一种磁脉冲半驗铸it^S

所属技术领域

本实用新型属于冶金与金属材料制备技术领域，具体为一种磁脉冲半连续 铸造装置。 背景技术

直接水冷连续铸造技术（Direct chill casting)也称DC铸造法或半连续铸造 法，由德国人Junghaus于1933年研制成功，其基本原理是将金属熔体浇注入由 7乂冷却的结晶器中，当熔体开始凝固成坯壳后，通过牵引装置把其拉出结晶器 并继续喷水冷却，从而得到铸锭。根据锭坯牵引方向不同，又可分为立式连续 铸造和7jC平连续铸造。1935年，ALCOA公司及VLW公司将立式连续铸造方法 应用于铝合金铸造，成为现代铝合錢续铸造生产的开端。DC连续铸造方法生 产效率高，铸造成本低，操作简单，经过多年来的发展和改进，到上世纪70年 代，已经成为工业上广泛采用的有色金属锭坯生产方法。

DC半连续铸造方法生产的铸锭显微组织致密，但是晶粒尺寸比较粗大，组 织不均匀，严重影响半连续铸锭的力学性能和变形性能。当变形坯锭用于进一 步变形加工时，由于半连续铸锭的晶粒不够细小和存在化学成分偏析，使变形 加工抗力增加，变形制品缺陷增加，对变形加工带来不利影响。另外，由于生 产铸锭时强烈冷却在铸锭内部产生很大的内应力，铸锭易产生热裂。由于细化 铸锭晶粒可有效提高铸锭的力学性能和变形性能，因此，对于如何细化半连续 铸锭的晶粒和凝固组织，开展了许多的研究，但是只通过改进半连续铸造过程 中的冷却和铸，度，收效有限。

近年来，在凝固过程中应用电磁场技术得到了快速发展，已成为一种有效 改善凝固组织和性能的方法，在金属静态凝固过程中施加交变磁场、组合电磁 场和脉冲电磁场等，都取得了明显效果，并且尝试在半连续铸造中使用电磁场 控制和改善半连续lff定凝固组织。

国外，前苏联铝合转家Getsdev把交变连续磁场应用于铝合金的DC铸 造，开发了 EMC电磁铸造(Electromagnetic casting)工艺，皿在交变电磁场产生的电磁力约束金属熔体，起到结晶器对熔体的约束和支撑作用，取消了结晶 器，实现了铝合金的无模铸造，可获得了表面光洁的铸锭。这一技术先后被欧 洲、日本、美国以及中国所采用。这一电磁铸造工艺主要以改善铸锭表面为目 标，采用中、高频交变电磁场实现无模铸造，但^X寸铸锭凝固组织的改善有限。

上世纪80年代，法国科学家Vives把50赫兹的工频交流磁场应用于DC 铸造，提出了电磁细晶铸造CREM工艺(Casting, Refining, Electromagnetic)。对

于铝合金圆锭的铸造结果表明，CREM工艺在熔体中产生电磁搅拌和震荡，引 起熔体流动，起到细化晶粒和改善表面质量作用。另外，Vives在半连续铸造1085 和2214铝合金时采用稳直磁场和工频电磁场复合方法，得到了细化组织的效果。 国内东北大学崔建忠等在DC铸造中应用更低频率（<50Hz)的交变电磁场，研 发了低频电磁半连续铸造（LFEC)技术，很好地解决了半连续铸锭的表面质量 问题，并已成功地应用于工业生产中。由于低频电磁场的渗透熔体能力比中高 频电磁场的渗透能力强，可以实现较大尺寸铸锭的细晶铸造，同时提高晶内溶 质含量、减少宏观偏析。但是，尽管交变连续电磁场在半连续铸造中获得成功 应用，但是由于交变电磁场的集肤效应，对于大尺寸铸锭心部组织的细化效果 尚不令人满意。

