抑制鎂合金錠坯開裂的半連續(xù)鑄造結(jié)晶器及其使用方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于鑄造技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種抑制鎂合金錠坯開裂的半連續(xù)鑄造結(jié)晶器及其使用方法。
【背景技術(shù)】
[0002]變形鎂合金是鎂合金工業(yè)應(yīng)用的重要方面，一般來說，鎂合金的型材、板材和鍛件均采用所制備變形用的扁坯或圓坯通過擠壓、乳制或鍛造，擠壓或板材乳制等塑性變形工藝方法生產(chǎn)，因此，扁坯或圓坯制備是變形鎂合金變形材生產(chǎn)的前提。直接水冷鑄造(即半連續(xù)鑄造)方法是廣泛應(yīng)用于有色金屬錠坯鑄造的技術(shù)方法；目前，變形鎂合金錠坯的制備也均采用此方法；與鋁相比，鎂及其合金的單位體積比熱、熔化熱和熱導(dǎo)率分別約為鋁的70%，95%和20~65%，導(dǎo)溫系數(shù)只有鋁的28~93%。在鑄造過程中，鎂合金因低體積比熱和低熔化熱而使與模壁接觸的部位極易因散熱而降溫劇烈，而遠離模壁部位則因低導(dǎo)溫能力而難以把熱量傳遞到降溫劇烈的邊部，所以，鎂合金鑄造凝固方向上的高溫度梯度特點造成鎂合金凝固一般均存在較大的鑄造內(nèi)應(yīng)力；因此，降低鑄造內(nèi)應(yīng)力，抑制鑄造裂紋的產(chǎn)生是鎂合金鑄造的重要課題，其中，在采用半連續(xù)鑄造工藝生產(chǎn)大規(guī)格鎂合金錠坯或鑄造裂紋傾向嚴重的鎂合金錠坯時，抑制沿鑄造方向的中心裂紋或邊部裂紋是工藝控制主要考慮的因素之一。
[0003]專利CN101020229、CN101239371和CN1460567等技術(shù)通過在鎂合金半連續(xù)鑄造過程中施加電磁場、超聲場及其組合等外場，并結(jié)合鑄造速度與鑄造溫度的調(diào)整，可以顯著細化鎂合金錠坯的凝固組織和抑制宏觀偏析，同時也有明顯的抑制熱裂的效果，并在國內(nèi)大多數(shù)鎂合金錠坯制備企業(yè)實現(xiàn)了推廣應(yīng)用；不過，以上技術(shù)在熱裂傾向特別嚴重的高稀土鎂合金和ZK60錠坯制備時，或者在一般AZ系工業(yè)鎂合金的特大規(guī)格圓坯或大寬厚比的扁坯時，其抑制熱裂的作用效果受到限制。
[0004]稀土可以顯著提高鎂合金的強度和耐熱性，同時也顯著提高鎂合金熔體的阻燃特性，因此，具有高強高韌和高溫耐熱性特性的高稀土合金化鎂合金近年來受到高度關(guān)注，并也在新型合金開發(fā)方面得到顯著進展，并在航空航天、軍事工業(yè)等領(lǐng)域中的承力件制造方面具有潛在的重要應(yīng)用，但目前該類合金實際應(yīng)用一般只能用金屬模澆鑄的方式制備變形坯料，無法保證冶金質(zhì)量，極易造成鑄造缺陷。由于該系合金的嚴重?zé)崃焉踔晾淞掩厔?，在采用傳統(tǒng)直接水冷的半連續(xù)鑄造方法制備時，可以通過降低二冷水量來降低熱裂趨勢，但效果有限，因此對稀土總量大于10wt%的該類鎂合金，難以得到直徑或厚度大于200mm的半連續(xù)鑄造圓錠坯或扁錠坯。采用上述專利所述的電磁鑄造方法所形成的強制對流作用可以降低溫度梯度，從而實現(xiàn)直徑或厚度大于200~250mm的錠坯的鑄造，但對于更大規(guī)格錠坯仍然存在一定難度，即難以保證每個爐次均無熱裂發(fā)生。
