CN100369699C - 一种抑制高合金化铝合金方坯裂纹的方法与设备 - Google Patents

Abstract

一种抑制高合金化铝合金方坯裂纹的方法和设备，所述设备即板坯电磁连铸结晶器，电磁线圈置于水箱内，在水箱内设置挡水板，结晶器内设置4个供水腔，分别置于结晶器的两个大面和两个小面，供水腔分别供水，水量可以分别控制，在角部安装屏蔽体，在结晶器上部铝合金熔体入口处设置桥式熔体分流器，结晶器内壁内侧上贴有隔热膜。利用该设备铸造7000系合金方坯厚度在150～450mm时，频率选择10～50Hz，磁场强度选择10000～80000安匝。供水腔分别供水，水量分别控制，在铸造开始、铸造中及铸造结束时，供给不同的水量。铸造速度比现有技术提高20～50%。采用本发明的方法和装备可以有效地抑制高合金化板坯的裂纹。

Description

一种抑制高合金化铝合金方坯裂纹的方法与设备

技术领域

本发明涉及铝合金铸造技术领域，具体涉及一种抑制高合金化铝合金方坯裂纹的方法与设备。

背景技术

为大幅度提高铝合金的性能，近年来发展的铝合金合金元素的添加量不断增加，例如美国50年代开发的7075合金，Zn，Mg，Cu等合金元素的总含量为10％，70年代开发的7050合金，Zn，Mg，Cu等合金元素的总含量达12％，90年代开发的7055合金，Zn，Mg，Cu等合金元素的总含量达到14％，最近国内开发的超高强铝合金，Zn，Mg，Cu等合金元素的总含量达到15％，合金的强度从500MPa提高到近800MPa。同时为了大幅度地提高铝合金的加工生产率和工程上对大规格加工材的需求不断增加，合金铸锭的尺寸也不断增大，60年代高合金化铝合金的单一锭坯重量为几吨，70年代可以达到10吨，现在普遍大于10吨，最大为35吨。由干预拉伸板材成为现代制造业的新的结构材料，高合金化铝合金板材的厚度也在不断增加，从几厘米，增加到10厘米以上。所以板坯铸锭的厚度也不断增加。目前发达国家的高强铝合金的板坯尺寸可以达到60厘米。

随着铝合金中合金元素的增加，尤其是7000系合金中Zn，Mg，Cu含量的增加，晶界低熔点相增加，铸锭抗裂纹能力下降。随着铸锭尺寸的增加，尤其是板坯厚度的增加，DC铸造时铸锭的液穴较深，因此铸锭内铸造内应力显著提高。两者造成了铸锭极易开裂，铸锭的成才率大幅度减低，这已成为高强铝合金发展的瓶颈问题。

为了抑制裂纹，提高高强铝合金铸造的成才率，国内外进行了大量的研究，其基本思路是1)提高合金的抗裂纹能力，主要手段是细化组织，提高合金元素晶内固溶度；2)减少铸锭的铸造内应力，主要手段是：减少铸锭的冷却速度，和降低结晶器内液穴的深度。

近年来，人们开辟了大量新的制坯方法来抑制裂纹：

快速冷却方法：如喷射成型，但是喷射成形制备大尺寸的铸锭难度很大，制备大板坯基本不可能；

改进结晶器的结构，如引锭杆的形状，施加挡水板等这些办法有一定的作用，但是作用有限。

施加外场的方法：如凝固时施加超声波，施加电流，施加磁场等，但是实践证明这些方法在大尺寸板锭中作用不显著；

大量试验表明施加磁场是一种高效、经济容易实现的方法。

电磁铸造(Electromagnetic Casting，简称EMC)的开拓者是前苏联的工程师Geiselev ZN，(美国专利，No3467166，1969.9.16)。它利用高频电磁场在铝熔体表面产生压力，使熔体脱离结晶器，避免一次冷却，直接二次冷却。该技术也可以称为无模铸造或高频电磁铸造，其主要特点是铸锭表面无偏析、光洁度高，但是由于电磁场的作用只限于表面，深入不到内部，因此，不能有效抑制裂纹，尤其是板坯的裂纹，所以只应用于软合金。在此之后，产生过直流电磁场、交流、直流电流等新的方法，但都未成为工业技术。1986年，法国人Vives等利用工频电磁场(美国专利No.4,523,628，1985，6)实现了2024铝合金Φ320mm锭的电磁铸造，发现晶粒明显细化，并且他们还进一步使用了直流和交流电磁场共存的电磁震荡技术(美国专利，4,723,591)使纯铝铸锭的晶粒细化。开辟了具有工业应用价值的电磁细化的新技术。Vives比较详细分析了板坯电磁连铸时，电磁场在角分布的问题，但是没有进行板坯连铸的实验。以后国内发明过脉冲电流、脉冲磁场铸造技术，但均未形成专利。上述技术基本思想是细化组织，并没有专门针对铸锭的裂纹抑制问题。

