CN105215306A - 一种铝合金半连续铸造装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明的目的是为了提高铝合金的铸锭质量，细化铸锭组织并且降低铝熔体中团聚在一起的氧化物的对铝合金铸锭及后续深加工产品的有害作用，提供了一种铝合金半连续铸造装置及方法，属于铝合金铸造设备和技术领域。该装置由供流系统、剪切系统、结晶系统、搅拌系统和牵引系统组成。该装置在常规的铝合金半连续铸造基础上，增加了剪切系统，通过剪切系统中的上线圈、变频电源和导流管隔板使导流管内的铝熔体产生强烈快速流动，产生的强剪切将铝熔体中的团聚氧化膜打散，并利用低频电磁场的搅拌作用将打散的氧化膜质点均匀分散到结晶器内的不同位置，进而细化凝固组织，提高铝合金综合性能。

Description

一种铝合金半连续铸造装置及方法

技术领域

本发明属于铝合金铸造设备和技术领域，特别涉及一种铝合金半连续铸造装置及方法。

背景技术

铝合金塑性好，可加工成各种型材、板材及锻件，工业上广泛使用，是用量仅次于钢的金属材料，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。随着铝合金在航空、航天及高铁等应用领域的不断发展，对铝合金性能提出了更高要求。即：在保证铝合金强度的前提下，需进一步提高合金的塑性、焊接性及材料性能的稳定性和均匀性。而铝熔体中团聚的氧化物对于合金的塑性、焊接性及材料性能的稳定性和均匀性具有不利影响。

在铝合金炼过程中，液态的铝熔体会发生氧化，熔炼过程加入的合金元素也会在一定程度上产生氧化夹杂，铝熔体在进入结晶器前会经过除气和过滤过程，除气和过滤只能一定程度地降低铝熔体中氧化夹杂的含量，铝熔体中不可避免的残留有一定量的氧化物，团聚在一起氧化夹杂对铝合金产品延伸率、疲劳性能、焊接性能等具有不利影响。

研究表明：尺寸细小的氧化物和铝基体具有匹配的位向关系，可作为铝合金凝固过程中的有效形核质点，一方面可以细化凝固组织，有可以降低团聚在一起氧化物的有害作用。因此，有必要开发一种铝合金铸造装置来提高铝合金铸锭的质量。

发明内容

本发明的目的是为了提高铝合金的铸锭质量，细化铸锭组织并且降低铝熔体中团聚在一起的氧化物的对铝合金铸锭及后续深加工产品的有害作用，提供了一种铝合金半连续铸造装置及方法。该装置在常规的铝合金半连续铸造基础上，增加了剪切系统，通过剪切系统中的上线圈、变频电源和导流管隔板使导流管内的铝熔体产生强烈快速流动，产生的强剪切将铝熔体中的团聚氧化物打散，并利用低频电磁场的搅拌作用将打散的氧化物质点均匀分散到结晶器内的不同位置，进而细化凝固组织，提高铝合金综合性能。

一种铝合金半连续铸造装置，由供流系统、剪切系统、结晶系统、搅拌系统和牵引系统组成；

其中，所述的供流系统由流槽压板、流槽和导流管组成；流槽由流槽压板包围，导流管位于流槽的下方；

所述的剪切系统由导流管隔板、上线圈及变频电源组成；上线圈位于导流管外侧，导流管隔板位于导流管内，呈水平方向放置，隔板上有多个通孔，上线圈通过导线与变频电源连接；剪切系统通过在上线圈中施加交流电使导流管内的铝熔体产生强烈快速流动，铝熔体的强烈快速流动在导流管隔板通孔位置产生剪切作用，来破碎铝熔体中团聚的氧化物；

所述的结晶系统位于剪切系统下方，由石墨环和结晶器水套组成；结晶器水套位于石墨环外侧，结晶器水套下部靠石墨环一侧有出水孔，可喷冷却水至铸锭表面；

所述的搅拌系统由下线圈和低频电源组成；下线圈位于结晶器水套内，下线圈通过导线与低频电源连接；搅拌系统通过在下线圈中施加低频交流电使结晶系统内的铝熔体形成对流，产生搅拌作用，使细小的氧化物质点均匀分散到铝熔体中；

