一種制備大規(guī)格鋁合金鑄錠的均勻冷卻器的制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本實用新型屬于金屬材料加工領(lǐng)域，特別涉及一種制備大規(guī)格鋁合金鑄錠的均勻冷卻器。
【背景技術(shù)】
[0002]半連續(xù)鑄造是制備變形鋁合金的第一道工序，鑄錠質(zhì)量的好壞直接影響著后續(xù)變形加工。采用傳統(tǒng)半連續(xù)鑄造方法生產(chǎn)鑄錠過程中總是會出現(xiàn)組織粗大不均勻、宏觀偏析甚至開裂等不可逆轉(zhuǎn)的缺陷。這些問題的出現(xiàn)和半連續(xù)鑄造的凝固成形方式有著很大的關(guān)系。半連續(xù)鑄造是將高溫金屬熔體連續(xù)地澆鑄到強制水冷的結(jié)晶器內(nèi)，形成初凝殼，初凝殼從結(jié)晶器內(nèi)出來后在受到二冷水的冷卻作用，使初凝殼內(nèi)金屬熔體凝固成形，最后形成鑄錠。整個半連續(xù)鑄造過程中熔體的凝固僅僅是依賴結(jié)晶器和二冷水等熔體外部的冷卻作用，凝固過程中熔體的散熱方向單一，溫度梯度很大，熔體由外向里順序凝固，特別是對于鑄造大規(guī)格鑄錠時，會形成很深的液穴，最終造成鑄錠組織粗大不均勻、成分偏析、開裂等問題。
[0003]目前，國內(nèi)外科研人員針對提高鑄錠的冷卻條件開展了大量的研究工作，包括改善結(jié)晶器噴水方式、施加外場等方法來改善熔體的對流換熱，提高溫度場的均勻性。但是，這些方法并沒有從根本上解決半連續(xù)鑄造過程中熔體內(nèi)外冷卻不均問題，特別是對大規(guī)格鑄錠而言，更加無法有效控制熔體內(nèi)溫度場和成分場均勻性，因此鑄錠組織依舊粗大且分布不均勻。
[0004]專利CN102581238B公開了一種鋁合金半連續(xù)鑄造冷卻強度可變的結(jié)晶器，該結(jié)晶器設置了上下兩個水箱，上水箱設置一組冷卻水孔，下水箱設置兩組冷卻水孔，連鑄開始階段使用第三組冷卻水單獨冷卻，穩(wěn)定階段使用3組冷卻水同時沖擊到鑄錠表面，可以提高鑄錠冷卻效果，有利于提高鑄錠冶金質(zhì)量。該發(fā)明希望通過改變外部冷卻水的冷卻方式達到提高連鑄過程中鑄錠的冷卻效果，從而解決鑄錠開裂和翹曲的問題。但是，導致鑄錠開裂和翹曲的根本原因是鑄錠橫截面上存在非常大的溫度梯度和較深的液穴，半連續(xù)鑄造過程中采用單一的四周噴水冷卻的方式便會使鑄錠產(chǎn)生較大溫度梯度和較深液穴，因此，僅僅是從對這種單一的冷卻方式進行改善并不能從根本上解決鑄錠內(nèi)外冷卻不均的問題，熔體的凝固仍然是由外向內(nèi)的順序凝固，由于溫度梯度較大造成的鑄錠開裂和翹曲問題也就不能得到有效地解決。
[0005]中國專利(CN1485452A)公開了一種施加電磁攪拌制備合金漿料和坯料的方法，該方法通過利用電磁場在金屬液中產(chǎn)生感應電流，金屬液在洛倫滋力的作用下對金屬液形成劇烈地攪拌作用，使金屬凝固析出的枝晶充分被碎化或球化，從而達到細化晶粒、改善鑄坯質(zhì)量的目的。但是，由于交變電磁場趨膚效應的存在，電磁場作用于金屬熔體時，其作用力隨著距離的增加呈指數(shù)式衰減，也即熔體外部受到的作用力大，而熔體內(nèi)部小，作用力不均勻，金屬熔體的攪拌效果不均勻，最終會導致晶粒組織不均勻。特別是對大規(guī)格鑄錠，熔體的攪拌作用更加有限，熔體的凝固仍然是由外向內(nèi)的順序凝固，熔體冷卻方式單一，鑄造效率不高，也沒有從根本上解決鋁合金凝固過程中溫度場不均勻問題。
