CN106925735A

CN106925735A - 一种制备大规格高品质铝合金铸锭的装置及方法

Info

Publication number: CN106925735A
Application number: CN201511020092.0A
Authority: CN
Inventors: 张志峰; 徐骏; 张少明; 白月龙; 高明伟; 刘建朝; 杨玉洁
Original assignee: Beijing General Research Institute for Non Ferrous Metals
Current assignee: Youyan metal composite technology Co.,Ltd.
Priority date: 2015-12-30
Filing date: 2015-12-30
Publication date: 2017-07-07
Anticipated expiration: 2035-12-30
Also published as: CN106925735B

Abstract

本发明涉及一种制备大规格高品质铝合金铸锭的装置及方法，属于金属材料加工领域。该装置主要由均匀冷却器、热顶、油气润滑结晶器、感应线圈和引锭组成；热顶设置于油气润滑结晶器的上方，感应线圈设置在油气润滑结晶器外侧，均匀冷却器设置于油气润滑结晶器内，引锭位于油气润滑结晶器下方。本发明将分区给气结晶器与均匀冷却器和电磁搅拌器巧妙结合，三者的有效耦合能实现熔体在气体压力接触状态下强制均匀凝固成形，使熔体和结晶器之间形成稳定连续的气膜，不但铸锭表面光滑，而且内部组织细小均匀。采用本发明制备的大规格铝合金高品质铸锭生产效率高、易与大工业生产相结合，在航空航天、轨道交通、船舶等制造领域具有广阔的工业应用前景。

Description

一种制备大规格高品质铝合金铸锭的装置及方法

技术领域

本发明属于金属材料加工领域，特别涉及一种制备大规格高品质铝合金铸锭的装置及方法。

背景技术

随着制造业大型成套装备使用性能的日益提升,在航空航天、轨道交通、船舶制造等领域中越来越多的使用大型整体式结构已成为一种必然的趋势，例如大型运输机、高性能战机和高速列车的研制都广泛采用大规格整体铝材和高性能厚板，而这些材料的制备离不开大规格高品质的铝合金铸锭，因此，大规格高品质铝合金铸锭制备对提升制造业装备能力具有重要意义。

半连续铸造是生产铝合金铸锭最主要的方法。然而由于普通的半连续铸造技术的局限性，在制备大规格铝合金铸锭过程中，由于冷却方式单一，铸锭由外向内凝固，势必造成金属熔体液穴较深。同时，由于铸锭尺寸较大，凝固过程中，温度场均匀性难以控制，导致凝壳不均，在凝壳较薄区域易产生褶皱、偏析瘤、甚至拉漏等问题；此外，由于铸锭规格较大，而冷却效果有限，必然使连铸速度降低，熔体内形核较少且不均匀，晶粒异常粗大。因此，采用传统半连续铸造制备的大规格铝合金铸锭表面质量差，内部组织粗大且不均匀，成分偏析严重，铸锭成品率低，需要经过车皮或铣面才能进行变形加工，成本较高，材料浪费严重。

为了解决此类问题，研究人员进行了大量的研究，以期制备内部组织小均匀、无偏析、表面质量好的铝合金铸锭。

中国专利CN104550798A提出一种铝合金半连续铸造电磁搅拌装置及方法，采用直流电流和永磁体结合的方法，可以根据铝锭的尺寸、形状、材料成分设计不同的熔体在结晶器区域的流动方式和流动强度，控制合金元素的偏析行为和枝晶的生长方式，达到组织均匀化与细化的目的。但是，该发明是采用仅靠结晶器从外向内顺序凝固的单一冷却方式，铝合金熔体凝固过程中温度不均匀问题无法解决，特别对于制备大规格铸锭，该方法对熔体的搅拌作用有限，熔体内温度梯度较大，液穴很深，导致铸造速度很慢，因此对改善铸锭内部质量的效果有限。

