CN111496199A

CN111496199A - 一种提高铸锭冷却速度的装置及其使用方法

Info

Publication number: CN111496199A
Application number: CN201910089887.9A
Authority: CN
Inventors: 曾龙; 张卫; 夏明许; ***
Original assignee: Shanghai Jiaotong University
Current assignee: Shanghai Jiaotong University
Priority date: 2019-01-30
Filing date: 2019-01-30
Publication date: 2020-08-07

Abstract

本发明一种提高铸锭冷却速度的装置主要包括四个部分：铸锭底部保温材料、金属铸型、可熔金属铸型以及铸型顶部的中间浇铸包。所述金属铸型采用无底形式，方便凝固结束后铸锭脱模；所述中间浇铸包位于铸型的正上方，保证熔体竖立浇入可熔金属铸型，防止熔体对可熔金属铸型壁造成冲击；所述可熔金属铸型放置在金属铸型内侧，在无间隙金属型铸造初始阶段该铸型为固态，可以使金属熔体凝固成型；当熔体表面形成凝固壳后，可熔铸型吸收熔体凝固潜热熔化成液态，然后填充在铸锭和铸型之间，并在此后很长的一段时间内保持液态直到铸锭完全凝固；本发明可以达到提高铸锭冷却速度、缩短铸锭生产周期、减小铸锭宏观偏析、细化铸锭微观组织等目的。

Description

一种提高铸锭冷却速度的装置及其使用方法

技术领域

本发明属于金属型铸造领域，涉及一种提高铸锭冷却速度的装置及其使用方法，使用装置可大幅提高铸锭凝固过程中的凝固速度。

背景技术

在凝固过程中，提高冷却速度具有很多优点，比如细化晶粒、减小宏观偏析、增大固溶度、增大强度和增强耐腐蚀能力等。尽管在过去的几十年里，研究者发明了很多提高冷却速度的方法，比如：吸铸、甩带法、雾化法、激光表面重熔等，但是这些方法都是以牺牲产品的尺寸为前提。因此，如何在大的范围内获得较快的冷却速度仍然是金属凝固领域面临的重大难题。

凝固过程中的冷却速度取决于铸锭的热扩散，而影响铸锭热扩散的主要因素有以下三点：铸型的传热能力，金属铸锭自身的传热能力以及铸型和铸锭界面间隙的传热能力。其中铸型和铸锭界面间隙的传热能力是金属型凝固过程中冷却速度的决定性因素，然而，截至目前，研究大都集中在提高金属铸型的传热能力上，几乎没有提高金属—铸型界面传热能力方面的研究。如专利CN 107059118 A在铸型上增设冷却散热板，通过向散热板上的冷却管道通入液体或惰性气体，来达到增大冷却速度的目的。专利CN 105586635 A在铸型上增设化学吸热反应换热器，在铸锭凝固过程中向换热器通入反应物，通过吸热反应带走铸型上的产生的热量并提高冷却速度。

金属和铸型之间的换热能力可以用金属和铸型之间的换热系数 h（InterfacialHeat Transfer Coefficient, IHTC）来表示，它是时间的函数：

h=Ci(t)^-n

传统金属型铸造过程的热传递可以分为四个阶段。第一阶段是液态金属浇入铸型的那个瞬间，金属液和铸型是完全接触，这个阶段的热传递的唯一机理是从液态金属到铸型的热传导，因此界面传热系数呈现出一个很高的数值；第二阶段开始于铸锭表面形成了一层很薄的凝固壳，铸锭和铸型之间处于半接触状态，这个阶段的热传递机理主要有三种：铸锭和铸型间的热传导，铸锭和铸型件通过接触表面间的空气袋进行的热传导以及通过空气袋进行的热辐射，因此界面传热系数迅速下降。在第三阶段，由于铸锭的冷却收缩和铸型的受热膨胀，在铸锭和铸型的界面形成了一个空气间隙，因此这个阶段的热传递机理主要是铸锭和铸型通过界面空气间隙进行的热传导和热辐射，界面传热系数缓慢下降。

发明内容

本发明的目的是提供一种提高铸锭冷却速度的装置及其使用方法；该方法通过在铸锭和铸型之间增设可熔金属铸型来消除铸型—铸锭之间的空气间隙，从而改变铸锭凝固过程中的传热方式，可以达到提高铸锭冷却速度、缩短铸锭生产周期、减小铸锭宏观偏析、细化铸锭微观组织等目的。

