CN113695537B - 一种空心铸锭、其制备方法以及空心型材 - Google Patents

Abstract

本发明的实施例提供了一种空心铸锭、其制备方法以及空心型材，涉及金属铸造技术领域。该空心铸锭的制备方法包括：将容纳于环形坩埚内的金属熔体在压力作用下从多孔分流喷嘴盘喷射至结晶器和冷却模具围成的环形区域内，金属熔体冷凝成圆环形铸坯；冷却模具随着升降平台逐渐向下运动，圆环形铸坯逐渐增高，获得空心铸锭。本申请可以获得成分自由设计的大规格空心铸锭，铸锭成分均匀、晶粒细小，且铸锭表明光滑，成形精度高，无需加工可直接用于后续挤压处理，使得空心铸锭加工后的性能更优，拓宽了空心铸锭的应用，可通过简单的挤压操作即可获得空心型材。

Description

一种空心铸锭、其制备方法以及空心型材

技术领域

本发明涉及金属铸造技术领域，具体而言，涉及一种空心铸锭、其制备方法以及空心型材。

背景技术

空心型材一般通过两种方法制备，一种是空心铸锭挤压，一种是实心铸锭穿孔挤压。实心铸锭穿孔挤压会存在塌腔，且操作方式上收到局限。因此，一般采用空心铸锭挤压。

现有空心铸锭的制备方法均是基于半连续铸造制造铸造出空心铸锭或铸造出实心铸锭，然后加工成空心锭。半连续铸造直接生产的空心锭存在内腔质量差，有缺陷或杂质等会带入到产品内表面；且半连续铸造技术存在组织晶粒粗大、宏观偏析严重及大规格铸锭铸造开裂等问题。实心铸锭加工成空心铸锭存在材料浪费严重，且加工难度大，不宜加工长铸棒。喷射成形存在生产成本高、成分自由设计程度低及存在气孔、疏松等缺陷问题。上述方法均限制了空心铸锭的应用。

鉴于此，特提出本申请。

发明内容

本发明的目的包括，例如，提供了一种空心铸锭、其制备方法以及空心型材，其能够获得最佳的铸造组织。

本发明的实施例可以这样实现：

第一方面，本发明提供一种空心铸锭的制备方法，包括：将容纳于环形坩埚内的金属熔体在压力作用下从多孔分流喷嘴盘喷射至结晶器和冷却模具围成的环形区域内，金属熔体冷凝成圆环形铸坯；

所述冷却模具随着升降平台逐渐向下运动，所述圆环形铸坯逐渐增高，获得空心铸锭。

在可选的实施方式中，所述结晶器包括同轴设置的外结晶器和内结晶器，所述外结晶器间隔设置于所述内结晶器的外侧，所述冷却模具位于所述结晶器的下方，所述外结晶器、所述内结晶器和所述冷却模具上均设置有进水口和出水口，所述出水口的出水温度为25-35℃；

优选地，所述外结晶器由3-6块弧形开瓣结构组成；

优选地，所述外结晶器和所述内结晶器的远离所述圆环形铸坯的一侧均安装有振动器。

在可选的实施方式中，所述多孔分流喷嘴盘上设置有1-3圈喷嘴，每一圈所述喷嘴的数量为8-16个，每一圈任意两个相邻的所述喷嘴之间的间距为10-20mm，所述喷嘴的直径为2-4mm；

优选地，所述多孔分流喷嘴盘位于所述结晶器的上部3-5cm。

在可选的实施方式中，利用与所述环形坩埚连通的供气机构为所述金属熔体提供压力，所述压力为8-12Pa。

在可选的实施方式中，所述供气机构设置有供气阀门，所述供气阀门包括阀座、阀芯和电机，所述阀座套设于所述阀芯的外侧，所述电机与所述阀芯连接，所述阀座上开设有第一孔道，所述阀芯上开设有第二孔道，所述第二孔道与所述供气机构连通，所述第一孔道与所述环形坩埚连通。

