专利名称：一种镁合金低频脉冲磁场辅助半连续铸造结晶器及其应用的制作方法
技术领域：
本发明属于金属材料制备领域，具体涉及一种镁合金低频脉冲磁场辅助半连续铸造结晶器及其应用。
背景技术：
竖直半连续DC铸造是目前工业制备金属材料大规格锭坯的主要方式。炉体内的金属液体通过流槽进入结晶器内，液态金属熔体在底部引锭头和结晶器内壁接触，在引锭头和结晶器内冷却水的一次冷却作用下，形成凝壳，由于凝固收缩，金属逐渐与结晶器内壁脱离，形成空隙，随着引锭头以一定的速度向下移动，并接触到结晶器内的冷却水，在冷却水的二次冷却作用下，整个铸锭逐渐凝固。镁合金半连续DC铸造技术是在现有的铝合金半连续铸造技术基础上发展起来的，该方法生产效率高，铸造成本低，操作简单，且镁合金铸锭中铸造缺陷少，组织致密，但一直以来铸锭内部尤其是铸锭中心区域晶粒尺寸比较粗大，且组织不均勻，严重影响铸锭的力学性能和变形性能。为了解决铸锭晶粒尺寸比较粗大和凝固组织不均勻的问题，国内外开发出了新型半连续DC铸造方法，其中又以电磁铸造技术效果最为明显，该技术是在交变电磁场作用下进行半连续DC铸造，不仅很好地解决了半连续铸锭表面质量的问题，而且能够细化铸锭边缘组织，但对铸锭心部组织的细化效果不明显。
发明内容
本发明的目的是为满足大型铸锭对铸锭质量的要求，提供一种低频脉冲磁场辅助半连续铸造结晶器及其应用，不仅能够改善铸锭内部质量，减少偏析，而且能够细化铸锭内部组织，尤其细化铸锭中心部位的凝固组织。本发明的技术方案如下—种镁合金低频脉冲磁场辅助半连续铸造结晶器，该结晶器设有结晶器外壳、结晶器上盖、结晶器内套、励磁线圈、进水口、二次冷却水喷孔，具体结构如下结晶器外壳的顶部设置结晶器上盖，结晶器外壳和结晶器上盖的中心孔位置设有结晶器内套，结晶器外壳和结晶器上盖之间形成冷却水槽，冷却水槽中设置励磁线圈，结晶器外壳的外侧设置与冷却水槽相通的进水口，结晶器内套上开有与冷却水槽相通的二次冷却水喷孔。所述的镁合金低频脉冲磁场辅助半连续铸造结晶器，二次冷却水喷孔为倾斜设置，与半连续铸造时的铸锭移动方向相对应。所述的镁合金低频脉冲磁场辅助半连续铸造结晶器，结晶器外壳和结晶器上盖均为不锈钢材质，且厚度均为5-10mm。所述的镁合金低频脉冲磁场辅助半连续铸造结晶器，外壳和上盖的材质均采用顺磁性不锈钢。
所述的镁合金低频脉冲磁场辅助半连续铸造结晶器，结晶器内套采用4XXX系锻造铝合金材质，厚度为10-15mm，形状为喇叭状，且上口小，下口大，倾斜角度为1_6°。所述的镁合金低频脉冲磁场辅助半连续铸造结晶器，结晶器内套的上口高出结晶器上盖表面5-10mm。所述的镁合金低频脉冲磁场辅助半连续铸造结晶器，冷却水槽内用不锈钢密封盒封装磁感应线圈，励磁线圈位于冷却水槽中，通过不锈钢密封盒与水隔开；励磁线圈由横截面尺寸为(1-3) X (5-7)mm扁铜线绕制而成，高50_85_，总匝数为50-300。所述的镁合金低频脉冲磁场辅助半连续铸造结晶器，结晶器内套上的二次冷却水喷孔与冷却水槽相通。所述的镁合金低频脉冲磁场辅助半连续铸造结晶器，结晶器外壳与结晶器内套， 结晶器外壳与结晶器上盖，结晶器上盖与励磁线圈密封盒之间都以环形密封圈密封。所述的镁合金低频脉冲磁场辅助半连续铸造结晶器的应用，首先将结晶器安装到半连续铸造平台，利用引锭和石棉绳密封结晶器内套底部，并接通冷却水和励磁线圈的电源，位于冷却水槽中的励磁线圈，通过不锈钢密封盒与水隔开，励磁线圈的密封盒不仅防止冷却水直接接触扁铜线，还起到挡水板的作用，使冷却水进入冷却水槽后，经由不锈钢密封盒上方，再由上往下流，最后冷却水从结晶器内套上的二次冷却水喷孔中喷出，并将冷却水的流量调节到300-800ml/s，励磁线圈的脉冲电源电压调节到100-300V ；镁合金熔体由熔体流槽导入结晶器内套中，待结晶器内套中的金属熔体液面达到高度为20-50mm时，开启半连续铸机，并将铸造速度调整到50-200mm/min，引锭上方依次形成铸锭、金属液固两相区、金属熔体和金属熔体液面，直到铸造结束，整个过程需在氮气或惰性气体的保护气氛下进行。