一種鎂合金變頻超聲半連續鑄造方法與流程
本發明屬于輕合金加工領域，具體涉及一種鎂合金變頻超聲半連續鑄造方法。
技術背景
鎂合金有密度輕，比強度、比剛度高，電磁屏蔽性好，阻尼性能好等優點，使其廣泛應用在交通運輸、航空航天、國防科技和3c電子等多個領域，被譽為“21世紀的綠色工程材料”。
半連鑄鑄造是目前鎂合金錠坯的主要生產方式，其基本原理是將鎂合金熔體引入由循環水冷卻的結晶器中，當鎂合金熔體凝固成坯殼后，用引錠裝置將其拉出，繼續噴水冷卻直到形成鑄錠。半連續鑄造具有生產率高，鑄造成本低，操作簡單等優點。
然而，在半連續鑄造過程中，由于鎂合金低熱熔、低融化熱、低導熱能力等特點，使其凝固散熱困難，凝固邊界與熔體中心溫度差異大，從而造成凝固組織組織晶粒粗大，枝晶發達，組織不均，溶質元素宏觀偏析嚴重等缺點。同時，由于鎂合金易燃，大凝固收縮比及高的氫溶解度等特點，易導致鑄錠鑄造應力大，組織疏松嚴重。因此，設法生產細晶、均勻、純凈的鎂合金錠坯是鎂合金加工領域追求的目標。
近年來，在半連續鑄造過程中施加外場改變合金凝固行為的技術得到飛速發展。其中，以在半連續鑄造過程中施加電磁場和超聲場為主，東北大學開發了輕合金電磁半連續鑄造的技術。然而，電磁場作用于鎂合金熔體存在趨膚效應，即越遠離線圈的鎂合金熔體受到電磁場作用越小，這就限制了其在大規格鎂合金錠坯生產中的應用。美國的vladimirivanovich等人發明了輕合金的超聲波連續鑄造方法，并通過實驗驗證其細化效果；北京有色金屬研究總院的張康等人對超聲波處理鎂合金鑄態組織的影響進行研究；東北大學對鎂合金超聲處理的空化效應及其細化機理進行了研究。超聲場作用于鎂合金熔體時會產生空化效應和聲流效應，這兩種聲致非線性效應會促進異質形核，攪動熔體，產生晶粒細化、均勻組織的效果。
現有固定頻率超聲半連鑄技術存在衰減嚴重和頻率漂移兩個問題。由于超聲場在鎂合金熔體中衰減嚴重，導致超聲場作用范圍有限，使其作用范圍限制在超聲發射面附近很小的區域，而不利于大直徑錠坯的生產。同時，由于半連鑄生產中熔體物性參數并不是恒定不變，導致熔體的諧振頻率會發生改變，現有固定頻率超聲場難以克服這種因諧振頻率改變而使得聲致非線性效應減弱的現象。因此，不能充分發揮超聲場所帶來的細化晶粒，均勻組織等效果。
南京聲學研究所馮諾等人的研究指出多種頻率的超聲波共同作用會產生更高密度的空化泡，顯著增強空化效應，且這些高密度的空化泡相互影響還會增強聲流效應。因此，若超聲頻率可變化且變化很快，可在同一時間在熔體內存在多種頻率的超聲波，這些超聲波的相互疊加可顯著增強聲致非線性效應。
技術實現要素：
本發明的目的在于提供一種變頻超聲場作用下的鎂合金立式半連續鑄造方法，針對現有鎂合金外場半連續鑄造所存在的各種問題，同時為了充分發揮超聲場在鎂合金熔體中的作用，增強空化、聲流效應，顯著改善鎂合金錠坯組織結構與成分分布，改善鑄錠性能。
本發明目的通過以下技術方案來實現：
一種鎂合金變頻超聲半連續鑄造方法，其包括如下步驟：合金熔煉、熔體輸送、超聲處理下鑄造成型，在半連續鑄造過程中引入頻率實時極速變化的超聲場處理鎂合金熔體，使全體鎂合金熔體均處于連續變頻率超聲場處理之下。
