專利名稱：一種生產(chǎn)鋁合金空心鑄錠的設(shè)備及其使用方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及鋁合金技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種生產(chǎn)鋁合金空心鑄錠的設(shè)備及其使用方法。
背景技術(shù)：
鋁合金管材在電力，建筑等行業(yè)得到廣泛的應(yīng)用，其主要生產(chǎn)方式主要有兩種
1.鑄造生產(chǎn)實心鑄錠，通過軋制或擠壓生產(chǎn)出管材，但是這樣的生產(chǎn)工藝工序多，金屬利用率低；
2.鑄造生產(chǎn)空心鑄錠，通過擠壓獲得管材，其工藝工序少，金屬利用率高。因此鑄造生產(chǎn)空心鑄錠是生產(chǎn)鋁合金管材的首選工藝。目前生產(chǎn)鋁合金空心鑄錠 的主要方法是半連續(xù)鑄造。半連續(xù)鑄造設(shè)備通常由芯模，結(jié)晶器和引錠所組成。在鑄造開始時將鋁合金熔體澆注到芯模，結(jié)晶器和引錠所組成的型腔內(nèi)，然后引錠向下移動，鑄錠從結(jié)晶器被拽出，同時二冷水碰到鑄錠上進一步冷卻，構(gòu)成一個連續(xù)的過程。所以，鋁合金半連續(xù)鑄造具有設(shè)備簡單，投資少的生產(chǎn)工藝。但是，目前生產(chǎn)過程用仍然存在著很多問題，其中最嚴(yán)重的兩個問題是抱芯和拉漏。抱芯，現(xiàn)有生產(chǎn)空心鑄錠的芯模，通有二冷水，當(dāng)空心鑄錠被拽出結(jié)晶器時，其內(nèi)表面接觸二冷水后，迅速凝固收縮，緊緊的抱住芯模，使鑄錠不能被拉出結(jié)晶器，鑄造不能進行下去。這種嚴(yán)重的問題導(dǎo)致，空心鑄錠生產(chǎn)不能像實心鑄錠那樣可以同時生產(chǎn)多根鑄錠，只能單根生產(chǎn)，大大降低了生產(chǎn)效率。這個問題多發(fā)生在凝固收縮大的合金，如7XXX，2XXX鋁合金。拉漏，它的產(chǎn)生過程同抱芯相似，但不同的是鑄錠被拽出結(jié)晶器后沒有包住芯模，而是鑄錠內(nèi)表面形成的凝固殼由于與芯模摩擦力較大而被拉斷，導(dǎo)致在熔池內(nèi)的鋁熔體泄露，泄露的鋁熔體很容易和二冷水接觸發(fā)生爆炸，另外，泄露的熔體也很容易堵住空心鑄錠的內(nèi)孔，使芯模二冷水不能留下，上返到熔池內(nèi)，發(fā)生嚴(yán)重的爆炸。這個問題多發(fā)生在凝固收縮小的合金，如招娃合金。無論是抱芯還是拉漏都是由于合金在凝固過程中冷卻收縮導(dǎo)致鑄錠與芯模之間摩擦力大造成的。因此為了解決這兩個問題，就要減小摩擦力，這就是本發(fā)明的出發(fā)點。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是針對現(xiàn)有技術(shù)存在的不足，提供一種生產(chǎn)鋁合金空心鑄錠的設(shè)備及方法，減小了鋁合金空心鑄造過程中鑄錠與芯模之間摩擦力，避免了抱芯和拉漏現(xiàn)象的產(chǎn)生。本發(fā)明的一種生產(chǎn)鋁合金空心鑄錠的設(shè)備，包括芯模，結(jié)晶器，支架，引錠，其中芯模位于結(jié)晶器中心，并且芯模與結(jié)晶器同心，設(shè)置在結(jié)晶器上的支架用于支撐芯模，引錠設(shè)置在芯模下部，芯模與結(jié)晶器中間的空間為型腔，所述的芯模設(shè)計成上大下小的錐度，其錐度大小為1° 30°，芯模中設(shè)置冷卻系統(tǒng)和潤滑系統(tǒng)，所述的結(jié)晶器的鋁套內(nèi)的水腔中設(shè)置線圈，并且結(jié)晶器上設(shè)置有分流器和擋塊；
