一种负压连铸装置与负压连铸方法与流程

本发明属于金属铸造技术领域，特别是提供了一种负压连铸装置与负压连铸方法。

背景技术

众所周知，相对于模铸技术而言，连铸技术的出现是金属材料制备领域的重大突破和质的飞跃，具有金属收得率高、能耗低、生产环节缩短、所需人时少、设备投资省，有利于实现连续生产和高度自动化等一系列突出的优点，是一种典型的金属材料短流程高效制备技术。目前大多数金属材料基本上都采用了连铸技术进行规模化生产。随着高新技术的迅猛发展和人民生活水平的日益提高，对连铸生产的金属铸坯的质量提出了越来越高的要求，尤其希望金属铸坯中的气体含量等制约金属产品性能提升的不利因素能够得到进一步控制和降低。

传统连铸技术主要包括普通下引连铸技术、虹吸管下引连铸技术、上引连铸技术和水平连铸技术。相比于现有的其他几种连铸技术而言，普通下引连铸技术在连铸过程中相对排气效果最好，金属铸坯内部气体含量最低、质量最高，但连铸过程易出现拉漏问题，安全性较差，且设备安装所需空间大、操作不方便，难以连续生产大尺寸金属铸坯；虹吸管下引连铸技术解决了普通下引连铸技术易发生的拉漏安全问题，但设备结构复杂、安装所需空间大、操作不方便，仍然难以连续生产大尺寸金属铸坯，且排气效果有所变差，金属铸坯内部气体含量有所增加、质量有所下降；上引连铸技术不会发生拉漏现象，但不利于排气，金属铸坯内部气体含量高、质量较差，且存在着冷却水可能进入金属熔体中的危险；水平连铸技术的设备结构简单、操作方便、拉漏或冷却水安全性易于控制，易于实现各种规格铸坯的连续生产，但排气效果较差，金属铸坯内部气体含量较高、质量较差。另外，在传统连铸技术中，金属熔体中及固液界面前沿处的气体在连铸过程中完全处于一种自然随机逸出而非主动吸引逸出的状态，导致气体排出到金属熔体外的速度较慢，使得金属铸坯中的气体含量难以精确控制，并且限制了拉坯速度的提高。特别地，即使是普通下引连铸技术，当生产中连铸的拉坯速度较高时，金属熔体中及固液界面前沿处的气体也有很大一部分来不及逸出，仍然会进入快速凝固的金属铸坯中，导致金属铸坯内部含有大量气体、质量变差；现有的其他几种连铸技术在这方面的问题更突出。传统连铸技术存在的这一缺陷成为了制约高质量金属铸坯生产的瓶颈问题，亟待改善。

综上所述，传统连铸技术存在着连铸过程中易拉漏或冷却水可能进入金属熔体等安全隐患，以及缺乏主动快速吸引金属熔体中和固液界面前沿处的气体逸出的方法而导致的排气效果较差等问题，难以低成本高效连续化生产满足更高使用要求的高质量金属铸坯。因此，开发一种新的连铸技术，安全、低成本、高效生产出各种规格、低气体含量、高质量的金属铸坯，具有十分重要的意义。

技术实现要素：

本发明针对传统连铸技术存在的不足，在连铸装置上安装抽气系统，将抽气系统与导流管相连通，在连铸开始前，通过抽气系统抽出导流管和铸型等内的气体，使导流管和铸型等共同构成的腔体与外部之间产生压力差，腔体内部形成负压，从而使得金属熔体能连续不断地从保温炉中流经导流管和引流道进入铸型，并在铸型内部或出口附近发生凝固，在引锭杆的作用下，实现连铸成形。特别是，由于连铸过程中导流管顶部负压区域的存在，成为主动快速吸引金属熔体中及固液界面前沿处的气体逸出的调控手段，促使气体能够快速排出到金属熔体之外，持续不断地减少金属熔体中的气体含量。本发明的目的在于提供一种负压连铸装置与方法，可解决传统连铸技术存在的连铸过程中易拉漏或冷却水可能进入金属熔体等安全隐患以及排气效果较差等问题，低成本高效连续化生产出低气体含量的高质量金属铸坯。