所述的鎂合金變頻超聲半連續鑄造方法，包括如下步驟：
步驟一、對合金進行配料，在熔煉爐中進行合金的熔化與精煉，然后進行保溫靜置，調整溫度；
步驟二、為了防止熱量散失影響凝固過程，對半連續鑄造機的中間包、溜槽和超聲輻射桿進行預熱；
步驟三、將引錠桿伸入結晶器中，打開結晶器中的冷卻水；鎂合金熔體先導入中間包、再導入結晶器，把經過精煉和靜置并達到設定溫度的鎂合金熔體經由導液管導入中間包，并通過流量控制口控制中間包中的液面高度；然后打開中間包澆嘴通道，使鎂合金熔體流入結晶器，并通過澆嘴處的流量控制頭控制結晶器內液面高度；
步驟四、開啟鑄造機設定的鑄造速度進行鑄造，打開變頻超聲系統，待結晶器內液面穩定后將經過預熱的超聲輻射桿插入結晶器中液面以下，并通過超聲控制軟件調節超聲頻率及功率，錠坯通過引錠桿拉出直至鑄造結束。
所述的鎂合金變頻超聲半連續鑄造方法，變頻超聲系統提供的超聲基本頻率為15khz～25khz，頻率變化范圍為±2，超聲頻率變化速率范圍為20～500次/秒，超聲功率范圍為0.5～6kw。
所述的鎂合金變頻超聲半連續鑄造方法，鑄造坯錠直徑50～500mm，鑄造速度范圍20～300mm/min，根據坯錠牌號和規格進行調整；中間包中的熔體溫度控制在高于液相線溫度50～100℃，對于az系鎂合金其溫度高于液相線50～80℃；對于zk系或其他含稀土類鎂合金其溫度高于液相線80～100℃。
所述的鎂合金變頻超聲半連續鑄造方法，超聲輻射桿插入結晶器內的鎂合金熔體液面以下20～80mm，超聲輻射桿插入位置及插入深度根據不同鑄造條件和合金牌號而改變；超聲輻射桿的定位由步進電機控制的可實現三維精確定位并維持穩定的超聲架控制，或者超聲輻射桿的定位由可實現升降、旋轉和移動功能的機械手來控制。
所述的鎂合金變頻超聲半連續鑄造方法，步驟二中，預熱使用電阻爐加熱至熔體溫度并保持0.5～1h；或者，預熱采用乙炔烘烤至相應熔體溫度；預熱溫度用紅外溫度檢測儀檢測。
所述的鎂合金變頻超聲半連續鑄造方法，步驟三中，待中間包中的熔體達到中間包高度的80％時，打開中間包澆嘴通道；鑄造過程中，中間包內熔體高度在中間包高度的60～80％。
所述的鎂合金變頻超聲半連續鑄造方法，在鑄造過程中，超聲發生、冷卻及導入系統裝置的流程如下：變頻超聲電源→變頻超聲換能器→超聲波導桿→超聲輻射桿→鎂合金熔體；所使用的變頻超聲換能器包括壓電超聲換能器和磁致伸縮超聲換能器；對于壓電超聲換能器，使用氣體冷卻裝置以保證整個變頻超聲系統的工作溫度低于40℃，氣體冷卻裝置使用渦流冷卻管或使用內部有干冰或液氮的冷卻箱；對于磁致伸縮超聲換能器，使用循環水冷卻。
所述的鎂合金變頻超聲半連續鑄造方法，步驟四中，在鎂合金熔體導入結晶器流動狀態穩定后，再將超聲輻射桿插入結晶器，輸入超聲波，并根據鑄造情況調節超聲參數。
