阅读说明：本技术 一种等外径薄壁合金铸件行波磁场/超声波协同优化的半连铸设备及其半连铸方法 (A kind of the D.C.casting equipment and its D.C.casting method of equal outer diameters thin wall alloy casting travelling-magnetic-field/ultrasonic synergistic optimization ) 是由 苏彦庆 罗磊 骆良顺 王亮 陈瑞润 郭景杰 侯劲松 袁庆锋 李春辉 于 2019-09-20 设计创作，主要内容包括：一种等外径薄壁合金铸件行波磁场/超声波协同优化的半连铸设备及其半连铸方法,本发明涉及半连铸设备及其半连铸方法,它为了现有半连铸设备无法满足合金熔体实时净化处理、合金组织有效改善的问题。本发明半连铸设备是在工作平台上由上至下依次叠置有熔炼保温装置、隔热板、行波磁场发生器和水冷结晶器,外模套设在行波磁场发生器内部,外模内设置有型芯,型芯位于底板上,超声波限位挡板上固设有超声波发生器,通过限位杆限定超声波发生器的位置,由运动系统带动超声波发生器和型芯的抽拉运动。本发明能实现熔体的实时精炼、除气和组织调控,并解决单一磁场或超声场无法高效改善凝固组织质量的问题,得到合金半连铸过程的近净成形效果。(A kind of the D.C.casting equipment and its D.C.casting method of equal outer diameters thin wall alloy casting travelling-magnetic-field/ultrasonic synergistic optimization, the present invention relates to D.C.casting equipment and its D.C.casting methods, it is for the problem of existing D.C.casting equipment is unable to satisfy the real-time purified treatment of alloy melt, alloy structure is effectively improved.D.C.casting equipment of the present invention is that melting attemperator, thermal insulation board, traveling-wave magnetic field generator and water mold have from top to bottom been sequentially stacked on workbench, external mold is set in inside traveling-wave magnetic field generator, type core is provided in external mold, type core is located on bottom plate, supersonic generator is installed on ultrasound wave spacing baffle, the position that supersonic generator is limited by gag lever post drives the pull of supersonic generator and type core to move by kinematic system.The present invention is able to achieve real-time refining, degasification and the tissue modulation of melt, and solves the problems, such as that single magnetic field or ultrasonic field can not efficiently improve solidified structure quality, obtains the near-net-shape effect of alloy D.C.casting process.)

一种等外径薄壁合金铸件行波磁场/超声波协同优化的半连 铸设备及其半连铸方法

技术领域

本发明涉及半连铸设备，具体涉及通过行波磁场和超声波协同作用，来对半连铸过程中的熔体的糊状区进行实时优化处理，实现近净成形的半连铸设备及其半连铸方法。

背景技术

目前，以ZL205A铝合金为例的多种合金材料铸件在航空、航天、军工及国防武器装备等领域都有大量的需求，但是较多的等外径薄壁合金铸件由于体型较大，壁厚较薄，合金材料凝固区间较宽，在铸造过程中存在较多的组织缺陷、工艺繁琐和成本较高等问题，并大大提高铸造难度，降低了生产效率。

目前，传统的大型等外径薄壁合金铸件制备工艺通常为差压铸造或反重力铸造，制备成本过高；而薄壁铸件的连铸工艺都需要结合后续处理，工艺比较繁琐；关于大型等外径薄壁合金铸件半连铸设备几乎没有，而且在实际应用中，很难达到实时有效的熔体处理，由于筒型薄壁合金铸件一般壁厚较小，更增大了半连铸过程中对合金熔体和组织的优化改善难度；而且，传统的半连铸设备无法实现有效的近净成形，需要对半连铸后的铸件进行二次加工及其他后续处理，大大增加了生产成本，浪费了资源，因此，传统的半连铸设备存在较严重的弊端，在航空、航天、军工及国防武器装备等高精新技术领域中无法广泛应用，应提出新的思路来进行改进。

目前，单独使用超声波铸造设备可以对熔体进行净化、除气，但是单独的超声波处理只能促进杂质、气体的形核，但是由于熔体的粘度作用，导致杂质、气体与熔体之间的分离效果并不十分明显。

