CN105149529B - 一种温控型金属铸造方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种温控型金属铸造方法，包括以下步骤：步骤一：对坩埚中的金属熔液进行搅拌，使其达到成分混合均匀、温度分布均匀；步骤二：将坩埚中的金属熔液通过导流管流入均匀化装置中；步骤三：通过均匀化装置的螺旋管道的作用将金属熔液形成均匀化湍流，并在冷却管道的作用下，均匀化装置出口的金属温度降低至固相线以下；步骤四：在拉伸装置的作用下，将均匀化装置出口的金属连续拉制成金属铸坯。本发明提供的温控型金属铸造方法，制备的金属铸件表面光泽度高、内部结构致密、晶粒大小均一、无偏析和裂纹而且，可塑性高、质量高，而且节约能源，简化工艺、生产效率高。

Description

一种温控型金属铸造方法

技术领域

本发明涉及金属铸造技术领域，尤其涉及一种温控型金属铸造方法。

背景技术

金属铸造是将金属熔炼成符合一定要求的液体并浇进铸型里，经冷却凝固、清整处理后得到有预定形状、尺寸和性能的铸件的工艺过程。它在金属的生产中具有举足轻重的地位。随着金属材料种类和产品品种的不断增加，应用领域的快速拓展，以及高新技术的迅猛发展和人们生活水平的日益提高，世界面临环境恶化、资源与能源短缺的现状，对金属铸造过程的节能降耗、短流程、高效率、低成本以及铸坯质量的要求越来越高。

目前金属铸造所采用的铸型主要有冷却铸型(简称“冷型”)、加热铸型(简称“热型”)和两相区铸型。大规模产业化多采用冷却铸型，即通过对铸型四周施加循环水进行强制冷却，使得铸型温度远低于金属的固相线温度以下，金属熔体首先在铸型的急冷作用下凝固，并逐渐向中心生长，最终获得从铸坯表面往芯部的微观组织分别为细小等轴晶、垂直于表面的柱状晶和粗大等轴晶的铸坯。这种工艺易形成树枝状晶，产生偏析、缩孔和疏松等缺陷，影响铸件质量。加热铸型是在铸型出口附近对已凝固金属进行强制冷却，在凝固金属与未凝固熔体间建立起沿拉坯方向的高温度梯度，使其具备定向凝固条件，从而连续获得具有单向凝固的连续柱状晶或单晶组织的无限长铸坯。利用热型连铸方法可获得表面光洁度好、具有连续柱状晶，但能耗大、生产效率低。两相区铸造方法是将铸型温度控制在金属的固液两相区温度范围内，并在两相区铸型出口附近对已凝固金属进行强制冷却，获得铸坯。该工艺能活动优良铸坯，但不能用于纯金属和共晶合金的铸造成形，且存在着铸型加热温度高、能耗大、拉坯速度不能太快等不足。可见，开发一种节约能源、生产效率和成材率高的铸造设备和铸造方法，提高金属铸坯表面光洁度、内部致密度，具有十分重要的意义。

中国专利201310053924.3提供了一种金属型重力铸造方法：金属液重力浇铸到金属型模具后，在模具浇口杯位置使用挤压杆对所述模具型腔进行垂直向下挤压，使液体金属在压力下凝固、流动成形，已凝固金属在压力下发生塑性变形，使得铸件无缩孔、缩松等缺陷，组织细密，力学性能提高，减小冒口与加工余量，金属利用率高。但该现有技术仅仅适用于纯金属铸造，对于合金铸件，由于重力因素的影响，铸造成型的器件内部成分不会均，最终会影响铸件的整体质量。

中国专利201310140939.3提供了一种温型铸造方法，其特征为：铸型通过加热器进行加热，或者利用进入铸型之前的金属熔体传导的热量加热铸型，使铸型温度保持在低于金属的固相线温度且高于冷却铸型温度的范围内；通过铸型出口附近设置的冷却器对金属进行强制冷却；用牵引机构对金属铸坯进行拉制。虽然该现有技术中提供了该温型铸造方法的装置，但该装置在铸造过程中金属液体中间和周边的温度不一样，造成晶粒大小不均，最终会影响铸件的强度。可见，该技术也没有彻底解决金属铸件质量的问题。

