CN109290533A - 一种同水平热顶铸造装置及铸造铝及铝合金圆锭的方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种同水平热顶铸造装置及铸造铝及铝合金圆锭的方法，属于铝合金半连铸技术领域。该同水平热顶铸造装置包括超声波发生器以及用于带有热顶的结晶器，超声波发生器用于对结晶器内的铸造液进行超声处理。该装置能够解决同水平热顶铸造圆锭晶粒粗大、组织不均匀及生产成分复杂高强铝合金铸锭质量差的问题。铸造方法包括：在同水平热顶铸造过程中，当铸造进入稳定阶段后，采用上述同水平热顶铸造装置中的超声波发生器对结晶器内的铸造液进行超声处理。通过对铝液进行超声处理，一方面能够细化晶粒组织，减小溶质元素的扩散距离；另一方面能够提高溶质元素的扩散系数，减轻宏观及微观元素偏析。

Description

一种同水平热顶铸造装置及铸造铝及铝合金圆锭的方法

技术领域

本发明属于铝合金半连铸技术领域，且特别涉及一种同水平热顶铸造装置及铸造铝及铝合金圆锭的方法。

背景技术

热顶铸造技术在铝熔铸行业被广泛地用来铸造工业纯铝及铝合金圆锭。在生产时可将多个结晶器安装在同一铸造平台上，由分流盘同时向各个结晶器供流，在铸造过程中从静置炉出口到结晶器金属液面始终处于同一水平面，从而实现多模同水平铸造。同水平热顶铸造技术能够防止铝液二次氧化，减轻合金元素烧损，克服DC、普通热顶铸造存在的质量稳定性差、金属供流和控制难、二次氧化严重等缺点，从而提高铸锭质量和生产效率。

但是在生产中同水平热顶铸造容易出现以下问题：1)圆锭晶粒粗大且不均匀，在挤压时容易造成挤压材表面缺陷、力学性能下降；2)在生产成分复杂、结晶温度区间宽的高强铝合金铸锭时容易产生铸锭开裂、组织不均匀、成分偏析严重的缺陷，从而影响产品质量。为了解决以上这些问题，近年来开发了许多新技术。

例如，在同水平热顶铸造工艺装备基础上发展起来的气滑铸造技术，使压缩空气和润滑油通过嵌在结晶器内壁的多孔石墨环，从而弱化一次冷却强度，减轻铸锭与结晶器内壁之间的摩擦力，能够制备出表面光滑、晶粒细小、表面偏析层极薄的铸锭。但是气滑铸造装备复杂、投资大，对油气等工艺参数要求严格。

电磁铸造是一种无模铸造技术，铝液在电磁约束力的作用下直接成形。采用电磁铸造能够生产出表面非常光滑、组织均匀的铸锭。但是电磁铸造也存在设备复杂、投资大、电磁工艺参数需严格控制的问题，且难以实现多锭同时铸造，因此目前在铝熔铸行业尚难以普及应用。

发明内容

本发明的目的之一包括提供一种同水平热顶铸造装置，该装置能够解决同水平热顶铸造圆锭晶粒粗大、组织不均匀及生产成分复杂高强铝合金铸锭质量差的问题。

本发明的目的之二包括提供一种铸造铝及铝合金圆锭的方法，该方法通过对铝液进行超声处理，一方面能够细化晶粒组织，减小溶质元素的扩散距离；另一方面能够提高溶质元素的扩散系数，减轻宏观及微观元素偏析。

本发明解决其技术问题是采用以下技术方案来实现的：

本发明实施例提出了一种同水平热顶铸造装置，其包括超声波发生器以及用于设置于铸造器的带有热顶的结晶器，超声波发生器用于对结晶器内的铸造液进行超声处理。

本发明还提出了一种铸造铝及铝合金圆锭的方法，其包括以下步骤：在同水平热顶铸造过程中，当铸造进入稳定阶段后，采用上述同水平热顶铸造装置中的超声波发生器对结晶器内的铸造液进行超声处理。

本发明实施例中同水平热顶铸造装置及铸造铝及铝合金圆锭的方法的有益效果包括：

本发明实施例提供的同水平热顶铸造装置能够解决同水平热顶铸造圆锭晶粒粗大、组织不均匀及生产成分复杂高强铝合金铸锭质量差的问题。铸造铝及铝合金圆锭的方法通过同水平热顶铸造装置中的超声波发生器对铝液进行超声处理，一方面能够细化晶粒组织，减小溶质元素的扩散距离；另一方面能够提高溶质元素的扩散系数，减轻宏观及微观元素偏析。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。

