CN105057622A - 一种抑制dc铸造铝合金铸锭宏观偏析的方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种抑制DC铸造铝合金铸锭宏观偏析的方法及装置，其工艺为：将电磁搅拌器设于结晶器正上方，铸造时，调整电磁搅拌器的磁力线与液穴斜边的夹角а≥90°，直至DC铸造过程结束。本发明电磁搅拌器在铝合金熔体中形成的附加流场，可削弱或消除结晶器内铝合金熔体热对流引起的铝合金熔体流场，促进结晶器内铝合金熔体和液穴凝固前沿溶质原子的均匀分布，抑制铝合金铸锭宏观偏析，同时减小液穴凝固前沿斜率以及液穴深度，促进液穴中铝合金熔体温度场均匀，以此显著提高超大规格铝合金铸锭后续加工产品组织和性能均匀性。与现有技术相比，铸锭合金元素相对宏观偏析可由10～17％降至5％以内，解决了DC铸造超大规格铝合金铸锭及其后续加工产品组织和性能均匀性差的问题，适于工业化应用。

Description

一种抑制DC铸造铝合金铸锭宏观偏析的方法及装置

技术领域

本发明公开了一种抑制DC铸造(DC铸造即DirectChillCasting，直接水冷半连续铸造)铝合金铸锭宏观偏析的方法及装置，特别是指抑制DC铸造超大规格铝合金铸锭宏观偏析的方法及装置，属于有色金属材料加工领域。

背景技术

航空航天领域结构用铝合金加工产品合金化程度高，DC铸造超大规格铝合金铸锭时，由于结晶器内铝合金熔体存在显著的热对流，如图2a所示，容易导致严重的宏观偏析，主要合金元素相对宏观偏析达到10～17％，导致铝加工产品出现成分、组织和性能不均匀。随着DC铸造铝合金铸锭规格增大，宏观偏析程度加剧，在DC铸造超大规格铝合金铸锭(如直径Ф≥1000mm的DC铸造超大规格铝合金圆锭)时，由于严重的宏观偏析，甚至出现铸锭局部(如中心)合金元素含量高于合金名义成分最高极限，而同时出现铸锭局部(如边部)合金元素含量低于合金名义成分最低极限，难以实现满足应用设计要求产品的加工。因此必须要求有效抑制DC铸造超大规格铝合金铸锭宏观偏析，首先保证DC铸造超大规格铝合金铸锭包括铸锭中心和铸锭边部的所有局部区域的合金元素含量符合合金名义成分极限范围要求，并由此进一步提高其成分和组织的均匀性，保证后续加工工艺和热处理工艺的有效实施，提高铝加工产品最终的性能和性能的均匀性，并满足设计使用要求。

现有的DC铸造铝合金铸锭生产过程，一般不采用结晶器电磁搅拌器或其他外场干预结晶器内铝合金熔体对流引起的溶质元素流场，近年来，开始有采用结晶器上方固定电磁搅拌器、结晶器水套下固定电磁搅拌器或采用机械泵循环泵送结晶器内铝合金熔体，但往往出现以下问题：

(1)现有不采用结晶器电磁搅拌或其他外场干预结晶器内铝合金熔体对流引起的合金元素流场时，DC铸造铝合金铸锭容易出现宏观偏析，随着合金化程度提高和铸锭规格增大，宏观偏析尤为显著，DC铸造高合金化大规格铝合金铸锭可能出现严重的宏观偏析，相对宏观偏析为10～17％。由于严重的宏观偏析，甚至出现铸锭局部(如中心)合金元素含量高于合金名义成分最高极限，而同时出现铸锭局部(如边部)合金元素含量低于合金名义成分最低极限，如图3和图4所示，导致最终的铝加工产品组织和性能均匀性差，必须降低设计使用性能指标，甚至无法达到设计使用要求。

(2)现有采用结晶器上方固定电磁搅拌器和结晶器水套下固定电磁搅拌器，由于电磁搅拌器与结晶器位置是固定不变的，无法调整电磁搅拌产生的附加铝合金熔体流场与结晶器内铝合金熔体液穴凝固前沿的夹角，即无法调整结晶器内铝合金熔体附加流场的方向，抑制DC铸造铝合金铸锭宏观偏析效果有限。

