一种高铸造应力合金铸锭的电磁半连铸装置及方法制造方法及图纸

本发明专利技术属于铸造技术领域，特别涉及一种高铸造应力合金铸锭的电磁半连铸装置及应用所述装置进行铸锭铸造的方法。所述电磁半连铸装置主要包括分流槽、结晶器和引锭头，所述结晶器包括结晶器内套、一冷水箱、线圈和底部支架。在一冷水量不变的条件下，采用带有双排异径交叉水孔的一冷水箱，使一冷水出现双水流束，进而降低一冷水与结晶器内套接触处合金熔体的冷却速率，从而降低裂纹产生几率。通过双排水孔间距的设置，可以实现铸造时冷却强度的控制，有助于提高铸锭的表面质量。使用本发明专利技术装置中的分流槽也可有效降低扁锭中心和边部的温度梯度及铸造应力，从而降低铸锭开裂的可能性。本发明专利技术中的电磁半连铸装置还可以通过更换结晶器内套的规格来实现对于一定规格范围内产品的生产。

【技术实现步骤摘要】
一种高铸造应力合金铸锭的电磁半连铸装置及方法
本专利技术属于铸造
，特别涉及一种高铸造应力合金铸锭的电磁半连铸装置及应用所述装置进行铸锭铸造的方法。
技术介绍
以镁合金为例，高铸造应力合金主要是包括Mg-RE系合金和Mg-Zn-Zr系合金，Mg-RE系合金是超过200℃应用的镁合金。常用的稀土元素是Y、Nd、Ce、Dy、Gd等。加入稀土元素是提高镁合金性能最为直接的方法，可以有效提高镁合金的室温和高温力学性能，因此稀土元素在镁合金中的应用十分广泛。Mg-Zn-Zr系合金是指添加锌和锆的镁合金，被认为是综合性能最好的镁合金之一。按ASTM标准，Mg-Zn-Zr合金主要有ZK31、ZK40A、ZK60A、ZK51A和ZK61等。当铸造内应力超过铸件的强度极限时，铸件便产生裂纹。按照裂纹的形成温度不同，将裂纹分为热裂和冷裂两种。但是对于高铸造应力合金，在采用半连续铸造方式生产时，很容易产生铸造裂纹。对于Mg-Zn-Zr系合金，裂纹主要以热裂为主，主要变现为边部径向裂纹；对于Mg-RE系合金，裂纹主要以冷裂为主。由于Mg-RE系和Mg-Zn-Zr系合金优异的综合性能，所以在生产出无裂纹的Mg-RE系和Mg-Zn-Zr系合金铸锭，对于提高镁合金的应用范围和促进镁合金的发展具有重要的意义。有色合金半连续铸造过程中的电磁处理方法由于不接触熔体，对熔体没有污染，且不受合金成分影响，并在工业生产中得到了应用。有研究表明，在半连续铸造中添加电磁场后发现铸锭组织得到明显细化，组织分布的均匀性均有所改善，同时铸锭的热裂倾向减轻。结晶器是半连续（连续）铸造用的铸模，它是决定铸锭成形和最终铸锭质量的关键装置。半连续铸造用结晶器设计的科学合理，可以有效避免铸锭的缺陷通过“遗传效应”影响产品的质量和性能，是实现合金作为重要承载构件应用的关键。一般来说，对于直接水冷立式半连续铸造结晶器的要求是：具有足够的强度和刚度，安装方便，具有高的导热性和良好的耐磨性，对铸锭的冷却要均匀且满足要求，脱模容易等。然而普通半连续铸造结晶器冷却强度形式较为单一，一冷（本专利技术的一冷、二冷、三冷是一次冷却、二次冷却、三次冷却的简称，以下同）水喷射到结晶器内套，导致接触位置内套中的金属熔体的冷却速率较大，降温剧烈，从而导致晶粒生长迅速，容易长成柱状晶；并且，由于一次冷却水喷射处的合金熔体的冷却较快，同时由于凝固顺序上的差异导致严重的宏观偏析和内应力，从而会导致铸锭表面出现褶皱，进而会影响铸锭的表面质量，在实际的生产中会大大降低铸锭的成材率，因此，如何通过控制一冷使得高温阶段的合金熔体冷却速率有所下降，提高铸造锭坯的组织均匀性和细化效果，提高铸锭的冶金表面质量是镁合金生产行业亟待解决的问题。中国专利CN108637200A《大规格镁合金长扁锭半连续铸造装置》、中国专利CN108405821A《无裂纹大规格镁合金扁锭的铸造装置及方法》、中国专利CN110125358A《一种有色金属及其合金电磁半连铸装置》分别公开了一种大规格镁合金长扁锭半连续铸造装置及方法、一种无裂纹大规格镁合金扁锭的铸造装置及方法和一种有色金属及其合金电磁半连铸装置，但其一冷为单排水孔，冷却水量相对较大，内套与结晶器熔体刚接触部分的熔体的冷却速度过快，晶粒生长较快，柱状晶容易长大。中国专利CN110405170A《一种低一冷的电磁半连续铸造装置及方法》公开了一种低一冷的电磁半连续铸造装置及方法，虽然其一冷及三冷可以独立调节，但是一冷水喷射到内套外壁产生的冷却速率比较大，降温剧烈，从而导致晶粒生长迅速，容易长成柱状晶。对于高铸造应力合金，采用传统的半连续铸造装置生产时主要以圆锭为主，且生产难度高，所以对于具有一定宽厚比的大扁锭生产来说难度更大。基于此，我们设计了一种针对于高铸造应力合金铸锭（特别是扁锭）的电磁半连铸装置，改善了电磁半连续铸造结晶器的结构从而提高半连铸铸锭的冶金表面质量，并设计了铸造方法与之配合，实现高铸造应力合金铸锭的无裂纹生产。