【實用新型內(nèi)容】
[0006]針對現(xiàn)有半連續(xù)鑄造方法凝固過程中熔體只能由外向內(nèi)冷卻模式存在的不足，及傳統(tǒng)半連續(xù)鑄造方法制備大規(guī)格鋁合金鑄錠凝固過程因邊部、心部熔體存在較大溫度梯度、液穴較深而導致易產(chǎn)生組織粗大不均勻、成分偏析、熱裂以及鑄速慢、生產(chǎn)效率低等問題，提出一種制備大規(guī)格鋁合金鑄錠的均勻冷卻器及方法。
[0007]針對半連續(xù)鑄造凝固過程中熔體由內(nèi)向外的冷卻特征，本實用新型在普通半連續(xù)鑄造設備上設置均勻冷卻器，利用冷卻器的換熱作用，改變?nèi)垠w單一的冷卻方向，增加冷卻維度，結(jié)合普通半連續(xù)鑄造結(jié)晶器一冷和二冷的作用，使熔體在凝固過程中內(nèi)外同時冷卻，根據(jù)實際生產(chǎn)的需要調(diào)整均勻冷卻器的冷卻，使熔體在凝固過程中溫度場更加均勻，最后得到的鑄錠組織細小均勻。
[0008]為實現(xiàn)以上實用新型的目的，采用以下技術(shù)方案:
[0009]—種制備大規(guī)格鋁合金鑄錠的均勻冷卻器，由內(nèi)管和外管組成;所述的外管的上部為絕熱端，下部為冷卻端;所述的內(nèi)管包括螺旋內(nèi)管及分別設置在螺旋內(nèi)管入口和出口的入口端和出口端，所述的螺旋內(nèi)管以螺旋方式設置在外管的冷卻端內(nèi)。
[0010]均勾冷卻器外管的絕熱端為圓筒形，冷卻端為半球形；絕熱端的外徑不大于冷卻端的外徑，兩者外徑尺寸均為100?800_，厚度為3?20_，厚度與冷卻端相同。
[0011]均勻冷卻器外管的冷卻端采用耐高溫導熱材料制成，如石墨、銅、鉬、鈦等;絕熱端的外管壁包覆絕熱材料，如石棉，或外管絕熱端采用耐高溫絕熱陶瓷制成。
[0012]所述的絕熱端底部設有葉片結(jié)構(gòu)，葉片數(shù)為O?8，優(yōu)選為3?5個，葉片寬度為10?100mm，葉片厚度為2?8mm，葉片轉(zhuǎn)動時具有向下帶動恪體流動的效果，葉片采用耐高溫材料制成，如鉬、鈦、陶瓷、石墨等材料。
[0013]均勻冷卻器內(nèi)管由導熱材料制成，如銅、鋼、鈦等及其復合材料；內(nèi)管內(nèi)徑為2?3 Omm，厚度0.5?5mm;螺旋內(nèi)管的螺旋數(shù)位為3?5 O，螺旋間距為O?I Omm，優(yōu)選為3?5mm。
[0014]螺旋內(nèi)管的入口設置在外管冷卻端的底部中心，螺旋內(nèi)管的出口設在外管絕緣端的底部，冷卻介質(zhì)經(jīng)入口端從螺旋內(nèi)管入口進入到達外管冷卻端中心，通過底部內(nèi)管螺旋上升到外管絕熱端處，然后從內(nèi)管出口經(jīng)出口端出來。
[0015]內(nèi)管中采用的冷卻介質(zhì)為空氣、氮氣、氬氣、水、油等各種流體，冷卻介質(zhì)流量為O?2000L/min，液體冷卻介質(zhì)流量優(yōu)選為10?50L/min，氣體冷卻介質(zhì)流量優(yōu)選為500?1000L/min。
