本發(fā)明涉及一種金屬的連續(xù)鑄造系統(tǒng)，具體涉及一種可實(shí)現(xiàn)對(duì)非晶態(tài)合金的母合金鑄錠進(jìn)行連續(xù)鑄造的系統(tǒng)以及該系統(tǒng)的使用方法。

背景技術(shù)：

非晶態(tài)合金（Amorphous Alloy）與晶態(tài)合金一樣，都是多組元的合金體系，但是與晶態(tài)合金中原子的周期性排列不同，在非晶態(tài)合金中，原子的排列不具有長(zhǎng)程有序的特點(diǎn)，僅在單個(gè)原子的附近具有一定程度的短程有序。由于非晶態(tài)合金的特殊微觀結(jié)構(gòu)特征，非晶態(tài)合金沒有傳統(tǒng)晶體材料的晶界、位錯(cuò)和孿晶等缺陷，因此具有許多優(yōu)異的性能，如獨(dú)特的電磁性能、機(jī)械性能、高強(qiáng)度硬度以及高耐腐蝕性能。迄今為止，非晶態(tài)合金（簡(jiǎn)稱非晶合金）的研究已成為當(dāng)前金屬新材料研發(fā)的非常重要的研究方向之一。

非晶合金的制備方法與傳統(tǒng)合金類似，都是將原料熔煉后制成母合金鑄錠，然后再進(jìn)行其他深加工?，F(xiàn)有技術(shù)中制備非晶母合金鑄錠的工藝步驟為：首先將非晶合金的原料熔煉成熔體，然后將熔體送至既定的模具中，待模具冷卻后取出模具中的非晶母合金鑄錠，然后重復(fù)上述步驟繼續(xù)生產(chǎn)非晶合金錠；如果要得到不同尺寸或者形狀的非晶合金錠，需要改換模具或者繼續(xù)對(duì)初步得到的非晶母合金鑄錠進(jìn)行整形、切割等物理加工。在現(xiàn)有技術(shù)的非晶母合金鑄錠制備過程中，需要耗費(fèi)大量的人工進(jìn)行模具的拆卸組裝，導(dǎo)致生產(chǎn)效率低和生產(chǎn)時(shí)間長(zhǎng)，尤其當(dāng)需要采用不同的模具時(shí)，更增加了模具的費(fèi)用，使得制造成本居高不下。為解決上述問題，許多研究人員考慮使用連鑄的方式進(jìn)行非晶母合金鑄錠的制備，許多研究中，將用于煉鋼的連鑄系統(tǒng)應(yīng)用于非晶母合金錠的連續(xù)成型工藝中，然而非晶材料不同于普通鋼鐵材料，非晶材料易氧化，在使用煉鋼所使用的連鑄設(shè)備或系統(tǒng)時(shí)容易導(dǎo)致非晶母合金錠表面發(fā)生氧化。也有針對(duì)非晶合金材料開發(fā)的連鑄系統(tǒng)，如申請(qǐng)?zhí)枮?00910011405.4名為《一種塊體金屬玻璃連續(xù)成型的裝置和方法》的中國(guó)發(fā)明專利中提供了一種具有兩個(gè)存在氣壓差的真空室的連鑄系統(tǒng)，用于實(shí)現(xiàn)大塊金屬玻璃的連續(xù)成型。上述方案雖然可實(shí)現(xiàn)避免非晶母合金錠表面發(fā)生氧化，然而系統(tǒng)需要兩間真空室才能使用，而且從真空控制運(yùn)行上來(lái)講，其可控制性差，造價(jià)及運(yùn)行成本都高，不宜推廣使用。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

由于非晶合金表面在高溫條件下易發(fā)生氧化，所以現(xiàn)有技術(shù)中普遍使用的連鑄系統(tǒng)并不完全適用于非晶合金的生產(chǎn)過程。針對(duì)這一問題，許多改進(jìn)方案應(yīng)運(yùn)而生，如將所有非晶合金生產(chǎn)環(huán)境完全設(shè)為真空，或者分布將非晶合金生產(chǎn)各個(gè)步驟設(shè)為多個(gè)真空環(huán)境，這些方案盡管從邏輯上存在實(shí)現(xiàn)的可能，然而對(duì)于實(shí)際生產(chǎn)來(lái)說(shuō)，生產(chǎn)成本及控制條件都過于高要求，工業(yè)化的可能性非常低。本發(fā)明提供了一種單真空室的非晶合金材料的連鑄系統(tǒng)，不僅可有效避免鑄造過程中非晶合金材料表面發(fā)生氧化，同時(shí)該系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、造價(jià)低廉，適合大規(guī)模使用。

