CN101745627A - 多层异种铝合金同步复合铸造装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种多层异种铝合金同步复合铸造装置，在结晶器内部设置冷却隔板，将结晶器分隔为芯层凝固区和包覆层凝固区；所述冷却隔板为空腔式结构，上部开有进水孔和出水孔，下部为双锥面形状；所述引锭底座采用非等高设计，包含芯层凝固区部分和包覆层凝固区部分，包覆层凝固区部分的高度高于芯层凝固区部分的高度，且芯层凝固区部分呈内凹曲面；在所述结晶器上侧设有注油孔和油腔，铸造中通过油腔向复合铸锭表面供给连续润滑油。应用此装置进行复合铸造时，首先铸造熔点高的合金，再铸造熔点低的合金，并最终同步铸造多种复合铝合金铸锭。

Description

多层异种铝合金同步复合铸造装置

技术领域

本发明涉及一种多层异种铝合金同步复合铸造装置，属于铝合金半连续铸造技术领域。

背景技术

铝合金双金属或三层金属复合板材是制造散热器、热交换器的重要材料，广泛应用于汽车、空调、制氧机等行业，市场前景极为广阔。目前我国铝合金复合板材采用的生产工艺过程是首先通过直接水冷半连续铸造的方式制备芯层和包覆层铸锭坯料，并分别对芯层、包覆层铸锭进行铣面、热轧、剪切、酸洗、碱洗等相关处理，最后通过热轧复合的方式来生产铝合金复合板材。

采用这种热轧复合工艺制备铝合金复合板不仅生产周期长、工序多、劳动强度大，而且在芯层和包覆层的轧制复合过程中复合界面易氧化、金属复合层结合强度低。针对当前铝合金复合板生产工艺存在的不足，Novelis公司开发了铝合金复合扁铸锭同步铸造技术并投入了商业化运营，是在金属直接水冷半连续铸造的过程中直接浇铸芯层和包覆层金属，使其在半固态状态下实现冶金焊合并直接铸造成双层或三层合金锭，然后对该复合铸锭进行热轧和冷轧来生产铝合金复合板材，生产成本大幅度下降。

铝合金复合扁锭同步铸造技术是国外新开发的一种先进铝合金半连续铸造技术，相关工艺和技术核心处于绝对保密状态。

发明内容

本发明的目的是为了解决铝合金扁铸锭同步复合铸造技术的难题，提供一种多层异种铝合金同步复合铸造装置，能够有效简化复合铝板制备工艺，实现同时铸造多层异种铝合金扁铸锭。

本发明的目的通过以下技术方案来实现：

多层异种铝合金同步复合铸造装置，包括结晶器和引锭底座，特点是：在结晶器内部设置冷却隔板，将结晶器分隔为芯层凝固区和包覆层凝固区；所述冷却隔板为空腔式结构，上部开有进水孔和出水孔，下部为双锥面形状；所述引锭底座采用非等高设计，包含芯层凝固区部分和包覆层凝固区部分，包覆层凝固区部分的高度高于芯层凝固区部分的高度，且芯层凝固区部分呈内凹曲面；在所述结晶器上侧设有注油孔和油腔，铸造中通过油腔向复合铸锭表面供给连续润滑油。

进一步地，上述的多层异种铝合金同步复合铸造装置，所述冷却隔板的材质为石墨。

更进一步地，上述的多层异种铝合金同步复合铸造装置，与熔体相接触的结晶器内壁呈锥面结构。

本发明技术方案突出的实质性特点和显著的进步主要体现在：

本发明提供了多层异种铝合金同步复合铸造装置，实现同时浇铸多种铝合金并实现同步复合铸造工艺，大大简化铝合金复合板材制备流程。应用此装置进行复合铸造时，先铸造熔点高的合金，再铸造熔点低的合金，最终同步铸造多种复合铝合金铸锭；产生了极为良好的经济效益，应用前景十分广阔。

附图说明

下面结合附图对本发明技术方案作进一步说明：

图1：双层异种铝合金同步复合铸造的结构原理示意图；

图2：三层异种铝合金同步复合铸造的结构原理示意图；

图3：冷却隔板的结构示意图；

图4：图3的剖视图。

图中各附图标记的含义见下表：

附图标记	含义	附图标记	含义	附图标记	含义
						1	包覆层熔池	2	芯层熔池	3	测温电偶
4	控流塞棒	5	冷却隔板	6	结晶器
						7	注油孔	8	结晶器内壁	9	润滑油
10	冷却水	11	包覆层熔体	12	芯层熔体
						13	复合铸锭	14	复合结合层	15	引锭底座
16	冷却隔板本体	17	进水孔	18	出水孔
						19	小角度锥面	20	大角度锥面

