CN105234363A - 一种抑制铝合金铸锭成分偏析的半连铸装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明的目的在于针对现有技术中降低铸锭、特别是大尺寸铸锭成分偏析的设备和方法中存在的不足，提供了一种抑制铝合金铸锭成分偏析的半连铸装置及方法，属于铝合金铸造设备和技术领域。该装置包括压板、保温帽、导流隔板、石墨环、结晶器、线圈和引锭头；保温帽位于结晶器上部并通过压板固定在结晶器上，导流隔板位于保温帽内部，隔板上有开孔，石墨环镶嵌在结晶器内壁，线圈位于结晶器内部，在结晶器内壁下部有冷却水孔，引锭头位于结晶器内部石墨环的下沿，引锭头下端连接铸造机。该装置通过调整导流隔板上开孔位置、大小，并利用电磁场的搅拌作用将铝熔体均匀分散到结晶器内部，有效的降低铝合金铸造过程中的液穴深度和铸锭内部的成分偏析。

Description

一种抑制铝合金铸锭成分偏析的半连铸装置及方法

技术领域

本发明属于铝合金铸造设备和技术领域，特别涉及一种抑制铝合金铸锭成分偏析的半连铸装置及方法。

背景技术

纯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。在纯铝中添加一定量的合金元素，经过熔炼及铸造后形成铝合金，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。在铝合金铸造过程中，靠近结晶器边部的冷却强度大，而在靠近结晶器心部冷却强度小，在结晶器内形成液穴，尚未凝固的液相可在液穴轮廓线附近的枝晶间流动，进而在铸锭不同部位造成成分差异，形成成分偏析。

由于铝合金在加工过程中组织具有遗传性，铝合金铸锭成分偏析很难通过均质、变形的工艺进行消除，容易产生铸造缺陷并导致产品质量不合格。在局部区域低熔点共晶组织含量增加，形成粗大脆性结晶相，易引起热裂等其他铸造缺陷；造成铝合金产品性能不稳定，降低材料的力学性能、抗拉强度及延伸率等性能。随着铸锭尺寸的增大，铝合金铸锭成分偏析的程度尤为严重。因此，需要开发相应的技术来抑制成分偏析。目前，抑制成分偏析的方法主要有：改善铸造工艺参数，降低铸造速度，使液穴变浅，降低成分偏析；提高冷却速率，缩短液相和固相两相区的冷却时间来抑制成分偏析；加入细化剂、孕育剂等时晶粒细化，进而减少枝晶间液体金属的流动抑制成分偏析；采用外加电磁场，通过电磁场的搅拌作用使结晶器内的温度场及浓度场变得均匀，使液穴深度变浅，进而降低铸锭成分偏析。

在实际铝合金半连续铸造过程中，对于具体的合金成分及铸锭尺寸规格，可供调节的工艺参数(降低铸造速度、提高冷却速率)非常窄；对于具体的合金成分，加入细化剂的含量有一定范围，因此调节工艺参数、加入细化剂存在局限性；施加电磁场可以在熔体中引起强对流使温度场变得均匀，在一定程度上可以降低液穴深度，抑制成分偏析，但在制备大尺寸铸锭时，由于电磁场的集肤效应，铸锭心部的磁场比较弱，对铸锭心部的高温熔体搅拌较弱，使液穴深度变浅和降低铸锭成分偏析的能力变差。

发明内容

本发明的目的在于针对现有技术中降低铸锭成分偏析、特别是大尺寸铸锭的设备和方法中存在的不足，提供了一种抑制铝合金铸锭成分偏析的半连铸装置及方法。该装置通过调整导流隔板上开孔位置及大小，使高温铝熔体从导流隔板的开孔位置进入结晶器，阻止高温熔体直接流向铸锭中心处引起液穴变深，降低铸锭内部的成分偏析，并且利用电磁场的搅拌作用将铝熔体均匀分散到结晶器内部，提高结晶器内部温度的均匀性，进一步降低铸造过程中的液穴深度和降低铸锭内部的成分偏析。

