专利名称：一种同时制备多根铝合金圆铸锭的设备及其方法
技术领域：
本发明属于铝合金铸造领域，具体涉及一种同时制备多根铝合金圆铸锭的设备及其方法。
背景技术：
铝合金铸锭的制备方法有多种，如块式铁模铸造、半连续铸造、铸轧等，其中半连续铸造，又名DC铸造，应用最为广泛。半连续铸造可概括定义如下一种将液态金属连续引入特定形状的结晶器中，在结晶器的冷却作用下凝固成为铸锭，并以一定的速度连续牵引出结晶器，最终形成一定长度铸锭的铸造方法。半连续铸造技术最早由美国Alcoa铝业公司于1953年成功开发。由于铝的导热性能好、熔体金属容易处理和优良的使用性能等特点，在近五十年里，铝的连续铸造技术得到了显著的发展。与传统的模铸相比，半连续铸造生产效率高，凝固组织更致密。尽管铝合金半连续铸造得到了广泛应用，但是该方法也存在问题。半连续铸造凝固过程最显著的特点是金属熔体表面受到结晶器的强烈冷却作用，导致熔体内外冷却强度差异大，造成内外熔体凝固不同步，产生铸锭横截面上组织不均勻、合金元素宏观偏析、铸造应力与裂纹等缺陷。上述缺陷的出现不仅会降低铸锭的成品率，还将对铸锭的进一步加工成形带来诸多不利影响，影响最终金属制品的质量。20世纪70-80年代研究成功了热顶铸造，使铸锭表面质量和生产效率大为提高。热锭顶铸造是在传统半连续铸造法的结晶器内衬石墨环，同时上面加上耐火材料套，降低结晶器的有效冷却高度，减少了结晶器传热，而且采用同水平浇注，在浇注系统上安装液面控制器，很容易控制铝合金液面高度，铝合金流动平稳，避免了浇注时扰动、裹气。铸棒的内在品质稳定，但是，铸棒表层出现隐藏式冷隔，铸棒的表面拉痕严重。隐藏式冷隔的出现使铸棒的成分偏析厚度超过 1mm。而且热顶铸造受到合金种类、生产率要求的制约，只能起到有限的改善作用。此外，在连续铸造中，液态金属的凝固成型大都是在结晶器(模壳)中进行的，由于两者之间存在着摩擦和磨损，造成凝固的铸锭表面有很多缺陷，如疤痕、表面皱褶等等，这样在后续加工时， 不得不将铸锭有缺陷的表面铣掉，造成很大的资源浪费。综上所述，半连续铸造是当前铝合金铸锭最主要的生产方式，但由于自身工艺特性决定了在生产过程中易出现组织不均勻、合金元素偏析、铸造应力与裂纹、表面拉痕等缺陷。而上述缺陷将直接影响产品的成材率和最终铝加工制品的质量，因此，有必要进一步改进和完善该工艺。
发明内容
针对现有技术存在的问题，本发明提出一种在磁场与油润滑共同作用下的同时制备多根铝合金圆铸锭的设备及其方法，本发明方法能同时提高铝合金圆铸棒的内部和表面质量。实现本发明的技术方案的设备由由结晶器、水箱、励磁线圈、励磁电源、石墨环、润滑油供应系统和铸造机组成；结晶器同水平安装于水箱之上，励磁线圈与水箱连接，置于结晶器外部，结晶器内部上半部安装保温帽，保温帽下方为石墨环，引锭头位于结晶器内部石墨环的下沿；励磁线圈外接励磁电源提供电流，石墨环外侧通过油管连接润滑油供应系统， 引锭头下部连接铸造机。其中所述的结晶器由整块锻铝加工而成，其下部有两排出水孔，两排水孔与竖直方向的角度相差20-40度；
所述的励磁线圈为为防水绝缘线圈，由表面经绝缘处理的铜线缠绕而成，匝数为 50-200匝；在励磁线圈外部有冷却套；
所述的励磁电源包含1-6个通道，通道之间为并联，每个通道内为串联，产生5-50Hz的交变电流，电流强度最高达300A ；
所述的石墨环所用石墨为多孔结构，孔径为100-300nm ； 所述的润滑系统由油箱、齿轮泵、油滤器、阀门和管路组成。实现本发明的技术方案的步骤是
(1)引锭头在铸造机的托举下升入结晶器内，引锭头上沿距石墨环下沿l_3mm，引锭头就位后打开冷却水开关，冷却水通过水箱进入结晶器，并由结晶器下部的水孔喷出，作用至铸锭表面；