(3)现有采用结晶器水套下固定电磁搅拌器，由于结晶器水套下固定电磁搅拌受空间的限制，电磁感应器的大小受到限制，电磁感应磁场强度及附加铝合金熔体流场强度较小，效果受到影响，或者在达到同样电磁感应磁场强度及附加铝合金熔体流场强度的情况下，需要更大功率的直流电源，DC铸造铝合金铸锭规格受到限制，难以有效抑制DC铸造超大规格铝合金铸锭的宏观偏析。

现有采用结晶器上方固定电磁搅拌器和结晶器水套下固定电磁搅拌器的方法，其控制电磁感应磁场强度稳定性，并由此保证在整个DC铸造过程工艺稳定性和铸锭组织稳定性的难度较大，无法调整感应磁场方向，同时经济性也较差。

(4)现有采用机械泵循环泵送结晶器内铝合金熔体的方法，容易破坏结晶器内铝合金熔体表面氧化膜，并把氧化膜卷入至熔体中，形成二次夹杂，还容易导致DC铸造铝合金铸锭出现局部粗大晶粒，出现各种铸造缺陷的风险大，无法保证有较高要求的DC铸造高合金化超大规格铝合金铸锭质量。

发明内容

本发明旨在克服现有技术的不足，提供一种抑制DC铸造超大规格铝合金铸锭宏观偏析的方法。

为了达到上述目的，本发明提供的技术方案为：

本发明一种抑制DC铸造铝合金铸锭宏观偏析的装置，所述装置包括结晶器、电磁搅拌器，所述电磁搅拌器设置在所述结晶器上方，所述电磁搅拌器相对于所述结晶器竖直方向的位置可调。

本发明一种抑制DC铸造铝合金铸锭宏观偏析的装置，所述电磁搅拌器设置在所述结晶器热顶正上方。

本发明一种抑制DC铸造铝合金铸锭宏观偏析的装置，所述电磁搅拌器通过设于搅拌器壳体上的螺杆支撑在铸造平台上并处于结晶器热顶正上方。

本发明一种抑制DC铸造铝合金铸锭宏观偏析的装置，电磁搅拌器壳体外围四个角部各设置有一个螺杆。

本发明一种抑制DC铸造铝合金铸锭宏观偏析的装置，所述电磁搅拌器包括壳体、套管、线圈，所述线圈套装在所述套管中，套管均布在所述壳体中，所述壳体设有进水口、出水口，冷却水在壳体中的套管外流动，实现线圈的冷却降温。

本发明一种抑制DC铸造铝合金铸锭宏观偏析的方法，包括下述步骤：

第一步：将电磁搅拌器安装在铸造平台结晶器上方；

第二步：，将铝合金熔体填充至结晶器内，待铝合金熔体在结晶器内进入稳定铸造并保持稳定铸造速度时，接通电磁搅拌器线圈的电源，产生按铸锭轴线轴对称的感应磁场，根据电磁搅拌器线圈和绕组形式确定电磁搅拌器磁场磁力线方向；

第三步：测定结晶器内液穴边部直至中心铝合金熔体深度，确定液穴凝固前沿斜率，调节结晶器电磁搅拌器下沿平面与结晶器内铝合金熔体液面的间距，使感应磁场磁力线与液穴斜边的夹角а≥90°，直至DC铸造过程结束。