近年来，脉冲磁场对金属凝固过禾扱凝固组织的作用引起了人们的重视。 对钢铁、铝合金等材料的研究表明，采用脉冲磁场作用于静态凝固过程可有效 地细化凝固组织。东北大学崔建忠等将强脉冲磁场技术应用于LY12铝合金的凝 固过程，显著细化了合金的凝固组织，树枝晶被折断，组织均匀。北京科技大 学苍大强等将强脉冲磁场应用于KS282合金的凝固过程，细化了初晶硅的晶粒 尺寸。上海大学翟启杰等研究了强脉冲磁场作用下纯铝和铸铁的凝固，取得了 显著的细化组织效果。西北工业大学刘林等研究了高能量密度的脉冲磁场下 Al-Cu共晶合金的单向凝固。日本的Tani和美国的Kolesnichenko等将脉冲磁场 应用于钢的连铸过程，可改变弯月面的^l犬，改善铸坯的中心偏析和表面质量。

申请人对于脉冲磁场作用于静态铸造的5开究表明，脉冲磁场作用于熔体产 生强烈的电磁振荡作用， 一方面大幅度提高形核率，另外使晶体生长由柱状晶 转变为等轴晶生长方式，晶粒可以得到显著地细化，并且在铸锭内晶粒尺寸均 匀分布。另外，由于脉冲电磁场对熔体的穿透能力更强，可以实现较大截面铸 锭的细化。实用新型内容

本实用新型的目的在于提供一种可制备均匀细晶铸锭的磁脉冲半连续铸造

装置，实5见半连续^^定凝固组织均匀细化。

本实用新型的技术方案是：

本实用新型将磁脉冲作用应用于半连续铸造过程，细化和改善铸锭凝固组 织，具体如下：

1、 磁脉冲处理熔体半连续铸造装置包括半连续铸造机、脉冲磁场发生装置、 磁脉冲作用系统三部分，半连续铸造机为合金熔炼炉、结晶器、铸坯、引锭装 置、合金熔体构成，磁脉冲作用系统置于结晶器外部，紧贴于结晶器外表面， 磁脉冲作用系统可以为电磁线圈，脉冲磁场发生装置与磁脉冲作用系统相连， 从合金熔炼炉中流出的合金熔体经过结晶器，在脉冲磁场作用下凝固成铸还， 铸坯底部设置引锭装置。

2、 将磁脉冲作用弓l入半连续铸3til程中，当待浇合金熔体浇入结晶器时， 同时开启弓l锭装置和脉冲磁场发生装置，由脉冲磁场发生装置产生电流脉冲， 经过位于结晶器外层的磁脉冲作用系统产生脉冲磁场，作用于结晶器内的合金 熔体。结晶器内的合金熔体经受磁脉冲处理的同时，在结晶體附近形成凝固

坯壳，进而在引锭装置向下牵弓l的过程中继续凝固成铸坯，实现磁脉冲作用下 的合金熔体半连续铸造。合金烙体浇入半连续铸造装置结晶器的瞬间，在型壁 上产生大量的激冷晶核，施加于合金熔体的磁脉冲，对合金熔体产生箍縮和震 荡效应，引起熔体运动，将半连续铸造结晶器型壁上大量晶核冲刷下来，并带 入熔体中，使合金熔体的形核率大大增加；另一方面，由于磁脉冲使熔体产生 运动，使合金熔体内夕卜温度差决速减小，均匀化合金熔^Mit，加上在凝固界 面前沿产生的焦耳热作用，使得晶核的生长受到抑制，生长方式也由柱枝晶生 长变为等轴晶生长，从而使半连续铸锭的凝固组织细化、等轴化，获得均匀的 细晶#1定。

