以特大规格 AZ系镁合金扁锭实际生产过程为例，分别从铸造前准备、铸造系统设计、 铸锭后处理三部分具体描述镁合金特大扁锭的加工工艺过程。该产品的生产验证过程和后续 冶金质量考察结果表明，使用半连续铸造工艺与低频电磁外场、脉冲电磁外场相结合的生产 工艺，其产品整体质量稳定良好，符合技术规范要求。关键词：半连续铸造；镁合金；大规格在能源紧张和环保的压力下，镁合金变形材的大规模应用势在必行，其中板材 是镁合金变形材应用最为广泛和最为大宗的工业产品类型u_61。大批量工业化生产宽 幅板材及板卷上具有明显优势的热轧开坯工艺路线的前提条件是制备大规格、高质 量 、低成本的铸造板坯产品。通过半连续铸造工艺与电磁外场的相结合，可制备出 最大宽纵比为 3.5 即横截面尺寸为 1 400 m m x 400 m m 及最大长度为 3 700 m m 的大规格 镁合金铸造板坯，合金型号为 A Z 31 与 A Z 8 0 , 铸件表面需要处理至镜面效果，并且表 面无任何铸造缺陷。本文以 AZ系镆合金扁锭实际生产过程为例分別从铸造前准备、铸造工艺设计、 铸造后处理三部分具体描述镁合金大扁锭的所有加工工艺过程。生产实例尺寸、合 金型号、施加外场类型如表1所 示 。1 铸造目 U准备成熟的半连续铸造工艺离不开前期完善的熔炼工艺与供液系统。作者简介：侯 健 （ 1 9 8 9 - ) , 男， 博士，主要从事凝固过程 特理宏观场的数值模拟工 作 。 E-m ail: 1015305264@ qq.com 通讯作者：乐 启 炽 ，男 ，教 授 。 E-mail: qichil@ mail.neu.edu.cn中图分类号： TG249.7 文献标识码 ： A 文章编号： 1001 -4977 (2020) 10-1048-071 . 1 熔炼工艺在 铸 造 前 ，根 据 欲 熔 炼 合 金 的 总 质 量 、合金成分及元素收得率计算添加的镁 锭及合金元素的总量。熔炼过程中根据总量分批次将工业纯镁和工业纯铝加入坩埚 中 ，加热使其完全熔化，再依次加入工业纯 Zn 以 及 MnCI :开始精炼，待熔体温度升 高到660〜680°€时，通入氩气对熔体进行除气。随 后 ，利用光谱仪检测合金成分。 当合金成分达到熔体温度的预设要求时，向熔体中放入不锈钢过滤网，为随后启动 供液装置做准备。本熔炼工艺中采用覆盖剂和保护气相结合的方式，即合金熔炼过程中铺撒覆盖 剂 阻 燃 ，在静置和浇注过程中采用经干燥处理的 C0 2+ ( 0.5%~ 1 % 质 量 分 数 ） S Fjg 合气体来保护镁合金熔液。出现燃点时立即补撒覆盖剂进行灭火。1 . 2 供液系统本工艺中的供液系统171如图1所 示 ，通过图中的液位检测装置可清晰判断坩埚内收稿日期：2 0 2 0 -0 5 -0 6 收到初稿， 2 0 2 0 -0 6 -1 0 收到修订稿。合金熔体量，并通过控电箱可以实现导液动力装置与液位检测装置的联合控制；导 液管及相关装置可满足生产制备不同规格镁合金铸锭；导液管出口位置的支撑装置 保障了稳定供液并可随时对出料口位置进行调整；通过电极板和出料口连接控电箱2020 年第 10 期 /第 69 卷 镁合金专题 im 1049可 以 实 现 导 液管加热时温度分布均匀，实现大体积熔 体的连续供液。具 体 过 程 如 下 ：①经熔炼工艺处理后 的 熔 体在炉内静置后，开启控电箱控制对向电极板和 导液管 的 出 料 口 通 电 ，对导 液 管 进 行 加 热 ，控制导液 管的温度与合金熔体的温度差为5 〜15 t ，同时通过石 墨碳棒和液位检测装置检测坩埚内合金熔体的液位；② 启动 动 力 装 置 ，通 过 电 控 箱 开 启 倒 液 泵 ，合金熔体在 倒液泵 作 用 下 被 导 入 导 液 管 ，并 进 入 结 晶 器 ，通过控 制导 液 泵 调 控 合 金 熔 体 的 流 量 ，将坩埚内的合金熔体 经导液管输送 到 结 晶 器 ；③合金熔体经出料口流入结 晶器开始铸造；随 着 合 金 熔 体 的 输 送 ，坩埚内的合金 熔体逐渐较少；当合金熔体的液面离开用于液位检测 的石墨碳棒时，控电箱收到 信 号 并 关 闭 动 力 装 置 ，停 止向结晶器输送合金熔体。