一种高活性合金气冷半连续铸造系统及方法技术方案

一种高活性合金气冷半连续铸造系统及方法，所述系统包括水冷结晶器、喷气装置、气体冷却装置、气罐和铸造装置，其中水冷结晶器位于喷气装置上方；喷气装置由喷气环、喷气嘴和导风板组成；喷气装置依次与气体冷却装置和气罐连接。所述方法的工艺步骤为：（1）检查系统密闭性和通畅性，调节喷气嘴角度；（2）将引锭伸入水冷结晶器内；将合金熔体导流到型腔内部，开启铸造机，调节铸造速度，并控制冷却气体的温度及调节气体流速；（3）当锭坯长度达到要求后，首先停止熔体供应，待水冷结晶器内部的熔体逐渐冷却并凝固后，关闭流量控制阀，待锭坯的上表面下降到二冷喷气装置以下，移走水冷结晶器和二冷喷气装置，吊出金属锭坯，铸造结束。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于冶金
，具体涉及一种高活性合金气冷半连续铸造系统及方法。
技术介绍
半连续铸造是生产有色金属圆坯和板坯的主要方法，在生产过程中将熔炼完毕的金属熔体浇铸到由引锭和结晶器构成的型腔当中，待四周形成稳定的凝固壳后，锭坯随着引锭向下移动，结晶器上方同时浇入金属熔体，露出结晶器的锭坯表面受到冷却水的冲击而迅速降温，在结晶器内壁和冷却水冲击的双重冷却作用下，锭坯逐渐凝固并不断拉出结晶器，成为截面形状和尺寸与结晶器内套相一致的板坯或圆坯。通过该方法生产的锭坯具有成品率高、质量稳定、缺陷少，生产效率高，易于控制等优点。半连续铸造主要有两次冷却过程，一次冷却为熔体接触结晶器内壁形成凝固壳，二次冷却为冷却水冲击锭坯表面带走大量的过热和潜热，使锭坯进一步降温凝固。锭坯经一次冷却后表面温度较高，当二冷阶段的冷却水直接冲刷在高温锭坯表面，易在锭坯表面形成氧化。铸造速度越高，出结晶器时锭坯表面温度越高，发生的氧化反应越剧烈。当熔铸镁合金时，铸造速度过高时，锭坯表面会形成灰黑色结疤，这是由高温时镁与冷却水直接接触后发生反应生成。因此，该方法主要用于生产高温时与水反应较弱或不与水发生反应的金属。镁合金是目前最轻的工程材料，其合金中常用合金元素密度均大于纯镁的密度，且提高合金元素含量时其塑性将显著下降。因此，大部分合金元素添加后，提高了镁合金强度的同时牺牲了其低密度特性和塑性。但在镁合金所使用的合金元素中，锂有着与众不同的优点，其单质密度低于镁，镁锂合金是目前金属结构材料中唯一低于镁基体密度的合金体系。镁锂合金除密度低外，还有其他的诸多优点，锂在镁中的含量达到7.5%（质量分数，下同）时，在其凝固过程中发生共晶转变，可以形成以镁为基的α相和以锂为基的β相，当锂含量大于10.7%时，合金全部由β相构成，其中α相为hcp结构，β相为bcc结构，同hcp结构相比，bcc结构具有更多的滑移系，因此该结构的合金具有更好的延展性，更加易于变形。尽管镁锂合金拥有以上优点，但其无法同其他常用镁合金一样进行直接水冷半连续铸造，原因为以下两点：其一刚凝固后的镁锂合金锭坯表面温度较高，与水接触时，合金表面的以单质或化合物形式存在的锂元素将迅速与水反应：2Li+2H2O=2LiOH+H2↑，该反应放出氢气和热量，极易引发进一步的剧烈反应甚至引起爆炸；其二镁锂合金在进行水冷时会发生严重的脱锂现象，导致合金中锂流失及锂分布不均匀。目前，镁锂合金因其优异的性能受到更多人的关注，其应用范围也在不断拓宽，市场对于大规格的挤压型材或板材的需求也在逐渐增大，而现阶段镁锂合金的产品除通过模铸和压铸的方式生产，还无法获得用于挤压及轧制的优质圆坯或板坯。在钢铁连铸过程中，为保证钢液的冶金质量需要对高温钢液进行精炼，该过程中普遍采用的是钢包喂丝工艺，其中喂钙丝技术作为一种经济有效方法，已在世界范围内得到广泛认可。目前钙丝主要是先通过模铸方法制备圆柱形锭坯，再挤压成丝，模铸过程中的卷渣、气孔、缩孔等缺陷直接影响着最终产品质量，进而影响钢锭质量，因此提高挤压用钙锭坯的质量是控制最终产品质量的首要问题。若采用半连铸铸造的方法生产钙合金挤压用锭坯可以显著提高锭坯质量和生产效率，但是由于钙及其合金的活性较高，常温下与水接触极易生成氢氧化钙和氢气（Ca+2H2O=Ca(OH)2+H2↑），尤其当刚刚凝固的钙受到冷却水冲击的时候，这种反应更加剧烈，反应速度快，放出大量的氢气，扩散到周围的气体中，极易引起铸造现场爆炸。因此，类似于镁锂合金和钙合金之类的高活性合金无法利用传统的直接水冷半连续铸造方法生产，而采用模铸的方法，在生产效率、产品质量和经济成本上均无法达到工业生产的正常需要，急需一种新的方法来生产这种类似于镁锂合金和钙合金的高活性合金锭坯。针对这一问题，国外科研工作者进行了一定程度的尝试，专利US4709470中将有机冷却剂用于生产镁锂和铝锂合金，所使用的有机冷却剂包括乙二醇、丙三醇和植物油等，并在该专利中测定了所采用的有机冷却剂的换热效率，但是所采用的有机冷却剂具有一定的毒性或易燃性，冲击到高温锭坯表面时易喷溅和挥发，多次使用会对操作人员的身体和周围环境造成危害，因此该方法虽然在理论上可行，但是在实际生产过程中并未得到应用。
