CN104741559A - 一种适用于5356铝合金连铸精细成形的设备与工艺方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种适用于5356铝合金连铸精细成形的设备与工艺方法，属于金属材料加工领域。该设备包括通气管、石墨坩埚盖、石墨坩埚、加热线圈、耐火粘土封头、氧化锆接头、石墨管、引锭装置、水冷套、石墨衬垫和测温装置；石墨坩埚外部设置加热线圈，测温装置安装在石墨坩埚内，测定并通过继电器控制坩埚内的温度；石墨坩埚顶部安装石墨坩埚盖，两者之间设置石墨衬垫，石墨坩埚盖上设置通气管；石墨坩埚底部侧面开孔，外接氧化锆接头，其与石墨坩埚之间为耐火粘土封头，氧化锆接头与石墨管相连接，石墨管外部设置水冷套，引锭装置的一端置于石墨管内，可水平连铸出直径不大于10mm的5356铝合金连铸坯。本发明工艺简化，节约能源，效率高。
Description
技术领域
本发明涉及一种采用复合结晶器充压连铸精细成形的设备与工艺，特别是一种适用于5356铝合金连铸精细成形的设备与工艺方法，属于金属材料加工领域。
背景技术
5356铝焊丝是一种用途广泛的通用型焊材，强度高，有良好的抗蚀性。主要应用于机车车厢、化工压力容器、兵工生产、船舶、航空等行业，5356焊丝在Al-Mg系、Al-Mg-Si系及Al-Zn-Mg系铝合金结构材料的焊接中得到了广泛应用。
5356铝焊丝焊丝的化学成分为：Mg：4.5～5.5%，Mn：0.2～0.5%，Ti：0.05～0.2%，Zr：0.08～0.15%，Cr：0.05～0.2%，Si：<0.25%，Fe：<0.4%，Cu：<0.1%，其余为Al，工业成品光亮5356铝合金焊丝直径一般2mm左右。
由于5356铝合金塑性较差，连铸时易发生“拉断”现象，很难直接连铸出小直径（直径不大于10mm）的棒坯。目前我国5356铝焊丝加工工艺的是先铸成直径约为100mm的锭，再均匀化退火；再经过挤压机挤成成直径10mm的棒坯，挤压速度较慢，而且很容易出现裂纹，成品率较低。资料显示有些国外厂家5356焊丝采用连铸连轧法生产，铝液经过精炼后连铸成边长为40～50mm的菱形面坯料，经过13道热连轧成直径10mm左右的线坯。这两种工艺制成10mm左右的线坯后，都要经拉拔和退火制成2mm左右的光亮焊丝，两种工艺总体而言工序繁琐，所需设备复杂，耗能较高。
在我国生产的5356铝合金焊丝与进口焊丝相比，氢含量与氧化夹杂含量较高，严重影响了焊缝的质量。焊丝在拉拔过程中经常出现拉断的现象，主要是由于氧化夹杂含量高，晶粒粗大，存在枝晶偏析问题，导致铝合金的塑性下降，因此无法满足高速自动化焊接的需要。特殊行业(特别是高速列车、航天、军事等)不得不依靠进口，影响我国航天与国防事业的发展。因此，我国必须加强焊丝用高质量铝合金的研究与制备。
发明内容
本发明的目的在于开发一种短流程、节能、廉价、适合于大规模工业生产，并能获得高表面质量5356铝合金连铸坯的一种精细成形设备与工艺。
一种适用于5356铝合金连铸精细成形的设备，适用于5356铝合金充压连铸精细成形，包括通气管、石墨坩埚盖、石墨坩埚、加热线圈、耐火粘土封头、氧化锆接头、石墨管、引锭装置、水冷套、石墨衬垫和测温装置等；所述的石墨坩埚外部设置加热线圈，测温装置安装在石墨坩埚内，所述的测温装置测定温度并通过继电器控制坩埚内的温度；所述的石墨坩埚顶部安装石墨坩埚盖，所述的石墨坩埚盖与石墨坩埚之间设置石墨衬垫，所述的石墨坩埚盖上设置通气管；所述的石墨坩埚底部侧面开孔，外接氧化锆接头，所述的氧化锆接头与石墨坩埚之间为耐火粘土封头，氧化锆接头与石墨管相连接，石墨管外部设置水冷套，引锭装置的一端置于石墨管内。
所述的加热线圈为感应线圈或电阻丝。
所述的石墨坩埚与石墨坩埚盖之间通过螺纹紧固连接；所述的氧化锆接头与石墨管之间通过螺纹连接。
所述的水冷套设置进水口和出水口，用于冷却水的流入和流出。
所述的石墨管的内径≤10mm。
一种适用于5356铝合金连铸精细成形的工艺方法，采用水平连铸工艺生产5356铝合金铸坯，包括如下步骤：将铝合金装入石墨坩埚内，将石墨坩埚盖拧紧，采用加热线圈将铝合金加热至熔化，采用测温装置测定铝合金液的温度并通过继电器控制坩埚内的温度；通过通气管充入氮气，水冷套内通冷却水，将引锭装置拉出，得到5356铝合金连铸坯。