[0016]基于上述均勻冷卻器，制備大規(guī)格鋁合金鑄錠的方法，包括如下步驟:采用半連續(xù)鑄造制備大規(guī)格鋁合金鑄錠過程中，將均勻冷卻器設置到結(jié)晶器內(nèi)，同時通入冷卻介質(zhì)和開啟轉(zhuǎn)動，冷卻介質(zhì)從內(nèi)管入口進入并到達均勻冷卻器底部中心，然后螺旋上升，通過底部導熱材料與熔體換熱，均勻冷卻器的攪拌作用，使熔體經(jīng)過均勻冷卻器底部冷卻，結(jié)合結(jié)晶器對熔體的冷卻作用，使熔體內(nèi)外同時冷卻，實現(xiàn)熔體的強制連續(xù)動態(tài)均勻冷卻。與此同時，均勻冷卻器冷卻端葉片，帶動熔體向均勻冷卻器底部匯集，熔體經(jīng)過均勻冷卻器底部冷卻，繼續(xù)向下流動進入液穴糊狀區(qū)，使熔體得到連續(xù)動態(tài)均勻冷卻和強制補縮，最終制備得到大規(guī)格鑄錠。
[0017]所述的均勻冷卻器設置在半連續(xù)鑄造平臺上，在半連續(xù)鑄造過程中，均勻冷卻器深入到結(jié)晶器內(nèi)，到結(jié)晶器高度位置，均勻冷卻器底部與結(jié)晶器平齊，從熔體內(nèi)部對熔體施加均勻冷卻。均勻冷卻器的數(shù)量可以設置一個或多個;均勻冷卻器整套裝置的旋轉(zhuǎn)速度為O?300r/min，優(yōu)選為 50 ?150r/min。
[0018]本實用新型的均勻冷卻器內(nèi)管使用導熱材料制成，冷卻介質(zhì)從內(nèi)管入口進入，達到均勻冷卻外管冷卻端，經(jīng)過底部盤旋式內(nèi)管，冷卻介質(zhì)在冷卻端與熔體換熱，冷卻熔體，然后從內(nèi)管出口流出。外管冷卻端帶有葉片，葉片強制熔體向下流動，使熔體不斷地向下補充到液穴當中，起到動態(tài)連續(xù)均勻冷卻的效果。
[0019]上述裝置和方法可用于在半連續(xù)鑄造設備中制備直徑大于300mm的鋁合金圓錠和厚度大于300mm的鋁合金扁錠。
[0020]本實用新型的優(yōu)點如下:
[0021]1、在結(jié)晶器內(nèi)部放置均勻冷卻器，冷卻介質(zhì)從內(nèi)管進入后到達外管冷卻端中心，然后沿著管底螺旋上升，通過冷卻端與金屬熔體換熱，換熱效果從邊部到心部逐漸增強，能有效帶走結(jié)晶器內(nèi)金屬熔體心部熱量，結(jié)合結(jié)晶器的冷卻作用，創(chuàng)造性地改變了傳統(tǒng)連鑄過程中只有從外到內(nèi)單方向傳熱的方式，增加了凝固過程中的冷卻維度，實現(xiàn)了多維度強制均勻凝固模式。
[0022]2、首次將均勻冷卻器的旋轉(zhuǎn)運動與冷卻端的特殊結(jié)構(gòu)巧妙結(jié)合，攪拌作用能夠有效地帶動熔體流動，使得整個熔體發(fā)生強制對流，在提高冷卻強度的基礎(chǔ)上，可以顯著改善熔體溫度場和成分場的均勻性。同時冷卻端的冷卻和攪拌共同作用使過熱熔體與凝固前沿的合金熔體快速發(fā)生傳熱傳質(zhì)交換，可實現(xiàn)對熔體強制動態(tài)連續(xù)均勻化冷卻處理。
[0023]3、本實用新型結(jié)構(gòu)簡單，使用方便，能顯著提高鑄造速度和生產(chǎn)效率，可制備出組織均勻細小的大規(guī)格鋁合金鑄錠，從根本上解決傳統(tǒng)半連續(xù)鑄造方法制備大規(guī)格鋁合金鑄錠存在組織粗大不均勻、宏觀偏析、開裂等問題，具有廣泛的工業(yè)應用前景。
【附圖說明】
[0024]圖1為本實用新型制備大規(guī)格鋁合金鑄錠的均勻冷卻器截面圖；
[0025]圖2為本實用新型在實施例1設置示意圖；
[0026]圖3為本實用新型在實施例2設置示意圖。
[0027]主要附圖標記說明:
[0028]I入口端2出口端
[0029]3絕熱端4葉片
[0030]5螺旋內(nèi)管6