一种负压连铸装置，由熔化炉、流槽、保温炉、导流管、测温装置、抽气系统、引流道、隔热结构、铸型、冷却器、引锭杆和牵引机构组成。所述熔化炉和所述保温炉并列布置，中间通过所述流槽连通；所述导流管的一端插入所述保温炉底部，另一端与所述抽气系统连通；所述测温装置安装在所述导流管与所述抽气系统相连的一端上，用于监控金属熔体上升到所述导流管中的液面高度；所述引流道安装在所述导流管的侧面，两端分别与所述导流管和所述铸型相连；所述引流道和所述铸型之间采用所述隔热结构隔开，所述引流道、所述隔热结构和所述铸型为一体化结构；所述冷却器设置于所述铸型的出口附近，对金属铸坯进行强制冷却；沿着金属铸坯拉制方向在所述冷却器后面安装所述牵引机构，实现金属铸坯的连续拉制；所述铸型、所述冷却器和所述牵引机构沿着金属铸坯拉制方向分布在同一轴线上；所述引锭杆的一端伸入所述铸型和所述冷却器中，另一端与所述牵引机构配合，实现对金属铸坯的牵引。

进一步的，将所述熔化炉安装于所述保温炉的上部一侧，通过塞杆控制所述熔化炉流入所述保温炉中的金属熔体的流量。

进一步的，将所述熔化炉和所述保温炉放置于空气、真空、充入氮气或充入惰性气体保护的环境中。

进一步的，采用中间包取代所述熔化炉，不断快速提供金属熔体，以便于进行高效连续生产。

进一步的，所述铸型采用冷却铸型、加热铸型、两相区铸型、低热铸型、梯温铸型、热-冷组合铸型或控温铸型中的任何一种。

进一步的，所述铸型与所述冷却器设计为整体结构，中间采用隔热垫隔开。

进一步的，在所述冷却器出口处的内壁上装有密封圈，防止外界气体进入所述引锭杆和所述冷却器之间或金属铸坯和所述冷却器之间。

进一步的，所述导流管上连接了1～100套由所述引流道、所述隔热结构、所述铸型和所述冷却器构成的流线，所述负压连铸装置含有1～100个所述导流管。

进一步的，所述负压连铸装置可以在所述冷却器和所述牵引机构之间设置二次冷却器。

进一步的，所述负压连铸装置可以取消所述冷却器。

进一步的，所述负压连铸装置采用人工控制或计算机控制，采用水平式、下引式或上引式中的任何一种。

一种采用如上所述负压连铸装置的负压连铸方法，其制备工艺为：

所述引锭杆的一端先后穿过所述牵引机构和所述冷却器后，伸入所述铸型中，所述引锭杆的引锭头与所述铸型对应部位的内壁紧密贴合；金属原材料在所述熔化炉内熔化成为金属熔体，金属熔体从所述熔化炉中通过所述流槽流入所述保温炉；在所述抽气系统中预设减压速度，开启所述抽气系统，对所述导流管、所述引流道、所述隔热结构和所述铸型共同构成的密闭腔体进行抽气，使密闭腔体内部形成负压，密闭腔体与外部之间产生压力差；所述保温炉内的金属熔体在外部气压的作用下连续不断地压入所述导流管，逐渐填充所述引流道、所述隔热结构和所述铸型；当金属熔体的液面高度达到所述导流管上预先安装的所述测温装置的上限位置时，所述抽气系统自动停止抽气，而当金属熔体的液面高度下降到所述导流管上预先安装的所述测温装置的下限位置时，所述抽气系统自动开始抽气；在所述隔热结构对所述引流道和所述铸型的隔离作用下，精确控制所述铸型的温度；在所述冷却器的强制冷却作用下，金属熔体在所述铸型内部或出口附近完成凝固；在所述引锭杆和所述牵引机构的带动下，进行连铸成形，获得低气体含量的高质量金属铸坯；金属铸坯所需的冷却速度由所述牵引机构的拉坯速度、所述冷却器的冷却强度以及所述铸型的温度来控制。

本发明的主要优点在于：

1.负压连铸装置的结构简单、操作维修方便、生产效率高、适用范围广、制造成本低，能够用于工业化批量生产，适合于金属熔体通过导流管实现上引并流经引流道后进行水平式连铸、下引式连铸或上引式连铸的场合，特别是传统方法难以实现的保温炉低于铸型的水平式连铸或下引式连铸。

2.负压连铸方法将使得金属熔体中的气体在连铸过程中由于负压的作用而不断被主动快速吸引到导流管顶部的无金属熔体的负压区域，将有助于减少金属熔体中的气体含量，获得高质量的金属熔体。

