一种连续制备高品质合金铸锭的装置和方法
【专利摘要】本发明公开了金属材料加工【技术领域】的一种连续制备高品质合金铸锭的装置和方法。该装置由热顶、石墨环和结晶器组成。结晶器中内嵌有石墨环，结晶器内设置一次冷却水腔和二次冷却水腔，水腔设置多个出水口。一次冷却水腔出水口方向与其径向投影角度A为60-88度。通过此装置，使一次冷却水腔通过出水口喷出的水流在铸锭表面、石墨环以及结晶器的内壁之间形成水气膜。在水气膜作用下，避免铸锭出现冷隔、偏析瘤、拉裂等铸造缺陷。本发明方法得到的合金铸锭，表面光滑、减少了偏析瘤、冷隔、粗晶层和表面裂纹等铸造缺陷，提高了铸锭的成品率和材料利用率，保护了环境，简化了结构，降低了铸锭的生产成本。
【专利说明】一种连续制备高品质合金铸锭的装置和方法
【技术领域】
[0001]本发明属于金属材料加工【技术领域】，具体涉及一种连续制备高品质合金铸锭的装置和方法。
【背景技术】
[0002]目前国内外在工业生产中常用的铸锭铸造技术主要有以下几种，即直接水冷铸造技术(DC铸造技术)，热顶铸造技术和气滑(油滑)铸造技术。
[0003]美国专利2791812中提及了一种通过直接水冷铸造技术(DC铸造技术)生产铸锭的装置和方法，该技术通过结晶器壁的直接冷却作用，熔融铝液与结晶器间形成一定厚度的凝固壳，在凝固壳的保护作用下，凝固壳内的熔融金属被拉出结晶器外在二次冷却水的作用下凝固成铸锭。直接水冷铸造技术生产过程灵活，方便，但因其结晶器内的液面难以控制，在铸造过程中会形成很深的液穴，一次冷却过程中结晶器内凝壳的收缩容易使铸锭表面产生各种缺陷，如偏析瘤、冷隔、粗晶层和表面裂纹，尤其是大尺寸铸锭的偏析、热裂现象相当严重，为了弥补这些缺陷给下游加工工序带来的不利影响，必须加大铸锭的车削量和铸锭头尾的切除量，这样使铸锭的成品率大大降低，生产成本显著增加。为了克服这些缺陷，国外开发了热顶铸造技术，如美国Wagstaff公司发明的Maxicast圆铸锭同水平热顶铸造技术就是热顶铸造技术的典型代表，该技术在充分利用直接水冷铸造技术优点的基础上在结晶器上部用轻质保温材料制成一贮槽与流槽相连，贮槽中熔体稳定在液相线温度以上，熔体不发生结晶，也即所谓的“热顶”。热顶铸造技术的发展，使有效结晶区高度变小，二次直接水冷作用加强，消除了传统DC法产生的空气隙的有害作用，铸锭表面品质显著提闻，减小了夹禮:、气孔等缺陷，提闻了铸淀的内部品质，铸淀的结晶组织细小均勻，偏析小，提高了铸锭的性能，操作简单，生产效率高。但是，无论是直接水冷铸造技术还是热顶铸造技术，均是液态金属与铸模先接触后凝固成形，这种金属与模壁的接触给铸造带来难以克服的缺陷，如金属通过模壁急冷凝壳后收缩与模壁形成空隙导致凝壳冷却强度降低，凝壳内的金属熔体凝固潜热大量释放而使凝壳重熔导致铸锭出现偏析瘤、裂纹等铸造缺陷。因此虽然热顶铸造技术得到一定程度的改善，但是由于导热距离不易准确控制仍会产生特有的偏析瘤、冷隔、粗晶层和表面裂纹等铸造缺陷。铸锭表面和内部质量没有得到根本改善。为了从根本上解决上述缺陷，国内外发明了气滑(油滑)铸造技术，如美国专利4157728提及的气压热顶铸造技术和美国Wagstaff公司发明的气滑热顶铸造(Airslip)技术。该技术在热顶结晶器中同时使用润滑油和压缩空气形成一种介于结晶器内壁和熔体之间的油/气混合润滑介质，同时保证该介质的稳定，平衡其与熔体静压力之间的压力差，该技术使熔融金属通过结晶器壁的热量减少，大大减弱了结晶器壁的冷却强度，熔体液穴变浅，铸锭结晶过程易于补缩，不易产生偏析，从结晶器出来的铸锭直接受到二次冷却水的作用，大大增强了冷却强度，细化铸锭晶粒组织，而冷却点又在固液交界面附近，所以气滑铸造生产的铸锭表面和内部质量很好。但是该技术对气压要求变化非常敏感，需要精确控制气压，此外，多孔石墨环消耗量较大，消耗成本高，对铸造技术的要求也很高，装备也较为复杂，不易掌握，也大大限制了该技术的使用范围。
