一种制备大规格超高强铝合金连续铸锭的装置及方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种制备大规格超高强铝合金连续铸锭的装置及方法，属于金属材料 加工领域，特别涉及金属连铸工艺技术领域。
【背景技术】
[0002] 半连续铸造具有结晶速度高，力学性能好，金属纯净度高，可减少切头切尾的几何 百分比，提高劳动效率等优点，因此，在铝合金中得到广泛的应用。然而研究也发现，该类制 备方法是一个复杂动态凝固过程，各种缺陷如晶粒粗大、开裂和组织成分偏析等容易在凝 固过程中形成。尤其是制备高合金化超高强铝合金，更易产生枝晶偏析，并且在铸坯中产生 强的内应力和裂纹倾向，对后期铝合金塑性变形也会造成不良影响，还会影响合金热处理 强化效果。在制备铝合金大铸锭(铸锭直径超过20英寸（508mm))时，产生组织、成分、性能 的不均匀现象，导致较大的铸造应力，使铸锭发生开裂，增加材料报废率；增加了后续热处 理效率，对于变形合金，还能降低塑性变形性能、增加加工过程能耗，也会增加成本。随着 人类对材料性能、能源的消耗、产品的成本越来越关注，对连铸坯的质量也提出了更高的要 求。因此，近年来，很多研究者采取了各种办法，以便制备低成本、低能耗、高性能、高效率的 铸锭。
[0003] 电磁搅拌技术对熔体进行处理，可以使得不均匀特性减小，可以适当改善普通半 连续铸造所导致的缺陷，并且电磁搅拌是无污染控制流体流动、改善铸锭组织的一种非常 有效方法。因此，电磁搅拌技术在半连续铸造的应用得到了推广。
[0004] 为了提高电磁搅拌技术对熔体处理效果，国内外已经有一些相应设备并制定了一 些新型的处理方法。专利CN100566888C介绍了一种圆坯连铸结晶器电磁搅拌参数的制定 方法，主要是先经过模拟计算、观察、判断及修正后所得到的励磁电流强度和频率条件下， 检测铸坯的皮下裂纹、芯部裂纹、缩孔、中心疏松、皮下气泡及等轴率等质量，最后确定电磁 搅拌参数。该发明可以快速、准确有效地判断现有电磁搅拌参数的合理性及电磁搅拌强 度的强弱，以确定不同条件下电磁搅拌所需的最佳电流强度和频率，同时应用优化后的参 数，可以明显减少铸坯表面和皮下夹杂物及气泡，扩大等轴晶率，改善芯部质量，提高组织 致密性和均匀性并减少漏钢几率。ABB公司公布了一种应用于连铸过程中电磁搅拌技术 (EP0679115B2)，该电磁搅拌方法特征在于，通过交流磁力搅拌熔体，改变熔融金属弯液面， 或者在现有磁力搅拌条件下，在结晶器内部引进一个与主运动方向相反的搅拌器。该发明 公布的方法可以控制连续铸造模具内电磁搅拌密度。最终可以获得很好组织性能的连铸 坯。
[0005] 现有很多设备及方法都是改善电磁搅拌对熔体处理效果，而对合金熔体处理后铸 造过程影响并不大，比如无法改善冷却过程中温度场无法减小液穴，从而改善铸锭组织性 能。最关键的是目前电磁搅拌技术在铸造中的应用都无法解决制备大规格锭坯的一些难 点，比如组织性能均匀性问题和大铸锭开裂问题。本课题组在专利CN101745629A中提出了 一种环缝式电磁搅拌技术，可以克服电磁感应趋肤效应的不利影响，并且可以在制浆室内 设置可通入冷却介质的内部冷却控制器，内部冷却控制器的外壁与制浆室的内侧之间形成 环形间隙，可以时半固态熔体在电磁搅拌力的作用下在此缝隙中进行较为强烈的搅拌，同 时内部冷却控制器通入冷却介质可使浆料的散热更加均匀，温度场的分布也更加均匀，得 到浆料组织分布更为理想。
【发明内容】
[0006] 针对现有熔体处理技术的有限处理效果和熔体处理与铸造相分离等缺点，为了进 一步改善熔体处理效果，以及提升本发明人提出的环缝式电磁搅拌的应用性，本发明基于 环缝式电磁搅拌技术基础上进一步创新优化，从而提出一种新型熔体处理技术，其目的是 设计一种强剪切的熔体处理装置，同时又直接用到半连续铸造过程中，从而改善熔体质量、 铸坯质量，提高铸锭铸造性能以及后续加工性能，实现高效率低成本制备大尺寸铝合金铸 锭。
[0007] 本发明的提出一种制备大规格超高强铝合金连续铸锭的新方法及装置，主要针对 制备直径大于20英寸的Al-Zn-Mg-Cu系列铝合金铸棒，不仅能够实现对熔体高剪切效果、 熔体处理与铸造平台连续对接，还可以大幅度提高铸造过程中熔体径向温度梯度、改善。
[0008] 传统电磁搅拌带动熔体流动是沿着周向运动，相邻半径上熔体相对运动较小，剪 切力不大。并且由于电磁感应存在集肤效应，熔体中心流动速度小，剪切力很小，所以传统 的电磁搅拌技术对熔体处理效果并不是很完美。在传统电磁搅拌条件下，熔体在三维运动 方式是螺旋向外向上，如果搅拌强度较大的情况下，熔体会出现漩涡状，在半连续铸造过程 中，熔体从中间向下注入，导致部分熔体未经搅拌处理便直接进入结晶器内凝固成形，失去 了搅拌处理的作用。因此电磁搅拌铸造的效果并不是很好，本发明设计了一种新型结构，即 在电磁搅拌熔体区域添加了一个锥形螺旋芯棒，参见图1，该芯棒在铸造过程中旋转，且旋 转方向与电磁搅拌带动熔体运动方向相反，使熔体具有强剪切力，更能有效的处理熔体。
