一种新型非晶母合金锭连铸系统及其使用方法与流程

本发明涉及一种金属的连续铸造系统，具体涉及一种可实现对非晶态合金的母合金铸锭进行连续铸造的连铸系统以及该系统的使用方法。

背景技术：

非晶态合金（Amorphous Alloy）与晶态合金一样，都是多组元的合金体系，但是与晶态合金中原子的周期性排列不同，在非晶态合金中，原子的排列不具有长程有序的特点，仅在单个原子的附近具有一定程度的短程有序。由于非晶态合金的特殊微观结构特征，非晶态合金没有传统晶体材料的晶界、位错和孪晶等缺陷，因此具有许多优异的性能，如独特的电磁性能、机械性能、高强度硬度以及高耐腐蚀性能。迄今为止，非晶态合金（简称非晶合金）的研究已成为当前金属新材料研发的非常重要的研究方向之一。

非晶合金的制备方法与传统合金类似，都是将原料熔炼后制成母合金铸锭，然后再进行其他深加工。现有技术中制备非晶母合金铸锭的工艺步骤为：首先将非晶合金的原料熔炼成熔体，然后将熔体送至既定的模具中，待模具冷却后取出模具中的非晶母合金铸锭，然后重复上述步骤继续生产非晶合金锭；如果要得到不同尺寸或者形状的非晶合金锭，需要改换模具或者继续对初步得到的非晶母合金铸锭进行整形、切割等物理加工。在现有技术的非晶母合金铸锭制备过程中，需要耗费大量的人工进行模具的拆卸组装，导致生产效率低和生产时间长，尤其当需要采用不同的模具时，更增加了模具的费用，使得制造成本居高不下。为解决上述问题，许多研究人员考虑使用连铸的方式进行非晶母合金铸锭的制备，许多研究中，将用于炼钢的连铸系统应用于非晶母合金锭的连续成型工艺中，然而非晶材料不同于普通钢铁材料，非晶材料易氧化，在使用炼钢所使用的连铸设备或系统时容易导致非晶母合金锭表面发生氧化。也有针对非晶合金材料开发的连铸系统，如申请号为200910011405.4名为《一种块体金属玻璃连续成型的装置和方法》的中国发明专利中提供了一种具有两个存在气压差的真空室的连铸系统，用于实现大块金属玻璃的连续成型。上述方案虽然可实现避免非晶母合金锭表面发生氧化，然而系统需要两间真空室才能使用，而且从真空控制运行上来讲，其可控制性差，造价及运行成本都高，不宜推广使用。

技术实现要素：

本发明从解决实际问题出发，提供了一种单真空室的非晶合金母合金锭的连铸系统。与现有技术中常见的卧式铸造系统不同，本发明中采用的是一种非晶母合金锭产出方向为垂直方向的连铸系统，通过结构上的设计，可有效避免外部空气进入熔炼室内，从而避免非晶母合金锭由于被氧化产生表面裂纹、偏析瘤、拉坯振痕等缺陷。

本发明提出的技术问题通过以下技术方案予以实现：

提供一种新型非晶母合金锭连铸系统，包括熔料装置、水冷结晶器、牵引杆和牵引装置，其中：

熔料装置设于真空室内，熔料装置的出口与水冷结晶器相连；

牵引杆设于非晶合金熔液的流道中，其引流端与熔料装置的出口相连，牵引端与牵引设备相连；所述非晶合金熔液的流道为垂直方向；

水冷结晶器上设有密封部，密封部内介质与牵引杆直接接触，密封部与牵引杆相接处设有密封圈。

本发明中提供的非晶母合金锭连铸系统的原理为：熔料装置加热非晶合金原料，使之形成熔融态的熔液。连铸开始后，非晶熔液在牵引杆带动下，引至水冷结晶器中冷却成型，成型后的非晶母合金锭在牵引装置的带动下连续产出。在本发明的连铸系统中，通过将非晶合金溶液的流道设为垂直方向以及水冷结晶器上密封部的设置，来避免外部空气进入熔炼室内同时能够及时对非晶母合金锭进行降温。所述密封部通过填充密封介质达到密封的目的，密封介质可为保护气体、液体或者其他起到密封作用的介质。