所述的鎂合金變頻超聲半連續鑄造方法，在鑄造過程中，熔體進入中間包和進入結晶器的整個過程中均要采用保護氣體進行保護，以避免二次氧化和燃燒；在鑄造過程中，可將變頻超聲半連續鑄造技術和電磁半連續鑄造技術配合同時使用，能夠減少電磁半連續鑄造技術所造成的“趨膚效應”。
本發明的設計思想是：
在半連續鑄造過程中，對設定好的鑄造條件和鑄造溫度，存在一個固定的諧振頻率fl，隨著鑄造的進行，鑄造條件和熔體溫度的波動會使諧振頻率fl產生一個δfl的波動，就是所謂的頻率漂移，傳統超聲處理技術因頻率固定無法改變而無法實時滿足諧振頻率。變頻超聲系統所產生的超聲場在基本頻率fus附近δfus范圍內極速變化，且fus+δfus遠大于并包含fl+δfl；由于頻率變化非常快，可達到對對諧振頻率fl+δfl的準實時跟蹤而解決頻率漂移問題。變頻超聲場不僅可以解決超聲頻率漂移的問題，同時由于空化效應的增強還能在一定程度上減少超聲衰減帶來的不利影響。因此，本發明采用一種連續變頻超聲鎂合金半連續鑄造方法，大大加強超聲非線性效應，加強超聲細化效果，充分發揮超聲能源作為一種清潔、環保的能源在鎂合金半連鑄過程中的作用，生產更加純凈、均勻、細晶的鎂合金錠坯。
本發明通過以上技術手段，具有以下優點和積極效果：
(1)本發明超聲發生系統可產生一種持續變頻、震蕩的超聲場，由于頻率變化很快可同時在熔體中存在多種頻率的超聲波并對熔體諧振頻率實現準實時跟蹤，可有效改善鎂合金半連續鑄造過程中超聲頻率漂移所導致的無法實時諧振的問題。同時，這些不同頻率的超聲波，其相互作用可增強聲強，增加空化泡數量，從而大大加強超聲空化效應和聲流效應。
(2)本發明超聲功率和頻率均可由專用軟件控制，可針對不同鎂合金，不同鑄造條件進行調節，達到最優處理效果，所生產的鎂合金元素宏觀偏析大大降低，晶粒大幅下降，力學性能顯著提高，成品率也能顯著提高。
(3)本發明超聲設備固定在由步進電機控制的可實現三維精確定位超聲架上。可針對不同生產條件，隨時調整超聲輻射桿作用位置，作用深度。
(4)本發明采用一種空氣壓縮或循環水冷卻裝置，可以保證超聲設備可以在高溫環境下依然保持最佳工作狀態，以達到最佳效果。
(5)超聲能源作為清潔環境友好型能源，無污染，不僅可以使用于鎂合金半連續鑄造，還可以使用于鋁合金、鈦合金、銅合金等其他輕合金。
附圖說明
圖1是本發明的連續變頻超聲半連續鑄造裝置的結構示意圖；
圖2是本發明所使用的中間包結構示意圖；
圖3是本發明所使用冷卻箱結構示意圖；
圖4為本發明裝置組成流程圖；
圖5為本發明超聲發生、冷卻及導入系統裝置組成示意圖；
圖6為實施例中圓形錠坯橫截面上的進行組織觀察取樣部位及樣品尺寸示意圖；
圖7為實施例中圓形錠坯縱截面上的進行拉伸試驗取樣示意圖；其中，(a)為拉伸試樣；(b)為圓形錠坯縱截面。
圖8為傳統dc鑄造、傳統單頻超聲半連續鑄造和本發明圖1所示變頻超聲半連鑄方法鑄造的zk60鎂合金
圖9為傳統dc鑄造、傳統單頻超聲半連續鑄造和本發明圖1所示變頻超聲半連鑄方法鑄造的zk60鎂合金
圖10為傳統dc鑄造、傳統單頻超聲半連續鑄造和本發明圖1所示變頻超聲半連鑄方法鑄造的zk60鎂合金
