CN105397045B - 一种铝合金板坯的铸轧装置及铸轧方法 - Google Patents

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Abstract

本发明的目的是针对于铸轧法生产较厚铝合金板坯存在的技术问题，提供了一种铝合金板坯的铸轧装置及铸轧方法，属于铝合金铸轧装备和制造领域。该装置包括铸嘴，平台，铸轧辊，电磁场发生装置和/或脉冲电源，喷水冷却装置。该铸轧方法为，将铝合金按照含量的比例配料熔炼成熔体，再将铝合金熔体输送入装置的铸嘴，进行立板，使板坯表面形成合适厚度的凝固壳；当立板成功后，开启喷水冷却装置、电磁场发生装置和/或脉冲电源，开始铸轧；当板坯达到一定长度时，停止铸轧，得到产品。该装置和方法能够避免铸轧区提前凝固的产生，改善板坯偏析，并能够细化组织同时避免熔体污染。

Description

一种铝合金板坯的铸轧装置及铸轧方法
技术领域
本发明属于铝合金铸轧装备和制造领域，具体涉及一种较厚的铝合金板坯的铸轧装置及铸轧方法。
背景技术
目前，工业用铝箔和薄板的供坯方法主要有热轧法和铸轧法。热轧法的工序主要包括半连续铸锭、加热、开坯、铣面、加热、热轧等，工序繁多，能量消耗高，而且设备一次性投入大。铸轧法是将液态铝合金直接浇入两个内部通有冷却水的轧辊，在其冷却和一定的压下作用下，直接生产出厚度在6～8mm的板坯。因此，与热轧法相比，铸轧法具有短流程、投资小、节能环保等优势。
并且，铸轧法生产的板坯需进一步通过冷轧和热轧制成工业所需的箔材和薄板。由于传统铸轧坯的厚度较小，通常在6～8mm之间，因此在冷热轧制过程中的压下量很小，不足以消除和改善板坯的组织缺陷以提高其最终使用性能。例如，用铸轧法生产3xxx、5xxx、6xxx、7xxx等系列合金板坯时，由于添加合金元素较多，存在严重的宏观和微观偏析，虽然通过热处理能部分消除和减轻，但成品材的性能仍然低于热轧板。从物理冶金学知识可知，塑性变形可以显著改善铸锭和板坯的组织缺陷，如焊合孔洞、碎断枝晶、消除偏析等，塑性变形程度越大，上述改善效果越明显。而且塑性变形越大，金属中将储存更多的畸变能，在热轧和热处理过程中的再结晶过程将更加充分，晶粒将更加细化，也对提高性能有促进作用。因此，如果能提高铸轧板坯的厚度以增加后续冷热轧制的压下量，成品材的性能将会显著增加。但用铸轧法生产较厚板坯存在很多技术难关，比如铸嘴的设计、铸轧温度和速度的确定、板坯偏析的减轻等。
发明内容
本发明的目的是针对于铸轧法生产较厚铝合金板坯存在的技术问题，提供了一种铝合金板坯的铸轧装置及铸轧方法。该装置设计了一种下注式铸嘴，以避免铸轧区提前凝固的产生；设计了一种喷水冷却装置，通过对凝固壳的水冷冷却来改变铸轧区的凝固顺序、改善板坯偏析；设计了一种电磁场发生装置和脉冲电源，通过给铸轧区施加电磁震荡进一步改善板坯组织；该方法通过合适的铸轧温度和速度组合，保证成功立板以及板坯在出铸轧区以后表面能形成一定厚度凝固壳。
一种铝合金板坯的铸轧装置，包括铸嘴(浇注嘴)，平台，铸轧辊，电磁场发生装置和/或脉冲电源，以及喷水冷却装置等；其中，装置中可以同时设置电磁场发生装置和脉冲电源，也可以只设置电磁场发生装置或只设置脉冲电源；
所述铸轧辊为两个，分别为上辊和下辊，上下对称放置，辊内通冷却水；平台设置在铸轧辊外，位于熔体流入侧；铸嘴放置在平台上，铸嘴出口位于两个铸轧辊间，铸嘴出口的高度在铸坯中心线以下，用于将熔体送入铸轧辊，并避免铸轧区提前凝固；电磁场发生装置设置在铸轧辊外，位于熔体流入侧，用于搅拌细化熔体组织；脉冲电源在铸轧辊外，电源通过导线，一端连接铝液，一端连接板坯，用于搅拌细化熔体组织；喷水冷却装置在铸轧辊外，并位于出板坯侧，用于向铸轧区出口处的板坯表面喷冷却水，使熔体凝固顺序改为由铸轧区前端向后的水平凝固，从而有效避免了板坯的表面和中心带状偏析；并且喷水冷却装置的冷却水与铸轧辊内的冷却水可以由同一个水源提供；