在改善铸锭表面质量方面，以美国的Airslip技术和德国的AirsolVeil技术为代表的气膜铸造方法，其原理是在结晶器与铸锭凝壳之间形成一层气膜，减少凝固过程凝壳与结晶器内壁的接触压力，让熔体在于气体接触状态下凝固成形。中国专利CN100418667C在此基础上对油气润滑结晶器进行了改进，提出结晶器油、气、水结构整体设计，通过油气膜隔热作用减少一次冷却，采用两排喷水排孔提高二次水冷效果，来提高铸锭的表面质量。但是现有的气膜铸造方法很难制备处高品质大规格铸锭。若大规格铸锭仅靠结晶器冷却，铸造速度较慢，熔体经过结晶器冷却形成的初凝壳很薄且不均匀，采用油膜铸造技术，油气极容易穿透初凝壳，导致跑火、拉漏等问题，生产工艺很难控制，因此铸锭直径通常不能超过300mm(12英寸)，而且气膜铸造技术无法解决凝固组织细小均匀和成分偏析等问题。

发明内容

现有的气膜铸造方法不能制备大规格铝合金铸锭，存在铸锭表面质量差、内部组织粗大不均匀等问题，针对现有半连续铸造法制备大规格铝合金铸锭存在的不足，本发明提出了一种制备大规格高品质铝合金铸锭的新装置及方法，在气膜铸造过程中施加结晶器内中间均匀冷却和结晶器外电磁搅拌耦合熔体处理，在制备大规格优质铝合金铸锭时，同时解决铸锭表面质量和内部质量问题。

其主要设计思想是：针对现有的气膜铸造方法很难制备大规格(直径大于300mm)铝合金铸锭，结晶器采用分区给气结构设计，减小石墨环上给气压力差异，实现稳定控制气体压力，确保熔体和结晶器之间能够形成稳定连续的气膜；对半连续铸造过程中的合金熔体施加结晶器内均匀冷却和结晶器外电磁搅拌耦合处理，增加铸锭凝固过程中的冷却维度，强化凝固过程熔体的立体化对流，提高大体积合金熔体温度场和成分场的均匀性，在保证铸锭内部质量的同时，改善初期凝固的均匀性，增加初凝壳厚度，防止初凝壳和油气膜破裂，减少初期凝壳与结晶器内壁的接触压力，实现熔体在气体压力接触状态下凝固成形，制备出内外质量俱佳的大规格铝合金铸锭。

一种制备大规格高品质铝合金铸锭的新装置，主要由均匀冷却器、热顶、油气润滑结晶器、感应线圈和引锭组成；所述的热顶设置于油气润滑结晶器的上方，所述的感应线圈设置在油气润滑结晶器外侧，所述的均匀冷却器设置于油气润滑结晶器内，所述的引锭位于油气润滑结晶器下方。

所述的油气润滑结晶器包括结晶器本体和石墨环，石墨环安装在结晶器本体的上方，石墨环外壁设有气槽和油槽，气槽分为3～20段，每段气槽长度为100～500mm，每段单独设置进气通道，单独供气、单独控制；油槽与气槽分开，油槽设置在气槽上部，石墨环采用多孔石墨制备，气体和润滑油通过石墨环渗出结晶器。油气润滑结晶器采用分区给气结构设计，减小单一给气石墨环气槽内气量和气压的差异，达到稳定控制气体压力的目的。

所述的油气润滑结晶器采用双排喷水孔设计。所述的结晶器本体上设置上、下两排喷水孔，上排喷水孔与结晶器壁夹角为15～30°，直径为1～5mm，下排喷水孔与结晶器壁夹角为0～25°且大于0°，保证冷却水能够喷射到铸锭上且不回溅，直径为2～8mm。双排喷水孔水量可以单独控制，上排喷水孔直径需小于等于下排喷水孔直径。

所述的感应线圈设置在结晶器外，磁轭(铁芯)采用可伸缩式设计，长度可变，伸缩范围为0～100mm，电磁感应线圈产生电磁场经磁轭导入结晶器内部熔体。电磁线圈可产生旋转电磁场、行波电磁场或复合电磁场。