所述牵引系统位于石墨环下沿，并可上下移动，用于将凝固的铝合金铸锭牵引到装置外；

较好的，上述的导流管和导流管隔板为耐高温的高强度保温材料；

上述导流管隔板上的厚度为5mm～50mm；

上述导流管隔板上的开孔直径Φ5mm～Φ30mm；

上述导流管隔板上的开孔间距为5mm～50mm；

上述上线圈和下线圈均由耐热铜管或扁铜线缠绕而成，匝数为50～200匝；

上述石墨环材料为石墨。

一种利用上述装置的铝合金半连续铸造方法，包括如下步骤：

1)将牵引系统升至结晶器水套内石墨环下沿，再将流槽、导流管、导流管隔板预热至300-700℃，并向结晶器水套中通入冷却水，冷却水通过结晶器水套的出水孔喷出，作用至铸锭表面；

2)向流槽中导入铝熔体，较好的铝熔体温度为720～730℃，铝熔体流经导流管及导流管隔板后进入结晶系统，在结晶系统内凝固5～20s后，启动牵引系统进行铸造，同时启动剪切系统中的变频电源，向上线圈通入交流电，交流电的频率为5～50000赫兹，电流为1～300安；并且启动搅拌系统中的低频电源，向下线圈通入交流电，其频率为5～100赫兹，电流为1～300安；

3)待牵引系统牵引铸锭移动至预定位置时，停止导入铝熔体，关闭上下线圈的电源，停止牵引系统，吊出铸锭，完成铸造。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

1、与常规的机械搅拌桨搅拌引起的铝熔体剪切相比，本发明使用的电磁剪切是无接触的搅拌剪切，一方面可以避免搅拌杆转动过程中在铝熔体表面造成的搅动造渣，另一方面可以避免搅拌桨溶解到铝液中对铝熔体的二次污染。

2、本发明采用的交变磁场和导流管隔板能够将铝熔体内的团聚氧化物破碎为细小的氧化物质点，而采用的低频磁场能将细小的氧化物质点均匀分布到铝熔体中，细化铝合金的凝固组织，提高铝合金产品的综合性能。

附图说明

图1为本发明的铝合金半连续铸造装置示意图；

其中：1、流槽压板；2、流槽；3、铝熔体；4、导流管；5、导流管隔板；6、变频电源；7、上线圈；8、石墨环；9、结晶器水套；10、下线圈；11、低频电源；12、铸锭；13、牵引系统；14、出水孔；

图2为6063铝合金采用本发明的(右半部分)和传统(左半部分)的半连续铸造方法获得的铸锭微观组织对比图；

图3为6063铝合金采用本发明的(右半部分)和传统(左半部分)的半连续铸造方法获得的铸锭断口氧化夹杂对比图。

具体实施方式

下面通过具体实施例对本发明做进一步的详细说明。

观察铸锭组织的仪器及型号：LeicaDMI5000M光学金相显微镜。

实施例1

一种铝合金半连续铸造装置，示意图如图1所示，由供流系统、剪切系统、结晶系统、搅拌系统和牵引系统组成；

供流系统由流槽压板1、流槽2和导流管4组成；流槽2由流槽压板1包围，导流管4位于流槽2的下方；

剪切系统由导流管隔板5、上线圈7及变频电源6组成；上线圈7位于导流管4外侧，导流管隔板5位于导流管4内，呈水平方向放置，导流管隔板5上有多个通孔，上线圈7通过导线与变频电源6连接，剪切系统通过在上线圈7中施加交流电使导流管4内的铝熔体3产生强烈快速流动，铝熔体3的强烈快速流动在导流管隔板5通孔位置产生剪切作用，来破碎铝熔体3中团聚的氧化物；