在可选的实施方式中，利用与所述环形坩埚连通的供液机构为所述环形坩埚提供所述金属熔体，所述环形坩埚内的所述金属熔体的液面高度为1-1.5m。

在可选的实施方式中，所述环形坩埚内设置有加热器。

在可选的实施方式中，所述金属熔体的金属选自铝合金、镁合金、钛合金和钢中的任一种。

第二方面，本发明提供一种空心铸锭，其是采用如前述实施方式任一项所述的空心铸锭的制备方法制备而成。

第三方面，本发明提供一种空心型材，其是采用如前述实施方式任一项所述的空心铸锭经挤压形成。

本发明实施例的有益效果包括，例如：

本申请提供的空心铸锭的制备方法通过将高温金属熔体经多孔分流喷嘴盘喷射至结晶器和冷却模具围成的环形区域内形成圆环形铸坯，该方法可以获得成分自由设计的大规格空心铸锭，铸锭成分均匀、晶粒细小，且铸锭表明光滑，成形精度高，无需加工可直接用于后续挤压处理，使得空心铸锭加工后的性能更优，拓宽了空心铸锭的应用，可以通过简单的挤压操作即可获得空心型材。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。

图1为本申请实施例提供的空心铸锭的制备装置的剖面图；

图2为本申请实施例提供的空心铸锭的制备装置的立体图；

图3为本申请实施例提供的空心铸锭的制备装置的多孔分流喷嘴盘的结构示意图；

图4为本申请实施例提供的空心铸锭的制备装置的供气阀门的结构示意图；

图5为本申请实施例提供的空心铸锭的制备装置的结晶器的三维图；

图6为本申请实施例提供的空心铸锭的制备装置的结晶器的俯视图。

图标：100-空心铸锭的制备装置；110-环形坩埚；111-加热器；112-多孔分流喷嘴盘；120-供气机构；121-供气阀门；122-阀座；123-阀芯；124-电机；125-第一孔道；126-第二孔道；130-供液机构；140-结晶器；141-外结晶器；142-内结晶器；143-环形区域；144-弧形开瓣结构；146-卡扣；150-冷却模具；160-升降平台；170-真空腔体。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。

因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。

在本发明的描述中，需要说明的是，若出现术语“上”、“下”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，或者是该发明产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

此外，若出现术语“第一”、“第二”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明的实施例中的特征可以相互结合。

本申请提供了一种空心铸锭的制备方法，用于实现该制备方法的空心铸锭的制备装置100如图1和图2所示，本实施例提供的空心铸锭的制备装置100包括环形坩埚110、供气机构120、供液机构130、结晶器140、冷却模具150和升降平台160，环形坩埚110、供气机构120、供液机构130、结晶器140、冷却模具150和升降平台160均设置于真空腔体170内。

该空心铸锭的制备方法包括如下步骤：

S1、将容纳于环形坩埚110内的金属熔体在压力作用下从多孔分流喷嘴盘112喷射至结晶器140和冷却模具150围成的环形区域143内，金属熔体冷凝成圆环形铸坯。

利用与环形坩埚110连通的供液机构130为环形坩埚110提供金属熔体，供液机构130可以实现对不同的金属组分进行熔炼，金属组分包括但不限于：铝合金、镁合金、钛合金和钢中的任一种。熔炼混合均匀后的金属熔体通过管道通入环形坩埚110内进行保温待用。供液机构130可以使环形坩埚110内的金属熔体的液面高度维持在一定范围内，从而获得更好的熔体冲击效果。优选地，环形坩埚110内的金属熔体的液面高度为1-1.5m。

环形坩埚110为环形，环形坩埚110用于容纳经熔炼后的金属熔体，并对金属熔体进行保温，具体来说，环形坩埚110内设置有加热器111。其底部设置有多孔分流喷嘴盘112(请参阅图3)，多孔分流喷嘴盘112上设置有1-3圈喷嘴，每一圈所述喷嘴的数量为8-16个，每一圈任意两个相邻的喷嘴之间的间距为10-20mm，喷嘴的直径为2-4mm。

本申请中，利用与环形坩埚110连通的供气机构120为金属熔体提供8-12Pa的压力。供气机构120向环形坩埚110内通入惰性气体，使环形坩埚110内的金属溶液在高压作用下从多孔分流喷嘴盘112上喷出。