目前，常规的磁场处理铸造设备可以对合金的净化、补缩起到较好作用，但是对于合金组织的形核并无非常大的影响，对合金组织改善作用具有局限性；同时，传统的磁场处理设备无法实现合金的连续均匀处理，导致合金铸件内部容易产生偏析和组织不均匀等问题。

综上所述，针对等外径薄壁合金铸件的大批量、自动化生产，针对合金熔体半连铸过程实时优化，针对合金组织有效改善、性能有效提高等问题，需要提出一种全新的半连铸设备来同时满足所有需求，实现等外径薄壁合金铸件的近净成形，提高生产效率，降低生产成本。

发明内容

本发明的目的是解决现有半连铸设备无法满足合金熔体实时净化处理、合金组织有效改善、性能有效提高以及消除或减少后续处理工艺，有效降低成本的问题，而提供了一种等外径薄壁合金铸件行波磁场/超声波协同优化的半连铸设备及其半连铸方法。

本发明等外径薄壁合金铸件行波磁场/超声波协同优化的半连铸设备包括熔炼保温装置、行波磁场发生器、超声波发生器、运动系统、超声波限位挡板、限位杆、型芯和外模，在工作平台上由上至下依次叠置有熔炼保温装置、隔热板、行波磁场发生器和水冷结晶器，外模套设在行波磁场发生器内部并位于水冷结晶器上，在外模内设置有型芯，型芯位于底板上；

在工作平台上表面的左右两侧分别设置有一根T形的限位杆，在限位杆的横杆上搭接有超声波限位挡板，在超声波限位挡板上固设有超声波发生器；

所述的运动系统包括丝杠螺母、丝杠导轨、运动推板、推杆和支撑杆，在工作平台的下表面竖直设置有两根丝杠导轨，丝杠螺母套设在丝杠导轨形成丝杠副，运动推板与丝杠螺母固定连接，两根丝杠导轨由电机驱动同步旋转带动丝杠导轨上的运动推板上下运动，在运动推板上竖直设置有两根支撑杆和两根推杆，两根支撑杆的杆顶设置有底板，推杆穿过工作平台和限位杆，推杆上行程时顶推超声波限位挡板，超声波限位挡板上的超声波发生器伸入型芯与外模之间的铸腔内。

本发明等外径薄壁合金铸件行波磁场/超声波协同优化的半连铸方法按下列步骤实现：

一、在工作平台上由上至下依次叠置有熔炼保温装置、隔热板、行波磁场发生器和水冷结晶器，外模套设在行波磁场发生器内部并位于水冷结晶器上，在外模内设置有型芯，型芯位于底板上，超声波发生器伸入型芯与外模之间的铸腔内；

二、起始时，底板与熔炼保温装置内腔的底面平齐，开启超声波发生器，将宽凝固区间合金材料置于熔炼保温装置内熔炼，在温度高于合金材料熔点50～60℃的条件下进行保温，在熔体保温过程中超声波发生器对熔炼合金进行超声处理，得到保温超声的熔炼合金；

三、随后超声波发生器和底板上的型芯同步垂直向下运动进行抽拉，抽拉起始时开启行波磁场发生器和水冷结晶器；

四、当超声波发生器抽拉到合金的糊状区位置时，超声波发生器限位固定位置，保证糊状区同时受到行波磁场发生器的磁场处理以及超声波发生器的超声波作用，型芯继续抽拉直至铸型结束，从而完成宽凝固区间合金等外径薄壁铸件的半连铸。

本发明所述的等外径薄壁合金铸件行波磁场/超声波协同优化的半连铸设备主要包括以下几个结构：熔炼保温系统、行波磁场发生系统、超声波发生系统、运动系统、水冷结晶系统、限位系统和成形系统。

其中所述的超声波发生系统主要由超声波发生器和相关电路组成。超声波发生器能够调控发出的超声波功率为1～2000W。

所述的限位系统包括超声波限位挡板和限位平台。超声波发生器固定在超声波限位挡板上，连铸过程中当超声波限位挡板落在限位平台上时，超声波发生器被固定在该位置不再进行移动，保证超声波发生器可以作用于合金糊状区。

