技术领域
[0001] 本
发明属于金属材料制备领域，具体为一种通过施加电
磁场实现半连续铸造锭坯组织细化与成分均匀化的铸造装置及其铸造方法。
背景技术
[0002] 镁
合金具有
密度小、比强度高、比
弹性模量大、
散热好、消震性好、承受冲击
载荷能
力比
铝合金大、以及耐有机物和耐
碱腐蚀性好等优点，因此镁合金在交通运输、武器装备、航空航天、计算机通讯以及
消费电子产品等领域具有广阔的应用前景。但是，镁合金存在强度不高、塑性
变形能力差以及耐蚀性不好等问题，已成为扩大镁合金应用的障碍。提高金属材料强度的主要办法有固溶强化、析出强化、细晶强化和形变强化，由于可以与镁合金化的元素比
铁和铝都少，可以强化镁基体的稳定强化相的数量更少，因此，提高镁合金强度只能更多依赖细晶强化和形变强化。事实也证明，大多数镁合金的细晶强化效果都要优于
铝合金，即在霍尔～佩奇(Hall～Petch)关系中，镁合金具有更大的K系数，例如AZ31的K值可以达到200～240，而铝合金一般只有60～90。当然尽管细晶贯穿镁合金材料的整个制备过程，但对于变形镁合金来说，变形镁合金坯料的细晶化是实现材料最终细晶化的重要前提。同时，坯料的细晶化也将有效改善坯料的变形行为，提高变形过程中的成形性，达到提高成材率的效果，这在镁合金的
轧制与锻压工艺中更为显著，特别是在进行
锻造时，细晶坯料将极大提高镁合金的变形能力并显著降低锻压变形裂纹
缺陷的产生与发展。
[0003] 目前除了少数高活性镁合金(如镁锂合金)以及高铸造裂纹趋势的镁合金(如高稀土合金化镁合金)之外，变形(包括轧制、
挤压和锻造)用镁合金坯料大多通过直接
水冷半连续铸造工艺(即DC铸造)制备与生产。尽管DC铸造工艺具有比永久模铸造明显的
质量与效率优势，但因其散热方向与冷却
凝固特点，包括镁合金在内的金属坯料铸造易因为在横截面不同部位
温度梯度和冷却速率差别大而导致横截面上内外晶粒尺寸的巨大差别，还会因为散热单一取向而导致出现大面积的柱状晶区，同时还会因为同一截面上凝固时序差别而导致严重的宏观偏析和铸造内
应力。这些情况都将对铸造坯料的后续变形产生诸如变形不均匀、裂纹、以及组织与性能不均等严重不良影响与结果。因此，如何进一步提高包括变形镁合金坯料在内的DC铸造坯料的
冶金质量，提高坯料的组织细化与均匀化效果，减小宏观偏析程度，缩小或消除铸造坯料中的柱状晶区，是坯料铸造行业持续努力的目标。
[0004] 要实现以上目标，在技术手段上通过调整结晶器结构以及优化铸造工艺参数是重要途径，如中国
专利ZL201110386386.0公开了《内外双向冷却
连铸镁合金和铝
合金锭坯装置与工艺》，在坯料外部一冷与二冷
基础上，通过在棒材凝固液穴上部增加可带走芯部热量的内冷头装置，来降低横向温度梯度和冷却速率差别，以达到细晶效果。此外，大量研究已表明，施加外场(包括永磁场、
电磁场、脉冲电磁场、组合电磁场、
超声波、
机械波等)是改变金属凝固行为的十分有效的方法。中国专利ZL03133389.3《镁合金超低温铸造制取半固态浆方法》和ZL200810010647.7《镁合金锭坯的油滑电磁立式半连续铸造方法与结晶器》分别公开了一种在镁合金棒材DC半连续铸造过程中通过施加低频电磁场产生强制
对流来实现铸造棒材组织细化和元素分布均匀化的方法；中国专利ZL200710010640.0《功率超声与低频电磁协同作用的轻合金水平连续铸造方法及设备》和ZL200710010641.5《功率超声与低频电磁协同作用的轻合金大规格锭坯立式半连续铸造方法及设备》分别公开了一种在镁合金棒材DC半连续铸造过程中同时施加组合功率超声与低频电磁，利用功率超声克服电磁趋肤效应和利用电磁强制对流克服功率超声因
能量快速衰减而作用区域有限的局限，实现了较大规格镁合金棒材铸造的组织细化和元素分布均匀化的显著效果。以上技术均通过在单一负载线圈中施加
电流来实现电磁场的施加，但是由于电磁在拟处理的金属熔体中的趋肤效应，为达到技术效果需要在负载线圈中施加很大的电流，即使如此，在较大体积熔体凝固时往往也难以达到理想的技术效果。
[0005] 张勤和郭世杰的研究表明，通过在半连续铸造结晶器中安装两个分别通交流电和直流电的励磁线圈来产生的稳衡磁场和交变磁场，结合电磁导向铁芯，实现7075铝合金或AZ80镁合金熔体的受迫震荡，可以达到明显细化其凝固组织以及抑制偏析和裂纹的效果，但由于采用两套线圈，一是体积庞大，不利于结晶器的布置，另一方面是两个线圈的物理距离也降低了其耦合效果，同时，还由于置于线圈内侧的铁芯也显著增加了半连铸铸造注液操作过程的复杂性，所以只停留于实验室研究阶段，难以实现工业化应用。
发明内容
[0006] 为解决
现有技术存在的上述问题，本发明要设计一种既结构简单、体积较小、易于实现工业应用，又无需给负载线圈施加很大电流的电磁半连续铸造装置及其铸造方法，以使镁合金半连续铸造坯料能完全满足塑性变形工艺(特别是锻造工艺和轧制工艺)对铸造坯料晶粒尺寸和成分均匀性要求。