所述的芯模的冷卻系統(tǒng)包括入水管，出水管，轉(zhuǎn)接器，芯模水腔，水道，其中入水管連接芯模水腔，芯模水腔通過水道連接到轉(zhuǎn)接器，轉(zhuǎn)接器連接出水管；
所述的水道由水道導(dǎo)磁材料部分和水道不銹鋼部分組成；
所述的潤滑系統(tǒng)包括入油管，油蓋，銅套，油腔，油孔，其中入油管連接到油腔，油腔上設(shè)置有油蓋，設(shè)置在油腔中的油孔與銅套外壁連接；
所述的銅套的材質(zhì)為紫銅或銅鉻合金；
所述的結(jié)晶器包括熱頂，鋁套，石墨環(huán)，線圈，水腔，分流器，擋塊，流道，其中熱頂與石墨環(huán)連接，水腔設(shè)置在鋁套內(nèi)部，水腔內(nèi)設(shè)置有線圈，在流道與分流器中間設(shè)置有擋塊；
所述的線圈的材質(zhì)為耐水耐壓扁銅線；
所述的分流器上設(shè)置有分流孔。一種生產(chǎn)鋁合金空心鑄錠的設(shè)備的使用方法，按如下步驟進行鑄造前將線圈通以低頻交流電，產(chǎn)生低頻電磁場，電磁場頻率5 45Hz，電磁場強度5000At 50000At，然后將熔體澆注到流道中，熔體在進入分流器前接觸分流器入口處的擋塊，熔體被擋塊擋住后沿周向通過分流器的分流孔被均勻地分配到型腔內(nèi)，型腔內(nèi)上部分由熱頂儲存熔體，下部分由結(jié)晶器的石墨環(huán)和冷卻系統(tǒng)將液態(tài)合金凝固為空心鑄錠，澆注溫度710 900°C，鑄造速度50 300mm/min，結(jié)晶器水流量為50-3001/ (min*m)，芯模水流量為10-100 I/(min*m)，冷卻過程中通過設(shè)計的潤滑系統(tǒng)進一步防止鑄造過程中的抱芯與拉漏現(xiàn)象，同時通過調(diào)整芯模的高位置，達到控制芯模出口與液穴根部距離為小于芯?？偢叨鹊亩种?，當(dāng)液穴根部高于芯模出口的距離為二分之一芯模高度時，抱芯將發(fā)生；當(dāng)液穴根部低于芯模出口的距離為二分之一芯模高度時，拉漏將發(fā)生；
所述的芯模出口與液穴根部距離最佳為小于芯?？偢叨鹊乃姆种?；
所述的一種生產(chǎn)鋁合金空心鑄錠的設(shè)備的使用方法，采用同水平澆注多根鑄造的方式，當(dāng)熔體通過流道進入分流器時，熔體被擋塊擋住后沿周向進入分流器中，進入分流器后熔體通過分流孔被均勻地分配到型腔內(nèi)。與現(xiàn)用技術(shù)相比，本發(fā)明的特點及其有益效果是
I.通過電磁場控制熔體流動，控制溫度分布，進而控制抱芯和拉漏并控制組織形成在結(jié)晶器水腔內(nèi)設(shè)置電磁線圈，線圈中施加低頻電流，這樣在結(jié)晶器中就會產(chǎn)生低頻電磁場，在鋁熔體中產(chǎn)生感生電流，電流與磁場相互作用下產(chǎn)生一個洛倫茲力。由于鑄錠與結(jié)晶器幾何形狀在垂直方向的不對稱性，使得磁力線相對于鑄錠的中心線發(fā)生了顯著的偏轉(zhuǎn)，導(dǎo)致熔體內(nèi)部LorentZ力的時間平均值同時存在垂直分量和水平分量。其中水平分量為與金屬靜壓力梯度平衡的有勢力，而垂直分量為有旋力場，起到了攪拌熔體的作用。