專利名稱：高性能鎂合金型坯連鑄生產線的制作方法
技術領域：
本發明涉及真空鎂合金冶金技術領域和材料制備技術領域，具體是一種高強變形
鎂合金型坯連鑄生產的一體化成套設備。
背景技術：
在汽車摩托車等領域中使用高強度高延展性鎂合金鍛件已經受到廣泛的重視，面
對大批大量的鎂合金鍛件的型坯材料的需求，希望鎂合金的熔化、液態改性、凝固中細化和
連續鑄造等過程一體化的先進技術。但由于鎂的蒸氣壓高，導致鎂合金熔化中易燃易爆易
氧化的問題特別突出，因此鎂合金熔體的保護一直受到人們高度的重視。 為解決鎂合金的熔化問題，人們研究和發展了一系列新的技術措施，包括在熔池
表面覆蓋熔劑的保護技術、隔絕氧氣的氣體保護技術及加入合金材料到鎂合金液體中形成
致密氧化膜的界面技術等，有效的保護了鎂熔體，但很多是以犧牲環境為代價。真空保護是
合金材料冶金中最合理的技術措施，目前真空在鎂合金熔煉實際應用中，只是一種置換空
氣的手段，而非真正真空冶金。 水平連續鑄造在鋼坯料和鋁合金坯料中得到廣泛的應用，近年來出現鎂合金水平 連鑄機和特種合金真空連鑄的專利報告，中國專利CN1317383，CN1943911，CN101462156A。 CN1317383是傳統的可實施的連鑄方案，CN1943911則是同一單位的新版本，將熔化與 連鑄集成在一起，系統簡單化，潛流技術有效防止鎂合金在鑄造過程的氧化和燃燒問題， CN101462156A是真空冶煉特種合金的連鑄方案。在以上專利報告中沒有表明，熱爐加料如 何防止鎂合金氧化和燃燒；停爐后殘余鎂合金處置措施；如何解決單臺熔化爐的熔煉作業 與連鑄作業在時間上的沖突。
發明內容
本發明目的是開發一種生產高強變形鎂合金型坯材料的連續鑄造生產線，保證鎂 合金材料熔化、配制及連續鑄造生產全過程安全且無污染。
本發明另一 目的是最少的能源消耗獲得最大生產效率。
技術方案及實施方式 為以上目的采取如下措施，即全程采用真空保護，包括熱爐中原材料加入、鎂合金 材料的熔化與配制、保溫均化爐的緩沖保證熔化作業與連鑄作業在時間上同步、液態材料 改性的孕育與變質、結晶過程中冷卻與攪拌細化等各個環節，在無外界干擾的密閉環境下 工作，達到了全過程無污染的設計目標。另外，本發明用原材料不是指傳統鑄造用中間合 金和工作合金，而是盡量選用最低端的基本材料，如純鎂、少量和微量輔加純金屬或合金材 料，降低能源消耗，減少造成污染的各環節。 本發明的特征在于，①加料倉(圖1-1)，原材料進入熔化爐的過渡空間，避開殘存 鎂合金熔體的熱坩堝在加料時與大氣直接相通，另外還完成脫水、去油、除浮塵及預熱操作 任務。加料倉設置有3道密封門和加料小車，進倉門(圖2-1. l)，出倉門(圖2-1.2)，金屬液取樣或窺視門(圖2-1. 3)，加料小車(圖2-1. 4) 。 l\、Pl分別表示加料倉外的室溫與大氣 壓力；T2、P2分別表示加料倉內的溫度與壓力；T3、P3分別表示熔化坩堝內的溫度與壓力。p2 水、油、除浮塵的蒸發壓(通常l 100Pa，視外觀污染)；P3鎂合金的不蒸發壓(5 80KPa， 視材料成分)。