本实用新型实现步骤及工艺参数：

1、半连续铸造机的铸itil度可在30〜170mm/min之间任意调节。根据合 金的种类、浇注温度、磁脉冲参数等，选择合适的半连续铸it3I度（如对于铝 合金时的最佳速度为50〜70mm/min)，并通过调节半连续铸造机引锭装置上的 调速电机的转速，将引锭装置的下拉速度调整为该铸5t3I度。2、 脉冲磁场发生装置的磁脉冲参数可在如下范围内任意调节：脉冲磁场发

生电压为50〜1500V C范围为100〜1000V)，脉冲频率为1〜100Hz (优选 范围为5〜30Hz)，脉冲作用时间为0〜30min (，范围为5〜20min)。根据合 金种类、成分不同，并与半连续铸造工艺参数合理配合，确定磁脉冲参数（根 据合金铸锭的细化效果由实验确定)，并ffiil脉冲磁场发生装置的频率开关和调 压电位器进行相应工作参数的调整。

3、 合金经过配料后，按照合金熔炼制度在熔化炉内进行合金的熔化与精炼， 然后将温度调整到适宜的浇注温度，待浇注。

4、 在浇注前，对合金熔体的流槽、中间包及半连续铸造结晶器进行充分预 热，对于铝镁合金半连续铸造，流槽和中间包预热至600°C，结晶器预热至400〜 600。C。

5、 将合金熔術尧注入结晶器中，启动引锭装置，向下拉出铸坯。浇注的同 时，启动脉冲磁场发生装置，磁脉冲通过置于结晶器外层的电磁线圈作用于合 金熔体。通过调节半连续铸魏度，使之与磁脉冲作用相匹配。

6、 随着合金熔体浇注和拉坯过程的进行，在结晶器的下部拉出半连续细晶 離。

本实用 新型具有以下优点：

① 磁脉冲电压低，操作安全可靠；

② 脉冲间歇工作，能源消耗小，工艺简单、操作方便、易于控制；

③ 磁脉冲作用下，合金熔体运动平稳，熔体表面不会遭到破坏，有效避免 金属的吸气与夹渣，提高产品质量；

④ 脉冲频率可自由调节，使之与铸造速度相匹配，充分发挥磁脉冲作用， 生产大规格细晶锭坯。

⑤ 无污染，组织细化效果显著，适用合金范围宽，可用于镁合金、铝合金 等有色金属及合金。

附图说明

图1是磁脉冲半连续铸造原理示意图；其中，1合金熔炼炉；2结晶器；3 电磁线圈；4铸坯；5弓胺驢；6合金熔体；7脉冲磁场发生装置。图2是脉冲磁场对AZ91D镁合金^I定凝固组织的影响；其中，（a)分别为 脉冲磁场作用下凝固^f定的上部、中部和下部组织；（b)分别为无脉冲磁场凝固 铸锭的上部、中部和下部组织。

图3是脉冲磁场下AZ91D铸锭晶粒尺寸分布；其中，（a)心部纵截面；（b)

中部横截面。 具体实»式

下面结合具体的实施例对本实用新型的实施方式做进一步说明：

如图1所示，本实用新型将磁脉冲作用引入半连续铸itil程中，使结晶器

中的合金熔体在脉冲磁场作用下发生凝固。磁脉冲处理半连续铸造装置包括半 连续铸造机、脉冲磁场发生装置、磁脉冲作用系统（电磁线圈）三部分，半连 续铸造机为合金熔炼炉l、结晶器2、铸坯4、引锭装置5、合金烙体6构成， 自合金烙炼炉1中流出的合金熔体6外侦按装结晶器2，结晶器2夕卜侦股置电磁 线圈3，脉冲磁场发生装置7与电磁线圈3相连，经结晶器2后的合金熔体6 凝固成铸坯4，铸坯4底部设置引锭装置5。电流脉冲由脉冲磁场发生装置7产 生，经过位于结晶器2外层的电磁线圈3产生脉冲磁场，作用于结晶器内的合 金熔体6形成组织均匀细化的铸还4，实现磁脉冲作用下的合金熔体半连续铸 造。本实用新型涉及半连续铸造机和脉冲磁场发生装置，脉冲磁场的参数可自 由调节，不同种类、成分的合金存在着最佳参数范围（根据实验确定)，半连续 铸造机的铸^度为30〜170mm/min，可^壬意调节，并与磁脉冲参数相配M 择最佳铸造速度，磁脉冲作用系统置于半连续铸造结晶器外部，紧贴在结晶器 外表面。