3.负压连铸方法有利于连铸过程中固液界面前沿析出的气体快速排入金属熔体中，并在负压作用下快速进入导流管顶部的无金属熔体的负压区域，极大地减少金属铸坯中的气体含量，有利于生产高质量的金属铸坯。

4.负压连铸方法制备的金属铸坯表面光洁度好、组织致密，塑性加工性能、力学性能、物理性能以及化学性能优于采用传统连铸技术制备的相同化学成分的金属铸坯。

5.负压连铸方法简单可行，应用范围广泛，具有极高的推广价值，几乎可以应用于所有金属，实现工业化高效连铸成形高质量的金属铸坯，而且能近终形生产管材、板材、带材、棒材、线材和型材等高质量金属产品，显著简化工艺流程，降低生产成本。

附图说明

图1为本发明的一种负压连铸装置示意图。其中，(1)为金属熔体，(2)为熔化炉，(3)为流槽，(4)为保温炉，(5)为导流管，(6)为测温装置，(7)为抽气系统，(8)为引流道，(9)为隔热结构，(10)为铸型，(11)为冷却器，(12)为引锭杆，(13)为牵引机构。

具体实施方式

以下结合实施例对本发明进行具体描述，有必要在此指出的是本实施例只用于对本发明进行进一步说明，不能理解为对本发明保护范围的限制，该领域的熟练技术人员可以根据上述本发明的内容做出一些非本质的改进和调整。

结合附图1对本发明的负压连铸装置具体说明如下：

负压连铸装置由熔化炉(2)、流槽(3)、保温炉(4)、导流管(5)、测温装置(6)、抽气系统(7)、引流道(8)、隔热结构(9)、铸型(10)、冷却器(11)、引锭杆(12)和牵引机构(13)组成。熔化炉(2)和保温炉(4)并列布置，中间通过流槽(3)连通；导流管(5)的一端插入保温炉(4)底部，另一端与抽气系统(7)连通；测温装置(6)安装在导流管(5)与抽气系统(7)相连的一端上，用于监控金属熔体(1)上升到导流管(5)中的液面高度；引流道(8)安装在导流管(5)的侧面，两端分别与导流管(5)和铸型(10)相连；引流道(8)和铸型(10)之间采用隔热结构(9)隔开，引流道(8)、隔热结构(9)和铸型(10)为一体化结构；冷却器(11)设置于铸型(10)的出口附近，对金属铸坯进行强制冷却；沿着金属铸坯拉制方向在冷却器(11)后面安装牵引机构(13)，实现金属铸坯的连续拉制；铸型(10)、冷却器(11)和牵引机构(13)沿着金属铸坯拉制方向分布在同一轴线上；引锭杆(12)的一端伸入铸型(10)和冷却器(11)中，另一端与牵引机构(13)配合，实现对金属铸坯的牵引。

进一步的，将熔化炉(2)安装于保温炉(4)的上部一侧，通过塞杆控制熔化炉(2)流入保温炉(4)中的金属熔体(1)的流量。

进一步的，将熔化炉(2)和保温炉(4)放置于空气、真空、充入氮气或充入惰性气体保护的环境中。

进一步的，采用中间包取代熔化炉(2)，不断快速提供金属熔体(1)，以便于进行高效连续生产。

进一步的，铸型(10)采用冷却铸型、加热铸型、两相区铸型、低热铸型、梯温铸型、热-冷组合铸型或控温铸型中的任何一种。

进一步的，铸型(10)与冷却器(11)设计为整体结构，中间采用隔热垫隔开。

进一步的，在冷却器(11)出口处的内壁上装有密封圈，防止外界气体进入引锭杆(12)和冷却器(11)之间或金属铸坯和冷却器(11)之间。

进一步的，导流管(5)上连接了1～100套由引流道(8)、隔热结构(9)、铸型(10)和冷却器(11)构成的连铸部件，所述负压连铸装置含有1～100个导流管(5)。

