CN102806323B

CN102806323B - 一种生产铝合金空心铸锭的设备及其使用方法

Info

Publication number: CN102806323B
Application number: CN201210255198.9A
Authority: CN
Inventors: 张海涛; 崔建忠; 秦克
Original assignee: Northeastern University China
Current assignee: Northeastern University China
Priority date: 2012-07-23
Filing date: 2012-07-23
Publication date: 2014-11-05
Anticipated expiration: 2032-07-23
Also published as: CN102806323A

Abstract

本发明涉及铝合金技术领域，具体涉及一种生产铝合金空心铸锭的设备及其使用方法。本发明的一种生产铝合金空心铸锭的设备，包括芯模，结晶器，支架，引锭，其中芯模位于结晶器中心，并且芯模与结晶器同心，设置在结晶器上的支架用于支撑芯模，引锭设置在芯模下部，芯模与结晶器中间的空间为型腔，所述的芯模设计成上大下小的锥度，其锥度大小为1°～30°，芯模中设置冷却系统和润滑系统，所述的结晶器的铝套内的水腔中设置线圈，并且结晶器上设置有分流器和挡块；本发明一种生产铝合金空心铸锭的设备及方法，减小了铝合金空心铸造过程中铸锭与芯模之间摩擦力，避免了抱芯和拉漏现象的产生。

Description

一种生产铝合金空心铸锭的设备及其使用方法

技术领域

本发明涉及铝合金技术领域，具体涉及一种生产铝合金空心铸锭的设备及其使用方法。

背景技术

铝合金管材在电力，建筑等行业得到广泛的应用，其主要生产方式主要有两种：

1.铸造生产实心铸锭，通过轧制或挤压生产出管材，但是这样的生产工艺工序多，金属利用率低；

2.铸造生产空心铸锭，通过挤压获得管材，其工艺工序少，金属利用率高。

因此铸造生产空心铸锭是生产铝合金管材的首选工艺。目前生产铝合金空心铸锭的主要方法是半连续铸造。半连续铸造设备通常由芯模，结晶器和引锭所组成。在铸造开始时将铝合金熔体浇注到芯模，结晶器和引锭所组成的型腔内，然后引锭向下移动，铸锭从结晶器被拽出，同时二冷水碰到铸锭上进一步冷却，构成一个连续的过程。所以，铝合金半连续铸造具有设备简单，投资少的生产工艺。但是，目前生产过程用仍然存在着很多问题，其中最严重的两个问题是：抱芯和拉漏。

抱芯，现有生产空心铸锭的芯模，通有二冷水，当空心铸锭被拽出结晶器时，其内表面接触二冷水后，迅速凝固收缩，紧紧的抱住芯模，使铸锭不能被拉出结晶器，铸造不能进行下去。这种严重的问题导致，空心铸锭生产不能像实心铸锭那样可以同时生产多根铸锭，只能单根生产，大大降低了生产效率。这个问题多发生在凝固收缩大的合金，如7XXX，2XXX铝合金。

拉漏，它的产生过程同抱芯相似，但不同的是铸锭被拽出结晶器后没有包住芯模，而是铸锭内表面形成的凝固壳由于与芯模摩擦力较大而被拉断，导致在熔池内的铝熔体泄露，泄露的铝熔体很容易和二冷水接触发生爆炸，另外，泄露的熔体也很容易堵住空心铸锭的内孔，使芯模二冷水不能留下，上返到熔池内，发生严重的爆炸。这个问题多发生在凝固收缩小的合金，如铝硅合金。

无论是抱芯还是拉漏都是由于合金在凝固过程中冷却收缩导致铸锭与芯模之间摩擦力大造成的。因此为了解决这两个问题，就要减小摩擦力，这就是本发明的出发点。

发明内容

本发明的目的是针对现有技术存在的不足，提供一种生产铝合金空心铸锭的设备及方法，减小了铝合金空心铸造过程中铸锭与芯模之间摩擦力，避免了抱芯和拉漏现象的产生。

本发明的一种生产铝合金空心铸锭的设备，包括芯模，结晶器，支架，引锭，其中芯模位于结晶器中心，并且芯模与结晶器同心，设置在结晶器上的支架用于支撑芯模，引锭设置在芯模下部，芯模与结晶器中间的空间为型腔，所述的芯模设计成上大下小的锥度，其锥度大小为1^o～30^o，芯模中设置冷却系统和润滑系统，所述的结晶器的铝套内的水腔中设置线圈，并且结晶器上设置有分流器和挡块；