所述电磁场发生装置由电源和磁场发生器组成；
所述喷水冷却装置由冷却水进水口、冷却水储水腔和冷却水喷水口组成，喷水口朝向板坯出坯的方向，向铸轧区出口处的板坯表面喷冷却水；
所述铸轧辊之间最小辊缝d≥15mm，较好的，d为20～50mm；
较好的，所述电磁场发生装置产生的磁场强度为20mT～100mT；脉冲电源频率为10～50Hz，电流密度为0.1～0.5A/mm2。
一种铝合金板坯的铸轧方法，利用了上述的铸轧装置，具体包括如下步骤：
(1)配料熔炼：根据所要铸轧铝合金的标准成分，将各添加元素进行配比和称重，当铝液温度达到规定值时按规定加入添加元素并保温一定时间，之后对熔体进行扒渣，转入静置炉静置一定时间，对熔体除气；
(2)铸轧：将铝合金熔体输送入上述装置的铸嘴，进行立板，使板坯表面形成合适厚度的凝固壳，同时，控制铸嘴入口处熔体的温度在其液相线温度以上30～40℃，并控制铸轧辊冷却水压力0.2～0.4Mpa，铸轧速度0.3～0.9m/min，铸嘴开口度≥40mm；当立板成功后，开启喷水冷却装置、电磁场发生装置和/或脉冲电源，进行铸轧，电磁场发生装置产生的磁场强度为20mT～100mT，脉冲电源频率为10～50Hz，电流密度为0.1～0.5A/mm2；当板坯达到一定长度时，停止铸轧；
其中，较好的，铸轧得到的板坯厚度为20～50mm。
与现有技术相比，本发明的特点和有益效果是：
(1)本方法首次通过铸轧法生产出组织成分均匀的铝合金中厚板坯，以便为后续通过增加冷热轧制压下量来提高成品材性能提供可能；
(2)本发明运用铸轧区出口处喷水冷却的方法改变了铸轧区内熔体的凝固顺序，将传统铸轧法中由板坯表面向中心凝固的顺序改为由铸轧区前端向后的水平凝固，有效避免了板坯的表面和中心带状偏析；
(3)本发明通过在铸轧过程中施加电磁场和/或脉冲电流来达到细化板坯组织、进一步减轻偏析的目的，这种方法可以在细化组织的同时避免熔体污染；
(4)本发明中采取下注式铸嘴来防止由于铸轧区高度增加造成的铝液提前凝固，效果良好。
附图说明
图1、本发明装置的示意图；
其中，1、铸嘴(浇注嘴)，2、平台，3、电磁场发生装置，4、脉冲电源，5、喷水口，6、上辊，7、下辊，8、冷却水，9、铸嘴出口，10、熔体，11、铸轧区，12、导线，13、板坯；
图2、7075铝合金板坯中心带状偏析的对比图；
a、普通铸轧板坯；b、实施例4制备的板坯；
图3、7075铝合金板坯组织的对比图；
c、普通铸轧板坯；d、实施例4制备的板坯；
图4、6181铝合金板坯中心带状偏析的对比图；
e、普通铸轧板坯，黑框内为带状偏析；f、实施例5制备的板坯；
图5、3003铝合金板坯组织的对比图；
g、普通铸轧板坯；h、实施例6制备的板坯；
图6、3003铝合金板坯中心带状偏析的对比图；
i、普通铸轧板坯；j、实施例6制备的板坯；
图7、5052铝合金板坯组织的对比图；
k、普通铸轧板坯；l、实施例7制备的板坯；
图8、5052铝合金板坯中心带状偏析的对比图；
m、普通铸轧板坯；n、实施例7制备的板坯。
具体实施方式
实施例1
一种铝合金板坯的铸轧装置，如图1所示，包括铸嘴(浇注嘴)1，平台2，铸轧辊，电磁场发生装置3，脉冲电源4和喷水冷却装置；
所述铸轧辊为两个，分别为上辊6和下辊7，上下对称放置，辊内通冷却水8；平台2位于铸轧辊外的熔体流入侧；铸嘴1放置在平台2上，铸嘴出口9位于上辊6和下辊7之间，高度在铸坯中心线以下，用于将熔体10送入铸轧辊，并避免铸轧区11提前凝固；电磁场发生装置3在铸轧辊外，位于熔体流入侧，由电源和磁场发生器组成，用于搅拌细化熔体组织；脉冲电源4在铸轧辊外，电源通过导线12一端连接铝液，一端连接板坯13，用于搅拌细化熔体组织；喷水冷却装置在铸轧辊外，位于出板坯侧，由冷却水进水口、冷却水储水腔和冷却水喷水口5组成，喷水口5朝向板坯出坯的方向，用于向铸轧区11出口处的板坯表面喷冷却水，使熔体凝固顺序改为由铸轧区11前端向后的水平凝固，从而有效避免了板坯13的表面和中心带状偏析；铸轧辊间最小辊缝d≥15mm，较好的，d为20～50mm。
