CN1539572A - 连续定向凝固铸造方法、装置及其制备的线材或板带材料 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种连续定向凝固铸造方法，包括下述步骤：将引料线或引料板一端伸入结晶口内；将引料线或引料板另一端通过牵引机构引入冷却液中；当结晶器预热后，将流体材料输入结晶器内，并对输入结晶器内的流体材料进行保温，使流体材料只向引料线或引料板的端面上或与引料线或引料板结合在一起的已凝固了的材料端面上定向结晶；通过牵引机构拉动引料线或引料板，将已结晶凝固的材料拉出结晶器进入冷却液中。一种连续定向凝固铸造装置，包括结晶器、引料线或引料板、冷却构件、牵引机构、检测构件。本发明方法操作简单、控制方便、容易，自动化程度高，所获得的线材及板带材料组织缺陷少，材料均匀，性能优良，应用范围广，市场前景好。

Description

连续定向凝固铸造方法、装置及其制备的线材或板带材料

                            技术领域

本发明涉及铸造技术领域，具体涉及连续定向凝固铸造方法、装置及其制备的线材或板带材料。

                            背景技术

自从1952年首先采用定向凝固方法研究平面及胞状凝固以来，定向凝固技术得到迅速发展。该技术最初用来消除结晶过程中生成的横向晶界，从而提高材料的单向力学性能。由于定向凝固技术能得到一些具有特殊组织取向和优异性能的材料，目前定向凝固技术的最主要应用是生产具有均匀柱状晶或单晶组织的铸件。特别是在航空领域生产高温合金的发动机叶片，与普通铸造方法获得的铸件相比，它能使叶发动机叶片的高温强度、抗蠕变和持久性能、热疲劳性能得到大幅度提高。对于磁性材料，应用定向凝固技术，可使柱状晶排列方向与磁化方向一致，大大改善材料的磁性能。定向凝固技术也是制备单晶的有效方法，半导体单晶硅材料很多是采用定向凝固的方法制造的。定向凝固技术还广泛用于自生复合材料的生产制造，用定向凝固方法得到的自生复合材料消除了其它复合材料制备过程中增强相与基体间界面的影响，使复合材料的性能大大提高。目前定向凝固的方法有：发热剂法、功率降低法、快速凝固法、液态金属冷却法等。传统的定向凝固技术存在冷却速度慢、温度梯度小的缺点，而且只能生产小型铸件及小截面短型材。申请号为01132329.9的中国发明专利描述了一种原铝连续换液定向凝固连铸提纯方法，采用连续换液装置和定向凝固连铸装置，在熔炼保温炉中熔化原铝后，采用加热体把结晶器加热至温度超过铝的熔点，把引晶棒放在结晶器内，把铝液引入流槽，采用电磁泵和搅拌器在铸棒的固液界面进行换液，并将连铸速度逐步加快到稳定阶段后开始提纯，此方法装置较复杂，拉动铸件的速度只能凭经验确定，操作过程较难把握，而且只能生产棒材，制备的材料的长度受设备结构及空间的限制。申请号为95103050.7的中国发明专利描述了一种异形筒状薄壁件的连续定向凝固铸造工艺及设备，该方法是在铸件的外表面采用了连续定向凝固或电磁结晶器连续铸造的工艺方法，而在铸件的内表面采用了定向凝固精密铸造的工艺方法；上述方法的不足之处在于设备结构复杂，铸造过程中铸型或铸件相对移动的速率只能通过经验确定，操作过程较难控制，所制造的零件的形状及尺寸受设备结构的限制，只能生产筒形件或简单形状铸件。申请号为02116581.5的中国发明专利公开了一种制备无氧铜超细丝材工艺，以无氧铜为原料，采用连续定向凝固方法制备具有连续柱状晶组织直径为5～30mm的无氧铜杆坯，通过冷轧或温轧使铜杆的直径减小至8～15mm；然后采用拉拔的方法进行粗拉、精拉，无氧铜杆坯冷加工延伸变形能力优良，在拉丝过程中不易产生断头、断线等现象，制得直径为10～50μm的超细丝材，超细丝材的电导率高，但由于定向凝固获得的杆坯长度有限，无法制造出普通导线用于大电流的传输。