本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題通過以下技術(shù)方案予以實(shí)現(xiàn)：

本發(fā)明中提供的非晶母合金錠連鑄系統(tǒng)，包括熔料裝置、水冷結(jié)晶器、牽引桿、牽引桿密封套以及牽引設(shè)備，其中：

熔料裝置設(shè)于真空室內(nèi)；

熔料裝置的出口與水冷結(jié)晶器相連接，牽引桿設(shè)于非晶合金熔液的流道中，其引流端與熔料裝置出口相連；

牽引桿的牽引端外部設(shè)有牽引桿密封套，牽引桿的牽引端與牽引設(shè)備相連；牽引桿、牽引桿密封套與水冷結(jié)晶器形成密閉空腔，水冷結(jié)晶器上設(shè)有真空控制閥，用于控制上述密閉空腔的真空度。

本發(fā)明中，為防止非晶合金在鑄造的過程中表面發(fā)生氧化，牽引桿的牽引端外部首先設(shè)有牽引桿密封套，使?fàn)恳龡U的牽引端在連鑄開始之前即不與外界接觸。在連鑄開始之前，牽引桿、水冷結(jié)晶器及牽引桿密封套形成的空腔通過設(shè)置的真空控制閥將真空度保持與真空熔煉室一致，在非晶熔液表面張力作用下，實(shí)現(xiàn)了牽引桿對(duì)熔化爐內(nèi)熔液的有效密封，而在連鑄開始以后，關(guān)閉上述真空控制閥，又可實(shí)現(xiàn)水冷結(jié)晶器內(nèi)的氣氛與真空熔煉室內(nèi)腔氣氛的有效隔絕。

進(jìn)一步地，牽引桿密封套內(nèi)腔截面面積比水冷結(jié)晶器內(nèi)腔截面面積大1-20%。牽引桿密封套可以任何可拆裝的方式與水冷結(jié)晶器相連接，為保證密封效果同時(shí)還需保證密封套在連鑄開始后的脫除過程不受影響，牽引桿密封套內(nèi)腔截面面積宜比水冷結(jié)晶器內(nèi)腔截面面積大，然而不宜過大，從經(jīng)濟(jì)適用的角度上考慮，牽引桿密封套內(nèi)腔截面面積比水冷結(jié)晶器內(nèi)腔截面面積大1-3%最佳。

牽引桿密封套材料可選用硅膠、塑料、橡膠、金屬中的一種。進(jìn)一步優(yōu)選，牽引桿密封套材料可使用不銹鋼、無(wú)氧銅等金屬材料。

本發(fā)明還提供一種利用本發(fā)明中的非晶母合金錠連鑄系統(tǒng)的連續(xù)鑄造方法，包括如下步驟：

步驟1：將非晶合金原料加入熔料裝置中，對(duì)熔料裝置所在的真空室與牽引桿和水冷結(jié)晶器所形成的密閉空腔同時(shí)抽真空至真空度為10^-3-10²Pa，然后通入惰性氣體，充入惰性氣體壓力為（1~1.5）×10⁵Pa。

步驟2：熔料裝置加熱熔化非晶合金原料直至形成非晶合金熔液。

步驟3：連鑄開始前，關(guān)閉水冷結(jié)晶器上的真空控制閥；連鑄開始后，松開牽引桿密封套，啟動(dòng)牽引裝置；水冷結(jié)晶器對(duì)進(jìn)入冷卻段的非晶合金熔液進(jìn)行冷卻；

進(jìn)一步平衡壓力，連鑄開始前，控制水冷結(jié)晶器上的真空控制閥，將結(jié)晶器腔內(nèi)的氣體壓力調(diào)整為大于1×10⁵Pa，優(yōu)選地，將結(jié)晶器腔內(nèi)的氣體壓力調(diào)整為（1.001~1.03）×10⁵Pa。

非晶合金原料熔化后，保持非晶合金熔液溫度高于該非晶合金液相線溫度30-150℃；

控制水冷結(jié)晶器調(diào)節(jié)非晶合金熔液的冷卻速度為10-10³K/s。

步驟4：牽引桿的密封套在牽引裝置的作用下水平運(yùn)動(dòng)直至脫落，同時(shí)非晶合金熔液在牽引桿的牽引作用下流至水冷結(jié)晶器，然后凝固成型，從而連續(xù)產(chǎn)出直至熔料裝置內(nèi)原料消耗殆盡。