具体实施方式

多层异种铝合金同步复合铸造的工艺是：首先铸造熔点高的合金铸锭，待高熔点的铸锭凝固至一定温度下并具有一定的强度后再铸造熔点低的合金铸锭，两层铸锭在热状态下实现液固冶金结合，并共同在结晶器系统中的二次水冷条件下同时凝固成复合铸锭。该复合铸锭可采用生产普通同质铝合金板的工艺直接进行热处理和轧制变形。

为实现多层异种铝合金同步复合铸造过程，本发明设计了多层异种铝合金同步复合铸造装置。与普通铝合金直冷式半连续铸造不同，本发明在结晶器内部镶嵌双锥度空腔式冷却隔板，该冷却隔板由导热性能高、并具自润滑性能的高纯石墨制成。结晶器系统采用冷却水向铸锭提供一次冷却和二次冷却，结晶器顶部设计一个独立油腔，铸造过程中对复合铸锭实施连续润滑。结晶器内部铸造金属区被冷却隔板分割成彼此独立的两个铸造凝固区，即芯层凝固区和包覆层凝固区。铸造过程中芯层铸锭和包覆层铸锭均在各自区域内受到结晶器内壁或冷却隔板的一次冷却以及出结晶器后的二次直接水冷作用。通过控制冷却隔板的冷却强度、铸造速度以及金属的铸造温度来控制金属复合层的结合温度，从而实现异种铝合金铸锭的牢固冶金结合，防止在后续变形过程中结合层开裂。为达到复合铸造初期的金属液面控制，引锭底座采用非等高设计，即采用包覆层区域高、芯层区域低的结构形式，并且芯层部分设计成内凹曲面，内凹曲面的形状与芯层金属凝固液穴的形状相近似，以有利于复合铸造过程的稳定实现，并防止因铸锭底部翘曲而发生开裂。该装置可满足双层异种铝合金和三层异种铝合金同时复合铸造的需求。

如图1所示的双层异种铝合金同步复合铸造装置，主要由结晶器6、冷却隔板5及引锭底座15三部分组成，冷却隔板5设置在结晶器6内部，将结晶器6分隔为芯层凝固区和包覆层凝固区。冷却隔板5呈空腔式结构，结合图3～4，冷却隔板本体16的上部开有进水孔17和出水孔18，内部空腔通冷却水，下部为双锥面形状，分为小角度锥面19和大角度锥面20；依靠循环水对铸锭实施一次冷却，冷却隔板的冷却能力可根据工艺需要和金属的凝固性质进行在线调节。引锭底座15采用非等高设计，包含芯层凝固区部分和包覆层凝固区部分，包覆层凝固区部分的高度高于芯层凝固区部分的高度，且芯层凝固区部分呈内凹曲面；在结晶器6上侧设有注油孔7和油腔，铸造中通过油腔向复合铸锭表面供给连续润滑油9。