为了实现上述目的，本发明提供以下技术方案：

一种提高铸锭冷却速度的装置主要包括四个部分：铸锭底部保温材料、金属铸型、可熔金属铸型以及铸型顶部的中间浇铸包。所述金属铸型采用无底形式，方便凝固结束后铸锭脱模；所述中间浇铸包位于铸型的正上方，保证熔体竖立浇入可熔金属铸型，防止熔体对可熔金属铸型壁造成冲击；所述可熔金属铸型放置在金属铸型内侧，在无间隙金属型铸造初始阶段该铸型为固态，可以使金属熔体凝固成型；当熔体表面形成凝固壳后，可熔铸型吸收熔体凝固潜热熔化成液态，然后填充在铸锭和铸型之间，并在此后很长的一段时间内保持液态直到铸锭完全凝固。

进一步的，所述底部保温材料可以选用氧化铝陶瓷保温板、氧化锆陶瓷保温板、莫来石纤维保温板等；

进一步的，所述金属铸型材料可选用铸铁、铸钢、紫铜、铝合金等；所用金属铸型表面也可以采用其它冷却形式，如水冷、气冷、化学反应冷却等。

进一步的，所述可熔金属铸型材料需选用低熔点的金属，如铝合金、锡合金、镓铟合金等；所述可熔金属铸型可以和金属铸型选用同种材料；

进一步的，所述可熔金属铸型的厚度取决于所浇铸的合金的物理性质，包括合金的熔点、凝固潜热、比热容等；

进一步的，所述可熔金属铸型必须达到一定的厚度，以确保可熔金属铸型在金属凝固壳形成之后才熔化，避免对熔体造成污染。

本发明的有益效果是，通过在铸锭和铸型之间增设可熔金属铸型来消除铸型—铸锭之间的空气间隙，从而改变铸锭凝固过程中的传热方式，可以达到提高铸锭冷却速度、缩短铸锭生产周期、减小铸锭宏观偏析、细化铸锭微观组织等目的。

附图说明：

图1是本发明的结构示意图。

图2是本发明原理示意图。

图3是高铬不锈钢可熔金属铸型铸造的宏观组织。

图4是高铬不锈钢可熔金属铸型铸造的宏观组织。

图5是高铬不锈钢可熔金属铸型铸造的宏观组织。

具体实施方式：

以下参照附图，进一步描述本发明的具体技术方案，以便于本领域的技术人员进一步理解本发明。

如图1和图2所示，一种提高铸锭冷却速度的装置主要包括：铸锭底部的保温材料1；金属铸型2；放置在金属铸型内侧的可熔金属铸型3；以及装在铸型顶部的中间包4。所述金属铸型2采用无底形式，方便凝固结束后铸锭脱模；所述中间浇铸包4位于可熔金属铸型3的正上方，保证熔体竖立浇入可熔金属铸型3，防止熔体对可熔金属铸型壁造成冲击；所述可熔金属铸型4放置在金属铸型内侧，在无间隙金属型铸造初始阶段该铸型为固态，可以使金属熔体凝固成型；当熔体表面形成凝固壳后，可熔铸型吸收熔体凝固潜热熔化成液态，然后填充在铸锭和铸型之间，并在此后很长的一段时间内保持液态直到铸锭完全凝固。

实施例1. 本实施例中，传统金属铸型材料采用H13钢，其成分为：(wt. %) 0.4 C、1.0 Si、0.4 Mn、5.1 Cr、1.3 Mo、1.0 V；可熔金属铸型材料选用6061铝合金，其成分为：(wt. %) 0.3 Cu、1.0 Mg、0.12 Mn、0.25 Zn、0.04 Cr、0.6 Si、0.7 Fe；浇铸合金选用X12CrMoWVNbN10-1-1合金钢，其成分为：(wt. %) 0.12 C、10.5 Cr、1.06 Mo、0.98 W、0.45Mn、0.18 V、0.055 Nb、0.75 Ni、0.052 N、0.09 Si；保温材料选用莫来石纤维板。

本实施例中金属铸型和可熔金属铸型的高度都是108mm；金属铸型的外径是118mm，内径是87mm；可熔铸型的内径是76mm，壁厚是5mm；莫来石纤维板的厚度是25m。X12CrMoWVNbN10-1-1钢的熔炼温度和浇铸温度都是1600℃。