[0007] 为了实现上述目的，本发明的技术方案如下：一种电磁半连续铸造装置，包括
坩埚熔炼炉、坩埚静置炉、控流机构、分流装置、电磁结晶器系统和立式半连续铸造机，所述的坩埚熔炼炉的出口依次经过移液管A、坩埚静置炉、移液管B、控流机构、分流装置、电磁结晶器系统连接到立式半连续铸造机，所述的坩埚熔炼炉与加热系统和加压系统连接，所述的坩埚静置炉与加热系统和加压系统连接，所述的移液管A和移液管B均与加温控制装置连接，所述的电磁结晶器系统分别与电磁电源系统、
冷却水系统和保护气系统连接；
[0008] 所述的电磁结晶器系统为内置固定一组励磁线圈的金属内套结晶器系统，包括金属内套、冷却水腔、励磁线圈、供油系统、布油系统和保护气环；所述的金属内套为筒形结构，金属内套的顶端为
法兰结构，中下部为圆柱筒或圆锥筒，所述的圆锥筒向下的开口度为3～10°；所述的金属内套与介板、外套、
底板和封水板构成冷却水腔；所述的冷却水腔设有进水管；所述的金属内套与介板之间设置
密封胶条，金属内套底端设置二冷水的出水孔，在金属内套的上沿设有布油系统和保护气环；所述的封水板安装在金属内套底端与底板接缝下面；所述的励磁线圈通过
定位卡具固定在冷却水腔内并浸没在冷却水中；所述的定位卡具包括固定上板、固定
螺栓和固定下板，所述的励磁线圈固定在固定上板和固定下板之间，通过设在外套侧面的电磁连接
电缆与大功率低频电源连接；在外套侧面上端面附近设置排气
阀；所述的布油系统由2个油沟槽、渗油缝和油盖板构成，2个油沟槽与油盖板一起构成2个储油室，储油室之间由若干渗油缝连通，所述的布油系统与供油系统相通；所述的保护气环上设有保护气的进口和出口。
[0009] 进一步地，所述的坩埚熔炼炉和坩埚静置炉所用坩埚均为无镍铸
钢坩埚，装料容量为0.8～3t，用
电阻加热体加热或用
天然气加热。
[0010] 进一步地，所述的移液管B，为外包
硅酸铝保温
棉并用玻璃丝带缠绕的倒U型
不锈钢管；所述的移液管B包括主管、长外
套管和短外套管，所述的移液管B的进液端设置长外套管，长外套管的下端在移液管B进口端附近
焊接、长外套管的上端设置连接法兰，连接法兰与坩埚密封盖板中心的法兰连接，连接法兰与坩埚密封盖板中心的法兰之间填充密封
石墨盘根，并通过紧固卡具加压密封；移液管B的出口端设置短外套管，短外套管的下端在移液管B出口端附近焊接；所述的移液管B靠近出口端设置
支撑架，所述的支撑架具有高度调节功能；所述的移液管B的进液端设置挡流槽；所述的坩埚密封盖板上设置连接
电极，所述的主管上进口端附近的弯曲处设置温控点；所述的温控点与加温控制装置连接；所述的加温控制装置通过控温电缆依次与坩埚密封盖板、紧固卡具、长外套管、主管和短外套管连接形成加热回路。
[0011] 进一步地，所述的挡流槽为活动挡流槽，用于熔体压出时在进液端避免不洁净的底部液流进入移液管B中；在熔体出口端通过控流机构的圆锥体的塞入程度进行流量控制。
[0012] 进一步地，所述的移液管A和移液管B结构相同，用于把熔体从坩埚熔炼炉导入坩埚静置炉，出口端无须进行流量控制；所述的移液管A和移液管B的加温控制装置为移液管通过
低电压大电流加热实时控制装置，其电压为24V，电流为1000～2000A。
[0013] 进一步地，所述的控流机构包括圆锥体、挂钩A、杠杆、
配重和
支架，所述的支架包括底板、
门形架和
立板，所述的杠杆为开叉杠杆，杠杆开叉端通过挂钩A连接圆锥体、另一端设置配重；杠杆通过支撑铰安装在立板上；所述的门形架上设置调节螺栓，调节螺栓通过
螺纹安装在门形架上，调节螺栓的下端与杠杆
接触，通过调节螺栓与配重调
节圆锥体与移液管B出口之间的缝隙来调控流量，圆锥体的顶
角为30～45度，高度为30～40mm。
[0014] 进一步地，所述的分流装置包括高度与水平调节
螺母、悬挂支架和槽；所述的悬挂支架分别由两根
横杆通过
连接杆与槽连接；所述的高度与水平调节螺母有四个，分别安装在两根悬挂支架的两端，高度与水平调节螺母的下端与电磁结晶器系统的介板上表面接触，用于调节槽的高度和水平状态；所述的槽侧面设置多个分流孔；所述的槽为矩形槽或圆形槽；所述的槽的材料采用奥氏体不锈钢材质；所述的分流孔为Φ15～20mm的圆孔或H10～15mm×L15～30mm的矩形孔；分流孔距槽底面边部距离不小于5～15mm；槽底部为平底或下凹底。
[0015] 进一步地，所述的金属内套由6001、6063、6069或6N01铝合金的锻造坯料机加工而成，侧面厚度为10～25mm，且靠冷却水腔侧面加工有加强筋，金属内套与金属液接触面加工光洁度达到6.4或以上；金属内套底端的二冷水出水孔直径为1.0～3.5mm，且出水孔与竖直方向的夹角为20～60度，出水孔沿金属内套周向的