发明内容

针对大铸锭裂纹这个高合金化铝合金发展的瓶颈问题，以及现有技术的不足之处，本发明提供一种抑制高合金化铝合金方坯裂纹的方法与设备。

本发明所述的抑制高合金化铝合金方坯裂纹的是一种板坯电磁连铸结晶器。在结晶器水套内设有电磁线圈，线圈中施加低频电流，在结晶器中产生低频磁场，在铝熔体中产生感生电流，产生洛伦兹力，该力使铝合金熔体液面凸起，形成弯液面。同时在熔体内产生搅拌，改变常规DC铸造时熔体的流动方向，使熔体从中部向上沿液面向边部流动，且在结晶器壁处流动速度大幅度增加，使熔体与结晶器壁的换热速度增加，熔体温度降低到合金的液相线温度附近，且整个熔池内温度均匀，均在液相线温度附近，实现电磁过冷。电磁过冷导致1)液穴深度大幅度减低；2)铸锭横截面上的温差显著减少，3)中部冷却速度显著增加，4)板坯的边角部与中部的结晶速度差大幅度降低，5)结晶组织由于高过冷而显著细化，6)合金元素晶内高度固溶，晶界低熔点相(裂纹源)显著减少，7)合金元素宏观分布均匀，抑制了偏析瘤。

前4项导致板坯铸锭凝固时内应力显著降低，铸锭裂纹趋势降低；后3项可以提高铸锭的裂纹抗力，避免裂纹发生。

本发明的结晶器原理图见图1。结晶器水箱主要由外壁和内壁组成，电磁线圈置于水箱内，冷却水由进水管进入，为确保线圈被水充分覆盖，设置了挡水板。为了避免角部冷却强度过大，结晶器的大面和小面采用分别供水的方式。两个大面由一个主水管分别向大面两侧的入水管供水。两个小面由另一个供水管分别向两个小面两侧的入水管供水，大面的入水管进入到结晶器外壳，供给线圈的冷却用水及大面的冷却水。小面的入水管深入到小面的水腔，只供给小面的冷却用水，大小面的冷却水量可以分别控制。结晶器外壁由无磁性的奥氏体不锈钢，如1Cr18Ni9(Ti)304不锈钢组成。为减少电磁场在结晶器内壁的涡流损失，内壁用高电阻铝合金，如AlSiFe合金制造，线圈采用耐酸和碱的，表面附有高压绝缘膜的铜线制造，挡水板也是304不锈钢。在铸锭的角部半径较小时，如≤R30mm，为了减少电磁场在角部的叠加效应，可以在角部安装屏蔽体，屏蔽体采用纯铝或铜。经过滤净化的铝合金熔体，经过熔体分流器进入结晶器内的熔池。熔体分流器是由轻质耐火材料制作，例如中耐1号。为了防止分流器减缓熔体的流动和小面金属由于冷却过快而使该处流动速度减慢，分流器制成桥式，即中部高起，不与弯月面顶部接触，分流部位在伸到铸锭中心到小面的2/3处。熔体与结晶器内壁一接触，结晶开始。为防止熔体在结晶器内壁的一次冷却过强，而影响熔体的流动，内壁上贴有隔热膜。

