一种镁合金板坯超声铸轧方法与流程

本发明属于有色金属加工领域，具体涉及一种镁合金板坯超声铸轧方法。

背景技术：
镁合金具有密度轻、比强度和比刚度高、电磁屏蔽和阻尼性能好等优点，在军事与民用领域都具有良好的应用前景，高性能镁合金板材日益受到制造领域的重视。然而，镁合金为密排六方晶体结构，其对称性低，室温下可启动的滑移系少，变形加工困难，传统镁合金板材制备工艺较复杂，加工成本居高不下。双辊铸轧技术具有短流程、低能耗和高效率的优势，可显著降低镁合金板材加工成本，在镁合金板材加工领域具有良好的应用前景。近年来，研发人员发现镁合金铸轧过程中α-Mg枝晶在生长的同时向邻近液相排出Al、Zn等溶质元素，造成溶质在枝晶间未凝固的液相中富集，在枝晶间形成初晶α-Mg和不规则的块状Mg17(Al，Zn)12相组成的离异共晶，铸坯组织沿着传热方向形成发达胞状晶。此外，熔体凝固过程中溶质元素排挤至铸坯中心部位，极易形成中心线偏析，不利于后续轧制。镁合金铸轧板坯存在的组织粗大和成分偏析等问题，必然会限制镁合金铸轧板坯后续加工性能。超声外场对金属凝固组织有显著的有益影响，在镁合金铸轧过程中施加超声外场，可利用声空化和声流效益，促进形核细化晶粒，并改善溶质分布均匀性，提高镁合金铸轧板坯组织与成分均匀性。目前镁合金超声铸轧制备方法中，超声施加位置多放置于前箱与铸嘴熔体流经位置，距离合金熔化液凝固前沿有还有一段距离，超声波到达凝固前沿时，已经大幅衰减，难以充分发挥超声外场对镁合金铸轧板坯凝固组织改善的功效。

