本发明属于轻合金铸造技术领域，特别涉及一种复合磁场制备大规格细晶均质铝合金铸锭的装置及方法。
背景技术：
随着铝合金在交通运输、航空航天领域的发展，对材料性能的稳定性和均匀性提出了更高的要求。半连续铸造是生产铝合金最重要的方法，具有冷却强度大，结晶速度快，组织细小，成品率高等优点。但是，在铝合金dc半连续铸造过程中，液穴深度大，温度梯度大，造成组织粗大不均，宏观偏析严重，尤其是在铸造大规格铝合金铸锭时。
在半连续铸造过程中施加电场、磁场、超声波、机械搅拌等外场促进或抑制对流可以均匀组织，抑制宏观偏析。其中，施加电磁场可以获得优良的微观组织、降低偏析、避免裂纹和改善铸锭表面质量的优质铝合金铸锭。目前，电磁场在半连续铸造过程中的应用方式有无模电磁铸造、细晶电磁铸造、低频电磁铸造等。其中，低频电磁铸造工艺是在传统热顶铸造和细晶电磁铸造工艺基础上在结晶器周围设置感应线圈，采用更低的频率，使得线圈产生的交变磁场渗透能力更强，铸造过程中的电磁场利用率更高，利用洛伦兹力在熔体中产生强迫对流，均匀了温度场，结晶在熔体中比较均匀的进行，液穴深度减少，铸锭组织得到了细化，有效的减少了宏观偏析，提高了铸锭质量。
低频电磁铸造工艺是东北大学崔建忠等在电磁细晶铸造工艺基础上，采用更低的频率(低于50hz)，在结晶器周围布置感应线圈，连续低频电磁铸造铝合金铸坯的方法；利用低频电磁场在熔体中渗透率强的特点，制备了不同规格的铝合金铸锭。不仅实现了电磁细晶铸造工艺细化组织，提高表面质量的目的，而且可以大大提高晶内合金元素含量，减弱宏观偏析，提高铸锭抗裂纹能力。但由于电磁场的集肤效应特性，即使是低频电磁场，在金属熔体中的作用深度也受到限制，特别是在铸造大尺寸铸锭时，铸锭中心位置电磁场强度很弱，边部的电磁场强度很强，导致其对温度场和成分场的调控能力受到限制，对铸锭组织的均匀性控制能力下降。
技术实现要素：
本发明的目的是提供一种复合磁场制备大规格细晶均质铝合金铸锭的装置及方法，在常规铝合金半连续铸造装置基础上，增加了两组感应线圈单元，两组感应线圈产生的电磁场相互补充，使结晶器内整个熔体均在电磁场的作用下，解决铸锭组织粗大不均，宏观偏析等技术难题。
本发明的复合磁场制备大规格细晶均质铝合金铸锭的装置包括结晶器、热顶13、外感应线圈11、内感应线圈单元和引锭8；外感应线圈11位于结晶器冷却水套10内部；结晶器外套内壁镶嵌有石墨环12；内感应线圈单元由内感应线圈9、导磁套筒2和绝热套1组成，导磁套筒2内部设有隔板，隔板上的冷却介质进口管14和冷却介质出口管15穿过隔板并与内感应线圈单元的外部连通，用于流通冷却介质；隔板下方为封闭的空腔，内感应线圈9位于该空腔内；绝热套1镶嵌在导磁套筒2外壁，内感应线圈9通过导线与电源的两极连接。
上述装置中，内感应线圈9位于工作预设位置时，其底端位于石墨环12上沿上方200mm以下，石墨环12上沿下方150mm以上的范围内。
上述装置中，内感应线圈9材质为耐热铜管或扁铜线，匝数为3～50匝；其中当内感应线圈9材质为耐热铜管时，冷却介质进口管14和冷却介质出口管15与内感应线圈为一体结构。
上述的导磁套筒2的材质为铁、硅钢、铁铝系合金、铁钴系合金、铁氧体或超导材料。
上述的绝热套1的材质为耐高温绝热材料，选用石棉、硅酸铝毡或耐热陶瓷管。
上述装置中，内感应线圈单元与升降装置装配在一起，内感应线圈的轴线与结晶器的轴线重合。