所述的铝合金液的温度控制在700～800℃，氮气压力为0.03～0.08MPa，冷却水水量为4～10L/min；引锭装置的连铸工艺为：正引程为8～15mm，退引程为1～3mm，正引速80～130mm/s，退引速40～80mm/s，正引停0.1～0.2s，退引停0.01～0.05s，正加速70000～90000mm/s2，退加速40000～70000mm/s2，连铸坯直径为6～10mm。
本发明采用水平连铸工艺生产5356铝合金铸坯，铝合金装在石墨坩埚内，石墨坩埚外层采用感应线圈加热或电阻丝加热，用于将石墨坩埚内的铝合金加热到液态，测温仪测定并通过继电器控制坩埚内的温度；石墨坩埚顶部加装了石墨坩埚盖，用螺纹与石墨坩埚紧固连接，石墨坩埚盖上有通气管，可以通入氮气，用来对熔化的铝合金液加压，石墨坩埚盖与石墨坩埚之间装有石墨衬垫防止漏气。石墨坩埚底部开孔，外接氧化锆接头，氧化锆接头与石墨坩埚之间用耐火粘土封堵，防止铝合金液流出；氧化锆接头和石墨管用螺纹连成一体，两者与石墨管外的水冷套组成复合结晶器，该复合结晶器是5356铝合金液的流出和凝固通道，水冷套内通冷却水，将熔化的铝合金液冷却为固态；引锭装置的一端放入结晶器内，与冷却为固态的铝合金液凝固在一起，再用引锭装置连铸出，连铸时用氮气对熔化的铝合金液加压，即可水平连铸出小直径（直径不大于10mm）的5356铝合金连铸坯。
与现有技术相比，本发明具有如下优点：
(1)加工工艺简化、效率高，目前传统工艺是先铸大尺寸锭（直径约100mm）再挤压成10mm左右的棒坯，或先连铸粗直径棒坯（直径约40mm）再多道次热连轧成10mm左右的棒坯，设备复杂，工序繁琐，效率低下，耗能较高。利用该设备和工艺可以直接连铸出小直径（直径不大于10mm）的棒坯，进而直接拉拔简化了工艺，节约了能源，提高了效率。
(2)采用氮气对坩埚内的铝合金液体施加压力，使在氧化锆接头和石墨管内的连铸坯主要承受来自于坩埚方向的轴向压应力，这样不仅消除了一般连铸坯中易出现的裂纹等缺陷，更重要的是避免了由于5356铝合金塑性较差，连铸时易发生的“拉断”问题，可以直接连铸出高表面质量的小直径的5356铝合金连铸坯。
(3)在石墨坩埚的铝液出口处，氧化锆接头和石墨管用螺纹连成一体，由于氧化锆传热系数低，可以保证石墨坩埚铝液出口处的温度不降低，保证了连铸的正常温度梯度；而在石墨管外用水冷套通水强制冷却，可以利用石墨的高导热系数，使连铸出的铝液尽快凝固并降温，以提高连铸坯的强度，避免发生“拉断”现象。
(4)铝合金液在坩埚内加热并保温，同时，通入氮气加压，使铝合金液与空气完全隔离，因此铝合金液无氧化物，无夹杂，不产生氢含量增加问题，也没有传统加工方法中易出现的气孔等问题，大幅度提高了连铸坯的成品率。
附图说明
图1是本发明的设备结构图。
主要附图标记说明：
1 通气管 2 石墨坩埚盖
3 石墨坩埚 4 加热线圈
5 耐火粘土封头 6 氧化锆接头
7 石墨管 8 进水口
9 引锭装置 10 出水口
11 水冷套 12 铝合金液
13 石墨衬垫 14 测温装置
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。
如图1所示，本发明适用于5356铝合金连铸精细成形的设备，包括通气管1、石墨坩埚盖2、石墨坩埚3、加热线圈4、耐火粘土封头5、氧化锆接头6、石墨管7、引锭装置9、水冷套11、石墨衬垫13和测温装置14等；石墨坩埚3外部设置加热线圈4，测温装置14安装在石墨坩埚3内，测温装置14测定并通过继电器控制坩埚内的温度；石墨坩埚3顶部安装石墨坩埚盖2，石墨坩埚盖2与石墨坩埚3之间设置石墨衬垫13，石墨坩埚盖2上设置通气管1；石墨坩埚3底部侧面开孔，外接氧化锆接头6，氧化锆接头6与石墨坩埚2之间为耐火粘土封头5，氧化锆接头6与石墨管7相连接，石墨管7外部设置水冷套11，氧化锆接头6和石墨管7与石墨管7外的水冷套11组成复合结晶器，引锭装置9的一端置于石墨管7内。
加热线圈4为感应线圈或电阻丝。石墨坩埚3与石墨坩埚盖2之间通过螺纹紧固连接；所述的氧化锆接头6与石墨管7之间通过螺纹连成一体。水冷套11上设置进水口8和出水口10，用于冷却水的流入和流出。石墨管7的内径≤10mm。