所述均匀冷却器上部为绝热端，下部为冷却端，绝热端设置有搅拌叶片，在半连续铸造过程中，均匀冷却器通过热顶伸入到结晶器高度位置，均匀冷却器底部与结晶器平齐，均匀冷却器可以设置一个或多个，均匀冷却器可以转动，旋转速度为0～300r/min。

绝热端为圆筒形，外径为100～800mm，采用耐高温绝热陶瓷材料制成，具有绝热作用，保证热顶内的熔体不被冷却；冷却端采用导热材料制成，如石墨、铜、钼、钛及其复合材料，冷却端具有冷却效果；均匀冷却器冷却端具有螺旋形状，均匀冷却器转动时产生强制熔体向下流动的效果；搅拌叶片采用耐高温材料制成，如铜、钼、钛、陶瓷及其复合材料，搅拌叶片数为0～8，宽度为10～100mm，厚度为2～8mm，搅拌叶片随均匀冷却器转动，具有强制熔体向下流动的效果，使熔体不断地向下补充到液穴当中，起到动态连续均匀冷却的效果；均匀冷却器内部通入循环冷却介质，冷却介质到达冷却端，通过冷却端与熔体换热，冷却介质为空气、氮气、水、油等各种流体，冷却介质流量为0～2000L/min。

基于上述装置，本发明提出了一种制备大规格高品质铝合金铸锭的方法，在半连续铸造过程中，将经过精炼处理且稳定为液相线以上80～100℃的熔体浇入热顶内；石墨环外壁气槽和油槽通入空气和润滑油；控制上排喷水孔和下排喷水孔的流量；合金熔体经热顶、结晶器到达引锭上部，熔体液面升至要求高度，连铸开始，引锭缓慢下降，冷却水流量缓慢加大，待铸造过程进入稳定状态，施加均匀冷却和电磁搅拌处理，最终得到大规格高品质铝合金铸锭。

在半连续铸造过程中，所述的气槽中空气流量为500～5000mL/min，油槽采用脉冲式供油，供油量为60～100/s；上排喷水孔的流量为1～50L/min，下排喷水孔的流量为20～100L/min；铸造速度为20～100mm/min。均匀冷却处理的冷却强度为500～5000W/(m²·k)，电磁搅拌处理的剪切速率为10～2000s^-1。

本发明的创新性及技术进步主要体现在：

1.本发明在半连续铸造过程中，将油气润滑结晶器分区给气结构设计与施加结晶器中间均匀冷却和结晶器外电磁搅拌处理巧妙结合，通过控制均匀冷却器冷却效果、搅拌叶片结构及转速、电磁搅拌剪切强度三者间的相互耦合作用，可使整个熔体产生强制均匀冷却和立体化对流，在提高冷却强度的基础上，显著改善温度场和成分场的均匀性，不但从根本上解决普通半连续铸造方法制备大规格铝合金铸锭存在组织粗大不均匀、宏观偏析、开裂等问题，而且使得初期凝壳的均匀性和凝固厚度也得到大幅度增加，有效地减少初期凝壳与结晶器内壁的接触压力，实现熔体在气体压力接触状态下凝固成形，显著提高铸锭表面质量。

2.对大规格铝合金油气润滑洁净器采用分区给气结构设计，可减小单一给气石墨环气槽内气量和气压的差异，能够稳定控制气体压力；采用脉冲式供油，使熔体和结晶器之间能够形成稳定连续的气膜，达到稳定润滑的效果，解决了大规格铝合金铸锭(直径大于300mm)不能采用气膜铸造的技术问题，铸锭表面光滑。

3.本发明制备的大规格铸锭晶粒细小，成分均匀，表面光滑，铸造速度快，显著降低后续均质化和加工成本，提高了生产效率和成材率。整套方法简单可行，实施效果好，可实现工业化生产。

