CN106238716A - 铝合金层状布流平面凝固铸造装置及其铸造方法 - Google Patents

Abstract

铝合金层状布流平面凝固铸造装置及其铸造方法，属于铝合金锭坯铸造技术领域。装置，包括支架，在支架的上部设置有能够水平移动的平动分流机构，在平动分流机构出口处设置控流机构；在平动分流机构下方设置铸箱，在铸箱下方设置有喷水系统和冷却板系统。方法，将冷却板系统上升至铸箱内，铝合金液进入分流槽，进入导杆套；启动第二电机控制铝合金液流量；启动第一电机，动板带动分流槽做水平运动，铝合金液呈层状流到冷却板上板上；待铝合金凝固层能够支撑时，启动冷却板油缸，使冷却板系统下降；然后将喷水系统推入，喷水冷却；控制主油缸的下降速度，直到铸造至预定厚度；待全部冷却后，停止喷水，将喷水系统抽出，取出铸锭，铸造结束。

Description

铝合金层状布流平面凝固铸造装置及其铸造方法

技术领域

本发明属于铝合金锭坯铸造技术领域，特别是涉及一种铝合金层状布流平面凝固铸造装置及其铸造方法，可用于单一合金的铸造以及多种合金的复合铸锭的铸造。

背景技术

铝合金的加工材的锭坯绝大部分都是采用DC铸造方法制备。DC半连续铸造凝固过程最显著的特点是熔体内外部受到的冷却强度不一样，铸锭内外存在较大的温度差，造成内外熔体凝固不同步，易产生铸锭横截面上组织不均匀、铸锭的铸造内应力高，容易引发裂纹；同时DC铸造时液穴内出现热对流，会产生合金元素宏观偏析；这在铸造高合金元素含量的航空铝合金，如7000系合金大尺寸板坯时问题更加严重。

为了解决以上问题，美国铝业公司的工程师开发了“橡胶刮水板技术”，在合金铸锭到一定长度时，采用橡胶刮水板刮去二冷水，实现铸锭“自回热”，即利用铸锭内部的热量使铸锭“自退火”，减少铸造的内应力，我们也发明了更加经济高效的“气刀除水”技术。这些技术在抑制高合金化大尺寸板坯的裂纹中发挥了显著作用，但是铸锭的合金元素宏观偏析严重，所以合金元素宏观偏析严重成为铸锭冶金质量的关键问题。

2012年6月，在美国匹斯堡召开的世界第13届铝合金国际会议上，美国铝业公司技术中心的Men G.Chu等宣布了一项最新的研发成果。针对航空铝合金DC铸造板坯的合金元素宏观偏析严重这一制约航空铝合金发展的瓶颈问题，提出了铝合金平面凝固技术，用于制备高强铝合金和复合锭坯。该方法采用的设备是四块绝热板、底部由一块冷却板组成的箱式结构的凝固装置-铸造箱，铝合金液经过滤、净化后由侧面浇入铸造箱，由冷却板实现单向散热，铝合金液由底部逐渐向上平面凝固。该技术本质上是沿袭了单向凝固的原理，液/固界面平面向上移动。该方法的凝固特点与DC铸造有本质的区别：

1、由于凝固前沿是一个平面，没有DC铸造中的热对流和漂浮晶，所以抑制了合金元素的宏观偏析，铸锭凝固后合金元素各方向的分布均匀；

2、由于凝固速度低，熔体的凝固速度差小，凝固不同步产生的不均匀收缩而导致的铸锭残余应力显著降低，因此可以避免DC铸造的裂纹；

3、由于熔体结晶速度低和流动速度低，避免了DC铸造产生的热对流，熔体平稳凝固，铸锭由下而上顺序凝固，有利于气体析出和夹杂的上浮。

所以，平面凝固将为高合金化的大尺寸锭坯，尤其是板坯的制备提供更加高效、经济的新方法。

为确保合金平面凝固，合金液的分流是技术关键。Alcao公司的合金液从铸造箱两侧分流，由于合金液进入铸造箱时的温度高、流速也高，因此该区域的温度高于其他区域；两相区和固态区的水平低，形成较深的液穴，凝固前沿较其他区域低，即铸锭不是平面凝固。尤其是铸锭尺寸较大时，入流点的液穴更深，即使增加分流点，该问题依然没有彻底改善。