线密度为1～3孔/10mm，出水孔的出水口与励磁线圈半高度水平面的距离为30～80mm；所述的金属内套顶面加工有两道油沟槽，顶面内侧角加工有沿周向均布的渗油缝，渗油缝宽度为0.1～0.5mm，渗油缝密度为1～3条/10mm；
[0016] 所述的电磁结晶器系统的介板为具有良好透
磁性能的奥氏体不锈钢材质，与金属内套连接处加工有密封槽，与底板连接处加工有螺栓装配孔；所述的底板和外套为普通低
碳钢或普通不锈钢材质；所述的外套由钢管或卷筒焊接制造，在外套上端附近加工有1～4个排气孔并装配有排气阀，在外套半高度处配置1～2个进水管，进水管进水方向与外套表面近似相切；在外套表面与进水管呈90度夹角处加工有两个电缆孔；
[0017] 所述的励磁线圈是用绝缘扁
铜线以单一方向缠绕60～150
匝而成，绝缘扁铜线横截面规格为(2～4)×(3～10)mm，所用绝缘扁铜线绝缘层为聚酰亚胺漆，绝缘耐热等级满足国家标准的C级，绝缘层
击穿电压大于5000V；励磁线圈定位高度根据需要由定位卡具调节，其中固定上板为一环状电木板，固定下板为分别套在紧固螺栓上的高度可调的长方形电木板。
[0018] 进一步地，所述的电磁电源系统的输入端经隔离
变压器与三相电源相连、输出端与电磁结晶器系统的电磁连接电缆连接；所述的电磁电源系统同时与1～4个电磁结晶器系统连接。当同时铸造两根或两根以上时，把各个电磁结晶器系统的电磁连接电缆进行
串联之后再与电磁电源系统连接；
[0019] 所述的电磁电源系统与电磁结晶器系统中的励磁线圈连接，在励磁线圈上施加直流与连续锯齿
叠加波、连续
锯齿波或脉冲锯齿波，从而在电磁结晶器系统中产生感应电磁场，并与熔体相互作用形成的洛伦兹力场，使液穴中的熔体产生低频电磁脉动震荡对流环流、连续震荡对流环流、或连续对流环流，并在电磁结晶器系统的熔体液面上分别呈现较大波纹的液面、较小波纹的液面和基本平静的液面，经过以上处理的金属熔体逐渐冷却进入糊状区，直至形成凝固
铸锭，该凝固铸锭即半连续铸造锭坯，具有细晶、均质和低铸造应力的特点。
[0020] 所述的电磁电源系统实现稳定工作的负载低频电流参数设定范围为：
频率f＝1～50Hz，占空比d＝1％～90％，电流强度I＝1～200A。
[0021] 进一步地，所述的移液管A和移液管B的规格为外径2～38mm、壁厚2.5～4mm。
[0022] 一种电磁半连续铸造装置的铸造方法，包括以下步骤：
[0023] A、熔炼过程
[0024] A1、按要求组分在坩埚熔炼炉中进行镁合金的熔炼，第一次精炼制度为720～740℃下用熔剂和氩气进行精炼，同时进行搅拌，精炼时间20～30分钟，捞底渣后静置10～15分钟；将
熔化完毕并经第一次精炼的熔体移液至坩埚静置炉中。在坩埚熔炼炉和坩埚静置炉的熔化与精炼过程均用熔剂隔离进行保护。从坩埚熔炼炉到坩埚静置炉的移液过程采用导液
泵或封闭加压通过移液管A进行移液，其中移液管A在弯头处布置
热电偶进行控温，温度710℃；温度
波动范围5℃；或用可通过挂钩B悬挂于吊车上的移液吊包进行移液。移液吊包由带控制
手柄的可自
锁塞棒调节机构、塞棒垂直度定位横杆和包体组成，可自锁塞棒调节机构通过塞棒与锥体连接。采用移液吊包移液时，把经预热的移液吊包缓慢浸入坩埚熔炼炉中，待熔体液面接近顶部时，压下可自锁的控制手柄，锥体向下压入吊包底锥孔中，封闭移液吊包，之后缓慢吊到坩埚静置炉中，再上压控制手柄放出熔体。其中，锥孔和锥体的锥度均为15度；
[0025] A2、在坩埚静置炉中经第二次或第三次精炼处理，第
二次精炼制度为720～740℃下用熔剂和氩气进行精炼，同时进行搅拌，精炼时间10～15分钟，捞底渣后静置20分钟；第三次精炼制度为720～740℃下用熔剂和氩气进行精炼，同时进行搅拌，精炼时间10分钟左右，捞底渣；
[0026] A3、在坩埚静置炉中精炼完毕后，进行除铁操作。首先以1～5℃/min降温速度进行静置降温至630～640℃，之后以10～15℃/min升温速度快速升温至670～730℃，即出液铸造；
[0027] A4、通过密封坩埚静置炉并加压的方式把熔体从经预热的移液管B导出；通过控流机构把熔体导入分流装置中，再进入电磁结晶器系统中。在铸造过程中电磁结晶器系统的熔体液面均采用N2+1％SF6混合气体进行隔离保护。
[0028] B、铸造过程
[0029] B1、调节好电磁结晶器系统
冷却水流量为15～800L/min并关闭冷却水；
[0030] B2、对中引锭头并调节好其进入金属内套的高度，并在金属内套内壁预涂少量
润滑油；
[0031] B3、把分流装置置于金属内套中
心轴位置并调节好高度；把移液管B与控流机构连接好，并把移液管B两端与加热电缆连接并开启电源加热至所需温度；移液管B加热控温方式与移液管A相同。
[0032] B4、开启冷却水系统和保护气系统；把电磁电源系统与电磁结晶器系统进行连接，根据锭坯规格和合金种类设置好低频电磁参数并开启电磁场，所述的参数包括电磁的频率、占空比和平均电流强度。其优选条件为：电磁频率在4～40Hz，占空比10％～50％，平均电流强度为10～50A；