圖11(a)為本發明傳統dc鑄造、傳統單頻超聲半連續鑄造和本發明圖1所示變頻超聲半連鑄方法鑄造的az80鎂合金
圖12為本發明圖1所示變頻超聲半連鑄方法鑄造的az80條件下使用模擬軟件模擬熔體中心處、1/2r處、邊部聲壓分布。
圖13為傳統dc鑄造、傳統單頻超聲半連續鑄造和本發明圖1所示變頻超聲半連鑄方法鑄造的zk60鎂合金
圖14為傳統dc鑄造、傳統單頻超聲半連續鑄造和本發明圖1所示變頻超聲半連鑄方法鑄造的zk60鎂合金
圖15為傳統dc鑄造和本發明圖1所示變頻超聲半連鑄方法鑄造的az80鎂合金
圖中：1變頻超聲電源；2引錠頭；3鎂合金錠坯；4鎂合金熔體；5結晶器；6中間包；7熔煉爐；8導液管；9變頻超聲換能器；10超聲波導桿；11超聲輻射桿；12渦流冷卻管；13超聲架；14中間包澆嘴通道；15流量控制頭；16中間包外壁；17中間包保溫層；18氣環；19冷卻箱體；20氣管；21干冰或液氮。
具體實施方式
如圖1～圖3所示，本發明鎂合金連續超聲半連續鑄造裝置，用于鎂合金生產線的合金熔體進行超聲細化晶粒，均勻組織，提高力學性能，包括變頻超聲系統和半連續鑄造系統。所述的變頻超聲系統包括變頻超聲電源1、變頻超聲換能器9、超聲波導桿10、超聲輻射桿11、氣體冷卻裝置(渦流冷卻管12或冷卻箱)和精確定位裝置超聲架13，變頻超聲電源1與電腦由電纜連接，以控制變頻超聲頻率及功率，變頻超聲換能器9、超聲波導桿10、超聲輻射桿11按自上而下依次設置，變頻超聲換能器9和超聲波導桿10通過螺紋緊密連接，超聲波導桿10和超聲輻射桿11通過螺紋緊密連接，運行時變頻超聲換能器9、超聲波導桿10、超聲輻射桿11固定在超聲架13上，超聲架13通過步進電機控制可實現三維精確定位，超聲輻射桿11插入合金熔體內部，氣體冷卻裝置位于超聲架13上；所述的半連鑄系統包括熔煉爐7、中間包6、結晶器5和引錠頭2，結晶器5固定于鑄造平臺之上，可以左右移動，澆鑄前將引錠頭2深入結晶器5內部，熔煉爐7與中間包6之間通過導液管8連通，熔體經結晶器5后，在引錠頭2頂部形成鎂合金錠坯3。
其中，中間包6設有中間包澆嘴通道14、流量控制頭15、中間包外壁16、中間包保溫層17、氣環18，中間包的頂部設置氣環18，中間包6的氣環18一端與保護氣體氣罐相連，氣環18內圓一側設有數個氣孔，保護氣通過氣環18通入中間包6中，用以保護中間包中的鎂合金熔體；中間包6的側面和底面均為由外到內的三層結構：中間包外壁16、中間包保溫層17和中間包內壁，中間包的側面設置中間包澆嘴通道14，中間包澆嘴通道14與中間包內腔之間開設出口并由流量控制頭15控制出口大小(圖2)。氣體冷卻裝置采用冷卻箱，冷卻箱包括冷卻箱體19和氣管20，氣管20的一端為進氣口，氣管20的另一端為出氣口，冷卻箱體19中放置干冰或導入液氮(圖3)。
如圖4所示，本發明裝置的流程如下：坩堝熔煉爐→導液管→中間包→結晶器→立式半連續鑄造機→鎂合金錠坯。其中，坩堝熔煉爐分別與加壓系統和加熱控溫系統連接，中間包和結晶器分別與保護氣系統連接，結晶器與變頻超聲系統連接。