[0005]由于高稀土鎂合金高昂的原材料成本，難以在民用工業(yè)中得到推廣應(yīng)用，因此，目前針對民用目標(biāo)的新型高強鎂合金開發(fā)大多是非高稀土合金化的Mg-Zn系合金的開發(fā)，并也已有一系列重要進展，如Mg-Zn-Cu-X系的ZC43X，Mg-Zn-Ca-Zr系的ZC33等，Mg-Zn-Mn系的ZM61，和Mg-Zn-Y-Zr系的MB25和MB26等；然而，與ZK60鎂合金相似，ZC43X和ZC33等合金也均有較嚴重的中心鑄造裂紋傾向，而ZM6UMB25和MB26等則有嚴重的邊部顯微徑向裂紋傾向。目前，這類合金只能鑄造圓坯，扁坯幾乎難以鑄造。
[0006]另外，由于熱裂傾向較小的AZ系鎂合金，如AZ31、AZ61、AZ80和AZ91等工業(yè)牌號鎂合金，其圓錠坯大多數(shù)可采用傳統(tǒng)半連續(xù)鑄造方法生產(chǎn)，且采用電磁鑄造方法已經(jīng)實現(xiàn)了直接達到800_的圓錠坯鑄造；但由于扁錠傳熱與凝固的非軸對稱特點，鑄造應(yīng)力大，其大規(guī)格扁坯鑄造也存在明顯的裂紋傾向。
[0007]鎂合金半連續(xù)鑄造主要有兩種方法:熱頂結(jié)晶器鑄造和金屬內(nèi)套結(jié)晶器鑄造；熱頂鑄造是借鑒鋁合金半連續(xù)鑄造而形成的技術(shù)方法，但由于鎂合金熔體在高溫時對硅酸鋁材質(zhì)的保溫帽(熱頂)具有高反應(yīng)性，因此，保溫帽難以完全避免因與鎂熔體的反應(yīng)(特別是在發(fā)生局部燃燒時)，而形成蝕坑，不僅污染熔體，而且難以保證鑄造的連續(xù)進行，因此，沒有得到工業(yè)化應(yīng)用；金屬內(nèi)套結(jié)構(gòu)結(jié)晶器是鎂合金半連續(xù)鑄造的主要方法，但內(nèi)套材質(zhì)經(jīng)歷了銅及其合金到鍛鋁合金的發(fā)展過程；目前廣泛采用的鎂合金低頻電磁鑄造方法均采用鍛鋁合金材質(zhì)內(nèi)套，不僅有利于減小電磁的趨膚效應(yīng)，提高電磁作用效果，而且也有比銅材低得多的冷卻強度，但與熱頂相比，其一冷強度仍然很高。
[0008]大量理論與實踐均表明，降低鑄造冷卻速率均有明顯抑制熱裂和冷裂的效果；降低金屬熔體完全凝固之前的冷卻速率，特別是在高固相分數(shù)時，低冷卻速率，具有明顯降低應(yīng)力集中形成程度與形成速率的效果；而降低完全凝固之后的冷卻速率則對高冷裂傾向的合金有效；例如，冷裂趨勢嚴重的7XXX高強鋁合金錠坯的鑄造，往往通過降低二冷而輔之于低強度三冷的方法來抑制冷裂，或者采用橡膠擋水板或氣刀的方式使通過二冷形成凝殼之后，使鑄錠回?zé)嵋赃_到在線自退火來實現(xiàn)鑄造內(nèi)應(yīng)力的釋放，避免冷裂發(fā)生。