一种抑制铝合金铸锭成分偏析的半连铸装置，包括压板、保温帽、导流隔板、石墨环、结晶器、线圈和引锭头；

其中，保温帽位于结晶器上部并通过压板固定在结晶器上，导流隔板位于保温帽内部，石墨环镶嵌在结晶器内壁，线圈位于结晶器内部，在结晶器内壁下部有开孔，引锭头位于结晶器内部石墨环的下沿并可向下移动，引锭头下端连接铸造机；

所述的导流隔板在保温帽内水平放置；

所述的导流隔板为采用涂防护涂料的金属板或耐火材料板；

所述的导流隔板厚度为5～100mm，导流隔板上开孔数量≥2个，开孔间距为10～150mm，开孔形状为矩形孔或圆形孔，开孔截面积为80～22500mm²；

所述的线圈的匝数为50～200匝；

所述的石墨环的内径为80～1500mm。

一种采用上述装置的抑制铝合金铸锭成分偏析的半连铸方法，包括以下步骤：

(1)对保温帽及导流隔板进行预热，预热至温度为300～800℃；

(2)铸造前将引锭头升至石墨环下沿，向结晶器中通入冷却水，冷却水经结晶器下部的水孔喷出；

(3)由装置上部导入铝熔体，铝熔体流经保温帽及导流隔板流入结晶器，当熔体在结晶器内凝固5～60s形成坯壳后，启动铸造机开始铸造，同时，向线圈中通入交流电，起始铸造速度为5～50mm/min，然后在2min内增加至10～150mm/min，线圈电流频率范围为5～100Hz，电流强度范围为1～300A；

(4)铸造结束后，关闭交流电，关闭冷却水。

与现有技术相比，本发明的特点和有益效果在于：

1、本发明的装置通过调整导流隔板厚度、导流隔板开孔位置及大小，阻止高温熔体直接流向冷却强度小的铸锭中心，使高温铝熔体从靠近结晶器边部冷却强度大的位置进入结晶器，利用电磁场的搅拌作用将高温铝熔体均匀分散到结晶器内部，提高结晶器内部温度的均匀性，降低铸造过程中的液穴深度，降低铸锭内部的成分偏析。

2、本发明操作简单，制得的铝合金铸锭的成分偏析程度大大降低。

附图说明

图1为本发明抑制铝合金铸锭成分偏析的半连铸装置示意图；

图中，1、压板；2、保温帽；3、高温铝熔体；4、导流隔板；5、石墨环；6、线圈；7、结晶器；8、冷却水孔；9、铸锭；10、引锭头。

图2为从铸锭边部到心部Cu含量变化曲线。

图3为从铸锭边部到心部Mg含量变化曲线。

图4为从铸锭边部到心部Zn含量变化曲线。

具体实施方式

实施例1

如图1所示，一种抑制铝合金铸锭成分偏析的半连铸装置，包括压板1、保温帽2、导流隔板4、石墨环5、结晶器7、线圈6和引锭头10；

其中，保温帽2位于结晶器7上部并通过压板1固定在结晶器7上，导流隔板4位于保温帽2内部水平放置，石墨环5镶嵌在结晶器7内壁，线圈6位于结晶器7内部，在结晶器7内壁下部有冷却水孔8，引锭头10位于结晶器7内部石墨环5的下沿，引锭头10下端连接铸造机；导流隔板4厚度为5～100mm，导流隔板4上开孔数量≥2个，开孔间距为10～150mm，开孔形状为矩形孔或圆形孔，开孔截面积为80～22500mm²；导流隔板4采用涂防护涂料的金属板或耐火材料板；线圈6的匝数为50～200匝；石墨环5的内径为80～1500mm。