T3坩堝內溫度，大于當前熔制的中間合金熔點，不小于純鎂的熔點。加料小 車在兩個工位交替工作，即進料位和出料位。原材料進倉初始狀況為，加料小車運動到進 料位，出倉門、窺視門、進倉門關閉，真空度^ = P3。加料操作過程為，釋放真空P2 = Pp開 啟進倉門，裝入原材料到加料小車，關閉進倉門，建立真空度P2，保持P2，完成表面蒸發水、 油和除浮塵作業，建立真空度P2 = P3，開啟出倉門，保持到T2，加料小車運動到出料位，加料 完畢，加料小車返回進料位，關閉出倉門，完成一個循環。金屬液取樣或窺視門，作窺視用時 不用操作，取樣時用取樣機構代替加料小車，其操作與加料相仿。②熔化爐(圖1-2)，本發 明設備中配置2臺立式感應熔化爐，分別用來熔化不同熔點的中間合金或工作合金；由感 應加熱電源(圖1-2. 1)、夾層坩堝(圖l-2.2)、陶瓷隔熱圈(圖1-2.3)、水冷坩堝蓋(圖 1-2. 4)及密閉爐殼(圖1-2. 5)組成。爐殼包括爐身和爐底，爐身頂部開口，開口尺寸小于夾 層坩堝法蘭，爐身和爐底按照法蘭標準密封，爐殼用無磁性不銹鋼制造。夾層坩堝的法蘭采 用了水冷，法蘭上放置陶瓷隔熱圈，法蘭_陶瓷圈_爐殼之間采用端面密封標準密封，由此 爐殼內表面/陶瓷隔熱圈外表面/夾層坩堝外表面組成密閉爐體，密閉爐體內放置有產生 熱源的感應圈和屏蔽磁場的軛鐵以及絕緣保溫隔熱用的筑爐材料。在密閉爐體的剩余空間 建立壓力，要求低于夾層坩堝內的壓力，組成真空屏障，增加了熔煉過程的安全性；另外，工 作在真空條件下的密閉爐體，可使夾層坩堝外表面的輻射熱損失減少，節約了能量。感應加 熱電源原理為三相(交)-單相(交)串聯諧振，既可加熱又可攪拌。夾層坩堝，內層為低碳 鍋體，外層為無磁性的耐高溫鋼，中間抽真空。陶瓷隔熱圈，設置在坩堝體與坩堝蓋之間，減 少夾層坩堝體熱傳導損失，減輕坩堝蓋的熱負荷。水冷坩堝蓋與爐殼開口處的外表面密封， 由水冷坩堝蓋內表面/陶瓷隔熱圈內表面/夾層坩堝內表面組成鎂合金材料的熔煉空間。 水冷坩堝蓋內表面為弧形頂，減少夾層坩堝和熔體熱輻射損失；水冷安排在密封介質附近， 解決坩堝蓋持久密封問題。密閉爐體內的壓力小于P3，一方面減少夾層坩堝徑向輻射，另一 方面組成真空屏障減少鎂合金溶液的氧化與蒸發。夾層坩堝與感應圈之間采用納米隔熱材 料填充，熱面溫度800。C時導熱系數為0.038W/(m.k)，可節能30-50%以上。③導流管(圖 l-3)，將熔化爐中的金屬液體導入到保溫爐中，差壓輸送原理。包括金屬液入口和金屬液出 口，入口在熔化爐側，深入到鎂合金熔體中，出口在保溫爐側上方。在導流管兩端建立壓差， a p = y a h S卩p4-p3 = y (h3_h4)，金屬液體就流動。式中為p3熔化坩堝內的壓力，h4液 體出口高度，在實際生產中不會改變；P4保溫爐內壓力，是差壓控制量；h3金屬液面的高度， 隨液體流出逐漸降低，是變化量；y鎂合金比重，當材料成分和溫度確定后是個常量。