附图说明

图1是本发明制备高品质大规格铝合金铸锭装置的结构示意图。

图2是石墨环分区示意图。

图3是图1中结晶器局部E区的放大图。

图4是均匀冷却器示意图。

图5a和图5b分别是普通半连续铸造和本发明制备的Φ582mm规格7075铝合金铸锭表面外观照片。

图6a和图6b分别是普通半连续铸造和本发明制备的Φ582mm规格7075铝合金铸锭微观组织。

主要附图标记说明：

1 均匀冷却器 2 热顶

3 熔体 4 油气润滑结晶器

5 磁轭 6 线圈

7 石墨环 8 喷水孔

9 铸锭 10 引锭

11 油槽 12 气槽

13 上排喷水孔 14 下排喷水孔

15 绝热端 16 搅拌叶片

17 冷却端

具体实施方式

本发明可以根据以下实例实施，但不限于此，这些实施例只是为了举例说明本发明实施过程，而非以任何方式限制本发明的范围，在以下的实施例中，未详细描述的各种过程和方法是本领域中公知的常规方法。

如图1所示，本发明装置包括均匀冷却器1、热顶2、熔体3、油气润滑结晶器4、磁轭5、线圈6、石墨环7、喷水孔8、铸锭9、引锭10等。热顶2设置于油气润滑结晶器4的上方，线圈6和磁轭5设置在油气润滑结晶器4外，均匀冷却器1设置于油气润滑结晶器4内，引锭10位于油气润滑结晶器4下方。

油气润滑结晶器4包括结晶器本体和石墨环7，石墨环7安装在结晶器本体的上方，石墨环7外壁设有气槽12和油槽11，气槽12采用分段式设计，如图2所示，气槽12分为3～20段，每段气槽12长度为100～500mm，每段单独设置进气通道，单独供气、单独控制；油槽11与气槽12分开，油槽11设置在气槽12上部，石墨环7采用多孔石墨制备，气体和润滑油通过石墨环7渗出结晶器。

油气润滑结晶器4采用双排喷水孔设计，如图3所示；两排喷水孔单独控制水量，上排喷水孔13与油气润滑结晶器4内壁夹角为15～30°，直径为1～5mm，下排喷水孔14与油气润滑结晶器4壁夹角为0～25°且大于0°，直径为2～8mm，上排喷水孔直径需小于等于下排喷水孔直径。

磁轭5采用可伸缩式设计。磁轭5长度可变，伸缩范围为0～100mm，电磁感应线圈6产生电磁场经磁轭5导入结晶器内部熔体。电磁线圈6可产生旋转电磁场、行波电磁场或复合电磁场。

在半连续铸造过程中，均匀冷却器1通过热顶2伸入到油气润滑结晶器4高度位置，均匀冷却器1可以设置一个或多个，均匀冷却器1可以转动，旋转速度为0～300r/min。如图4所示，均匀冷却器1由上部绝热端15和下部冷却端17组成，绝热端15设置搅拌叶片16；上部绝热端15为圆筒形，外径为100～800mm，使用耐高温绝热材料制成；冷却端17采用导热材料制成，如石墨、铜、钼、钛及其复合材料；均匀冷却器1的冷却端17具有螺旋形状，均匀冷却器1转动时产生强制熔体向下流动的效果；搅拌叶片数为0～8，叶片宽度为10～100mm，叶片厚度为2～8mm，搅拌叶片16采用耐高温材料制成，如铜、钼、钛、陶瓷及其复合材料，叶片随着均匀冷却器1转动，使用过程中，带动熔体向均匀冷却器1的冷却端17汇集，均匀冷却器1内通入循环冷却介质，冷却介质到达冷却端17，通过冷却端17与熔体换热，冷却介质为空气、氮气、水、油等各种流体，冷却介质流量为0～2000L/min，实现熔体连续动态均匀过冷，熔体经过均匀冷却器底部冷却，继续向下流动进入液穴糊状区，实现熔体的连续动态均匀冷却和强制补缩，最终制备出细晶均质大规格铸锭。