[0033] B5、开启坩埚静置炉的加压系统并结合压力和控流机构调整压力；待电磁结晶器系统中的熔体达到规定高度后，开启半连续铸造装置并调节
铸造速度至20～260mm/min进行铸造，根据拟制备锭坯的规格大小和合金种类不同，对圆锭坯和矩形锭坯的铸造速度V进行调节，其总的规律是锭坯横截面尺寸越大，铸造速度越低，矩形锭坯的铸造速度低于等截面圆锭坯的铸造速度；铸造过程中开启并调节置于金属内套上端的供油系统为金属内套与金属液接触面提供润滑，直至铸造完毕；
[0034] B6、铸造毛坯经锯床定尺，圆铸锭经
车床车削，扁铸锭经
铣床铣面后即为成品。
[0035] 与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
[0036] 1、本发明通过调整电流的频率、占空比和平均电流强度的方法，在置于结晶器冷却水腔中的单一负载线圈中形成独特
波形的电流，进而以较小的电流强度在结晶器中形成所希望的强制对流或震荡效果，达到锭坯晶粒显著细化、柱状晶明显减小或消除、以及降低宏观偏析和实现低应力铸造的技术效果。
[0037] 2、本发明提出了利用同一电磁结晶器系统，即可在单一负载线圈中施加很低的电流来实现拟铸造熔体很强的电磁连续或脉动强制对流作用，还可在此单一负载线圈实现很强的电磁连续震荡效果。因此，本发明的装置结构简单、且占用空间较小，方便结晶器布置和实际铸造操作。与现有的两套励磁线圈和导向铁芯结构的装置相比，在相似的作用效果情况下，本发明的电磁结晶器系统体积为原来的1/3～1/2。本发明的技术方案可以工业化应用。
[0038] 3、本发明通过熔炼过程改一埚法为两埚法，即熔炼与静置操作分别在坩埚熔炼炉和坩埚静置炉中进行，并采用控制静置降温～升温行程进行除铁操作，获得了纯净度高的镁合金熔体；同时，在镁合金锭坯半连续铸造过程中施加电磁连续或脉动磁场或连续震荡电磁场的进行强制对流，并结合其它铸造条件的精确调控，可以达到锭坯晶粒显著细化、柱状晶明显减小或消除、以及降低宏观偏析和实现低应力铸造的技术效果。
[0039] 4、本发明可以明显细化铸造镁锭晶粒，缩小甚至消除柱状晶区和粗晶区，提高铸造组织均匀性，使镁合金半连续铸造坯料能完全满足塑性变形工艺要求。
附图说明
[0040] 图1是本发明的装置组成示意图。
[0041] 图2是本发明的移液管及其加热控温装置示意图。
[0042] 图3是控流机构结构示意图。
[0043] 图4是圆锭坯铸造的分流装置结构示意图。
[0044] 图5是图4的A～A剖视图。
[0045] 图6是图4的轴测图。
[0046] 图7是矩形锭坯铸造的分流装置结构示意图。
[0047] 图8是图7的A～A剖视图。
[0048] 图9是图7的轴测图。
[0049] 图10是电磁结晶器系统结构示意图。
[0050] 图11是多电磁结晶器系统的平面布置与电缆连接方式示意图之一。
[0051] 图12是多电磁结晶器系统的平面布置与电缆连接方式示意图之二。
[0052] 图13是多电磁结晶器系统的平面布置与电缆连接方式示意图之三。
[0053] 图14是移液吊包结构示意图。
[0054] 图15是结晶器液穴中熔体的“喷泉式”脉动震荡对流环流示意图。
[0055] 图16是结晶器熔体的“喷泉式”连续震荡对流环流示意图。
[0056] 图17是结晶器熔体的“喷泉式”连续对流环流示意图。
[0057] 图18是不同大小圆锭坯铸造时的铸造速度选择关系示意图。
[0058] 图19是不同大小矩形锭坯铸造时的铸造速度选择关系示意图。
[0059] 图20是锭坯铸造观察取样部位示意图。
[0060] 图21是
实施例1铸造坯料宏观组织示意图。
[0061] 图22是实施例1铸造坯料晶粒分区及晶粒尺寸分布示意图。
[0062] 图23是实施例2铸造坯料宏观组织示意图。
[0063] 图24是实施例2铸造坯料晶粒分区及晶粒尺寸分布示意图。
[0064] 图25是实施例3铸造坯料宏观组织示意图。
[0065] 图26是实施例3铸造坯料晶粒分区及晶粒尺寸分布示意图。
[0066] 图27是实施例4铸造坯料宏观组织示意图。
[0067] 图28是实施例4铸造坯料晶粒分区及晶粒尺寸分布示意图。
[0068] 图29是实施例5铸造坯料宏观组织示意图。
[0069] 图30是实施例5铸造坯料晶粒分区及晶粒尺寸分布示意图。
[0070] 图31是实施例6铸造坯料宏观组织示意图。
[0071] 图32是实施例6铸造坯料晶粒分区及晶粒尺寸分布示意图。
[0072] 图33是实施例7铸造坯料宏观组织示意图。
[0073] 图34是实施例7铸造坯料晶粒分区及晶粒尺寸分布示意图。
[0074] 图35是实施例8铸造坯料宏观组织示意图。