本发明中，顺磁性不锈钢可以采用304不锈钢、308不锈钢、309不锈钢或316不锈钢等。本发明中，4XXX系铝合金成分请参见文献“铝合金及其加工手册”(第三版)，王祝堂，田荣璋，第30-31页，中南大学出版社，2005年2月。本发明与现有技术相比，其优点主要有1、本发明提供的结晶器用于镁合金的半连续铸造时，利用其产生的脉冲电磁力作用于结晶器内部镁合金熔体，使熔体产生强制对流，可以碎化粗大枝晶，增加形核率，镁合金半连续铸棒晶粒细化效果明显。2、本发明结晶器外壳和上盖的材质均采用顺磁性不锈钢，磁力线可顺利通过，从而保证通过熔体中的脉冲磁场不发生变形，磁场强度不会减弱。3、本发明结晶器内套采用4XXX系锻造铝合金材质，形状为喇叭状，且上口小，下口大，倾斜角度为1-6°，并在低频脉冲磁场作用下，能够减小铸造过程中金属熔体与结晶器内壁间的摩擦力，从而获得表面质量良好的半连续铸锭。4、本发明结晶器中的励磁线圈由横截面尺寸为(l-3)X(5-7)mm扁铜线绕制而成，高50-85mm，总匝数为50-300，与脉冲电源相匹配产生的脉冲磁场作用于金属熔体，能够获得很好的细化效果。5、本发明结晶器内套的上口高出上盖表面5-10mm，这对于镁合金半连续铸造来说非常必要，因为多量镁合金熔体遇到少量水时容易发生激烈反应，甚至发生爆炸等事故，本发明结晶器设计上的小小改变，能够消除因密封圈发生漏水而引起的事故隐患。6、对于脉冲磁场应用于金属熔体静态凝固的研究表明，脉冲磁场产生的脉冲电磁力作用于结晶器内部镁合金熔体，使熔体产生强制对流和强烈振荡，可以碎化粗大枝晶，增加形核率，镁合金晶粒细化效果明显。另外，低频脉冲磁场对金属熔体穿透力更强，可以实现更大面积铸锭的铸造。经优化设计，本发明结晶器装配简单，便于维护。
图1是本发明结晶器的剖视示意图；其中，⑴结晶器外壳；(2)结晶器上盖；⑶ 结晶器内套；⑷励磁线圈；(5)进水口 ； (6) 二次冷却水喷孔；(13)密封盒。图2是本发明结晶器实际应用时的示意图；其中，(7)冷却水；(8)金属熔体液面； (9)金属熔体；(10)金属液固两相区；(11)铸锭；(12)引锭。图3为镁合金半连续铸锭的显微组织示意图。(a)图为未加脉冲；(b)图为实施例 1施加脉冲。
具体实施例方式如图1所示，本发明用于镁合金半连续铸造结晶器主要包括结晶器外壳(1)、结晶器上盖(2)、结晶器内套(3)、励磁线圈(4)、进水口(5)、二次冷却水喷孔(6)，具体结构如下结晶器外壳⑴的顶部设置结晶器上盖O)，结晶器外壳⑴和结晶器上盖⑵的中心孔位置设有结晶器内套(3)，结晶器外壳(1)和结晶器上盖(2)之间形成冷却水槽，冷却水槽中设置励磁线圈G)，结晶器外壳(1)的外侧设置与冷却水槽相通的进水口(5)，结晶器内套( 上开有与冷却水槽相通的二次冷却水喷孔(6)。二次冷却水喷孔(6)为倾斜设置，与半连续铸造时的铸锭移动方向相对应，其作用是冷却水从二次冷却水喷孔(6)中喷出，将铸锭冷却。本发明中，结晶器外壳(1)和结晶器上盖(2)均为不锈钢材质，且厚度均为5-10mm。结晶器外壳(1)和结晶器上盖O)的材质均采用顺磁性不锈钢(如304不锈钢)，磁力线可顺利通过，从而保证通过熔体中的脉冲磁场不发生变形，磁场强度不受影响。结晶器内套(3)采用4XXX系锻造铝合金材质，厚度为10_15mm，形状为喇叭状，且上口小，下口大，倾斜角度为1-6°，并在低频脉冲磁场作用下，能够减小铸造过程中金属熔体与结晶器内壁间的摩擦力，从而获得表面质量良好的半连续铸锭。