使用方法为：在半连续铸造过程中，整套装置预热至80～200℃，将经过精炼处理且稳定为液相线以上80～100℃的熔体浇入本装置中。在连铸过程中：石墨环7外壁气槽12和油槽11通入空气和润滑油，空气流量为500～5000mL/min，供油采用脉冲式，供油量为60～100/s；开启电磁线圈6，电流为10～200A，控制上排喷水孔13的流量为1～50L/min，下排喷水孔14的流量为20～100L/min；铸造速度为20～100mm/min。

合金熔体经热顶2、结晶器4到达引锭10上部，熔体液面升至要求高度，连铸开始，引锭10缓慢下降，冷却水流量缓慢加大，待铸造过程进入稳定状态，施加均匀冷却和电磁搅拌处理，均匀冷却处理的冷却强度为500～5000W/(m²·k)，电磁搅拌处理的剪切速率为10～2000s^-1，直到铸造过程结束。

采用本发明制备Φ582mm规格7075铝合金圆铸锭，要求表面光滑，内部组织细小均匀。具体实施方式如下：

装置结构示意图如图1所示，油气润滑结晶器4采用分区给气***，石墨环7外设有气槽12和油槽11，气槽12分为4段，每段气槽12长度为456mm，每段单独设置进气通道，单独供气、单独控制；油槽11与气槽12分开，油槽11设置在气槽12上部，石墨环7采用多孔石墨制备。上排喷水孔13与结晶器壁夹角为25°，直径为2mm，下排喷水孔14与结晶器壁夹角为10°，直径为5mm，双排喷水孔水量可以单独控制。

均匀冷却器1设置在铸造平台上，冷却器直径为300mm，冷却器、热顶和结晶器同心，均匀冷却器1底端与结晶器的底端平齐。均匀冷却器1绝热端15采用耐高温绝热陶瓷制成，直径为300mm，厚度为10mm，下部冷却端17直径为350mm，用石墨制成，叶片数为3，叶片宽度为50mm。均匀冷却器1转速为60r/min。

电磁线圈设置在油气润滑结晶器4的外周，电磁线圈产生旋转电磁场，对合金熔体实施剪切，磁轭长度为50mm。

在半连续铸造过程中，将经过精炼处理且稳定为液相线以上100℃的熔体浇入热顶内。石墨环7外壁气槽12和油槽11通入空气和润滑油，空气流量为1430mL/min，采用脉冲式供油，供油量为80/s；控制上排喷水孔13的流量为20L/min，下排喷水孔14的流量为30L/min；铸造速度为65mm/min。合金熔体通过热顶2到达结晶器，熔体液面升至要求高度，连铸开始，引锭10缓慢下降，冷却水流量缓慢加大，待铸造过程进入稳定状态，施加均匀冷却和电磁搅拌处理，均匀冷却处理的冷却强度为1210W/(m²·k)，电磁搅拌处理的剪切速率为110s^-1，直到铸造过程结束。

通过对比普通半连续铸造和本发明制备的Φ582mm规格7075铝合金圆铸锭表面质量和内部组织，发现采用普通半连续铸造制备的铸锭表面质量差、内部组织粗大，如图5a、图6a所示；采用本发明制备的铸锭表面光亮，内部组织细小均匀，平均晶粒尺寸为154μm，如图5b、图6b所示。

本发明将分区给气结晶器与均匀冷却器和电磁搅拌器巧妙结合，分区给气结晶器设计能够稳定控制气体压力，均匀冷却器增加铸锭凝固过程中的冷却维度，电磁搅拌器强化凝固过程熔体的立体化对流，提高大体积合金熔体温度场和成分场的均匀性，三者的有效耦合能实现熔体在气体压力接触状态下强制均匀凝固成形，使熔体和结晶器之间能够形成稳定连续的气膜，不但铸锭表面光滑，而且内部组织细小均匀。采用本发明制备的大规格铝合金高品质铸锭生产效率高、易与大工业生产相结合，在航空航天、轨道交通、船舶等制造领域具有广阔的工业应用前景。