如圖5所示，本發明超聲發生、冷卻及導入系統裝置的流程如下：變頻超聲電源→變頻超聲換能器→超聲波導桿→超聲輻射桿→鎂合金熔體。其中，變頻超聲電源與參數控制軟件連接，所使用的變頻超聲換能器包括壓電超聲換能器和磁致伸縮超聲換能器；對于壓電超聲換能器，壓電超聲換能器與壓電超聲冷卻系統的出口連接，壓電超聲冷卻系統的流程為：空氣壓縮器→空氣干燥器→氣瓶→氣體冷卻裝置(渦流冷卻管或冷卻箱)連至壓電超聲換能器，使用氣體冷卻裝置以保證整個變頻超聲系統的工作溫度低于40℃，氣體冷卻裝置使用渦流冷卻管或使用內部有干冰或液氮的冷卻箱；對于磁致伸縮超聲換能器，磁致伸縮超聲換能器與磁致伸縮超聲冷卻系統連接，磁致伸縮超聲冷卻系統使用循環水冷卻，其流程為：水泵→循環水冷卻管道連至變頻超聲換能器。
如圖1～圖5所示，本發明鎂合金連續超聲半連續鑄造裝置的工作原理為：將連續變頻超聲場引入鎂合金半連續鑄造過程中，使結晶器內的鎂合金熔體4在連續變頻超聲場作用下發生凝固。將熔煉好的鎂合金熔體4在熔煉爐7中靜置，然后通過導液管8導入中間包6中，再經由中間包澆嘴通道14流入結晶器5中。變頻超聲電源1和電腦相連，并由控制軟件控制其超聲波功率、頻率和頻率變化速率，變頻超聲電源1所產生的高頻交流電信號由變頻超聲換能器9轉換成變頻超聲波，利用超聲波導桿10將超聲能量放大并導入超聲輻射桿11，再將超聲輻射桿11插入鎂合金熔體4中，從而將連續變頻超聲導入鎂合金熔體4中，使超聲場所產生的空化及聲流效應作用于鎂合金熔體4的凝固過程，鎂合金熔體4在結晶器5壁附近凝固形成坯殼，然后在引錠頭2向下牽引的過程中繼續凝固成均勻細化的鎂合金錠坯3，實現變頻超聲場作用下的鎂合金熔體半連續鑄造。
如圖1～圖5所示，本發明使用鎂合金變頻超聲半連續鑄造裝置進行鎂合金鑄錠變頻超聲半連續鑄造的方法，其步驟如下：
步驟一、對合金進行配料，在熔煉爐7中進行合金的熔化與精煉，然后進行保溫靜置，調整溫度。
步驟二、為了防止熱量散失影響凝固過程，對半連續鑄造機的中間包6和中間包澆嘴通道14等部件和超聲輻射桿11進行預熱。
步驟三、將引錠頭2伸入結晶器中，打開冷卻水，把經過精煉和適當靜置并達到設定溫度的鎂合金熔體4經由導液管導入中間包，并通過壓力控制中間包中的液面高度；待中間包中的鎂合金熔體4達到一定高度至中間包高度的80％時打開中間包澆嘴通道，使鎂合金熔體4流入結晶器5，并通過澆嘴處的流量控制頭15控制結晶器內液面高度。
步驟四、開啟鑄造機設定的鑄造速度進行鑄造，打開變頻超聲系統，待結晶器5內液面穩定后將經過預熱的超聲輻射桿插入結晶器中液面以下，并通過超聲控制軟件調節超聲頻率及功率，錠坯通過引錠桿拉出直至鑄造結束。
從而，將由變頻超聲系統產生的頻率極速實時變化的超聲場引入結晶器內的鎂合金熔體，實現對金屬熔體諧振頻率的準實時跟蹤，使整個半連續鑄造過程中的液穴熔體持續處于超聲諧振處理之下，實現鎂合金熔體凝固過程的超聲連續高效處理。
在鑄造過程中，當鎂合金熔體進入中間包和進入結晶器的整個過程中均要采用保護氣體(如：氬氣或其他隋性氣體等)進行保護，以避免二次氧化和燃燒。