本發(fā)明具有如下有益效果：

1、本發(fā)明中的非晶母合金錠連鑄系統(tǒng)采用單真空室連鑄，比起設(shè)備成本高、操作復(fù)雜、運(yùn)行成本高的多真空室連鑄裝置更適合工業(yè)低成本生產(chǎn)需求。

2、本發(fā)明中的非晶母合金錠連鑄系統(tǒng)采用真空熔煉后，再進(jìn)行破真空連鑄，真空室內(nèi)的惰性氣體保護(hù)可避免空氣對(duì)流進(jìn)入真空熔化爐內(nèi)導(dǎo)致非晶熔液被氧化。

附圖說(shuō)明

圖1 為本發(fā)明中非晶母合金錠連鑄系統(tǒng)的示意圖；

圖2為本發(fā)明中牽引桿密封套與水冷結(jié)晶器的連接示意圖。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)的說(shuō)明。

實(shí)施例1

本實(shí)施例中提供的非晶母合金錠連鑄系統(tǒng)，包括熔料裝置2、水冷結(jié)晶器4、牽引桿5和牽引設(shè)備8，其中熔料裝置設(shè)于真空室1內(nèi)。熔料裝置可使用現(xiàn)有技術(shù)中常用的非晶合金的熔煉爐，真空室即真空熔煉室，采用與現(xiàn)有技術(shù)中的真空熔煉室類似的結(jié)構(gòu)，設(shè)有真空控制閥、惰性氣體閥、放氣閥以及安全閥等閥門裝置（附圖中未標(biāo)示出），真空室1的頂蓋101可開啟，便于投料。牽引設(shè)備可使用輥輪等可實(shí)現(xiàn)牽引功能的機(jī)械設(shè)備。

熔料裝置2的出口與水冷結(jié)晶器冷卻段403相連接，牽引桿5設(shè)于非晶合金熔液3的流道中，其引流端與熔料裝置出口相連，牽引端則與牽引設(shè)備8相連,。非晶合金熔液3由牽引桿5引出，流至水冷結(jié)晶器中，在冷卻段403內(nèi)熔液冷卻凝結(jié)成固態(tài)合金，牽引桿5和冷卻成型的非晶母合金在牽引設(shè)備8的帶動(dòng)下被引出。

牽引桿的牽引端外部設(shè)有牽引桿密封套6，在水冷結(jié)晶器上還設(shè)有真空控制閥404。真空控制閥404可控制牽引桿、水冷結(jié)晶器及牽引桿密封套所形成的密閉空腔7的真空度。牽引桿密封套可以任何可拆裝的方式與水冷結(jié)晶器相連接，如附圖2所示，可采用擠壓密封圈密封的方式。為保證密封效果還需保證密封套在連鑄開始后的脫除過程不受影響，同時(shí)也考慮到密封套安裝過程，牽引桿密封套內(nèi)腔截面面積設(shè)為比水冷結(jié)晶器內(nèi)腔截面面積略大，本發(fā)明的發(fā)明人在實(shí)踐中發(fā)現(xiàn)只需大于1%即可，考慮到實(shí)際應(yīng)用的方便程度，牽引桿密封套內(nèi)腔截面面積設(shè)為比水冷結(jié)晶器內(nèi)腔截面面積大1-20%是最佳的范圍，進(jìn)一步優(yōu)選，從經(jīng)濟(jì)適用的角度上考慮，牽引桿密封套內(nèi)腔截面面積比水冷結(jié)晶器內(nèi)腔截面面積大1-3%最佳。本實(shí)施例中采用的牽引桿密封套內(nèi)腔截面面積比水冷結(jié)晶器內(nèi)腔截面面積大2%左右，不僅便于安裝和拆卸，而且能夠?qū)崿F(xiàn)有效密封。

牽引桿密封套材料可選用硅膠、塑料、橡膠、金屬中的一種?？紤]到連鑄過程中密封套可能會(huì)接觸到溫度較高的母合金，牽引桿密封套材料可采用金屬材料，金屬材料中優(yōu)選不銹鋼。