技术实现思路
针对采用半连续铸造生产高铸造应力合金时存在的上述问题，本专利技术提供一种高铸造应力合金铸锭的无裂纹电磁半连铸装置及方法，在一冷水量不变的条件下，采用双排异径交叉水孔的一冷水箱内侧挡水板，使一冷水出现双水线，进而降低一冷水与内套接触处合金熔体的冷却速率，从而降低裂纹产生几率。同时，通过双排水孔间距的设置，实现铸造时冷却强度的控制，有助于提高铸锭的表面质量。本专利技术的一种高铸造应力合金铸锭的电磁半连铸装置，包括分流槽、结晶器和引锭头，所述结晶器包括结晶器内套、一冷水箱、线圈和底部支架，所述一冷水箱环绕结晶器内套设置。如果铸造的铸锭为圆锭，则结晶器内套为圆筒形，一冷水箱为圆环，一冷水箱在水平方向截面的内侧形状为大于结晶器内套水平截面的圆形。如果铸造的铸锭为扁锭，结晶器内套为水平截面为圆角矩形的方筒形，一冷水箱则为方环，在水平方向截面的内侧形状为大于结晶器内套水平截面的圆角矩形，结晶器内套的方筒形和一冷水箱方环均有相应的长度方向和宽度方向，在铸造时，习惯上将竖直方向，即扁锭拉出的方向称为扁锭长度方向，扁锭水平截面的长和宽分别称为扁锭的宽度和厚度。因此在铸造时，结晶器内套方筒和一冷水箱方环的长度方向对应的是扁锭的宽度方向，结晶器内套方筒和一冷水箱方环的宽度方向对应的是扁锭的厚度方向。结晶器内套上端可以通过螺栓连接角钢铁环等方法固定在一冷水箱的顶板上。一冷水箱包括顶板、外侧的水箱外壁、朝向结晶器内套一侧的挡水板和底板，顶板、水箱外壁、挡水板和底板形成的空间用于容纳冷却水。一冷水箱外壁的外侧设置电缆孔（用于线圈电缆线伸出以接入电流）、一冷进水口、一冷出水口，一冷出水口上可以设置阀门。所述线圈设置于一冷水箱内部；底部支架设置于一冷水箱下方；所述分流槽设置于结晶器内套内，为敞口结构，侧面开有方孔，能够使进入分流槽的金属熔体从方孔流入结晶器内套与引锭头形成的半封闭空间内，当金属熔体从分流槽侧面的方孔流出，流到中心时，温度会有所降低，从而可有效降低铸锭中心和边部的温度梯度。引锭头在铸造时能够伸入结晶器内套底部形成半封闭空间。所述一冷水箱在靠近结晶器内套的内侧上端平行设置双排异径交叉喷水孔：所述双排异径交叉喷水孔分为上下两排，上排喷水孔的孔径小于下排喷水孔孔径，上排每两个相邻的喷水孔的间距内，在平行方向有两个下排喷水孔。上排喷水孔的数量少，间距相对较大，孔径较小，这样布置可以使上排喷水孔喷射出的冷却水接触到结晶器内套时的冷却速率相对较小，而下排喷水孔较上排喷水孔数量多、间距相对小、孔径大，则下排喷水孔喷射出的冷却水接触到结晶器内套时的冷却速率相对较大，从而分阶段达到原有一次冷却的效果（总水量不变），通过双排水孔的设置，在保证总水量不变的条件下，可以有效降低一次冷却水喷射处的合金熔体的冷却速率，实现分“阶段”降温，降低内应力，降低铸锭表面出现褶皱的几率，进而会提高铸锭的表面质量。优选的，上排喷水孔与下排喷水孔相互平行，两排之间的间距为10~40mm，双排喷水孔排间距的设置是为了控制双水线喷射到内套上的距离，从而本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种高铸造应力合金铸锭的电磁半连铸装置，其特征在于，包括分流槽、结晶器和引锭头，所述结晶器包括结晶器内套、一冷水箱、线圈和底部支架，所述一冷水箱环绕结晶器内套设置，一冷水箱包括顶板、外侧的水箱外壁、朝向结晶器内套一侧的挡水板和底板；水箱外壁的外侧设置电缆孔、一冷进水口、一冷出水口，所述线圈设置于一冷水箱内部；底部支架设置于一冷水箱下方；所述分流槽设置于结晶器内套内，为敞口结构，侧面开有方孔，能够使进入分流槽的金属熔体从方孔流入结晶器内套与引锭头形成的半封闭空间内；引锭头在铸造时能够伸入结晶器内套底部；/n所述一冷水箱在靠近结晶器内套的内侧的上端平行设置双排异径交叉喷水孔：上排喷水孔的孔径小于下排喷水孔孔径，上排相邻两个喷水孔的间距内，在平行方向有两个下排喷水孔。/n