发明内容

为克服现有技术中存在的铸造中能耗高、铸件内部组织不致密、晶粒大小不均匀等的问题，本发明提供了一种温控型金属铸造方法，采用本发明提供的制备工艺，铸造出来的金属铸件表面光泽度高、内部结构致密、晶粒大小均一、可塑性高、质量高。

本发明首先公开了一种温控型金属铸造装置，包括盛料装置、均匀化装置、拉伸装置，其特征在于：所述盛料装置包括坩埚、坩埚顶盖、电磁搅拌器、导流管；所述均匀化装置包括螺旋管道、内部保温层、冷却管道、外部保温层；所述拉伸装置包括加热装置和牵引机构；所述电磁搅拌器包覆盛料装置的周围；其连接关系为：所述均匀化装置的上端连接盛料装置下方的导流管；所述拉伸装置连接均匀化装置的下端。所述盛料装置还包括导热棒，所述导热棒的下端为圆球面，所述导热棒竖直插于坩埚的中心位置。

本发明首先还公开了一种温控型金属铸造方法，包括以下步骤：

步骤一：对坩埚中的金属熔液进行搅拌，使其达到成分混合均匀、温度分布均匀；

步骤二：将坩埚中的金属熔液通过导流管流入均匀化装置中；

步骤三：通过均匀化装置的螺旋管道的作用将金属溶熔液形成均匀化湍流，并在冷却管道的作用下，均匀化装置出口的金属温度降低至固相线以下；

步骤四：在拉伸装置的作用下，将均匀化装置出口的金属连续拉制成金属铸坯。

进一步，所述步骤一还包括在坩埚的中心位置通过导热棒将坩埚中心的热量及时传导出去。

进一步，所述步骤四还包括在牵引机构的上部通过加热装置对预拉伸的金属进行温度调控。

进一步，所述步骤一中进行搅拌的方式为电磁搅拌。

进一步，所述步骤三中均匀化装置的螺旋管道为单螺旋或双螺旋结构。

进一步，所述步骤一中坩埚边缘的金属熔液切向力f_D满足下述关系

其中，f_D为坩埚边缘部的金属液体的切向力；

D为坩埚的直径；

B₀为金属熔液的磁感应强度；

σ为进入熔液的电导率；

ω为感应线圈的角频率；

t为搅拌时间；

μ为磁导率。

进一步，所述步骤三中均匀化装置的螺旋管道的长度L和管道与水平面的夹角θ的关系为：

其中，L为螺旋管道的长度；

ρ为金属熔液的密度；

g为重力加速度；

ζ为金属熔液的热传导系数；

θ为螺旋管道与水平面的夹角；

t₁为螺旋管道下端口的金属熔液的温度；

t₂为螺旋管道上端口的金属熔液的温度；

T为单位时间内金属熔液温度差。

x为单位时间金属熔液在x方向上产生的位移；

y为单位时间金属熔液在y方向上产生的位移；

z为单位时间金属熔液在z方向上产生的位移；

N_i为时间内单位金属熔液体积数，其中i＝1,2，3，……n。

作为本发明可选的一种实施方式，步骤一中所述导热棒为石墨棒或碳化硅棒，且外部包覆耐火材料层。

作为本发明可选的一种实施方式，步骤一中所述导热棒金属棒为双层套管，外层套管为高熔点金属管，内层套管为低熔点金属管，循环水从内层金属管道中流入，从外层金属管道中流出。

进一步，所述的均匀化装置与水平面具有倾斜夹角，所述夹角为15-45度，优选为30度。

进一步，所述均匀化装置的螺旋管道内壁设有螺旋纹，使其管道为螺旋通道，其螺旋通道可以为单螺旋结构，也可为多螺旋结构，如双螺旋结构，三螺旋结构等。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

(1)本发明提供的温控型金属铸造方法，采用电磁搅拌，使得坩埚内的金属熔液各成分混合均匀，而且及时将坩埚的中心区域的热量通过导热棒传递出去，加强了金属熔液内部的散热，提高温度场分布的均度，更利用金属晶粒的细化，制备的金属铸件表面光泽度高、内部结构致密、晶粒大小均一、无偏析和裂纹而且，可塑性高、质量高，而且节约能源，简化工艺、生产效率高。