发明内容

针对现有技术存在的问题，本发明提供一种特别适用于大尺寸、低宏观偏析、低内应力的铝合金层状布流平面凝固铸造装置及其铸造方法。本发明在美国铝业公司开发的铝合金平面凝固铸造方法的基础上，充分考虑了分流方法对平面凝固铸造合金凝固流场和温度场的影响，提出了采用平面移动的动态层状布流方法。利用可以水平运动的平动分流机构，在保证液面稳定的同时，根据合金特点和底部的冷却速度，将铝合金液逐层浇入铸箱，这种分流方式可以保证液面基本不扰动，即没有热冲击和流动冲击，铸锭凝固前沿和液/固界面基本上是平面，并确保凝固以平面凝固的方式进行，直至铸锭铸造到预定厚度；控流机构可以控制铝合金液进入铸箱的流量，冷却板系统可以保证铸造初期凝固壳的形成，喷水系统可以实现铸锭由底部向上均匀冷却；本发明更适合大尺寸板坯的制备。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：一种铝合金层状布流平面凝固铸造装置，包括支架，其特点是在所述支架的上部设置有平动分流机构，在平动分流机构的出口处设置有控流机构，所述平动分流机构能够水平移动；在平动分流机构的下方设置有铸箱，在铸箱底板上设置有通孔，在铸箱的下方分别设置有喷水系统和冷却板系统，所述铸箱底板上的通孔与冷却板系统相对应。

所述平动分流机构包括第一电机，第一电机的输出轴与传动丝杠固定连接，所述传动丝杠通过轴承座设置在支架上，在传动丝杠上设置有丝杠螺母；在丝杠螺母的侧方设置有动板，所述动板与丝杠螺母固定连接，在支架上水平设置有滑动导轨，在动板上设置有滑动轴承座，所述滑动轴承座与滑动导轨相配合；在动板上设置有分流槽壳体，在分流槽壳体内设置有分流槽，在分流槽的出口处设置有导杆套，在导杆套的下方设置有布流筐。

所述布流筐由吊架和布流盘组成，所述布流盘通过第二紧固螺栓固定在吊架上，吊架固定在平动分流机构的动板下部，在布流盘上设置有若干导流孔。

所述控流机构包括横板，在所述横板上设置有第二电机，第二电机的输出轴与凸轮轴固定连接，所述凸轮轴通过凸轮轴承座设置在横板上；在凸轮轴上设置有若干凸轮，在凸轮的下方设置有从动轮套，在从动轮套内设置有从动轮，所述从动轮与凸轮相接触，并与从动轮套轴连接，在凸轮上设置有顶丝，所述顶丝的内端与凸轮轴相对应；在横板上设置有通孔，在通孔内设置有导杆滑动轴承，滑动轴瓦的上端穿过导杆滑动轴承后与从动轮套固定连接，滑动轴瓦的下端通过导杆紧帽与导杆的上端固定连接；在从动轮套与导杆滑动轴承之间的滑动轴瓦外设置有弹簧，所述横板通过第一立板固定在动板的上方，导杆的下端与平动分流机构的导杆套相对应。

所述铸箱包括铸箱底板，在铸箱底板的顶部设置有由绝热耐火板组成的箱体，所述绝热耐火板通过固定架和第三紧固螺栓与铸箱底板固定连接。

所述冷却板系统包括冷却板上板、冷却板下板、第一进水管及出水管，所述冷却板上板设置在冷却板下板的上方，冷却板上板与冷却板下板通过第一紧固螺栓固定连接；在冷却板上板与冷却板下板之间设置有Z字形水道，所述Z字形水道的进口和出口分别与第一进水管和出水管相连通；在冷却板下板的下方设置有底板，在冷却板下板与底板之间设置有冷却板油缸，所述底板通过第二立板固定在铸箱底板的下方，在底板的底部设置有主油缸。

所述喷水系统包括导轨，所述导轨固定在第二立板上，在导轨的上方设置有喷水架，在喷水架上设置有若干喷水架轮，所述喷水架轮设置在导轨上；在喷水架上设置有水管，所述水管的进口与第二进水管相连通，在水管上设置有若干喷嘴。