本发明一种抑制DC铸造铝合金铸锭宏观偏析的方法，所述电磁搅拌器通过搅拌器壳体外围设置的四个角部螺杆支撑安装在结晶器热顶正上方。

本发明一种抑制DC铸造铝合金铸锭宏观偏析的方法，所述感应磁场强度≥0.06T，优选的感应磁场强度≥0.085T(特斯拉)。

本发明一种抑制DC铸造铝合金铸锭宏观偏析的方法，通过电磁搅拌器壳体外围设置的四个角部螺杆，调整结晶器电磁搅拌器下沿平面与结晶器内铝合金熔体液面的间距。

本发明一种抑制DC铸造铝合金铸锭宏观偏析的方法，所述DC铸造制备的铝合金铸锭圆锭直径Ф为1000～1500mm。

本发明一种抑制DC铸造铝合金铸锭宏观偏析的方法，结晶器电磁搅拌器下沿平面与结晶器内铝合金熔体液面的间距为10mm～100mm。

本发明一种抑制DC铸造铝合金铸锭宏观偏析的方法，本发明制备的直径Ф为1060mm或1320mm的2219铝合金圆锭，其主要合金元素Cu的相对宏观偏析≤5％。

本发明由于采用上述工艺方法，1、将电磁搅拌器设置在结晶器上方并形成按铸锭轴线轴对称的感应磁场，感应磁场与结晶器内铝合金熔体中的感应电流形成的第二磁场产生相互作用，形成结晶器内铝合金熔体电磁感应附加流场；由于结晶器上方空间大，没有其他设施干扰，因此，可以方便调整电磁搅拌器与结晶器内金属熔体之间的距离，进而调整结晶器内铝合金熔体电磁感应附加流场方向；本发明通过感应磁场磁力线与液穴斜边的夹角а≥90°，确保由感应磁场感应形成的第二磁场共同作用形成的铝合金熔体电磁感应附加流场方向与液穴斜边(即与液穴斜率对应的液穴斜边)的夹角а≥90°，使铝合金熔体电磁感应附加流场与液穴斜边接触处形成向液穴开口方向的流场，有效削弱或消除结晶器内铝合金熔体自身热对流所产生的、从液穴顶部沿凝固前沿向液穴底部流动，再从液穴底部经液穴中的熔体返回至液穴顶部的铝合金熔体溶质原子流场，从而，有效提升铝合金熔体和液穴凝固前沿溶质原子分布的均匀性，使铸件相对宏观偏析≤5％，有效抑制宏观偏析。

2、通过调节输入电流的大小，使感应磁场强度≥0.06T，确保结晶器内铝合金熔体电磁感应附加流场强度接近或等于结晶器内铝合金熔体自身热对流产生的铝合金熔体溶质原子流场，一方面，最大限度减小铝合金熔体自身热对流所产生的铝合金熔体溶质原子流场导致的液穴前沿溶质原子的富集，确保铝合金熔体和液穴凝固前沿溶质原子分布的均匀性。另一方面，有效提高结晶器内边部和中心的熔体温度均匀性，从而减小液穴凝固前沿斜率以及液穴深度，实现显著提高超大规格铝合金铸锭后续加工产品组织和性能均匀性。

与现有技术相比，本发明的有益效果为：

(1)采用结晶器电磁搅拌，有效抑制DC铸造超大规格铝合金铸锭宏观偏析，解决了DC铸造超大规格铝合金铸锭(如直径Ф≥1000mm的DC铸造超大规格铝合金圆锭)时，由于极易发生严重的宏观偏析，甚至出现铸锭局部(如中心)合金元素含量高于合金名义成分最高极限，而同时出现铸锭局部(如边部)合金元素含量低于合金名义成分最低极限，无法实现满足应用要求的问题，实现宏观偏析得到有效抑制，合金成分和组织均匀性达到应用设计指标要求的DC铸造超大规格的制备。

(2)通过调节结晶器电磁搅拌器壳体外围设置的四个角部螺杆，调整结晶器电磁搅拌器下沿平面与结晶器内铝合金熔体液面的间距，从而调整电磁搅拌产生的附加铝合金熔体流场与结晶器内铝合金熔体液穴凝固前沿的夹角，即调整结晶器内铝合金熔体附加流场的方向。通过调节结晶器电磁搅拌器线圈内的直流电流强度，从而调整DC铸造超大规格铝合金铸锭结晶器内铝合金熔体液穴中的电磁感应磁场强度及附加铝合金熔体流场强度。抑制DC铸造超大规格铝合金铸锭宏观偏析效果显著，本发明结晶器电磁搅拌DC铸造直径Ф≥1000mm超大规格2219铝合金圆锭，其主要合金元素Cu的典型相对宏观偏析≤5％，如图5和图6所示。

(3)采用结晶器电磁搅拌，可以避免机械泵循环泵送结晶器内铝合金熔体破坏结晶器内铝合金熔体表面氧化膜，避免结晶器内铝合金熔体卷入氧化膜，形成二次夹杂，同时避免DC铸造铝合金铸锭出现局部粗大晶粒。