所述的成形系统主要包括：型芯和外模，保证等外径薄壁合金铸件的成形。

所述的运动系统主要包括：电机、丝杠导轨、运动推板、推杆和支撑杆。连铸过程中主要由电机控制运动推板在导轨上进行上下运动。推杆连接超声波限位挡板带动超声波发生器的上下移动，推杆与超声波限位挡板之间采取活动型联结，向上运动时，推杆则将超声波限位挡板向上顶起进行运动；向下运动至限位杆时，推杆和超声波限位挡板会自动脱离，推杆继续跟随运动推板向下运动。支撑杆连接型芯进行连铸过程的上下抽拉运动。

本发明的熔炼保温系统、运动系统和水冷结晶系统保证合金糊状区处于行波磁场发生系统作用区域。超声波发生系统、限位系统和运动系统保证超声波作用于合金糊状区；成形系统保证合金的成形。本发明的各系统的相互配合实现熔体的实时精炼、除气和组织调控，并解决单一磁场或超声场无法高效改善凝固组织质量的问题，得到合金半连铸过程的近净成形效果。

附图说明

图1是本发明等外径薄壁合金铸件行波磁场/超声波协同优化的半连铸设备的稳定时刻示意图；

图2是本发明等外径薄壁合金铸件行波磁场/超声波协同优化的半连铸设备的初始时刻示意图；

图3是应用实施例等外径薄壁合金铸件行波磁场/超声波协同优化的半连铸设备制备的铸件组织电镜图；

图4是不施加行波磁场制备的铸件组织电镜图。

具体实施方式

具体实施方式一：本实施方式等外径薄壁合金铸件行波磁场/超声波协同优化的半连铸设备包括熔炼保温装置1、行波磁场发生器3、超声波发生器4、运动系统、超声波限位挡板11、限位杆12、型芯13和外模14，在工作平台15上由上至下依次叠置有熔炼保温装置1、隔热板2、行波磁场发生器3和水冷结晶器10，外模14套设在行波磁场发生器3内部并位于水冷结晶器10上，在外模14内设置有型芯13，型芯13位于底板16上；

在工作平台15上表面的左右两侧分别设置有一根T形的限位杆12，在限位杆12的横杆上搭接有超声波限位挡板11，在超声波限位挡板11上固设有超声波发生器4；

所述的运动系统包括丝杠螺母5、丝杠导轨6、运动推板7、推杆8和支撑杆9，在工作平台15的下表面竖直设置有两根丝杠导轨6，丝杠螺母5套设在丝杠导轨6形成丝杠副，运动推板7与丝杠螺母5固定连接，两根丝杠导轨6由电机驱动同步旋转带动丝杠导轨6上的运动推板7上下运动，在运动推板7上竖直设置有两根支撑杆9和两根推杆8，两根支撑杆9的杆顶设置有底板16，推杆8穿过工作平台15和限位杆12，推杆8上行程时顶推超声波限位挡板11，超声波限位挡板11上的超声波发生器4伸入型芯13与外模14之间的铸腔内。

本实施方式等外径薄壁合金铸件行波磁场/超声波协同优化的半连铸设备通过运动系统实现超声波发生器和型芯的同步抽拉。

具体实施方式二：本实施方式与具体实施方式一不同的是丝杠导轨6的高度大于连铸总行程的2倍。

本实施方式导轨与工作平台高度一致，两根导轨互相平行并与地面垂直。

具体实施方式三：本实施方式与具体实施方式一或二不同的是水冷结晶器10采用空心铜盘结构，内部通入循环水进行强制冷却。

本实施方式保证超声波发生器4能够有效作用于合金凝固过程中的糊状区。

具体实施方式四：本实施方式与具体实施方式一至三之一不同的是隔热板2的材质为云母片或高温石棉。

具体实施方式五：本实施方式与具体实施方式一至四之一不同的是两根丝杠导轨6由电机驱动通过皮带带动丝杠导轨6同步旋转。

具体实施方式六：本实施方式宽凝固区间合金等外径薄壁铸件行波磁场/超声波协同优化半连铸方法按下列步骤实施：

一、在工作平台15上由上至下依次叠置有熔炼保温装置1、隔热板2、行波磁场发生器3和水冷结晶器10，外模14套设在行波磁场发生器3内部并位于水冷结晶器10上，在外模14内设置有型芯13，型芯13位于底板16上，超声波发生器4伸入型芯13与外模14之间的铸腔内；