                            发明内容

本发明的目的在于解决上述现有技术中存在的不足之处，提供一种过程易于可靠控制、可连续不间断铸造线材或板带材料的连续定向凝固铸造方法。

本发明的另一目的在于提供一种实现上述方法的连续定向凝固铸造装置。

本发明的再一目的在于提供一种由上述方法及装置制备的组织性能优良、适合大批量生产的线材或板带材料。

本发明的目的通过下述技术方案实现：本连续定向凝固铸造装置包括结晶器、引料线或引料板、冷却构件、牵引机构、检测构件，所述结晶器位于冷却构件的上部，其底端开有结晶口；所述引料线或引料板一端可伸入结晶口内使结晶器内形成一个底部封闭的容腔，在操作开始后引料线或引料板可将已结晶凝固的材料引出结晶器容腔；所述牵引机构位于冷却构件内、外并与结晶器下的结晶口相对设置，已结晶凝固的材料从结晶口伸出进入传动构件后即由传动构件牵引传送出来；所述检测构件设置在结晶口周围，用以检测结晶口内的结晶凝固位置，保持稳定正常的结晶速度，实现连续凝固结晶。

所述结晶器的壁面内同时设置有空心冷却通道及加热元件，空心冷却通道通过控制阀与冷却液供应构件相连接，加热元件通过开关与电源相连接，控制阀及开关与控制件相连接。

所述检测构件包括射线发生器及射线感应器，射线发生器与射线感应器分别位于结晶口两侧并相对设置。

所述牵引机构为单组辊轮结构或多组辊轮结构，所述辊轮位于冷却液内或冷却液外。

所述引料线或引料板的材料可与定向凝固的金属液体材料相同，亦可采用不相同的金属材料。

本连续定向凝固铸造的方法包括下述步骤：(1)将引料线或引料板一端伸入结晶口内使结晶器内形成一个底部封闭的容腔；(2)将引料线或引料板的另一端通过牵引机构引入装在冷却构件内的冷却液中；(3)当结晶器预热后，将流体材料输入结晶器内，并对输入结晶器内的流体材料进行保温，使流体材料不会向结晶器的内腔壁面上结晶，同时流体材料的热量通过引料线或引料板传递到冷却液中，形成定向热流场，流体材料只向引料线或引料板的端面上或与引料线或引料板结合在一起的已凝固了的材料端面上定向结晶；(4)通过牵引机构拉动引料线或引料板，将已结晶凝固的材料拉出结晶器进入冷却液中；在流体材料凝固的过程中连续进行牵引拉动即可实现流体材料的连续定向凝固铸造。

所述步骤(4)中牵引机构可为多组辊轮结构，同时将引料线或引料板的一部分浸泡在冷却液中而将引料线或引料板的端部引出冷却液；这种结构用于处理柔性好的、可弯曲的线材或板带材料，采用本结构可方便地实现较长的线材或板带材料的制备，具体是在液体材料开始结晶凝固，与引料线或引料板结合在一起后，采用辊轮通过拉出引料线或引料板而将已结晶凝固的材料(柔性好、可弯曲)引入冷却液中，并在冷却后顺着拉出引料线或引料板的路径引出冷却液；当引料线或引料板脱离结晶器之后，则已结晶凝固的线材或板带材料代替了引料线或引料板的作用，流体材料的热量通过已凝固了的材料传递到冷却液中，形成定向热流场，流体材料不会向结晶器的内腔壁面上结晶，而只向已凝固了的材料上定向结晶，辊轮结构通过拉动已凝固了的材料，将已结晶凝固的材料拉出结晶器进入冷却液中继续冷却后引出冷却液，即可实现连续定向凝固获得本发明的线材或板带材料。

所述步骤(4)中牵引机构亦可为单组辊轮结构，这样可处理刚性大、不易弯曲的线材或板带材料；对于这种材料，由于其不易弯曲，仅能向下拉出，所以不能连续地将其引入冷却液后再引出，一般仅能直接引入冷却液中待其冷却后再逐条地取出，所以这种形式可制造长度较短的条状的线材或板带材料，所能制备材料的最大长度由冷却液的容器尺寸所决定。