Lorentz力水平分量使得熔體自由表面形成凸起的彎月形，從而減小了熔體與結(jié)晶器接觸高度和接觸壓力，實現(xiàn)了所謂的軟接觸，改變了一次冷卻區(qū)熱通量的大小與分布情況，起到了減弱一次冷卻強度的作用，使初生凝固殼形成位置下降，表面滲出現(xiàn)象減弱。Lorentz力垂直分量形成的有旋力場起到了電磁攪拌的作用，流動場與無心感應(yīng)爐中熔融金屬的流動場類似，測量表明熔體內(nèi)部的溫度場受到電磁攪拌的強烈影響，有旋分量產(chǎn)生的強迫對流將中心區(qū)域的過熱熔體帶向鑄錠的邊緣區(qū)域，因此消除了中心區(qū)域的局部過熱，減小整個液相區(qū)內(nèi)溫度差，使熔體溫度低于液相線溫度。對于具有較寬結(jié)晶溫度區(qū)間的合金，兩相區(qū)可能擴展到整個液相區(qū)，強迫對流將初生凝固殼處形成的枝晶臂熔斷并帶入液穴內(nèi)部形成異質(zhì)結(jié)晶核心，起到了晶粒細化和抑制枝晶生長的作用，鑄錠由均勻細小的近球形和薔薇型微觀組織構(gòu)成；
另外，由于芯模上的出水管部分由導(dǎo)磁材料制成，這將改變整個空間的磁場分布，從而改變?nèi)垠w的流動。當(dāng)出水管導(dǎo)磁材料部分高于熔體液面時，熔體流動方向為沿石墨環(huán)向下，經(jīng)過凝固前沿，最后沿銅套向上。當(dāng)出水管導(dǎo)磁材料部分低于熔體液面時，熔體流動方向相反。這就提供兩種電磁場控制熔體流動，對于第一種流動，可用于低收縮系數(shù)的鋁合金，如鋁硅合金，這是由于這種低膨脹系數(shù)的合金，抱芯和拉漏的可能性低，為了提高效率就需要芯模處凝固殼厚，這樣可以提高鋳造速度 ，因此要控制熱熔體先到達結(jié)晶器臂。而對于那些熱收縮系數(shù)較高的鋁合金，如2XXX，7XXX，采用了相反的流動方向，這樣熱熔體就可以先到達芯模壁，這樣就可以使芯模處凝固殼薄，從而減少收縮量，進而降低抱芯和拉漏的可能性。2.降低芯模與鑄錠之間的摩擦力
雖然抱芯和拉漏本質(zhì)都是由于合金在凝固和冷卻過程的收縮導(dǎo)致的，但是芯模和鑄錠之間的摩擦力也是影響這兩個問題的重要因素，因此，本發(fā)明ー個特征就是基于這個出發(fā)點。為了降低芯模和鑄錠之間的摩擦力，本發(fā)明將芯模的銅套外臂設(shè)計成帶有錐度(上大下小)并且銅模被油連續(xù)潤滑，銅模由紫銅或Cu-Cr合金制作。3.(如圖7)空心鑄錠生成中之所以不能像實心鑄錠那樣進行多根鋳造主要有兩個原因，第一，一根鑄錠發(fā)生抱芯后，整個鑄造不能進行;第二，沒有合理的分流使得，熔池內(nèi)和鑄錠上沿周向溫度不均，造成拉漏現(xiàn)象。為了實現(xiàn)多根鋳造，本發(fā)明采用同水平澆注，然后熔體在進入分流器前接觸分流器入ロ處的擋塊，熔體被擋塊被阻擋后沿周向進入分流器中，進入分流器后熔體被均勻地分配到型腔內(nèi)。4.芯模出口與液穴根部距離控制在一定范圍內(nèi)
空心鑄錠能夠順利鋳造的關(guān)鍵是其內(nèi)表面，內(nèi)表面既不能拉漏又不能發(fā)生抱芯。因此，如何控制凝固殼的狀態(tài)成為關(guān)鍵。本發(fā)明提供了ー種新方法，來控制鑄錠內(nèi)表面出凝固売，其控制方法是通過調(diào)整芯模來控制芯模出口與液穴根部距離，使其距離小于芯模總高度二分之一。當(dāng)液穴根部高于芯模出ロ距離為二分之ー芯模高度時，抱芯將發(fā)生；當(dāng)液穴根部低于芯模出ロ距離為二分之ー芯模高度時，拉漏將發(fā)生。