(2)打开油阀，在石墨环表面出现润滑油后，将铝液引入引锭头、石墨环和保温帽组成的空腔中；
(3)铝液在空腔中凝固5-20s，形成坯壳后，启动铸造机开始铸造，在生产直径小于 400 mm的铸锭时，初始启动速度为10mm/min-100mm/min，然后在^iiin内线性增加至20mm/ min-200mm/min的铸造速度；在生产直径彡400 mm的铸锭时，铸造速度为10mm/min-50mm/ min，铸锭被引锭头引出20mm后，引锭头停留缓冲0. 5-lmin，然后继续引出30mm后，引锭头缓冲0. 5-lmin,即开始阶段起一停一起一停，直至铸锭被引锭头引出200mm以后恢复之前的铸造速度；
(4)在铸锭被引出200mm后开启励磁电源，励磁电流频率范围为5_50Hz，励磁电流强度范围为50-300A ；
(5)铸造结束后，首先关闭励磁电源，然后关闭油泵，最后关闭冷却水。与现有技术相比，本发明的特点和有益效果是
本发明实现了电磁搅拌与油润滑共同作用下的铝合金圆铸棒半连续铸造，可以同时改善铸锭的内部冶金质量和表面质量；
在铸造过程中，励磁电源对励磁线圈施加5-50Hz的低频交流电，使熔体内部产生交变电磁场，金属熔体内部的感生电流与磁场交互作用，使金属熔体受到电磁力驱动的强制对流，上述流动将显著改善熔体内的温度分布一方面，磁场引起的强制对流对熔体产生强烈的搅拌作用，使熔体温度场非常均勻；另一方面强制对流增强了熔体与石墨环以及和固液界面的传热，使熔体在进入结晶器后迅速降温至液相线以下，即磁致过冷现象。低频电磁场引起的磁致过冷，在熔体内部同时形成大量异质核心，减少了晶核的重熔；同时，强制对流增加了结晶器壁和液面处的形核及游离，从而使单位体积熔体内的有效形核量增加，而有效形核数量增加是晶粒平均尺寸减小的关键。另外，强制对流使得熔体温度场、成分场均勻，抑制成分过冷，破裂或熔断枝晶，有利于晶粒均勻长大。晶粒长大过程中随熔体运动和旋转，相互碰撞和摩擦，抑制了某个方向过度长大，最终，形成均勻、细小的等轴晶组织；本发明技术方案中的润滑系统由油箱、齿轮泵、油滤器、阀门、管路组成，润滑油经结晶器内的管路进入多孔石墨与结晶器之间的空腔，然后在一定压力下通过多孔石墨渗透进入铸造区域。在铸锭表面与石墨环之间施加润滑可以起到两方面作用一是为铸锭与石墨环之间提供润滑，减少二者之间的摩擦阻力，避免划痕、裂口等表面缺陷出现，获得光滑的铸锭表面；二是可以减弱石墨环与铸锭表面之间的一次冷却，使铸锭内部温度梯度减少，液穴变得浅平，铸锭内外组织更加均勻；
在铝合金圆铸锭的半连续铸造过程中同时施加磁场和油润滑可以全面提高铸锭的内外冶金质量，利用本发明中的设备和方法可以生产出晶粒细小均勻，表面光滑的铝合金铸锭。铸锭内部冶金质量提高可以改善铸锭的加工性，从源头上控制住材料内部的缺陷，为进一步的深加工提供良好的坯料；铸锭表面质量提高可以减少表面车削量，提高产品的成品率。
图1是本发明的设备结构其中1 励磁线圈；2 水箱；3 结晶器；4 引锭头；5 水孔；6 石墨环；7 保温帽；8 压环；
图2是图1中A的局部放大其中9 油管；10 油路；11 结晶器内壁；
图3是铝熔体的温度梯度其中(a)为无磁场作用下铝熔体的温度梯度图；(b)为磁场作用下铝熔体的温度梯度
图4是铸锭的宏观组织其中(a)为无磁场作用下的铸锭的宏观组织图；(b)为磁场作用下的铸锭的宏观组织
图5是铸锭的微观组织其中(a)为无磁场作用下的铸锭的微观组织图；(b)为磁场作用下的铸锭的微观组织
图6是铸锭分别在有润滑和无润滑条件下的表面质量对比其中(a)为无磁场和无润滑条件下铸锭的表面；(b)为有磁场有润滑条件下铸锭的表