附图说明

附图1为本发明采用的直流电电磁感应结晶器电磁搅拌器。

附图2(a)为未采用本发明采用的结晶器电磁搅拌器时结晶器内铝合金熔体热对流引起的流场示意图。

附图2(b)为结晶器内铝合金熔体热对流引起的流场，以及采用本发明采用的电磁搅拌器的感应磁场与结晶器内铝合金熔体中的感应电流形成的磁场产生相互作用，形成的结晶器内铝合金熔体电磁感应附加流场示意图。

附图3为未采用本发明结晶器电磁搅拌DC铸造的直径Ф1060mm超大规格2219铝合金圆锭的组分宏观偏析图。

图4为未采用本发明结晶器电磁搅拌DC铸造的直径Ф1320mm超大规格2219铝合金圆锭的组分宏观偏析图。

附图5为采用本发明结晶器电磁搅拌DC铸造直径Ф1060mm超大规格2219铝合金圆锭的组分宏观偏析图。

附图6为采用本发明结晶器电磁搅拌DC铸造直径Ф1320mm超大规格2219铝合金圆锭的组分宏观偏析图。

附图7为采用本发明不同工艺参数制备的结晶器电磁搅拌DC铸造直径Ф1060mm超大规格2219铝合金圆锭。

附图8为采用本发明不同工艺参数制备的结晶器电磁搅拌DC铸造直径Ф1320mm超大规格2219铝合金圆锭。

附图中：

附图2(a)示出了热对流引起的流场1；

附图2(b)示出了热对流引起的流场1及铝合金熔体电磁感应附加流场2；

附图2(b)中，а为结晶器电磁搅拌器直流线圈电磁感应磁场与液穴凝固前沿夹角，即铝合金熔体电磁感应附加流场与液穴斜边的夹角；

调整结晶器电磁搅拌器下沿平面与结晶器内铝合金熔体液面的间距，从而调结晶器电磁感应附加流场与结晶器内铝合金熔体液穴凝固前沿的夹角，即调整结晶器内铝合金熔体附加流场的方向。调节结晶器电磁搅拌器线圈内的直流电流强度，从而调整DC铸造超大规格铝合金铸锭结晶器内铝合金熔体液穴中的电磁感应磁场强度及附加铝合金熔体流场强度。

图3、4、5、6中，纵坐标为化学成分含量，wt％。横坐标为沿铸锭横截面直径的化学成分分析点位，mm；

从附图3、4可以看出：其宏观偏析严重，相对宏观偏析为10～17％，出现铸锭局部合金元素含量高于合金名义成分最高极限，而同时出现铸锭局部合金元素含量低于合金名义成分最低极限，无法满足应用要求。

从附图5、6可以看出：其主要合金元素Cu的典型相对宏观偏析≤5％，宏观偏析因此得到有效抑制，均匀性显著提高，可以达到大型2219铝合金加工产品设计使用要求。

具体实施方式

本发明的实施以结晶器电磁搅拌DC铸造直径Ф≥1000mm超大规格2219铝合金圆锭的工程化生产来说明。

对比例1

采用现有技术DC铸造工艺制备直径Ф1060mm超大规格2219铝合金圆锭；材料组分、铸件规格与实施例1相同，但不采用电磁搅拌器，得到的铸件中，合金元素Cu的相对宏观偏析13.1～15.5％，见附图3，铸锭局部合金元素含量高于合金名义成分最高极限，而同时出现铸锭局部合金元素含量低于合金名义成分最低极限，无法满足应用要求。

实施例1

采用电磁搅拌DC铸造直径Ф1060mm超大规格2219铝合金圆锭，生产方法包括如下步骤：

(1)将电磁搅拌器安装在结晶器热顶正上方，在完成结晶器内铝合金熔体填充，并进入稳定铸造时，通入结晶器电磁搅拌器电磁感应线圈一定强度的直流电流；

(2)调节结晶器电磁搅拌器下沿平面与结晶器内铝合金熔体液面的间距至10mm；

(3)调节结晶器电磁搅拌器直流电流强度，使之形成感应电磁场强度为0.085T；

(4)保持结晶器电磁搅拌器下沿平面与结晶器内铝合金熔体液面的间距和结晶器电磁搅拌器直流电流强度，直至DC铸造过程结束，关闭调节结晶器电磁搅拌器直流电源，移除结晶器电磁搅拌器及铸造平台，从铸井吊出铸锭，如图7所示。