改寫 上式得P4 = Y h3+C，可通過兩種方式來控制導流。等速法，隨金屬液面的高度h3降低p4壓 力減少；恒壓法，指的是恒定壓力P4，該壓力與h3的最小值對應。恒壓法控制簡單，等速法 液體流動平穩。④保溫均化爐(圖1-4)，由金屬液引入口、監視與操作口 (圖1-4. 1)、金屬 液導出口 (圖1-4. 2)和電磁攪拌與保溫裝置(圖1-4. 3)組成。自帶獨立的感應加熱源， 保溫坩堝與加熱器之間采用納米隔熱材料填充，提高能源的利用率，在真空保護下完成均 化與保溫，做到安全無污染。構造形式是，保溫均化爐臥式放置在2臺熔化爐軸對稱面上， 保溫均化爐的軸線與水平面3。傾角。保溫均化爐任務是將來自2臺熔化爐金屬液混合配制到目標成分，經保溫靜置，通過過橋導出到結晶器，操作口用來取樣分析和添加待補充的 合金材料。金屬液引入口為導流管出口，在建立"壓力后將熔化爐金屬熔體引入保溫均化 爐中；電磁攪拌與保溫裝置混合2個熔化爐的鎂中間合金或工作合金，完成溫度和成分均 勻化。保溫均化爐采用雙電磁攪拌，構成形式是將2個感應攪拌線圈分別設置在保溫坩堝 前后部，保溫坩堝的中部設有水冷裝置，有利于鎂合金熔體溫度調整和攪拌均勻化。⑤過橋 (圖l-5)，連接保溫坩堝與結晶器通道，在過橋上布置了緊急閘門(圖1-5. l)，孕育劑隨流 加入機構(圖1-5. 2)。過橋開設在保溫坩堝的側面，最低點不高于保溫坩堝底，確保清爐時 保溫坩堝內不殘存液體，此處靜壓頭最高，是危險區段，緊急閘門用來處理緊急事故。緊急 閘門為閘閥構造原理，當結晶器出現意外故障時手動關閉，封閉過橋保證鎂液體不外泄露， 正常生產中，緊急閘門不參入任何操作。緊急閘門設置在過橋的近保溫坩堝一側，緊急閘門 到保溫坩堝過橋中的鎂合金處在保溫爐的加熱區，一旦遇到意外停電閘門關閉，來電后利 用保溫均化爐的加熱源加熱，即使凝結也能再熔化保證連鑄繼續進行。隨流孕育，提高鎂合 金強度、硬度和韌性的重要手段。攜帶孕育劑圓管從過橋側面伸入到過橋中，圓管中心與過 橋中心水平面重合，圓管前端封閉，孕育劑出口分布圓管徑向與液體流動同向，采用螺旋給 料方式將孕育劑加壓傳送到出口，流動著的鎂合金液體將孕育劑帶入。孕育劑圓管和螺旋 給料機一道在直線電機驅動下前后移動，移動距離不大于過橋直徑的2/3。孕育劑圓管在牽
引桿離開后才插入，螺旋給料的速度控制著孕育劑的加入量。孕育劑隨流加入機構的布置 在保溫均化爐與結晶器之間。⑥結晶器(圖l-6)，將經孕育或變質處理后的鎂合金熔體結 晶為固體材料，為了改善材料在結晶過程中金相組織，對處在液相及液/固兩相區材料施 加攪拌力進一步細化晶粒，構建了旋轉磁場產生攪拌力。結晶器由結晶器內套、結晶器水冷 外套(圖1-6. 1)、旋轉磁場發生器(圖1-6. 2)、結晶器外冷卻器(圖1-6. 3)、前后密封蓋及 活動支架組成。旋轉磁場的頻率和幅值通過三相變頻的控制系統來改變；冷卻水流量通過 冷卻水出口溫度的測量值實時跟蹤調節；活動支架有兩個自由度，一個平移和一個旋轉，平 移解決結晶器與過橋的安裝配合問題，旋轉自由度將結晶器沿順時針方向旋轉離開過橋， 便于過橋的維護。