具体浇注参数如表2所示。2 铸造系统设计2 . 1 分流盘设计如图2所 示 ，根据生产铸坯截面尺寸及宽纵比的不 同 ，自 行设计了熔体分流盘|8_9]，通过改善熔体在铸造 过程的分流进一步解决了由于宽度方向与纵向的不对 称性导致大规格扁锭温度分布不均匀的问题。分 流 盘 上 方 设 置 有 高 度 调 整 装 置 ，可 在 一 定 范 围 内 调 整 髙 度 。如 图 所 示 ，分流盘由矩形侧壁和梯形 底 槽 构 成 一 体 结 构 。其 中 ，梯 形 底 槽 由 两 个 倾 斜 的 侧 板 和 两 个 垂 直 的 端 板 组 成 ，其 轴 向 截 面 为 梯 形 ， 端 板 高 度 为 10~60 m m , 侧 板 与 水 平 面 的 角 度 范 围 为20° ~ 6 0 ° 。矩 形 侧 壁 上 设 有 圆 形 分 流 孔 ，直径为 1 5 ~ 22 mm , 矩 形 侧 壁 的 每 个 角 部 均 设 有 总 面 积 为 5 000 ~ 50 000 mm2的矩形分流口。2 . 2 外场发生装置及负载线圈设计如图3所示，外 场 装 置 主 要 包 括 变 压 器 、 可 控 硅 控 制 器 、可 控 硅 组 件 、电 解 电 容 组 、 IG BT控 制 器 、 IGBT组 件 、霍尔传感器、负载线圈、无级电容 组 、 PLC 核 心 组 件 、数显/控制表和触摸屏主令元件； 其 中 变 压器的一端与三相交流电源连接，另一端依次 与 可 控 硅 控 制 器 、可控硅组件和电 解 电 容 组 连 接 ，电 解电容组还分别与无级电容组、 IGBT组件和负载线圈 连 接 ， PLC 核心组件分別与 IGBT控制 器 、霍尔传感器 和数显/控 制 表 连 接 ， IGBT控制器与 IGBT组 件 连 接 ， 负载线圈与霍尔传感器连接，所述的数显/控制表与触 摸 屏 主 令 元 件 连 接 ；所述的变压器起到电压变换和隔表 1 各 生 产 实 例 合 金 型 号 、尺 寸 及 外 场 施 加 类 型 Tablel The alloy, size and applied electromagnetic field for four industrial production cases项目 生产实例 I 生产实例 2 生产实例 3 生产实例 4浇注方式 单管浇注 单管浇注 双管浇注 双管浇注尺寸 /mm 1 450 x 400 x 1 700 1 450 x 400 x 1 200 1 230 x 450 x 3 500 1 230 x 450 x 3 700施加电磁场类型 低频 低频 脉冲 脉冲( a ) 供液系统内部结构图 （ b ) 联合控制液体位检测及动力装置电路原理图图 1 供液系统 Fig. 1 Fluid supply system表 2 DC 铸 造 各 生 产 实 例 浇 注 相 关 工 艺 参 数 Tabic 2 Pouring parameters for four industrial production cases浇注工艺参数 生产实例 1 生产实例 2 生产实例 3 生产实例 4浇注方式 单管浇注 单管浇注 双管浇注 双管浇注浇注温度 /T 680 680 660 6701050 im 镁合金专题 Vol.69 No.10 2020离 保 证 操 作 安 全 作 用 ；可控硅组件及可控硅控制器起 整流作用；电解电容组是储能滤波单元； 丨 GBT组件是 功 率 元 件 ， IGBT控制器是触发单元；负载线圈与无级 电容组并联构成 LC 震 荡 回 路 ，所述的负载线圏为矩形 截 面 ，由绝缘扁桐线 缠 绕 而 成 ；所 述 的 霍 尔 传 感 器 、 数显/控 制 表 、 PLC 核心组件和触摸屏主令元件构成信 号检测与控制回路；其中的霍尔传感器对 LC 震荡回路 中 的 电 流 信 号 进 行 检 测 ，通 过 数 显 /控 制 表 实 时 显 示 并与 PLC 核心组件进行信号传输，实现 IGBT控制器对 IGBT组 件 的 控 制 。