图1为本申请实施例1提供的同水平热顶铸造装置的结构示意图；

图2为本申请实施例1提供的同水平热顶铸造装置中结晶器的部分结构示意图；

图3为本申请试验例提供的常规铸造7055铝合金组织图；

图4为本申请试验例提供的施加超声波改善同水平热顶铸造7055铝合金组织图。

图标：1-超声波发生器；2-法兰；3-变幅杆；4-超声波发生器支架；5-分流盘；6-分流盘入口；7-铸造平台；8-热顶；9-水箱；10-结晶器；11-工具头；12-分流盘出口。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。

因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“上”、“下”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，或者是该发明产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

此外，术语“垂直”等术语并不表示要求部件绝对垂直，而是可以稍微倾斜。如“垂直”仅仅是指其方向相对“水平”而言更加垂直，并不是表示该结构一定要完全垂直，而是可以稍微倾斜。

在本发明的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“安装”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

以下进行具体说明。

本实施例涉及的同水平热顶铸造装置包括超声波发生器以及用于设置于铸造器的带有热顶的结晶器，超声波发生器用于对结晶器内的铸造液进行超声处理。

在本申请中，超声波发生器的数量可以仅为1个，也可以为多个例如2个、3个、4个、8个、12个、16个或20个等。当超声波发生器的数量为多个时，多个超声波发生器可以按照阵列形式间隔分布。

进一步地，超声波发生器的数量可对应结晶器的数量设置。

在一些实施方式中，超声波发生器与结晶器的数量相等且一一对应。在另一些实施例方式中，超声波发生器的数量可以少于结晶器的数量。在另一些实施例方式中，超声波发生器的数量可以大于结晶器的数量，此情况下，同一个结晶器中即可对应设置例如两个超声波发生器。但值得说明的是，当同一个结晶器中同时设有两个超声波发生器时，此两个超声波发生器相互之间可起协同增效的作用。

实际操作中，优选为超声波发生器与结晶器的数量相等且一一对应，以便于对所有的铸造液进行统一微波处理，工艺也更易控制。

本申请中，结晶器可参照现有技术，结晶器用于安装在铸造平台上，结晶器上部为热顶。以结晶器的数量为N(N＞1)个为例，N个结晶器共同安装在同一铸造平台。铸造平台的相对的左右两侧分别设有分流盘入口和分流盘出口，分流盘入口用于将金属液(例如铝液)分流至分流盘，然后金属液再经分流盘和热顶进入结晶器；分流盘出口用于将铸造后剩余的金属液排出。结晶器的靠近分流盘入口的一侧设置有水箱，以起到冷却作用。

本申请中，同水平热顶铸造装置还包括超声波发生器支架，超声波发生器支架包括支撑台面和至少两根支撑杆。每根支撑杆的一端连接于支撑台面，另一端连接于铸造器的铸造平台。优选地，支撑杆的数量可以为4根，分别连接于支撑台面的靠近4个边角的区域。支撑台面设有至少一个贯穿口，可选地，贯穿口的数量可以大于或等于超声波发生器的数量。超声波发生器的一端用于限位于支撑台面，超声波发生器的另一端用于贯穿贯穿口并向结晶器支出。

进一步地，超声波发生器包括超声波换能器、变幅杆和工具头。超声波换能器和工具分别连接于变幅杆的两端，超声波换能器用于限位于支撑台面，作为可选地，超声波换能器可通过法兰集成在支架的支撑台面。变幅杆用于调节工具头向结晶器的支出长度并使工具头在工作状态下进入结晶器内的铸造液中，优选的是，在工作状态下，工具头的远离超声波换能器的一端的端头浸入热顶或结晶器液穴内。

本申请中，工具头与分流盘垂直，也即工具头从分流盘的顶部沿由上到下的方向导入。值得说明的是，此处“垂直”并不限于工具头与分流盘的夹角为90°，二者之间可以稍有倾斜，较佳地，倾斜角度不超过3°。

作为可选地，本申请中，工具头的材质例如可以包括陶瓷、钛或钛合金、镀有涂层的不锈钢。结晶器的内壁材质可以为石墨或铝合金。

对应地，本申请所提供的铸造铝及铝合金圆锭的方法包括以下步骤：在同水平热顶铸造过程中，当铸造进入稳定阶段后，采用上述同水平热顶铸造装置中的超声波发生器对结晶器内的铸造液进行超声处理。处理完后，将超声波发生器从铸造液中移开。

具体可参照：若干个超声波发生器通过法兰与超声波发生器支架集成在一起，超声波发生器的数量与铸造平台上结晶器数量相同。在生产过程中，静置炉内的铝液达到浇铸温度后开始倾炉，铝液通过分流盘入口进入分流盘及结晶器，达到预定的液位深度后启动铸造机开始铸造，当铸造稳定后将超声波发生器支架与铸造平台连接并对中，使超声波发生器的工具头进入结晶器热顶并居于中央位置，然后将全部超声波换能器启动，并将频率和功率调制预定值。在铸造结束前关闭超声波发生器，断开超声波发生器支架与铸造平台之间的连接，并将其移至安全位置。剩余的铝液通过分流盘出口排至渣箱。