使用實(shí)施例中的非晶金母合金錠連鑄系統(tǒng)的連續(xù)鑄造方法步驟如下：

1、將非晶合金原料加入熔料裝置2中，關(guān)閉真空室頂蓋101和真空閥404，對(duì)真空室1和密閉腔室7同時(shí)抽真空、抽至真空度為10^-3-10²Pa，然后通入惰性氣體，并充入惰性氣體壓力為（1~1.5）×10⁵Pa；

2、熔料裝置2加熱融化合金原料直至形成非晶合金熔液3；

3、連鑄開始前，關(guān)閉水冷結(jié)晶器上的真空控制閥404；連鑄開始后，松開牽引桿密封套7，啟動(dòng)牽引裝置8。水冷結(jié)晶器內(nèi)進(jìn)水口401和出水口402位于冷卻段，將進(jìn)入冷卻段的非晶熔液進(jìn)行冷卻，根據(jù)非晶原料體系的不同控制水冷結(jié)晶器，調(diào)節(jié)非晶合金熔液的冷卻速度為10-10³K/s。

根據(jù)不同的非晶合金體系，非晶合金原料熔化后，保持非晶合金熔液溫度高于該非晶合金液相線溫度30-150℃，如鋯基非晶合金 Zr55Cu30Al10Ni5的液相線為870℃，熔化后保持溫度在950℃，然后進(jìn)行合金錠連鑄。

在連鑄開始之前，牽引桿、水冷結(jié)晶器及牽引桿密封套形成的空腔通過設(shè)置的真空控制閥將真空度保持與真空熔煉室一致，在非晶熔液表面張力和空腔7內(nèi)的保護(hù)氣氛聯(lián)合作用下，實(shí)現(xiàn)了牽引桿對(duì)熔化爐內(nèi)熔液的有效密封，而在連鑄開始以后，關(guān)閉上述真空控制閥，又可實(shí)現(xiàn)水冷結(jié)晶器內(nèi)的氣氛與真空熔煉室內(nèi)腔氣氛的有效隔絕。

4、牽引桿的密封套6在牽引裝置8的作用下水平運(yùn)動(dòng)直至脫落，同時(shí)非晶合金熔液3在牽引桿5的牽引作用下流至水冷結(jié)晶器，然后凝固成型，從而連續(xù)產(chǎn)出直至熔料裝置內(nèi)原料消耗殆盡。

實(shí)施例2

實(shí)施例2中提供的非晶母合金錠連鑄系統(tǒng)與實(shí)施例1相同，包括熔料裝置2、水冷結(jié)晶器4、牽引桿5和牽引設(shè)備8，其中熔料裝置設(shè)于真空室1內(nèi)。熔料裝置可使用現(xiàn)有技術(shù)中常用的非晶合金的熔煉爐，真空室即真空熔煉室，采用與現(xiàn)有技術(shù)中的真空熔煉室類似的結(jié)構(gòu)，設(shè)有真空控制閥、惰性氣體閥、放氣閥以及安全閥等閥門裝置（附圖中未標(biāo)示出），真空室1的頂蓋101可開啟，便于投料。牽引設(shè)備可使用輥輪等可實(shí)現(xiàn)牽引功能的機(jī)械設(shè)備。

熔料裝置2的出口與水冷結(jié)晶器冷卻段403相連接，牽引桿5設(shè)于非晶合金熔液3的流道中，其引流端與熔料裝置出口相連，牽引端則與牽引設(shè)備8相連,。非晶合金熔液3由牽引桿5引出，流至水冷結(jié)晶器中，在冷卻段403內(nèi)熔液冷卻凝結(jié)成固態(tài)合金，牽引桿5和冷卻成型的非晶母合金在牽引設(shè)備8的帶動(dòng)下被引出。