具体实施例方式
本发明的设备结构图如图1所示，励磁线圈1由螺杆及压片连接于水箱2，结晶器 3水平安装于水箱2之上，励磁线圈1置于结晶器3外部，保温帽7通过压环8安装于结晶器3内部上半部，保温帽7下方为石墨环6，引锭头4位于结晶器内3部石墨环6的下沿； 励磁线圈1外接励磁电源提供电流，石墨环6外侧通过油管连接润滑油供应系统，引锭头4 下部连接铸造机；
铸造过程中，打开油阀后，润滑油经进油管9进入结晶器3内，并通过结晶器3内的油路10进入结晶器内壁11与石墨环6外壁之间。石墨环6外壁加工有螺旋槽，便于润滑油进入。当润滑油达到一定压力后，通过多孔石墨缓慢渗透进入石墨环6内壁，为铸造提供润滑。实施例1
(1)引锭头在铸造机的托举下升入结晶器内，引锭头上沿距石墨环下沿1mm，引锭头就位后打开冷却水开关，冷却水通过水箱进入结晶器，并由结晶器下部的水孔喷出，作用至铸锭表面；
(2)打开油阀，在石墨环表面出现润滑油后，将铝液引入引锭头、石墨环和保温帽组成的空腔中；
(3)铝液在空腔中凝固5s，形成坯壳后，在自重和引锭头的牵引下下移，启动铸造机开始铸造直径为380mm的铸锭，初始启动速度为lOmm/min，然后在aiiin内线性增加至20mm/ min的铸造速度；
(4)在铸锭被引出200mm后开启励磁电源，励磁电流频率为20Hz，励磁电流强度为 300A ；
(5)铸造结束后，首先关闭励磁电源，然后关闭油泵，最后关闭冷却水。在不开启励磁电源，即无磁场条件下，保持其他步骤相同，生产直径为300mm的铝锭作为实施例1的对比组1 ；
磁场作用对铝熔体流场和温度场的影响如图3所示；在无磁场作用时，结晶器的冷却使表层熔体温度迅速降低，与此同时熔体中心仍保持较高的温度，导致熔体内外温差大，液穴即深且陡，易造成组织不均、成分偏析等缺陷。施加磁场后，在电磁驱动对流的作用下，液穴中心部分的过热熔体带向表面，表面的低温熔体带回中心，使液穴内部的熔体温度更加均勻，同时电磁驱动对流加强了熔体与外界环境之间的传热，有效降低了液穴内部的熔体温度，液穴深度降低，两相区扩大；
电磁铸造对铸锭晶粒组织的细化效果如图4和图5所示，施加磁场和无磁场铸造平均晶粒尺寸分别为60 μ m和200 μ m,晶粒细化效果显著；
在不开启励磁电源，不开启油阀，即无磁场、无润滑条件下，保持其他步骤相同，生产直径为300mm的铝锭作为实施例1的对比组2 ；
图6为有无润滑铸锭表面质量对比，由图可知，油润滑作用可以显著提高铸锭表面质量。实施例2
(1)引锭头在铸造机的托举下升入结晶器内，引锭头上沿距石墨环下沿1mm，引锭头就位后打开冷却水开关，冷却水通过水箱进入结晶器，并由结晶器下部的水孔喷出，作用至铸锭表面；
(2)打开油阀，在石墨环表面出现润滑油后，将铝液引入引锭头、石墨环和保温帽组成的空腔中；
(3)铝液在空腔中凝固5s，形成坯壳后，在自重和引锭头的牵引下下移，启动铸造机开始铸造直径为300mm的铸锭，初始启动速度为15mm/min，然后在aiiin内线性增加至30mm/ min的铸造速度；
(4)在铸锭被引出200mm后开启励磁电源，励磁电流频率为20Hz，励磁电流强度为 200A ；(5)铸造结束后，首先关闭励磁电源，然后关闭油泵，最后关闭冷却水。实施例3
(1)引锭头在铸造机的托举下升入结晶器内，引锭头上沿距石墨环下沿1mm，引锭头就位后打开冷却水开关，冷却水通过水箱进入结晶器，并由结晶器下部的水孔喷出，作用至铸锭表面；
(2)打开油阀，在石墨环表面出现润滑油后，将铝液引入引锭头、石墨环和保温帽组成的空腔中；
