CN103273021A - 一种生产细晶铝合金圆铸锭的装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于铝合金铸造技术领域，特别涉及一种生产细晶铝合金圆铸锭的装置及方法。装置包括流道压板、流道、平台板、上线圈、下线圈、结晶器水箱、导流管、螺柱、石墨环、结晶器内套、螺栓和引锭头；生产工艺为：将上线圈和结晶器通入冷却水，冷却水通过结晶器水箱进入结晶器内套，并由结晶器内套下部的水孔喷出，作用至铸锭表面；铝熔体经过流道及导流管流入结晶器，熔体在结晶器内凝固，在石墨环形成坯壳后，启动铸造机开始铸造；当铸锭长度达到150mm时开启励磁电源；铸造结束后，关闭励磁电源，关闭冷却水。本发明实现了结晶器内外采用双线圈作用下的铝合金半连续铸造，可以提高铸锭表面质量，大大细化铸锭的凝固组织，提高铸锭的冶金质量。

Description

一种生产细晶铝合金圆铸锭的装置及方法

 

技术领域

本发明属于铝合金铸造技术领域，特别涉及一种生产细晶铝合金圆铸锭的装置及方法。

背景技术

铝是仅次于铁的第二大金属，是金属材料中最典型的轻质材料，具有比强度高、易加工、成本低等优点。已广泛应用于国民经济的各个领域，如航空航天、交通运输、电子通讯、轻工建材、包装容器、石油化工、五金电器等多方面领域。由Hall-Petch 公式可知：材料的屈服强度和材料的晶粒大小成反比，同时，晶粒细化还可以提高材料的塑韧性，是改善铝材质量的重要途径。此外，细小的凝固组织能够降低铝合金铸锭铸造过程中的热裂敏感性，提高铸态金属的机械性能。

由于铝合金在加工过程中组织具有遗传性，要求铸锭的铸态组织越细小越好，通常铝合金铸锭的细化方法主要可以归结为：增加过冷度、加入细化剂或合金元素及施加物理场等。对于铝合金的半连续铸造，由于其冷却强度基本是固定的，不易实现大幅度的提高，因此增加过冷度对于铝合金半连续铸造过程中不易实现。加入细化剂或合金元素能极大细化铸锭的凝固组织，但对于固定的铝合金合金牌号，其合金元素含量都有一定的范围，不能通过大量加入合金元素来细化铸锭的凝固组织；在铸造过程中加入细化剂（如铝钛硼等）能有效细化铸锭的凝固组织，但在后续铝合金铸锭加工过程中，由于硼化物粒子硬度大、加工出的产品易产生某些质量问题，如：箔材的针孔、断裂、光亮，阳极氧化薄板的条状缺陷，金属印刷板的表面缺陷以及飞机用高强铝合金厚板和锻件的裂纹等问题。因此，在不改变铝合金成分的前提下，通过施加外场来实现晶粒细化是较为可行的方法。目前，在铝合金电磁铸造过程中均采用一个线圈，来达到细化铝合金铸锭凝固组织的目的。但由于在铝合金的电磁铸造过程中，液穴深度相对较浅，通常液穴深度只有铸锭横截面尺寸的1/2 左右，一个线圈作用下的电磁场搅拌作用时间较短，对于铝合金铸锭的细化效果受到一定程度的制约，尤其对于超高纯铝，由于超高纯铝中其他合金元素或杂质元素含量非常少，因此在凝固的过程中异质形核的数量非常少，一个线圈作用下的电磁场对超高纯铝基本起不了细化作用。

综上所述，铝合金电磁铸造是细化铝合金铸锭的重要方式，但由于铝合金半连续铸造过程的工艺特性决定了单一线圈作用下的铝合金电磁铸造对铸锭的细化效果受到制约，尤其对于超高纯铝铸锭基本起不到细化作用，因此，有必要进一步改善和完善该工艺。