另外，本发明结晶器内套(3)的上口高出结晶器上盖(2)表面5-10mm，这对于镁合金半连续铸造来说非常必要，因为多量镁合金熔体遇到少量水时容易发生激烈反应，甚至发生爆炸等事故，本发明结晶器设计上的小小改变，能够消除因密封圈发生漏水而引起的事故隐患。冷却水槽内用不锈钢密封盒(13)封装有一套磁感应线圈G)，用于产生脉冲磁场，励磁线圈由横截面尺寸为(1-3)乂(5-7)111111扁铜线绕制而成，高50-85111111，总匝数为 50-300。励磁线圈(4)位于冷却水槽中，通过不锈钢密封盒(13)与水隔开，励磁线圈(4) 的密封盒不仅可以防止冷却水直接接触扁铜线，而且还可起挡水板的作用，使冷却水进入冷却水槽后，不是直接进入二次冷却水喷孔(6)，而是经由不锈钢密封盒(1 上方，再由上往下流，最后结晶器内套C3)上的二次冷却水喷孔(6)喷出，从而增加冷却水在水槽中的流动距离，保证一次冷却的效果。本发明结晶器外壳⑴与结晶器内套(3)，结晶器外壳⑴与结晶器上盖O)，结晶器上盖( 与励磁线圈(4)密封盒之间都以环形密封圈密封，装配时，先将铝合金结晶器内套(3)压入结晶器外壳(1)中心位置，再将励磁线圈(4)密封盒固定好，然后将结晶器上盖(2)盖好。如图2所示，本发明结晶器可以用于生产不同尺寸和规格的镁合金铸锭，首先将结晶器安装到半连续铸造平台，利用引锭(12)和石棉绳密封结晶器内套(3)底部，并接通冷却水和励磁线圈的电源，冷却水(7)是从二次冷却水喷孔(6)中喷出，并将冷却水
(7)的流量调节到300-800ml/s，励磁线圈(4)的脉冲电源电压调节到100-300V。镁合金熔体由熔体流槽导入结晶器内套⑶中，待结晶器内套⑶中的金属熔体液面⑶达到高度为20-50mm时，开启半连续铸机，并将铸造速度(即铸锭移动速度)调整到50-200mm/min， 引锭(1 上方依次形成铸锭(11)、金属液固两相区(10)、金属熔体(9)和金属熔体液面
(8)，直到铸造结束。整个过程需在氮气或惰性气体的保护气氛下进行。实施例1本实施例中，熔炼合金为AZ80合金，结晶器尺寸(即结晶器内套的内径)为 0107mm，铸造温度为730°C，冷却水流量为380-420ml/s，铸造速度为152mm/min，脉冲电压为120-200V，脉冲频率为2. 5-lOHz。如图3所示，按该工艺可获得表面质量好，内部组织均勻，晶粒细化的镁合金半连续铸锭。实施例2本实施例中，熔炼合金为AZ91合金，结晶器尺寸(即结晶器内套的内径)为 0205mm，铸造温度为730°C，冷却水流量为400-650ml/s，铸造速度为80-120mm/min，脉冲电压为120-200V，脉冲频率为2. 5-lOHz。按该工艺可获得表面质量好，内部组织均勻，枝晶明显被细化的镁合金半连续铸锭。实施例结果表明，对于脉冲磁场辅助半连续铸造工艺来说，重要的是结晶器的设计和工艺参数的匹配，本发明结晶器是在现有铝合金结晶器和本研究组前期结晶器的基础上进行改进创新，并通过与铸造温度、冷却水强度和铸造速度等工艺参数的匹配，获得表面质量好、组织均勻、晶粒细化的镁合金半连续铸锭。
权利要求
1.一种镁合金低频脉冲磁场辅助半连续铸造结晶器，其特征在于，该结晶器设有结晶器外壳(1)、结晶器上盖(2)、结晶器内套(3)、励磁线圈(4)、进水口(5)、二次冷却水喷孔 (6)，具体结构如下结晶器外壳⑴的顶部设置结晶器上盖O)，结晶器外壳⑴和结晶器上盖⑵的中心孔位置设有结晶器内套(3)，结晶器外壳(1)和结晶器上盖(2)之间形成冷却水槽，冷却水槽中设置励磁线圈G)，结晶器外壳(1)的外侧设置与冷却水槽相通的进水口(5)，结晶器内套(3)上开有与冷却水槽相通的二次冷却水喷孔(6)。