所述的负载线圈置于结晶器冷却水 腔 中 。通 过 线 圈 定 位 上 夹 板 、线 圈 定 位 下 夹 板 、紧固 螺母和紧固螺杆固定。各 生 产 实 例 电磁场相关输入参数：电 流 、频率及 占空比如表3所7^。2 . 3 引锭头设计引锭头具体结构如图4所 示 。引锭头从上到 下依次为 引 锭 头 上 部 方 槽 、引锭头底座和引锭头固定 柱 ，其中引锭头上部方槽内部为阶梯式的两层槽型结 构 ，每层槽型结构 的 边 角 部 分 为 弧 形 ，并且下层槽型 结 构 的 中 心 向 下 凹 陷 ；引 锭 头底座内部设有空腔，该 空腔通过上部方槽底部的引锭头气孔与上部方槽的内 部 连 通 ；其 中 下 层 槽 型 结 果 的 中 心 凹 陷 深 度 范 围 为 1.5 ~ 4.5 mm。各生产实例启车与稳态拉坯速度如表4所7J\〇2 . 4 冷却系统设计铸造过程中的冷却系统％ m61结构与现场实物分別 如图5 、图6所 示 。根据冷却换热方式及安装位置、冷 却次序的不同可将铸造过程中的冷却系统分为一次冷 却系统、二次冷却系统以及三次冷却系统。一 次 冷 却 系 统 如 图 5所 示 。当带有一定初始压力 的 熔 体 流 出 分 流 盘 后 ，在电磁线圈产生的外部变化的 电磁场作用下熔体会以一定的速度冲击结晶器内壁。 随 后 ，熔 体 中 的 部 分 热 量 由 导 热 性 优 异 的 6系铝合金 ( 6061、6082铝 合 金 ）材质结晶器内壁传向水箱中的 冷 却 水 。随 着 热 量 的 散 失 ，熔 体 开 始 凝 固 并 开 始 收 缩 。铸坯表面与结晶器内壁通过中间出现的气隙进行 热量交换。一 次 冷 却 与 二 次 冷 却 系 统 如 图 5 a 所 示 。一次冷 却系统中的冷却水在进水口压力及水的自然重力作用 下通过结晶器底端的具有一定间距孔径的水孔以射流 冲击的方式冲击铸还表面的一定区域进彳 T换 热 ，此区 域 称 为 冲 击 区 。在 冲 击 区 的 下 方 ，冷却水在重力的作 用下持续与铸坯 表 面 进 行 换 热 ，此区域称为自由落水 区 。对 于 尺 寸 要 求 较 大 的 铸 坯 ，需要在二次冷却水孔 下方一定距离额外安置水箱以保证冷却系统的冷却强图 2 分流盘示意图 Fig. 2 Schematic diagram of shunt图 3 发生装置主要硬件及其连接方式 Fig. 3 The main hardware and its connecting method of production equipment表 3 各 生 产 实 例 电 磁 场 相 关 输 入 参 数 Table 3 Inputting parameters of electromagnetic field for four cases项目 生产实例 1 生产实例 2 生产实例 3 生产实例 4电流调控范围 /A 10-200 10 ~ 200 5 - 180 5 〜 180频率调控范围 /Hz 5-40 5~40 5〜 40 5~40占空比调控范围 /% 5〜 80 5~80引锭头方槽引锭头气孔引锭头底座引锭头间定柱表 4 各 生 产 实 例 启 车 与 稳 态 拉 坯 速 度 Table 4 Initial speed and withdraw slab speed for four cases项目 生产实例 1 生产实例 2 生产实例 3 生产实例 4启车速度 / ( mm • min“1 )15 15 3 4.5稳态拉坯速度 20 20 25.5 2.5/ ( mm • min'1 )2020 年第 10 期 /第 69 卷 镁合金专题 i m 1051度 ，此冷 却 称 为 三 次 冷 却 系 统 ，其冷却方式与二次冷 却系统相似。