进一步的，所述负压连铸装置可以在冷却器(11)和牵引机构(13)之间设置二次冷却器。

进一步的，所述负压连铸装置可以取消冷却器(11)。

进一步的，所述负压连铸装置采用人工控制或计算机控制，采用水平式、下引式或上引式中的任何一种。

实施例1：

直径为20mm的纯铜杆坯负压连铸成形。

引锭杆(12)的一端先后穿过牵引机构(13)和冷却器(11)后，伸入铸型(10)中，引锭杆(12)的引锭头与铸型(10)对应部位的内壁紧密贴合；纯铜原材料在熔化炉(2)内熔化成温度为1300℃的纯铜熔体，纯铜熔体从熔化炉(2)中通过流槽(3)流入保温炉(4)；在抽气系统(7)中预设减压速度为3000pa/s，开启抽气系统(7)，对导流管(5)、引流道(8)、隔热结构(9)和铸型(10)共同构成的密闭腔体进行抽气，使密闭腔体内部形成负压，密闭腔体与外部之间产生压力差；保温炉(4)内的纯铜熔体在外部气压的作用下连续不断地压入导流管(5)，逐渐填充引流道(8)、隔热结构(9)和铸型(10)；当纯铜熔体的液面高度达到导流管(5)上预先安装的测温装置(6)的上限位置时，抽气系统(7)自动停止抽气，而当纯铜熔体的液面高度下降到导流管(5)上预先安装的测温装置(6)的下限位置时，抽气系统(7)自动开始抽气；在隔热结构(9)对引流道(8)和铸型(10)的隔离作用下，精确控制铸型(10)的温度为1200℃；在冷却水温度为15℃和冷却水流量为2000l/h的冷却器(11)的强制冷却作用下，纯铜熔体在铸型(10)出口附近完成凝固；在引锭杆(12)和牵引机构(13)的带动下，以100mm/min的拉坯速度进行连铸成形，获得表面光亮、内部致密、气体含量低、具有沿拉坯方向的连续柱状晶组织、直径为20mm的高质量纯铜杆坯。

实施例2：

宽度为100mm、厚度为2mm的纯铜带坯负压连铸成形。

引锭杆(12)的一端先后穿过牵引机构(13)和冷却器(11)后，伸入铸型(10)中，引锭杆(12)的引锭头与铸型(10)对应部位的内壁紧密贴合；纯铜原材料在熔化炉(2)内熔化成温度为1200℃的纯铜熔体，纯铜熔体从熔化炉(2)中通过流槽(3)流入保温炉(4)；在抽气系统(7)中预设减压速度为2000pa/s，开启抽气系统(7)，对导流管(5)、引流道(8)、隔热结构(9)和铸型(10)共同构成的密闭腔体进行抽气，使密闭腔体内部形成负压，密闭腔体与外部之间产生压力差；保温炉(4)内的纯铜熔体在外部气压的作用下连续不断地压入导流管(5)，逐渐填充引流道(8)、隔热结构(9)和铸型(10)；当纯铜熔体的液面高度达到导流管(5)上预先安装的测温装置(6)的上限位置时，抽气系统(7)自动停止抽气，而当纯铜熔体的液面高度下降到导流管(5)上预先安装的测温装置(6)的下限位置时，抽气系统(7)自动开始抽气；在隔热结构(9)对引流道(8)和铸型(10)的隔离作用下，精确控制铸型(10)的温度为900℃；在冷却水温度为20℃和冷却水流量为1500l/h的冷却器(11)的强制冷却作用下，纯铜熔体在铸型(10)内部完成凝固；在引锭杆(12)和牵引机构(13)的带动下，以150mm/min的拉坯速度进行连铸成形，获得表面光滑、内部致密、气体含量低、具有沿拉坯方向取向度高的柱状晶组织、宽度为100mm、厚度为2mm的高质量纯铜带坯。

实施例3：

宽度为100mm、厚度为15mm的t型截面铜铁磷合金板坯负压连铸成形。

引锭杆(12)的一端先后穿过牵引机构(13)和冷却器(11)后，伸入铸型(10)中，引锭杆(12)的引锭头与铸型(10)对应部位的内壁紧密贴合；铜铁磷合金原材料在熔化炉(2)内熔化成温度为1300℃的铜铁磷合金熔体，铜铁磷合金熔体从熔化炉(2)中通过流槽(3)流入保温炉(4)；在抽气系统(7)中预设减压速度为1000pa/s，开启抽气系统(7)，对导流管(5)、引流道(8)、隔热结构(9)和铸型(10)共同构成的密闭腔体进行抽气，使密闭腔体内部形成负压，密闭腔体与外部之间产生压力差；保温炉(4)内的铜铁磷合金熔体在外部气压的作用下连续不断地压入导流管(5)，逐渐填充引流道(8)、隔热结构(9)和铸型(10)；当铜铁磷合金熔体的液面高度达到导流管(5)上预先安装的测温装置(6)的上限位置时，抽气系统(7)自动停止抽气，而当铜铁磷合金熔体的液面高度下降到导流管(5)上预先安装的测温装置(6)的下限位置时，抽气系统(7)自动开始抽气；在隔热结构(9)对引流道(8)和铸型(10)的隔离作用下，精确控制水冷铜铸型(10)的温度；在冷却水温度为20℃和冷却水流量为1000l/h的冷却器(11)的强制冷却作用下，铜铁磷合金熔体在铸型(10)内部完成凝固；在引锭杆(12)和牵引机构(13)的带动下，以130mm/min的拉坯速度进行连铸成形，获得表面光滑、内部致密、气体含量低、具有等轴晶组织、宽度为100mm、厚度为15mm的高质量t型截面铜铁磷合金板坯。