发明内容

针对现有技术中存在的不足，本发明提供了一种能极大细化高纯铝及铝合金圆铸锭的凝固组织的方法。

本发明的一种生产细晶铝合金圆铸锭的装置，包括流道压板、流道、平台板、上线圈、下线圈、结晶器水箱、导流管、螺柱、石墨环、结晶器内套、螺栓和引锭头，结晶器水箱和结晶器内套组成结晶器；所述的流道靠流道压板固定在平台板上，上线圈安置在平台板与结晶器水箱之间，下线圈安置在结晶器水箱内，平台板与结晶器水箱用螺柱连接，导流管安置在结晶器内套中，石墨环镶嵌在结晶器内套中，引锭头位于结晶器内部石墨环的下沿，引锭头连接铸造机。

其中，所述的结晶器内套由锻铝加工而成；平台板和结晶器水箱由Q235加工而成；上线圈由铜管缠绕而成，匝数为50~200匝；下线圈由铜线缠绕而成，匝数为50~200匝；石墨环由石墨加工而成；流道和导流管由保温材料加工而成。

采用上述装置进行细晶铝合金圆铸锭的生产工艺步骤如下：

（1）铸造前将引锭头升至石墨环内，将上线圈和结晶器通入冷却水，冷却水通过结晶器水箱进入结晶器内套，并由结晶器内套下部的水孔喷出，作用至铸锭表面；

（2）结晶器内套内径尺寸为50~600mm；铝熔体经过流道及导流管流入结晶器，熔体在结晶器内凝固5~20s，在石墨环形成坯壳后，启动铸造机开始铸造：铸造速度为15~100mm/min， 然后在2min内增加至30 ~260 mm/min；

（3）当铸锭长度达到150mm时开启励磁电源，电流频率为5~50Hz，电流强度为50~300A；

（4）铸造结束后，关闭励磁电源，关闭冷却水。

本发明的特点和有益效果在于：

本发明实现了结晶器内和结晶器外采用双线圈作用下的铝合金半连续铸造，可以在提高铸锭表面质量的基础上，大大细化铸锭的凝固组织，提高铸锭的冶金质量。

在铝合金的电磁铸造过程中，液穴深度相对较浅，通常液穴深度只有铸锭横截面尺寸的1/2 左右。在线圈中施加5~50Hz的低频交流电，使熔体内部产生交变电磁场，熔体内部的感生电流与交变磁场相互作用，产生电磁力，进而驱动熔体产生强制对流。上线圈布置在结晶器的上部，起预处理熔体的作用，发挥电磁场的磁致过冷作用，达到提高熔体内形核核心数量的目的。下线圈布置在结晶器水箱内，在凝固过程中起搅拌铝熔体的作用，由电磁力引起的强力搅拌，将凝固前沿的枝晶臂折断，进而进一步细化铸锭的凝固组织。

利用本发明的设备和方法可以生产出晶粒细小均匀且铸锭表面光滑的铝合金铸锭，提高铸锭的冶金质量，控制材料的内部缺陷；铸锭表面质量的提高，可以大大降低在后续加工过程中的车皮量，提高铸锭的成品率。

附图说明

图1为本发明生产铝合金圆铸锭的装置示意图；

图2为本发明实施例1的圆铸锭表面质量对比图：（a）为有磁场作用下的铸锭表面质量，（b）为无磁场作用下的铸锭表面质量；

图3为本发明实施例1的圆铸锭宏观组织对比图：（a）为有磁场作用下的铸锭宏观组织，（b）为无磁场作用下的铸锭宏观组织；

图4为本发明实施例1的圆铸锭微观组织对比图：（a）为有磁场作用下的铸锭微观组织，（b）为无磁场作用下的铸锭微观组织；

在图1中，1、流道压板；2、流道；3、平台板；4、上线圈；5、下线圈；6、结晶器水箱；7、导流管；8、螺柱；9、石墨环；10、结晶器内套；11、螺栓；12、引锭头。

