[發明專利]復合磁場制備大規格細晶均質鋁合金鑄錠的裝置及方法

有效

• 申請號: 201810366771.0
• 申請日: 2018-04-23
• 公開（公告）號: CN108436047B
• 公開（公告）日: 2019-09-10
• 發明（設計）人: 朱慶豐;劉旭東;左玉波;張恩閣;劉凡正;康延磊
• 申請（專利權）人: 東北大學
• 主分類號: B22D11/115
• 分類號: B22D11/115
• 代理公司: 沈陽東大知識產權代理有限公司 21109
• 代理人: 梁焱

一種復合磁場制備大規格細晶均質鋁合金鑄錠的裝置及方法，裝置包括結晶器、外感應線圈和內感應線圈單元；內感應線圈單元由內感應線圈、導磁套筒和絕熱套組成，導磁套筒內部設有隔板；內感應線圈位于隔板下方的空腔內。方法為：(1)熔煉獲得鋁合金熔體；(2)向結晶器冷卻水套通入冷卻水；對外感應線圈通電；將鋁合金熔體澆入結晶器；(3)通入冷卻介質對內感應線圈進行冷卻；(4)內感應線圈單元插入熔池，對內感應線圈通電，開始鑄造，鋁合金熔體在復合磁場作用下完成鑄造。本發明的裝置及方法有利于獲得組織細小均勻，成分均勻的，熱裂傾向小的高質量鑄錠；進而提高大尺寸鋁合金鑄造速度，改善冶金質量。

技術領域

本發明屬于輕合金鑄造技術領域，特別涉及一種復合磁場制備大規格細晶均質鋁合金鑄錠的裝置及方法。

背景技術

隨著鋁合金在交通運輸、航空航天領域的發展，對材料性能的穩定性和均勻性提出了更高的要求。半連續鑄造是生產鋁合金最重要的方法，具有冷卻強度大，結晶速度快，組織細小，成品率高等優點。但是，在鋁合金DC半連續鑄造過程中，液穴深度大，溫度梯度大，造成組織粗大不均，宏觀偏析嚴重，尤其是在鑄造大規格鋁合金鑄錠時。

在半連續鑄造過程中施加電場、磁場、超聲波、機械攪拌等外場促進或抑制對流可以均勻組織，抑制宏觀偏析。其中，施加電磁場可以獲得優良的微觀組織、降低偏析、避免裂紋和改善鑄錠表面質量的優質鋁合金鑄錠。目前，電磁場在半連續鑄造過程中的應用方式有無模電磁鑄造、細晶電磁鑄造、低頻電磁鑄造等。其中，低頻電磁鑄造工藝是在傳統熱頂鑄造和細晶電磁鑄造工藝基礎上在結晶器周圍設置感應線圈，采用更低的頻率，使得線圈產生的交變磁場滲透能力更強，鑄造過程中的電磁場利用率更高，利用洛倫茲力在熔體中產生強迫對流，均勻了溫度場，結晶在熔體中比較均勻的進行，液穴深度減少，鑄錠組織得到了細化，有效的減少了宏觀偏析，提高了鑄錠質量。

低頻電磁鑄造工藝是東北大學崔建忠等在電磁細晶鑄造工藝基礎上，采用更低的頻率(低于50Hz)，在結晶器周圍布置感應線圈，連續低頻電磁鑄造鋁合金鑄坯的方法；利用低頻電磁場在熔體中滲透率強的特點，制備了不同規格的鋁合金鑄錠。不僅實現了電磁細晶鑄造工藝細化組織，提高表面質量的目的，而且可以大大提高晶內合金元素含量，減弱宏觀偏析，提高鑄錠抗裂紋能力。但由于電磁場的集膚效應特性，即使是低頻電磁場，在金屬熔體中的作用深度也受到限制，特別是在鑄造大尺寸鑄錠時，鑄錠中心位置電磁場強度很弱，邊部的電磁場強度很強，導致其對溫度場和成分場的調控能力受到限制，對鑄錠組織的均勻性控制能力下降。

發明內容

本發明的目的是提供一種復合磁場制備大規格細晶均質鋁合金鑄錠的裝置及方法，在常規鋁合金半連續鑄造裝置基礎上，增加了兩組感應線圈單元，兩組感應線圈產生的電磁場相互補充，使結晶器內整個熔體均在電磁場的作用下，解決鑄錠組織粗大不均，宏觀偏析等技術難題。

本發明的復合磁場制備大規格細晶均質鋁合金鑄錠的裝置包括結晶器、熱頂13、外感應線圈11、內感應線圈單元和引錠8；外感應線圈11位于結晶器冷卻水套10內部；結晶器外套內壁鑲嵌有石墨環12；內感應線圈單元由內感應線圈9、導磁套筒2和絕熱套1組成，導磁套筒2內部設有隔板，隔板上的冷卻介質進口管14和冷卻介質出口管15穿過隔板并與內感應線圈單元的外部連通，用于流通冷卻介質；隔板下方為封閉的空腔，內感應線圈9位于該空腔內；絕熱套1鑲嵌在導磁套筒2外壁，內感應線圈9通過導線與電源的兩極連接。

上述裝置中，內感應線圈9位于工作預設位置時，其底端位于石墨環12上沿上方200mm以下，石墨環12上沿下方150mm以上的范圍內。

上述裝置中，內感應線圈9材質為耐熱銅管或扁銅線，匝數為3～50匝；其中當內感應線圈9材質為耐熱銅管時，冷卻介質進口管14和冷卻介質出口管15與內感應線圈為一體結構。

上述的導磁套筒2的材質為鐵、硅鋼、鐵鋁系合金、鐵鈷系合金、鐵氧體或超導材料。