⑦牽引機(圖l-7)，雙水平輥式牽引方式，上、下牽引輥形狀組成鎂合金 型坯外形的部分包絡。下牽引輥為主驅動，采用三相變頻調速方式，與結晶器出口端連鑄件 溫度構成閉環控制系統進行實時調節，連鑄件溫度采用了非接觸溫度測量方法。上牽引輥 受三相變頻螺旋升降機的控制上下運動，建立可調的壓緊力；應變傳感器測量的力與螺旋 升降機運動組成實時調節方案，保證牽引速度平穩。雙牽引，能夠靈活組合為"拉_推_停" 各種操作方式，也可在"單動_聯動"方面自由組合。通過上述的控制環節，連鑄鎂合金坯 材軸向性能的一致性更好。
具有的優點和有益效果 1.加料倉的應用改變了傳統鑄造熱爐加料的作業方式，鎂合金不與大氣直接連 通，沒有燃燒和坩堝高溫的輻射，得到良好的工作環境。 2.真空全程保護，氧化夾雜減少，溶解氣體降低，鎂合金材料得到顯著凈化，提高 鎂合金強度和變形能力。 3.熔化爐直接制備中間合金或工作合金，保溫均化爐混合配制目標合金，減少中 間環節，操作簡單，能源節約，材料成分一致性更好。 4.熔化爐外殼與坩堝密封而形成的真空屏障與坩堝中真空形成雙真空的熔煉方式，既照顧到鎂的蒸氣壓高客觀事實，又阻止了空氣中的氧對高溫鎂熔體的直接作用，生產 過程更安全，材料性能更好。 5.孕育劑隨流加入機構，有利于孕育劑、變質劑加入和充分發揮作用，增加核心， 防止孕育衰退，減少孕育劑、變質劑用量。 6.結晶過程中旋轉磁場攪拌，破碎垂直于傳熱方向生長的主軸晶，細化微觀組織， 提高鎂合金材料強韌性。 7.實時的溫度與壓緊力控制，保證牽引機的牽引運行速度平穩，使連鑄鎂合金型 坯軸向性能的一致性更好。 8.目前生產的鑄態直徑100mm的鎂合金型坯，抗拉強度穩定在400MPa以上，伸長 大于18%。
圖1高性能鎂合金型坯連鑄生產線主要設備結構設計剖視圖
圖2加料倉結構設計剖視圖
圖3生產線主要設備布置圖
權利要求
高性能鎂合金型坯連鑄生產線，包括①加料倉(圖1-1)，②熔化爐(圖1-2)，③導流管(圖1-3)，④保溫均化爐(圖1-4)，⑤過橋(圖1-5)，⑥結晶器(圖1-6)，⑦牽引機(圖1-7)。其特征在于2臺立式感應加熱熔化爐，用于熔煉鎂中間合金，或熔煉鎂的工作合金，每臺熔化爐頂部爐蓋上方放置有加料倉，加料倉門的啟閉與倉內壓力變換相配合，原材料裝入熱爐時沒有了鎂氧化燃燒，1臺臥式保溫均化爐，放置在2臺熔化爐中間，三者的垂直中心面對齊，熔化爐中的液體通過導流管進入保溫均化爐，保溫均化爐出液口、過橋、結晶器及牽引對輥軸水平中心共線，保溫均化爐出液口與過橋焊接連接，保溫均化爐外殼與結晶器、過橋與結晶器采用可拆卸的機械連接，鎂原材料進入本設備后全程真空保護。
2. 根據權利1所述的高性能鎂合金型坯連鑄生產線，其特征在于所述的加料倉(圖1- l)，通過進倉門(圖2-1. 1)連通周圍環境，出倉門(圖2-1.2)連通熔化爐，窺視門(圖2- 1. 3)取樣金屬液，加料小車(圖2-1. 4)轉運原材料，在1 100Pa壓力下蒸發原材料上 的水、油及吸除細小浮塵。
