专利名称：功率超声与低频电磁协同作用的轻合金锭坯立式半连续铸造方法及设备的制作方法
技术领域：
本发明属于轻合金铸造技术领域，特别涉及一种施加功率超声与低频电磁两种外场协同作用进行轻合金大规格锭坯立式半连续铸造的方法及设备。
背景技术：
施加外场是改变金属凝固行为的十分有效的方法，如凝固时施加电场、电流、磁场(包括永磁场、电磁场、脉冲电磁场、组合电磁场等)、超声波，机械波等，均对DC铸造过程中合金的温度场、流场、浓度场以及形核和长大等凝固行为产生影响。其中，施加电磁场是一种高效、经济容易实现的方法。大量研究也表明，超声波在金属熔体中所具有的非线性效应对改变金属凝固行为具有十分独特的效果。这些手段可以改善或避免DC铸造过程中可能出现的缺陷，为铸坯质量提高创造了条件。
电磁场在半连续铸造中的应用的开拓者前苏联的工程师Getselev ZN利用500～4000Hz高频电磁场的磁压力使熔体避免结晶器的一次冷却，直接二次冷却，实现无模铸造以提高铝合金铸坯的表面质量。此外，也有利用电磁场的搅拌功能来改变金属凝固行为的相关研究，其中，法国人Vives等利用工频电磁场实现了2024和2214铝合金的电磁铸造，发明了电磁搅拌细化晶粒工艺(US4523628)。近年来，东北大学利用低频电磁对金属熔体有较高穿透深度的特点开发了轻合金低频电磁半连续铸造技术和低频电磁振荡半连续铸造技术。但由于电磁场在金属熔体中难以克服的集肤效应，即使是低频电磁场，其作用深度也十分有限。这在大规格锭坯的制备中显得十分明显，限制了通过电磁来改变冶金熔体凝固行为的物理尺度。
超声作为一种机械疏密波也是改善金属或合金凝固组织，提高材料机械性能的最有效手段。超声波作用于金属熔体所产生的微气泡形成、长大、脉动和崩塌的过程，即空化效应，具有细化晶粒、抑制枝晶和促进等轴晶形成、抑制合金元素偏析与净化熔体(除气、除渣、提纯)等显著效果。前苏联在1930年代即开始了金属的超声凝固研究，并发明了轻金属熔体的超声半连续铸造技术。熔体超声处理主要是通过浸入熔体中变幅杆实现能量传递，达到改变凝固行为的效果。然而，超声波是纵波，其作用有很显著的方向性，同时超声在金属熔体中的衰减十分严重，使得超声效应主要集中在超声源作用的熔体中部的附近区域，其作用的金属体积同样受到一定限制，一般施加于凝固液芯中的超声难于作用到凝壳附近的表层熔体。
可见，电磁场或超声各自作用于有限区域电磁场主要作用于表面区域，超声场主要作用于中心区域。两种外场单一施加均无法实现熔体的全体积作用，难于完全消除锭坯的粗晶区及枝晶区，特别是对于枝晶发达、晶粒粗大，容易造成内应力，裂纹倾向严重的材料的大型锭坯则难度更大。
发明内容
针对轻合金大规格锭坯铸造困难，易于出现裂纹和疏松等铸造缺陷，同时由于成分偏析、晶粒组织粗大且不均等问题限制了材料性能的发挥，甚至难于满足实际变形生产的要求。本发明提供一种轻合金大规格锭坯的立式半连续铸造的生产方法与设备。
该方法利用低频电磁场和功率超声，或低频电磁振荡和功率超声的协同作用，实现轻合金锭坯立式半连续铸造过程中的外场全体积作用。
本发明涉及的功率超声与低频电磁协同作用的轻合金大规格锭坯立式半连续铸造技术是采用在轻合金的立式半连续铸造过程中同时施加低频电磁振荡场和功率超声场(图1)，或低频电磁场和功率超声场(图2)，功率超声场通过超声杆作用于结晶器轴线部位，电磁场由于趋肤效应而主要作用于金属熔体表层附近，通过两种外场参数的调节实现协同作用，使得结晶器内熔体凝固过程中实现全体积外场作用。