技术实现思路
针对现有技术存在的问题，本专利技术提供一种高活性合金气冷半连续铸造系统及方法。所述铸造装置及方法在半连续铸造的一冷区域采用高导热效率的水冷结晶器，二冷区域采用冷却气体直喷锭坯表面降温，可以高效生产出镁锂合金和钙合金等高温时不能接触冷却水的高活性合金铸锭，是一种全新有效的锭坯生产方式。本专利技术的技术方案如下：一种高活性合金气冷半连续铸造系统，包括水冷结晶器、喷气装置、气体冷却装置、气罐和铸造装置，其中水冷结晶器位于喷气装置上方；喷气装置由喷气环、喷气嘴和导风板组成，喷气嘴布置在喷气环上，导风板位于喷气嘴正下方，起导流作用，使气体沿锭坯表面向下流动；喷气装置依次与气体冷却装置和气罐连接。上述系统中，所述水冷结晶器内设冷却水箱，并分别设置有进水口和出水口，其内套由导热性较好的铜合金、不锈钢或铝合金制成。上述系统中，还可设置电磁搅拌设备，则所述水冷结晶器采用开缝式结晶器。上述系统中，所述喷气嘴为角度可调节喷气嘴，其数量根据生产过程的实际需要设定，其出气口距离锭坯表面3~50mm。上述系统中，所述气体冷却装置主要包括制冷器，优选涡流冷却的制冷器。上述系统中，所述喷气装置与气体冷却装置之间装有流量控制阀，用于控制进入气体冷却装置的气压及气体流量，进而控制二次冷却的冷却强度。一种高活性合金气冷半连续铸造方法是采用上述系统，按照以下工艺步骤进行：（1）先检查上述系统中所有管路的密闭性和通畅性，调节喷气嘴角度与水平方向的夹角为30°~90°；（2）将铸造系统的引锭伸入水冷结晶器内，探入水冷结晶器内的高度为5~20mm，除去结晶器内壁和引锭上表面的水及潮气，用干燥的石棉绳封堵引锭与结晶器内壁之间的缝隙；将已经熔炼完毕的合金熔体在气体保护下导流到水冷结晶器与引锭形成的型腔内部，待熔体达到型腔高度的50~80%，开启铸造机，调节铸造速度，控制冷却气体的温度在10~-50℃，调节流量控制阀使气体流速在50~3000L/min；（3）当锭坯长度达到要求后，首先停止熔体供应，待水冷结晶器内部的熔体在一冷及二冷共同作用下逐渐冷却并凝固后，关闭流量控制阀，让锭坯继续随着引锭下降直到上表面下降到二冷喷气装置以下，移走水冷结晶器和二冷喷气装置，吊出已经完全凝固的金属锭坯，铸造结束。上述方法中，喷气嘴角度调节范围为30°~90°可防止气体将引锭和结晶器内套之间的石棉绳吹出。上述方法中，气罐中存储的气体用于冷却锭坯，必须为不与高活性合金发生反应的气体，从经济性出发优选空气。上述方法中，保护气体为不与高活性合金发生反应的气体，优选二氧化碳和六氟化硫的混合气。上述方法中，铸造速度根据铸锭的尺寸和规格指定。本专利技术的优点和有益效果在于：本专利技术在一冷区域采用高导热率的金属制内套，可以提高半连本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种高活性合金气冷半连续铸造系统，其特征在于包括水冷结晶器、喷气装置、气体冷却装置、气罐和铸造装置，其中水冷结晶器位于喷气装置上方；喷气装置由喷气环、喷气嘴和导风板组成，喷气嘴布置在喷气环上，导风板位于喷气嘴正下方；喷气装置依次与气体冷却装置和气罐连接。

【技术特征摘要】
1.一种高活性合金气冷半连续铸造系统，其特征在于包括水冷结晶器、喷气装置、气体冷却装置、气罐和铸造装置，其中水冷结晶器位于喷气装置上方；喷气装置由喷气环、喷气嘴和导风板组成，喷气嘴布置在喷气环上，导风板位于喷气嘴正下方；喷气装置依次与气体冷却装置和气罐连接。
2.根据权利要求1所述的一种高活性合金气冷半连续铸造系统，其特征在于所述水冷结晶器内设冷却水箱，并分别设置有进水口和出水口，其内套由导热性较好的铜合金、不锈钢或铝合金制成。
3.根据权利要求2所述的一种高活性合金气冷半连续铸造系统，其特征在于所述喷气嘴为角度可调节喷气嘴，其出气口距离锭坯表面3~50mm。
4.根据权利要求3所述的一种高活性合金气冷半连续铸造系统，其特征在于所述喷气装置与气体冷却装置之间装有流量控制阀。
5.根据权利要求1~4任一所述的一种高活性合金气冷半连续铸造系统，其特征在于所述系统还可设置电磁搅拌设备，则所述水冷结晶器采用开缝式结晶器。
6.一...

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