[发明专利]一种超大规格铝合金铸锭的制备装置及方法

说明书

本发明涉及一种超大规格铝合金铸锭的制备装置及方法，属于金属材料加工领域。该装置主要包括熔体处理器、升降机构、热顶、结晶器、水箱和引锭：热顶安装在结晶器上方，引锭置于结晶器下方，结晶器安装固定在水箱上，熔体处理器与升降机构相连接，升降机构固定于水箱上，铸造过程中通过升降机构将熔体处理器置于热顶和/或结晶器的内部。本发明可对连续铸造过程热顶或结晶器内的合金熔体从内部施加电磁场和强制冷却，加速合金熔体心部的换热与传质，提高熔体温度场和成分场的均匀性，实现超大规格铝合金铸锭的细晶均质铸造。本发明实施效果显著、生产效率高、易与大工业生产相结合，在航空航天、轨道交通、船舶等制造领域具有广阔的工业应用前景。

技术领域

本发明涉及一种超大规格铝合金铸锭的制备装置及方法，属于金属材料加工领域。

背景技术

超大规格铝合金特别是高合金化的高强铝合金铸锭在航空航天、轨道交通、船舶等大型装备制造业的作用举足轻重。采用传统半连续铸造方法制备的超大规格铝合金铸锭不可避免地存在表面质量差、组织粗大不均匀、成分偏析严重、易开裂等缺陷问题，导致产品质量差且成品率低。而且铸锭尺寸越大，合金化程度越高，这些缺陷就越突出。而这些问题的解决与合金熔体凝固过程温度场和成分场均匀化控制有很大关系，因此开发高效的熔体处理方法就显得至关重要。

电磁搅拌法由于具有不污染金属、可精确控制、易与大工业生产对接等优点被认为是最具有应用前景的熔体处理方法。国外专利DE2029443公开了一种在连铸过程中施加行波电磁场的方法，这种方法将感应线圈平行布置于金属熔体外部，通过利用交变电磁场及在其金属液中产生感应电流交互作用产生的洛伦滋力对金属液形成剧烈地搅拌作用，可减小温度梯度，减少成分偏析，获得更好的显微组织。但是由于交变电磁场趋肤效应的存在，电磁力在熔体内部的分布呈指数式衰减，整个熔体所受搅拌作用是不均匀的，而且随着合金熔体体积的增大，熔体边部和心部的搅拌作用差别也越大，铸锭组织和成分的不均匀性也越来越明显，因此铸锭尺寸受到很大限制。

为了克服传统电磁搅拌法搅拌不均匀的问题，中国专利CN101745629A公开了一种环缝式电磁搅拌制备半固态合金浆料的方法，其设计思想是在熔体处理室中心插入圆形芯棒，使得在芯棒外壁和熔体处理室内壁之间形成环形窄缝，让合金熔体在狭窄的环形缝隙内接受电磁搅拌剪切处理，搅拌的均匀性较传统电磁搅拌法得到明显改善。而且通过对搅拌腔体结构的巧妙设计，剪切强度也能显著提高，使熔体受到搅拌更加均匀，温度场和成分场在整个熔体体积内分布更加均匀。但是上述这些方法的电磁场均是从结晶器外部施加，随着铸锭尺寸的增大，不但熔体心部的搅拌效果会变差，而且由于线圈与金属熔体存在着较大的气隙，使得电磁场强度的衰减非常严重，电磁场的利用率很低。

发明内容

普通半连续铸造方法生产超大规格铝合金铸锭，技术难点或存在的问题主要表现为：其一，由于铸锭单一的由外向内的冷却方式，冷却强度有限，液穴较深，温度梯度很大，导致凝固组织异常粗大且分布不均匀，尤其对于高合金化的高强铝合金还易发生开裂问题；其二，铸锭凝固过程熔体温度场和成分场的均匀性难以控制，使得初期凝壳生长很不均匀，铸锭表面易产生褶皱、偏析瘤等问题，铸造速度很慢，铸锭成品率低，加工成本高。针对普通半连续铸造方法存在的不足，本发明提出了一种超大规格铝合金铸锭的制备装置及方法。

本发明的主要创新思想是：连续铸造过程中将熔体处理器沿热顶或结晶器中心位置插入熔体内部，对合金熔体从内部施加电磁场和强制冷却，加速超大规格铸锭内部熔体的传热与传质，均匀熔体的温度场和成分场，提高铸锭冷却强度和铸造速度，减少或消除铸造缺陷，实现超大规格铝合金铸锭细晶均质铸造。

为实现以上发明的目的，采用以下技术方案：

一种超大规格铝合金铸锭的制备装置，该装置主要包括熔体处理器、升降机构、热顶、结晶器、水箱和引锭几部分；热顶安装在结晶器上方，引锭置于结晶器下方，熔体处理器与升降机构相连接，结晶器固定在水箱上，升降机构固定于水箱上，铸造过程中通过升降机构将熔体处理器置于热顶和/或结晶器的内部。