一种连续制备大尺寸高品质铝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，涉及一种连续制备大尺寸高品质铝合金铸锭的装置和方法。
【背景技术】
[0002]大尺寸铝合金铸锭是有色加工行业的食粮，是制造加工大中型铝材的物质基础。大中型铝材在铁路、汽车、国防、铁道、船舶、集装箱等行业应用非常广泛。而且随着我国高速铁路、城际列车、城市轨道交通、大飞机项目等行业发展进入快车道，对大中型结构工业型材的需求量将越来越大,相应的对大中型结构工业型材用大尺寸铝合金铸锭的需求量也更加旺盛。可是我国大中型铝材需求高速发展的背后确是大规格铝合金原坯质量的品质不高，坯料存在组织粗大、成分偏析、裂纹等铸造缺陷，导致后续大中型铝材在加工过程中出现开裂等产品缺陷，造成大中型铝材的报废，成品率低、生产成本高、能耗大，影响行业的发展和场频竞争力的提高。尤其对于我国的一些关键核心领域，如大飞机、国防军工、航天航空等所需的大型高性功能高合金化铝材，国内目前还无法生产，仍需大量进口。主要的制约环节是我国无法生产出高品质高性能高合金化铝合金坯料，未能有效解决坯料制备过程中的成分偏析、组织偏大，熔体冶金质量差等缺陷。可以说大尺寸铝合金坯料的制备尤其是大尺寸高品质高合金化铝合金坯料的制备已经成为制约我国大型铝材品质和市场竞争力的一个关键环节。
[0003]目前国内外在工业生产中常用的用来制备大尺寸合金铸锭的铸造技术主要有热顶铸造技术和气/油滑铸造技术。所谓的热顶铸造技术，是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，铸锭表面品质显者提闻，减小了夹禮:、气孔等缺陷，一定程度上提闻了铸淀的内部品质，铸淀的结晶组织细小均匀，偏析小，提高了铸锭的性能，操作简单，生产效率高。但是热顶铸造技术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，虽然热顶铸造技术得到一定程度的改善，但是由于上述导热距离不易准确控制仍会产生特有的表面波纹和反偏析、裂纹等铸造缺陷。铸锭表面和内部质量没有得到根本改善。而气滑(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。是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，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，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，细化了铸锭晶粒组织。因此气滑铸造生产的铸锭质量较好，成为目前生产合金铸锭的主要生产方式。
[0004]但是无论是热顶铸造技术还是气/油滑铸造技术，虽在一定程度上改善了铸锭的表面质量和内部质量，但是仍没有从根本上改变铸锭的内部质量，尤其是对于大尺寸高合金化的铸锭而言，组织粗大、成分偏析、裂纹等铸造缺陷仍然存在，铸锭内部质量仍然不高。
【发明内容】
[0005]本发明为了克服目前大尺寸铸锭存在的上述不足，避免电磁搅拌趋肤效应的不利影响，有利于获得组织更加细小、成分均匀的高品质铝合金铸锭，解决现有技术制备大尺寸高合金化铸锭时存在的组织粗大、成分偏析、裂纹等铸造缺陷的技术难题，提供了一种连续制备大尺寸高品质铝合金铸锭的装置。
[0006]一种连续制备大尺寸高品质铝合金铸锭的装置，该装置由导磁芯棒，热顶、导流管、电磁搅拌器、冷却水套、石墨环和结晶器组成；所述的结晶器内部镶有石墨环，所述的结晶器的外部设置冷却水套，所述的结晶器的上部设置导流管，所述的电磁搅拌器设置于导流管的外部，所述的热顶设置于导流管的上部，所述的导磁芯棒设置于导流管的心部，所述的导磁芯棒与导流管内壁之间形成一个狭窄的缝隙通道。
[0007]该装置还包括芯棒隔热套，所述的芯棒隔热套安装在导磁芯棒外围。
[0008]所述的导磁芯棒由高磁导率的材料构成，导磁芯棒的相对磁导率为50-20000。芯棒外壁与导流管内壁形成狭窄的缝隙通道。导磁芯棒材质铁、低碳钢、导磁不锈钢、硅钢、镍、钴、铁镍合金、铁钴合金、铁氧体、超导材料及其他铁磁性材料。
[0009]所述的电磁搅拌器为旋转电磁搅拌器；所述的热顶、导流管和芯棒隔热套由保温材料制成。
[0010]在导流管心部设置一根高磁导率的芯棒，芯棒外壁与导流管内壁形成狭窄的缝隙通道；高磁导率芯棒改变了铝合金熔体中磁场的分布，电磁搅拌器产生的磁场沿着缝隙通道中的铝合金熔体与导磁芯棒形成一个畅通的磁路；缝隙通道内磁场分布均匀，铝合金熔体受到均匀的搅拌力，熔体的温度场和成分场均匀。
[0011]本发明还提供了一种连续制备大尺寸高品质铝合金铸锭的方法，该方法是在传统的电磁搅拌技术的基础上，在导流管心部设置一根导磁芯棒，导磁芯棒与导流管内壁形成一个狭窄的缝隙通道，热顶中的铝合金熔体顺着此缝隙通道流出汇聚到结晶器中进行凝固冷却成铸锭。
[0012]一种连续制备大尺寸高品质铝合金铸锭的方法，包括:在连续制备过程中，使电磁搅拌器和冷却水套处于工作状态，铝合金熔体经熔化并经熔体处理后流入热顶中，然后熔体经过缝隙通道流动时受到电磁搅拌器的强烈搅拌，熔体流出汇聚到结晶器中进行凝固冷却成铸锭。
[0013]所述的电磁搅拌器的名义输入功率是3?10kW,搅拌频率为5?50Hz，连铸速度为50?500mm/min,冷却水套的冷却水压为0.1?0.5Mpa。
[0014]本发明的主要技术原理:导磁芯棒的磁导率大，而铝合金熔体的磁导率相对很小，导磁芯棒的设置改变了铝合金熔体中磁场的分布规律，电磁搅拌器产生的磁场沿着缝隙通道中的铝合金熔体与导磁芯棒形成一个畅通的磁路，虽然铝合金熔体的磁导率小，但是在导磁芯棒强大的磁导率的影响下，缝隙中合金熔体的磁场分布状况发生改变，磁场在合金熔体中的分布得以均匀化，铝合金熔体受到的电磁搅拌力很均匀，熔体的温度场和成分场均匀。从而避免了电磁搅拌产生的趋肤效应的不利影响。
[0015]与现有技术相比，本发明的优点在于:
[0016](I)避免了电磁搅拌趋肤效应的不利影响，有利于获得组织更加细小、成分均匀的高品质铝合金铸锭。拓展了电磁搅拌技术在高品质铝合金铸锭领域的应用范围。
[0017](2)有利于克服现有技术制备大规格铝合金铸锭的技术瓶颈。尤其是解决了制备大尺寸高合金化铸锭时存在的组织粗大、成分偏析、裂纹等铸造缺陷的技术难题。
[0018](3)结构简单，投资成本低。
【附图说明】
[0019]图1是连续制备闻品质招合金铸淀的装置不意图。
[0020]图2是设置导磁金属芯棒后时招合金熔体磁场分布图。
[0021]图3是未设置导磁金属芯棒时铝合金熔体磁场分布图。
[0022]主要附图标记:
[0023]I 导磁芯棒2 芯棒隔热套<