圖I :本發(fā)明的ー種生產(chǎn)鋁合金空心鑄錠的設(shè)備的主視 圖2 :鋁合金空心鑄錠鑄造過程示意 圖3 :本發(fā)明的ー種生產(chǎn)鋁合金空心鑄錠的設(shè)備的結(jié)晶器主視 圖4 :鋁合金空心鑄錠鑄造過程中熔體分配示意 圖5 :本發(fā)明的ー種生產(chǎn)鋁合金空心鑄錠的設(shè)備的芯模主視 圖6 :鋁合金空心鑄錠鑄造過程中芯模出口與液穴根部距離對拉漏和抱芯影響示意
圖7 :鋁合金空心鑄錠多跟空心同水平鑄造過程示意圖，
圖8 :鋁合金空心鑄錠A390組織照片；圖9 :鋁合金空心鑄錠6063鑄錠組織照片；
圖10 :鋁合金空心鑄錠7075鑄錠組織照片；
其中I芯模，2結(jié)晶器，3支架，4引錠，5型腔，11入水管，12出水管，13轉(zhuǎn)接器，14入油管，15油蓋，16銅套，17熱頂，18壓蓋，19水道導(dǎo)磁材料部分，110水道不銹鋼部分，111芯模水腔，112水道，113油腔，114油孔，115芯模出口，21熱頂，22鋁套，23石墨環(huán)，24線圈，25水腔，26分流器，27擋塊，28分流孔，29 ニ冷水，31流道，32熔體，33液面，34液穴，35液穴根部，36空心鑄錠，37過濾箱。
具體實施例方式下面結(jié)合實施例和說明書附圖對本發(fā)明作詳細說明，但本發(fā)明的保護范圍不僅限于下述的實施例
下述實施例采用的ー種生產(chǎn)鋁合金空心鑄錠的設(shè)備，包括芯模1，結(jié)晶器2，支 架3，引錠4，其中芯模I位于結(jié)晶器2中心，并且芯模I與結(jié)晶器2同心，設(shè)置在結(jié)晶器2上的支架3用干支撐芯模1，引錠4設(shè)置在芯模I下部，芯模I與結(jié)晶器2中間的空間為型腔5，其特征在于所述的芯模I設(shè)計成上大下小的錐度，其錐度大小為1° 30°，芯模I中設(shè)置冷卻系統(tǒng)和潤滑系統(tǒng)，所述的結(jié)晶器2的鋁套內(nèi)的水腔25中設(shè)置線圈24，并且結(jié)晶器2上設(shè)置有分流器26和擋塊27 ；
所述的芯模I的冷卻系統(tǒng)包括入水管11，出水管12，轉(zhuǎn)接器13，芯模水腔111，水道112，其中入水管11連接芯模水腔111，芯模水腔通過水道112連接到轉(zhuǎn)接器13，轉(zhuǎn)接器13連接出水管12 (如圖5)；
所述的水道112由水道導(dǎo)磁材料部分19和水道不銹鋼部分110組成；
所述的潤滑系統(tǒng)包括入油管14,油蓋15,銅套16,油腔113,油孔114,其中入油管14連接到油腔113，油腔113上設(shè)置有油蓋15，設(shè)置在油腔113中的油孔114與銅套16外壁連接;
所述的銅套16的材質(zhì)為紫銅或銅鉻合金；
所述的結(jié)晶器2包括熱頂21，鋁套22，石墨環(huán)23，線圈24，水腔25，分流器26，擋塊27，流道31，其中熱頂21與石墨環(huán)23連接，水腔25設(shè)置在鋁套22內(nèi)部，水腔25內(nèi)設(shè)置有線圈24，在流道31與分流器26中間設(shè)置有擋塊27 (如圖3)；
所述的線圈24的材質(zhì)為耐水耐壓扁銅線；
所述的分流器26上設(shè)置有分流孔28。實施例I :A390空心鑄錠電磁半連續(xù)鑄造 A390合金成分如下表所列
A390合金成分(wt%)
權(quán)利要求
