铸锭冶金质量的提高。
专利CN104117645A提出了一种剪切、磁场复合作用下的轻合金半连铸装置及方法，利用电磁场和熔体剪切的互补性，充分均匀了结晶器内熔体的温度场和成分场，在一定程度上解决了现有技术制备大尺寸高强铝合金时组织粗大不均匀、偏析严重、易开裂等缺陷的技术难题。在该技术的基础上，对感应线圈的位置布置和熔体强剪切单元进行了改进。将感应线圈设置在结晶器冷却水箱内部；定子套筒设计为上部绝热端，下部开孔端，绝热端外镶有不与铝熔体反应的耐高温绝热材料。实现对DC铸造整个熔池的较强作用，进而提高大尺寸铝合金DC铸造速度，改善大尺寸铝合金DC铸锭的冶金质量，同时避免了熔体强剪切单元对熔体的冷却作用和熔体对熔体强剪切单元的腐蚀作用。
技术实现要素：
针对大尺寸铝合金铸锭铸造过程易开裂，铸造速度低，严重限制了生产率；同时铸锭的宏观偏析严重，组织粗大且均匀性差，制约了材料性能的稳定性和性能分布的均匀性等问题。本发明提供一种强剪切与电磁场协同制备大规格均质铸锭的装置及方法，利用电磁场和熔体强剪切的互补性，充分均匀结晶器内熔体的温度场和成分场，解决现有技术制备大尺寸高强铝合金时组织粗大、偏析严重、易开裂等缺陷的技术难题。
本发明的强剪切与电磁场协同制备大规格均质铸锭的装置包括结晶器、热顶13、感应线圈11、熔体强剪切单元和引锭8；感应线圈11位于结晶器冷却水套10内部；结晶器外套内壁镶嵌有石墨环12；熔体强剪切单元的上部为驱动电机1，驱动电机1下方为定子套筒3，定子套筒3顶部设有顶板与驱动电机1的外壳固定连接，驱动电机1与连接轴2装配在一起，连接轴2底端固定连接剪切叶片4，连接轴2和剪切叶片4位于定子套筒3内部。
上述装置中，熔体强剪切单元与升降装置装配在一起，连接轴2的轴线与结晶器的轴线重合。
上述装置中，定子套筒3内部设有隔板，隔板上方的部分为绝热段，下方为开孔段；绝热段的外壁上镶嵌耐高温绝热材料；开孔段的侧壁上开设有通孔；剪切叶片4位于开孔段内，连接轴2与隔板滑动密封连接；当熔体强剪切单元在工作预设位置时，开孔段的底端与石墨环12上沿之间的垂直高度差≤150mm，即开孔段底端在低于石墨环12上沿150mm到高于石墨环12上沿150mm范围内。
上述装置中，定子套筒3与剪切叶片4之间的间隙0.1～10mm。
上述装置中，定子套筒3开孔段的侧壁的通孔总面积1～130mm2。
上述的耐高温绝热材料选用石棉、硅酸铝毡或石墨管。
上述的定子套筒3的材质为低碳钢、钛、高温镍基合金或石墨。
上述装置中，剪切叶片4的数量为2～10个，宽度2～100mm，叶片厚度0.5～8mm，与连接轴夹角0～80°。
上述的剪切叶片4的材质为低碳钢、钼、钛、高温镍基合金、耐热陶瓷或石墨。
本发明的强剪切与电磁场协同制备大规格均质铸锭的方法是采用上述装置，包括以下步骤：
1、在熔炼炉中进行合金熔炼，经精炼和静置后获得铝合金熔体；
2、抬升引锭到结晶器内石墨环下沿位置，使热顶、结晶器及引锭形成上端开口且下端封闭的空间；
3、向结晶器冷却水套内通入冷却水；对感应线圈通入交流电；控制熔体温度高于液相线50～100℃，将铝合金熔体浇入结晶器内，通过浇嘴或分流盘控制铝合金熔体流量；
4、当结晶器内铝合金熔体的液面高度达到设定值后，通过升降装置将熔体强剪切单元位置下调，插入结晶器内的熔池中并位于工作预设位置，启动驱动电机使剪切叶片旋转，同时开启铸造机开始铸造，铸造过程中，通过剪切叶片对铝合金熔体进行剪切作用，与感应线圈产生的电磁场形成复合作用，直至完成铸造获得铝合金铸锭。
上述方法中，熔体剪切单元位置下调前，先对熔体剪切单元的开孔段进行预热处理，将其加热至铝合金熔体的浇铸温度。
上述方法中，当铸锭达到预定长度后停止导入熔体，断开交流电并关闭驱动电机，停止向结晶器内提供冷却水，取出铝合金铸锭，铸造结束。
上述的铝合金铸锭为圆锭或扁锭；圆锭的直径≥100mm；扁锭的厚度≥100mm。