【发明内容】
[0004]本发明的目的在于提供一种连续制备高品质合金铸锭的装置和方法。
[0005]—种连续制备闻品质合金铸淀的装置，该装置由热顶1、石墨环2和结晶器4组成；结晶器4中内嵌有石墨环2，结晶器4内设置两个相通或不相通的一次冷却水腔3和二次冷却水腔5 ;—次冷却水腔3设置出水口 6 ;二次冷却水腔5设置出水口 7 ;—次冷却水腔3的出水口 6的方向与其径向的投影角度A为60-88度，其中一次冷却水腔3和二次冷却水腔5中的冷却水的压力和流量可控。
[0006]在垂直方向上，一次冷却水腔3的出水口 6的位置位于石墨环2底部与二次冷却水腔5的出水口 7之间。
[0007]上述装置适合于铝基合金、镁基合金、锌基合金、铜基合金、镍基合金、钴基合金或铁基合金铸锭的制备。
[0008]一种采用上述装置连续制备高品质合金铸锭的方法，此方法通过一次冷却水腔3通过出水口 6喷出的冷却水喷射到高温的铸锭9上，冷却水部分气化，通过铸锭9与结晶器4内壁之间形成的气隙8进入石墨环2内形成一层水气膜11，在此水气膜11的支撑作用下，熔体10下滑与尚未气化的一次冷却水和二次冷却水接触凝固成铸锭9。水汽膜的压力大小可通过一次冷却水腔3中冷却水的压力和流量进行控制。水气膜11的存在减小了熔体10通过石墨环2径向方向的传热，熔体10传热主要通过凝固的铸锭9进行单向传热，避免了熔体10由于凝固潜热的大量释放带来的凝壳重熔导致的成分偏析或裂口铸造缺陷。
[0009]本发明的有益效果在于:
[0010](I)与传统的热顶铸造技术相比，本发明中水气膜的压力可通过改变冷却水的水压和水量进行调整，以满足水气膜的压力等于熔体所受的静压力，使合金熔体不与石墨环内壁直接接触，同时，熔体凝壳后即处于冷却水的包围之中，增加了铸锭的冷却强度，可大大减少结晶器内凝壳的收缩使铸锭表面产生的偏析瘤、冷隔、粗晶层和表面裂纹等铸造缺陷，从而得到表面光滑和内在质量良好的高品质合金铸锭。
[0011](2)与目前采用的气滑(油滑)铸造技术相比，本发明直接采用冷却水气化产生的气体可直接作为润滑介质。而无需采用油气润滑系统，降低了润滑油和石墨环的消耗、也无需配备润滑油回收装置，保护了环境，简化了结构，降低了铸锭的生产成本。
【专利附图】
【附图说明】
[0012]图1是制备闻品质合金铸淀的装置不意图；
[0013]图2是铸锭为圆锭时一次冷却水出水孔方向与其径向投影角度示意图；
[0014]图3是铸锭为扁锭时一次冷却水出水孔方向与其径向投影角度示意图；
[0015]其中各标号为:1-热顶，2-石墨环,3-—次冷却水腔,4-结晶器,5-二次冷却水腔，6- —次冷却水腔的出水口，7- 二次冷却水腔的出水口，8-气隙，9-铸锭，熔体-10，11-水气膜。
【具体实施方式】[0016]下面将结合附图和具体实施例对本发明做进一步说明。
[0017]如图1所示该装置由热顶1、石墨环2和结晶器4组成；结晶器4中内嵌有石墨环2，结晶器4内设置两个相通或不相通的一次冷却水腔3和二次冷却水腔5 ;—次冷却水腔3设置出水口 6 ;二次冷却水腔5设置出水口 7 ;—次冷却水腔3的出水口 6的方向与其径向的投影角度A为60-88度，如图2-3所示。在垂直方向上，一次冷却水腔3的出水口 6的位置位于石墨环2底部与二次冷却水腔5的出水口 7之间。