[0075] 图36是实施例8铸造坯料晶粒分区及晶粒尺寸分布示意图。
[0076] 图中：1、挡流槽；2、坩埚密封盖板；3、加热控温装置；4、连接电极；5、紧固卡具；6、密封石墨盘根；7、连接法兰；8、温控点；9、主管；10、
硅酸铝保温棉；11、玻璃丝带；12、支撑架；13、短外套管；14、长外套管；15、圆锥体；16、挂钩A；17、杠杆；18、支撑铰；19、调节螺栓；20、配重；21、支架；22、悬挂支架；23、槽；24、高度与水平调节螺母；25、分流孔；26、供油系统；27、保护气环；28、布油系统；29、金属内套；30、密封胶条；31、介板；32、排气阀；33、外套侧面；34、固定上板；35、固定螺栓；36、励磁线圈；37、固定下板；38、底板；39、外套；40、封水板；41、出水孔；42、电磁连接电缆；43、进水管；44、渗油缝；45、油沟槽；46、油盖板；47、电磁结晶器系统；48、电磁电源系统；49、脉冲震荡环流；50、较大波纹的液面；51、糊状区；52、凝固铸锭；53、连续震荡环流；54、较小波纹的液面；55、连续对流环流；56、基本平静的液面；
57、挂钩B；58、可自锁塞棒调节机构；59、控制手柄；60、塞棒垂直度定位横杆；61、包体；62、塞棒；63、锥体。
[0077] D为铸造圆毛坯直径；V为铸造速度；W为铸造矩形毛坯截面宽度；T为铸造矩形毛坯截面厚度；A为铸造方向边部；C为铸造方向(1/2)R；E为铸造方向中心。
具体实施方式
[0078] 下面结合附图对本发明进行进一步地描述。
[0079] 如图1-13所示，一种电磁半连续铸造装置，包括坩埚熔炼炉、坩埚静置炉、控流机构、分流装置、电磁结晶器系统47和立式半连续铸造机，所述的坩埚熔炼炉的出口依次经过移液管A、坩埚静置炉、移液管B、控流机构、分流装置、电磁结晶器系统47连接到立式半连续铸造机，所述的坩埚熔炼炉与加热系统和加压系统连接，所述的坩埚静置炉与加热系统和加压系统连接，所述的移液管A和移液管B均与加温控制装置连接，所述的电磁结晶器系统47分别与电磁电源系统48、冷却水系统和保护气系统连接；
[0080] 如图10所示，所述的电磁结晶器系统47为内置固定一组励磁线圈36的金属内套结晶器系统，包括金属内套29、冷却水腔、励磁线圈36、供油系统26、布油系统28和保护气环27；所述的金属内套29为筒形结构，金属内套29的顶端为法兰结构，中下部为圆柱筒或圆锥筒，所述的圆锥筒向下的开口度为3～10°；所述的金属内套29与介板31、外套39、底板38和封水板40构成冷却水腔；所述的冷却水腔设有进水管43；所述的金属内套29与介板31之间设置密封胶条30，金属内套29底端设置二冷水的出水孔41，在金属内套29的上沿设有布油系统28和保护气环27；所述的封水板40安装在金属内套29底端与底板38接缝下面；所述的励磁线圈36通过定位卡具固定在冷却水腔内并浸没在冷却水中；所述的定位卡具包括固定上板34、固定螺栓35和固定下板37，所述的励磁线圈36固定在固定上板34和固定下板37之间，通过设在外套侧面33的电磁连接电缆42与大功率低频电源连接；在外套侧面33上端面附近设置排气阀32；所述的布油系统28由2个油沟槽45、渗油缝44和油盖板46构成，2个油沟槽45与油盖板46一起构成2个储油室，储油室之间由若干渗油缝44连通，所述的布油系统28与供油系统26相通；所述的保护气环27上设有保护气的进口和出口。
[0081] 进一步地，所述的坩埚熔炼炉和坩埚静置炉所用坩埚均为无镍铸钢坩埚，装料容量为0.8～3t，用电阻加热体加热或用天然气加热。
[0082] 如图2所示，所述的移液管B，为外包硅酸铝保温棉10并用玻璃丝带11缠绕的倒U型不锈钢管；所述的移液管B包括主管9、长外套管14和短外套管13，所述的移液管B的进液端设置长外套管14，长外套管14的下端在移液管B进口端附近焊接、长外套管14的上端设置连接法兰7，连接法兰7与坩埚密封盖板2中心的法兰连接，连接法兰7与坩埚密封盖板2中心的法兰之间填充密封石墨盘根6，并通过紧固卡具5加压密封；移液管B的出口端设置短外套管13，短外套管13的下端在移液管B出口端附近焊接；所述的移液管B靠近出口端设置支撑架
12，所述的支撑架12具有高度调节功能；所述的移液管B的进液端设置挡流槽1；所述的坩埚密封盖板2上设置连接电极4，所述的主管9上进口端附近的弯曲处设置温控点8；所述的温控点8与加温控制装置连接；所述的加温控制装置通过控温电缆依次与坩埚密封盖板2、紧固卡具5、长外套管14、主管9和短外套管13连接形成加热回路。
[0083] 进一步地，所述的挡流槽1为活动挡流槽，用于熔体压出时在进液端避免不洁净的底部液流进入移液管B中；在熔体出口端通过控流机构的圆锥体15的塞入程度进行流量控制。