所述步骤(3)中可通过检测构件判断出流体材料凝固过程中的已凝固材料固相区域、结晶区域及液相区域所处的位置，通过对牵引机构实时的反馈控制调节牵引线材或板带材料的速率，保证在牵引过程中使流体材料结晶凝固区域在结晶器中处于一定的位置之间，不会出现拉得太快造成拉漏的情形，也不会出现拉得太慢造成拉断的情况，可更好地确保定向凝固连续不断稳定地进行。

为了更好地实现本发明，可以在线材或板带材料被拉出结晶器之后、进入冷却液之前，在其表面涂上保护涂料，防止线材或板带材料被氧化。

为了更好地实现本发明，可以在对结晶器内的液相材料施加压应力；压应力可以通过液相材料传递到结晶区域，在液态材料凝固过程中，使液态材料在压应力条件下结晶，从而获得具有更优良的组织性能。

为了更好地实现本发明，引料线或引料板为单晶材料，通过上述定向凝固的方法制造出单晶材料。

为了更好地实现本发明，可以抽真空使流体材料释放出溶解的气体之后进行上述定向凝固过程。

本发明也可以直接在冷却液中卷绕收集制备获得的线材或板带材料。

在本发明中描述的流体材料可以是液态金属及液态合金材料。

本发明与现有技术相比，具有如下优点和有益效果：

(一)本发明连续定向凝固铸造方法操作简单、控制方便、容易，自动化程度高，所获得的线材及板带材料组织缺陷少，材料性能均匀，力学性能优良。

(二)本发明连续定向凝固铸造装置结构简单、制造成本低，可方便地控制定向连续凝固过程，实现材料的连续制备，可以制取较长的线材及板带材料，卷绕收集方便，应用领域较广，市场前景较好。

(三)由本发明获得的板带材料延伸率高，可以进行大的塑性变形，制造成复杂的板料冲压件。

(四)由本发明获得的线材电导率高，电阻率小，用于导电时电能损耗低，可以减少电能在传输过程中的浪费；同时导线的发热量减少，提高了电线使用的安全性。

(五)由本发明获得的线材具有高的抗磁性和高的电感性，在电磁感应领域具有很广泛的用途。

                            附图说明

图1是本发明连续定向凝固铸造装置的结构示意图。

图2是图1所示连续定向凝固铸造装置A-A截面的结构示意图。

图3是图1所示连续定向凝固铸造装置A-A截面另一结构的示意图。

                        具体实施方式

下面结合实施例及附图对本发明作进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。

实施例1

本发明连续定向凝固铸造装置的具体结构如图1所示，由图1可见，本连续定向凝固铸造装置包括结晶器1、引料板8、水槽11、四组牵引辊轮10、12、13、15、X射线发生器16、17、18及X射线感应器5、6、7，水槽11内盛装有水9，所述结晶器1位于水槽11的上部，其底端开有结晶口3，结晶器1的壁面内同时设置有空心冷却通道4及加热丝19，空心冷却通道4通过控制阀与冷却液供应构件相连接，加热丝19通过开关与电源相连接，控制阀及开关与控制件相连接；所述引料板8一端可伸入结晶口3内使结晶器1内形成一个底部封闭的容腔2，引料板8一部分浸泡在水9中，其端部引出水面并由一组牵引辊轮10所牵引，四组牵引辊轮10、12、13、15分别位于水槽11内、外，其中三组牵引辊轮12、13、15设置于水槽11内部，浸入水9中，一组牵引辊10设置于水槽11上面；X射线发生器16、17、18与X射线感应器5、6、7分别位于结晶口两侧并相对设置，X射线发生器16、17、18、X射线感应器5、6、7与结晶口3三者位于同一竖直平面内。