本申请中，请参阅图4，供气机构120设置有供气阀门121，供气阀门121包括阀座122、阀芯123和电机124，阀座122套设于阀芯123的外侧，电机124与阀芯123连接，阀座122上开设有第一孔道125，阀芯123上开设有第二孔道126，第二孔道126与供气机构120连通，第一孔道125与环形坩埚110连通。本申请中，第二孔道126为L型，电机124带动阀芯123相对于阀座122转动，在转动过程中阀芯123上的第二孔道126选择性的与第一孔道125连通，从而实现供气机构120间歇式为环形坩埚110内提供压力，阀芯123周期性地转动，可实现第二孔道126周期性地与第一孔道125连通，也即是，阀芯123旋转接通供气机构120与环形坩埚110的过程中，接通面积从零逐渐增大，然后逐渐减小为零，从而使环形坩埚110内形成一个脉冲压力，进而实现不同冲击力的金属熔体冲击至冷却模具150上形成金属熔池，间歇式喷射可以使熔体更快的凝固，有利于提升金属熔池的混合均匀性。

请参阅图5和图6，结晶器140为环形结构，具体地，结晶器140包括同轴设置的外结晶器141和内结晶器142，外结晶器141间隔设置于内结晶器142的外侧，冷却模具150位于结晶器140的下方，冷却模具150与结晶器140不相连，外结晶器141、内结晶器142和冷却模具150之间围成用于成型的环形区域143，本实施例中，为了保证较佳的冷凝效果，在外结晶器141、内结晶器142和冷却模具150上均设置有进水口和出水口，出水口的出水温度为25-35℃。

为了加强冷却效果，本申请中的外结晶器141由3-6块弧形开瓣结构144组成；每一个弧形开瓣结构144之间通过卡扣146连接，每一个弧形开瓣结构144均设置有进水口和出水口，使得每个弧形开瓣结构144的温度独立控制，控制效果更佳。此外，本申请中，外结晶器141和内结晶器142的远离圆环形铸坯的一侧均安装有振动器(图未示)。振动器在金属熔体冲击的过程中不断进行振动，可以加强金属熔体的混合均匀性。本申请结晶器140上安装的振动器可以与供气阀门121配合以实现更佳的混合均匀性。

请返回参阅图1和图2，冷却模具150用于盛接从多孔分流喷嘴盘112中喷出的金属熔体，本实施例中冷却模具150为板状且设置于结晶器140的下方，金属熔体经冷却模具150和结晶器140的冷却形成圆环形铸坯。

本申请中通过供气机构120向环形坩埚110内通入惰性气体产生8-12Pa的压力，经供气阀门121调节后，多孔分流喷嘴盘112呈间歇式喷射至环形区域143内。环形坩埚110内的金属熔体的液面高度通过供液机构130控制为1-1.5m。多孔分流喷嘴盘112位于结晶器140的上部3-5cm。

S2、冷却模具150随着升降平台160逐渐向下运动，圆环形铸坯逐渐增高，获得空心铸锭。

请返回参阅图1和图2，升降平台160用于带动冷却模具150向下运动以保持喷嘴和冷却模具150上表面之间的间距。圆环形铸坯随着冷却模具150一并向下运动，而结晶器140固定不动，此时，结晶器140和圆环形铸坯的上表面同样形成环形区域143，喷射至环形区域143内的金属熔体再次冷凝成圆环形铸坯，使得圆环形铸坯的高度逐渐增高，重复多次获得空心铸锭。

S3、取出空心铸锭，进行均匀化热处理。

本申请中的均匀化热处理需根据铸锭的材料(铝合金、镁合金、钛合金)参照现有技术进行相应的处理，本申请不进行限制。

采用上述空心铸锭的制备方法可以获得成分自由设计的大规格空心铸锭，铸锭成分均匀、晶粒细小，且铸锭表明光滑，成形精度高，无需加工可直接用于后续挤压处理。

以下结合实施例对本发明的特征和性能作进一步的详细描述。

实施例1

请结合参阅图1-图6，本实施例提供了一种空心铸锭的制备装置100，其包括环形坩埚110、供气机构120、供液机构130、结晶器140、冷却模具150和升降平台160。

