一种利用超声辅助结晶的半连续铸造方法与流程

本发明涉及金属铸造，具体为一种利用超声辅助结晶的半连续铸造方法，该方法通过超声波主动调控液穴形状，使液穴趋于平坦，从而减少铸锭因内应力产生的裂纹，可广泛应用于铜合金、铝合金、镁合金等金属材料的半连续铸造。

背景技术：

1、如图1所示，在金属的半连续铸造过程中，由于结晶器1的强制冷却和热传导的梯度分布，金属熔液外层率先凝固形成凝壳，而中心区域仍保持液态，形成截面形状大致呈碗状的液穴2。铸造过程中，液穴2的位置和形状基本保持不变，而凝固的部分在引锭杆的牵引下不断向下移动，最终形成铸锭4。

2、金属铸造最难解决的是铸锭开裂问题，尤其是多合金铸锭。裂纹不具有可修复性，一旦铸锭产生裂纹，在后续的轧制过程中将产生大量的不良品和浪费。金属铸锭产生裂纹的根本原因在于内外层凝固速度不同：外层先凝固收缩，承受压应力；内部后凝固收缩，承受拉应力。在拉-压应力的作用下，铸锭内外层之间产生内应力，当内应力大于该温度下合金的极限强度时就会产生裂纹（包括凝固初期的热裂纹和凝固后期的冷裂纹）。对于金属熔液的结晶来说，液穴深度越大，内应力越大，开裂倾向越明显。因此，控制液穴深度和形状是减少铸锭开裂的关键。

3、目前，超声波技术在金属铸造领域已有所应用，其主要作用是利用超声波的空化效应和声流效应来细化晶粒、消除气孔和中心偏析等缺陷。空化效应是指超声波在金属熔液中产生大量微小的真空气泡（空泡），空泡崩溃时产生巨大的压强和强烈的冲击波，可促进形核、击碎柱状晶。声流效应是指超声波在金属熔液中形成声流，可促进熔液的流动和传热。

4、如图2所示，现有技术中通常将变幅杆3置于液穴2的中心位置，通过“中心超声”的方式细化晶粒，促进金属熔液的流动和传热。然而，这种“中心超声”的方式对液穴形状的主动调控能力十分有限。发明人意外发现，当超声功率超过700w时，超声波细化晶粒和传热的作用虽然得到了增强，但是会对液穴2的底部造成切割和侵彻，并形成新的凹坑，不仅增加了液穴的深度，而且加剧了铸锭的开裂倾向。

5、此外，现有技术中也有通过调整铸造工艺参数（如铸造速度、冷却强度等）来控制液穴深度的方案，但这些参数调整空间有限，比如铸造速度过低会降低生产效率，冷却强度过大可能导致铸锭开裂。

6、因此，亟需开发一种能够主动调控液穴形状的结晶方法，从根本上减少铸锭因内应力产生的开裂问题。

技术实现思路

1、针对现有技术无法主动调控液穴形状的缺陷，本发明提供一种利用超声辅助结晶的半连续铸造方法，其目的是通过将变幅杆倾斜指向液穴边部，利用超声波的空化效应“削峰”、声流效应“填谷”，使液穴趋于平坦，从而减少内外层凝固不同步所产生的内应力，从根源上降低铸锭开裂的风险。

2、为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

3、一种利用超声辅助结晶的半连续铸造方法，包括结晶器，在结晶器内设置有多根变幅杆；半连续铸造时，结晶器内的金属熔液形成液穴，变幅杆倾斜插入液穴内，并指向液穴的边部区域，通过超声波的空化效应破坏液穴边部凝壳的形成，同时利用超声波的声流效应促进合金熔液在液穴底部产生凝固，进而使液穴趋于平坦。

4、本发明将变幅杆倾斜指向液穴的边部区域（而非中心），利用超声波的空化效应和声流效应达到“削峰填谷”的目的：

5、1、超声波在液穴边部产生空化效应，空泡崩溃时产生巨大的压强和强烈的冲击波，打碎枝晶，破坏液穴边部凝壳的形成，相当于“削去”液穴边部的“峰”。

6、2、超声波在液穴中产生声流效应，在液穴底部形成回流区，强烈的紊流促进金属熔液的传质传热，加速液穴底部熔液的凝固，相当于“填平”液穴底部的“谷”。

7、通过“削峰填谷”的协同作用，使原本深而陡的碗形液穴趋于平坦。平坦的液穴使铸锭的结晶面具有较为均匀的温度场，促使铸锭内外层同步凝固收缩，从而最大限度上降低内应力的产生，从根源上减少铸锭开裂。