优选地，超声波发生器由结晶器的顶部导入至结晶器的铸造液中进行超声处理，采用顶部导入法将超声波导入结晶器，当超声波在结晶器中传播时，铝液受到周期***变压力的作用。当交变压力超过空化阈时，铝液内产生空化泡，空化泡在长大过程中将从周围吸收能量，造成局部过冷，有利于微小晶体质点的形成，从而有利于晶体形核。同时，在交变压力作用下，大量的空化泡将发生崩溃。在空化泡崩溃过程中，产生的强烈冲击波又会击碎初生晶体和正在长大的晶体，使之成为破碎的晶体质点，这些破碎的晶体质点也将成为凝固时的核心。另一方面，由于声波与铝液中粘性力的交互作用导致超声波振幅衰减，从而使铝液内部从声源处开始形成一定的声压梯度，促进铝液流动，有利于改善铸锭温度场，使凝固过程趋于同时凝固，提高铸锭凝固组织的均匀性。

对铝液进行超声处理，一方面细化了晶粒组织，减小了溶质元素的扩散距离；另一方面由于空化效应导致局部产生高温高压，提高了溶质元素的扩散系数，所以能够减轻宏观及微观元素偏析。

在本申请中，超声处理过程中，超声波频率可以为15-30kHz，例如15kHz、18kHz、、20kHz、22kHz、25kHz、28kHz或30kHz等。超声波发生器的输入功率可以为100-2000W，例如100W、200W、500W、800W、1000W、1200W、1500W、1800W或2000W等。值得说明的是，在实际操作过程中，超声波频率和超声波发生器的输入功率可在上述范围内任意组合。

值得说明的是，超声波发生器的输入功率不宜过小，否则会因金属熔体比重和粘滞系数大导致超声处理效果不明显；虽超声波功率越大处理效果越好，但在本申请中，超声波发生器的输入功率也不宜过大，否则一方面会造成超声波设施复杂，另一方面会导致由电功率到声功率的转化与电功率不成正比。

可参照地，本申请所提供的装置和方法均可适用于包括1000系圆锭、2000系圆锭、3000系圆锭、5000系圆锭、6000系圆锭或7000系圆锭在内的多种圆锭。圆锭的直径例如可以为100-500mm，如100mm、150mm、200mm、250mm、300mm、350mm、400mm、450mm或500mm等。

实施例1

本实施例提供一种同水平热顶铸造装置，请参照图1与图2，该同水平热顶铸造装置包括超声波发生器1以及用于设置于铸造器的带有热顶8的结晶器10，超声波发生器1用于对结晶器10内的铸造液进行超声处理。

在本申请中，结晶器10和超声波发生器1的数量均为16个，16个结晶器10按4行×4列的阵列形式安装在同一铸造平台7上，结晶器10上部为热顶8。铸造平台7的相对的左右两侧分别设有分流盘入口6和分流盘出口12，分流盘入口6用于将金属液(例如铝液)分流至分流盘5，然后金属液再经分流盘5和热顶8进入结晶器10；分流盘出口12用于将铸造后剩余的金属液排出。结晶器10的靠近分流盘入口6的一侧设置有水箱9，以起到冷却作用。

16个超声波发生器1也按4行×4列阵列形式排列并与16个结晶器10一一对应。

同水平热顶铸造装置还包括超声波发生器支架4，超声波发生器支架4包括支撑台面和4根支撑杆。4根支撑杆分别连接于支撑台面的靠近4个边角的区域。每根支撑杆的一端连接于支撑台面，另一端连接于铸造器的铸造平台7。支撑台面设有与超声波发生器1一一对应的16个贯穿口。超声波发生器1的一端用于限位于支撑台面，超声波发生器1的另一端用于贯穿贯穿口并向结晶器10支出。

超声波发生器1包括超声波换能器、变幅杆3和工具头11。超声波换能器和工具分别连接于变幅杆3的两端，超声波换能器通过法兰2集成在支架的支撑台面。变幅杆3用于调节工具头11向结晶器10的支出长度并使工具头11的远离超声波换能器的一端的端头浸入热顶8或结晶器10液穴内。其中，具头与分流盘5垂直，也即工具头11从分流盘5的顶部沿由上到下的方向导入。