上述方法中，剪切叶片工作时的转速为100～20000rpm。
与现有技术相比，本发明具有以下优点：
1、利用熔体强剪切和电磁场的作用方式和作用区域特点的互补性，避免了电磁场趋肤效应的不利影响和剪切处理作用空间范围有限的局限，在整个结晶器熔体中产生强迫对流作用，充分均匀了结晶器内熔体温度场和成分场，不但可以从根本上消除了半连续铸造大尺寸铸锭组织粗大不均匀、偏析严重、易开裂、疏松等铸造缺陷，获得细小均匀、成分均匀的高品质铸锭；而且能够在半连续铸造过程中实现动态连续的熔体处理，提高了铸造速度和生产效率；
2、熔体剪切单元插入熔体的定子(定子套筒)-转子(剪切叶片)部分为圆柱状，定子套筒和剪切叶片的间隙及定子套筒上的开孔可以调整；定子-转子的设计可以避免结晶器内熔体液面产生漩涡或剧烈的波动，产生铸造缺陷；定子套筒绝热端不与铝熔体反应，避免了热顶内熔体在定子套筒对熔体的冷却作用，避免了热顶内熔体在定子套筒对熔体的冷却作用，防止了剪切装置周围熔体凝固，避免了熔体对熔体强剪切单元腐蚀后污染熔体。
3、熔体强剪切与电磁场复合作用制备大规格细晶均质铝合金铸锭的装置可以显著改善大尺寸铸锭质量，而且结构简单，易清理，操作简单，可实现工业化应用。
本发明的装置及方法是在半连续铸造过程中同时施加熔体强剪切和电磁场，通过电磁场和熔体强剪切参数的调整实现复合场铸造，熔体强剪切装置作用在结晶器中心位置，电磁场主要作用于结晶器表面附近区域内的合金熔体，强对流作用于结晶器内整个熔体范围内，保证了熔体温度场和成分场的均匀性，从而得到均匀细小的铸锭组织，提高铸造速度；利用电磁场和熔体剪切的互补性，充分均匀了结晶器内熔体的温度场和成分场，在一定程度上解决了现有技术制备大尺寸高强铝合金时组织粗大不均匀、偏析严重、易开裂等缺陷的技术难题；对感应线圈的位置布置和熔体强剪切单元进行了改进，将感应线圈设置在结晶器冷却水箱内部；定子套筒设计为上部绝热段，下部开孔段，绝热段外镶有不与铝熔体反应的耐高温绝热材料，实现对DC铸造整个熔池的较强作用，进而提高大尺寸铝合金DC铸造速度，改善大尺寸铝合金DC铸锭的冶金质量，同时避免了熔体强剪切单元对熔体的冷却作用和熔体对熔体强剪切单元的腐蚀作用。
附图说明
图1为本发明的强剪切与电磁场协同制备大规格均质铸锭的装置结构示意图；
图中，1、驱动电机，2、连接轴，3、定子套筒，4、剪切叶片，5、进水口，6、出水口，7、铸锭，8、引锭，9、铝合金熔体，10、隔板，11、结晶器冷却水套，12、感应线圈，13、石墨环，14、热顶；
图2为常规半连续铸造、低频电磁铸造和实施例1制备的2524铝合金Φ172mm铸锭金相组织图；其中左图为普通半连续铸造，中图为低频电磁铸造，右图为实施例1；
图3本发明实施例2制备的2524铝合金Φ300mm铸锭外观照片图；
图4为常规半连续铸造、低频电磁铸造和实施例2制备的2524铝合金Φ300mm铸锭金相组织图；其中左图为普通半连续铸造，中图为低频电磁铸造，右图为实施例2。
具体实施方式
本发明实施例中热顶内径100～600mm，石墨环内径100～800mm。
本发明感应线圈由耐热铜管或扁铜线制成，线圈匝数20～200匝，工作时的电流频率为5～150Hz，电流强度为1～600A。
本发明引锭与结晶器配套使用，将铸锭从结晶器中拉出。
本发明的方法铸造速度20～200mm/min，铸造温度690～730℃，冷却水流量30～300L/min。
本发明实施例中定子套筒的材质为低碳钢、钛、高温镍基合金或石墨。
本发明实施例中耐高温绝热材料选用石棉、硅酸铝毡或石墨管。
本发明实施例中剪切叶片的材质为低碳钢、钼、钛、高温镍基合金、耐热陶瓷或石墨。
本发明实施例中隔板的材质与定子套筒相同。
本发明定子套筒与剪切叶片之间的间隙0.1～10mm。
本发明定子套筒开孔段的侧壁的通孔总面积1～130mm2。