实施例2
一种铝合金板坯的铸轧装置，结构与实施例1中装置相同，区别在于，未设置脉冲电源。
实施例3
一种铝合金板坯的铸轧装置，结构与实施例1中装置相同，区别在于，未设置电磁场发生装置。
实施例4
板坯厚度为20mm的7075铝合金的铸轧方法，利用了实施例2中的装置，具体步骤如下：
(1)配料熔炼：按7075标准成分(wt％)Si:0.40，Fe:0.50，Cu:1.5，Mn:0.3，Mg:2.7，Cr:0.25，Zn:5.7，Al:余量，将工业纯铝、镁锭、铝铜中间合金、锌锭等配比称重，先将工业纯铝熔化并将温度设定在750℃，依次加入上述三种添加元素，之后保温2小时左右；再对铝液进行扒渣，然后降温至680℃，转至静置炉，静置1小时左右，最后除气；
(2)熔体输送：将熔体通过溜槽输送至前箱，将到达前箱的熔体温度控制在670±2℃；
(3)铸轧：给定铸嘴开口度40mm，铸轧辊外径500mm；铸轧速度设定为0.4m/min，冷却水压力设定为0.2～0.4Mpa，水温设定为25℃；将铝合金熔体由前箱导入到铸嘴中，通入铸轧辊间，立板成功后，当铸轧板出铸轧区长度达到100±10mm时，开启喷水冷却装置，压力为0.2～0.4Mpa，同时开启电磁场发生装置，磁场强度设定为50mT；当铸轧板坯长度达到要求值时，停止浇注；依次关闭冷却喷水装置、电磁场发生装置，并将铸轧速度调至0m/min，铸轧结束，得到板坯。
由图2和图3可以看到，通过本发明的铸造装置和方法制备的铝合金中厚板坯，与普通铸轧板坯相比，无带状偏析并且组织更细化。
实施例5
板坯厚度为30mm的6181铝合金的铸轧方法，利用了实施例3中的装置，具体步骤如下：
(1)配料熔炼：按6181铝合金标准成分(wt％)Si:1.0，Fe:0.45，Cu:0.10，Mn:0.15，Mg:0.8，Cr:0.10，Zn:0.2，Al:余量，将工业纯铝锭、镁锭、铝硅中间合金配比并称重，在熔炼炉内于730～750℃熔炼2小时，然后在静置炉内静置1小时，再于700～720℃进行精炼，每2小时除渣一次，得到精炼后的铝合金液，最后除气；
(2)熔体输送：将熔体通过溜槽输送至前箱，将到达前箱的熔体温度控制在685±2℃；
(3)铸轧：给定铸嘴开口度50mm，铸轧辊外径860mm；铸轧速度设定为0.3m/min，冷却水压力设定在0.2～0.4Mpa，水温设定为25℃，将铝合金熔体由前箱导入到铸嘴中，通入铸轧辊间，立板成功后，当铸轧板出铸轧区长度达到100±10mm时，开启喷水冷却装置，压力为0.2～0.4Mpa，同时开启脉冲电源，频率为30Hz，电流密度设为0.3A/mm2；当铸轧板坯长度达到要求值时，停止浇注；依次关闭冷却喷水装置、脉冲电源，并将铸轧速度调至0m/min，铸轧结束，得到板坯。
由图4可以看到，通过本发明的铸造装置和方法制备的铝合金中厚板坯，与普通铸轧板坯相比，无带状偏析。
实施例6
板坯厚度为50mm的3003铝合金的铸轧方法，利用了实施例1中的装置，具体步骤如下：
(1)配料熔炼：按3003铝合金标准成分(wt％)Si:0.6，Fe:0.7，Cu:0.1，Mn:1.2，Al:余量，将工业纯铝锭、铝锰中间合金配比并称重，先将工业纯铝熔化并设定温度在750℃，之后加入铝锰中间合金并保温2小时，扒渣后将铝液转入静置炉静置1小时以上，最后除气；
(2)熔体输送：将熔体通过溜槽输送至前箱，将到达前箱的熔体温度控制在695±2℃；