[0009]大多數(shù)鎂合金鑄造均易于發(fā)生熱裂，只有在嚴重高合金化的鎂合金才會有冷裂發(fā)生，但就如高稀土鎂合金一樣，盡管也有明顯冷裂傾向，但熱裂仍然是最主要。然而，目前鎂合金半連續(xù)鑄造從工藝技術(shù)上抑制熱裂的方法卻仍然主要借用了鋁合金錠坯鑄造抑制冷裂的方法，如降低二冷水強度等方法，而對鎂合金凝固熱裂具有重要影響的一冷條件的控制并沒有弓I起足夠的重視。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0010]針對現(xiàn)有半連續(xù)鑄造生產(chǎn)鎂合金技術(shù)存在的上述問題，本發(fā)明提供一種抑制鎂合金錠坯開裂的半連續(xù)鑄造結(jié)晶器及其使用方法，通過設(shè)置結(jié)晶器的金屬內(nèi)套及保溫層，在連鑄過程中以一冷調(diào)控為主并與二冷協(xié)調(diào)，抑制鎂合金熱裂以及冷裂，提高高稀土鎂合金等鎂合金以及大規(guī)格錠坯的質(zhì)量和成材率。
[0011]本發(fā)明的抑制鎂合金錠坯開裂的半連續(xù)鑄造結(jié)晶器包括內(nèi)套、保溫層、冷卻水箱、勵磁線圈和結(jié)晶器外殼，保溫層設(shè)置在內(nèi)套的內(nèi)壁的上方，或設(shè)置在外壁的上方，或同時設(shè)置在內(nèi)壁和外壁的上方；設(shè)置在外壁的上方的保溫層為外保溫層，其頂端與內(nèi)套的頂板底面連接，外保溫層的高度為內(nèi)套高度的50~80% ;設(shè)置在內(nèi)壁上方的保溫層為內(nèi)保溫層，其頂端與內(nèi)套頂面同高，內(nèi)保溫層的高度為內(nèi)套高度的50~80% ;內(nèi)保溫層嵌入內(nèi)套并粘接在內(nèi)壁上，嵌入深度為內(nèi)套側(cè)壁厚度的20~40%;外保溫層嵌入內(nèi)套并粘接在內(nèi)套外壁上，嵌入深度為內(nèi)套側(cè)壁厚度的20~40%。
[0012]上述的內(nèi)套的材質(zhì)為鋁合金、不銹鋼或銅合金。
[0013]上述的內(nèi)保溫層的材質(zhì)選用陶瓷纖維紙，且陶瓷纖維紙表面接觸熔體的一側(cè)涂覆有耐高溫涂料，耐高溫涂料選用氮化硼涂料、碳化硼涂料或二硫化鉬涂料。
[0014]上述的內(nèi)保溫層的內(nèi)側(cè)面延伸出內(nèi)套內(nèi)壁表面5~10mm，且內(nèi)保溫層的底面與內(nèi)套內(nèi)壁之間設(shè)有過渡帶，過渡帶由脂肪酸甘油酯和滑石粉按重量比1: (1~5)混合制成；過渡帶的頂面與內(nèi)保溫層的底面粘接，過渡帶的直側(cè)面與內(nèi)套的內(nèi)壁粘接，過渡帶的斜側(cè)面與內(nèi)套內(nèi)壁的夾角在30°~60°。
[0015]上述的外保溫層的材質(zhì)為橡膠或塑料。
[0016]上述的保溫層與內(nèi)套粘接是采用和粘合劑進行粘接，所述的粘合劑是采用含羥基纖維素鈉、淀粉和水混合制成，其中含羥基纖維素鈉占總重量的15~25%，淀粉占重量的15~25%o
[0017]本發(fā)明的方法包括以下步驟:
1、采用抑制鎂合金錠坯開裂的半連續(xù)鑄造結(jié)晶器，對鎂合金進行半連續(xù)鑄造，首先將引錠上升到結(jié)晶器內(nèi)形成半封閉的型腔，利用石棉繩將引錠與結(jié)晶器內(nèi)套之間的縫隙填充好;
2、開啟冷卻水，待冷卻水灌?兩冷卻水箱后，在勵磁線圈中通入父流電；
3、通過導(dǎo)流裝置和分流槽將已經(jīng)熔煉完畢的鎂合金熔體引流到結(jié)晶器中，通過勵磁線圈產(chǎn)生的洛倫茲力對鎂合金熔體進行攪拌，此時引錠和內(nèi)套的