CN105772664B - 一种用于电磁搅拌的气滑结晶器装置及其应用方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于金属材料加工领域，特别涉及一种用于电磁搅拌的气滑结晶器装置及其应用方法。本发明装置由热顶、压环、节流器、定径环、进气管、结晶器壳体、上密封圈、下密封圈、气体密封圈和电磁搅拌器构成；进气管通过结晶器壳体上的气孔把气体送入组合式节流器，气体经节流器后在结晶器与铝熔体之间形成气垫。由热顶、气垫、定径环以及铸坯底部凝固壳或引锭座形成的封闭容器起到约束铝熔体成型的作用，在结晶器内凝固潜热主要经由气垫、定径环和冷却水带走。外加电磁搅拌促进温度场的均匀化，加快散热，改善铸锭成分和组织均匀性。

Description

一种用于电磁搅拌的气滑结晶器装置及其应用方法

技术领域

本发明属于金属材料加工领域，特别涉及一种用于电磁搅拌的气滑结晶器装置及其应用方法。

背景技术

连铸机是现代冶金工业连铸工艺主要设备，其核心是结晶器，结晶器的发展代表了连铸技术的发展。这一点在铝合金连铸过程中表现特别显著。直接水冷铸造可称之为最早定型的连铸技术，冷隔、波纹、熔析、折叠或坑凹表面缺陷等是直接水冷铸造的问题。后来发展的热顶铸造技术，包含加润滑剂的工艺在一定程度上减轻了冷隔和熔析缺陷，但伴随冷隔的反偏析、偏析以及内外组织差异仍然比较明显。

US3467166提出电磁无模铸造，使用电磁力约束铝熔体成型，起到减小一冷强度和减少摩擦的作用。基本解决了表面冷隔和反偏析问题，但该装置昂贵，控制难度大，未获得持续的商业应用。US4157728提出了气体加压热顶铸造法，该方法的目的是用气膜起到减小一冷强度和润滑的作用。目前工业界较流行，衍生工艺包括US7204295和US5318098，统称为气滑铸造工艺。气滑铸造制备的铸坯表面质量获得了市场的认可，但对铸坯半径方向内外成分和组织差异无能为力。目前US4157728和US5318098均已过保护期，US4157728结晶器为一体化结构，加工难度大，没有安装电磁搅拌器的空间。US5318098结晶器也是一体化结构，加工难度大，可以外置电磁搅拌器，但尚未解决电磁搅拌对气膜影响的问题。US7204295结晶器为分体结构，加工精度和装配要求高，没有安装电磁搅拌器的空间。

随着社会的发展和科技的进步，对铸坯内部质量，特别是铸坯凝固组织等轴晶率及初生相形貌提出了更高的要求。电磁搅拌技术是对金属凝固过程进行控制的一种有效手段，有着广泛的应用和深厚的工业基础。设计一种适用于电磁搅拌的气垫结晶器，把气体润滑和电磁搅拌两者的优势同时发挥出来，能同时解决连续铸坯表面质量和内部质量问题。

发明内容

针对现有技术不足，本发明提供了一种用于电磁搅拌的气滑结晶器装置及其应用方法。

一种用于电磁搅拌的气滑结晶器装置，该装置由热顶、压环、节流器、定径环、进气管、结晶器壳体、上密封圈、下密封圈、气体密封圈和电磁搅拌器构成；其中定径环与结晶器径向之间为过盈配合，定径环上方由下至上依次设置节流器、热顶和压环，定径环、结晶器、节流器、热顶和压环为同心配合；压环带外螺纹，通过螺纹与结晶器连接；压环在定位热顶的同时，在纵向固定热顶和节流器；进气管中心穿孔，带外螺纹，并通过螺纹与结晶器连接；进气管与设置在结晶器上的气孔导通；节流器起到周向分配气体的作用，与结晶器之间通过气体密封圈密封；进气管、气孔与节流器形成一个完整的气体通路，把气体从外部气源输入定径环；结晶器外部设置电磁搅拌器，起到搅拌熔体的作用；结晶器上设置出水口，结晶器通过上密封圈和下密封圈与水箱连接，外部水源提供的冷却水进入水箱后从出水口排出。