所述的芯模的冷却系统包括入水管，出水管，转接器，芯模水腔，水道，其中入水管连接芯模水腔，芯模水腔通过水道连接到转接器，转接器连接出水管；

所述的水道由水道导磁材料部分和水道不锈钢部分组成；

所述的润滑系统包括入油管，油盖，铜套，油腔，油孔，其中入油管连接到油腔，油腔上设置有油盖，设置在油腔中的油孔与铜套外壁连接；

所述的铜套的材质为紫铜或铜铬合金；

所述的结晶器包括热顶，铝套，石墨环，线圈，水腔，分流器，挡块，流道，其中热顶与石墨环连接，水腔设置在铝套内部，水腔内设置有线圈，在流道与分流器中间设置有挡块；

所述的线圈的材质为耐水耐压扁铜线；

所述的分流器上设置有分流孔。

一种生产铝合金空心铸锭的设备的使用方法，按如下步骤进行：铸造前将线圈通以低频交流电，产生低频电磁场，电磁场频率5～45Hz，电磁场强度5000At～50000At，然后将熔体浇注到流道中，熔体在进入分流器前接触分流器入口处的挡块，熔体被挡块挡住后沿周向通过分流器的分流孔被均匀地分配到型腔内，型腔内上部分由热顶储存熔体，下部分由结晶器的石墨环和冷却系统将液态合金凝固为空心铸锭，浇注温度710～900℃，铸造速度50～300mm/min，结晶器水流量为50-300l/（min·m）,芯模水流量为10-100 l/（min·m），冷却过程中通过设计的润滑系统进一步防止铸造过程中的抱芯与拉漏现象，同时通过调整芯模的高位置，达到控制芯模出口与液穴根部距离为小于芯模总高度的二分之一，当液穴根部高于芯模出口的距离为二分之一芯模高度时，抱芯将发生；当液穴根部低于芯模出口的距离为二分之一芯模高度时，拉漏将发生；

所述的芯模出口与液穴根部距离最佳为小于芯模总高度的四分之一；

所述的一种生产铝合金空心铸锭的设备的使用方法，采用同水平浇注多根铸造的方式，当熔体通过流道进入分流器时，熔体被挡块挡住后沿周向进入分流器中，进入分流器后熔体通过分流孔被均匀地分配到型腔内。

与现用技术相比，本发明的特点及其有益效果是：

1.通过电磁场控制熔体流动，控制温度分布，进而控制抱芯和拉漏并控制组织形成：在结晶器水腔内设置电磁线圈，线圈中施加低频电流，这样在结晶器中就会产生低频电磁场，在铝熔体中产生感生电流，电流与磁场相互作用下产生一个洛伦兹力。由于铸锭与结晶器几何形状在垂直方向的不对称性，使得磁力线相对于铸锭的中心线发生了显著的偏转，导致熔体内部Lorentz力的时间平均值同时存在垂直分量和水平分量。其中水平分量为与金属静压力梯度平衡的有势力，而垂直分量为有旋力场，起到了搅拌熔体的作用。Lorentz力水平分量使得熔体自由表面形成凸起的弯月形，从而减小了熔体与结晶器接触高度和接触压力，实现了所谓的软接触，改变了一次冷却区热通量的大小与分布情况，起到了减弱一次冷却强度的作用，使初生凝固壳形成位置下降，表面渗出现象减弱。Lorentz力垂直分量形成的有旋力场起到了电磁搅拌的作用，流动场与无心感应炉中熔融金属的流动场类似，测量表明熔体内部的温度场受到电磁搅拌的强烈影响，有旋分量产生的强迫对流将中心区域的过热熔体带向铸锭的边缘区域，因此消除了中心区域的局部过热，减小整个液相区内温度差，使熔体温度低于液相线温度。对于具有较宽结晶温度区间的合金，两相区可能扩展到整个液相区，强迫对流将初生凝固壳处形成的枝晶臂熔断并带入液穴内部形成异质结晶核心，起到了晶粒细化和抑制枝晶生长的作用，铸锭由均匀细小的近球形和蔷薇型微观组织构成；