本发明装置中的导流隔板，一方面，可以避免高温铝熔体3直接流向冷却强度小的结晶器7心部引起液穴变深；另一方面，高温铝熔体3从靠近结晶器7边部流入，可使结晶器7边部的凝固前沿位置下移，使液穴变浅，从而降低铸锭9内部的成分偏析；此外，利用靠近结晶器7边部冷却强度大的特点，使从靠近结晶器7边部进入的高温熔体3快速冷却，利用电磁场的搅拌作用，使冷却后的铝熔体均匀分布在结晶器内部，提高结晶器内铝熔体温度的均匀性，从而进一步使液穴深度变浅和降低铸锭9内部的成分偏析。

实施例2

一种抑制铝合金铸锭成分偏析的半连铸装置，结构同实施例1，区别在于结晶器7内线圈6的匝数为100匝，石墨环5内径为590mm，导流隔板4厚度为50mm，导流隔板4上开孔数量为16个，开孔形状为圆形孔，开孔截面积为1963平方毫米，开孔间距约为80mm。

实施例3

欲制备合金元素总含量为12wt％的7055铝合金铸锭，其中Cu含量2.0wt％，Mg含量2.0wt％，Zn含量8.0wt％。

采用实施例2装置抑制铝合金铸锭成分偏析的半连铸方法，包括如下步骤：

(1)对保温帽及导流隔板进行预热，预热至温度为700℃；

(2)铸造前将引锭头升至石墨环下沿，向结晶器中通入冷却水，冷却水经结晶器下部的水孔喷出；

(3)由装置上部导入铝熔体，铝熔体流经保温帽及导流隔板流入结晶器，当熔体在结晶器内凝固14s形成坯壳后，启动铸造机开始铸造，同时，向线圈中通入交流电，铸造速度为5mm/min，然后在2min内增加至15mm/min；线圈电流频率为7Hz，电流强度为150A；

(4)铸造结束后，关闭交流电，关闭冷却水。

本方法制得的产品中的各合金组分从铸锭边部到心部含量变化的曲线如图2～图4所示，由图可知，与有磁场、无导流隔板的半连铸方法相比，采用本发明的半连铸方法制备的铝合金铸锭成分偏析程度明显降低。

实施例4

欲制备合金元素总含量为12wt％的7055铝合金铸锭，其中Cu含量2.0wt％，Mg含量2.0wt％，Zn含量8.0wt％。

采用结构与实施例2相同的装置，区别在于石墨环5内径为80mm，导流隔板4厚度为5mm，导流隔板4上开孔数量为2个，开孔形状为圆形孔，开孔截面积为225平方毫米，开孔间距约为20mm。

采用该装置抑制铝合金铸锭成分偏析的半连铸方法，包括如下步骤：

(1)对保温帽及导流隔板进行预热，预热至温度为300℃；

(2)铸造前将引锭头升至石墨环下沿，向结晶器中通入冷却水，冷却水经结晶器下部的水孔喷出；

(3)由装置上部导入铝熔体，铝熔体流经保温帽及导流隔板流入结晶器，当熔体在结晶器内凝固5s形成坯壳后，启动铸造机开始铸造，同时，向线圈中通入交流电，铸造速度为50mm/min，然后在0.5min内增加至150mm/min；线圈电流频率为100Hz，电流强度为1A；

(4)铸造结束后，关闭交流电，关闭冷却水。

表1为本方法制得的产品中各合金组分从铸锭边部到心部含量，表明铸锭边部到心部含量较均匀，偏析程度明显降低。

表1、各合金组分从铸锭边部到心部含量

	Cu含量％	Mg含量％	Zn含量％
				0mm	2.08	2.06	8.15
10mm	1.93	1.97	7.96
				20mm	2.00	2.04	8.07
30mm	2.02	2.03	8.05
				40mm	1.99	1.96	7.98

实施例5

欲制备合金元素总含量为12.2wt％的7055铝合金铸锭，其中Cu含量2.10wt％，Mg含量2.10wt％，Zn含量8.0wt％。

采用结构与实施例2相同的装置，区别在于石墨环5内径为1500mm，导流隔板4厚度为100mm，导流隔板4上开孔数量为32个，开孔形状为圆形孔，开孔截面积为6400平方毫米，开孔间距约为150mm。