二、起始时，底板16与熔炼保温装置1内腔的底面平齐，开启超声波发生器4，将宽凝固区间合金材料置于熔炼保温装置1内熔炼，在温度高于合金材料熔点50～60℃的条件下进行保温，在熔体保温过程中超声波发生器4对熔炼合金进行超声处理，得到保温超声的熔炼合金；

三、随后型芯13和超声波发生器4同步垂直向下运动进行抽拉，抽拉起始时开启行波磁场发生器3和水冷结晶器10；

四、当超声波发生器4抽拉到合金的糊状区位置时，超声波发生器4限位固定位置，保证糊状区同时受到行波磁场发生器3的磁场处理以及超声波发生器4的超声波作用，型芯13继续抽拉直至铸型结束，从而完成宽凝固区间合金等外径薄壁铸件的半连铸。

具体实施方式七：本实施方式与具体实施方式六不同的是控制行波磁场发生器3的行波磁场强度为0.001～2T。

本实施方式行波磁场轴向方向调节为向上或者向下。

具体实施方式八：本实施方式与具体实施方式六或七不同的是控制超声波发生器4的功率为1～2000W。

具体实施方式九：本实施方式与具体实施方式六至八之一不同的是底板16带动型芯13的下降速度为1μm/s～500μm/s。

具体实施方式十：本实施方式与具体实施方式六至九之一不同的是步骤二中所述的宽凝固区间合金材料为Zn-Al系合金、Al-Cu系合金或Al-Pb系合金。

具体实施方式十一：本实施方式与具体实施方式六至十之一不同的是步骤二中所述的宽凝固区间合金材料为MA2-1合金、U2Nb合金或ZL205A铝合金。

具体实施方式十二：本实施方式与具体实施方式六至十一之一不同的是步骤二中在温度高于合金材料熔点50～60℃的条件下进行保温10min～20min。

具体实施方式十三：本实施方式与具体实施方式六至十二之一不同的是步骤四中超声波发生器4限位固定位置位于进入行波磁场发生器3内的3/5～7/10处。

本实施方式合金糊状区位置可通过试验确定，宽凝固区间合金材料的糊状区(多)位于进入行波磁场发生器3内的3/5～7/10的范围内。

实施例：本实施例等外径薄壁合金铸件行波磁场/超声波协同优化的半连铸设备包括熔炼保温装置1、行波磁场发生器3、超声波发生器4、运动系统、超声波限位挡板11、限位杆12、型芯13和外模14，在工作平台15上由上至下依次叠置有熔炼保温装置1、隔热板2、行波磁场发生器3和水冷结晶器10，所述的工作平台15由两个支撑腿支撑，外模14套设在行波磁场发生器3内部并位于水冷结晶器10上，在外模14内设置有型芯13，型芯13位于底板16上；

在工作平台15上表面的左右两侧分别设置有一根T形的限位杆12，在限位杆12的横杆上搭接有超声波限位挡板11，在超声波限位挡板11上固设有超声波发生器4；

所述的运动系统包括丝杠螺母5、丝杠导轨6、运动推板7、推杆8和支撑杆9，在工作平台15的下表面竖直设置有两根丝杠导轨6，丝杠螺母5套设在丝杠导轨6形成丝杠副，运动推板7与丝杠螺母5固定连接，两根丝杠导轨6由电机驱动同步旋转带动丝杠导轨6上的运动推板7上下运动，在运动推板7上竖直设置有两根支撑杆9和两根推杆8，两根支撑杆9的杆顶设置有底板16，由运动推板7带动底板16上的型芯13在外模14内向下抽拉运动，推杆8穿过工作平台15和限位杆12，推杆8上行程时顶推超声波限位挡板11，超声波限位挡板11上的超声波发生器4伸入型芯13与外模14之间的铸腔内。