环形坩埚110为环形，用于容纳经熔炼后的金属熔体，并对金属熔体进行保温，环形坩埚110内设置有加热器111。其底部设置有多孔分流喷嘴盘112，多孔分流喷嘴盘112上设置有3圈喷嘴，每一圈所述喷嘴的数量为12个，每一圈任意两个相邻的喷嘴之间的间距为10-20mm，喷嘴的直径为3mm。

供液机构130可以实现对不同的金属组分进行熔炼，供液机构130与环形坩埚110的顶部连通用于给环形坩埚110供液。环形坩埚110内的金属熔体的液面高度为1-1.5m。

供气机构120与环形坩埚110连通用于向环形坩埚110内通入惰性气体，使环形坩埚110内的金属溶液在高压作用(10Pa)下从多孔分流喷嘴盘112上喷出。本申请中，供气机构120设置有供气阀门121，供气阀门121包括阀座122、阀芯123和电机124，阀座122套设于阀芯123的外侧，电机124与阀芯123连接，阀座122上开设有第一孔道125，阀芯123上开设有第二孔道126，第二孔道126与供气机构120连通，第一孔道125与环形坩埚110连通。本申请中，第二孔道126为L型，电机124带动阀芯123相对于阀座122转动，在转动过程中阀芯123上的第二孔道126选择性的与第一孔道125连通，从而实现供气机构120间歇式为环形坩埚110内提供压力，阀芯123周期性地转动，可实现第二孔道126周期性地与第一孔道125连通。

结晶器140为环形结构，具体地，结晶器140包括同轴设置的外结晶器141和内结晶器142，外结晶器141间隔设置于内结晶器142的外侧，冷却模具150位于结晶器140的下方，冷却模具150与结晶器140不相连，外结晶器141、内结晶器142和冷却模具150之间围成用于成型的环形区域143，本申请中的外结晶器141由4块弧形开瓣结构144组成；每一个弧形开瓣结构144之间通过卡扣146连接，每一个弧形开瓣结构144、内结晶器142和冷却模具150上均设置有进水口和出水口。此外，本申请中，外结晶器141和内结晶器142的远离圆环形铸坯的一侧均安装有振动器。

本实施例中冷却模具150为板状且设置于结晶器140的下方，升降平台160用于带动冷却模具150向下运动以保持喷嘴和冷却模具150上表面之间的间距。

实施例2

本实施例提供了一种空心铸锭的制备方法，其采用实施例1的空心铸锭的制备装置100进行，包括如下步骤：

S1、将金属熔体在压力作用下从多孔分流喷嘴盘112喷射至结晶器140和冷却模具150围成的环形区域143内，金属熔体冷凝成圆环形铸坯。

在熔体冲击过程中，金属熔体的液面高度为1.2m，金属熔体受到的压力为恒定的10Pa，多孔分流喷嘴盘112位于结晶器140的上部4cm，结晶器140外侧的振动器持续振动，结晶器140和冷却模具150的出水口的出水温度为30℃。

S2、冷却模具150随着升降平台160逐渐向下运动，圆环形铸坯逐渐增高，获得空心铸锭。

S3、取出空心铸锭，进行均匀化热处理。

实施例3

本实施例提供了一种空心铸锭的制备方法，其采用实施例1的空心铸锭的制备装置100进行，包括如下步骤：

S1、将金属熔体在压力作用下从多孔分流喷嘴盘112喷射至结晶器140和冷却模具150围成的环形区域143内，金属熔体冷凝成圆环形铸坯。

在熔体冲击过程中，金属熔体的液面高度为1.5m，金属熔体受到的压力为恒定的10Pa，多孔分流喷嘴盘112位于结晶器140的上部5cm，结晶器140外侧的振动器持续振动，结晶器140和冷却模具150的出水口的出水温度为35℃。

S2、冷却模具150随着升降平台160逐渐向下运动，圆环形铸坯逐渐增高，获得空心铸锭。

S3、取出空心铸锭，进行均匀化热处理。

实施例4

本实施例提供了一种空心铸锭的制备方法，其包括如下步骤：

S1、将金属熔体在压力作用下从多孔分流喷嘴盘112喷射至结晶器140和冷却模具150围成的环形区域143内，金属熔体冷凝成圆环形铸坯。

在熔体冲击过程中，金属熔体的液面高度为1.2m，金属熔体受到的压力为脉冲压力，以0-10Pa为周期进行，多孔分流喷嘴盘112位于结晶器140的上部4cm，结晶器140外侧的振动器持续振动，结晶器140和冷却模具150的出水口的出水温度为30℃。