所述一体化热顶的材质为硅酸铝、氧化铝、氧化镁或氧化硅。

所述可拆卸进气管通过两段螺纹与结晶器壳体固定相连，一方面起到加强筋的作用，另一方面把气体送入组合式节流器。

所述节流器为组合式节流器，其由上节流器和下节流器相连构成，二者相连构成储气室，组合式节流器使外部加压气体进入结晶器定径环与坯料间隙，产生节流效果，并形成具有一定承载力及刚度的稳定润滑气垫。

所述上节流器上设置有折流反射结构，使气垫沿拉坯方向运动。

所述下节流器上刻有截面为圆形、椭圆形、三角形、长方形、正方形或梯形等形状的槽，与上节流器配合形成封闭槽。

所述定径环的材质为石墨、铝合金或铜合金。

所述定径环与结晶器径向之间过盈配合的过盈量为0.1mm～0.4mm。

所述定径环内表面润湿角不小于90°，定径环内表面润湿角减去一体化热顶下沿润湿角大于等于10°。

所述电磁搅拌器为旋转型搅拌或行波搅拌器，用以促进温度场的均匀化，加快散热，改善铸锭成分和组织均匀性。

一种用于电磁搅拌的气滑结晶器装置的应用方法，包括如下步骤：

连铸方式采用立式和卧式中的一种或两种，可拆卸进气管通过结晶器壳体上的气孔把气体送入组合式节流器，气体经组合式节流器后在结晶器与熔体之间形成气垫；由一体化热顶、气垫、定径环以及铸坯底部凝固壳或引锭座形成的封闭容器起到约束铝熔体成型的作用，在结晶器内凝固潜热经由气垫、定径环和冷却水带走；通过外加电磁搅拌促进温度场和成分场的均匀化，加快散热，改善铸锭成分和组织均匀性。

通过改变一体化热顶尺寸来满足不同尺寸坯料连铸的要求；通过改变热顶内径和改变热顶与定径环之间间隙大小来改变初始气垫厚度，与弯月面形状匹配。

所述外加电磁搅拌的电磁搅拌形式为旋转式，螺旋式或翻滚式。

通过电磁场对弯月面的作用力使初始凝固点下移，根据计算机模拟和定径环温度测量获得初始凝固点高度确定气垫初始厚度。

本发明的有益效果为：

(1)一体化热顶设计，与过度环和导流管组合相比，减少了装配安装要求，降低了采购成本；

(2)可拆卸进气管降低了结晶器壳体的加工难度和成本；

(3)组合式节流器与双面分配盘和多孔石墨环相比，大幅度降低了加工难度和成本，增加了折流反射结构，有利于气垫的形成；

(4)与电磁无模铸造和气滑铸造相比，发挥了气体润滑和电磁搅拌的作用，同时解决了表面质量和内部质量问题。

附图说明

图1为本发明一种用于电磁搅拌的气滑结晶器装置的结构示意图；

图2为本发明结晶器局部放大图；

图3为本发明气垫计算示意图；

图4为本发明上节流器结构示意图，其中图4a为俯视图，图4b为剖视图，图4c为图4b局部视图；

图5为本发明下节流器结构示意图，其中图5a为俯视图，图5b为剖视图，图5c为图5b局部视图；

图6为本发明组合式节流器装配结构示意图，其中图6a为俯视图，图6b为剖视图，图6c为图6b局部视图；

图中标号：1-熔体、2-铸坯、3-热顶、4-压环、5-节流器、6-定径环、7-进气 管、8-结晶器、9-下密封圈、10-电磁搅拌器、11-气孔、12-出水口、13-气体密封圈、14-上密封圈、15-热顶下沿与熔体接触面、16-定径环内表面与熔体接触面、17-折流反射结构、18-封闭槽、19-储气室、h-热顶与定径环的相对高度、H-初始凝固点高度、L-初始气垫厚度。

具体实施方式

本发明提供了一种用于电磁搅拌的气滑结晶器装置及其应用方法，下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步说明。