(2)本发明提供的温控型金属铸造方法，工艺步骤中采用螺旋管道，有利于金属液体内部产生强烈的湍流，从而避免形成层流，进一步达到细化晶粒的目的，并且实现温度场和成分场的均匀化分布。

(3)本发明提供的温控型金属铸造方法，将牵引机构的上部进行加热，在进行牵引时使金属铸件处于最佳塑性的温度区间，避免牵引时内部出现微裂纹而影响铸件的整体性能。

(4)本发明提供的温控型金属铸造方法，几乎可以应用于所有的金属铸造成形，如纯金属、合金(如铝合金、铜合金、钛合金、镁合金等)，不仅能用于金属铸件的成型，而且也能生产金属线材、棒材、带材、管材、板材等产品。

附图说明

图1是本发明提供的温控型金属铸造方法所使用的铸造装置的结构示意图；

图2是发明实施例2的导热棒的结构示意图；

图3是发明实施例2的导热棒的截面示意图；

图1中附图标记说明：

盛料装置100、均匀化装置200、拉伸装置300；坩埚1、坩埚顶盖2、电磁搅拌器3、导热棒4、金属液体5、导流管6、螺旋管道7、内部保温层8、冷却管道9、外部保温层10、加热装置11、牵引机构12；

图2-3中附图标记说明：

箭头表示流体方向，×表示流体进入方向，·表示流体出来方向。

具体实施方式

以下结合附图和实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

实施例1

如图1所示，一种温控型金属铸造装置，包括盛料装置100、均匀化装置200、拉伸装置300；其中，盛料装置100包括坩埚1、坩埚顶盖2、电磁搅拌器3、导流管6；均匀化装置200包括螺旋管道7、内部保温层8、冷却管道9、外部保温层10；拉伸装置200包括加热装置11和牵引机构12；电磁搅拌器3包覆盛料装置的周围。此外，盛料装置100、均匀化装置200、拉伸装置300的连接关系为：均匀化装置200的上端连接盛料装置100下方的导流管6，拉伸装置300连接均匀化装置200的下端。

上述温控型金属铸造装置的盛料装置100还可包括导热棒4，导热棒4的下端为圆球面，其竖直插于坩埚2的中心位置。导热棒4为石墨棒或碳化硅棒，且外部包覆有耐火材料层。

加热装置11包覆牵引机构12的上半部，加热装置11采用电磁感应加热。

均匀化装置200与水平面具有倾斜夹角，角为15-45度，具体可以为15、20、25、30、40、45等。均匀化装置200的螺旋管道7内壁设有螺旋纹，使其管道为螺旋通道，其螺旋通道可以为单螺旋结构。坩埚1、坩埚顶盖2为氧化钙材质或氧化镁材质。内部保温层8为氧化铝陶瓷纤维层，外部保温层10为耐火材料。