另外，由于芯模上的出水管部分由导磁材料制成，这将改变整个空间的磁场分布，从而改变熔体的流动。当水道导磁材料部分高于熔体液面时，熔体流动方向为沿石墨环向下，经过凝固前沿，最后沿铜套向上。当水道导磁材料部分低于熔体液面时，熔体流动方向相反。这就提供两种电磁场控制熔体流动，对于第一种流动，可用于低收缩系数的铝合金，如铝硅合金，这是由于这种低膨胀系数的合金，抱芯和拉漏的可能性低，为了提高效率就需要芯模处凝固壳厚，这样可以提高铸造速度，因此要控制热熔体先到达结晶器臂。而对于那些热收缩系数较高的铝合金，如2XXX，7XXX，采用了相反的流动方向，这样热熔体就可以先到达芯模壁，这样就可以使芯模处凝固壳薄，从而减少收缩量，进而降低抱芯和拉漏的可能性。

2.降低芯模与铸锭之间的摩擦力：

虽然抱芯和拉漏本质都是由于合金在凝固和冷却过程的收缩导致的，但是芯模和铸锭之间的摩擦力也是影响这两个问题的重要因素，因此，本发明一个特征就是基于这个出发点。为了降低芯模和铸锭之间的摩擦力，本发明将芯模的铜套外臂设计成带有锥度（上大下小）并且铜模被油连续润滑，铜模由紫铜或Cu-Cr合金制作。

3.（如图7）空心铸锭生成中之所以不能像实心铸锭那样进行多根铸造主要有两个原因，第一，一根铸锭发生抱芯后，整个铸造不能进行；第二，没有合理的分流使得，熔池内和铸锭上沿周向温度不均，造成拉漏现象。为了实现多根铸造，本发明采用同水平浇注，然后熔体在进入分流器前接触分流器入口处的挡块，熔体被挡块被阻挡后沿周向进入分流器中，进入分流器后熔体被均匀地分配到型腔内。

4.芯模出口与液穴根部距离控制在一定范围内：

空心铸锭能够顺利铸造的关键是其内表面，内表面既不能拉漏又不能发生抱芯。因此，如何控制凝固壳的状态成为关键。本发明提供了一种新方法，来控制铸锭内表面出凝固壳，其控制方法是：通过调整芯模来控制芯模出口与液穴根部距离，使其距离小于芯模总高度二分之一。当液穴根部高于芯模出口距离为二分之一芯模高度时，抱芯将发生；当液穴根部低于芯模出口距离为二分之一芯模高度时，拉漏将发生。

附图说明

图1：本发明的一种生产铝合金空心铸锭的设备的主视图；

图2：铝合金空心铸锭铸造过程示意图；

图3：本发明的一种生产铝合金空心铸锭的设备的结晶器主视图；

图4：铝合金空心铸锭铸造过程中熔体分配示意图；

图5：本发明的一种生产铝合金空心铸锭的设备的芯模主视图；

图6：铝合金空心铸锭铸造过程中芯模出口与液穴根部距离对拉漏和抱芯影响示意图；

图7：铝合金空心铸锭多跟空心同水平铸造过程示意图，

图8：铝合金空心铸锭A390组织照片；

图9：铝合金空心铸锭6063铸锭组织照片；

图10：铝合金空心铸锭7075铸锭组织照片；

其中1芯模，2结晶器，3支架，4引锭，5型腔，11入水管，12出水管，13转接器，14入油管，15油盖，16铜套，17热顶，18压盖，19水道导磁材料部分，110水道不锈钢部分，111芯模水腔，112水道，113油腔，114油孔, 115芯模出口，21热顶，22铝套，23石墨环，24线圈，25水腔，26分流器，27挡块，28分流孔，29二冷水，31流道，32熔体，33液面，34液穴，35液穴根部，36空心铸锭，37过滤箱。