【技术特征摘要】
1.一种高铸造应力合金铸锭的电磁半连铸装置，其特征在于，包括分流槽、结晶器和引锭头，所述结晶器包括结晶器内套、一冷水箱、线圈和底部支架，所述一冷水箱环绕结晶器内套设置，一冷水箱包括顶板、外侧的水箱外壁、朝向结晶器内套一侧的挡水板和底板；水箱外壁的外侧设置电缆孔、一冷进水口、一冷出水口，所述线圈设置于一冷水箱内部；底部支架设置于一冷水箱下方；所述分流槽设置于结晶器内套内，为敞口结构，侧面开有方孔，能够使进入分流槽的金属熔体从方孔流入结晶器内套与引锭头形成的半封闭空间内；引锭头在铸造时能够伸入结晶器内套底部；
所述一冷水箱在靠近结晶器内套的内侧的上端平行设置双排异径交叉喷水孔：上排喷水孔的孔径小于下排喷水孔孔径，上排相邻两个喷水孔的间距内，在平行方向有两个下排喷水孔。


2.根据权利要求1所述的高铸造应力合金铸锭的电磁半连铸装置，其特征在于，所述上排喷水孔和下排喷水孔均为变径水孔，朝向结晶器内套的出口侧孔径小于朝向一冷水箱内部一侧的孔径，上排喷水孔或下排喷水孔中，单个喷水孔的中心轴线与喷水孔内壁面的夹角范围为0.5~3°，单个喷水孔的中心轴线与结晶器内套外壁夹角为20~80°；所述上排喷水孔与下排喷水孔的排间距为10~40mm；上排喷水孔孔径为1.5～3mm，下排喷水孔的孔径为2.5～3mm。


3.根据权利要求1或2所述的高铸造应力合金铸锭的电磁半连铸装置，其特征在于，所述一冷水箱还包括环形的底端固定块和上端固定块，所述底端固定块设置于底板靠近结晶器内套的一侧，上端固定块设置于顶板靠近结晶器内套一侧的相应凹槽中，底端固定块顶部和上端固定块底部均设置凹槽，挡水板设置于底端固定块顶部和上端固定块底部的凹槽中，所述双排异径交叉喷水孔设置于上端固定块上；所述挡水板材质为不锈钢，高度为80~200mm，所述上端固定块的高度为40~150mm。


4.根据权利要求1或2所述的高铸造应力合金铸锭的电磁半连铸装置，其特征在于，所述高铸造应力合金铸锭的电磁半连铸装置用于扁锭的铸造，所述一冷水箱为方环形，所述结晶器内套为方筒形，在结晶器内套长度方向上相邻两个上排喷水孔中心的间距10～20mm，结晶器内套宽度方向上相邻两个上排喷水孔中心的间距为20～35mm；在结晶器内套长度方向上相邻两个下排喷水孔的中心的间距5～15mm，在结晶器内套宽度方向上相邻两个下排喷水孔中心的间距为10～30mm；在结晶器内套长度方向和宽度方向，上排、下排喷水孔孔径分别从中心向两边逐渐减小，...

【专利技术属性】
技术研发人员：乐启炽，闫家仕，陈亮，周伟阳，赵玉玺，王强，王彤，宝磊，
申请(专利权)人：东北大学，
类型：发明
国别省市：辽宁;21