这样熔体接触隔热膜下部的结晶器内壁结晶开始。施加低频电磁场后，电磁场产生洛伦兹力，水平方向的洛伦兹力使熔体表面凸起，形成弯月面。垂直方向的洛伦兹力与中心轴线有一个角度，产生搅拌力，该力使中部的熔体向上运动，沿熔体表面流动到结晶器壁，如图1中弯箭头所示的流动方向。由于在结晶器壁处流体的速度大幅度增加，因此此处换热加强，冷熔体又沿结晶器内壁流到熔池内，并且向铸锭中部流动。这种流动与常规DC铸造的流动方向相反。该流动导致熔体温度大幅度降低，且整个熔池内温度相对均匀，均在合金的液相线温度左右。由于熔池内温度场均匀，因此液穴深度降低，同时在横截面上，尤其在板坯的小面与中心的温度差显著降低。所以横截面上的结晶速度差减少，铸锭结晶后的内应显著降低，裂纹趋势显著减少。同时由于电磁场导致的弯月面使熔体与结晶器内壁的接触压力和接触面积减少，一次冷却强度降低，也可以使液穴深度降低。同时由于大量冷溶体进入熔池与过热熔体混合，因此产生强过冷，且由于熔体流动速度增加，合金过冷熔体中的大量异质形核的核心激活，合金组织可以显著细化，大量合金元素在晶内固溶，晶界处的低熔点相显著减少，且合金元素分布均匀，因此凝固后的合金高温强度和塑性增加，铸锭的抗裂纹能力增加。铸造内应力的降低和铸锭的组织细化共同导致铸锭裂纹的抑制。

采用该板坯电磁连铸结晶器进行铝合金铸造的方法如下：

首先将已熔化的铝合金液导入中间包或保温炉，精炼除气，将温度保持在预定温度，对于7000系合金，一般在710～750℃，保温一段时间，一般在15～30分，具体视熔体量而定。铸造开始前，首先向结晶器供水，标准冷却水量根据铸锭的断面积确定，然后启动低频电源，线圈的电流频率和强度根据铸锭的厚度估算，铸锭厚度在150～300mm频率为20～50Hz，磁场强度为10000～40000安匝，铸锭厚度在300mm以上到450mm时，频率为10～25Hz，磁场强度为50000～80000安匝，在电源频率和电流强度达到预定值时，打开中间包铝合金出水口，合金液经流槽进入结晶器，在结晶器中的铝合金液面达到结晶器高度的一半时，启动铸造机，铸造开始。铸造开始的水量一般控制在标准水量的50％左右，小面单位长度的冷却水量为大面的30～50％，当铸锭长度超过铸锭厚度时，冷却水量升到标准值。铸造开始时，铸造机起车速度要低，一般为正常铸造速度的50％，然后逐渐上升，铸锭长度达到铸锭厚度时升到正常值，施加电磁场的铸造速度可以比常规DC铸造速度提高20～50％。铸造过程中要确保液面稳定，液面的快速起伏是热裂的主要原因。铸造结束时首先关闭冷却水，待顶部滤液充分凝固后再停止电磁场。

本发明的高合金化板坯铸锭裂纹抑制的新方法和装备，主要特点为：

1、熔体在电磁场的作用下在结晶器内快速过冷，温度接近合金的液相线温度，且整个熔池内温度均匀，因此，液穴深度大幅度减低；铸锭横截面上的温差显著减少，板坯的边角部与中部的结晶速度差大幅度降低。导致铸锭结晶后内应力显著降低。导致铸锭的裂纹趋势降低。

2、熔体在电磁场的作用下在结晶器内快速过冷，结晶组织由于高过冷而显著细化，合金元素晶内高度固溶，晶界低熔点相显著减少，合金元素宏观分布均匀。导致铸锭抗裂纹的能力增强。

因此，采用本发明的方法和装备可以有效地抑制高合金化板坯的裂纹。

附图说明

图1为板坯电磁连铸结晶器主视结构原理图；

图2为结晶器的水箱俯视结构示意图；

图3为桥式分流器结构示意图，其中(a)为俯视图，(b)为主视图。

图中：1结晶器外壁，2电磁线圈，3小面入水口I，4结晶器内壁，5隔热膜，6熔体分流器，7熔池，8熔体，9挡水板，10屏蔽体，11出水口，12低频电源，13小面水腔I，14大面水腔I，15大面入水口II，16小面水腔II，17小面入水口II，18大面水腔II，19大面入水口I，20分流盘，21分流架，22分流脚。