本发明方法所采用的设备包含熔炼炉、中间包、一个配置1～2个励磁线圈的结晶器，一个超声电源和换能器系统，其具体配置是在结晶器水套内部或者外部或上部配置有一组励磁线圈，并通之以低频交流电；或在结晶器水套内部或外部或上部配置有一组通以低频交流电和一组通以直流电的两组内置式励磁线圈，在上面两种配置的任一种均在结晶器上方或同时在中间包和结晶器的上方设有装在移动支架上的超声变幅杆。装有可在结晶器上方或同时在中间包上方和结晶器上方移动的超声变幅杆的移动支架是由步进电机控制进行三维移动的。其基本做法是将熔炼完毕并经过精炼和净化处理后的轻合金熔体，经过熔炼炉底部侧面的流量控制口、流道、中间包(可施加超声处理)，最后经过浇嘴或分流盘进入结晶器中。在结晶器的水套内部配置有一组通以低频交流电和一组通以直流电的两组励磁线圈，通过直流场与交流场的相互作用为熔体提供低频电磁振荡场，同时在铸造过程中把固定于带步进电机调节系统的支架上的超声变幅杆插入结晶器中心部位的熔体中以施加超声波，实现低频电磁振荡与功率超声的协同作用铸造。铸造时，调整好铸造速度后，两励磁线圈通电，在结晶器中填充熔体，同时侍机开动铸造机，并控制结晶器中液面稳定之后，把经预热的超声变幅杆浸入液面中并把功率调整到预定值，直至铸造完毕。
具体操作是熔炼炉中按要求组分进行轻合金熔炼；预热中间包，并把引锭杆引入结晶器中；打开冷却水，并给结晶器中的励磁线圈通之以预定频率与强度的交流电或同时给另一个励磁线圈通之以预定强度的直流电；把经过精炼和净化并达设定温度的轻合金熔体经由流量控制口进入中间包中；并通过流量控制口控制中间包中的液面高度，通过浇嘴或分流盘控制结晶器中的液面高度；随后开启铸造机按设定铸造速度进行铸造；随后把经过预热的超声变幅杆插入结晶器中的液面下，打开超声并调节功率到预定值；锭坯通过引锭杆拉出直至铸造结束。对于镁合金而言，熔体进入中间包和进入结晶器的整个过程中均要采用CO2+5％SF6混合气体进行保护并采取一些必要措施，以避免熔体的二次氧化与燃烧而造成的熔体二次污染，保证熔体的质量和铸造过程的顺利进行。
本发明特别适合于铸造Φ150mm以上的圆坯和厚度在150mm以上的扁坯，同时对直径或厚度小于150mm的锭坯的冶金质量的提高也有明显效果。对于直径大于Φ500mm或厚度大于500mm的锭坯须配置2个以上的变幅杆。对于镁合金锭坯铸造，变幅杆材料为经过特殊处理的低碳钢，其含碳量在0.1～0.8％；对于铝合金锭坯铸造，变幅杆为一种高温钴基合金(GH605)或一种高温耐蚀镍基合金(GH5K)材料制成；铸造模是配置有内置式励磁线圈的结晶器系统，结晶器内套为直筒型金属模或者镶嵌有石墨环和保温帽的热顶式金属模。
变幅杆在浸入熔体之前须经预热至一定温度，保持0.5h～1h，或者采用乙炔烘烤至相应温度。在结晶器中，所施加的超声频率为18kHz～28kHz，超声强度为3W/cm2～50W/cm2，超声有效作用时间为5s～180s，或者施加脉冲超声，频率为18kHz～28kHz，脉宽为10-4s～10-1s，超声强度为7W/cm2～80W/cm2，超声有效作用时间为10s～250s；在中间包中也可同时施加频率为18kHz～28kHz，声强为1W/cm2～50W/cm2的超声进行熔体预处理。
所施加的低频电磁频率范围为1Hz～90Hz，强度为2000AT～40000AT；所施加的低频电磁振荡频率范围为1Hz～90Hz，交流电磁强度为2000AT～40000AT，静磁场强度为1500AT～30000AT。
