一種有色金屬深回?zé)岚脒B續(xù)鑄造裝置及其方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于有色金屬半連續(xù)鑄造領(lǐng)域，具體設(shè)及一種有色金屬深回?zé)岚脒B續(xù)鑄造 裝置及其方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 有色金屬產(chǎn)品的生產(chǎn)流程通常為:烙煉-鑄造-均勻化退火-熱加工-冷加工-熱處 理，其中均勻化熱處理過程是最耗能的環(huán)節(jié)之一，因?yàn)橥ǔ５木鶆驘崽幚磉^程要在一般采 用0.80.95T烙，即略低于合金開始烙化的溫度，一般配采用比合金非平衡固相線溫度低40 °C，保溫12-2地。
[0003] 有色金屬產(chǎn)品通常采用半連續(xù)水冷鑄造方法鑄造合金鑄錠，由于冷卻速度快，使 烙融的液體金屬在凝固時(shí)產(chǎn)生非平衡結(jié)晶，造成鑄錠的化學(xué)成分、組織的不均勻性，即所謂 的不平衡狀態(tài)，使鑄錠內(nèi)部存在著鑄造時(shí)產(chǎn)生的殘余應(yīng)力。鑄錠的均勻化退火就是為了消 除鑄錠內(nèi)部的殘余應(yīng)力，減少或消除鑄錠的化學(xué)成分和組織的不均勻性，W達(dá)到改善鑄錠 的壓力加工性能及制品的某些最終性能的目的。
[0004] 均勻化退火主要是使合金固烙體成份變均勻，非平衡過剩相消失。運(yùn)種成份均勻 和非平衡過剩相消失的機(jī)理是金屬和合金中原子擴(kuò)散的結(jié)果。擴(kuò)散:擴(kuò)散是金屬和合金中 的原子在一定條件下的遷移運(yùn)動(dòng)。它既可W是純金屬中同類原子的均質(zhì)擴(kuò)散，也可W是合 金中溶質(zhì)原子在溶劑中的"異質(zhì)擴(kuò)散"。由于原子擴(kuò)散需要一定的能量，為了加速原子的擴(kuò) 散，需要對合金鑄錠進(jìn)行適當(dāng)加熱、保溫。但不同合金其非平衡固相線的溫度不同，所W不 同合金鑄錠的加熱溫度、保溫時(shí)間是不同的。均勻化過程中組織的變化鑄錠在均勻化過程 中，組織的均勻化過程較為復(fù)雜。一般在固態(tài)下不產(chǎn)生相變，而原子擴(kuò)散也是在一定的范圍 內(nèi)進(jìn)行。因?yàn)榫Ы缟系拇罅康娜毕?、雜質(zhì)質(zhì)點(diǎn)妨礙了晶料間原子的交換，故均勻化后晶粒的 大小變化很小。但總的看來，組織均勻化過程是個(gè)溶解、析出(沉淀)的過程。
[0005] 目前，均勻化熱處理過程存在如下問題:第一，均勻化效果不好，需要多級或者長 時(shí)間；第二，鑄錠存在嚴(yán)重的宏觀偏析，導(dǎo)致均勻化過程局部發(fā)生過燒;第Ξ，均勻化熱處理 過程耗能大。因此，如何在均勻化熱處理過程中降低處理時(shí)間和提高效果是目前研究的重 點(diǎn)。
[0006] 隨著技術(shù)的發(fā)展，近二十年，先后出現(xiàn)了兩級或多級均勻化技術(shù)，運(yùn)種技術(shù)主要是 利用低溫長時(shí)來消除鑄錠生產(chǎn)中由于非平衡凝固導(dǎo)致的非平衡物相，然后在利用高溫短時(shí) 提高均勻化效果。運(yùn)種技術(shù)需要高精度的爐子作為保障，一旦溫度波動(dòng)就會(huì)出現(xiàn)過燒現(xiàn)象， 大大增加了生產(chǎn)成本。
