抑制镁合金锭坯开裂的半连续铸造结晶器及其使用方法技术

抑制镁合金锭坯开裂的半连续铸造结晶器及其使用方法，属于铸造技术领域，结晶器包括内套、保温层、冷却水箱、励磁线圈和结晶器外壳，保温层设置在内套的内壁的上方，或设置在外壁的上方，或同时设置在内壁和外壁的上方；内保温层嵌入内套并粘接在内壁上，外保温层嵌入内套并粘接在内套外壁上；使用方法为：（1）将引锭上升到结晶器内；（2）开启冷却水并在励磁线圈中通入交流电；（3）通过励磁线圈产生的洛伦兹力对镁合金熔体进行搅拌；（4）当形成稳定的凝固壳后开启铸造机，将锭坯拉出结晶器。本发明专利技术设计的方法与设备合理，可有效的降低易裂合金锭坯及大规格扁坯和圆坯在半连续铸造过程中的裂纹倾向。

【技术实现步骤摘要】
抑制镁合金锭坯开裂的半连续铸造结晶器及其使用方法
本专利技术属于铸造
，特别涉及一种抑制镁合金锭坯开裂的半连续铸造结晶器及其使用方法。
技术介绍
变形镁合金是镁合金工业应用的重要方面，一般来说，镁合金的型材、板材和锻件均采用所制备变形用的扁坯或圆坯通过挤压、轧制或锻造，挤压或板材轧制等塑性变形工艺方法生产，因此，扁坯或圆坯制备是变形镁合金变形材生产的前提。直接水冷铸造（即半连续铸造）方法是广泛应用于有色金属锭坯铸造的技术方法；目前，变形镁合金锭坯的制备也均采用此方法；与铝相比，镁及其合金的单位体积比热、熔化热和热导率分别约为铝的70%，95%和20~65％，导温系数只有铝的28~93%。在铸造过程中，镁合金因低体积比热和低熔化热而使与模壁接触的部位极易因散热而降温剧烈，而远离模壁部位则因低导温能力而难以把热量传递到降温剧烈的边部，所以，镁合金铸造凝固方向上的高温度梯度特点造成镁合金凝固一般均存在较大的铸造内应力；因此，降低铸造内应力，抑制铸造裂纹的产生是镁合金铸造的重要课题，其中，在采用半连续铸造工艺生产大规格镁合金锭坯或铸造裂纹倾向严重的镁合金锭坯时，抑制沿铸造方向的中心裂纹或边部裂纹是工艺控制主要考虑的因素之一。专利CN101020229、CN101239371和CN1460567等技术通过在镁合金半连续铸造过程中施加电磁场、超声场及其组合等外场，并结合铸造速度与铸造温度的调整，可以显著细化镁合金锭坯的凝固组织和抑制宏观偏析，同时也有明显的抑制热裂的效果，并在国内大多数镁合金锭坯制备企业实现了推广应用；不过，以上技术在热裂倾向特别严重的高稀土镁合金和ZK60锭坯制备时，或者在一般AZ系工业镁合金的特大规格圆坯或大宽厚比的扁坯时，其抑制热裂的作用效果受到限制。稀土可以显著提高镁合金的强度和耐热性，同时也显著提高镁合金熔体的阻燃特性，因此，具有高强高韧和高温耐热性特性的高稀土合金化镁合金近年来受到高度关注，并也在新型合金开发方面得到显著进展，并在航空航天、军事工业等领域中的承力件制造方面具有潜在的重要应用，但目前该类合金实际应用一般只能用金属模浇铸的方式制备变形坯料，无法保证冶金质量，极易造成铸造缺陷。由于该系合金的严重热裂甚至冷裂趋势，在采用传统直接水冷的半连续铸造方法制备时，可以通过降低二冷水量来降低热裂趋势，但效果有限，因此对稀土总量大于10wt%的该类镁合金，难以得到直径或厚度大于200mm的半连续铸造圆锭坯或扁锭坯。采用上述专利所述的电磁铸造方法所形成的强制对流作用可以降低温度梯度，从而实现直径或厚度大于200~250mm的锭坯的铸造，但对于更大规格锭坯仍然存在一定难度，即难以保证每个炉次均无热裂发生。