牽引桿的牽引端外部設(shè)有牽引桿密封套6，在水冷結(jié)晶器上還設(shè)有真空控制閥404。真空控制閥404可控制牽引桿、水冷結(jié)晶器及牽引桿密封套所形成的密閉空腔7的真空度。牽引桿密封套可以任何可拆裝的方式與水冷結(jié)晶器相連接，如附圖2所示，可采用擠壓密封圈密封的方式。保證密封效果還需保證密封套在連鑄開始后的脫除過程不受影響，同時(shí)也考慮到密封套安裝過程，牽引桿密封套內(nèi)腔截面面積設(shè)為比水冷結(jié)晶器內(nèi)腔截面面積略大，本發(fā)明的發(fā)明人在實(shí)踐中發(fā)現(xiàn)只需大于1%即可，考慮到實(shí)際應(yīng)用的方便程度，牽引桿密封套內(nèi)腔截面面積設(shè)為比水冷結(jié)晶器內(nèi)腔截面面積大1-20%是最佳的范圍，進(jìn)一步優(yōu)選，從經(jīng)濟(jì)適用的角度上考慮，牽引桿密封套內(nèi)腔截面面積比水冷結(jié)晶器內(nèi)腔截面面積大1-3%最佳。本實(shí)施例中采用的牽引桿密封套內(nèi)腔截面面積比水冷結(jié)晶器內(nèi)腔截面面積大2%左右，不僅便于安裝和拆卸，而且能夠?qū)崿F(xiàn)有效密封。

牽引桿密封套材料可選用硅膠、塑料、橡膠、金屬的一種?？紤]到連鑄過程中密封套可能會(huì)接觸到溫度較高的母合金，牽引桿密封套材料可采用金屬材料，金屬材料中優(yōu)選無(wú)氧銅。

使用實(shí)施例中的非晶金母合金錠連鑄系統(tǒng)的連續(xù)鑄造方法步驟如下：

1、將非晶合金原料加入熔料裝置2中，關(guān)閉真空室頂蓋101和真空閥404，對(duì)真空室1和密閉腔室7同時(shí)抽至真空度為10^-3-10²Pa，然后通入惰性氣體，并充入惰性氣體壓力為（1~1.5）×10⁵Pa；

2、熔料裝置2加熱融化合金原料直至形成非晶合金熔液3；

3、連鑄開始前，控制水冷結(jié)晶器上的真空控制閥404，將結(jié)晶器腔內(nèi)的氣體壓力調(diào)整為大于1×10⁵Pa；連鑄開始后，松開牽引桿密封套7，啟動(dòng)牽引裝置8。水冷結(jié)晶器內(nèi)進(jìn)水口401和出水口402位于冷卻段，將進(jìn)入冷卻段的非晶熔液進(jìn)行冷卻，根據(jù)非晶原料體系的不同控制水冷結(jié)晶器，調(diào)節(jié)非晶合金熔液的冷卻速度為10-10³K/s。

根據(jù)不同的非晶合金體系，非晶合金原料熔化后，保持非晶合金熔液溫度高于該非晶合金液相線溫度30-150℃，如鋯基非晶合金 Zr57Cu15.4Ni12.6Al10Nb5，熔化后保持溫度在960℃，然后進(jìn)行合金錠連鑄。

在連鑄開始之前，牽引桿、水冷結(jié)晶器及牽引桿密封套形成的空腔通過設(shè)置的真空控制閥將真空度保持與真空熔煉室一致，在非晶熔液表面張力和空腔7內(nèi)的保護(hù)氣氛聯(lián)合作用下，實(shí)現(xiàn)了牽引桿對(duì)熔化爐內(nèi)熔液的有效密封，而在連鑄開始以后，關(guān)閉上述真空控制閥，又可實(shí)現(xiàn)水冷結(jié)晶器內(nèi)的氣氛與真空熔煉室內(nèi)腔氣氛的有效隔絕。

4、牽引桿的密封套6在牽引裝置8的作用下水平運(yùn)動(dòng)直至脫落，同時(shí)非晶合金熔液3在牽引桿5的牽引作用下流至水冷結(jié)晶器，然后凝固成型，從而連續(xù)產(chǎn)出直至熔料裝置內(nèi)原料消耗殆盡。

本發(fā)明中的非晶母合金錠連鑄系統(tǒng)可適用于鋯基非晶合金、鎂基非晶合金、鎳基非晶合金、鐵基非晶合金、銅基非晶合金、鈷基非晶合金等不同體系的非晶母合金連鑄過程。

最后需要說(shuō)明的是，以上實(shí)施例僅用以說(shuō)明本發(fā)明實(shí)施例的技術(shù)方案而非對(duì)其進(jìn)行限制。盡管參照較佳實(shí)施例對(duì)本發(fā)明實(shí)施例進(jìn)行了詳細(xì)的說(shuō)明，本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)理解依然可以對(duì)本發(fā)明實(shí)施例的技術(shù)方案進(jìn)行修改或者等同替換，而這些修改或者等同替換亦不能使修改后的技術(shù)方案脫離本發(fā)明實(shí)施例技術(shù)方案的范圍。