[發明專利]一種施加組頻超聲進行鎂合金半連續鑄造的裝置及方法

有效

• 申請號: 201910654927.X
• 申請日: 2019-07-19
• 公開（公告）號: CN110216251B
• 公開（公告）日: 2021-02-26
• 發明（設計）人: 樂啟熾;寧少晨;陳星瑞;程春龍;寧方坤;王航
• 申請（專利權）人: 東北大學
• 主分類號: B22D11/114
• 分類號: B22D11/114;B22D41/00
• 代理公司: 沈陽東大知識產權代理有限公司 21109
• 代理人: 梁焱

一種施加組頻超聲進行鎂合金半連續鑄造的裝置及方法，包括中間包，中間包側壁或底板上固定有第一超聲發生裝置，中間包內設有第二超聲發生裝置，兩個超聲發生裝置的超聲輻射桿前端面位于中間包內；方法為：(1)熔煉鎂合金熔體；(2)中間包、移液管和兩個超聲輻射桿預熱；(3)精煉后的鎂合金熔體輸送到中間包；開啟兩個超聲發生器，通過兩個超聲輻射桿發射超聲波，形成組頻超聲波施加到鎂合金熔體；(4)開啟結晶器；(5)組頻超聲波施加完成后，開啟控流閥，鎂合金熔體進入結晶器內進行半連續鑄造。本發明的裝置及方法實現熔體中聲波的非線性疊加，解決頻率飄移、聲壓衰減等問題所帶來的局限性，使空化作用范圍增強，空化強度提高。

技術領域

本發明屬于輕合金冶煉領域，特別涉及一種施加組頻超聲進行鎂合金半連續鑄造的裝置及方法。

背景技術

鎂合金作為最輕的結構金屬材料，廣泛應用于3C、航空航天、及高鐵動車領域，具有比強度高、比模量高、減震性能好等優點；但由于鎂合金低熱容、低凝固潛熱引起的枝晶發達、偏析嚴重及鑄錠強度低等缺陷，造成其加工成形性差，限制了鎂合金應用范圍的拓廣，因此，高強細晶均質鎂合金鑄錠成為鎂合金領域研究熱點。

半連續鑄造方法以其效率高、生產成本低成為鎂合金鑄錠生產的主要方式，但于鎂合金導熱速率低，使得鑄錠中心與邊部溫差大、枝晶發達及組織不均勻。

早期的細晶技術有加Zr變質法、加碳變質法、添加中間合金變質法，但由于其對合金成分要求嚴格，因而應用變質細化劑的方法受到限制；近年來，施加電磁場改變凝固行為的技術已得到飛速發展，自20世紀60年代前蘇聯Getselev在DC半連續鑄造的基礎上施加勵磁線圈以來，電磁鑄造工藝不斷發展；東北大學開發的低頻電磁半連續鑄造取得一定進展。但施加電磁場存在趨膚效應使得作用區域局限且攪拌強度低，難以改善大規格鑄錠組織及性能。

超聲場作為一種行程短、效率高及穩定性強的機械波，已應用于有色金屬冶煉領域以提升鑄錠質量；目前，大多數學者認為超聲場產生的空化效應及聲流效應能促進形核達到細化晶粒的目的；其中，上海大學(2004年)發明一種側部功率超聲導入方法改善金屬凝固組織；清華大學(2008年)發明了一種頂部導入超聲處理裝置，可細化晶粒尺寸及均勻成分；目前絕大多數鑄造設備以單頻超聲為主，但由于超聲波在熔體中共振頻率不穩定、衰減嚴重等缺陷，使得超聲空化范圍僅局限于輻射桿端面附近，僅適用于小規格鑄錠生產；由于單一超聲場的聲波疊加效果有限，造成空化強度受限，因此組合頻率超聲場通過控制兩列聲波的頻率、組頻超聲插入方式、超聲波功率大小以增加熔體中聲波耦合強度，從而在半連續鑄造中得到高強、細晶、均質的鎂合金鑄錠。

發明內容

本發明目的在于提供一種施加組頻超聲進行鎂合金半連續鑄造的裝置及方法，采用兩個超聲發生裝置，通過引入組頻超聲場，改變超聲輻射桿的插入方式，調整超聲頻率、功率，實現聲波的耦合疊加，增強空化及聲流作用，改善鎂合金組織，提升鑄錠質量。

本發明的施加組頻超聲進行鎂合金半連續鑄造的裝置包括熔煉爐、中間包和結晶器，熔煉爐和中間包之間設有移液管，中間包和結晶器之間設有溜槽；結晶器頂部設有保護氣環形管，保護氣環形管的內部通過管道與保護氣源連通，保護氣環形管上設有出氣孔，出氣孔朝向結晶器軸線方向；其中中間包的側壁或底板上固定有第一超聲發生裝置，并且中間包內設有第二超聲發生裝置，第一超聲發生裝置由第一超聲輻射桿、第一超聲波導桿和第一超聲換能器組成，第二超聲發生裝置由第二超聲輻射桿、第二超聲波導桿和第二超聲換能器組成，第一超聲換能器和第二超聲換能器分別連接第一超聲發生器和第二超聲發生器；第一超聲輻射桿和第二超聲輻射桿的前端面均位于中間包內部，第一超聲輻射桿位于第二超聲輻射桿的下方；當中間包的側壁上固定有第一超聲發生裝置時，第一超聲輻射桿與第二超聲輻射桿的軸線垂直；當中間包的底板上固定有第一超聲發生裝置時，第一超聲輻射桿與第二超聲輻射桿的軸線重合；第二換能器固定在滑塊上，滑塊套在橫梁外，橫梁與升降裝置裝配在一起；滑塊、橫梁、升降裝置組成超聲支撐裝置。