3 铸造工艺过程与冶金质量考察半连续铸造结合电磁外场工艺过程如下:首 先 ，对 结 晶 器 、分 流 盘 进 行 干 燥 处 理 并 开 启 保护气 装 置 。随 后 ，炉内合 金 熔 体 经 熔 炼 、净化和静 置后在供液装置的作用下经导液管从出料口流入分流 盘 ，再 由 分 流 盘 中 的 分 流 孔 /分流口流入到结晶器内 套 中 ；向 针 阀 油 杯 中 注 入 润 滑 油 ，润滑油经油槽和出 油 孔 流 到 结 晶 器 内 套 中 ，实现铸锭表面润滑；向一冷 水 箱 和 三冷水箱内通入冷却水，向气体保护喷管中通 入保护气体 保 护 合 金 熔 体 ，避免合金熔体的氧化与燃 烧 ；当液面达到与分流盘的上沿平齐时，开始由脉冲 电源向电磁线圈通入脉冲电流或低频电流，对合金熔 体施加 脉 冲 磁 场 或 低 频 磁 场 ，启动铸造机开始铸造； 铸 造 过 程 中 ，通过调节导流锥与导液管口下端的间距 以及通过分流盘调整装置调节分流盘位置，调控导液 管出口合金熔体流量以及结晶器内合金熔体的温度分 布 ，保 持 液 面 稳 定 ；铸 造 到 预 定 长 度 时 ，停止供给镁 合 金 液 ，在合 金熔体的液面低于分流盘底时，铸造机 停 车 ，取 出 分 流 盘 ，待铸 锭 上 表 面 凝 固 后 ，关闭脉冲 电 流 ，停 止 电 源 、冷 却 水 和 保 护 气 体 ，吊 出 铸 锭 ，铸 造结束。液穴深度是半连续铸造过程中的一个极其重要的 参 数 ，在半连铸稳定状态下对分流盘处各位置液穴深 度进行了多次测量并取其平均液穴深度值。在镁合金 扁锭稳态铸造情况下，测量液穴深度 结 果 表 明 （图7与 表6 ) ，平均液穴深度由边部到中心逐渐增大，液穴形 状 近 似 左 右 对 称 。最 大 液穴深度值位于中心，分别为 105.75 mm, 143.75 mm, 125 mm, 132.5 mm〇对截面尺寸为400 mm x 1 450 mm (生 产 实 例 1, 生产实例2 ) 的镁合金扁铸锭的直读光谱分析结果表明表 5 各 生 产 实 例 二 次 、三 次 冷 却 系 统 喷 水 量 Table 5 The rate of spraying cooling water for four cases冷却系统水量 生产实例 1 生产实例 2 生产实例 3 生产实例 4二次冷却系统喷水量范围 / ( L • mirf1 ) 0.5 ~0.6 0.7- -0.8 0.3- -0.4 0.3- -0.4三次冷却系统喷水量 范围 / ( L . mirf1 )0.3 ~ 0.4 0.3- -0.4 0.2 - -0.3 0.2- -0.3(a ) —次冷却与二次冷却系统结构三冷水孔 三冷进水口 固定板图 5 冷却系统 Fig. 5 Cooling system(图 8与表6 ) , 主合金元素 A 1在整个宽度和厚度方向 上 的 宏 观 偏 析 均 较 小 。在 靠 近 铸 锭 底 部 附 近 ，其偏析 率大致为21 % 和 2 2 % ，在 扁 铸 锭 上 部 ，偏析率大致为 17% 和 1 6 % 。将底部切除100 mm, 对长度为630 mm的 AZ80镁 合 金 大 扁 铸 锭 进 行 无 损 探 伤 （图9 ) 。 统 计 结 果 （图 1 0 ) 表 明 ，铸 锭 无 铸 造 裂 纹 ，但在距离引锭底部附近 约200 〜 300 mm范 围 内 ， 仍然集中存在大量的外形尺 度在1~2 mm的氧化物夹渣。可 见 ，对采用底流式铸造 工艺的导液方式，铸锭底部切除量至少要300 mm, 方 可消除铺底和启车初始阶段的流道氧化物夹杂和不稳 定 流 动 导 致 的 卷 杂 。