一种气压充型的半连续铸造方法和装置

摘要

本发明公开一种气压充型的半连续铸造方法及装置，其方法是通过在中间包和结晶器之间设置浇流道，并控制浇流道出口处金属熔体的流速，强化金属熔体在液穴内的对流效果和搅拌作用，从而细化铸锭中的晶体。其装置包括中间包、导流槽、柱塞棒、浇流道和结晶器，中间包一侧设置导流槽，导流槽与中间包的接口处设置柱塞棒，中间包与结晶器之间通过浇流道连接，浇流道的出口处形成液穴；中间包为密封式结构，且中间包顶部外接气压控制系统。本发明可达到使铸锭组织和成分均匀、消除粗大柱状晶、形成晶粒细小的等轴晶、抑制铸锭中宏观成分偏析的目的。

权利要求

1.一种气压充型的半连续铸造方法，其特征在于，通过在中间包和结晶器之间设置浇流道，并控制浇流道出口处金属熔体的流速，强化金属熔体在液穴内的对流效果和搅拌作用，从而细化铸锭中的晶体；

所述浇流道出口处金属熔体的流速控制是通过调节中间包内的气体压力来实现的，浇流道出口处金属熔体的流速和中间包内的气体压力之间满足以下关系式：式中：v为浇流道出口处金属熔体的流速，P为中间包内的气体压力，ρ为金属液的密度，g为重力加速度，H为中间包的液面与浇流道出口处的高度差，D为浇流道入口处的直径，d为浇流道出口处的开口直径，n为浇流道出口处的开口数量。

2.根据权利要求1所述一种气压充型的半连续铸造方法，其特征在于，所述中间包内的气体压力通过外接的气压控制系统进行实时调节。

3.用于权利要求1或2所述方法的一种气压充型的半连续铸造装置，其特征在于，包括中间包、导流槽、柱塞棒、浇流道和结晶器，中间包一侧设置导流槽，导流槽与中间包的接口处设置柱塞棒，中间包与结晶器之间通过浇流道连接，浇流道的出口处形成液穴；中间包为密封式结构，且中间包顶部外接气压控制系统。

4.根据权利要求3所述一种气压充型的半连续铸造装置，其特征在于，所述浇流道为圆管状流道，浇流道的顶部与中间包相通，浇流道的底部位于结晶器内，浇流道的底部端面密封，靠近底部端面的浇流道侧壁上开有作为浇流道出口的多个开口，各开口倾斜设置。

5.根据权利要求4所述一种气压充型的半连续铸造装置，其特征在于，所述浇流道出口处，多个开口沿浇流道的圆周方向均匀分布，各开口分布向下倾斜，各开口的中线与浇流道的轴线之间成15～60°的夹角。

6.根据权利要求3所述一种气压充型的半连续铸造装置，其特征在于，所述中间包底部设有称重传感器，称重传感器与气压控制系统连接。

7.根据权利要求3所述一种气压充型的半连续铸造装置，其特征在于，所述浇流道外周设有支撑架，中间包和称重传感器均设于支撑架上。

8.根据权利要求3所述一种气压充型的半连续铸造装置，其特征在于，所述结晶器上设有冷却水道，结晶器底部设有牵引夹头。

说明书

一种气压充型的半连续铸造方法和装置

技术领域

[0001] 本发明涉及金属材料成型技术领域，特别涉及一种气压充型的半连续铸造方法和装置。

背景技术

[0002] 半连续铸造是制备金属材料铸锭的一种重要手段，在有色合金工领域得到了广泛应用。但针对一些结晶温度范围宽的铜合金(如铜镍锡合金等)，在大规格铸锭的半连续铸造过程中很容易产生粗大的柱状晶和严重的宏观成分偏析。大量生产实践表明，加强半连续铸造过程中结晶器区域液穴中的熔体搅拌，是抑制粗大柱状晶和宏观成分偏析的有效途径。