本发明的复合磁场制备大规格细晶均质铝合金铸锭的方法是采用上述装置，包括以下步骤：
1、在熔炼炉中进行合金熔炼，经精炼和静置后获得铝合金熔体；抬升引锭到结晶器内石墨环下沿位置；
2、向冷却介质进口管和冷却介质出口管通入冷却介质，保持冷却介质流通，对内感应线圈进行冷却；
3、向结晶器冷却水套内通入冷却水；对外感应线圈通入交流电；控制熔体温度高于液相线50～100℃，将铝合金熔体浇入结晶器内，通过浇嘴或分流盘控制铝合金熔体流量；
4、当结晶器内铝合金熔体的液面高度达到设定值后，将内感应线圈单元位置下调，插入结晶器内的熔池中至工作预设位置，对内感应线圈通入交流电或直流电，使内感应线圈产生交变磁场或静磁场，同时开启铸造机开始铸造，铸造过程中整个结晶器内铝合金熔体均在内感应线圈与外感应线圈产生的复合磁场作用下，直至完成铸造获得铝合金铸锭。
上述方法中，当铸锭达到预定长度后停止导入熔体，对内感应线圈和外感应线圈断电，停止向结晶器内提供冷却水，取出铝合金铸锭，铸造结束。
上述方法中，内感应线圈通入交流电时，交流电频率为5～50000hz，电流强度为5～600a；通入直流电时，直流电的强度为5～600a。
上述的铝合金铸锭为圆锭或扁锭；圆锭的直径≥100mm；扁锭的厚度≥100mm。
上述的冷却介质为空气、氩气、油或水，
上述方法中，外感应线圈通入的交流电频率为5～50hz，电流强度为5～600a。
上述方法中，当内感应线圈材质为耐热铜管时，冷却介质在内感应线圈内部流通进行冷却；当内感应线圈材质为扁铜线时，冷却介质在内感应线圈外部流通进行冷却。
本发明的主要原理是：内感应线圈通入交流电流产生交变磁场或直流电流产生静磁场，熔体在交流电流产生交变磁场的作用下在结晶器中心区域形成强烈的强迫对流或在直流电产生的静磁场抑制自然对流，产生热电磁效应；外感应线圈通入交流电产生交变磁场，熔体中的感应电流收到洛伦兹力的作用下在结晶器表面附近区域形成强烈的强迫对流；通过调整两个感应线圈的参数使两组感应线圈产生的电磁场相互补充，使结晶器内整个熔体均在电磁场的作用下，充分均匀了温度场和成分场，避免屈服效应的不利影响；导磁套筒由高磁导率材料制备；隔热套的作用是减小内感应线圈的受热和防止导磁套筒腐蚀对熔体的污染。
与现有技术相比，本发明的优点是克服了趋肤效应的不利影响，整个结晶器内熔体的凝固行为均发生在电磁场作用下，有利于获得组织细小均匀，成分均匀的，热裂倾向小的高质量铸锭；利用外部感性线圈和心部感应线圈单元同时在熔池边部和心部获得较强磁场，实现对dc铸造整个熔池的较强作用，进而提高大尺寸铝合金dc铸造速度，改善大尺寸铝合金dc铸锭的冶金质量。
附图说明
图1为本发明实施例1中的复合磁场制备大规格细晶均质铝合金铸锭的装置的结构示意图；
图中，1、隔热套，2、导磁套筒，3、隔板，4、进水口，5、出水口，6、铝合金熔体，7、铝合金铸锭，8、引锭，9、内感应线圈，10、结晶器冷却水套，11、外感应线圈，12、石墨环，13、热顶，14、冷却介质进口管，15、冷却介质出口管；
图2为传统半连续铸造和本发明实施例1制备的2524铝合金铸锭(φ300mm)金相组织图，图中，(a)传统半连续铸造，(b)实施例1。
具体实施方式
本发明的石墨环内径100～600mm。
本发明的热顶内径80～600mm。
本发明的引锭与结晶器配套使用，将铸锭从结晶器中拉出。
本发明的方法中铸造速度20～300mm/min。