进一步地，以便于实际操作，所述密封部高度设为100-1000mm。

进一步地，所述密封部包括充气段与冷却段，充气段内充入保护气体，如氩气、氮气、氦气以及其他惰性气体；冷却段内充入冷却液，如冷却水、酒精、冷却油等液态冷却介质。充气段位于冷却段上方。充气段高度为50-500mm，冷却段高度为50-500mm，进一步优选，充气段高度为50-150mm、冷却段高度为100-400mm。

密封部采用充气段与冷却段相结合的方式进行密封，能够达到最佳的密封效果。由于气体比液体密度小，所以充气段位于冷却段上方。充气段与冷却段内介质直接与非晶母合金相接触，充气段设有保护气体阀用于充入气体以及控制充气段内压力，冷却段设有进液孔及出液孔用于冷却液的循环流动。充气段内保护气体直接与初步冷却成型的非晶母合金锭接触，使还带有余温的非晶母合金锭表面无氧化介质，不发生氧化。非晶母合金锭进入冷却段后，在与冷却介质的接触中进一步降温，便于后续的加工步骤（如整形、切割、运输等）。密封部与牵引杆相接处设有密封圈，与牵引杆以及后续产出的非晶母合金锭形成滑动密封，保证外部空气不会进入熔炼系统中。

充气段与冷却段相接处还设有液位观察窗，用于观察冷却液的高度位置，便于随时控制充气段和冷却段的高度，调整合适的工艺参数。

由于非晶母合金锭从水冷结晶器中凝固产出时还带有余温，上述密封部，包括充气段及冷却段外壳宜采用耐热的金属材料制成，如不锈钢材料。

本发明还提供一种利用上述非晶母合金锭垂直连铸系统的使用方法，方法步骤如下：

步骤一，将非晶合金原料加入熔料装置中，对熔料装置所在的真空室抽真空，真空度达到要求后熔料装置加热熔化合金原料；

步骤二，开启水冷结晶器，使水冷结晶器与密封段同时开始工作；

步骤三，启动牵引装置，牵引杆在牵引装置的作用下垂直运动直至脱落，非晶合金熔液在牵引杆的牵引作用及重力作用下流至水冷结晶器，凝固成形，从而跟随牵引杆被牵引装置引出，继而连续产出直至熔料装置内原料消耗殆尽。

本发明具有如下有益效果：

1、本发明中的非晶母合金锭连铸系统为单真空室系统，与现有技术中多真空室连铸系统相比，设备成本更低、操作更为简便、运行成本更低，适合工业低成本的生产需求。

2、本发明中采用与现有技术中卧式铸造系统不同的垂直铸造系统，通过结构上的设计，设有密封部，即可有效避免外部空气进入熔炼室内又能够及时对非晶母合金锭进行降温，避免了非晶母合金锭由于与空气接触及温度过高发生表面氧化，从而避免非晶母合金锭表面氧化所产生表面裂纹、偏析瘤、拉坯振痕等缺陷。

附图说明

图1 为本发明中非晶母合金锭连铸系统的示意图；

图2为附图1中虚线处的放大示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进行详细的说明。

本实施例中的非晶母合金锭垂直连铸系统如附图1所示，包括熔料装置2、水冷结晶器4、牵引杆8和牵引装置9。熔料装置采用现有技术中非晶合金用熔料装置即可，牵引装置使用辊轮或者其他可实现牵引作用的机械装置。

熔料装置2设于真空室1内部，非晶合金铸造过程为真空铸造或者惰性气氛铸造，真空室1可采用普通非晶合金铸造用真空熔炼室的构造，如真空室顶部或者侧边部可开合以便装填非晶熔炼原料，真空室上还设有真空阀、惰性气体阀、安全阀等阀门装置，还可设有其他真空熔炼室常用的辅助设备，因真空室的构造不是本发明的重点，在此不加赘述。