[0003] 针对强化液穴区熔体搅拌，国内外在传统半连续铸造方法的基础上，相继开发了一些新的铸造方法和装置。如：公开号为US 4612970的申请公开了一种连续铸造设备，包括振动模具、模具升降平台、固定框架和引导装置，利用振动模具加强熔体搅拌，但该设备中的叶板弹簧必须具有适当的机械参数以承受模具组件的惯性，技术难度大，不易控制，搅拌效果有限；申请号为201210143369.9所公开的一种铸造装置和铸造方法，利用超声装置进行熔体搅拌，可细化铸锭晶粒，但超声波作用范围有限，不能解决大规格铸锭晶粒粗大和成分偏析等问题；日本特开昭63-188461号公报和日本特开昭60-44157号公报分别公开了利用电磁搅拌的连续铸造装置，有一定的晶粒细化效果；申请号为201310443606.8所公开的连续铸造高度取向均匀细晶制造方法与装置，提出了一种连续铸造制备取向均匀细晶组织的方法及制备装置，也应用了电磁制动及电磁搅拌技术，但由于这类方法需在靠近高温熔体处配置电磁线圈，不仅需要冷却线圈，而且功率消耗大，特别是装置复杂，维护难度大；申请号为JP 0213765的申请公开了一种金属连续铸造过程中调节金属液面的方法和装置，其主要原理是根据所需液面与实际测出液面比较的结果，调节止动杆位置，液面测量用单一感应式传感器或光学传感器进行，但是此方法和装置不能保证金属液在出口处的流速恒定，而且流速调节范围有限；公开号为US 4315538和US 5279353的申请所公开了的铸造方法和装置，分别是利用金属液的自身重量来搅拌液穴中的金属液，结构简单，但由于利用重力所产生的压力既不恒定也不可控，其搅拌效果非常有限。

[0004] 从半连续铸造过程中加强结晶区熔体搅拌的研究中可见，上述现有技术存在如下不足：

[0005] (1)采用振动的方法时，振动装置比较复杂，且振动导致晶粒细化的效果非常有限。

[0006] (2)采用电磁搅拌或者超声波搅拌时，其装置结构复杂，设备维护成本很高，而且晶粒细化效果有限，特别是针对大规格的铸锭或比重比较大的合金，要达到理想的搅拌效果，需要大幅度提高电磁场强度或超声波的功率，导致设备投入成本大幅度上升，技术难度显著加大。

发明内容

[0007] 本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种气压充型的半连续铸造方法，该方法原理简单，但可达到使铸锭组织和成分均匀、消除粗大柱状晶、形成晶粒细小的等轴晶、抑制铸锭中宏观成分偏析的目的。

[0008] 本发明的另一目的在于提供一种用于实现上述方法的气压充型的半连续铸造装置。

[0009] 本发明的技术方案为：一种气压充型的半连续铸造方法，通过在中间包和结晶器之间设置浇流道，并控制浇流道出口处金属熔体的流速，强化金属熔体在液穴内的对流效果和搅拌作用，从而细化铸锭中的晶体。

[0010] 所述浇流道出口处金属熔体的流速控制是通过调节中间包内的气体压力来实现的，浇流道出口处金属熔体的流速和中间包内的气体压力之间满足以下关系式：

[0011]

[0012] 式中：v为浇流道出口处金属熔体的流速，P为中间包内的气体压力，ρ为金属液的密度，g为重力加速度，H为中间包的液面与浇流道出口处的高度差，D为浇流道入口处的直径，d为浇流道出口处的开口直径，n为浇流道出口处的开口数量。

[0013] 所述中间包内的气体压力通过外接的气压控制系统进行实时调节。

[0014] 用于实现上述方法的一种气压充型的半连续铸造装置，包括中间包、导流槽、柱塞棒、浇流道和结晶器，中间包一侧设置导流槽，导流槽与中间包的接口处设置柱塞棒，中间包与结晶器之间通过浇流道连接，浇流道的出口处形成液穴；中间包为密封式结构，且中间包顶部外接气压控制系统。