如圖6～圖7所示，本發明實施例中分別在圓形錠坯橫截面和圓形錠坯縱截面上的進行拉伸試驗取樣。
下面結合具體的實施例對本發明的實施方式進一步說明：
實施例1：zk60鎂合金
本實施例中，按照zk60鎂合金的配比將各個配料在合金熔煉爐內熔化并精煉；待中間包溫度為660℃時開始澆鑄，在鑄造過程中將超聲輻射桿插入熔體液面以下對熔體施加連續變頻超聲處理，使用壓電超聲換能器和渦流冷卻管對變頻超聲系統中的壓縮空氣進行冷卻。
鑄造工藝條件：鑄造速度50mm/min；將
圖8為傳統dc鑄造、傳統單頻超聲半連續鑄造和本發明圖1所示變頻超聲半連鑄方法鑄造的zk60鎂合金
圖9為傳統dc鑄造、傳統單頻超聲半連續鑄造和本發明圖1所示變頻超聲半連鑄方法鑄造的zk60鎂合金
圖10為傳統dc鑄造、傳統單頻超聲半連續鑄造和本發明圖1所示變頻超聲半連鑄方法鑄造的zk60鎂合金
實施例2：az80鎂合金
本實施例中，按照配比熔煉az80鎂合金；待中間包溫度為670℃時開始澆鑄，在鑄造過程中對熔體施加連續變頻超聲處理，使用壓電超聲換能器和冷卻箱對變頻超聲系統中的壓縮空氣進行冷卻。
鑄造工藝條件：鑄造速度：30mm/min，將
圖11(a)～(d)為傳統dc鑄造、傳統單頻超聲半連續鑄造和本發明圖1所示變頻超聲半連鑄方法鑄造的az80鎂合金
圖12為本發明圖1所示變頻超聲半連鑄方法鑄造的az80條件下使用模擬軟件模擬熔體心部，1/2r處，邊部聲壓分布。可見，相較單頻超聲場，連續變頻超聲場更加震蕩，所產生的聲壓更高。
實施例3：zk60鎂合金
本實施例中，按照zk60鎂合金的配比將各個配料在合金熔煉爐內熔化并精煉；待中間包溫度為660℃時開始澆鑄，在鑄造過程中將超聲輻射桿插入熔體液面以下對熔體施加連續變頻超聲處理，使用壓電超聲換能器和渦流冷卻管對變頻超聲系統中的壓縮空氣進行冷卻。
鑄造工藝條件：鑄造速度：40mm/min，將
圖13為傳統dc鑄造、傳統單頻超聲半連續鑄造和本發明圖1所示變頻超聲半連鑄方法鑄造的zk60鎂合金
圖14為傳統dc鑄造、傳統單頻超聲半連續鑄造和本發明圖1所示變頻超聲半連鑄方法鑄造的zk60鎂合金
實施例4：az80鎂合金
本實施例中，按照az80鎂合金的配比將各個配料在合金熔煉爐內熔化并精煉；待中間包溫度為670℃時開始澆鑄，在鑄造過程中將超聲輻射桿插入熔體液面以下對熔體施加連續變頻超聲處理，使用磁致伸縮超聲換能器和循環水冷卻裝置對變頻超聲系統進行冷卻。
鑄造工藝條件：鑄造速度：40mm/min，將
圖15(a)～(b)為傳統dc鑄造和本發明圖1所示變頻超聲半連鑄方法鑄造的az80鎂合金
實施例結果表明，本發明在鎂合金半連續鑄造過程中將超聲輻射桿伸入鎂合金熔體，使變頻超聲場引起的空化效應及聲流效應直接作用于正在凝固的鎂合金熔體。本發明可顯著改變鎂合金凝固行為，細化組織，提高錠坯凝固組織的均勻性，提高鎂合金坯錠的力學性能，顯著降低坯錠鑄造缺陷，極大改善鎂合金錠坯的質量。
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