8、进一步改进技术方案：所述结晶器的结晶腔为矩形，用来铸造扁锭；多根变幅杆沿结晶腔的四边均匀排列。

9、进一步改进技术方案：所述结晶器的结晶腔为圆形，用来铸造圆柱铸锭；多根变幅杆沿结晶腔的圆周方向均匀排列。

10、进一步改进技术方案：变幅杆的工作频率为20-30khz，功率大于700w。

11、进一步改进技术方案：变幅杆与垂直方向的夹角为40-70°，头端距液穴边部区域的距离为5-40mm。

12、进一步改进技术方案：在结晶器的外围设置电磁搅拌装置，电磁搅拌装置通过洛伦兹力驱动合金熔液产生对流，促进液穴界面处温度场的均匀化。

13、进一步改进技术方案：对于黑色金属铸锭，半连续铸造的速度为35-50mm/min，引拉时间为5-7s，引拉速度为70-100mm/min，停止时间为5-7s。

14、进一步改进技术方案：对于有色金属铸锭，半连续铸造的速度为45-55mm/min，引拉时间为3-5s，引拉速度为90-110mm/min，停止时间为3-5s。

15、进一步改进技术方案：二次水采用喷雾的方式对铸锭进行冷却。

16、进一步改进技术方案：在变幅杆上设置有摆动机构，摆动机构用于使变幅杆产生左右或上下摆动。

17、实施上述技术方案后，相比背景技术，本发明可产生以下有益效果：

18、1、本发明通过“削峰填谷”主动调控液穴形状，使液穴趋于平坦，重构了结晶面和温度场。平坦的结晶面和温度场有助于金属熔液同步凝固收缩，最大程度上降低了内应力的产生，从根源上降低了铸锭开裂的风险。

19、2、现有技术中普遍认为超声波技术仅能用来细化晶粒和优化组织结构，将变幅杆放置于液穴的中心，是为了扩大超声的作用范围。本发明突破这一技术偏见，将变幅杆指向液穴边部，实现了对液穴形状的主动调控，取得降低铸锭开裂的技术效果，这是预料不到的。

20、3、本发明不限于特定合金或铸锭形状，可广泛应用于铜合金、铝合金、合金钢等金属材料的半连续铸造，适用于生产大规格的扁锭、圆锭等铸锭。

21、4、本发明可与电磁搅拌等技术协同使用，电磁搅拌使温度场均匀化，为超声“削峰填谷”创造更有利的条件，二者结合能够形成“温度场均匀化+液穴形状主动调控”的协同效应。

1.一种利用超声辅助结晶的半连续铸造方法，其特征在于：包括结晶器，在结晶器内设置有多根变幅杆；半连续铸造时，结晶器内的金属熔液形成液穴，变幅杆倾斜插入液穴内，并指向液穴的边部区域，通过超声波的空化效应破坏液穴边部凝壳的形成，同时利用超声波的声流效应促进合金熔液在液穴底部产生凝固，进而使液穴趋于平坦。

2.如权利要求1所述的一种利用超声辅助结晶的半连续铸造方法，其特征在于：所述结晶器的结晶腔为矩形，用来铸造扁锭；多根变幅杆沿结晶腔的四边均匀排列。

3.如权利要求1所述的一种利用超声辅助结晶的半连续铸造方法，其特征在于：所述结晶器的结晶腔为圆形，用来铸造圆柱铸锭；多根变幅杆沿结晶腔的圆周方向均匀排列。

4.如权利要求1所述的一种利用超声辅助结晶的半连续铸造方法，其特征在于：变幅杆的工作频率为20-30khz，功率大于700w。

5.如权利要求1所述的一种利用超声辅助结晶的半连续铸造方法，其特征在于：变幅杆与垂直方向的夹角为40-70°，头端距液穴边部区域的距离为5-40mm。

6.如权利要求1所述的一种利用超声辅助结晶的半连续铸造方法，其特征在于：在结晶器的外围设置电磁搅拌装置，电磁搅拌装置通过洛伦兹力驱动合金熔液产生对流，促进液穴界面处温度场的均匀化。

7.如权利要求1所述的一种利用超声辅助结晶的半连续铸造方法，其特征在于：对于黑色金属铸锭，半连续铸造的速度为35-50mm/min，引拉时间为5-7s，引拉速度为70-100mm/min，停止时间为5-7s。

8.如权利要求1所述的一种利用超声辅助结晶的半连续铸造方法，其特征在于：对于有色金属铸锭，半连续铸造的速度为45-55mm/min，引拉时间为3-5s，引拉速度为90-110mm/min，停止时间为3-5s。

9.如权利要求1所述的一种利用超声辅助结晶的半连续铸造方法，其特征在于：二次水采用喷雾的方式对铸锭进行冷却。

10.如权利要求1所述的一种利用超声辅助结晶的半连续铸造方法，其特征在于：在变幅杆上设置有摆动机构，摆动机构用于使变幅杆产生左右或上下摆动。