1.一種生產(chǎn)鋁合金空心鑄錠的設(shè)備，包括芯模(1)，結(jié)晶器(2)，支架(3)，引錠(4)，其中芯模(I)位于結(jié)晶器(2)中心，并且芯模(I)與結(jié)晶器(2)同心，設(shè)置在結(jié)晶器(2)上的支架(3)用于支撐芯模(1)，引錠(4)設(shè)置在芯模(I)下部，芯模(I)與結(jié)晶器(2)中間的空間為型腔(5)，其特征在于所述的芯模(I)設(shè)計成上大下小的錐度，其錐度大小為Io 30o，芯模(I)中設(shè)置冷卻系統(tǒng)和潤滑系統(tǒng)，所述的結(jié)晶器(2)的鋁套內(nèi)的水腔(25)中設(shè)置線圈(24)，并且結(jié)晶器(2)上設(shè)置有分流器(26)和擋塊(27)。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的一種生產(chǎn)鋁合金空心鑄錠的設(shè)備，其特征在于所述的芯模(1)的冷卻系統(tǒng)包括入水管(11)，出水管(12)，轉(zhuǎn)接器(13)，芯模水腔(111)，水道(112 )，其中入水管(11)連接芯模水腔(111 )，芯模水腔通過水道(112)連接到轉(zhuǎn)接器(13)，轉(zhuǎn)接器(13)連接出水管(12)。
3.根據(jù)權(quán)利要求I或權(quán)利要求2所述的一種生產(chǎn)鋁合金空心鑄錠的設(shè)備，其特征在于所述的水道(112)由水道導(dǎo)磁材料部分(19)和水道不銹鋼部分(110)組成。
4.根據(jù)權(quán)利要求I所述的一種生產(chǎn)鋁合金空心鑄錠的設(shè)備，其特征在于所述的潤滑系統(tǒng)包括入油管(14)，油蓋(15)，銅套(16)，油腔(113)，油孔(114)，其中入油管(14)連接到油腔(113)，油腔(113)上設(shè)置有油蓋(15)，設(shè)置在油腔(113)中的油孔(114)與銅套(16)外壁連接。
5.根據(jù)權(quán)利要求I或權(quán)利要求4所述的一種生產(chǎn)鋁合金空心鑄錠的設(shè)備，其特征在于所述的銅套(16)的材質(zhì)為紫銅或銅鉻合金。
6.根據(jù)權(quán)利要求I所述的一種生產(chǎn)鋁合金空心鑄錠的設(shè)備，其特征在于所述的結(jié)晶器(2)包括熱頂(21)，鋁套(22)，石墨環(huán)(23)，線圈(24)，水腔(25)，分流器(26)，擋塊(27)，流道(31)，其中熱頂(21)與石墨環(huán)(23)連接，水腔(25)設(shè)置在鋁套(22)內(nèi)部，水腔(25)內(nèi)設(shè)置有線圈(24)，在流道(31)與分流器(26)中間設(shè)置有擋塊(27)。
7.根據(jù)權(quán)利要求I或權(quán)利要求6所述的一種生產(chǎn)鋁合金空心鑄錠的設(shè)備，其特征在于所述的線圈(24)的材質(zhì)為耐水耐壓扁銅線，24)產(chǎn)生的磁場作用產(chǎn)生流動，其流動方向受到水道導(dǎo)磁材料部分(19)與液面的相對位置影響；當(dāng)出水道導(dǎo)磁材料部分(19)高于熔體液面時，熔體流動方向為沿石墨環(huán)向下，經(jīng)過凝固前沿，最后沿銅套向上，水道導(dǎo)磁材料部分(19)低于熔體液面時,熔體流動方向相反。
8.根據(jù)權(quán)利要求I或權(quán)利要求6所述的一種生產(chǎn)鋁合金空心鑄錠的設(shè)備，其特征在于所述的分流器(26 )上設(shè)置有分流孔(28 )。