具体实施方式

下面结合实施例和说明书附图对本发明作详细说明，但本发明的保护范围不仅限于下述的实施例：

下述实施例采用的一种生产铝合金空心铸锭的设备，包括芯模1，结晶器2，支架3，引锭4，其中芯模1位于结晶器2中心，并且芯模1与结晶器2同心，设置在结晶器2上的支架3用于支撑芯模1，引锭4设置在芯模1下部，芯模1与结晶器2中间的空间为型腔5，其特征在于所述的芯模1设计成上大下小的锥度，其锥度大小为1^o～30^o，芯模1中设置冷却系统和润滑系统，所述的结晶器2的铝套内的水腔25中设置线圈24，并且结晶器2上设置有分流器26和挡块27；

所述的芯模1的冷却系统包括入水管11，出水管12，转接器13，芯模水腔111，水道112，其中入水管11连接芯模水腔111，芯模水腔通过水道112连接到转接器13，转接器13连接出水管12（如图5）；

所述的水道112由水道导磁材料部分19和水道不锈钢部分110组成；

所述的润滑系统包括入油管14，油盖15，铜套16，油腔113，油孔114，其中入油管14连接到油腔113，油腔113上设置有油盖15，设置在油腔113中的油孔114与铜套16外壁连接；

所述的铜套16的材质为紫铜或铜铬合金；

所述的结晶器2包括热顶21，铝套22，石墨环23，线圈24，水腔25，分流器26，挡块27，流道31，其中热顶21与石墨环23连接，水腔25设置在铝套22内部，水腔25内设置有线圈24，在流道31与分流器26中间设置有挡块27（如图3）；

所述的线圈24的材质为耐水耐压扁铜线；

所述的分流器26上设置有分流孔28。

实施例1：A390空心铸锭电磁半连续铸造

A390合金成分如下表所列：

A390合金成分（wt%）

Si	Mg	Cu	Mn	Fe	Al
						16.0～18.0	0.45～0.65	4.0～5.0	0.10	0.05	余量

设备条件：结晶器为Φ210mm，芯模为Φ60mm高为60mm，锥度为1^o；

（如图2）铸造前将线圈24通以低频交流电，产生低频电磁场，电磁场频率45Hz，电磁场强度5000At，然后将熔体32浇注到流道31中，熔体32在进入分流器26前接触分流器26入口处的挡块27，熔体32被挡块27挡住后沿周向通过分流器26的分流孔28被均匀地分配到型腔5内（如图4），型腔5内上部分由热顶21储存熔体32，下部分由结晶器2的石墨环23和冷却系统将液态合金凝固为空心铸锭36，浇注温度900℃，铸造速度300mm/min，结晶器水流量为300l/（min·m）,芯模水流量为100 l/（min·m），冷却过程中通过设计的润滑系统进一步防止铸造过程中的抱芯与拉漏现象，（如图6）同时通过调整芯模（1）的高度，使液穴根部低于芯模出口20mm，得到的铸锭尺寸为Φ207/Φ60×4000；