应用实施例：本实施例宽凝固区间合金等外径薄壁铸件行波磁场/超声波协同优化半连铸方法按下列步骤实施：

一、在工作平台15上由上至下依次叠置有熔炼保温装置1、隔热板2、行波磁场发生器3和水冷结晶器10，外模14套设在行波磁场发生器3内部并位于水冷结晶器10上，在外模14内设置有型芯13，型芯13位于底板16上，超声波发生器4伸入型芯13与外模14之间的铸腔内，铸腔底部为底板16；

二、起始时，底板16与熔炼保温装置1内腔的底面平齐，开启超声波发生器4，将Al-5Cu合金材料置于熔炼保温装置1内熔炼，在温度高于合金材料熔点50℃的条件下进行保温15min，在熔体保温过程中超声波发生器4以1600W的功率对熔炼合金进行超声处理，得到保温超声的熔炼合金；

三、随后型芯13和超声波发生器4同步垂直向下运动进行抽拉，控制抽拉速度为150μm/s，抽拉起始时开启行波磁场发生器3和水冷结晶器10，控制磁场强度为1.2T，保温超声的熔炼合金进行连铸；

四、当超声波发生器4抽拉到合金的糊状区位置(即进入行波磁场发生器3内的2/3处)时，超声波发生器4限位固定位置，保证糊状区同时受到行波磁场发生器3的磁场处理以及超声波发生器4的超声波作用，型芯13继续抽拉直至铸型结束，从而完成宽凝固区间合金等外径薄壁铸件的半连铸。

结合图1和图2进行说明，本实施例等外径薄壁合金铸件行波磁场/超声波协同优化的半连铸设备从上到下依次为熔炼保温装置1、隔热板2、行波磁场发生器3、水冷结晶器4放置在工作平台15上；丝杠导轨6与工作平台高度一致，高于连铸总行程的2倍，且有两根互相平行与地面垂直的导轨构成；电机控制运动推板7进行运动，运动推板7与丝杠导轨6配合装配，并在丝杠导轨6上进行上下运动；推杆8、支撑杆9固定连接在运动推板7上；型芯13与支撑杆9固定装配；超声波限位挡板11与推杆8使用活动配合，推杆8对超声波限位挡板11是支撑顶起作用，向上运动时可以顶起超声波限位挡板11以其向上运动，向下运动时，先支撑着超声波限位挡板11向下运动，当达到限位平台12时，推杆8和超声波限位挡板11脱离，超声波限位挡板11和超声波发生器4被固定在限位平台12上；限位平台12可以调节高度根据所需要的实际距离进行调节；外模14置于行波磁场发生器3内部，外模14外径与行波磁场发生器3内径尺寸相同，而且外模14的内径与水冷结晶器10的内径相同；外模14置于水冷结晶器10上部，相互贴紧放置；水冷结晶器10采用水冷空心铜盘装置，内部通入循环水进行强制冷却。

本实施例等外径薄壁合金铸件行波磁场/超声波协同优化的半连铸设备包括以下有益效果：

1、本实施例中的超声波处理能有效促进筒型薄壁合金熔体中气体和杂质的形核，对合金熔体进行有效的净化作用，避免后期的二次处理工艺，节省成本，降低资源消耗。

2、本实施例中的行波磁场能有效地对筒型薄壁合金凝固过程进行补缩作用，并促进杂质、气体在熔体中的分离，消除偏析，获得筒型薄壁合金铸件整体均匀组织，提高力学性能。

3、通过本实施例实现行波磁场和超声波协同作用，促进筒型薄壁合金熔体中气体和杂质的有效形核以及分离作用的共同实现，改善合金组织，促进等轴晶的形成，提高力学性能。

4、通过本实施例施加行波磁场和超声波协同作用，图3为应用本设备制备的Al-5Cu合金铸件组织的电镜图，图4为不施加行波磁场制备的铸件组织电镜图，可知本实施例促进筒型薄壁合金熔体中气体和杂质的有效形核以及分离作用的共同实现，改善合金组织，提高力学性能；同时，改善筒型薄壁合金的偏析、缩松、缩孔等缺陷，促进铸件的整体均匀性，消除半连铸后二次处理的成本消耗与浪费，达到半连铸过程中熔体实时优化处理的近净成形工艺。