具体实施方式

如图1、图2所示，本发明的板坯电磁连铸结晶器包括结晶器外壁1，电磁线圈2，小面入水口I 3，结晶器内壁4，隔热膜5，熔体分流器6，熔池7，挡水板9，屏蔽体10，出水口11，低频电源12，小面水腔I 13，大面水腔I 14，大面入水口II 15，小面水腔II 16，小面入水口II 17，大面水腔II 18，大面入水口I 19。结晶器水箱主要由结晶器外壁1和结晶器内壁4组成，电磁线圈2置于水箱内，电磁线圈2与低频电源12连接，冷却水由进水管进入，为确保线圈被水充分覆盖，在水箱内、外壁之间、电磁线圈2内侧设置了挡水板10。为了避免角部冷却强度过大，结晶器的大面和小面采用分别供水的方式。在两个大面两侧分别设置大面入水口I 19、大面入水口II 15，两个大面由一个主水管分别向在大面入水口I 19、大面入水口II 15供水。在两个小面两侧分别设置小面入水口I 3和小面入水口II 17，两个小面由另一个供水管分别向小面入水口I 3和小面入水口II 17供水，大面入水口I 19、大面入水口II 15进入到结晶器外壁1，分别与大面水腔I 14和大面水腔II 18连通，供给电磁线圈2的冷却用水及大面的冷却水。小面入水口I 3和小面入水口II 17分别深入到小面水腔I 13和小面水腔II 16，只供给小面的冷却用水。大小面的冷却水量可以分别控制。出水口11设置在结晶器外壁1的底部。结晶器外壁1由无磁性的奥氏体不锈钢，如1Cr18Ni9(Ti)304不锈钢制造。为减少电磁场在结晶器内壁4的涡流损失，结晶器内壁4用高电阻铝合金，如AlSiFe合金制造。电磁线圈2采用耐酸和碱的，表面附有高压绝缘膜的铜线制造。挡水板9也以304不锈钢制造。在铸锭的角部半径较小时，如≤R30mm，为了减少电磁场在角部的叠加效应，在水箱内、外壁之间、电磁线圈2内侧角部安装屏蔽体10，屏蔽体采用纯铝或铜。在结晶器上部铝合金熔体入口处设置熔体分流器6，熔体分流器6为桥式分流器，如图3所示，由分流盘20、分流架21、分流脚22构成。由经过滤净化的铝合金熔体，经过熔体分流器6进入结晶器内的熔池8。熔体分流器6是由轻质耐火材料制作，例如中耐1号。为了防止熔体分流器6减缓熔体的流动和小面金属由于冷却过快而使该处流动速度减慢，熔体分流器6制成桥式，即中部分流盘20高起，不与弯月面顶部接触，分流架21与分流盘20所在平面成330°角度。分流部位在伸到铸锭中心到小面的2/3处，即分流脚22处。熔体8与结晶器内壁4一接触，结晶开始。为防止熔体8在结晶器内壁4的一次冷却过强，而影响熔体的流动，结晶器内壁4内侧上贴有隔热膜5。

采用该设备进行铝合金板坯低频电磁场半连续铸造的实施例如下。

实施例1

7055铝合金板坯低频电磁场半连续铸造：

试验7055铝合金化学成分(wt％)

Zn	Mg	Cu	Zr	Mn	Fe	Si	Al
								8.0～8.3	2.0～2.3	2.0～2.3	0.12～0.15	[0.05	[0.10	[0.08	余量

铸锭尺寸：200×600×1600mm角部半径R40mm，不屏蔽

铸造条件：浇铸温度710～725℃，铸造速度，40mm/min，冷却水流量：大面：120升/分钟，小面：60升/分钟，纯铝铺底。

电磁场条件：频率20Hz，，电磁场强度：25000安匝

7055合金低频电磁铸造组织与传统DC铸造组织比较

铸造方法	晶粒尺寸mm	晶粒形状	晶内Zn含量wt％	裂纹率％	合金元素偏析率％＊	表面
							DC	0.3～1	柱状、	1.8～2.9	冷裂	45	大偏析

		枝晶		88		瘤，冷隔
							低频电磁	0.08～0.15	等轴	4.3～6.8	0	23	点状偏析瘤，无冷隔

合金元素偏析率：[合金元素最高处(小面表面)-最低处(中心)]/平均值

实施例2

7050铝合金低频电磁场半连续铸造：

试验7050铝合金化学成分(wt％)

Zn	Mg	Cu	Zr	Mn	Fe	Si	Al
								6.1～6.5	2.0～2.4	2.1～24	0.12～0.14	[0.15	[0.15	[0.10	余量

铸锭尺寸：200×600×1600mm角部半径R40mm，不屏蔽

铸造条件：浇铸温度710～725℃，铸造速度，45mm/min，冷却水流量：大面：120升/分钟，小面：60升/分钟，纯铝铺底。

电磁场条件：频率25Hz，电磁场强度：30000安匝

7050合金低频电磁铸造组织与传统DC铸造比较

铸造方法	晶粒尺寸mm	晶粒形状	晶内Zn含量％	裂纹率％	合金元素偏析率％＊	表面
							DC	0.5～0.9	柱状、枝晶	1.5～2.7	冷裂76	33	大偏析瘤，冷隔
低频电磁	0.06～0.12	等轴	4.3～5.8	0	19	点状偏析瘤，无冷隔