[0015] 所述浇流道为圆管状流道，浇流道的顶部与中间包相通，浇流道的底部位于结晶器内，浇流道的底部端面密封，靠近底部端面的浇流道侧壁上开有作为浇流道出口的多个开口，各开口倾斜设置。通过各开口结构的设置，使得从浇流道流出的金属熔体对液穴内的金属熔体具有多方向的对流作用，从而加剧金属熔体的对流和搅拌作用，有利于液穴内的温度梯度减小，同时加剧已结晶组织的冲刷，促使其脱落和游流，从而有利于等轴晶的形成。

[0016] 为了使金属熔体在液穴内达到最佳的对流效果和搅拌作用，所述浇流道出口处，多个开口沿浇流道的圆周方向均匀分布，各开口分布向下倾斜，各开口的中线与浇流道的轴线之间成15-60°的夹角。

[0017] 所述中间包底部设有称重传感器，称重传感器与气压控制系统连接。称重传感器的作用是将中间包内的重量瞬时变化输送至气压控制系统，通过气压控制系统转化为瞬时质量差，再将该瞬时质量差计算出中间包内的瞬时液面高度差。

[0018] 所述浇流道外周设有支撑架，中间包和称重传感器均设于支撑架上。

[0019] 所述结晶器上设有冷却水道，结晶器底部设有牵引夹头。

[0020] 上述气压充型的半连续铸造方法及装置使用时，通过控制浇流道出口处金属熔体的流速，强化金属熔体在液穴内的对流效果和搅拌作用，从而细化铸锭中的晶体。使用过程中，随着半连续铸造过程的进行，中间包内的液面是不断下降的，即H是不断变化的，为了确保浇流道出口处金属熔体的流速v为恒定值，需要不断调整中间包内的气体压力P，具体方法如下：当中间包内的液面下降时，重力传感器将中间包的重量瞬时变化输送给气压控制系统，并通过气压控制系统转化为瞬时质量差Δm，再将该瞬时质量差计算出中间包内的瞬时液面高度差ΔH，通过液面高度差与压力差之间的关系ΔP＝ρgΔH，可以得到瞬时压力变化ΔP，然后通过气压控制器适时调整中间包内的气体压力P，从而可确保浇流道出口处金属熔体的流速v为恒定值。

[0021] 为了强化金属熔体在液穴内的对流效果，浇流道出口处金属熔体的流速v还可以通过改变各开口方向和各开口直径进行调整。

[0022] 本发明相对于现有技术，具有以下有益效果：

[0023] 本气压充型的半连续铸造方法及装置中，通过在中间包和结晶器之间设置特殊结构的浇流道，使金属熔体可在气压控制系统和浇流道的共同作用下进入结晶器液穴中，通过控制流速，促使铜合金熔体在液穴中形成强烈对流，从而达到使铸锭组织和成分均匀、消除粗大柱状晶、形成晶粒细小的等轴晶、抑制铸锭中宏观成分偏析的目的。具体表现为：

[0024] 1)金属熔体在浇流道出口处的流速可控，易于实现熔体中温度的均匀分布，促进晶核游离，从而大大细化铸锭的晶粒和抑制铸锭的成分偏析。

[0025] 2)该装置和方法原理简单，装置结构也简单，易于在传统铜合金半连续铸造装置上改造，通过设置气压控制系统和称重传感器，也容易实现自动化。

[0026] 3)该方法特别适合于制造大规格的锡白铜等易产生宏观成分偏析的铜合金铸锭。

附图说明

[0027] 图1为本气压充型的半连续铸造装置的结构示意图。

[0028] 图2为图1中浇流道的结构示意图。

[0029] 图3a为实施例2中，根据传统半连续铸造工艺所制得铸锭的晶粒形貌图。

[0030] 图3b为实施例2中，根据本半连续铸造方法所制得铸锭的晶粒形貌图。

[0031] 图4a为实施例3中，根据传统半连续铸造工艺所制得铸锭的晶粒形貌图。

[0032] 图4b为实施例3中，根据本半连续铸造方法所制得铸锭的晶粒形貌图。

具体实施方式

[0033] 下面结合实施例及附图，对本发明作进一步的详细说明，但本发明的实施方式不限于此。

[0034] 实施例1

[0035] 本实施例一种气压充型的半连续铸造方法，通过在中间包和结晶器之间设置浇流道，并控制浇流道出口处金属熔体的流速，强化金属熔体在液穴内的对流效果和搅拌作用，从而细化铸锭中的晶体。