所述的结晶系统位于剪切系统下方，由石墨环8和结晶器水套9组成；结晶器水套9位于石墨环8外侧，结晶器水套9靠石墨环8一侧有出水孔14，可喷冷却水至铸锭表面12；

所述的搅拌系统由下线圈10及低频电源11组成；下线圈10位于结晶器水套9内，下线圈10通过导线与低频电源11连接；搅拌系统通过在下线圈11中施加低频交流电使结晶系统内的铝熔体3形成对流，产生搅拌作用，使细小的氧化物质点均匀分散到铝熔体3中；

所述牵引系统13位于石墨环8下沿，可上下移动，用于将凝固的铝合金铸锭12牵引到装置外；

上述的导流管4和导流管隔板5为耐高温的高强度保温材料；导流管隔板5厚度为30mm，隔板上的通孔直径为Φ15mm，通孔间距为25mm；上线圈和下线圈均由耐热铜管缠绕而成，匝数为150匝；石墨环材料为石墨。

实施例2

一种铝合金半连续铸造装置，其结构同实施例1，区别在于：导流管隔板上的开孔直径Φ5mm；导流管隔板上的开孔间距为5mm；上线圈和下线圈均由扁铜线缠绕而成，匝数为50。

实施例3

一种铝合金半连续铸造装置，其结构同实施例1，区别在于：导流管隔板上的开孔直径Φ30mm；导流管隔板上的开孔间距为50mm；上线圈和下线圈均由扁铜线缠绕而成，匝数为200。

实施例4

利用实施例1所述装置的铝合金半连续铸造方法，包括如下步骤：

1)将牵引系统升至结晶器水套内石墨环下沿，再将流槽、导流管、导流管隔板预热至700℃，并向结晶器水套中通冷却水，冷却水通过结晶器水套的出水孔喷出，作用至铸锭表面；

2)向流槽中导入温度为720～730℃的6063铝合金熔体，6063铝合金熔体流经导流管及导流管隔板后进入结晶系统，在结晶系统内凝固5s后，启动牵引系统进行铸造，同时启动剪切系统中的交流电源，向上线圈通入交流电，交流电的频率为30000赫兹，电流为150安；并且启动搅拌系统中的低频电源，向下线圈通入交流电，其频率为50赫兹，电流为150安；

3)待牵引系统牵引铸锭移动至预定位置时，停止导入6063铝合金熔体，关闭交流电源和低频电源，停止牵引系统，吊出铸锭，完成铸造。

本实施例制得的6063铝合金的细化效果如图2所示，图2的左半部分采用没有上线圈、导流隔板和下线圈的装置得到的凝固组织，图2的右半部分是采用具有上线圈、导流隔板和下线圈的装置得到的凝固组织，右半部分铸锭的平均晶粒尺寸约为65μm，左半部分铸锭的平均晶粒尺寸约为420μm，可见采用本发明的铸造设备和方法制备的铝合金铸锭凝固组织非常均匀细小，提高了铸锭的质量；

本实施例制得的6063铝合金去除团聚氧化物的效果如图3所示，图3的左半部分采用没有上线圈、导流隔板和下线圈得到的铸锭断口照片，可以看到团聚氧化物存在；图3的右半部分是采用具有上线圈、导流隔板和下线圈得到的铸锭断口照片，采用本发明的铸造设备和方法制备的铝合金铸锭凝固组织中没有发现团聚氧化物，提高了铸锭的质量。

实施例5

利用实施例1所述装置的铝合金半连续铸造方法，包括如下步骤：

1)将牵引系统升至结晶器水套内石墨环下沿，再将流槽、导流管、导流管隔板预热至300℃，并向结晶器水套中通冷却水，冷却水通过结晶器水套的出水孔喷出，作用至铸锭表面；

2)向流槽中导入温度为720～730℃的铝熔体，铝熔体流经导流管及导流管隔板后进入结晶系统，在结晶系统内凝固20s后，启动牵引系统进行铸造，同时启动剪切系统中的变频电源，向上线圈通入交流电，交流电的频率为50000赫兹，电流为1安；并且启动搅拌系统中的变频电源，向下线圈通入交流电，其频率为100赫兹，电流为1安；