Claims

1.一种制备大规格高品质铝合金铸锭的装置，其特征在于：该装置主要由均匀冷却器、热顶、油气润滑结晶器、感应线圈和引锭组成；所述的热顶设置于油气润滑结晶器的上方，所述的感应线圈设置在油气润滑结晶器外侧，所述的均匀冷却器设置于油气润滑结晶器内，所述的引锭位于油气润滑结晶器下方。

2.根据权利要求1所述的制备大规格高品质铝合金铸锭的装置，其特征在于：所述的油气润滑结晶器包括结晶器本体和石墨环，所述的石墨环安装在结晶器本体的上方，所述的石墨环外壁设有气槽和油槽，所述的油槽与气槽分开，所述的油槽设置在气槽上部；所述的气槽分为3～20段，每段单独供气、单独控制。

3.根据权利要求2所述的制备大规格高品质铝合金铸锭的装置，其特征在于：每段气槽长度为100～500mm；所述的石墨环采用多孔石墨制成。

4.根据权利要求1所述的制备大规格高品质铝合金铸锭的装置，其特征在于：所述的结晶器本体上设置上、下两排喷水孔，上排喷水孔与结晶器壁夹角为15～30°，直径为1～5mm，下排喷水孔与结晶器壁夹角为0～25°且大于0°，直径为2～8mm；双排喷水孔水量单独控制，上排喷水孔直径小于等于下排喷水孔直径。

5.根据权利要求1所述的制备大规格高品质铝合金铸锭的装置，其特征在于：所述的感应线圈的磁轭采用可伸缩式设计，伸缩范围为0～100mm，感应线圈产生电磁场经磁轭导入结晶器内部熔体；所述的感应线圈产生旋转电磁场、行波电磁场或复合电磁场。

6.根据权利要求1所述的制备大规格高品质铝合金铸锭的装置，其特征在于：所述均匀冷却器上部为绝热端，下部为冷却端，所述的绝热端设置有搅拌叶片；所述的绝热端为圆筒形，采用耐高温绝热陶瓷材料制成；所述的冷却端采用导热材料制成；所述的搅拌叶片采用耐高温材料制成，搅拌叶片数为0～8。

7.根据权利要求6所述的制备大规格高品质铝合金铸锭的装置，其特征在于：所述的绝热端外径为100～800mm；所述的冷却端具有螺旋形状，采用石墨、铜、钼、钛或其复合材料制成；所述的搅拌叶片采用铜、钼、钛、陶瓷或其复合材料制成，搅拌叶片宽度为10～100mm，厚度为2～8mm。

8.根据权利要求1所述的制备大规格高品质铝合金铸锭的装置，其特征在于：所述的均匀冷却器为一个或多个，设置到结晶器高度位置，旋转速度为0～300r/min；所述的均匀冷却器采用的冷却介质为空气、氮气、水或油，冷却介质流量为0～2000L/min。

9.一种制备大规格高品质铝合金铸锭的方法，包括如下步骤：在半连续铸造过程中，将经过精炼处理且稳定为液相线以上80～100℃的熔体浇入热顶内；石墨环外壁气槽和油槽通入空气和润滑油；控制上排喷水孔和下排喷水孔的流量；合金熔体经热顶、结晶器到达引锭上部，熔体液面升至要求高度，连铸开始，引锭缓慢下降，冷却水流量缓慢加大，待铸造过程进入稳定状态，施加均匀冷却和电磁搅拌处理，最终得到大规格高品质铝合金铸锭。

10.根据权利要求9所述的制备大规格高品质铝合金铸锭的方法，其特征在于：所述的气槽中空气流量为500～5000mL/min，所述的油槽采用脉冲式供油，供油量为60～100/s；上排喷水孔的流量为1～50L/min，下排喷水孔的流量为20～100L/min；铸造速度为20～100mm/min；均匀冷却处理的冷却强度为500～5000W/(m²·k)，电磁搅拌处理的剪切速率为10～2000s^-1。