具体实施方式

以下结合实施例对本发明做进一步说明。

本发明的装置示意图如图1所示，包括流道压板1、流道2、平台板3、上线圈4、下线圈5、结晶器水箱6、导流管7、螺柱8、石墨环9、结晶器内套10、螺栓11和引锭头12，其中结晶器水箱6和结晶器内套10组成结晶器，流道2靠流道压板1固定在平台板3上，上线圈4安置在平台板3与结晶器水箱6之间，下线圈5安置在结晶器水箱6内，平台板3与结晶器水箱6用螺柱8连接，导流管7放置在结晶器内套10中，石墨环9镶嵌在结晶器内套10中，引锭头12位于结晶器内部石墨环9的下沿，引锭头12与牵引装置相连。

所述的结晶器内套10由锻铝加工而成；平台板3和结晶器水箱6由Q235加工而成；上线圈4由铜管缠绕而成，匝数为50~200匝；下线圈5由铜线缠绕而成，匝数为50~200匝；石墨环9由石墨加工而成；流道2和导流管7由保温材料加工而成。

本发明实施例采用Leica DMI5000M光学金相显微镜偏振光下观察轧制后的微观组织。

实施例1

采用上述装置进行细晶铝合金圆铸锭的生产工艺步骤如下：

（1）铸造前将引锭头升至石墨环内，将上线圈和结晶器通入冷却水，冷却水通过结晶器水箱进入结晶器内套，并由结晶器内套下部的水孔喷出，作用至铸锭表面；

（2）结晶器内套内径尺寸为198mm，铝熔体经过流道及导流管流入结晶器，熔体在结晶器内凝固7s，在石墨环形成坯壳后，启动铸造机开始铸造：启车铸造速度为70mm/min，然后在2min内线性增加至100 mm/min；

（3）当铸锭长度达到150mm时开启励磁电源，电流的频率范围为20Hz，电流强度的范围为120A；

（4）铸造结束后，关闭励磁电源，关闭冷却水。

在不开始励磁装置的条件下，保持相同的工艺步骤及参数，生产直径为198mm的铝合金铸锭作为本实施例的对比。图2（a）是双线圈作用下得到的铸锭表面，图2（b）是无磁场作用下得到铸锭表面，从图2中可以看出：双线圈作用下电磁场大大提高了铸锭表面质量；图3（a）和图4（a）分别是双线圈作用下得到铸锭的宏观和微观凝固组织，图3（b）和图4（b）分别是无磁场作用下得到铸锭的宏观和微观凝固组织，从图4中可以看出：施加电磁场条件下铸锭的平均晶粒尺寸约为70μm，不施加电磁场铸锭的平均晶粒尺寸约为320μm，可以看出双线圈作用下磁场的晶粒细化效果非常显著。

实施例2

采用上述装置进行细晶铝合金圆铸锭的生产工艺步骤如下：

（1）铸造前将引锭头升至石墨环内，将上线圈和结晶器通入冷却水，冷却水通过结晶器水箱进入结晶器内套，并由结晶器内套下部的水孔喷出，作用至铸锭表面；

（2）结晶器内套内径尺寸为50mm，铝熔体经过流道及导流管流入结晶器，熔体在结晶器内凝固5s，在石墨环形成坯壳后，启动铸造机开始铸造：启车铸造速度为100mm/min，然后在2min内线性增加至260 mm/min；

（3）当铸锭长度达到150mm时开启励磁电源，电流的频率范围为50Hz，电流强度的范围为50A；

（4）铸造结束后，关闭励磁电源，关闭冷却水。

经检测，采用双线圈作用下的铝合金半连续铸造可以在提高铸锭表面质量的基础上，大大细化铸锭的凝固组织，平均晶粒尺寸约为70μm，提高铸锭的冶金质量。

实施例3

采用上述装置进行细晶铝合金圆铸锭的生产工艺步骤如下：

（1）铸造前将引锭头升至石墨环内，将上线圈和结晶器通入冷却水，冷却水通过结晶器水箱进入结晶器内套，并由结晶器内套下部的水孔喷出，作用至铸锭表面；

（2）结晶器内套内径尺寸为310mm，铝熔体经过流道及导流管流入结晶器，熔体在结晶器内凝固5s，在石墨环形成坯壳后，启动铸造机开始铸造：启车铸造速度为40mm/min，然后在2min内线性增加至60 mm/min；