2.按照权利要求1所述的镁合金低频脉冲磁场辅助半连续铸造结晶器，其特征在于， 二次冷却水喷孔(6)为倾斜设置，与半连续铸造时的铸锭移动方向相对应。
3.按照权利要求1所述的镁合金低频脉冲磁场辅助半连续铸造结晶器，其特征在于， 结晶器外壳(1)和结晶器上盖(2)均为不锈钢材质，且厚度均为5-10mm。
4.按照权利要求3所述的镁合金低频脉冲磁场辅助半连续铸造结晶器，其特征在于， 结晶器外壳(1)和结晶器上盖O)的材质均采用顺磁性不锈钢。
5.按照权利要求1所述的镁合金低频脉冲磁场辅助半连续铸造结晶器，其特征在于， 结晶器内套⑶采用4XXX系锻造铝合金材质，厚度为10-15mm，形状为喇叭状，且上口小，下口大，倾斜角度为1-6°。
6.按照权利要求1所述的镁合金低频脉冲磁场辅助半连续铸造结晶器，其特征在于， 结晶器内套⑶的上口高出结晶器上盖⑵表面5-10mm。
7.按照权利要求1所述的镁合金低频脉冲磁场辅助半连续铸造结晶器，其特征在于， 冷却水槽内用不锈钢密封盒(13)封装磁感应线圈，励磁线圈(4)位于冷却水槽中，通过不锈钢密封盒(13)与水隔开；励磁线圈由横截面尺寸为(1-3) X (5-7)mm扁铜线绕制而成，高50-85mm，总匝数为50-300。
8.按照权利要求1所述的镁合金低频脉冲磁场辅助半连续铸造结晶器，其特征在于， 结晶器内套(3)上的二次冷却水喷孔(6)与冷却水槽相通。
9.按照权利要求1所述的镁合金低频脉冲磁场辅助半连续铸造结晶器，其特征在于， 结晶器外壳⑴与结晶器内套(3)，结晶器外壳⑴与结晶器上盖O)，结晶器上盖(2)与励磁线圈(4)密封盒之间都以环形密封圈密封。
10.按照权利要求1所述的镁合金低频脉冲磁场辅助半连续铸造结晶器的应用，其特征在于，首先将结晶器安装到半连续铸造平台，利用引锭(12)和石棉绳密封结晶器内套 ⑶底部，并接通冷却水和励磁线圈⑷的电源，位于冷却水槽中的励磁线圈G)，通过不锈钢密封盒(13)与水隔开，励磁线圈的密封盒不仅防止冷却水直接接触扁铜线，还起到挡水板的作用，使冷却水进入冷却水槽后，经由不锈钢密封盒(1 上方，再由上往下流，最后冷却水(7)从结晶器内套C3)上的二次冷却水喷孔(6)中喷出，并将冷却水(7)的流量调节到300-800ml/s，励磁线圈(4)的脉冲电源电压调节到100-300V ；镁合金熔体由熔体流槽导入结晶器内套⑶中，待结晶器内套⑶中的金属熔体液面⑶达到高度为20-50mm时， 开启半连续铸机，并将铸造速度调整到50-200mm/min，引锭(1 上方依次形成铸锭(11)、 金属液固两相区(10)、金属熔体(9)和金属熔体液面(8)，直到铸造结束，整个过程需在氮气或惰性气体的保护气氛下进行。
全文摘要
本发明属于金属材料制备领域，具体涉及一种镁合金低频脉冲磁场辅助半连续铸造结晶器及其应用。结晶器外壳的顶部设置结晶器上盖，结晶器外壳和结晶器上盖的中心孔位置设有结晶器内套，结晶器外壳和结晶器上盖之间形成冷却水槽，冷却水槽中设置励磁线圈，结晶器外壳的外侧设置与冷却水槽相通的进水口，结晶器内套上开有与冷却水槽相通的二次冷却水喷孔。结晶器外壳和上盖为不锈钢，结晶器内套为4XXX系铝合金，且结晶器内套的上口高出上盖上表面，上口和下口间呈喇叭状。本发明用于镁合金的半连续铸造，利用其产生的脉冲电磁力作用于结晶器内部镁合金熔体，使熔体产生强制对流，碎化粗大枝晶，增加形核率，镁合金半连续铸棒晶粒细化效果明显。
文档编号B22D11/049GK102294445SQ201110236278
公开日2011年12月28日 申请日期2011年8月17日 优先权日2011年8月17日
发明者付俊伟, 冯小辉, 李应举, 杨院生, 罗天骄 申请人:中国科学院金属研究所