[0007] 綜上，并沒有好的方法來降低均勻化熱處理過程的能耗。本發(fā)明將通過改變半連 續(xù)鑄造過程合金的凝固過程，使合金元素充分?jǐn)U散，獲得均質(zhì)或近均質(zhì)鑄錠，從而取消均勻 化退火或者進(jìn)行短時(shí)均勻化退火。將沒有或大大降低均勻化退火帶來的能耗。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0008] 針對現(xiàn)有技術(shù)的不足，本發(fā)明提供一種有色金屬深回?zé)岚脒B續(xù)鑄造裝置及其方 法，設(shè)及有色金屬半連續(xù)鑄造及后續(xù)加工，設(shè)及一種有色金屬均勻化退火方法。
[0009] 本發(fā)明的有色金屬深回?zé)岚脒B續(xù)鑄造裝置，包括有色金屬半連續(xù)鑄造裝置、二次 冷卻水阻斷裝置、溫度傳感器和閉環(huán)控制系統(tǒng)；
[0010] 二次冷卻水阻斷裝置，設(shè)置在有色金屬半連續(xù)鑄造裝置的二次冷卻水見水點(diǎn)下方 200~300mm處，優(yōu)選結(jié)晶器的二次冷卻水見水點(diǎn)下方200mm處，包括水阻斷器和提升裝置；
[0011] 水阻斷器，固定在提升裝置上，可W快速的阻斷二次冷卻水，是接觸式水阻斷器或 非接觸式水阻斷器，優(yōu)選非接觸式水阻斷器;其中，接觸式水阻斷器用軟質(zhì)耐高溫的材料圍 成與鑄錠外形尺寸相同裝置，保證能和鑄錠緊密接觸，不漏水，如高溫橡膠;非接觸式水阻 斷器用高壓空氣放大器圍成與鑄錠外形相同且與其相距10~30mm，非接觸式水阻斷器出口 壓力為0.05~O.SMPa，最優(yōu)出口壓力為0.1~0.3MPa，保證高壓空氣將鑄錠表面二次冷卻水 吹除且不漏水，如風(fēng)刀；
[0012] 提升裝置，控制水阻斷器沿鑄錠鑄造方向上下運(yùn)動(dòng)，且速度可調(diào)；
[0013] 溫度傳感器，設(shè)置在二次冷卻水阻斷裝置下方40~60mm處，且隨著二次冷卻水阻 斷裝置同步運(yùn)動(dòng)，用來測量對應(yīng)位置鑄錠表面的溫度;其中，優(yōu)選二次冷卻水阻斷裝置下方 50mm處;溫度傳感器為接觸式熱電偶，測量溫度范圍為20~600C;
[0014] 閉環(huán)控制系統(tǒng)，分別與溫度傳感器和提升裝置相連接;通過溫度傳感器采集到的 鑄錠表面溫度，控制提升裝置的位置和速度；
[0015] 采用有色金屬深回?zé)岚脒B續(xù)鑄造裝置，進(jìn)行有色金屬深回?zé)岚脒B續(xù)鑄造的方法， 包括如下步驟：
[0016] 步驟1:二次冷卻水阻斷裝置的啟動(dòng)：
[0017] 啟動(dòng)有色金屬半連續(xù)鑄造裝置進(jìn)行半連續(xù)鑄造，當(dāng)鑄錠的鑄造長度達(dá)到400~ 450mm時(shí)，啟動(dòng)二次冷卻水阻斷裝置；
[0018] 步驟2,深回?zé)岚脒B續(xù)鑄造：
[0019] 通過溫度傳感器測量對應(yīng)水平位置的鑄錠表面溫度，當(dāng)溫度傳感器的測量溫度小 于鑄錠的非平衡固相線溫度T1時(shí)，通過閉環(huán)控制系統(tǒng)，使提升裝置控制水阻斷器向上運(yùn)動(dòng)， 直到溫度傳感器的測量溫度達(dá)到0.95T1，通過閉環(huán)控制系統(tǒng)，使提升裝置停止運(yùn)動(dòng)，此時(shí)水 阻斷器距結(jié)晶器的二次冷卻水見水點(diǎn)的距離，稱為回?zé)嵛恢?，溫?.95T1稱為回?zé)釡囟龋?br>[0020] 步驟3:鑄造結(jié)束：