3. 根據權利1所述的高性能鎂合金型坯連鑄生產線，其特征在于所述的熔化爐(圖 1-2)，由水冷坩堝蓋(圖1-2. 4)和密閉爐體創建。水冷坩堝蓋、夾層坩堝(圖1-2. 2)、陶瓷 隔熱圈(圖1-2. 3)的內壁空間構成密閉熔化室。
4. 根據權利3所述的熔化爐，其特征在于所述的密閉爐體，由夾層坩堝，陶瓷隔熱圈 和密閉爐殼(圖1-2. 5)通過平面密封方式創建，夾層坩堝法蘭通水冷卻，密閉爐體抽真空， 壓力小于密閉熔化室，組成真空屏障。
5. 根據權利1所述的高性能鎂合金型坯連鑄生產線，其特征在于所述的保溫均化爐 (圖1-4)，電磁攪拌與保溫裝置(圖1-4. 3)，攪拌與保溫基于電磁感應原理，布置在保溫坩 堝的前后，形成雙電磁轉換裝置。
6. 根據權利1所述的高性能鎂合金型坯連鑄生產線，其特征在于所述的過橋(圖 1-5)，過橋配置緊急閘門(圖1-5. 1)和孕育劑隨流加入機構(圖1-5. 2)。
7. 根據權利6所述的過橋，其特征在于所述的孕育劑隨流加入機構，布置在保溫均化 爐與結晶器之間，由攜帶孕育劑圓管和螺旋給料機組成，從過橋側面伸入到過橋中，圓管前 端封閉，孕育劑圓管上的出料方向與鎂合金液體流動同向，孕育劑圓管和螺旋給料機一起 可在直線電機驅動下前后移動，改變孕育劑出料口在過橋中的位置。
8. 根據權利1所述的高性能鎂合金型坯連鑄生產線，其特征在于所述的結晶器(圖 l-6)，前后密封蓋根據軸靜密封標準將石墨內套、結晶器水冷外套(圖1-6. 1)、旋轉磁場發 生器(圖1-6. 2)、結晶器外冷卻器組建為一個整體結構，后密封蓋采用可拆卸的機械方式 與過橋連接。
9. 根據權利1所述的高性能鎂合金型坯連鑄生產線，其特征在于所述的牽引機(圖 1-7)，雙水平輥式牽引，牽引機到結晶器距離可調，兩牽引機之間距離在0-lm范圍可調，用 三相變頻調速方式驅動牽引輥，用三相變頻調速螺旋升降機將壓緊力通過壓輥傳遞到型 坯，型坯出口溫度和型坯牽引速度組成閉環控制系統。
全文摘要
高性能鎂合金型坯連鑄生產線，涉及真空鎂合金冶金技術領域和材料制備技術領域，用于全程真空保護生產高強變形鎂合金型坯材料。設備配置2臺立式熔化爐用于熔煉鎂中間合金或工作合金，熔化爐在空間上為二部分，密閉熔化室和密閉爐體，爐體壓力低于熔化室而形成真空屏障，組成雙真空保護熔煉；熔化爐爐蓋上方放置加料倉，倉門的啟閉與倉內壓力轉換相配合，根除熱爐加料時鎂的氧化與燃燒；1臺保溫均化爐位于熔化爐中間，混合來自熔化爐的液體，配制達到目標成分的鎂合金，而后靜止保溫；在過橋上設置孕育劑、變質劑隨流加入機構，有效的增加核心和防止衰退；結晶過程磁力攪拌，牽引機壓緊力與牽引速度實時控制。本設備結構緊湊，生產安全且無污染。
文檔編號B22D11/14GK101708538SQ20091022234
公開日2010年5月19日 申請日期2009年11月16日 優先權日2009年11月16日
發明者王仁輝 申請人:王仁輝