得到的铸件中，合金元素Cu的相对宏观偏析≤5％，见附图5，宏观偏析得到有效抑制的DC铸造直径Ф1060mm超大规格铝合金铸锭。

对比例2

采用现有技术DC铸造工艺制备直径Ф1320mm超大规格2219铝合金圆锭；材料组分、铸件规格与实施例2相同，但不采用电磁搅拌器，得到的铸件中，合金元素Cu的相对宏观偏析14.8～16.7％，见附图4，铸锭局部合金元素含量高于合金名义成分最高极限，而同时出现铸锭局部合金元素含量低于合金名义成分最低极限，无法满足应用要求。

实施例2

采用电磁搅拌DC铸造直径Ф＝1320mm超大规格2219铝合金圆锭，本实施例与实施例1的工艺过程相同，工艺差、参数不同，具体工艺参数如下：

电磁搅拌器下沿平面与结晶器内铝合金熔体液面的间距至35mm，电磁感应线圈磁场强度为0.125T，制备的铸锭，如图8所示；

得到的铸件中，合金元素Cu的相对宏观偏析≤5％，宏观偏析得到有效抑制的DC铸造直径Ф1320mm超大规格铝合金铸锭。

Claims (10)

1.一种抑制DC铸造铝合金铸锭宏观偏析的装置，其特征在于：所述装置包括结晶器、电磁搅拌器，所述电磁搅拌器设置在所述结晶器上方，所述电磁搅拌器相对于所述结晶器竖直方向的位置可调。

2.根据权利要求1所述的一种抑制DC铸造铝合金铸锭宏观偏析的装置，其特征在于：所述电磁搅拌器设置在所述结晶器热顶正上方。

3.根据权利要求1所述的一种抑制DC铸造铝合金铸锭宏观偏析的装置，其特征在于：所述电磁搅拌器包括壳体、套管、线圈，所述线圈套装在所述套管中，套管均布在所述壳体中，所述壳体设有进水口、出水口，冷却水在壳体中的套管外流动，实现线圈的冷却降温。

4.一种抑制DC铸造铝合金铸锭宏观偏析的方法，包括下述步骤：

第一步：将电磁搅拌器安装在铸造平台结晶器上方；

第二步：将铝合金熔体填充至结晶器内，待铝合金熔体在结晶器内进入稳定铸造并保持稳定铸造速度时，接通电磁搅拌器线圈的电源，产生按铸锭轴线轴对称的感应磁场，根据电磁搅拌器线圈和绕组形式确定电磁搅拌器磁场磁力线方向；

第三步：测定结晶器内液穴边部直至中心铝合金熔体深度，确定液穴凝固前沿斜率，调节结晶器电磁搅拌器下沿平面与结晶器内铝合金熔体液面的间距，使感应磁场磁力线与液穴斜边的夹角а≥90°，直至DC铸造过程结束。

5.根据权利要求4所述的一种抑制DC铸造铝合金铸锭宏观偏析的方法，其特征在于：所述电磁搅拌器通过搅拌器壳体外围设置的四个角部螺杆支撑安装在结晶器热顶正上方。

6.根据权利要求4所述的一种抑制DC铸造铝合金铸锭宏观偏析的方法，其特征在于：所述感应磁场强度≥0.06T。

7.根据权利要求4所述的一种抑制DC铸造铝合金铸锭宏观偏析的方法，其特征在于：通过电磁搅拌器壳体外围设置的四个角部螺杆，调整结晶器电磁搅拌器下沿平面与结晶器内铝合金熔体液面的间距。

8.根据权利要求4所述的一种抑制DC铸造铝合金铸锭宏观偏析的方法，其特征在于：所述DC铸造制备的铝合金铸锭圆锭直径Ф为1000～1500mm。

9.根据权利要求4所述的一种抑制DC铸造铝合金铸锭宏观偏析的方法，其特征在于：结晶器电磁搅拌器下沿平面与结晶器内铝合金熔体液面的间距为10mm～100mm。

10.根据权利要求4-9任意一项所述的一种抑制DC铸造铝合金铸锭宏观偏析的方法，其特征在于：制备的直径Ф为1060mm或1320mm的2219铝合金圆锭，其主要合金元素Cu的相对宏观偏析≤5％。