实施例1

将AZ91D^"金在合金熔炼炉内熔化并精炼，在720。C保温20分钟，保 证合金液iUS均匀，待浇注。半连续铸造机的结晶器直径为100mm，按照合金 种类、浇注温度和铸锭直径，选择脉冲磁场参数为脉冲磁场发生电压为200V， 脉冲频率为5Hz，相匹配的半连续铸魏度为90mm/min，分别在脉冲磁场发生 装置和半连续铸造机上设置好参数。在浇注前，对合金熔体的流槽、中间包及 半连续铸造结晶器进行充分烘烤，并使流槽和中间包烘烤至600。C，结晶器烘 烤至400〜600。C。将合金流槽、中间包和结晶器进行烘烤后，开启流槽保护气体和结晶器的冷却水系统，打开镁合金浇注流嘴，开始浇注。同时，启动半连 续铸造机的引锭装置和脉冲磁场发生装置。在浇注过程中，保持中间包内液面 的稳定。当炉内合金熔体浇注完后，关闭镁合金浇注流嘴和脉冲磁场发生装置， 并向系统内继续通入保护气体（如氩气等）直到铸造结束，关闭半连续铸造机。图2是未施加脉冲磁场和施加5Hz、 200V脉冲磁场的直径为IOO薩的 AZ91D镁合金^I定的凑I固组织甜比。由图2可以看出，未加脉冲磁场条{牛下 AZ91Dl^定纵截面心部为粗大树枝晶，上部晶粒尺寸较大，边部和心部晶粒尺 寸变化较大，晶粒尺寸不均匀导致共晶组织分布不均匀。而外加脉冲磁场时， 凝固组织晶粒尺寸减小，纵截面组织均匀，晶粒尺寸大致相同，组织形貌为蔷 薇状，边部和心部晶粒尺寸变化不大，共晶组织分布均匀。图3为AZ91D^I定晶粒尺寸分布，可以看出，无脉冲磁场剝牛下，^f定心 部的晶粒尺寸为140〜476[om，边部和中心晶粒尺寸相差较大，施加脉冲磁场后， IH定的晶粒尺寸为160〜210拜，组织细化且均匀。实施例2将A356铝合金在合金熔炼炉内熔化并精炼，在750。C保温20^H中，保证 合金液，均匀，待浇注。半连续铸造机的结晶器直径为80mm，选择脉冲磁 场参数为脉冲磁场发生电压为200V，脉冲频率为5Hz，相匹配的半连续铸誠 度为50mm/min，分别在脉冲磁场发生装置和半连续铸造机上设置好参数。在浇 注前，将流槽、中间包充分烘烤至600。C。浇注时，开启结晶器的冷却水系统， 打开浇注流嘴，开始浇注，同时启动半连续铸造机的引锭装置和脉冲磁场发生 装置。在浇注过程中，保持中间包内液面的稳定。当炉内合金熔体浇注完后， 关闭浇注流嘴和脉冲磁场发生装置。直到«1从结晶器中拉出，关闭半连续铸 造机，制备成A356铝合金的细晶I^定。实施例结果表明，本实用新型将低压磁脉冲作用凝固应用于半连续铸造中， 提出了磁脉冲处理半连续铸造装置。低压磁脉冲作用于半连续铸造中合金熔体 的凝固过程，不仅可以制备均匀细晶铸锭，显著细化?疑固组织，而且具有无污 染，节约能源，操作简便，降低成本和投资等特点和优点。