[0084] 进一步地，所述的移液管A和移液管B结构相同，用于把熔体从坩埚熔炼炉导入坩埚静置炉，出口端无须进行流量控制；所述的移液管A和移液管B的加温控制装置为移液管通过低电压大电流加热实时控制装置，其电压为24V，电流为1000～2000A。
[0085] 如图3所示，所述的控流机构包括圆锥体15、挂钩A16、杠杆17、配重20和支架21，所述的支架21包括底板38、门形架和立板，所述的杠杆17为开叉杠杆，杠杆17开叉端通过挂钩A16连接圆锥体15、另一端设置配重20；杠杆17通过支撑铰18安装在立板上；所述的门形架上设置调节螺栓19，调节螺栓19通过螺纹安装在门形架上，调节螺栓19的下端与杠杆17接触，通过调节螺栓19与配重20来调节圆锥体15与移液管B出口之间的缝隙来调控流量，圆锥体15的顶角为30～45度，高度为30～40mm。
[0086] 如图4～图9所示，所述的分流装置包括高度与水平调节螺母24、悬挂支架22和槽23；所述的悬挂支架22分别由两根横杆通过连接杆与槽23连接；所述的高度与水平调节螺母24有四个，分别安装在两根悬挂支架22的两端，高度与水平调节螺母24的下端与电磁结晶器系统47的介板31上表面接触，用于调节槽23的高度和水平状态；所述的槽23侧面设置多个分流孔25；所述的槽23为矩形槽或圆形槽；所述的槽23的材料采用奥氏体不锈钢材质；
所述的分流孔25为Φ15～20mm的圆孔或H10～15mm×L15～30mm的矩形孔；分流孔25距槽23底面边部距离不小于5～15mm；槽23底部为平底或下凹底。
[0087] 如图10所示，所述的金属内套29由6001、6063、6069或6N01铝合金的锻造坯料机加工而成，侧面厚度为10～25mm，且靠冷却水腔侧面加工有加强筋，金属内套29与金属液接触面加工光洁度达到6.4或以上；金属内套29底端的二冷水出水孔41直径为1.0～3.5mm，且出水孔41与竖直方向的夹角为20～60度，出水孔41沿金属内套29周向的线密度为1～3孔/10mm，出水孔41的出水口与励磁线圈36半高度水平面的距离为30～80mm；所述的金属内套
29顶面加工有两道油沟槽45，顶面内侧角加工有沿周向均布的渗油缝44，渗油缝44宽度为
0.1～0.5mm，渗油缝44密度为1～3条/10mm；
[0088] 所述的电磁结晶器系统47的介板31为具有良好透磁性能的奥氏体不锈钢材质，与金属内套29连接处加工有密封槽，与底板38连接处加工有螺栓装配孔；所述的底板38和外套39为普通低
碳钢或普通不锈钢材质；所述的外套39由钢管或卷筒焊接制造，在外套39上端附近加工有1～4个排气孔并装配有排气阀32，在外套39半高度处配置1～2个进水管43，进水管43进水方向与外套39表面近似相切；在外套39表面与进水管43呈90度夹角处加工有两个电缆孔；
[0089] 所述的励磁线圈36是用绝缘扁铜线以单一方向缠绕60～150匝而成，绝缘扁铜线横截面规格为(2～4)×(3～10)mm，所用绝缘扁铜线绝缘层为聚酰亚胺漆，绝缘耐热等级满足国家标准的C级，绝缘层击穿电压大于5000V；励磁线圈36定位高度根据需要由定位卡具调节，其中固定上板34为一环状电木板，固定下板37为分别套在紧固螺栓上的高度可调的长方形电木板。
[0090] 进一步地，所述的电磁电源系统48的输入端经隔离变压器与三相电源相连、输出端与电磁结晶器系统47的电磁连接电缆42连接；所述的电磁电源系统48同时与1～4个电磁结晶器系统47连接。当同时铸造两根或两根以上时，把各个电磁结晶器系统47的电磁连接电缆42进行串联之后再与电磁电源系统48连接；
[0091] 所述的电磁电源系统48与电磁结晶器系统47中的励磁线圈36连接，在励磁线圈36上施加直流与连续锯齿叠加波、连续锯齿波或脉冲锯齿波，从而在电磁结晶器系统47中产生感应电磁场，并与熔体相互作用形成的洛伦兹力场，使液穴中的熔体产生如图15的低频电磁脉动震荡对流环流、如图16的连续震荡对流环流、或如图17的连续对流环流，并在电磁结晶器系统47的熔体液面上分别呈现较大波纹的液面50、较小波纹的液面54和基本平静的液面56，经过以上处理的金属熔体逐渐冷却进入糊状区51，直至形成凝固铸锭52，该凝固铸锭即半连续铸造锭坯，具有细晶、均质和低铸造应力的特点。
[0092] 所述的电磁电源系统48实现稳定工作的负载低频电流参数设定范围为：频率f＝1～50Hz，占空比d＝1％～90％，电流强度I＝1～200A。
[0093] 进一步地，所述的移液管A和移液管B的规格为外径2～38mm、壁厚2.5～4mm。
[0094] 如图1-14所示，一种电磁半连续铸造装置的铸造方法，包括以下步骤：
[0095] A、熔炼过程