立式半连续铸造中间包中的熔体温度均控制在高于液相线温度50℃～100℃；铸造速度为20mm/min～300mm/min，应根据锭坯牌号和规格进行调整。
本发明的优点极大降低铸坯凝固时的横向温度梯度，改变液穴形状，提高锭坯凝固的均匀性，显著降低锭坯铸造缺陷的尺寸效应，极大改善立式半连续铸造轻合金大型锭坯的内部冶金质量和表面质量，可以获得宏观偏析显著减小，晶粒细化，组织差别减小，裂纹和疏松等缺陷显著抑制，表面质量提高的大规格锭坯。该技术对于枝晶发达、晶粒粗大、偏析严重、组织凝固尺寸效应显著，含气量大、易热裂的镁合金或7075，7055等高合金化的铝合金来说，将可实现其高品质大型锭坯的顺利生产，并显著提高成材率，同时，对一些易实现立式半连续铸造的规格和牌号，也为其冶金质量的提高也提供了空间，是有色金属锭坯，特别是轻金属合金和易于出现以上铸造缺陷的大型锭坯铸造的先进工艺方法。
图1是本发明功率超声与低频电磁振荡协同作用下的立式半连续铸造装置结构示意图；图2是本发明功率超声与低频电磁协同作用下的立式半连续铸造装置结构示意图；图3为实例中圆形锭坯横截面上的金相组织观察取样部位示意图；
图4为传统DC铸造、低频电磁振荡立式半连续铸造和本发明图1所示方法铸造的AZ31镁合金Φ200mm锭坯组织对比；图5为传统DC铸造、低频电磁立式半连续铸造和本发明图2所示方法铸造的AZ80镁合金Φ300mm锭坯组织对比；图6为传统DC铸造、低频电磁立式半连续铸造和本发明图2所示方法铸造的MA2-1镁合金Φ300mm锭坯组织对比；图7为传统DC铸造、低频电磁立式半连续铸造和本发明图2所示方法铸造的Al-11Si二元铝合金Φ100mm锭坯的组织对比；图中1熔炼炉、2轻合金熔体、3流量控制口、4超声变幅杆(固定于可通过步进电机实现精确三维移动控制的支架上)、5浇嘴或分流盘、6结晶器、7锭坯、8引锭杆、9励磁线圈、10中间包、11流道。
具体实施例方式
实施例1AZ31镁合金Φ200mm锭坯立式半连续铸造按照配比熔炼AZ31镁合金，并添加20ppmBe以实现阻燃；结晶器为镶嵌有石墨环和保温帽的热顶式金属模；熔体在中间包中无超声处理，在结晶器中施加功率超声场与低频电磁振荡场的协同作用。
铸造工艺条件为铸造速度为100mm/min；Φ20mm低碳钢材质超声变幅杆在300℃预热1h；超声频率为20kHz，超声强度约为6W/cm2；中间包中的熔体温度690℃；交流频率30Hz，强度4000AT；直流强度4000AT。
图4为传统立式半连续铸造、低频电磁振荡立式半连续铸造和本发明立式半连续铸造方法获得的AZ31镁合金Φ200mm锭坯的组织比较。可见，本发明方法的组织更为均匀、细小。
检测表明，在以上铸造速度与铸造温度下，三种铸造方法的液穴深度明显不同，传统半连铸为120mm，低频电磁振荡铸造为90mm，本发明为70mm～80mm；主合金元素Al的相对差传统半连铸为16％～20％，低频电磁振荡铸造为10％～15％，本发明方法铸造为6％～10％。比较可见，本发明具有最浅的液穴，最小的宏观偏析。
实施例2AZ80镁合金Φ300mm锭坯立式半连续铸造按照配比熔炼AZ80镁合金，并添加10ppmBe以实现阻燃；结晶器为镶嵌有石墨环和保温帽的热顶式金属模；熔体在中间包中无超声处理，在结晶器中施加功率超声场与低频电磁场的协同作用。
铸造工艺条件为铸造速度为90mm/min；Φ20mm低碳钢材质超声变幅杆在300℃预热1h；超声频率为20kHz，超声强度约为5W/cm2；中间包中的熔体温度670℃；交流频率30Hz，强度6000AT。