为了做对比，本实施例中做了传统金属铸型浇铸。金属铸型的外径是118mm，内径是76mm. X12CrMoWVNbN10-1-1钢的熔炼温度和浇铸温度都是1600℃。

图3和图4分别是传统金属型铸型和无间隙金属型铸造所获得的X12钢铸锭的宏观组织。对于传统金属铸型铸造的铸锭，其宏观组织符合典型的铸锭宏观组织的分布，主要包括了三个部分，即表面激冷区、柱状晶区和中间等轴晶区，出现了标准的CET转变。然而对于无间隙金属型铸造的铸锭来说，其宏观组织都是由柱状晶区组成的，几乎没有中间等轴晶，没有出现CET转变。从中可以看出无间隙金属型铸造可以大大地提高铸锭的冷却速度。

实施例2. 本实施例中，传统金属铸型材料采用H13钢，其成分为：(wt. %) 0.4 C、1.0 Si、0.4 Mn、5.1 Cr、1.3 Mo、1.0 V；可熔金属铸型材料选用6061铝合金，其成分为：(wt. %) 0.3 Cu、1.0 Mg、0.12 Mn、0.25 Zn、0.04 Cr、0.6 Si、0.7 Fe；浇铸合金选用X12CrMoWVNbN10-1-1合金钢，其成分为：(wt. %) 0.12 C、10.5 Cr、1.06 Mo、0.98 W、0.45Mn、0.18 V、0.055 Nb、0.75 Ni、0.052 N、0.09 Si；保温材料选用莫来石纤维板。

本实施例中金属铸型和可熔金属铸型的高度都是156mm；金属铸型的外径是118mm，内径是96mm；可熔铸型的内径是76mm，壁厚是10mm。莫来石纤维板的厚度是25m。X12CrMoWVNbN10-1-1钢的熔炼温度和浇铸温度都是1600℃。

图5是X12钢铸锭的宏观组织，其宏观组织都是由柱状晶区组成的，没有中间等轴晶区。与图4中X12钢铸锭的宏观组织相比较，其一次枝晶臂间距较小。我们可以看出，通过调整可熔铸型的参数可以获得更大的冷却速度。

此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。

Claims

1.一种提高铸锭冷却速度的装置，包括四个部分：铸锭底部保温材料、金属铸型、可熔金属铸型以及铸型顶部的中间浇铸包，其特征在于，所述金属铸型采用无底形式，方便凝固结束后铸锭脱模；所述中间浇铸包位于铸型的正上方，保证熔体竖立浇入可熔金属铸型，防止熔体对可熔金属铸型壁造成冲击；所述可熔金属铸型放置在金属铸型内侧，在无间隙金属型铸造初始阶段该铸型为固态，可以使金属熔体凝固成型；当熔体表面形成凝固壳后，可熔铸型吸收熔体凝固潜热熔化成液态，然后填充在铸锭和铸型之间，并在此后很长的一段时间内保持液态直到铸锭完全凝固。

2.根据权利要求1所述一种提高铸锭冷却速度的装置，其特征在于，所述底部保温材料可以选用氧化铝陶瓷保温板、氧化锆陶瓷保温板、莫来石纤维保温板等。

3.根据权利要求1所述一种提高铸锭冷却速度的装置，其特征在于，所述金属铸型材料可选用铸铁、铸钢、紫铜、铝合金等；所用金属铸型表面也可以采用其它冷却形式，如水冷、气冷、化学反应冷却等。

4.根据权利要求1所述一种提高铸锭冷却速度的装置，其特征在于，所述可熔金属铸型材料需选用低熔点的金属，如铝合金、锡合金、镓铟合金等；所述可熔金属铸型可以和金属铸型选用同种材料。

5.根据权利要求1所述一种提高铸锭冷却速度的装置，其特征在于，所述可熔金属铸型的厚度取决于所浇铸的合金的物理性质，包括合金的熔点、凝固潜热、比热容等。

6.根据权利要求1所述一种提高铸锭冷却速度的装置，其特征在于，所述可熔金属铸型必须达到一定的厚度，以确保可熔金属铸型在金属凝固壳形成之后才熔化，避免对熔体造成污染。