采用上述设备的进行5356铝合金连铸精细成形的工艺方法，包括如下步骤：将铝合金装入石墨坩埚3内，将石墨坩埚盖2拧紧，采用加热线圈4将铝合金加热至熔化，采用测温装置14测定铝合金液12的温度并通过继电器控制坩埚内的温度；通过通气管1充入氮气，水冷套11内通冷却水，将引锭装置9拉出，可水平连铸出小直径（直径不大于10mm）的5356铝合金连铸坯。
铝合金液装在石墨坩埚3内，石墨坩埚3外层采用感应线圈加热或电阻丝加热，用于将石墨坩埚3内的铝合金加热到液态，测温仪测定并通过继电器控制坩埚内的温度；石墨坩埚3顶部加装了石墨坩埚盖2，用螺纹与石墨坩埚3紧固连接，石墨坩埚盖2上有通气管1，氮气通过通气管1对熔化的铝合金液12加压，石墨坩埚盖2与石墨坩埚3之间装有石墨衬垫13防止漏气；石墨坩埚3底部开孔，外接氧化锆接头6，氧化锆接头6与石墨坩埚3之间用耐火粘土封堵，防止铝合金液12流出；氧化锆接头6和石墨管7用螺纹连成一体，两者与石墨管7外的水冷套11组成复合结晶器，该复合结晶器是5356铝合金液的流出和凝固通道，水冷套11内通冷却水，将熔化的铝合金液12冷却为固态；引锭装置9的一端放入结晶器内，与冷却为固态的铝合金液12凝固在一起，再用引锭装置9拉出，即可水平连铸出小直径（直径不大于10mm）的5356铝合金连铸坯。
实施例1：10mm直径的5356铝合金棒坯料充压连铸成形
将5356铝合金原料放入石墨坩埚3中，将石墨坩埚盖2拧紧，用加热线圈4将铝合金加热至熔化，测温装置14将温度控制在700～740℃，通过通气管1充入氮气，氮气压力0.03MPa，水冷套11的冷却水水量为8～10L/min，引锭装置9的连铸工艺为：正引程9.5mm，退引程2.5mm，正引速85mm/s，退引速65mm/s，正引停0.13s，退引停0.01s，正加速73000mm/s2，退加速50000mm/s2。在此基础上，可获得高表面质量的直径为10mm的5356铝合金连续铸造棒坯，棒坯内部结合致密，无裂纹、偏析、疏松等缺陷。
实施例2：8mm直径的5356铝合金棒坯料充压连铸成形
将5356铝合金原料放入石墨坩埚3中，将石墨坩埚盖2拧紧，用加热线圈4将铝合金加热至熔化，测温装置14将温度控制在730～770℃，通过通气管1充入氮气，氮气压力0.05MPa，水冷套11的冷却水水量为6～8L/min，引锭装置9的连铸工艺为：正引程11.5mm，退引程2.0mm，正引速95mm/s，退引速55mm/s，正引停0.15s，退引停0.02s，正加速75000mm/s2，退加速55000mm/s2。在此基础上，可获得高表面质量的直径为8mm的5356铝合金连续铸造棒坯，棒坯内部结合致密，无裂纹、偏析、疏松等缺陷。
实施例3：6mm直径的5356铝合金棒坯料充压连铸成形
将5356铝合金原料放入石墨坩埚3中，将石墨坩埚盖2拧紧，用加热线圈4将铝合金加热至熔化，测温装置14将温度控制在760～800℃，通过通气管1充入氮气，氮气压力0.07MPa，水冷套11的冷却水水量为4～6L/min，引锭装置9的连铸工艺为：正引程13.5mm，退引程1.5mm，正引速115mm/s，退引速45mm/s，正引停0.18s，退引停0.03s，正加速80000mm/s2，退加速60000mm/s2。在此基础上，可获得高表面质量的直径为6mm的5356铝合金连续铸造棒坯，棒坯内部结合致密，无裂纹、偏析、疏松等缺陷。
本发明采用水平连铸工艺生产5356铝合金铸坯，消除了一般连铸坯中易出现的裂纹、振痕，提高了连铸坯的强度，避免发生“拉断”现象；铸坯内部无氧化物，无夹杂，不产生氢含量增加和气孔问题；不经过挤压或连轧直接水平连铸出小直径（直径不大于10mm）的5356铝合金连铸坯，简化了工艺，节约了能源，提高了效率。
Claims (9)