技术实现要素：
为了解决上述技术问题，本发明提出一种镁合金板坯超声铸轧方法，改变传统超声铸轧中超声探头施加位置，将其直接施加在铸轧区凝固前沿位置，有效利用超声外场声空化和声流效益，显著改善镁合金铸轧板坯组织结构与成分分布，改善板坯冶金质量，并提高成品镁合金板材的力学性能。本发明目的通过以下技术方案来实现：镁合金板坯超声铸轧方法，其包括如下步骤：合金熔炼、熔体输送、铸轧立板、超声振动和板坯卷取，其特征在于：铸轧过程中采用空心轧辊，将超声探头设置在轧辊内，并且位于轧辊靠近熔体输送侧，以在熔体凝固前沿施加超声外场。进一步的，超声探头施加在轧辊内壁，轧辊为环状轧辊。进一步的，超声波发生装置功率范围在2-8kW，频率25±0.5kHZ。进一步的，超声探头数量根据轧辊直径与铸轧速度进行匹配设置，超声探头数量范围为2-6个，上下轧辊对称设置。进一步的，轧辊直径范围300-800mm，铸轧速度范围1-3m/min。进一步的，在铸轧时应匹配铸轧速度，随时开启进入铸轧区凝固前沿范围内的两个超声波探头，输入超声波；在超声探头随轧辊旋转远离铸轧区凝固前沿范围时，及时切除超声波输入。进一步的，轧辊采用热风预热与冷风冷却方式，将高压气体介质直接喷吹在轧辊表面实现轧辊温度控制。进一步的，铸轧板坯之前轧辊表面温度预热至150～300℃，铸轧过程中轧辊表面温度冷却至250～350℃范围内。进一步的，预热气体由火焰燃烧提供热源，冷却气体采用高压氩气、氮气或二氧化碳作为冷却轧辊风冷系统的气源。进一步的，该铸轧方法能够制备厚度3-8mm、宽度200-2000mm的镁合金铸坯。通过上述技术手段，本发明具有以下积极效果：(1)功率超声施加位置在轧辊内壁，声流与声空化效应可直接作用于铸轧凝固前沿，大大减少原有超声铸轧作用在前箱或铸嘴位置而产生的声波衰减；(2)本发明功率超声施加方式，可根据工艺调整超声探头施加位置和施加数量，以匹配镁合金铸轧多种合金牌号和铸坯规格变化需求；(3)超声波探头施加在铸轧凝固前沿位置，可大幅减少超声波传播距离，充分发挥功率声空化和声流效益，达到细化晶粒、均匀成分分布的目的，提高铸坯冶金质量；(4)采用轧辊气体预热和冷却系统，替代原轧辊预热和冷却装置，可消除铸轧过程中辊套破裂漏水而引起镁合金熔体剧烈爆炸的隐患，提高工业生产安全性；此外风冷装置冷却强度相对水冷系统更低，镁合金的密度低、比热容小且凝固潜热小，铸坯凝固需要的冷却强度远低于其它合金，风冷系统的冷却强度可与镁合金材料热物理性能良好匹配；(5)轧辊去掉轧辊辊芯装置，可减少轧辊预热时无效热量散失，在预热时可提高预热效率、高精度控制轧辊预热温度；同时铸轧轧辊重量显著降低，能够降低工业铸轧过程中的无效功率消耗，节约成本。采用本发明的超声铸轧方法制备的镁合金板坯成品率高，力学性能优良，抗拉强度可到达260～280MPa，屈服强度200～220MPa，延伸率15～20％，平均晶粒尺寸10μm以下。附图说明图1是本发明超声铸轧过程的示意图。图2为超声铸轧机超声探头施加方式示意图。图3为轧辊预热和冷却系统示意图。图4为超声波发生装置与探头布置方式的示意图。其中：1-镁合金熔液；2-轧辊；3-超声波探头；4-铸轧板坯；5-轧辊预热和冷却系统；6-轧辊加强筋；7-预热和冷却气体喷嘴；8-预热通道阀门；9-冷却通道阀门；10-鼓风机；11-煤气燃烧器；12-氮气站；13-功率超声发生装置。具体实施方式下面对本发明作进一步阐述。本发明的镁合金板坯超声铸轧方法包括如下步骤：合金熔炼→熔体输送→铸轧立板→超声波振动→铸坯卷取，各工序的要求及参数范围如下：(1)镁合金熔体浇注温度680～700℃；(2)轧辊预热温度为150～300℃；(3)超声波发生装置功率根据铸坯宽度设置，对应于辊面宽度200～2000mm的轧辊，超声波功率2～8kW；功率超声频率为25±0.5kHZ；(4)上下轧辊超声波施加探头个数根据铸轧速度设置，对应于铸轧速度1～3m/min范围，超声波振动头沿轧辊圆周方向均匀分布；(5)上下轧辊中超声波振动头，在进入铸轧区凝固前沿时开始振动，在离开铸轧区后，停止振动；不同位置振动头施加振动与停止振动时刻，通过轧辊转动编码器进行位置跟踪，实时控制超声振动头的开启与关闭；(6)铸坯厚度3～8mm，卷取温度为200～300℃。如图1所示，本发明的镁合金板坯超声铸轧方法，首先利用轧辊预热和冷却系统5中的轧辊预热功能，对轧辊表面喷吹高温气体，将轧辊温度预热至合理范围；然后，镁合金熔液1由输送装置输送到轧辊2左侧，轧辊2在轧制过程中温度会逐渐升高；高温的轧辊对生产的镁合金板坯的尺寸以及表明性能极为不利，因此将轧辊预热和冷却系统5切换至轧辊冷却功能模块，对轧辊2进行冷却，用高压气体直接喷吹在轧辊上，带走轧辊2表面热量。如图2所示，轧辊厚度30mm，在辊环内壁左右两侧和中心位置设置结构加强筋。超声波探头3施加位置位于上下轧辊内壁，对称分布在铸轧板坯宽度的1/4和3/4位置。轧辊2为环状轧辊，超声探头施加在轧辊内壁。超声探头数量可根据轧辊直径大小与铸轧速度设置。内部中空的轧辊质量减轻，能够降低工业铸轧过程中的功率消耗，同时能够提高轧辊预热效率。轧辊厚度范围10mm---50mm，宽度范围200mm----2000mm。如图3所示，铸轧之前，轧辊2的预热采用煤气燃烧产生高温气体，鼓风喷吹至轧辊表面，将轧辊温度预热至150～300℃范围；铸轧过程中，轧辊2的冷却采用高压氮气喷吹轧辊表面冷却，氮气气源采用现场氮气站制备，铸轧过程中轧辊表面温度冷却至250～350℃。冷却气体还可以为高压氩气或高压二氧化碳气体。如图4所示，功率超声发生装置13设置在轧辊2内部，轧辊内的各个超声波探头3与功率超声发生装置13电连接。超声功率发生装置13由电源、功率发生器和超声探头三个部分组成，超声探头施加位置在环状轧辊内壁，施加数量和位置，可以配合工艺进行调整。超声波探头3根据轧辊直径大小和铸轧速度可以设置多个，优选4到6个超声波探头。铸轧时配合铸轧速度，在铸坯凝固前沿位置开启探头输入超声波，当探头位置旋转远离铸轧区时，切断该探头超声波输入，根据轧辊速度对超声波探头3的开闭状态进行设置，从而确保超声作用于铸坯凝固前沿。上述手段仅是本发明的较好实施例，并非对本发明作任何形式上的限制，任何熟悉本领域的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围内，利用上述揭示的技术内容作出些许更动或修饰为等同变化的等效实施例，但凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本技术方案的范围内。