由于高稀土镁合金高昂的原材料成本，难以在民用工业中得到推广应用，因此，目前针对民用目标的新型高强镁合金开发大多是非高稀土合金化的Mg-Zn系合金的开发，并也已有一系列重要进展，如Mg-Zn-Cu-X系的ZC43X，Mg-Zn-Ca-Zr系的ZC33等，Mg-Zn-Mn系的ZM61，和Mg-Zn-Y-Zr系的MB25和MB26等；然而，与ZK60镁合金相似，ZC43X和ZC33等合金也均有较严重的中心铸造裂纹倾向，而ZM61、MB25和MB26等则有严重的边部显微径向裂纹倾向。目前，这类合金只能铸造圆坯，扁坯几乎难以铸造。另外，由于热裂倾向较小的AZ系镁合金，如AZ31、AZ61、AZ80和AZ91等工业牌号镁合金，其圆锭坯大多数可采用传统半连续铸造方法生产，且采用电磁铸造方法已经实现了直接达到800mm的圆锭坯铸造；但由于扁锭传热与凝固的非轴对称特点，铸造应力大，其大规格扁坯铸造也存在明显的裂纹倾向。镁合金半连续铸造主要有两种方法：热顶结晶器铸造和金属内套结晶器铸造；热顶铸造是借鉴铝合金半连续铸造而形成的技术方法，但由于镁合金熔体在高温时对硅酸铝材质的保温帽（热顶）具有高反应性，因此，保温帽难以完全避免因与镁熔体的反应（特别是在发生局部燃烧时），而形成蚀坑，不仅污染熔体，而且难以保证铸造的连续进行，因此，没有得到工业化应用；金属内套结构结晶器是镁合金半连续铸造的主要方法，但内套材质经历了铜及其合金到锻铝合金的发展过程；目前广泛采用的镁合金低频电磁铸造方法均采用锻铝合金材质内套，不仅有利于减小电磁的趋肤效应，提高电磁作用效果，而且也有比铜材低得多的冷却强度，但与热顶相比，其一冷强度仍然很高。大量理论与实践均表明，降低铸造冷却速率均有明显抑制热裂和冷裂的效果；降低金属熔体完全凝固之前的冷却速率，特别是在高固相分数时，低冷却速率，具有明显降低应力集中形成程度与形成速率的效果；而降低完全凝固之后的冷却速率则对高冷裂倾向的合金有效；例如，冷裂趋势严重的7XXX高强铝合金锭坯的铸造，往往通过降低二冷而辅之于低强度三冷的方法来抑制冷裂，或者采用橡胶挡水板或气刀的方式使通过二冷形成凝壳之后，使铸锭回热以达到在线自退火来实现铸造内应力的释放，避免冷裂发生。大多数镁合金铸造均易于发生热裂，只有在严重高合金化的镁合金才会有冷裂发生，但就如高稀土镁合金一样，尽管也有明显冷裂倾向，但热裂仍然是最主要。然而，目前镁合金半连续铸造从工艺技术上抑制热裂的方法却仍然主要借用了铝合金锭坯铸造抑制冷裂的方法，如降低二冷水强度等方法，而对镁合金凝固热裂具有重要影响的一冷条件的控制并没有引起足够的重视。
技术实现思路
针对现有半连续铸造生产镁合金技术存在的上述问题，本专利技术提供一种抑制镁合金锭坯开裂的半连续铸造结晶器及其使用方法，通过设置结晶器的金属内套及保温层，在连铸过程中以一冷调控为主并与二冷协调，抑制镁合金热裂以及冷裂，提高高稀土镁合金等镁合金以及大规格锭坯的质量和成材率。本专利技术的抑制镁合金锭坯开裂的半连续铸造结晶器包括内套、保温层、冷却水箱、励磁线圈和结晶器外壳，保温层设置在内套的内壁的上方，或设置在外壁的上方，或同时设置在内壁和外壁的上方；设置在外壁的上方的保温层为外保温层，其顶端与内套的顶板底面连接，外保温层的高度为内套高度的50~80%；设置在内壁上方的保温层为内保温层，其顶端与内套顶面同高，内保温层的高度为内套高度的50~80%；内保温层嵌入内套并粘接在内壁上，嵌入深度为内套侧壁厚度的20~40%；外保温层嵌入内套并粘接在内套外壁上，嵌入深度为内套侧壁厚度的20~40%。