图5为传统半连铸、低频电磁立式半连续铸造和本发明立式半连续铸造方法获得的AZ80镁合金Φ300mm锭坯的组织比较。可见，本发明方法的组织更为均匀、细小。
检测表明，主合金元素A1的相对差传统半连铸为25％～35％，低频电磁振荡铸造为15％～25％，本发明方法铸造为12％～15％。比较可见，本发明具有最浅的液穴，最小的宏观偏析。
实施例3MA2-1镁合金Φ300mm锭坯立式半连续铸造按照配比熔炼MA2-1(俄罗斯牌号，相当于AZ41)镁合金，并添加20ppmBe以实现阻燃；结晶器内套为镶嵌有石墨环和保温帽的热顶式金属模；熔体在中间包中无超声预处理，在结晶器中施加功率超声与低频电磁的协同场。
铸造工艺条件为铸造速度为100mm/min；Φ20mm低碳钢材质超声变幅杆在300℃预热1h；超声频率为20kHz，超声强度约为10W/cm2；中间包中的熔体温度680℃；交流频率25Hz，强度6000AT。
图6为传统半连铸、低频电磁立式半连续铸造和本发明立式半连续铸造方法获得的MA2-1镁合金Φ300mm锭坯的组织比较。可见，传统半连铸组织主要为粗大的蔷薇状晶粒，中心晶粒比边部明显粗大，中心部位晶粒度达到400μm～500μm；低频电磁半连铸法显著细化了中心与边部的组织，晶粒形状变得不规则，但中心仍然较为粗大，晶粒度为100μm～200μm；采用本发明生产的锭坯组织则均匀而细小，平均晶粒度小于100μm。
实施例4Al-11Si二元铝合金Φ100mm锭坯立式半连续铸造按照配比熔炼Al-11Si二元铝合金，结晶器内套为硬铝模。在结晶器施加超声场与低频电磁场协同外场作用的工艺中，中间包熔体经超声预处理。
铸造工艺条件为铸造速度为120mm/min；Φ20mm变幅杆(GH605高温钴基合金材料制成)在350℃预热1h；超声频率为20kHz，超声强度约为10W/cm2；中间包中的熔体温度730℃；交流频率30Hz，强度7200AT。中间包熔体处理超声频率为20kHz，超声强度约为20W/cm2。
图7为传统半连铸、低频电磁立式半连续铸造和本发明立式半连续铸造方法获得的Al-11Si二元亚共晶铝合金Φ100mm锭坯的组织比较。可见，传统半连铸组织中的初生α-Al晶粒特别粗大且中心部位比边部大；单一施加低频电磁场的低频电磁铸造组织中，初生α-Al晶粒明显细化，但中心部位仍然较边部粗大，而且晶粒取向性明显；采用本发明的低频电磁与超声协同作用方法(图2)制备的锭坯初生α-Al晶粒进一步细化，晶粒生长的取向性也显著降低，中心与边部的组织差别也很小。
权利要求
1.一种功率超声与低频电磁协同作用的轻合金大规格锭坯立式半连续铸造方法，其特征在于采用可施加功率超声与低频电磁两种外场协同作用的轻合金大规格锭坯立式半连续铸造设备，在铸造过程中同时施加低频电磁场和功率超声场或低频电磁振荡场和功率超声场，功率超声场作用于结晶器轴线部位，电磁场作用于金属熔体表面附近，通过两种外场参数的调节实现协同作用，使结晶器熔体凝固过程中实现全体积外场作用进行铸造。
2.如权利要求1所述功率超声与低频电磁协同作用的轻合金大规格锭坯立式半连续铸造方法，其特征在于施加电磁场和功率超声场的具体做法是在结晶器水套内部或者外部或上部配置有一组内置式励磁线圈，并通之以低频交流电为熔体提供低频电磁场，同时在铸造过程中把超声变幅杆插入结晶器中心部位的熔体中施加超声波，实现低频电磁场与功率超声的协同作用铸造；或者是在结晶器水套内部或者外部或上部配置有一组通以低频交流电和一组通以直流电的两组内置式励磁线圈，为熔体提供低频电磁振荡场，同时在铸造过程中把超声变幅杆插入结晶器中心部位的熔体中施加超声波，实现低频电磁振荡与功率超声的协同作用铸造。