（3）当铸锭长度达到150mm时开启励磁电源，电流的频率范围为15Hz，电流强度的范围为200A；

（4）铸造结束后，关闭励磁电源，关闭冷却水。

经检测，采用双线圈作用下的铝合金半连续铸造可以在提高铸锭表面质量的基础上，大大细化铸锭的凝固组织，平均晶粒尺寸约为70μm，提高铸锭的冶金质量。

实施例4

采用上述装置进行细晶铝合金圆铸锭的生产工艺步骤如下：

（1）铸造前将引锭头升至石墨环内，将上线圈和结晶器通入冷却水，冷却水通过结晶器水箱进入结晶器内套，并由结晶器内套下部的水孔喷出，作用至铸锭表面；

（2）结晶器内套内径尺寸为446mm，铝熔体经过流道及导流管流入结晶器，熔体在结晶器内凝固17s，在石墨环形成坯壳后，启动铸造机开始铸造：启车铸造速度为30mm/min，然后在2min内线性增加至45mm/min；

（3）当铸锭长度达到150mm时开启励磁电源，电流的频率范围为10Hz，电流强度的范围为260A；

（4）铸造结束后，关闭励磁电源，关闭冷却水。

经检测，采用双线圈作用下的铝合金半连续铸造可以在提高铸锭表面质量的基础上，大大细化铸锭的凝固组织，平均晶粒尺寸约为70μm，提高铸锭的冶金质量。

实施例5

采用上述装置进行细晶铝合金圆铸锭的生产工艺步骤如下：

（1）铸造前将引锭头升至石墨环内，将上线圈和结晶器通入冷却水，冷却水通过结晶器水箱进入结晶器内套，并由结晶器内套下部的水孔喷出，作用至铸锭表面；

（2）结晶器内套内径尺寸为582mm，铝熔体经过流道及导流管流入结晶器，熔体在结晶器内凝固20s，在石墨环形成坯壳后，启动铸造机开始铸造：启车铸造速度为15mm/min，然后在2min内线性增加至30mm/min；

（3）当铸锭长度达到150mm时开启励磁电源，电流的频率范围为5Hz，电流强度的范围为300A；

（4）铸造结束后，关闭励磁电源，关闭冷却水。

经检测，采用双线圈作用下的铝合金半连续铸造可以在提高铸锭表面质量的基础上，大大细化铸锭的凝固组织，平均晶粒尺寸约为70μm，提高铸锭的冶金质量。

Claims (3)

1.一种生产细晶铝合金圆铸锭的装置，包括流道压板、流道、平台板、结晶器水箱、导流管、螺柱、石墨环、结晶器内套、螺栓和引锭头，结晶器水箱和结晶器内套组成结晶器；其特征在于还包括上线圈和下线圈，所述的上线圈安置在平台板与结晶器水箱之间，所述的下线圈安置在结晶器水箱内，所述的平台板与结晶器水箱用螺柱连接。

2.根据权利要求1所述的一种生产细晶铝合金圆铸锭的装置，其特征在于所述的结晶器内套由锻铝加工而成；所述的平台板和结晶器水箱由Q235加工而成；所述的上线圈由铜管缠绕而成，匝数为50~200匝；所述的下线圈由铜线缠绕而成，匝数为50~200匝；所述的石墨环由石墨加工而成；所述的流道和导流管由保温材料加工而成。

3.采用权利要求1所述的装置进行细晶铝合金圆铸锭的生产方法，其特征在于包括以下步骤：

（1）铸造前将引锭头升至石墨环内，将上线圈和结晶器通入冷却水，冷却水通过结晶器水箱进入结晶器内套，并由结晶器内套下部的水孔喷出，作用至铸锭表面；

（2）结晶器内套内径尺寸为50~600mm；铝熔体经过流道及导流管流入结晶器，熔体在结晶器内凝固5~20s，在石墨环形成坯壳后，启动铸造机开始铸造：铸造速度为15~100mm/min， 然后在2min内增加至30 ~260 mm/min；

（3）当铸锭长度达到150mm时开启励磁电源，电流频率为5~50Hz，电流强度为50~300A；

（4）铸造结束后，关闭励磁电源，关闭冷却水。

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