上述的内套的材质为铝合金、不锈钢或铜合金。上述的内保温层的材质选用陶瓷纤维纸，且陶瓷纤维纸表面接触熔体的一侧涂覆有耐高温涂料，耐高温涂料选用氮化硼涂料、碳化硼涂料或二硫化钼涂料。上述的内保温层的内侧面延伸出内套内壁表面5~10mm，且内保温层的底面与内套内壁之间设有过渡带，过渡带由脂肪酸甘油酯和滑石粉按重量比1:（1~5）混合制成；过渡带的顶面与内保温层的底面粘接，过渡带的直侧面与内套的内壁粘接，过渡带的斜侧面与内套内壁的夹角在30º~60º。上述的外保温层的材质为橡胶或塑料。上述的保温层与内套粘接是采用和粘合剂进行粘接，所述的粘合剂是采用含羟基纤维素钠、淀粉和水混合制成，其中含羟基纤维素钠占总重量的15~25%，淀粉占重量的15~25%。本专利技术的方法包括以下步骤：1、采用抑制镁合金锭坯开裂的半连续铸造结晶器，对镁合金进行半连续铸造，首先将引本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种抑制镁合金锭坯开裂的半连续铸造结晶器，其特征在于包括内套、保温层、冷却水箱、励磁线圈和结晶器外壳，保温层设置在内套的内壁的上方，或设置在外壁的上方，或同时设置在内壁和外壁的上方；设置在外壁的上方的保温层为外保温层，其顶端与内套的顶板底面连接，外保温层的高度为内套高度的50~80%；设置在内壁上方的保温层为内保温层，其顶端与内套顶面同高，内保温层的高度为内套高度的50~80%；内保温层嵌入内套并粘接在内壁上，嵌入深度为内套侧壁厚度的20~40%；外保温层嵌入内套并粘接在内套外壁上，嵌入深度为内套侧壁厚度的20~40%。

【技术特征摘要】
1.一种抑制镁合金锭坯开裂的半连续铸造结晶器，其特征在于包括内套、保温层、冷却水箱、励磁线圈和结晶器外壳，保温层设置在内套的内壁的上方，或设置在外壁的上方，或同时设置在内壁和外壁的上方；设置在外壁的上方的保温层为外保温层，其顶端与内套的顶板底面连接，外保温层的高度为内套高度的50~80%；设置在内壁上方的保温层为内保温层，其顶端与内套顶面同高，内保温层的高度为内套高度的50~80%；内保温层嵌入内套并粘接在内壁上，嵌入深度为内套侧壁厚度的20~40%；外保温层嵌入内套并粘接在内套外壁上，嵌入深度为内套侧壁厚度的20~40%；所述的内保温层的内侧面延伸出内套内壁表面5~10mm，且内保温层的底面与内套内壁之间设有过渡带，过渡带由脂肪酸甘油酯和滑石粉按重量比1:（1~5）混合制成；过渡带的顶面与内保温层的底面粘接，过渡带的直侧面与内套的内壁粘接，过渡带的斜侧面与内套内壁的夹角在30º~60º。2.根据权利要求1所述的抑制镁合金锭坯开裂的半连续铸造结晶器，其特征在于所述的内保温层的材质选用陶瓷纤维纸，且陶瓷纤维纸表面接触熔体的一侧涂覆有耐高温涂料，耐高温涂料选用氮化硼涂料、碳化硼涂料或二硫化钼涂料。3.根据权利要求1所述的抑制镁...

【专利技术属性】
技术研发人员：胡文义，乐启炽，张志强，宝磊，柏媛媛，
申请(专利权)人：东北大学，
类型：发明
国别省市：辽宁;21