S2、冷却模具150随着升降平台160逐渐向下运动，圆环形铸坯逐渐增高，获得空心铸锭。

S3、取出空心铸锭，进行均匀化热处理。

实施例5

本实施例与实施例4基本相同，区别在于，省略了实施例4中的振动器的振动。

将上述实施例2-5获得的空心铸锭进行性能检测，检测结果如下：

从上表可以看出，采用本发明制备的空心铸锭内表面较为光滑，粗糙度均在N10级以下。铸锭平均晶粒尺寸较小，均小于50μm。铸锭径向偏析较小，均小于1.5％。

综上所述，本申请提供的空心铸锭的制备方法通过将高温金属熔体经多孔分流喷嘴盘112喷射至结晶器140和冷却模具150围成的环形区域143内形成圆环形铸坯，该方法可以获得成分自由设计的大规格空心铸锭，铸锭成分均匀、晶粒细小，且铸锭表明光滑，成形精度高，无需加工可直接用于后续挤压处理，使得空心铸锭加工后的性能更优，拓宽了空心铸锭的应用，可以通过简单的挤压操作即可获得空心型材。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种空心铸锭的制备方法，其特征在于，包括：将容纳于环形坩埚内的金属熔体在压力作用下从多孔分流喷嘴盘喷射至结晶器和冷却模具围成的环形区域内，金属熔体冷凝成圆环形铸坯；

所述冷却模具随着升降平台逐渐向下运动，所述圆环形铸坯逐渐增高，获得空心铸锭；

所述结晶器包括同轴设置的外结晶器和内结晶器，所述外结晶器间隔设置于所述内结晶器的外侧，所述冷却模具位于所述结晶器的下方，所述外结晶器、所述内结晶器和所述冷却模具上均设置有进水口和出水口，所述出水口的出水温度为25-35℃；所述外结晶器由3-6块弧形开瓣结构组成；所述外结晶器和所述内结晶器的远离所述圆环形铸坯的一侧均安装有振动器；供气机构设置有供气阀门，所述供气阀门包括阀座、阀芯和电机，所述阀座套设于所述阀芯的外侧，所述电机与所述阀芯连接，所述阀座上开设有第一孔道，所述阀芯上开设有第二孔道，所述第二孔道与所述供气机构连通，所述第一孔道与所述环形坩埚连通；所述阀芯旋转接通所述供气机构与所述环形坩埚的过程中，接通面积从零逐渐增大，然后逐渐减小为零，从而使所述环形坩埚内形成一个脉冲压力，进而实现不同冲击力的所述金属熔体冲击至所述冷却模具上形成金属熔池。

2.根据权利要求1所述的空心铸锭的制备方法，其特征在于，所述多孔分流喷嘴盘上设置有1-3圈喷嘴，每一圈所述喷嘴的数量为8-16个，每一圈任意两个相邻的所述喷嘴之间的间距为10-20mm，所述喷嘴的直径为2-4mm。

3.根据权利要求1所述的空心铸锭的制备方法，其特征在于，所述多孔分流喷嘴盘位于所述结晶器的上部3-5cm。

4.根据权利要求1所述的空心铸锭的制备方法，其特征在于，利用与所述环形坩埚连通的供气机构为所述金属熔体提供压力，所述压力为8-12Pa。

5.根据权利要求1所述的空心铸锭的制备方法，其特征在于，利用与所述环形坩埚连通的供液机构为所述环形坩埚提供所述金属熔体，所述环形坩埚内的所述金属熔体的液面高度为1-1.5m。

6.根据权利要求1所述的空心铸锭的制备方法，其特征在于，所述环形坩埚内设置有加热器。

7.根据权利要求1-6任一项所述的空心铸锭的制备方法，其特征在于，所述金属熔体的金属选自铝合金、镁合金、钛合金和钢中的任一种。

8.一种空心铸锭，其特征在于，其是采用如权利要求1-7任一项所述的空心铸锭的制备方法制备而成。

9.一种空心型材，其特征在于，其是采用如权利要求8所述的空心铸锭经挤压形成。

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