一种用于电磁搅拌的气滑结晶器装置，该装置由一体化热顶3、压环4、节流器5、定径环6、可拆卸进气管7、结晶器8、上密封圈14、下密封圈9、气体密封圈13和电磁搅拌器10构成；其中定径环6与结晶器8径向为过盈配合，定径环6上方由下至上依次设置节流器5、热顶3和压环4，定径环6、结晶器8、节流器5、一体化热顶3和压环4为同心配合；压环4带外螺纹，通过螺纹与结晶器8连接；压环4在定位热顶3的同时，在纵向固定一体化热顶3和节流器5；可拆卸进气管7中心穿孔，带外螺纹，通过螺纹与结晶器8连接；可拆卸进气管7与设置在结晶器8上的气孔11导通；节流器5起到周向分配气体的作用，与结晶器8之间通过气体密封圈13密封；可拆卸进气管7、气孔11与节流器5形成一个完整的气体通路，把气体从外部气源输入定径环6；结晶器8外部设置电磁搅拌器10，起到搅拌熔体1的作用；结晶器8上设置出水口12，结晶器8通过上密封圈14和下密封圈9与水箱连接，外部水源提供的冷却水进入水箱后从出水口12排出。

所述一体化热顶3的材质为硅酸铝、氧化铝、氧化镁或氧化硅。

所述可拆卸进气管7通过两段螺纹与结晶器8固定相连，一方面起到加强 筋的作用，另一方面把气体送入组合式节流器。

所述节流器5为组合式节流器，其由上节流器和下节流器相连构成，二者相连构成储气室19，组合式节流器使外部加压气体进入结晶器8与坯料间隙前，产生节流效果，并形成具有一定承载力及刚度的稳定润滑气垫。

所述上节流器上设置有折流反射结构17，使气垫沿拉坯方向运动，如图2、图4所示，其中10mm＞h＞0。

所述下节流器上刻有截面为圆形、椭圆形、三角形、长方形、正方形或梯形等形状的槽，如图5所示，与上节流器配合形成封闭槽18，如图6所示。外部加压气体进入组合式节流器的储气室19，然后通过封闭槽18，产生节流效果，并形成具有一定承载力及刚度的稳定润滑气垫。

所述定径环6的材质为石墨、铝合金或铜合金。

所述定径环6与结晶器8径向之间过盈配合的过盈量为0.1mm～0.4mm。

所述定径环6内表面润湿角不小于90°，定径环8内表面润湿角减去一体化热顶3下沿润湿角大于等于10°。

所述电磁搅拌器10为旋转型搅拌或行波搅拌器，用以促进温度场的均匀化，加快散热，改善铸锭成分和组织均匀性。

图3中15为一体化热顶下沿与熔体接触面，16为定径环内表面与熔体接触面。电磁搅拌进一步减弱的一冷壳的厚度，电磁场对弯月面的作用力使初始凝固点下移，根据计算机模拟和定径环温度测量获得初始凝固点高度H确定气垫初始厚度L，如图3所示。

本发明采用的主要技术方案和方法为：通过组合设计定径环内表面和一体化热顶下沿与熔体接触角，选定定径环和一体化热顶材质和表面处理处理工艺。 根据计算机模拟和定径环温度测量获得初始凝固点高度H确定气垫初始厚度L。使从可拆卸进气管进来的气体沿拉坯方向形成气垫，气垫部分隔离了熔体和定径环，起到了减小一次冷却和加强对一冷壳润滑的作用，从而减少冷隔和反偏析，获得表面质量好的铸坯。此外通过外加电磁搅拌促进了金熔体的流动和传热，熔体的温度场和成分场趋于均匀，有利于获得高质量的铸坯。参数H和L的设计解决了电磁搅拌和气垫的耦合问题，能获得表面质量和内部质量优异的铸坯。

一种用于电磁搅拌的气滑结晶器装置的应用方法，包括如下步骤：

首先把引锭座伸入定径环6(2mm～10mm)，然后打开气体到预定值，打开冷却水到初始值，随即金属熔体注入流槽，启动牵引结构开始拉铸；然后开启电磁搅拌器10；一体化热顶3熔体温度稳定后即进入稳定状态；停止牵引前(1s～10s)关闭冷却水，停水后停止牵引前关闭电磁搅拌器10；停止牵引后移走铸坯，清理结晶器8；气体在清理完结晶器8后关闭。

所述气体用干燥空气、氩气或氮气等惰性气体。

Claims (16)