在 铸 造 稳 定 （铸造长度至少大于( a ) 二次冷却系统现场图 （ b ) 三次冷却系统现场图图 6 冷却系统现场图 Fig. 6 Scene view of cooling systems生产实例 2 1450 x 400 AZ80第一次测量 第二次测量 第三次测量 第四次测量 平均液穴深度 平均液穴深度拟合20 40 60 80 100测量点到分流槽左端距离 /m m生产实例 1 1450x400 AZ31■ 第一次测量• 第二次测量 ▲ 第三次测量 ▼ 第四次测量• 平均液穴深度一-平均液穴深度拟合*0 20 40 60 80 100 120测量点到分流槽左端距离 /m m■ 1 1 • 338• 23 貧 431 ▲ 116 • 443 ▼ 128 • 536♦ 221 +548 < 233 x 676 ► 326 * 688图 7 生产实例 1 和 2 稳态下分流盘液穴深度 Fig. 7 Depth of melt cave at steady state for easel and case20 20 40 60 80 100 120 140 160 180 200 0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 200100 200 300 400 500 600 700沿宽度方向距中心点距离 /m m0 100 200 300 400 500 600 700沿宽度方向距中心点距离 /m mA(\■ 0〜 22• 44-66 ▲ 88〜 111 ▼ 133〜 155♦ 177-200i m FOUNDRV 镁合金专题 Vol.69No.10 2020沿厚度方向距中心点距离 /m m 沿厚度方向距中心点距离 /m m图 8 生产实例 2 镁合金扁铸锭的宏观偏析水平 Fig. 8 Macrosegregation of magnesium slab under the condition of case2表6 各生产实例分流盘处平均液穴深度Table 6 Average depth of melt cave for four cases平均液穴深度 生产实例 I 生产实例 2 生产实例 3 生产实例 4中心液穴深度 /mm 105.75 143.75 125 132.5左侧边部 /mm 87.25 120.75 102.5 103.5右侧边部 /mm 87 126.25 92.5 112.5左侧中心 /mm 101 137.5 120 132.5右侧中心 /mm 99.75 131.25 110 127.5 图 9 生产实例 2 的无损探伤现场 Fig. 9 Non-destructive testing scene of case 2■ 1 1 • 338 • 23 贪 431 ▲ 116 • 443 ▼ 128 ■ 536 ♦ 2 2 1 + 548 < 233 x 676505 50505001 2233445日6/趔迷{ <髮50505 8990—/ 趙送< <髮o o o c 2 1 1 2 3/1 - % / 糊擊苌粟 _<fllt eIKI V2010o%/糊■ 友琚旧IVuooo o0-321123 _ - _%/糊■友毋_钿贼|^1 ¥uoooo0-321-1-23%/糊擊友驿ntt钿贼I RI V2020 年第 10 期 /第 69 卷 镁合金专题f〇undpv1053' 沿宽度方向• 1.73• 1.87 1 1.92 安全线2.14 '.56 •丨.2 61.62• 1-83 1 7 Q1.28 • *1.52 1-79切割线铸锭底部-沿厚度方向• 1.73.1 .8 7 1 1.92參安全线2.37* g 1.S9 切割线1.84 • • 成 1.83 •铸锭底部0 100 200 300 400 500 600 700 800 900 100011001200 