[0021 ]當(dāng)鑄錠達(dá)到指定長度時(shí)，停止供流，結(jié)束鑄造；
[0022] 步驟4:短時(shí)高溫均勻化：
[0023] (1)當(dāng)添加的合金元素的質(zhì)量百分比之和>3wt%時(shí)，立刻將鑄錠進(jìn)行均勻化退 火:在0.9T ± 50°C保溫1~化，其中，T為鑄錠的平衡固相線溫度；
[0024] (2)當(dāng)添加的合金元素的質(zhì)量百分比之和<3wt%時(shí)，不需要均勻化退火。
[0025] 其中；
[00%] 所述步驟1中，有色金屬半連續(xù)鑄造裝置的鑄造速度為40~350mm/min，冷卻水量 為0.16~0.化/min/mm，誘注溫度為710~725°C ;當(dāng)鑄錠的鑄造長度達(dá)到400mm時(shí)，啟動(dòng)二次 冷卻水阻斷裝置；
[0027] 所述步驟2中，回?zé)嵛恢脼?0~200mm，回?zé)釡囟葹?50~570°C ;
[00%]所述的步驟4(1)中，在均勻化爐中進(jìn)行均勻化退火;退火的溫度優(yōu)選為0.9T。
[0029] 本發(fā)明的深回?zé)峋褪巧疃然責(zé)?，是指半連續(xù)鑄造過程中鑄錠凝固后，由于水阻斷 器對二次冷卻水的阻斷，使鑄錠下部已凝固部分的溫度再回升到很高的溫度(鑄錠固相線 W下)。
[0030] 鑄錠之所W要經(jīng)過均勻化退火，其原因在于鑄錠在凝固時(shí)發(fā)生非平衡凝固，存在 微觀尺度（晶粒內(nèi)）上的成分不均和非平衡物相，如不消除之，就會(huì)導(dǎo)致后續(xù)加工時(shí)發(fā)生開 裂或者性能惡化。因此，在有色金屬產(chǎn)品中生產(chǎn)必須進(jìn)行均勻化退火處理。但是，如果鑄錠 中產(chǎn)生的運(yùn)種成分不均勻減弱，就可W減少均勻化退火時(shí)間甚至去掉均勻化退火。本發(fā)明 就是W該思路產(chǎn)生的。
[0031] 鑄錠中晶粒內(nèi)成分不均，主要是控制半連續(xù)鑄造時(shí)的凝固速率(冷卻速率)和鑄錠 的溫度。當(dāng)鑄造過程凝固速度降低時(shí)，其凝固時(shí)反擴(kuò)散增加，使晶粒內(nèi)先凝固和后凝固的部 分成分趨于一致，進(jìn)而減小成分不均；另外，鑄造獲得的鑄錠溫度高，有利于合金元素的擴(kuò) 散，使晶粒內(nèi)溶質(zhì)元素成分趨于一致，進(jìn)而減小成分不均。因此只要控制半連續(xù)鑄造過程中 外部冷卻強(qiáng)度，就能夠很好的控制凝固時(shí)的冷卻速率即凝固速率，從而減少運(yùn)種晶粒內(nèi)的 成分不均。那么，在半連續(xù)鑄造過程冷卻主要由兩部分組成，如圖1所示，即一次冷卻（結(jié)晶 器冷卻)和二次冷卻。一次冷卻在鑄造過程中僅僅起到凝殼的作用，是決定鑄錠表面質(zhì)量的 重要因素，但對運(yùn)種晶粒內(nèi)成分不均影響甚微，并且運(yùn)層在后續(xù)加工前都要通過銳面或化 皮工序去除，所W，二次冷卻才是決定因素。