采用该装置抑制铝合金铸锭成分偏析的半连铸方法，包括如下步骤：

(1)对保温帽及导流隔板进行预热，预热至温度为800℃；

(2)铸造前将引锭头升至石墨环下沿，向结晶器中通入冷却水，冷却水经结晶器下部的水孔喷出；

(3)由装置上部导入铝熔体，铝熔体流经保温帽及导流隔板流入结晶器，当熔体在结晶器内凝固60s形成坯壳后，启动铸造机开始铸造，同时，向线圈中通入交流电，铸造速度为5mm/min，然后在2min内增加至10mm/min；线圈电流频率为5Hz，电流强度为300A；

(4)铸造结束后，关闭交流电，关闭冷却水。

表2为本方法制得的产品中各合金组分从铸锭边部到心部含量，表明铸锭边部到心部含量较均匀，偏析程度明显降低。

表2、各合金组分从铸锭边部到心部含量

	Cu含量％	Mg含量％	Zn含量％
				0mm	2.17	2.16	8.29
200mm	1.94	1.92	7.92
				400mm	2.10	2.09	8.12
600mm	2.08	2.05	8.09
				750mm	1.94	1.96	7.93

Claims (9)

1.一种抑制铝合金铸锭成分偏析的半连铸装置，其特征在于，包括压板、保温帽、导流隔板、石墨环、结晶器、线圈和引锭头；

其中，保温帽位于结晶器上部并通过压板固定在结晶器上，导流隔板位于保温帽内部，隔板上有开孔，石墨环镶嵌在结晶器内壁，线圈位于结晶器内部，在结晶器内壁下部有冷却水孔，引锭头位于石墨环的下沿，引锭头下端连接铸造机。

2.根据权利要求1所述的一种抑制铝合金铸锭成分偏析的半连铸装置，其特征在于，所述的导流隔板在保温帽内水平放置。

3.根据权利要求1所述的一种抑制铝合金铸锭成分偏析的半连铸装置，其特征在于，所述的导流隔板为采用涂防护涂料的金属板或耐火材料板。

4.根据权利要求1所述的一种抑制铝合金铸锭成分偏析的半连铸装置，其特征在于，所述的导流隔板厚度为5～100mm。

5.根据权利要求1所述的一种抑制铝合金铸锭成分偏析的半连铸装置，其特征在于，所述的导流隔板上开孔数量≥2个，开孔间距为10～150mm，开孔形状为矩形孔或圆形孔，开孔截面积为80～22500mm²。

6.根据权利要求1所述的一种抑制铝合金铸锭成分偏析的半连铸装置，其特征在于，所述的线圈的匝数为50～200匝。

7.根据权利要求1所述的一种抑制铝合金铸锭成分偏析的半连铸装置，其特征在于，所述的石墨环的内径为80～1500mm。

8.一种抑制铝合金铸锭成分偏析的半连铸方法，采用权利要求1所述的装置，其特征在于，包括以下步骤：

(1)对保温帽及导流隔板进行预热，预热至温度为300～800℃；

(2)铸造前将引锭头升至石墨环下沿，向结晶器中通入冷却水，冷却水经结晶器下部的冷却水孔喷出；

(3)由装置上部导入铝熔体，铝熔体流经保温帽及导流隔板流入结晶器，当熔体在结晶器内凝固5～60s形成坯壳后，启动铸造机开始铸造，同时，向线圈中通入交流电，起始铸造速度为5～50mm/min，然后在2min内增加至10～150mm/min；

(4)铸造结束后，关闭交流电，关闭冷却水。

9.根据权利要求8所述的一种抑制铝合金铸锭成分偏析的半连铸方法，其特征在于，所述线圈中交流电的电流频率范围为5～100Hz，电流强度范围为1～300A。