本发明中同一个连接轴上的剪切叶片的数量为2～10个，每个剪切叶片的宽度2～100mm，厚度0.5～8mm，与连接轴夹角0～80°。
本发明中剪切叶片工作时的转速为100～20000rpm。
本发明中定子套筒在工作预设位置时，开孔段的底端与石墨环12上沿之间的垂直高度差≤150mm，即开孔段底端在低于石墨环12上沿150mm到高于石墨环12上沿150mm范围内。
实施例1
强剪切与电磁场协同制备大规格均质铸锭的装置结构如图1所示，包括结晶器、热顶13、感应线圈11、熔体强剪切单元和引锭8；感应线圈11位于结晶器冷却水套10内部；结晶器外套内壁镶嵌有石墨环12；
熔体强剪切单元的上部为驱动电机1，驱动电机1下方为定子套筒3，定子套筒3顶部设有顶板与驱动电机1的外壳固定连接，驱动电机1与连接轴2装配在一起，连接轴2底端固定连接剪切叶片4，连接轴2和剪切叶片4位于定子套筒3内部；
熔体强剪切单元与升降装置装配在一起，连接轴2的轴线与结晶器的轴线重合；
定子套筒3内部设有隔板，隔板上方的部分为绝热段，下方为开孔段；绝热段的外壁上镶嵌耐高温绝热材料；开孔段的侧壁上开设有通孔；剪切叶片4位于开孔段内，连接轴2与隔板滑动密封连接；
通孔形状为圆形，直径2mm；
剪切叶片的数量为4个，宽度15mm，厚度3mm，直板形，与连接轴夹角为0°；
方法包括以下步骤：
在熔炼炉中进行合金熔炼，经精炼和静置后获得铝合金熔体；
抬升引锭到结晶器内石墨环下沿位置，使热顶、结晶器及引锭形成上端开口且下端封闭的空间；
向结晶器冷却水套内通入冷却水，经进水口流入，出水口流出，并对感应线圈进行冷却；对感应线圈通入交流电；控制熔体温度高于液相线50～100℃，将铝合金熔体浇入结晶器内，通过分流盘控制铝合金熔体流量；
对熔体剪切单元的开孔段进行预热处理，将其加热至铝合金熔体的浇铸温度；当结晶器内铝合金熔体的液面高度达到设定值后，将熔体强剪切单元位置下调，插入结晶器内的熔池中并位于工作预设位置，启动驱动电机使剪切叶片旋转，剪切叶片转速为5000rpm，同时开启铸造机开始铸造，铸造过程中，通过剪切叶片对铝合金熔体进行剪切作用，与感应线圈产生的电磁场形成复合作用，直至完成铸造获得铝合金铸锭；
当铸锭达到预定长度后停止导入熔体，断开交流电并关闭驱动电机，停止向结晶器内提供冷却水，取出铝合金铸锭，铸造结束；
其中结晶器冷却水套内水流量为56L/min，铝合金熔体730℃时进入结晶器，开孔段底端低于石墨环上沿10mm，铸造速度100mm/min，
感应线圈线圈通入频率25Hz，电流120A的交流电，磁场强度为4800AT；
铝合金铸锭为Φ172mm 2524铝合金圆锭，金相组织如图2右图所示，采用常规DC铸造和低频电磁铸造同尺寸铝合金铸锭，其金相组织分别如图2左图和中图所示，可见本实施例铸造的铝合金铸锭组织更为均匀、细小；
检测表明，在相同的铸造速度、冷却水流量和铸造温度下，铝合金铸锭主合金元素Cu、Mg的偏析比分别为：常规DC铸造：2.38、2.19；低频电磁铸造：2.11、1.92；本实施例：2.01、1.73；偏析比q＝Cmax/Cmin，式中Cmax、Cmin分别代表凝固组织中溶质质量分数的最大值和最小值，q越大，表示偏析越严重。
实施例2
装置结构同实施例1；
方法同实施例1，不同点在于：
(1)通孔直径3mm；感应线圈的磁场强度为6000AT；
(2)结晶器冷却水套内水流量为130L/min；铸造速度启车阶段50mm/min,然后增加至100mm/min；
(3)铝合金铸锭为Φ300mm 2524铝合金圆锭，外观如图3所示，铸锭表面光滑，无明显冷隔，经检验铸锭内部无裂纹，组织细小均匀，与常规DC铸造、低频电磁铸造相比平均晶粒尺寸分别减小了29.7％和8.9％；常规半连续铸造、低频电磁铸造和实施例2制备的2524铝合金Φ300mm铸锭金相组织如图4所示。