[0096] A1、按要求组分在坩埚熔炼炉中进行镁合金的熔炼，第一次精炼制度为720～740℃下用熔剂和氩气进行精炼，同时进行搅拌，精炼时间20～30分钟，捞底渣后静置10～15分钟；将熔化完毕并经第一次精炼的熔体移液至坩埚静置炉中。在坩埚熔炼炉和坩埚静置炉的熔化与精炼过程均用熔剂隔离进行保护。从坩埚熔炼炉到坩埚静置炉的移液过程采用导液泵或封闭加压通过移液管A进行移液，其中移液管A在弯头处布置热电偶进行控温，温度710℃；温度波动范围5℃；或用可通过挂钩B57悬挂于吊车上的移液吊包进行移液。移液吊包由带控制手柄59的可自锁塞棒调节机构58、塞棒垂直度定位横杆60和包体61组成，可自锁塞棒调节机构58通过塞棒62与锥体63连接。采用移液吊包移液时，把经预热的移液吊包缓慢浸入坩埚熔炼炉中，待熔体液面接近顶部时，压下可自锁的控制手柄59，锥体63向下压入吊包底锥孔中，封闭移液吊包，之后缓慢吊到坩埚静置炉中，再上压控制手柄59放出熔体。其中，锥孔和锥体63的锥度均为15度；
[0097] A2、在坩埚静置炉中经第二次或第三次精炼处理，第二次精炼制度为720～740℃下用熔剂和氩气进行精炼，同时进行搅拌，精炼时间10～15分钟，捞底渣后静置20分钟；第三次精炼制度为720～740℃下用熔剂和氩气进行精炼，同时进行搅拌，精炼时间10分钟左右，捞底渣；
[0098] A3、在坩埚静置炉中精炼完毕后，进行除铁操作。首先以1～5℃/min降温速度进行静置降温至630～640℃，之后以10～15℃/min升温速度快速升温至670～730℃，即出液铸造；
[0099] A4、通过密封坩埚静置炉并加压的方式把熔体从经预热的移液管B导出；通过控流机构把熔体导入分流装置中，再进入电磁结晶器系统47中。在铸造过程中电磁结晶器系统47的熔体液面均采用N2+1％SF6混合气体进行隔离保护。
[0100] B、铸造过程
[0101] B1、调节好电磁结晶器系统47冷却水流量为15～800L/min并关闭冷却水；
[0102] B2、对中引锭头并调节好其进入金属内套29的高度，并在金属内套29内壁预涂少量润滑油；
[0103] B3、把分流装置置于金属内套29中心轴位置并调节好高度；把移液管B与控流机构连接好，并把移液管B两端与加热电缆连接并开启电源加热至所需温度；移液管B加热控温方式与移液管A相同。
[0104] B4、开启冷却水系统和保护气系统；把电磁电源系统48与电磁结晶器系统47进行连接，根据锭坯规格和合金种类设置好低频电磁参数并开启电磁场，所述的参数包括电磁的频率、占空比和平均电流强度。其优选条件为：电磁频率在4～40Hz，占空比10％～50％，平均电流强度为10～50A；
[0105] B5、开启坩埚静置炉的加压系统并结合压力和控流机构调整压力；待电磁结晶器系统47中的熔体达到规定高度后，开启半连续铸造装置并调节铸造速度至20～260mm/min进行铸造，根据拟制备锭坯的规格大小和合金种类不同，圆锭坯和矩形锭坯的铸造速度分别按图18和图19进行调节，其总体规律是锭坯横截面尺寸越大(即圆锭坯直径D越大或矩形锭坯横截面积W×T越大)，铸造速度越低，矩形锭坯的铸造速度低于等截面圆锭坯的铸造速度；铸造过程中开启并调节置于金属内套29上端的供油系统26，为金属内套29与金属液接触面提供润滑，直至铸造完毕；
[0106] B6、铸造毛坯经锯床定尺，圆铸锭经车床车削，扁铸锭经铣床铣面后即为成品。
[0107] 下面结合实施例对本发明作进一步地说明。
[0108] 实施例1
[0109] 如图1所示，按AZ31B组分要求在坩埚熔炼炉中添加镁锭和铝锭，设置熔炼温度700℃，待完全熔化后加入锌锭，升温至720℃，添加MnCl2，在730℃下用RJ2熔剂和氩气进行搅拌精炼，精炼时间20分钟，捞底渣后静置15分钟；通过加压方式移液至坩埚静置炉中，在740℃进行第二次精炼处理，精炼时间10分钟，之后40分钟降温至640℃后，25分钟升温至700℃温度；然后通过密封静置炉并加压的方式把熔体从经预热的移液管B导出，在N2+1％SF6混合气体下通过控流机构把熔体导入分流装置中，再进入330mm电磁结晶器系统中，控制铸造速度为60mm/min，水量为300L/min，铸造温度为700C，直至铸造完毕。
[0110] 按图20所示位置由边及里取A(边部)、C(1/2R)和E(心部)三个试样进行观察，并根据组织特点进行区域划分，并采用IPP
图像分析软件进行金相分析。
[0111] 其宏观组织如图21所示，不同部位的晶粒尺寸部分如图22所示。可见，锭坯中由外及里明显分成表面很薄的剧冷细晶区、柱状晶区、等轴粗晶区和等轴细晶区，锭坯晶粒尺寸都很粗大，柱状晶区很宽，最大晶粒尺寸达到1700m以上，边部与中心部位组织差别巨大。
[0112] 实施例2
[0113] 方法同实施例1，不同点在于：
[0114] (1)在720℃进行第二次精炼处理，精炼时间15分钟；又在在730℃进行第三次精炼处理，精炼时间10分钟；
[0115] (2)除铁过程为：35分钟降温至630℃后，30分钟升温至705℃温度；
[0116] (3)铸造过程中施加电磁场，条件为：频率f＝4Hz，平均电流I＝20A，占空比d＝10％。