[0036] 浇流道出口处金属熔体的流速控制是通过调节中间包内的气体压力来实现的，浇流道出口处金属熔体的流速和中间包内的气体压力之间满足以下关系式：

[0037]

[0038] 式中：v为浇流道出口处金属熔体的流速，P为中间包内的气体压力，ρ为金属液的密度，g为重力加速度，H为中间包的液面与浇流道出口处的高度差，D为浇流道入口处的直径，d为浇流道出口处的开口直径，n为浇流道出口处的开口数量。

[0039] 中间包内的气体压力通过外接的气压控制系统进行实时调节。

[0040] 用于实现上述方法的气压充型的半连续铸造装置，如图1所示，包括中间包1、导流槽2、柱塞棒3、浇流道4和结晶器5，中间包一侧设置导流槽，导流槽与中间包的接口处设置柱塞棒，中间包与结晶器之间通过浇流道连接，浇流道的出口处形成液穴6；中间包为密封式结构，且中间包顶部外接气压控制系统7。其中，通过柱塞棒的开启，可使导流槽内的金属熔体流入中间包中，通过柱塞棒的关闭，可阻止导流槽内的金属熔体流入中间包中。

[0041] 如图2所示，浇流道为圆管状流道，浇流道的顶部与中间包相通，浇流道的底部位于结晶器内，浇流道的底部端面密封，靠近底部端面的浇流道侧壁上开有作为浇流道出口的多个开口4-1，各开口倾斜设置。通过各开口结构的设置，使得从浇流道流出的金属熔体对液穴内的金属熔体具有多方向的对流作用，从而加剧金属熔体的对流和搅拌作用，有利于液穴内的温度梯度减小，同时加剧已结晶组织的冲刷，促使其脱落和游流，从而有利于等轴晶的形成。

[0042] 为了使金属熔体在液穴内达到最佳的对流效果和搅拌作用，浇流道出口处，多个开口沿浇流道的圆周方向均匀分布，各开口分布向下倾斜，各开口的中线与浇流道的轴线之间成15～60°的夹角θ。

[0043] 中间包底部还设有称重传感器8，称重传感器与气压控制系统连接。称重传感器的作用是将中间包内的重量瞬时变化输送至气压控制系统，通过气压控制系统转化为瞬时质量差，再将该瞬时质量差计算出中间包内的瞬时液面高度差。

[0044] 浇流道外周设有支撑架9，中间包和称重传感器均设于支撑架上。

[0045] 结晶器上设有冷却水道10，结晶器底部设有牵引夹头11。

[0046] 上述气压充型的半连续铸造方法及装置使用时，通过控制浇流道出口处金属熔体的流速，强化金属熔体在液穴内的对流效果和搅拌作用，从而细化铸锭中的晶体。使用过程中，随着半连续铸造过程的进行，中间包内的液面是不断下降的，即H是不断变化的，为了确保浇流道出口处金属熔体的流速v为恒定值，需要不断调整中间包内的气体压力P，具体方法如下：当中间包内的液面下降时，重力传感器将中间包的重量瞬时变化输送给气压控制系统，并通过气压控制系统转化为瞬时质量差Δm，再将该瞬时质量差计算出中间包内的瞬时液面高度差ΔH，通过液面高度差与压力差之间的关系ΔP＝ρgΔH，可以得到瞬时压力变化ΔP，然后通过气压控制器适时调整中间包内的气体压力P，从而可确保浇流道出口处金属熔体的流速v为恒定值。