[0032] 降低二次冷卻強(qiáng)度可W有效地減少冷卻速率和提高鑄錠溫度的作用，但是，二次 冷卻減少到一定程度的時(shí)候，就會(huì)發(fā)生跑侶事故，使鑄造失敗，甚至發(fā)生危險(xiǎn)。為了避免運(yùn) 類事故的發(fā)生，本發(fā)明采用深度阻斷二次冷卻水的方法來實(shí)現(xiàn)減少冷卻強(qiáng)度的目的。具體 原理是:鑄造時(shí)使用較大的二次冷卻水，當(dāng)二次冷卻水和一冷共同作用形成一定厚度的凝 固殼，該凝固殼足夠強(qiáng)度來支撐未凝固的烙體，在距二冷水見水點(diǎn)下方一定距離位置將二 冷水除去，保證鑄錠沒有二次冷卻水冷卻的部分不能被合金凝固時(shí)放出的潛熱溶化，此時(shí) 凝固殼被釋放的潛熱加熱升溫，使得先凝固的凝固殼內(nèi)溶質(zhì)元素發(fā)生擴(kuò)散，另外，由于沒有 二次水冷卻的部分凝固速率慢，接近平衡凝固，所W凝固時(shí)晶粒內(nèi)元素均勻;然后，當(dāng)合金 完全凝固時(shí)，鑄錠內(nèi)外溫度均勻，且溫度很高，能夠?qū)崿F(xiàn)均勻化的作用。并且二冷水除去位 置越接近二冷水見水點(diǎn)，且鑄錠溫度越高，溶質(zhì)元素在晶粒內(nèi)分布越均勻。
[0033] 本發(fā)明的有色金屬深回?zé)岚脒B續(xù)鑄造裝置及其方法，與現(xiàn)有技術(shù)相比，有益效果 為：
[0034] (1)本發(fā)明的有色金屬深回?zé)岚脒B續(xù)鑄造裝置及其方法，短流程，在半連續(xù)鑄造過 程中直接進(jìn)行均勻化處理，工藝更加簡化；
[0035] (2)本發(fā)明的有色金屬深回?zé)岚脒B續(xù)鑄造的方法，省時(shí)節(jié)能，通過改變半連續(xù)鑄造 過程合金的凝固過程，使合金元素充分?jǐn)U散，獲得均質(zhì)或近均質(zhì)鑄錠，從而取消均勻化退火 或者進(jìn)行短時(shí)均勻化退火。將大大降低均勻化退火帶來的能耗。
【附圖說明】
[0036] 圖1傳統(tǒng)有色金屬的半連續(xù)鑄造過程示意圖，其中：1:結(jié)晶器，2:二冷水眼，3:見水 點(diǎn)，4:二冷水，5:引錠裝置，A:液相區(qū)，B:兩相區(qū)，C:固相區(qū)；
[0037] 圖2本發(fā)明實(shí)施例的有色金屬深回?zé)岚脒B續(xù)鑄造裝置示意圖，其中：6:二冷水阻斷 裝置，7:溫度傳感器，8:鑄錠；
[0038] 圖3本發(fā)明實(shí)施例1和對比例制備的3003侶合金鑄錠的金相照片，其中：（a)對應(yīng)實(shí) 施例1的對比例，（b)對應(yīng)實(shí)施例1;
[0039] 圖4本發(fā)明實(shí)施例2和對比例制備的5083侶合金鑄錠的金相照片，其中：（a)對應(yīng)實(shí) 施例2的對比例，（b)對應(yīng)實(shí)施例2;
[0040] 圖5本發(fā)明實(shí)施例3和對比例制備的7050侶合金鑄錠的金相照片，其中：（a)對應(yīng)實(shí) 施例3的對比例，（b)對應(yīng)實(shí)施例3。
【具體實(shí)施方式】
[0041] W下實(shí)施例采用的有色金屬深回?zé)岚脒B續(xù)鑄造裝置，如圖2所示，包括有色金屬半 連續(xù)鑄造裝置、二次冷卻水阻斷裝置6、溫度傳感器7和閉環(huán)控制系統(tǒng)；
[0042] 二次冷卻水阻斷裝置6,設(shè)置