(3)铸轧：给定嘴开口度50mm，铸轧辊外径860mm；铸轧速度设定为0.6m/min，冷却水压力设定在0.2～0.4Mpa，水温设定为25℃，将铝合金熔体由前箱导入到铸嘴中，通入铸轧辊间；立板成功后，当铸轧板出铸轧区长度达到100±10mm时，开启喷水冷却装置，冷却水喷向出坯方向压力为0.2～0.4Mpa，同时开启电磁场发生装置和脉冲电源，磁场强度设定为20mT，脉冲电流频率50Hz，电流密度0.5A/mm2；当铸轧板坯长度达到要求值时，停止浇注；依次关闭冷却喷水装置、磁场发生装置，并将铸轧速度调至0m/min，铸轧结束，得到板坯。
由图5和图6可以看到，通过本发明的铸造装置和方法制备的铝合金中厚板坯，与普通铸轧板坯相比，无带状偏析并且组织更细化。
实施例7
板坯厚度为20mm的5052铝合金的铸轧方法，利用了实施例1中的装置，具体步骤如下：
(1)配料熔炼：按5052铝合金标准成分(wt％)Si:0.25，Fe:0.4，Cu:0.1，Mn:0.1，Mg:2.5，Cr:0.25，Al:余量，将工业纯铝锭、镁锭、铝锰中间合金、铝铬中间合金等配比并称重，先将工业纯铝熔化并设定温度在750℃，之后加入上述添加元素并保温2小时，扒渣后将铝液转入静置炉静置1小时以上，最后除气；
(2)熔体输送：将熔体通过溜槽输送至前箱，将到达前箱的熔体温度控制在690±2℃；
(3)铸轧：给定铸嘴开口度40mm，铸轧辊外径860mm；铸轧速度设定为0.9m/min，冷却水压力设定在0.2～0.4Mpa，水温设定为25℃，将铝合金熔体由前箱导入到铸嘴中，通入铸轧辊间，立板成功后，当铸轧板出铸轧区长度达到100±10mm时，开启喷水冷却装置，压力为0.2～0.4Mpa，同时开启电磁场发生装置和脉冲电源，磁场强度设定为100mT，脉冲电流频率10Hz，电流密度0.1A/mm2；当铸轧板坯长度达到要求值时，停止浇注；依次关闭冷却喷水装置、磁场发生装置，并将铸轧速度调至0m/min，铸轧结束，得到板坯。
由图7和图8可以看到，通过本发明的铸造装置和方法制备的铝合金中厚板坯，与普通铸轧板坯相比，无带状偏析并且组织更细化。

Claims (5)

1.一种铝合金板坯的铸轧装置，包括铸嘴，平台，铸轧辊，其特征在于，还包括喷水冷却装置，以及电磁场发生装置和脉冲电源；
所述铸轧辊为两个，分别为上辊和下辊，上下对称放置，辊内通冷却水；平台设置在铸轧辊外，位于熔体流入侧；铸嘴放置在平台上，铸嘴出口位于两个铸轧辊间；电磁场发生装置设置在铸轧辊外，位于熔体流入侧；脉冲电源在铸轧辊外，电源通过导线，一端连接铝液，一端连接板坯；喷水冷却装置设置在铸轧辊外，位于出板坯侧；
所述铸嘴出口的高度在铸坯中心线以下；
所述铸轧辊之间最小辊缝d≥15mm。
2.根据权利要求1所述的一种铝合金板坯的铸轧装置，其特征在于，所述铸轧辊之间最小辊缝d为20~50mm。
3.一种铝合金板坯的铸轧方法，利用了权利要求1所述的铸轧装置，其特征在于，具体步骤为：
将铝合金按照各组分含量的比例配料，并熔炼成熔体；再将铝合金熔体输送入装置的铸嘴，进行立板，使板坯表面形成合适厚度的凝固壳；同时，控制熔体到达铸嘴入口时的温度在其液相线温度以上30~40℃，并控制铸轧辊冷却水压力，铸轧速度和铸嘴开口度；当立板成功后，开启喷水冷却装置、电磁场发生装置和脉冲电源，进行铸轧；当板坯达到一定长度时，停止铸轧，得到产品。
4.根据权利要求3所述的一种铝合金板坯的铸轧方法，其特征在于，所述铸轧辊冷却水压力为0.2~0.4Mpa，铸轧速度为0.3~0.9m/min，铸嘴开口度≥40mm。
5.根据权利要求3所述的一种铝合金板坯的铸轧方法，其特征在于，所述电磁场发生装置产生的磁场强度为20mT~100mT；所述脉冲电源频率为10~50Hz，电流密度为0.1~0.5A/mm2。
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