(3)铝液在空腔中凝固5s，形成坯壳后，在自重和引锭头的牵引下下移，启动铸造机开始铸造直径为200mm的铸锭，初始启动速度为50mm/min，然后在aiiin内线性增加至IOOmm/ min的铸造速度；
(4)在铸锭被引出200mm后开启励磁电源，励磁电流频率为30Hz，励磁电流强度为 150A ；
(5)铸造结束后，首先关闭励磁电源，然后关闭油泵，最后关闭冷却水。实施例4
(1)引锭头在铸造机的托举下升入结晶器内，引锭头上沿距石墨环下沿1mm，引锭头就位后打开冷却水开关，冷却水通过水箱进入结晶器，并由结晶器下部的水孔喷出，作用至铸锭表面；
(2)打开油阀，在石墨环表面出现润滑油后，将铝液引入引锭头、石墨环和保温帽组成的空腔中；
(3)铝液在空腔中凝固5s，形成坯壳后，在自重和引锭头的牵引下下移，启动铸造机开始铸造直径为60mm的铸锭，初始启动速度为lOOmm/min，然后在aiiin内线性增加至200mm/ min的铸造速度；
(4)在铸锭被引出200mm后开启励磁电源，励磁电流频率为50Hz，励磁电流强度为
50A ；
(5)铸造结束后，首先关闭励磁电源，然后关闭油泵，最后关闭冷却水。实施例5
(1)引锭头在铸造机的托举下升入结晶器内，引锭头上沿距石墨环下沿2mm，引锭头就位后打开冷却水开关，冷却水通过水箱进入结晶器，并由结晶器下部的水孔喷出，作用至铸锭表面；
(2)打开油阀，在石墨环表面出现润滑油后，将铝液引入引锭头、石墨环和保温帽组成的空腔中；
(3)铝液在空腔中凝固10s，形成坯壳后，在自重和引锭头的牵引下下移，启动铸造机开始铸造直径400 mm的铸锭，铸造速度为30mm/min铸锭被引锭头引出20mm后，引锭头停留缓冲0. 5min，然后继续引出30mm后，引锭头缓冲0. 5min，即开始阶段起一停一起一停，直至铸锭被引锭头引出200mm以后恢复之前的铸造速度；
(4)在铸锭被引出200mm后开启励磁电源，励磁电流频率为15Hz，励磁电流强度为 300A ；
(5)铸造结束后，首先关闭励磁电源，然后关闭油泵，最后关闭冷却水。实施例6(1)引锭头在铸造机的托举下升入结晶器内，引锭头上沿距石墨环下沿3mm，引锭头就位后打开冷却水开关，冷却水通过水箱进入结晶器，并由结晶器下部的水孔喷出，作用至铸锭表面；
(2)打开油阀，在石墨环表面出现润滑油后，将铝液引入引锭头、石墨环和保温帽组成的空腔中；
(3)铝液在空腔中凝固20s，形成坯壳后，在自重和引锭头的牵引下下移，启动铸造机开始铸造直径为600 mm的铸锭，铸造速度为30mm/min铸锭被引锭头引出20mm后，引锭头停留缓冲0. 5min，然后继续引出30mm后，引锭头缓冲0. 5min，即开始阶段起一停一起一停，直至铸锭被引锭头引出200mm以后恢复之前的铸造速度；
(4)在铸锭被引出200mm后开启励磁电源，励磁电流频率为15Hz，励磁电流强度为 300A ；
(5)铸造结束后，首先关闭励磁电源，然后关闭油泵，最后关闭冷却水。
实施例7
(1)引锭头在铸造机的托举下升入结晶器内，引锭头上沿距石墨环下沿3mm，引锭头就位后打开冷却水开关，冷却水通过水箱进入结晶器，并由结晶器下部的水孔喷出，作用至铸锭表面；
(2)打开油阀，在石墨环表面出现润滑油后，将铝液引入引锭头、石墨环和保温帽组成的空腔中；
(3)铝液在空腔中凝固20s，形成坯壳后，在自重和引锭头的牵引下下移，启动铸造机开始铸造直径为800 mm的铸锭，铸造速度为lOmm/min铸锭被引锭头引出20mm后，引锭头停留缓冲0. 5min，然后继续引出30mm后，引锭头缓冲0. 5min，即开始阶段起一停一起一停，直至铸锭被引锭头引出200mm以后恢复之前的铸造速度；
(4)在铸锭被引出200mm后开启励磁电源，励磁电流频率为5Hz，励磁电流强度为 300A ；