3.如权利要求1所述功率超声与低频电磁协同作用的轻合金大规格锭坯立式半连续铸造方法，其特征在于工艺步骤是熔炼合金并经过精炼和净化处理后的轻合金熔体，经过中间包进入结晶器中，结晶器配置的励磁线圈已经通电，开动铸造机并控制结晶器中液面稳定之后，即把经过预热的超声变幅杆浸入结晶器熔体液面中，或将经过预热的超声变幅杆浸入中间包熔体液面又浸入结晶器熔体液面中，所施加的超声频率为18kHz～28kHz，超声强度为3W/cm2～50W/cm2，超声有效时间为5s～180s，或施加脉冲超声频率为18kHz～28kHz，脉宽为10-4s～10-1s，超声强度为7W/cm2～80W/cm2，超声作用时间为10s～250s；所施加的低频电磁频率范围为1Hz～90Hz，强度为2000AT～40000AT，静磁场强度为1500AT～30000AT；铸造中间包中的熔体温度控制在高于液相线温度50℃～100℃，铸造速度为20mm/min～300mm/min。
4.权利要求1所述功率超声与低频电磁协同作用的轻合金大规格锭坯立式半连续铸造方法所用的设备，包括熔体炉、中间包、结晶器，其特征在于在结晶器水套内部或者外部或上部配置有一组励磁线圈，并通之以低频交流电；或在结晶器水套内部或外部或上部配置有一组通以低频交流电和一组通以直流电的两组内置式励磁线圈，在上面两种配置的任一种均在结晶器上方或同时在中间包和结晶器的上方设有装在移动支架上的超声变幅杆。
5.如权利要求4所述的功率超声与低频电磁协同作用的轻合金大规格锭坯立式半连续铸造方法所用的设备，其特征在于所述装有可在结晶器上方或同时在中间包上方和结晶器上方移动的超声变幅杆的移动支架是由步进电机控制进行三维移动的。
6.如权利要求4所述的功率超声与低频电磁协同作用的轻合金大规格锭坯立式半连续铸造方法所用的设备，其特征在于所述当铸造直径大于Φ500mm或厚度大于500mm的锭坯须配置2个以上的变幅杆。
7.如权利要求4所述的功率超声与低频电磁协同作用的轻合金大规格锭坯立式半连续铸造方法所用的设备，其特征在于所述对于镁合金锭坯铸造，变幅杆材料为经过特殊处理的低碳钢，其含碳量在0.1～0.8％；对于铝合金锭坯铸造，变幅杆为一种高温钴基合金GH605或一种高温耐蚀镍基合金GH5K材料制成。
全文摘要
一种功率超声与低频电磁协同作用的轻合金大规格锭坯立式半连续铸造方法及设备，采用可施加功率超声与低频电磁两种外场协同作用的轻合金大规格锭坯立式半连续铸造设备，在铸造过程中同时施加低频电磁场和功率超声场或低频电磁振荡场和功率超声场，功率超声场作用于结晶器轴线部位，电磁场作用于金属熔体表面附近，通过两种外场参数的调节实现协同作用，使结晶器熔体凝固过程中实现全体积外场作用进行铸造；本发明可极大降低铸坯凝固时的横向温度梯度，改变液穴形状，提高锭坯凝固的均匀性，显著降低锭坯铸造缺陷的尺寸效应，极大改善立式半连续铸造轻合金大型锭坯的内部和表面质量。
文档编号B22D27/02GK101020229SQ20071001064
公开日2007年8月22日 申请日期2007年3月19日 优先权日2007年3月19日
发明者乐启炽, 崔建忠, 张志强, 赵志浩 申请人:东北大学