实施例4：

宽度为20mm、厚度为8mm的cu-4.7wt％sn铜合金板坯负压连铸成形。

引锭杆(12)的一端先后穿过牵引机构(13)和冷却器(11)后，伸入铸型(10)中，引锭杆(12)的引锭头与铸型(10)对应部位的内壁紧密贴合；cu-4.7wt％sn铜合金原材料在熔化炉(2)内熔化成温度为1200℃的cu-4.7wt％sn铜合金熔体，cu-4.7wt％sn铜合金熔体从熔化炉(2)中通过流槽(3)流入保温炉(4)；在抽气系统(7)中预设减压速度为800pa/s，开启抽气系统(7)，对导流管(5)、引流道(8)、隔热结构(9)和铸型(10)共同构成的密闭腔体进行抽气，使密闭腔体内部形成负压，密闭腔体与外部之间产生压力差；保温炉(4)内的cu-4.7wt％sn铜合金熔体在外部气压的作用下连续不断地压入导流管(5)，逐渐填充引流道(8)、隔热结构(9)和铸型(10)；当cu-4.7wt％sn铜合金熔体的液面高度达到导流管(5)上预先安装的测温装置(6)的上限位置时，抽气系统(7)自动停止抽气，而当cu-4.7wt％sn铜合金熔体的液面高度下降到导流管(5)上预先安装的测温装置(6)的下限位置时，抽气系统(7)自动开始抽气；在隔热结构(9)对引流道(8)和铸型(10)的隔离作用下，精确控制铸型(10)的温度为1020℃；在冷却水温度为20℃和冷却水流量为400l/h的冷却器(11)的强制冷却作用下，cu-4.7wt％sn铜合金熔体在铸型(10)内部完成凝固；在引锭杆(12)和牵引机构(13)的带动下，以35mm/min的拉坯速度进行连铸成形，获得表面光滑、内部致密、气体含量低、具有晶包晶组织、宽度为20mm、厚度为8mm的高质量cu-4.7wt％sn铜合金板坯。

实施例5：

直径为15mm的纯铝杆坯负压连铸成形。

引锭杆(12)的一端先后穿过牵引机构(13)和冷却器(11)后，伸入铸型(10)中，引锭杆(12)的引锭头与铸型(10)对应部位的内壁紧密贴合；纯铝原材料在熔化炉(2)内熔化成温度为780℃的纯铝熔体，纯铝熔体从熔化炉(2)中通过流槽(3)流入保温炉(4)；在抽气系统(7)中预设减压速度为500pa/s，开启抽气系统(7)，对导流管(5)、引流道(8)、隔热结构(9)和铸型(10)共同构成的密闭腔体进行抽气，使密闭腔体内部形成负压，密闭腔体与外部之间产生压力差；保温炉(4)内的纯铝熔体在外部气压的作用下连续不断地压入导流管(5)，逐渐填充引流道(8)、隔热结构(9)和铸型(10)；当纯铝熔体的液面高度达到导流管(5)上预先安装的测温装置(6)的上限位置时，抽气系统(7)自动停止抽气，而当纯铝熔体的液面高度下降到导流管(5)上预先安装的测温装置(6)的下限位置时，抽气系统(7)自动开始抽气；在隔热结构(9)对引流道(8)和铸型(10)的隔离作用下，精确控制铸型(10)的温度为600℃；在冷却水温度为20℃和冷却水流量为600l/h的冷却器(11)的强制冷却作用下，纯铝熔体在铸型(10)内部完成凝固；在引锭杆(12)和牵引机构(13)的带动下，以80mm/min的拉坯速度进行连铸成形，获得表面光亮、内部致密、气体含量低、具有沿拉坯方向取向度高的柱状晶组织、直径为15mm的高质量纯铝杆坯。