双层异种铝合金同步复合铸造时，包覆层和芯层液态金属分别贮存于包覆层熔池1和芯层熔池2，测温电偶3监测熔体温度，通过控流塞棒4的上下移动分别控制两熔池内金属液的流量。塞棒顶端和熔池出口均设计成锥形结构，以实现流量的精确控制。同步复合铸造开始前，引锭底座15置于结晶器6底端，为了先实现熔点较高的芯层金属铸造，引锭底座15中心设计成内凹曲面，内凹曲面形状与芯层金属液穴形状相当，而包覆层部分引锭底座高度高于芯层部分，这样在铸造开始时包覆层引锭底座部分能够进入结晶器内壁和冷却隔板之间，既保证芯层铸锭的顺利凝固，又有利于包覆层液态金属的初期凝固。铸造过程开始后，芯层熔体12首先进入结晶器，引锭底座15下移，待芯层金属凝固并具有一定强度后，包覆层控流塞棒开启，包覆层熔体11同时进入结晶器6，形成交界面的均匀冶金复合结合层14，实现复合铸锭13的同时凝固成形。结晶器6上沿设计有油腔和注油孔7，铸造时结晶器上侧油腔内的润滑油连续均匀地沿着结晶器内壁8下滑，在液态金属和结晶器内壁间形成一层连续油膜，起到减小铸锭一次冷却、增加润滑、提高铸锭表面质量的目的。此外，双层异种金属复合铸造时与芯层金属相接触的结晶器内壁8为锥面，以再次减小芯层铸锭的一次冷却强度并降低熔融金属与结晶器内壁的摩擦阻力，而与包覆层接触的结晶器内壁由于液面较低，接触范围较窄，此侧的结晶器内壁可采用锥面设计，也可采用直面设计。冷却隔板5采用内部空腔的结构，由高纯石墨加工而成，内部通水冷却；铸造时通过进水孔17和出水孔18对冷却隔板进行循环冷却，通过控制铸造循环冷却水流量和温度调节冷却隔板的冷却能力。同时，根据熔融金属的凝固特点，冷却隔板与芯层熔体接触的部分采用双锥面设计，分为小角度锥面19和大角度锥面20，采用双锥面设计的冷却隔板在保证芯层金属足够冷却强度的同时能够改善芯层金属凝固后的表面质量，有利于复合结合层14的均匀性。

采用本发明装置进行三层异种铝合金同步铸造时，如图2所示，该铸造工艺装置与上述双层异种铝合金复合同步铸造装置相似。先铸造熔点高的芯层金属，然后铸造熔点较低的包覆层金属。与双层复合铸造不同的是三层金属复合铸造时，中间的芯层金属完全在两侧冷却隔板5的一次冷却作用下凝固成形，冷却隔板5的冷却能力根据金属的凝固性质调节。此外，由于三层金属复合铸造时与结晶器内壁接触的包覆层金属液面较低，因此结晶器内壁8可采用锥面内壁，也可采用直面内壁。

综上所述，本发明进行双层异种铝合金复合铸造时，由熔池和控流塞棒向结晶器内浇铸熔点高的金属，芯层金属通过结晶器内壁和冷却隔板的一次冷却作用首先凝固成形，当芯层金属凝固至一定温度后，包覆层熔池1内的控流塞棒4打开，向结晶器6内缓慢注入包覆层金属，在注入的过程中精确控制包覆层金属的液面高度始终保持在冷却隔板5之下，即芯层金属在冷却隔板5的一次冷却作用下凝固成形，而包覆层金属靠结晶器内壁的一次冷却和芯层金属的凝壳凝固成形。随着铸造过程的进行，双层异种铝合金铸锭逐渐离开结晶器并在结晶器内冷却水的二次冷却作用下同时凝固成复合铸锭。在进行多层异种铝合金同步复合铸造过程中需精确控制芯层和包覆层金属的液面高度和冷却隔板的冷却强度，既要保证芯层金属具有一定的强度，能够对包覆层金属形成有力支撑，同时又不能使芯层金属冷却过快而完全凝固，以保证金属复合界面的结合强度。三层异种铝合金复合铸造工艺过程与上述过程类似，但芯层金属的一次冷却过程完全由冷却隔板提供，因此，三层复合铸造时冷却隔板的冷却能力根据铸造工艺和金属凝固特性在线进行调节。

以上仅是本发明的具体应用范例，对本发明的保护范围不构成任何限制。凡采用等同变换或者等效替换而形成的技术方案，均落在本发明权利保护范围之内。

Claims (3)

1.多层异种铝合金同步复合铸造装置，包括结晶器和引锭底座，其特征在于：在结晶器内部设置冷却隔板，将结晶器分隔为芯层凝固区和包覆层凝固区；所述冷却隔板为空腔式结构，上部开有进水孔和出水孔，下部为双锥面形状；所述引锭底座采用非等高设计，包含芯层凝固区部分和包覆层凝固区部分，包覆层凝固区部分的高度高于芯层凝固区部分的高度，且芯层凝固区部分呈内凹曲面；在所述结晶器上侧设有注油孔和油腔，铸造中通过油腔向复合铸锭表面供给连续润滑油。

2.根据权利要求1所述的多层异种铝合金同步复合铸造装置，其特征在于：所述冷却隔板的材质为石墨。

3.根据权利要求1所述的多层异种铝合金同步复合铸造装置，其特征在于：结晶器上与熔体相接触的内壁呈锥面结构。

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