0 50 100 150 200 250 300 350 400铸锭宽度 /mm 铸锭厚度 /mm图 1 0 生产实例 2 AZ80 的无损探伤统计结果 Fig. 10 Statistical results of non-destructive testing for case 2( a ) 铸锭的热处理 （ b ) 机加丁过程 （ c ) 最终产品图 1 1 铸锭后处理及最终产品 Fig. 11 Post treatment of slab and final product5 结束语在传统半连续铸造工艺的基础上额外运用电磁外场技术，设计了一套适用于特大规格 AZ系镁合金电磁半连续 铸造工艺。运用此工艺制备的镁合金扁锭，最大宽度可达1 450 mm, 最大长度可达3 700 mm。基于实际生产，优化 了半连续铸造系统中的分流盘 、一 次冷却系统、二次冷却系统、三次冷却系统以及引锭的结构。后续冶金质量考察 结果表明：主合金元素 A 1在整个宽度和厚度方向上的宏观偏析均较小。在靠近铸锭底部附近，其偏析率大致为21% 和2 2 % , 在扁铸锭上部，偏析率大致为17%和 1 6 % ; 根据超声无损检测 AMS-STD-2154标准的不连续缺陷分级，铸 链达到 A级水平。铸锭经热处理及机械加工等铸造后处理工艺后，铸锭表面光洁并且无明显裂纹等铸造缺陷。此工 艺已运用到特大规格镁合金扁锭的生产中，生产出的产品质量稳定，符合相关技术要求。300 mm ) 之 后 ，无可识别的夹杂物，在300~400 mm阶 段存在少量夹杂物，根据超声无损检测 AMS-STD-2154 标准的不连续缺陷分级，铸徒达到 A级水平。目前已经成功制备出毛还横截面尺寸为390 mm x 1 430 mm的 AZ31和 AZ80等 AZ系列镁合金大扁坯的无 裂 纹 铸 锭 。通 过 对 样 品 的 质 量 考 察 表 明 ，大扁铸锭表 面铁后横截面尺寸为厚342〜370 m m 宽 1 398~1 402 mm, 厚向和宽向的表面单面铣切量分别为20~48 mm和28〜 32 mm, 铣切成材率为85.7%〜9 3 % ; 锭坯在宽度和厚度 方向上的最大晶粒尺寸至少减小4 0 % 和3 8 % ; 主元素 A 1 在铣切后铸锭横截面宽度和厚度方向上的宏观偏析分别小于1.2 %/l 00mm和4.6%/100 mm; 超声无损检测达到 AMS-STD-2154标准的 A级水平。4 铸锭后处理铸 造 完 成 后 ，将 铸 坯 送 入 热 处 理 炉 ，如 图 11 a 所 示 。通过热处理工艺消除铸造产生的部分缺陷及内部应 力以提供良好的机械加工性能，图 11 b 展示了热处理后 机械加工过程。从图 lie 可以看出’最终产品表面质量良 好 。按照上述工艺生产，整个铸造生产过程稳定，铸件 尺寸、表面质量、偏析以及产品内部铸造缺陷、后处理 等按照相关规范检验均合格，符合生产要求。oooooo 65432100-0$o o o o o 54321ES/ 赵尨雔班1054 镁合金专题 Vol.69 No.10 2020参考文献：[丨 ] 胡文义，乐启炽，刘轩，等.大规格 AZ31 镁合金板坯半连续铸造温度场数值模拟[几材料热处理学报 ， 2015(5) : 214-219.[2] ZARANDI F , SEALE G , VERMA R , et al. Effect of A1 and Mn additions on rolling and defonnation behavior of AZ series magnesium alloys [J]. Materials ence magnesium alloy; large size( 编 辑 ：刘冬梅， ltim@fbundryworldxom)
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