通过本发明的方法获得的铸锭，没有发生抱芯和拉漏现象，内表面光滑，内部组织细小均匀，如图8所示。

实施例2：6063空心铸锭电磁半连续铸造

6063合金成分如下表所列：

6063合金成分（wt%）

Si	Mg	Cu	Mn	Fe	Al
						0.2～0.6	0.45～0.9	0.1	0.10	0.35	余量

设备条件：结晶器为Φ315mm，芯模为Φ270mm高为50mm，锥度为8^o；

电磁场条件：线圈中心与液面相对位置为80mm，芯模出水管导磁部分高于液面10mm，电磁场频率为20Hz，电磁场强度为40000安匝；

铸造条件：浇注温度800℃，铸造速度130mm/min；冷却水流量，结晶器140l/（min·m），芯模60 l/（min·m）；液穴根部低于芯模出口15mm；

铸锭尺寸：Φ305/Φ270×4000；

通过本发明的方法获得的铸锭，没有发生抱芯和拉漏现象。内表面光滑，内部组织细小均匀，如图9所示。

实施例3：7075 空心铸锭电磁半连续铸造

7075合金成分如下表所列：

7075合金成分（wt%）

Zn

Mg

Cu

Cr

Mn

Fe

Si

Al

5.1～6.1

2.1～2.9

1.2～2.0

0.18～0.28

0.30

0.5

余量

设备条件：结晶器为Φ395mm，芯模为Φ300mm高为70mm，锥度为30^o；

电磁场条件：线圈中心与液面相对位置为80mm，芯模出水管导磁部分高于液面20mm，电磁场频率为5Hz，电磁场强度为50000安匝；

铸造条件：浇注温度710℃，铸造速度50mm/min；冷却水流量，结晶器50 l/（min·m），芯模10 l/（min·m）；液穴根部低于芯模出口30mm；

铸锭尺寸：Φ387/Φ300×4000；

通过本发明的方法获得的铸锭，没有发生抱芯和拉漏现象。内表面光滑，内部组织细小均匀，如图10所示。

Claims

1.一种生产铝合金空心铸锭的设备，包括芯模（1），结晶器（2），支架（3），引锭（4），其中芯模（1）位于结晶器（2）中心，并且芯模（1）与结晶器（2）同心，设置在结晶器（2）上的支架（3）用于支撑芯模（1），引锭（4）设置在芯模（1）下部，芯模（1）与结晶器（2）中间的空间为型腔（5），其特征在于所述的芯模（1）设计成上大下小的锥度，其锥度大小为1o～30o，芯模（1）中设置冷却系统和润滑系统，所述的结晶器（2）的铝套内的水腔（25）中设置线圈（24），并且结晶器（2）上设置有分流器（26）和挡块（27）；

所述的芯模（1）的冷却系统包括入水管（11），出水管（12），转接器（13），芯模水腔（111），水道（112），其中入水管（11）连接芯模水腔（111），芯模水腔通过水道（112）连接到转接器（13），转接器（13）连接出水管（12）；

所述的润滑系统包括入油管（14），油盖（15），铜套（16），油腔（113），油孔（114），其中入油管（14）连接到油腔（113），油腔（113）上设置有油盖（15），设置在油腔（113）中的油孔（114）与铜套（16）外壁连接；

所述的结晶器（2）包括热顶（21），铝套（22），石墨环（23），线圈（24），水腔（25），分流器（26），挡块（27），流道（31），其中热顶（21）与石墨环（23）连接，水腔（25）设置在铝套（22）内部，水腔（25）内设置有线圈（24），在流道（31）与分流器（26）中间设置有挡块（27）；

所述的水道（112）由水道导磁材料部分（19）和水道不锈钢部分（110）组成；

所述的铜套（16）的材质为紫铜或铜铬合金。

2.根据权利要求1所述的一种生产铝合金空心铸锭的设备，其特征在于所述的分流器（26）上设置有分流孔（28）。

3.权利要求1所述的一种生产铝合金空心铸锭的设备的使用方法，其特征在于按如下步骤进行：铸造前将线圈（24）通以低频交流电，产生低频电磁场，电磁场频率5～45Hz，电磁场强度5000At～50000At，然后将熔体（32）浇注到流道（31）中，熔体（32）在进入分流器（26）前接触分流器（26）入口处的挡块（27），熔体（32）被挡块（27）挡住后沿周向通过分流器（26）的分流孔（28）被均匀地分配到型腔（5）内，型腔（5）内上部分由热顶（21）储存熔体（32），下部分由结晶器（2）的石墨环（23）和冷却系统将液态合金凝固为空心铸锭（36），浇注温度710～900℃，铸造速度50～300mm/min，结晶器水流量为50-300l/（min·m）,芯模水流量为10-100 l/（min·m），冷却过程中通过设计的润滑系统进一步防止铸造过程中的抱芯与拉漏现象，同时通过调整芯模（1）的高度，达到控制芯模出口（115）与液穴根部（35）距离为小于芯模（1）总高度的二分之一，当液穴根部（35）高于芯模出口（115）的距离为二分之一芯模高度时，抱芯将发生；当液穴根部（35）低于芯模出口（115）的距离为二分之一芯模高度时，拉漏将发生。

4.根据权利要求3所述的一种生产铝合金空心铸锭的设备的使用方法，采用同水平浇注多根铸造的方式，当熔体（32）通过流道（31）进入分流器（26）时，熔体（32）被挡块（27）挡住后沿周向进入分流器（26）中，进入分流器（26）后熔体（32）通过分流孔（28）被均匀地分配到型腔（5）内。