[發明專利]強剪切與電磁場協同制備大規格均質鑄錠的裝置及方法

有效

• 申請號: 201810366773.X
• 申請日: 2018-04-23
• 公開（公告）號: CN108543921B
• 公開（公告）日: 2020-03-31
• 發明（設計）人: 左玉波;劉旭東;朱慶豐;張恩閣;劉凡正;孔淑萍
• 申請（專利權）人: 東北大學
• 主分類號: B22D11/115
• 分類號: B22D11/115;B22D11/114
• 代理公司: 沈陽東大知識產權代理有限公司 21109
• 代理人: 梁焱

一種強剪切與電磁場協同制備大規格均質鑄錠的裝置及方法，裝置包括結晶器、感應線圈和熔體強剪切單元；熔體強剪切單元的上部為驅動電機，驅動電機下方為定子套筒，驅動電機與連接軸裝配在一起，連接軸底端固定連接剪切葉片，連接軸和剪切葉片位于定子套筒內部。方法為：(1)熔煉獲得鋁合金熔體；(2)抬升引錠到結晶器內石墨環下沿；(3)結晶器冷卻水套內通入冷卻水；感應線圈通入交流電；鋁合金熔體澆入結晶器；(4)將熔體強剪切單元插入熔池，啟動驅動電機，通過剪切作用與電磁場形成復合作用，直至完成鑄造。本發明的裝置及方法保證了熔體溫度場和成分場的均勻性，細化組織，減小中心偏析，提高鑄造速度。

技術領域

本發明屬于輕合金鑄造技術領域，特別涉及一種強剪切與電磁場協同制備大規格均質鑄錠的裝置及方法。

背景技術

隨著交通運輸、航空航天等領域對鋁合金大尺寸產品需求的與日俱增，半連續鑄造鑄錠尺寸不斷增大。然而材料性能的穩定性和性能分布的均勻性嚴重制約了航空輕合金材料的發展。在半連續鑄造大尺寸高強度鋁合金鑄錠時極易產生組織粗大不均勻、宏觀偏析、熱裂、冷裂等缺陷，嚴重制約了材料性能。

在常規半連續鑄造過程中，鑄錠在結晶器和二次冷卻水的作用下由外向內凝固，液穴內存在較大的溫度梯度，特別是在鑄造大尺寸鑄錠時，液穴深度非常大，造成溫度場和成分場極不均勻，導致嚴重的宏觀偏析現象和開裂傾向。此外，很大的液穴深度嚴重限制了鑄造速度，使得冷卻強度降低，造成組織的粗大和不均勻現象。

目前，國內外科研人員針對均勻溫度場和成分場，改善鑄錠的凝固條件，提高鑄錠質量做了大量的研究工作。

在半連續鑄造過程中施加電磁場一方面可以在熔體中產生強對流來促進溫度場和成分場的均勻性，改善鑄錠的凝固行為；另一方面對金屬熔體產生約束作用，是熔體表明形成彎月面，與結晶器的接觸線高度減小從而使得凝固初生坯殼的位置下降，改善了鑄錠的表面質量。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，對鑄錠橫截面組織的均勻性控制能力下降。

機械攪拌雖然可以非常好的的均勻溫度場和成分場，但是機械攪拌產生的漩渦會引起夾雜、裹氣等缺陷；定子套筒和剪切葉片組成的熔體強剪切裝置不同于一般的機械攪拌裝置，其熔體處理方式是將熔體從底部吸入，然后從定子套筒上的開孔上噴出，在熔體中形成強迫對流，同時使得即便在很高的轉速條件也可以使得液面保持平穩，不產生漩渦；但熔體強剪切單元對周圍熔體具有一定的冷卻作用，尤其是在結晶器熔體液面位置，同時熔體對熔體強剪切單元具有一定的腐蝕作用，不利于鑄錠冶金質量的提高。

專利CN104117645A提出了一種剪切、磁場復合作用下的輕合金半連鑄裝置及方法，利用電磁場和熔體剪切的互補性，充分均勻了結晶器內熔體的溫度場和成分場，在一定程度上解決了現有技術制備大尺寸高強鋁合金時組織粗大不均勻、偏析嚴重、易開裂等缺陷的技術難題。在該技術的基礎上，對感應線圈的位置布置和熔體強剪切單元進行了改進。將感應線圈設置在結晶器冷卻水箱內部；定子套筒設計為上部絕熱端，下部開孔端，絕熱端外鑲有不與鋁熔體反應的耐高溫絕熱材料。實現對DC鑄造整個熔池的較強作用，進而提高大尺寸鋁合金DC鑄造速度，改善大尺寸鋁合金DC鑄錠的冶金質量，同時避免了熔體強剪切單元對熔體的冷卻作用和熔體對熔體強剪切單元的腐蝕作用。

發明內容

針對大尺寸鋁合金鑄錠鑄造過程易開裂，鑄造速度低，嚴重限制了生產率；同時鑄錠的宏觀偏析嚴重，組織粗大且均勻性差，制約了材料性能的穩定性和性能分布的均勻性等問題。本發明提供一種強剪切與電磁場協同制備大規格均質鑄錠的裝置及方法，利用電磁場和熔體強剪切的互補性，充分均勻結晶器內熔體的溫度場和成分場，解決現有技術制備大尺寸高強鋁合金時組織粗大、偏析嚴重、易開裂等缺陷的技術難題。