本实施例所要制备的是连续定向凝固板带材料，具体步骤是：首先将引料板8对接在结晶口3内使结晶器1内形成一个底部封闭的容腔2，所述结晶口3在A-A处的横截面如图2所示，结晶口3为一条形缝隙，宽度为1mm；通过水槽11上的入水口14向水槽11注水9，水槽11的水满了之后水从水槽11的上口边缘溢出；给分布在结晶器1容腔壁上的加热丝19通电，将用模具钢材料制成的结晶器1容腔壁预热到660℃，然后将过热到760℃的铝镁合金液浇到容腔2中，铝镁合金液进入结晶口3中；分布在结晶器1容腔壁上的温度传感器20紧贴在靠近容腔壁面的位置，能够测出各个部位的温度；加热丝19和空心冷却通道4由控制件通过获得的温度信息进行控制，可以对容腔2、结晶口3内的铝镁合金液进行保温或冷却，维持铝镁合金液的温度，保证铝镁合金液不向结晶器容腔壁的壁面上结晶；可单独控制结晶器容腔壁上的每根空心冷却通道4中冷却液的通断及供液量的大小，也可以单独控制每个加热  19的通断及功率的大小；由于引料板8部分浸在水9中，结晶口3条形缝隙之间的铝镁合金液的热量经引料板8导入水9中，形成从铝镁合金液经引料板8进入水9的定向热流场，结晶口3内的铝镁合金液向引料板8的端面上结晶凝固，开动由四组牵引辊轮15、13、12、10构成的牵引机构将结晶口3内己凝固的板料拉出条形缝隙，拉出的速度根据由X射线发生器16、17、18和X射线感应器5、6、7获得的信息确定，X射线发生器16、17、18发出同样强度的X射线，结晶口3内的铝镁合金液凝固状态的不同造成X射线感应器5、6、7获得不同强度的信息，可以判断出铝镁合金液的结晶凝固区域位置，从而对牵引机构进行实时的反馈控制，调节牵引板料的速率，保证在牵引板料的过程中使铝镁合金液的凝固区域处于X射线感应器16和18高度位置之间，不会出现拉得太快造成拉漏的情形，也不会出现拉得太慢造成拉断的情形，可以确保定向凝固连续不断的进行；同时，根据容腔2中剩余的铝镁合金液的多少，及时向容腔2中补充铝镁合金液，维持连续稳定的生产过程；最后卷绕收集所制得的板带材。

实施例2

本实施例除下述特征外与实施例1基本相同：在图1中结晶器的容腔2上设有一密封盖将容腔2密封，然后将容腔2抽真空，使铝镁合金液释放出其溶解的气体，之后向容腔2内打入压缩气体，对容腔2内的铝合金液面上通过气体施加1.5MPa的压应力。

实施例3

本实施例所要制备的是连续定向凝固线材，其所采用的连续定向凝固铸造装置除下述特征外与实施例1所采用的装置相同：结晶口3的截面形状如图3所示，为圆孔结构，孔径为3mm，结晶口3内相应设置有引料线8；所述四组牵引辊轮10、12、13、15采用与引导引料线相应的牵引结构。