本实施例中，工具头11的材质为钛合金，结晶器10的内壁材质为石墨。

实施例2

本实施例与实施例1的区别在于：超声波发生器、结晶器以及贯穿口的数量均为20个。支撑杆的数量为2根，2根支撑杆分别连接于支撑台面的呈对角分布的2个对角的区域。

工具头的材质为陶瓷，结晶器的内壁材质为铝合金。

实施例3

本实施例与实施例1的区别在于：超声波发生器、结晶器以及贯穿口的数量均为12个。

工具头的材质为镀有涂层的不锈钢，结晶器的内壁材质为铝合金。

实施例4

本实施例提供一种铸造铝及铝合金圆锭的方法，所使用的同水平热顶铸造装置参照实施例1。

将7055铝合金按Al-8.0Zn-2.3Mg-2.6Cu-0.20Zr(均为质量分数，％)配料，在燃气熔化炉内熔化到750℃，化验成分合格后将其导入静置炉进行精炼，除渣后静置20min，当铝液温度为710℃开始倾炉。铝液通过流槽、分流盘入口进入分流盘。达到要求的液位深度后开始铸造，铸造速度为110mm/min，冷却水量为3500l/min/每个结晶器。当铸锭长度达到200mm时将超声波发生器支架与铸造平台连接，启动超声波发生器，其频率为20kHz，输入功率为800W。当铸坯达到长度要求后关闭超声波发生器，断开超声波发生器支架与铸造平台的连接，停止铸造，分流盘内剩余的铝液通过分流盘出口排至渣箱。

本实施例铸造的圆锭为直径为300mm的1000系圆锭。

实施例5

本实施例与实施例4的区别在于：超声处理过程中，超声波频率为15kHz，超声波发生器的输入功率为100W。本实施例铸造的圆锭为直径为100mm的3000系圆锭。

实施例6

本实施例与实施例4的区别在于：超声处理过程中，超声波频率为30kHz，超声波发生器的输入功率为2000W。本实施例铸造的圆锭为直径为500mm的7000系圆锭。

试验例

以常规铸造7055铝合金为对照，对其与实施例4的施加超声波改善同水平热顶铸造7055铝合金进行对比，对比二者的组织结构，其结果如图3和图4所示。通过对比可以看出，实施例4的施加超声波改善同水平热顶铸造7055铝合金明显较常规铸造7055铝合金细化了晶粒组织，所得的晶粒组织均匀，质量较佳。

综上，本发明实施例提供的同水平热顶铸造装置能够解决同水平热顶铸造圆锭晶粒粗大、组织不均匀及生产成分复杂高强铝合金铸锭质量差的问题。铸造铝及铝合金圆锭的方法通过同水平热顶铸造装置中的超声波发生器对铝液进行超声处理，一方面能够细化晶粒组织，减小溶质元素的扩散距离；另一方面能够提高溶质元素的扩散系数，减轻宏观及微观元素偏析。

以上仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种同水平热顶铸造装置，其特征在于，其包括超声波发生器以及用于设置于铸造器的带有热顶的结晶器，所述超声波发生器用于对所述结晶器内的铸造液进行超声处理。

2.根据权利要求1所述的同水平热顶铸造装置，其特征在于，所述超声波发生器与所述结晶器的数量相等且一一对应。

3.根据权利要求1所述的同水平热顶铸造装置，其特征在于，所述同水平热顶铸造装置还包括超声波发生器支架，所述超声波发生器支架包括支撑台面和至少两根支撑杆，所述支撑台面设有至少一个贯穿口，每根所述支撑杆的一端连接于所述支撑台面，另一端连接于所述铸造器的铸造平台，所述超声波发生器的一端用于限位于所述支撑台面，所述超声波发生器的另一端用于贯穿所述贯穿口并向所述结晶器支出。

4.根据权利要求3所述的同水平热顶铸造装置，其特征在于，所述超声波发生器包括超声波换能器、变幅杆和工具头，所述超声波换能器和所述工具有分别连接于所述变幅杆的两端，所述超声波换能器用于限位于所述支撑台面，所述变幅杆用于调节所述工具头向所述结晶器的支出长度并使所述工具头在工作状态下进入所述结晶器内的所述铸造液中。

5.根据权利要求4所述的同水平热顶铸造装置，其特征在于，所述工具头的材质包括陶瓷、钛或钛合金、镀有涂层的不锈钢。

6.根据权利要求1所述的同水平热顶铸造装置，其特征在于，所述结晶器的内壁材质为石墨或铝合金。

7.一种铸造铝及铝合金圆锭的方法，其特征在于，包括以下步骤：在同水平热顶铸造过程中，当铸造进入稳定阶段后，采用如权利要求1-6任一项所述的同水平热顶铸造装置中的所述超声波发生器对所述结晶器内的铸造液进行超声处理。

8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述超声波发生器由所述结晶器的顶部导入至所述结晶器的铸造液中进行超声处理。

9.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，超声处理是于超声波频率为15-30kHz和/或所述超声波发生器的输入功率为100-2000W的条件下进行。

10.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述圆锭包括1000系圆锭、2000系圆锭、3000系圆锭、5000系圆锭、6000系圆锭或7000系圆锭；所述圆锭的直径为100-500mm。