[0047] 为了强化金属熔体在液穴内的对流效果，浇流道出口处金属熔体的流速v还可以通过改变各开口方向和各开口直径进行调整。

[0048] 实施例2

[0049] 本实施例中，铜镍锡合金是一种结晶温度很宽的固溶体合金，在缓慢冷却时，铸锭组织中易出现粗大的树状枝晶，Sn溶质易沿着枝晶间向外移动，形成锡的反偏析。

[0050] 第一：利用实施例1的半连续铸造方法及装置，采取如下工艺：

[0051] (1)合金成分为Cu-15Ni-8Sn。铸锭规格为φ180mm。

[0052] (2)铸造过程中的工艺参数如下：浇注温度为1250～1260℃，铸锭牵引速度为1.6mms/s，冷却水的压力为0.06MPa，充压气体为氩气。

[0053] (3)浇流道的入口直径D为3.7mm，浇流道出口处的各开口直径d为1.5mm，共设6个开口，浇流道中心线和各开口中心线的的夹角θ为60°。根据该方案，导流管出口处的速度v约是铸锭牵引速度的2400倍。因此，对液穴内的金属熔体具有很强的搅拌作用。

[0054] 第二：利用传统半连续铸造工艺制取合金成分和规格相同的尺寸。

[0055] 将两种不同工艺得到的铸锭进行分析，结果如下：

[0056] 通过第一种铸造工艺获得的铸锭外观良好，晶粒细小且全部为等轴晶，如图3b所示(图3a所示为第二种铸造工艺所获得铸锭的晶粒形貌图)，两者相比较，第一种铸造工艺获得铸锭的晶粒由传统半连续铸造的1.54～6.23mm下降到0.48～1.15mm，同时铸锭中的锡反偏析也基本消除(对比结果具体见表1)。

[0057] 表1 Cu-15Ni-8Sn合金铸态宏观成分能谱面分析(Sn)

[0058]

[0059] 实施例3

[0060] 本实施例中，铜镍锡合金是一种结晶温度很宽的固溶体合金，在缓慢冷却时，铸锭组织中易出现粗大的树状枝晶，Sn溶质易沿着枝晶间向外移动，形成锡的反偏析。

[0061] 第一：利用实施例1的半连续铸造方法及装置，采取如下工艺：

[0062] (1)合金成分为Cu-15Ni-8Sn-0.35Ti。铸锭规格为φ350mm。

[0063] (2)铸造过程中的工艺参数如下：浇注温度为1250～1260℃，铸锭牵引速度为1.1mms/s，冷却水的压力为0.1MPa，充压气体为氩气。

[0064] (3)浇流道的入口直径D为9.8mm，浇流道出口处的各开口直径d为4mm，共设6个开口，浇流道中心线和各开口中心线的的夹角θ为15°。根据该方案，导流管出口处的速度v约是铸锭牵引速度的1280倍。因此，对液穴内的金属熔体具有很强的搅拌作用。

[0065] 第二：利用传统半连续铸造工艺制取合金成分和规格相同的尺寸。

[0066] 将两种不同工艺得到的铸锭进行分析，结果如下：

[0067] 通过第一种铸造工艺获得的铸锭外观良好，晶粒细小且全部为等轴晶，如图4b所示(图4a所示为第二种铸造工艺所获得铸锭的晶粒形貌图)，两者相比较，第一种铸造工艺获得铸锭的晶粒由传统半连续铸造的1.60～6.35mm下降到0.51～1.27mm，同时铸锭中的锡反偏析也基本消除(对比结果具体见表2)。

[0068] 表2 Cu-15Ni-8Sn-0.35Ti合金铸态宏观成分能谱面分析(Sn)

[0069]

[0070] 如上所述，便可较好地实现本发明，上述实施例仅为本发明的较佳实施例，并非用来限定本发明的实施范围；即凡依本发明内容所作的均等变化与修饰，都为本发明权利要求所要求保护的范围所涵盖。