[0009] -种制备大规格超高强铝合金连续铸锭的新型装置，该装置主要由结晶器、热顶、 电磁搅拌器、锥形螺旋芯棒、石墨环和引锭构成；所述的结晶器内，上部设置热顶，下部设置 石墨环，所述的热顶中间设置锥形螺旋芯棒，所述的结晶器外部设置电磁搅拌器。
[0010] 所述的热顶内径为160~550_，石墨环内径为200~850_。
[0011] 所述的锥形螺旋芯棒由圆棒和螺旋叶片组成，圆棒直径为45~120mm，螺旋叶片 螺距为10~30mm，螺旋叶片直径由上至下逐渐增大，呈锥形，最大螺旋叶片直径为150~ 700_，螺旋数为5~10 ;所述的锥形螺旋芯棒由陶瓷材料制成。所述的锥形螺旋芯棒下沿 到热顶下沿纵向距离为-15~IOmm (即螺旋芯棒下沿低于热顶下沿15mm到螺旋芯棒下沿 高于热顶下沿l〇mm)。
[0012] 所述的引锭与结晶器配套使用，向下牵引凝固的铸锭。
[0013] 本发明提供了一种制备大规格超高强铝合金连续铸锭的新方法。
[0014] -种制备大规格超高强铝合金连续铸锭的方法，包括如下步骤：合金熔体进入结 晶器内部热顶区域，对熔体进行电磁搅拌和锥形螺旋芯棒旋转搅拌耦合处理，电磁搅拌带 动熔体运动方向与芯棒旋转方向相反，熔体流出热顶，进入石墨环内部，实现一次冷却，形 成凝固壳，随着引锭向下牵引，完成合金铸锭的凝固成形。
[0015] 所述的锥形螺旋芯棒旋转速度为0. 5~3rad/s，电磁搅拌的电流为80~200A，频 率为10~35Hz。
[0016] 利用本发明制备大规格超高强铝合金连续铸锭的新方法及装置具体实现思路：熔 体从坩埚中转移到流槽，在到中间包或者分流盘，然后进入结晶器，即进入本发明装置熔体 处理区域。熔体至上向下流动，由于熔体收到电磁搅拌力，使得熔体螺旋向上运动，同时熔 体受到旋转芯棒的带动作用，使得中心熔体随着芯棒的旋转螺旋向外向下，此时受到较大 的电磁力作用，便产生螺旋向外向上运动，如此反复作用，熔体在该区域收到较强烈的剪切 作用，且整个熔体都能被处理到。当引锭向下移动时，被处理的熔体从芯棒最底层叶片边沿 和热顶之间流出，进入石墨环即一冷区，实现凝固成形。
[0017] 半连铸铸造制备铸锭容易产生宏观和微观偏析，进而导致力学性能的不均匀现 象，特别是高合金化超高强铝合金铸锭。再则，在制备尺寸较大的铸锭，由于冷却强度的不 均匀，成分组织性能的不均匀，容易导致铸锭开裂，这些对铸锭后续热处理和变形带来了很 大的影响。本发明方法改善了熔体在凝固过程中，温度场和成分场的不均匀现象，增强了熔 体处理效果，实现了强制均匀凝固目的。
[0018] 本发明的优点主要体现在以下几个方面：
[0019] 1.锥形螺旋芯棒的结构(如图1)。
[0020] 锥形螺旋芯棒中心是圆柱棒，叶片边沿离圆柱棒中心的距离是变化的，上面小下 面大，且在熔体处理过程中芯棒需要旋转，且旋转方向是利于熔体向下运动的，如图中，从 俯视图观察，芯棒应该逆时针旋转。锥形螺旋芯棒设计理念是：改善熔体流动方式，实现强 剪切，且在实际应用过程中，容易对芯棒进行清理。
[0021] 2.电磁机械耦合搅拌处理
[0022] 本发明中是利用了电磁搅拌技术和机械搅拌耦合处理方法，锥形螺旋芯棒带动熔 体向下向外流动，电磁搅拌将熔体向外向上带动，熔体运动在处理区域是瞬态的，是随着时 间变化而发生变化的，熔体的运动方向和大小时刻发生变化，从而实现强剪切力搅拌，利于 熔体温度成分均匀性的控制。
[0023] 3.避开中心低搅拌力区域，拥有分散汇聚的熔体处理效果
[0024] 锥形螺旋芯棒结构的添加可以避开电磁搅拌力较小的中心区域，有效地处理整个 熔体，实现环缝式熔体处理的作用。同时，由于芯棒叶片直径下面大上面小，熔体经下面大 的螺旋叶片流进石墨环一冷区，实现了熔体分散汇聚的效果，能够进一步充分发挥熔体处 理技术对成分场温度场均匀化处理的作用。
[0025] 4.熔体处理技术应用于半连续铸造，实现动态连续地处理熔体功能
[0026] 本发明所涉及的熔体处理装置是位于结晶器上部，熔体经流槽进入中间包或分流 盘，再进入本发明熔体处理区域，然后进入一冷区，形成凝固壳，随着引锭的下移牵引，已经 形成凝固壳的铸锭也随之拉出，同时熔体继续补充，实现动态连续铸造。
[0027] 5.改善铸锭质量
[0028] 由于本发明装置涉及到强制均匀熔体处理，可以实现均匀性凝固，对铸锭组织、成 分、性能的均匀性有很大