本实施例的具体操作步骤是：首先将引料线8对接在圆形结晶口3内使结晶器1内形成一个底部封闭的容腔2，通过水槽11上的入水口14向水槽11注水9，水槽11的水满了之后水从水槽11的上口边缘溢出；给分布在结晶器容腔壁上的加热丝19通电，将用模具钢材料制成的结晶器容腔壁预热到660℃，然后将过热到760℃的铝镁合金液浇到容腔2内，铝镁合金液流入结晶口3中；分布在结晶器容腔壁上的温度传感器20紧贴在靠近容腔壁面的位置，能够测出各个部位的温度；加热丝19和空心冷却通道4由控制件通过获得的温度信息进行控制，可以对容腔2、结晶口3内的铝镁合金液进行保温或冷却，维持铝镁合金液的温度，保证铝镁合金液不向结晶器容腔壁的壁面上结晶；可单独控制结晶器容腔壁上的每根空心冷却通道4中冷却液的通断及供液量的大小，也可以单独控制每个加热丝19的通断及功率的大小；由于引料线8部分浸在水9中，结晶口3圆形孔内的铝镁合金液的热量经引料线8导入水9中，形成从铝镁合金液经引料线8进入水9的定向热流场，结晶口3内的铝镁合金液向引料线8的端面上结晶凝固，开动由四组牵引辊轮15、13、12、10构成的牵引机构将圆孔内已凝固的线料拉出圆孔，拉出的速度根据由X射线发生器16、17、18和X射线感应器5、6、7获得的信息确定，X射线发生器16、17、18发出同样强度的X射线，结晶口3圆孔内的铝镁合金液凝固状态会造成X射线感应器5、6、7获得不同强度的信息，可以判断出铝镁合金液的结晶凝固区域位置，从而对牵引机构进行适时的反馈控制，调节牵引线料的速率，保证在牵引线料的过程中使铝镁合金液的凝固区域处于X射线发生16和18高度位置之间，不会出现拉得太快造成拉漏的情形，也不会出现拉得太慢造成拉断的情形，可以确保定向凝固连续不断的进行；线料拉出圆孔之后随即涂上一层保护涂料，防止线材被氧化；同时，根据容腔2中剩余的铝镁合金液的多少，及时向容腔2中补充铝镁合金液，维持连续稳定的生产过程；最后卷绕收集获得的线材。

Claims (10)

1、一种连续定向凝固铸造装置，其特征在于：包括结晶器、引料线或引料板、冷却构件、牵引机构、检测构件，所述结晶器位于冷却构件的上部，其底端开有结晶口，所述引料线或引料板一端可活动地伸入结晶口内使结晶器内形成一个底部封闭的容腔；所述牵引机构位于冷却构件内、外并与结晶器下的结晶口相对设置；所述检测构件设置在结晶口周围。

2、根据权利要求1所述的连续定向凝固铸造装置，其特征在于：所述结晶器的壁面内同时设置有空心冷却通道及加热元件，空心冷却通道通过控制阀与冷却液供应构件相连接，加热元件通过开关与电源相连接，控制阀及开关与控制件相连接。

3、根据权利要求1所述的连续定向凝固铸造装置，其特征在于：所述检测构件包括射线发生器及射线感应器，射线发生器与射线感应器分别位于结晶口两侧并相对设置。

4、一种连续定向凝固铸造方法，其特征在于包括下述步骤：(1)将引料线或引料板一端伸入结晶口内使结晶器内形成一个底部封闭的容腔；(2)将引料线或引料板的另一端通过牵引机构引入装在冷却构件内的冷却液中；(3)当结晶器预热后，将流体材料输入结晶器内，并对输入结晶器内的流体材料进行保温，使流体材料只向引料线或引料板的端面上或与引料线或引料板结合在一起的已凝固了的材料端面上定向结晶；(4)通过牵引机构拉动引料线或引料板，将已结晶凝固的材料拉出结晶器进入冷却液中。

5、根据权利要求4所述的连续定向凝固铸造方法，其特征在于：所述步骤(4)中牵引机构为多组辊轮结构，同时将引料线或引料板的一部分浸泡在冷却液中而将引料线或引料板的端部引出冷却液，在液体材料开始结晶凝固并与引料线或引料板结合在一起后，采用辊轮通过拉出引料线或引料板而将已结晶凝固的材料引入冷却液中，并在冷却后顺着拉出引料线或引料板的路径引出冷却液。

6、根据权利要求4所述的连续定向凝固铸造方法，其特征在于：所述步骤(3)中，通过检测构件判断出流体材料凝固过程中的已凝固材料固相区域、结晶区域及液相区域所处的位置，对牵引机构实时反馈控制调节牵引线材或板带材料的速率。

7、根据权利要求4所述的连续定向凝固铸造方法，其特征在于：在线材或板带材料被拉出结晶器之后、进入冷却液之前，在其表面涂上保护涂料。

8、根据权利要求4所述的连续定向凝固铸造方法，其特征在于：对结晶器内的液相材料施加压应力。

9、根据权利要求4所述的连续定向凝固铸造方法，其特征在于：引料线或引料板为单晶材料。

10、一种由权利要求4～9所述连续定向凝固铸造方法制备的线材或板带材料。

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