实施例3

超高强铝合金低频电磁场半连续铸造

试验超高强铝合金化学成分

Zn	Mg	Cu	Zr	Fe	Si	Al
							9.2～9.8	2.4～2.8	2.0～2.3	0.13～0.15	[0.15	[0.1	余量

铸锭尺寸：150×400×1600mm  角部半径R20mm，纯铝屏蔽

铸造条件：浇铸温度700～720℃，铸造速度，60mm/min，冷却水量：冷却水流量：

大面：60升/分钟，小面：30升/分钟，纯铝铺底。

电磁场条件：频率30Hz，电磁场强度：20000安匝

超高强合金低频电磁铸造组织与传统DC铸造比较

铸造方法	晶粒尺寸	晶粒形状	晶内Zn含量	裂纹	合金元素偏析率％＊	表面
							DC	0.3～0.6mm	柱状、枝晶	3.5～4.7％	冷裂92％	45	大偏析瘤，冷隔
低频电磁	0.05～0.08	等轴	7.3～8.8	5	22	点状偏析瘤，无冷隔

可见采用低频电磁半连续铸造后，超高强铝合金晶粒明显细化，晶内合金元素固溶度明显提高，表面偏析瘤等缺陷消除，铸锭裂纹抑制。

Claims (4)

1.一种抑制高合金化铝合金方坯裂纹的设备，包括结晶器外壁(1)，电磁线圈(2)，结晶器内壁(4)，  熔池(7)，低频电源(12)，其特征在于电磁线圈(2)置于由结晶器外壁(1)和结晶器内壁(4)构成的水箱内，在水箱内、外壁之间、电磁线圈(2)内侧设置挡水板(9)，在两个大面两侧分别设置大面入水口I(19)、大面入水口II(15)，在两个小面两侧分别设置小面入水口I(3)和小面入水口II(17)，大面入水口I(19)、大面入水口II(15)进入到结晶器外壁(1)内，分别与大面水腔I(14)和大面水腔II(18)连通，小面入水口I(3)和小面入水口II(17)分别深入到小面水腔I(13)和小面水腔II(16)内，出水口(11)设置在结晶器外壁(1)的底部，在水箱内、外壁之间、电磁线圈(2)内侧角部安装屏蔽体(10)，在结晶器上部铝合金熔体入口处设置熔体分流器(6)，结晶器内壁(4)内侧上贴有隔热膜(5)。

2.按照权利要求1所述的抑制高合金化铝合金方坯裂纹的设备，其特征在于熔体分流器(6)为桥式分流器，由分流盘(20)、分流架(21)、分流脚(22)构成，中部分流盘(20)高起，分流架(21)与分流盘(20)所在平面成330°角度，分流部位在伸到铸锭中心到小面的2/3处，即分流脚(22)处。

3.利用权利要求1所述的设备抑制高合金化铝合金方坯裂纹的方法，其特征在于工艺流程为：

首先将已熔化的铝合金液导入中间包或保温炉，精炼除气，将温度保持在预定温度，对于7000系合金，为710～750℃，保温15～30分，铸造开始前，首先向结晶器供水，然后启动低频电源，在电源频率和电流强度达到预定值时，打开中间包铝合金出水口，合金液经溜槽进入结晶器，在结晶器中的铝合金液面达到结晶器高度的一半时，启动铸造机，铸造开始，铸造开始的水量控制在标准水量的50％左右，小面单位长度的冷却水量为大面的30～50％，当铸锭长度超过铸锭厚度时，冷却水量升到标准值，铸造开始时，铸造机起车速度为正常铸造速度的50％，然后逐渐上升，铸锭长度达到铸锭厚度时升到正常值，铸造过程中确保液面稳定，铸造结束时首先关闭冷却水，待顶部滤液充分凝固后再停止电磁场。

4.按照权利要求3所述的方法，其特征在于线圈的电流频率和强度根据铸锭的厚度估算，铸锭厚度在150～300mm频率为20～50Hz，磁场强度为10000～40000安匝，铸锭厚度在300mm～450mm时，频率为10～25Hz，磁场强度为50000～80000安匝。

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