1.一种用于电磁搅拌的气滑结晶器装置，该装置由热顶、压环、节流器、定径环、进气管、结晶器壳体、上密封圈、下密封圈、气体密封圈和电磁搅拌器构成；其中定径环与结晶器壳体径向之间为过盈配合，定径环上方由下至上依次设置节流器、热顶和压环，定径环、结晶器壳体、节流器、热顶和压环为同心配合；压环与结晶器壳体连接；压环在定位热顶的同时，在纵向固定热顶和节流器；进气管中心穿孔，并与结晶器壳体连接；进气管与设置在结晶器壳体上的气孔导通；节流器与结晶器壳体之间通过气体密封圈密封；进气管、气孔与节流器形成一个完整的气体通路；结晶器壳体外部设置电磁搅拌器；结晶器壳体上设置出水口，结晶器壳体通过上密封圈和下密封圈与水箱连接。

2.根据权利要求1所述的一种用于电磁搅拌的气滑结晶器装置，其特征在于，所述热顶的材质为硅酸铝、氧化铝、氧化镁或氧化硅。

3.根据权利要求1所述的一种用于电磁搅拌的气滑结晶器装置，其特征在于，所述进气管通过螺纹与结晶器壳体固定相连。

4.根据权利要求1所述的一种用于电磁搅拌的气滑结晶器装置，其特征在于，所述节流器为组合式节流器，其由上节流器和下节流器相连构成，二者相连构成储气室。

5.根据权利要求4所述的一种用于电磁搅拌的气滑结晶器装置，其特征在于，所述上节流器上设置有折流反射结构。

6.根据权利要求4所述的一种用于电磁搅拌的气滑结晶器装置，其特征在于，所述下节流器上刻有截面为圆形、椭圆形、三角形、长方形、正方形或梯形的槽，与上节流器配合形成封闭槽。

7.根据权利要求1所述的一种用于电磁搅拌的气滑结晶器装置，其特征在于，所述定径环的材质为石墨、铝合金或铜合金。

8.根据权利要求1所述的一种用于电磁搅拌的气滑结晶器装置，其特征在于，所述定径环与结晶器壳体径向之间过盈配合的过盈量为0.1mm～0.4mm。

9.根据权利要求1所述的一种用于电磁搅拌的气滑结晶器装置，其特征在于，所述定径环内表面润湿角不小于90°，定径环内表面润湿角减去热顶下沿润湿角大于等于10°。

10.根据权利要求1所述的一种用于电磁搅拌的气滑结晶器装置，其特征在于，所述电磁搅拌器为旋转型搅拌或行波搅拌器。

11.如权利要求1～10任意一项权利要求所述的一种用于电磁搅拌的气滑结晶器装置的应用方法，其特征在于，包括如下步骤：

连铸方式采用立式或卧式，进气管通过结晶器壳体上的气孔把气体送入节流器，气体经节流器后在结晶器壳体与熔体之间形成气垫；由热顶、气垫、定径环以及铸坯底部凝固壳或引锭座形成的封闭容器起到约束铝熔体成型的作用，在结晶器壳体内凝固潜热经由气垫、定径环和冷却水带走；通过外加电磁搅拌促进温度场和成分场的均匀化，加快散热，改善铸锭成分和组织均匀性。

12.根据权利要求11所述的一种用于电磁搅拌的气滑结晶器装置的应用方法，其特征在于，通过改变热顶尺寸来满足不同尺寸坯料连铸的要求；通过改变热顶内径和改变热顶与定径环之间间隙大小来改变初始气垫厚度，与弯月面形状匹配。

13.根据权利要求11所述的一种用于电磁搅拌的气滑结晶器装置的应用方法，其特征在于，所述外加电磁搅拌的电磁搅拌形式为旋转式，螺旋式或翻滚式。

14.根据权利要求11所述的一种用于电磁搅拌的气滑结晶器装置的应用方法，其特征在于，通过电磁场对弯月面的作用力使初始凝固点下移，根据计算机模拟和定径环温度测量获得初始凝固点高度确定气垫初始厚度。

15.根据权利要求11所述的一种用于电磁搅拌的气滑结晶器装置的应用方法，其特征在于，包括如下步骤：

首先把引锭座伸入定径环，然后打开气体到预定值，打开冷却水到初始值，随即金属熔体注入流槽，启动牵引结构开始拉铸；然后开启电磁搅拌器；热顶熔体温度稳定后即进入稳定状态；停止牵引前关闭冷却水，停水后停止牵引前关闭电磁搅拌器；停止牵引后移走铸坯，清理结晶器；气体在清理完结晶器后关闭。

16.根据权利要求15所述的一种用于电磁搅拌的气滑结晶器装置的应用方法，其特征在于，所述气体用干燥空气、氩气或氮气。