3)待牵引系统牵引铸锭移动至预定位置时，停止导入铝熔体，关闭上下线圈的变频电源，停止牵引系统，吊出铸锭，完成铸造。

经检测，本实施例制得铸锭的平均晶粒尺寸约为69μm，无团聚氧化物存在。

实施例6

利用实施例1所述装置的铝合金半连续铸造方法，包括如下步骤：

1)将牵引系统升至结晶器水套内石墨环下沿，再将流槽、导流管、导流管隔板预热至500℃，并向结晶器水套中通冷却水，冷却水通过结晶器水套的出水孔喷出，作用至铸锭表面；

2)向流槽中导入温度为720～730℃的铝熔体，铝熔体流经导流管及导流管隔板后进入结晶系统，在结晶系统内凝固12s后，启动牵引系统进行铸造，同时启动剪切系统中的变频电源，向上线圈通入交流电，交流电的频率为5赫兹，电流为300安；并且启动搅拌系统中的低频电源，向下线圈通入交流电，其频率为5赫兹，电流为300安；

3)待牵引系统牵引铸锭移动至预定位置时，停止导入铝熔体，关闭上下线圈的电源，停止牵引系统，吊出铸锭，完成铸造。

经检测，本实施例制得铸锭的平均晶粒尺寸约为63μm，无团聚氧化物存在。

Claims (9)

1.一种铝合金半连续铸造装置，其特征在于，由供流系统、剪切系统、结晶系统、搅拌系统和牵引系统组成；

其中，所述的供流系统由流槽压板、流槽和导流管组成；流槽由流槽压板包围，导流管位于流槽的下方；

所述的剪切系统由导流管隔板、上线圈及变频电源组成；上线圈位于导流管外侧，导流管隔板位于导流管内，隔板上有通孔，上线圈通过导线与变频电源连接；

所述的结晶系统位于剪切系统下方，由石墨环和结晶器水套组成；结晶器水套位于石墨环外侧，结晶器水套下部靠石墨环一侧有出水孔；

所述的搅拌系统由下线圈和低频电源组成；下线圈位于结晶器水套内，下线圈通过导线与低频电源连接；

所述牵引系统位于石墨环下沿，并可上下移动。

2.根据权利要求1所述的一种铝合金半连续铸造装置，其特征在于，导流管隔板呈水平方向放置。

3.根据权利要求1所述的一种铝合金半连续铸造装置，其特征在于，所述的导流管和导流管隔板为耐高温的高强度保温材料。

4.根据权利要求1所述的一种铝合金半连续铸造装置，其特征在于，所述的导流管隔板的厚度为5mm～50mm；隔板上的开孔直径Φ5mm～Φ30mm；隔板上的开孔间距为5mm～50mm。

5.根据权利要求1所述的一种铝合金半连续铸造装置，其特征在于，所述的上线圈和下线圈均由耐热铜管或扁铜线缠绕而成，匝数为50～200匝。

6.根据权利要求1所述的一种铝合金半连续铸造装置，其特征在于，所述的石墨环材料为石墨。

7.一种铝合金半连续铸造方法，利用了权利要求1所述的装置，其特征在于，包括如下步骤：

1)将牵引系统升至结晶器水套内石墨环下沿，再将流槽、导流管、导流管隔板预热至300-700℃，并向结晶器水套中通入冷却水，冷却水通过结晶器水套的出水孔喷出，作用至铸锭表面；

2)向流槽中导入铝熔体，铝熔体流经导流管及导流管隔板后进入结晶系统，在结晶系统内凝固5～20s后，启动牵引系统进行铸造，同时启动剪切系统中的变频电源，向上线圈通入交流电，并且启动搅拌系统中的低频电源，向下线圈通入交流电；

3)待牵引系统牵引铸锭移动至预定位置时，停止导入铝熔体，关闭上下线圈的电源，停止牵引系统，吊出铸锭，完成铸造。

8.根据权利要求7所述的一种铝合金半连续铸造方法，其特征在于，所述铝熔体温度为720～730℃。

9.根据权利要求7所述的一种铝合金半连续铸造方法，其特征在于，上线圈交流电的频率为5～50000赫兹，电流为1～300安；下线圈交流电的频率为5～100赫兹，电流为1～300安。