熔料装置2底部设为熔液出口，且与水冷结晶器4相连接，非晶合金溶液的流动为垂直方向。水冷结晶器4之下设有密封部，密封部由充气段5和冷却段6组成，充气段5通过保护气体阀501充入保护气体并控制充气段中气体压力，充气段中的保护气体使用氩气。冷却段6中使用的冷却液为自来水，由进水口601进入，由出水口602流出，保持循环，出水口602水平位置比进水口601高。冷却段6底端与牵引杆相连处设有密封圈603。

实施例中，充气段5高度设为150mm，冷却段6高度设为400mm，密封部的外壳采用不锈钢材料制成。充气段上端紧闭贴合水冷结晶器的出口，充气段和冷却段接合处设有观察窗7，用于观察液面高度，随时监控并根据熔炼过程的变化对充气段和冷却段的高度进行调整。

使用实施例中的非晶母合金锭垂直连铸系统进行连铸的过程步骤如下：

1、将非晶合金原料加入熔料装2中，锁紧真空室1，然后对真空室1抽真空，真空度达到要求后熔料装置加热熔化合金原料。一般来说，非晶母合金锭熔炼所需真空度为10-10^-3Pa，熔炼温度根据不同非晶合金体系进行调整，一般高于合金原料液相线温度50-150℃。

2、当合金原料熔炼成为熔液以后，开启水冷结晶器4，开启冷却段6使冷却液开始循环流动，连铸开始，开启牵引装置9。

3、在牵引装置9的带动下，牵引杆8被引出，非晶熔液3在牵引杆8的牵引作用下进入水冷结晶器4冷却、凝固成型。成型后的非晶和母合金进入密封段，最后由牵引装置9引出，从而持续产出直至熔料装置2内非晶合金原料消耗殆尽。

附图2为附图1中虚线处的放大示意图。非晶合金熔液从熔炼装置中进入水冷结晶器冷却后由于热胀冷缩，体积会减小。如附图2中所示，非晶母合金10在水冷结晶器中由于体积收缩，会与水冷结晶器侧壁产生空隙，若不加以密封，外部空气就会由该空隙进入熔炼室中，空气中的氧气和杂质就会立即与非晶合金熔液结合，除了易使非晶合金氧化，杂质的存在还会增加合金内部的缺陷结构，降低非晶母合金的品质。当使用本实施例中提供的连铸系统时，收缩后的非晶母合金10从水冷结晶器中出来以后直接进入充气段5，充气段5中充入的是保护气体，如氩气、氦气等不与非晶合金原料发生反应的惰性气体，同时充气段5下方的冷却段6以及设在密封段出口处的密封圈603进一步保证了密封效果，使外部空气无法进入。在本发明中，考虑到保护气体比冷却液体质量轻，而冷却液体可通过设置密封圈形成滑动密封结构，故而将整体连铸系统设为垂直连铸系统，同样的结构设为水平方向或应用于卧式铸造系统中时，由于气液密度差异大，气液分层，易形成环境和保护气之间的对流，不能够达到如本发明中连铸系统一般的密封效果。

非晶母合金从充气段5出来后进入冷却段6，进一步冷却，使产出的非晶母合金温度适中，便于后续的整形、切割等加工步骤。冷却段6中使用的冷却液可为冷却水或者其他有冷却降温效果的液态冷却介质。

本实施例中使用的非晶母合金锭连铸系统为但真空系统，设备成本低、操作简便、运行和管理的成本都非常低，适合工业低成本的生产需求。受益于本发明中的密封结构设计，可有效避免非晶合金熔炼室中进入空气和杂质，使产出的非晶母合金锭品质高、没有裂纹、偏析瘤、拉坯振痕等缺陷。

本发明中的非晶母合金锭垂直连铸系统可适用于锆基非晶合金、镁基非晶合金、镍基非晶合金、铁基非晶合金、铜基非晶合金、钴基非晶合金等不同体系的非晶母合金连铸过程。

最后需要说明的是，以上实施例仅用以说明本发明实施例的技术方案而非对其进行限制。尽管参照较佳实施例对本发明实施例进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解依然可以对本发明实施例的技术方案进行修改或者等同替换，而这些修改或者等同替换亦不能使修改后的技术方案脱离本发明实施例技术方案的范围。