本发明实施例中外感应线圈由耐热铜管或者扁铜线制成，匝数为30～300匝。
本发明实施例中导磁套筒的材质为铁、硅钢、铁铝系合金、铁钴系合金、铁氧体或超导材料。
本发明实施例中绝热套的材质为耐高温绝热材料，选用石棉、硅酸铝毡或耐热陶瓷管。
本发明的内感应线圈9位于工作预设位置时，其底端位于石墨环12上沿上方200mm以下，石墨环12上沿下方150mm以上的范围内。
实施例1
复合磁场制备大规格细晶均质铝合金铸锭的装置结构如图1所示，包括结晶器、热顶13、外感应线圈11、内感应线圈单元和引锭8；外感应线圈11位于结晶器冷却水套10内部；结晶器外套内壁镶嵌有石墨环12；内感应线圈单元由内感应线圈9、导磁套筒2和绝热套1组成，导磁套筒2内部设有隔板，隔板上的冷却介质进口管14和冷却介质出口管15穿过隔板并与内感应线圈单元的外部连通，用于流通冷却介质；隔板下方为封闭的空腔，内感应线圈9位于该空腔内；绝热套1镶嵌在导磁套筒2外壁，内感应线圈9通过导线与交流电电源的两极连接；
内感应线圈9材质为扁铜线；
内感应线圈单元与升降装置装配在一起，内感应线圈的轴线与结晶器的轴线重合；
方法包括以下步骤：
在熔炼炉中进行合金熔炼，经精炼和静置后获得铝合金熔体；抬升引锭到结晶器内石墨环下沿位置；
预热溜槽，向结晶器冷却水套内通入冷却水，经进水口4流入，出水口5流出，对外感应线圈进行冷却；冷却水流量120l/min；对外感应线圈通入交流电；向冷却介质进口管和冷却介质出口管通入冷却介质，保持冷却介质流通，对内感应线圈进行冷却；冷却介质为水；冷却介质在内感应线圈外部流通进行冷却；
控制熔体温度高于液相线50～100℃，将铝合金熔体浇入结晶器内，通过浇嘴或分流盘控制铝合金熔体流量；浇铸温度730℃；
当结晶器内铝合金熔体的液面高度达到设定值后，将内感应线圈单元位置下调，插入结晶器内的熔池中至工作预设位置，对内感应线圈通入交流电或直流电，使内感应线圈产生交变磁场或静磁场，同时开启铸造机开始铸造，铸造过程中整个结晶器内铝合金熔体均在内感应线圈与外感应线圈产生的复合磁场作用下，直至完成铸造获得铝合金铸锭；
当铸锭达到预定长度后停止导入熔体，对内感应线圈和外感应线圈断电，停止向结晶器内提供冷却水，取出铝合金铸锭，铸造结束；
其中内感应线圈匝数15匝，通入交流电，频率为60hz，电流强度为200a；
外感应线圈匝数为50匝，通入的交流电频率30hz，电流强度150a；
铝合金铸锭为φ300mm的2524铝合金圆锭，铸锭表面光滑，无明显冷隔，经检验铸锭内部无裂纹，金相组织如图2(b)所示，组织细小均匀；
采用传统半连续铸造制备同尺寸2524铝合金圆锭，金相组织如图2(a)所示。
实施例2
装置结构同实施例1，不同点在于：
内感应线圈9通过导线与直流电电源的两极连接；
内感应线圈9材质为耐热铜管，冷却介质进口管14和冷却介质出口管15与内感应线圈内部连通并构成一体结构，匝数为30匝；
方法同实施例1，不同点在于：
冷却介质在内感应线圈内部流通进行冷却；内感应线圈通入直流电，电流强度100a；
铸造速度由60mm/min提高至100mm/min；
铝合金铸锭为φ300mm2524铝合金圆锭，铸锭表面光滑，无明显冷隔，经检验铸锭内部无裂纹，组织细小均匀，铸造速度提高后铸锭激冷层厚度由3.86mm降低至0.95mm，减少了铸锭后续加工切削量，提高了成材率。