[0018]在制备合金铸锭时，通过一次冷却水腔3通过出水口 6喷出的冷却水喷射到高温的铸锭9上，冷却水部分气化，通过铸锭9与结晶器4内壁之间形成的气隙8进入石墨环2内形成一层水气膜11，在此水气膜11的支撑作用下，熔体10下滑与尚未气化的一次冷却水和二次冷却水接触凝固成铸锭9。水汽膜的压力大小可通过一次冷却水腔3中冷却水的压力和流量进行控制。
[0019]实施例1
[0020]制备闻品质2024招合金圆铸淀。如图1所不，该装置由热顶1、石墨环2、结晶器4组成。其中，石墨环2内嵌在结晶器4内。石墨环内径为78mm,石墨环厚度为3mm。结晶器内包含有两个冷却水腔，分别为一次冷却水腔3和二次冷却水腔5，一次冷却水腔3和二次冷却水腔5中的冷却水的压力和流量可分别控制。一次冷却水腔出水口 6喷水方向与该出水口 9的径向角度A为75度，如图2所示。
[0021]采用图1、图2所示的装置连续铸造2024铝合金圆铸锭，2024铝合金液相线温度为638°C，在铸造过程中热顶I中2024铝合金熔体温度为670°C。铸锭下降速度为3.5mm/s，一次冷却水压为0.35MPa，冷却水流量为0.3L/s，二次冷却水压力为0.20MPa,冷却水流量为1.8L/s。得到表面光滑的4032铝合金铸锭。
[0022]实施例2
[0023]制备闻品质AZ31续合金圆铸淀，如图1所不，该装置由热顶1、石墨环2、结晶器4组成。其中，石墨环2内嵌在结晶器4内。石墨环内径为95mm,石墨环厚度为4mm。结晶器内包含有两个冷却水腔，分别为一次冷却水腔3和二次冷却水腔5，一次冷却水腔3和二次冷却水腔5中的冷却水的压力和流量可分别控制。一次冷却水腔出水口 6喷水方向与该出水口 9的径向角度A为80度，如图2所示。
[0024]采用图1、图2所示的装置连续铸造AZ31镁合金圆铸锭，AZ31镁合金液相线温度为636°C，在铸造过程中热顶I中AZ31镁合金熔体温度为670°C。铸锭下降速度为4.0mm/s，一次冷却水压为0.25MPa，冷却水流量为0.2L/s，二次冷却水压力为0.35MPa，冷却水流量为1.6L/s。得到表面光滑的AZ31镁合金铸锭。
【权利要求】
1.一种连续制备高品质合金铸锭的装置，其特征在于，该装置由热顶(I)、石墨环(2)和结晶器(4)组成；结晶器(4)中内嵌有石墨环(2)，结晶器(4)内设置两个相通或不相通的一次冷却水腔(3)和二次冷却水腔(5);一次冷却水腔(3)设置出水口(6);二次冷却水腔(5)设置出水口( 7);—次冷却水腔(3)的出水口(6)的方向与其径向的投影角度A为60-88度，其中一次冷却水腔(3)和二次冷却水腔(5)中的冷却水的压力和流量可控。
2.根据权利要求1所述的一种连续制备高品质合金铸锭的装置，其特征在于，在垂直方向上，一次冷却水腔(3)的出水口(6)的位置位于石墨环(2)底部与二次冷却水腔(5)的出水口(7)之间。
3.根据权利要I所述的一种连续制备高品质合金铸锭的装置，其特征在于，此装置适用于铝基合金、镁基合金、锌基合金、铜基合金、镍基合金、钴基合金或铁基合金铸锭的制备。
4.一种采用权利要求1所述装置连续制备高品质合金铸锭的方法，其特征在于，此方法通过一次冷却水腔(3)通过出水口(6)喷出的冷却水喷射到高温的铸锭(9)上，冷却水部分气化，通过铸锭(9)与结晶器(4)内壁之间形成的气隙(8)进入石墨环(2)内形成一层水气膜(11 )，在水气膜(11)的支撑作用下，熔体(10)下滑与尚未气化的一次冷却水和二次冷却水接触凝固成铸锭(9)，水汽膜的压力大小可通过一次冷却水腔(3)中冷却水的压力和流量进行控制。
【文档编号】B22D11/07GK103658579SQ201210328413
【公开日】2014年3月26日 申请日期:2012年9月6日 优先权日:2012年9月6日
【发明者】白月龙, 徐骏, 张志峰 申请人:北京有色金属研究总院