[发明专利]一种高活性合金气冷半连续铸造系统及方法

说明书

技术领域

本发明属于冶金技术领域，具体涉及一种高活性合金气冷半连续铸造系统及方法。

背景技术

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。

发明内容