本发明提供的温控型金属铸造装置，制备的金属铸件表面光泽度高、内部结构致密、晶粒大小均一、无偏析和裂纹而且，可塑性高、质量高，而且节约能源，简化工艺、生产效率高。

实施例2

可参考图1-3的装置图，一种温控型金属铸造方法，包括以下步骤：

步骤一：对坩埚2中的金属熔液5进行搅拌，使其达到成分混合均匀、温度分布均匀；在坩埚2的中心位置通过导热棒4将坩埚2中心的热量及时传导出去；

步骤二：将坩埚2中的金属熔液5通过导流管6流入均匀化装置200中；

步骤三：通过均匀化装置200的螺旋管道7的作用将金属溶熔液5形成均匀化湍流，并在冷却管道9的作用下，均匀化装置200出口的金属温度降低至固相线以下；

步骤四：在牵引机构12的上部通过加热装置11对预拉伸的金属进行温度调控；在拉伸装置300的作用下，将均匀化装置出口的金属连续拉制成金属铸坯。

其中，

步骤一中进行搅拌的方式为电磁搅拌，导热棒(4)为双层套管，外层套管为高熔点金属，内层套管可为其他低熔点金属，循环水从内层金属管道中流入，从外层金属管道中流出。

步骤三中均匀化装置200的螺旋管道7为单螺旋或双螺旋结构。

另外，发明人经过长期的实验，对步骤一中坩埚边缘的金属熔液切向力f_D进行研究，并结合数理模型和数学关系推导，得出如下关系：

其中，f_D为坩埚边缘部的金属熔液的切向力；

D为坩埚的直径；

B₀为金属熔液的磁感应强度；

σ为金属熔液的电导率；

ω为感应线圈的角频率；

t为搅拌时间；

μ为金属熔液的磁导率。

发明人还对步骤三中的均匀化装置(200)进行了数理建模，并进行数学关系推导，得出螺旋管道(7)的长度L和管道与水平面的夹角θ的关系为：

其中，L为螺旋管道(7)的长度；

ρ为金属熔液的密度；

g为重力加速度；

ζ为金属熔液的热传导系数；

θ为螺旋管道(7)与水平面的夹角；

t₁为螺旋管道(7)下端口的金属熔液的温度；

t₂为螺旋管道(7)上端口的金属熔液的温度；

T为单位时间内金属熔液温度差。

x为单位金属熔液在x方向上产生的位移；

y为单位金属熔液在y方向上产生的位移；

z为单位金属熔液在z方向上产生的位移；

N_i为时间内单位金属熔液体积数，其中i＝1,2，3，……n。

本发明提供的温控型金属铸造方法，采用螺旋管道，有利于金属液体内部产生强烈的湍流，从而避免形成层流，进一步达到细化晶粒的目的，并且实现温度场和成分场的均匀化分布；将牵引机构的上部进行加热，在进行牵引时使金属铸件处于最佳塑性的温度区间，避免牵引时内部出现微裂纹而影响铸件的整体性能。

本发明提供的温控型金属铸造方法，几乎可以应用于所有的金属铸造成形，如纯金属、合金(如铝合金、铜合金、钛合金、镁合金等)，不仅能用于金属铸件的成型，而且也能生产金属线材、棒材、带材、管材、板材等产品。

上述说明示出并描述了本发明的优选实施例，如前所述，应当理解本发明并非局限于本文所披露的形式，不应看作是对其他实施例的排除，而可用于各种其他组合、修改和环境，并能够在本文所述发明构想范围内，通过上述教导或相关领域的技术或知识进行改动。而本领域人员所进行的改动和变化不脱离本发明的精神和范围，则都应在本发明所附权利要求的保护范围内。

Claims (7)

1.一种温控型金属铸造方法，包括以下步骤：

步骤一：对坩埚(2)中的金属熔液(5)进行搅拌，使其达到成分混合均匀和温度分布均匀；

步骤二：将坩埚(2)中的金属熔液(5)通过导流管(6)流入均匀化装置(200)中；

步骤三：通过均匀化装置(200)的螺旋管道(7)的作用将金属熔液(5)形成均匀化湍流，并在冷却管道(9)的作用下，均匀化装置(200)出口的金属温度降低至固相线以下；

步骤四：在拉伸装置(300)的作用下，将均匀化装置出口的金属连续拉制成金属铸坯；

所述步骤一还包括在坩埚(2)的中心位置通过导热棒(4)将坩埚(2)中心的热量及时传导出去。

2.根据权利要求1所述的一种温控型金属铸造方法，其特征在于：所述步骤四还包括在牵引机构(12)的上部通过加热装置(11)对预拉伸的金属进行温度调控。

3.根据权利要求1所述的一种温控型金属铸造方法，其特征在于：所述步骤一中进行搅拌的方式为电磁搅拌。

4.根据权利要求1所述的一种温控型金属铸造方法，其特征在于：所述步骤三中均匀化装置(200)的螺旋管道(7)为单螺旋或双螺旋结构。

5.根据权利要求2所述的一种温控型金属铸造方法，其特征在于：步骤一中所述导热棒(4)为石墨棒或碳化硅棒，且外部包覆由耐火材料层。

6.根据权利要求2所述的一种温控型金属铸造方法，其特征在于：步骤一中所述导热棒(4)为双层套管，外层套管为高熔点金属管，内层套管为低熔点金属管，循环水从内层金属管道中流入，从外层金属管道中流出。

7.根据权利要求1所述的一种温控型金属铸造方法，其特征在于：步骤二中所述的均匀化装置(200)与水平面具有倾斜夹角，所述夹角为15-45度。