1.一种适用于5356铝合金连铸精细成形的设备，其特征在于：包括通气管、石墨坩埚盖、石墨坩埚、加热线圈、耐火粘土封头、氧化锆接头、石墨管、引锭装置、水冷套、石墨衬垫和测温装置；所述的石墨坩埚外部设置加热线圈，测温装置安装在石墨坩埚内，所述的测温装置测定温度并通过继电器控制坩埚内的温度；所述的石墨坩埚顶部安装石墨坩埚盖，所述的石墨坩埚盖与石墨坩埚之间设置石墨衬垫，所述的石墨坩埚盖上设置通气管；所述的石墨坩埚底部侧面开孔，外接氧化锆接头，所述的氧化锆接头与石墨坩埚之间为耐火粘土封头，氧化锆接头与石墨管相连接，石墨管外部设置水冷套，引锭装置的一端置于石墨管内。
2.如权利要求1所述的适用于5356铝合金连铸精细成形的设备，其特征在于：所述的加热线圈为感应线圈或电阻丝。
3.如权利要求1所述的适用于5356铝合金连铸精细成形的设备，其特征在于：所述的石墨坩埚与石墨坩埚盖之间通过螺纹紧固连接；所述的氧化锆接头与石墨管之间通过螺纹连接。
4.如权利要求1所述的适用于5356铝合金连铸精细成形的设备，其特征在于：所述的水冷套设置进水口和出水口。
5.如权利要求1所述的适用于5356铝合金连铸精细成形的设备，其特征在于：所述的石墨管的内径≤10mm。
6.一种适用于5356铝合金连铸精细成形的工艺方法，包括如下步骤：将铝合金装入石墨坩埚内，将石墨坩埚盖拧紧，采用加热线圈将铝合金加热至熔化，采用测温装置测定铝合金液的温度并通过继电器控制坩埚内的温度；通过通气管充入氮气，水冷套内通冷却水，将引锭装置拉出，得到5356铝合金连铸坯。
7.如权利要求6所述的适用于5356铝合金连铸精细成形的工艺方法，其特征在于：所述的铝合金液的温度为700～800℃，氮气压力为0.03～0.08MPa，冷却水水量为4～10L/min。
8.如权利要求6所述的适用于5356铝合金连铸精细成形的工艺方法，其特征在于：所述的引锭装置的连铸工艺为：正引程为8～15mm，退引程为1～3mm，正引速80～130mm/s，退引速40～80mm/s，正引停0.1～0.2s，退引停0.01～0.05s，正加速70000～90000mm/s2，退加速40000～70000mm/s2。
9.如权利要求6所述的适用于5356铝合金连铸精细成形的工艺方法，其特征在于：所得到的连铸坯的直径为6～10mm。
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Effective date of registration: 20190628 Address after: 101407 No. 11 Xingke East Street, Yanqi Economic Development Zone, Huairou District, Beijing Patentee after: Research Institute of engineering and Technology Co., Ltd. Address before: No. 2, Xinjie street, Xicheng District, Beijing, Beijing Patentee before: General Research Institute for Nonferrous Metals |
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Effective date of registration: 20210720 Address after: 101407 No.11, Xingke East Street, Yanqi Economic and Technological Development Zone, Huairou District, Beijing Patentee after: Youyan metal composite technology Co.,Ltd. Address before: 101407 No. 11 Xingke East Street, Yanqi Economic Development Zone, Huairou District, Beijing Patentee before: YOUYAN ENGINEERING TECHNOLOGY RESEARCH INSTITUTE Co.,Ltd. |
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