9.權(quán)利要求I所述的一種生產(chǎn)鋁合金空心鑄錠的設(shè)備的使用方法，其特征在于按如下步驟進行鑄造前將線圈(24)通以低頻交流電，產(chǎn)生低頻電磁場，電磁場頻率5 45Hz，電磁場強度5000At 50000At，然后將熔體(32)澆注到流道(31)中，熔體(32)在進入分流器(26 )前接觸分流器(26 )入口處的擋塊(27 )，熔體(32 )被擋塊(27 )擋住后沿周向通過分流器(26)的分流孔(28)被均勻地分配到型腔(5)內(nèi)，型腔(5)內(nèi)上部分由熱頂(21)儲存熔體(32 )，下部分由結(jié)晶器(2 )的石墨環(huán)(23 )和冷卻系統(tǒng)將液態(tài)合金凝固為空心鑄錠(36 )，澆注溫度710 900°C，鑄造速度50 300mm/min，結(jié)晶器水流量為50-3001/ (min*m),芯模水流量為10-100 l/(min*m)，冷卻過程中通過設(shè)計的潤滑系統(tǒng)進一步防止鑄造過程中的抱芯與拉漏現(xiàn)象，同時通過調(diào)整芯模(I)的高度，達到控制芯模出口(115)與液穴根部(35)距離為小于芯模(I)總高度的二分之一，當(dāng)液穴根部(35)高于芯模出口(115)的距離為二分之一芯模高度時，抱芯將發(fā)生；當(dāng)液穴根部(35)低于芯模出口(115)的距離為二分之一芯模高度時，拉漏將發(fā)生，所述的芯模出口( 115)與液穴根部(35)距離最佳為小于芯模(I)總高度的四分之一。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的一種生產(chǎn)鋁合金空心鑄錠的設(shè)備的使用方法，采用同水平澆注多根鑄造的方式，當(dāng)熔體(32)通過流道(31)進入分流器(26)時，熔體(32)被擋塊(27)擋住后沿周向進入分流器(26 )中，進入分流器(26 )后熔體(32 )通過分流孔(28 )被均勻地分配到型腔(5)內(nèi)。
全文摘要
本發(fā)明涉及鋁合金技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種生產(chǎn)鋁合金空心鑄錠的設(shè)備及其使用方法。本發(fā)明的一種生產(chǎn)鋁合金空心鑄錠的設(shè)備，包括芯模，結(jié)晶器，支架，引錠，其中芯模位于結(jié)晶器中心，并且芯模與結(jié)晶器同心，設(shè)置在結(jié)晶器上的支架用于支撐芯模，引錠設(shè)置在芯模下部，芯模與結(jié)晶器中間的空間為型腔，所述的芯模設(shè)計成上大下小的錐度，其錐度大小為1o～30o，芯模中設(shè)置冷卻系統(tǒng)和潤滑系統(tǒng)，所述的結(jié)晶器的鋁套內(nèi)的水腔中設(shè)置線圈，并且結(jié)晶器上設(shè)置有分流器和擋塊；本發(fā)明一種生產(chǎn)鋁合金空心鑄錠的設(shè)備及方法，減小了鋁合金空心鑄造過程中鑄錠與芯模之間摩擦力，避免了抱芯和拉漏現(xiàn)象的產(chǎn)生。
文檔編號B22D11/04GK102806323SQ201210255198
公開日2012年12月5日 申請日期2012年7月23日 優(yōu)先權(quán)日2012年7月23日
發(fā)明者張海濤, 崔建忠, 秦克 申請人:東北大學(xué)