[0117] 其宏观组织如图23所示，不同部位的晶粒尺寸部分如图24所示。可见，同实施例1相比，锭坯中由外及里明显分成表面很薄的剧冷细晶区、柱状晶区和等轴细晶区组成，柱状晶区尽管所有变宽，但等轴粗晶区消失，各个区域的平均晶粒尺寸均显著减小，且不同部位的晶粒尺寸差别明显减小。
[0118] 实施例3
[0119] 方法同实施例1，不同点在于：
[0120] (1)在730℃进行第二次精炼处理，精炼时间20分钟；
[0121] (2)除铁过程为：40分钟降温至630℃后，25分钟升温至700℃温度；
[0122] (3)分流装置截面为180mm×120mm的带下凹底的矩形槽；
[0123] (4)铸造结晶器为322mm×218mm的矩形结晶器中，控制铸造速度为52mm/min，水量为400L/min，铸造温度为700C；
[0124] (5)铸造过程中施加电磁场，条件为：频率f＝4Hz，平均电流I＝40A，占空比d＝20％。
[0125] 其宏观组织如图25所示，不同部位的晶粒尺寸部分如图26所示。可见，同实施例1相比，锭坯中由外及里明显分成表面很薄的剧冷细晶区、柱状晶区和等轴细晶区组成，柱状晶区变窄，但等轴粗晶区消失，各个区域的平均晶粒尺寸均显著减小，且不同部位的晶粒尺寸差别明显减小。
[0126] 实施例4
[0127] 方法同实施例1，不同点在于：
[0128] (1)在730℃进行第二次精炼处理，精炼时间20分钟；
[0129] (2)除铁过程为：40分钟降温至630℃后，25分钟升温至700℃温度；
[0130] (3)铸造过程中施加电磁场，条件为：频率f＝8Hz，平均电流I＝30A，占空比d＝20％。
[0131] 其宏观组织如图27所示，不同部位的晶粒尺寸部分如图28所示。可见，同实施例1相比，锭坯中由外及里明显分成表面很薄的剧冷细晶区、柱状晶区和等轴细晶区组成，柱状晶区变窄，但等轴粗晶区消失，各个区域的平均晶粒尺寸均显著减小，且不同部位的晶粒尺寸差别明显减小。
[0132] 实施例5
[0133] 方法同实施例1，不同点在于：
[0134] (1)在740℃进行第二次精炼处理，精炼时间20分钟；
[0135] (2)除铁过程为：35分钟降温至630℃后，25分钟升温至700℃温度；
[0136] (3)铸造过程中施加电磁场，条件为：频率f＝10Hz，平均电流I＝25A，占空比d＝20％。
[0137] 其宏观组织如图29所示，不同部位的晶粒尺寸部分如图30所示。可见，同实施例1相比，锭坯中由外及里有相同分区，但柱状晶区变窄和等轴粗晶区变得很小，大部分为等轴细晶区，其中的晶粒尺寸由外及里逐渐减小。
[0138] 实施例6
[0139] 方法同实施例1，不同点在于：
[0140] (1)在740℃进行第二次精炼处理，精炼时间20分钟；
[0141] (2)除铁过程为：35分钟降温至630℃后，25分钟升温至700℃温度；
[0142] (3)铸造过程中施加电磁场，条件为：频率f＝15Hz，平均电流I＝40A，占空比d＝40％。
[0143] 其宏观组织如图31所示，不同部位的晶粒尺寸部分如图32所示。可见，同实施例1相比，锭坯晶粒尺寸很小，由外及里明显分成表面很薄的剧冷细晶区、柱状晶区和等轴细晶区组成，柱状晶区即将消失且晶粒非常细小，等轴粗晶区完全消失，且不同部位的晶粒尺寸差别很小。
[0144] 实施例7
[0145] 方法同实施例1，不同点在于：
[0146] (1)在740℃进行第二次精炼处理，精炼时间20分钟；
[0147] (2)除铁过程为：35分钟降温至630℃后，25分钟升温至700℃温度；
[0148] (3)铸造过程中施加电磁场，条件为：频率f＝20Hz，平均电流I＝10A，占空比d＝50％。
[0149] 其宏观组织如图33所示，不同部位的晶粒尺寸部分如图34所示。可见，同实施例1相比，锭坯中由外及里分区没有变化，晶粒优势细化，但不显著，不同部位的晶粒尺寸差别有事减小。
[0150] 实施例8
[0151] 方法同实施例1，不同点在于：
[0152] (1)在740℃进行第二次精炼处理，精炼时间20分钟；
[0153] (2)除铁过程为：35分钟降温至630℃后，25分钟升温至700℃温度；
[0154] (3)铸造过程中施加电磁场，条件为：频率f＝40Hz，平均电流I＝50A，占空比d＝30％。
[0155] 其宏观组织如图35所示，不同部位的晶粒尺寸部分如图36所示。可见，同实施例1相比，锭坯晶粒尺寸很小，由外及里明显分成表面很薄的剧冷细晶区、柱状晶区和等轴细晶区组成，柱状晶区即将消失且晶粒非常细小，等轴粗晶区完全消失，且不同部位的晶粒尺寸差别很小。细化效果与实施例6近似。
[0156] 本发明不局限于本实施例，任何在本发明披露的技术范围内的等同构思或者改变，均列为本发明的保护范围。