(5)铸造结束后，首先关闭励磁电源，然后关闭油泵，最后关闭冷却水。
权利要求
1.一种同时制备多根铝合金圆铸锭的设备，其特征在于该设备由结晶器、水箱、励磁线圈、励磁电源、保温帽、石墨环、润滑油供应系统和铸造机组成；结晶器水平安装于水箱之上，励磁线圈与水箱连接，置于结晶器外部，结晶器内部上半部安装保温帽，保温帽下方为石墨环，引锭头位于结晶器内部石墨环的下沿；励磁线圈外接励磁电源提供电流，石墨环外侧通过油管连接润滑油供应系统，引锭头下部连接铸造机。
2.根据权利要求1所述的一种同时制备多根铝合金圆铸锭的设备，其特征在于所述的结晶器由整块锻铝加工而成，其下部有两排出水孔，两排水孔与竖直方向的角度相差20-40 度。
3.根据权利要求1所述的一种同时制备多根铝合金圆铸锭的设备，其特征在于所述的励磁线圈为防水绝缘线圈，由表面经绝缘处理的铜线缠绕而成，匝数为50-200匝；在励磁线圈外部有冷却套。
4.根据权利要求1所述的一种同时制备多根铝合金圆铸锭的设备，其特征在于所述的励磁电源包含1-6个通道，每个通道是一个完整的供电回路，通道之间为并联，每个通道内为串联，产生5-50Hz的交变电流，电流强度< 300A。
5.根据权利要求1所述的一种同时制备多根铝合金圆铸锭的设备，其特征在于所述的石墨环所用石墨为多孔结构，孔径为100-300nm。
6.根据权利要求1所述的一种同时制备多根铝合金圆铸锭的设备，其特征在于所述的润滑系统由油箱、齿轮泵、油滤器、阀门和管路组成。
7.一种采用如权利要求1所述的设备同时制备多根铝合金圆铸锭的方法，其特征在于按照以下步骤进行(1)引锭头在铸造机的托举下升入结晶器内，引锭头上沿距石墨环下沿l_3mm，引锭头就位后打开冷却水开关，冷却水通过水箱进入结晶器，并由结晶器下部的水孔喷出，作用至铸锭表面；(2)打开油阀，在石墨环表面出现润滑油后，将铝液引入引锭头、石墨环和保温帽组成的空腔中；(3)铝液在空腔中凝固5-20s，形成坯壳后，启动铸造机开始铸造，在生产直径小于 400 mm的铸锭时，初始启动速度为10mm/min-100mm/min，然后在^iiin内线性增加至20mm/ min-200mm/min的铸造速度；在生产直径彡400 mm的铸锭时，铸造速度为10mm/min-50mm/ min，铸锭被引锭头引出20mm后，引锭头停留缓冲0. 5-lmin，然后继续引出30mm后，引锭头缓冲0. 5-lmin,即开始阶段起一停一起一停，直至铸锭被引锭头引出200mm以后恢复之前的铸造速度；(4)在铸锭被引出200mm后开启励磁电源，励磁电流频率范围为5_50Hz，励磁电流强度范围为50-300A ；(5)铸造结束后，首先关闭励磁电源，然后关闭油泵，最后关闭冷却水。
全文摘要
本发明属于铝合金铸造领域，具体涉及一种同时制备多根铝合金圆铸锭的设备及其方法。本发明设备主要由结晶器、水箱、励磁线圈、励磁电源、多孔石墨环、润滑油供应系统和铸造机组成；本发明方法步骤是首先开启润滑油供应系统，然后将铝液引入引锭头、多孔石墨环和保温帽组成的空腔中，启动铸造机开始铸造，然后启动励磁电源，铝熔体在感应磁场的搅拌作用下进行动态结晶，获得细小均匀的冶金组织，同时使铸锭获得良好的表面质量。本发明实现了电磁搅拌与油润滑共同作用下的铝合金圆铸棒半连续铸造，可以同时改善铸锭的内部冶金质量和表面质量。
文档编号B22D11/14GK102319881SQ201110297448
公开日2012年1月18日 申请日期2011年9月29日 优先权日2011年9月29日
发明者崔兴华, 崔建忠, 柴建勋, 王高松, 赵志浩 申请人:东北大学