采用所述的铝合金层状布流平面凝固铸造装置铸造单一合金的铸造方法，包括如下步骤：

步骤一：铸造前，先将流槽、分流槽、导杆和导杆套加热，然后将冷却板系统上升至铸箱内，使铸箱底板的上表面与冷却板上板的上表面在同一水平面上；设定冷却板系统的水流量、喷水系统的喷水量、凸轮的转动角度及动板的水平运动速度；

步骤二：铝合金液经熔炼、静置、除气、过滤后，由静置炉进入固定在熔铝炉口的流槽，打开流槽末端控流的钎子，铝合金液经石墨浇嘴进入下部分流槽的流道，经过迷宫式的分流，进入导杆套；根据预先设定的凸轮的转动角度，启动控流机构的第二电机，第二电机带动凸轮转动，凸轮带动导杆上下运动，从而控制通过布流筐流入铸箱的铝合金液流量；铝合金液经过导杆套进入布流筐，然后流进铸箱；启动平动分流机构的第一电机，第一电机通过传动丝杠和丝杠螺母带动动板运动，动板带动分流槽做水平运动，铝合金液呈层状流到冷却板上板上，在冷却板系统的作用下，铝合金液从底部开始受冷凝固；

步骤三：待冷却板上板上的铝合金凝固层能够支撑已浇注到铸箱内的铝合金液时，启动冷却板油缸，使冷却板系统下降；然后将喷水系统沿导轨推入，向铸锭底部喷水冷却；根据铸锭的冷却速度，控制液层的深度，根据液层深度的要求，控制主油缸的下降速度，直到铸造至预定厚度；

步骤四：待铸锭全部冷却后，停止喷水系统的喷水，将喷水系统沿导轨抽出，拆除铸箱的固定架和绝热耐火板，取出铸锭，铸造结束；

步骤五：装上铸箱，将冷却板系统上升至铸箱内，使铸箱底板的上表面与冷却板上板的上表面在同一水平面上，准备下一次铸造。

采用所述的铝合金层状布流平面凝固铸造装置铸造复合铸锭的铸造方法，包括如下步骤：

步骤一：先将各组元的合金分别在各自的熔炼炉熔化静置，将流槽、分流槽、导杆和导杆套加热，然后将冷却板系统上升至铸箱内，使铸箱底板的上表面与冷却板上板的上表面在同一水平面上；设定冷却板系统的水流量、喷水系统的喷水量、凸轮的转动角度及动板的水平运动速度；

步骤二：将第一组元的合金液经除气、过滤后，由静置炉进入固定在熔铝炉口的流槽，打开流槽末端控流的钎子，第一组元的合金液经石墨浇嘴进入下部分流槽的流道，经过迷宫式的分流，进入导杆套；根据预先设定的凸轮的转动角度，启动控流机构的第二电机，第二电机带动凸轮转动，凸轮带动导杆上下运动，从而控制通过布流筐流入铸箱的第一组元的合金液流量；第一组元的合金液经过导杆套进入布流筐，然后流进铸箱；启动平动分流机构的第一电机，第一电机通过传动丝杠和丝杠螺母带动动板运动，动板带动分流槽做水平运动，第一组元的合金液呈层状流到冷却板上板上，在冷却板系统的作用下，第一组元的合金液从底部开始受冷凝固；待冷却板上板上的第一组元的合金凝固层能够支撑已浇注到铸箱内的第一组元的合金液时，启动冷却板油缸，使冷却板系统下降；然后将喷水系统沿导轨推入，向铸锭底部喷水冷却；根据铸锭的冷却速度，控制液层的深度，根据液层深度的要求，控制主油缸的下降速度，直到第一组元的合金铸造至预定厚度；

步骤三：将第二组元的合金液经除气、过滤后，由静置炉进入固定在熔铝炉口的流槽，打开流槽末端控流的钎子，第二组元的合金液经石墨浇嘴进入下部分流槽的流道，经过迷宫式的分流，进入导杆套；根据预先设定的凸轮的转动角度，启动控流机构的第二电机，第二电机带动凸轮转动，凸轮带动导杆上下运动，从而控制通过布流筐流入铸箱的第二组元的合金液流量；第二组元的合金液经过导杆套进入布流筐，然后流进铸箱；启动平动分流机构的第一电机，第一电机通过传动丝杠和丝杠螺母带动动板运动，动板带动分流槽做水平运动，第二组元的合金液呈层状流到第一组元的合金上；根据铸锭的冷却速度，控制液层的深度，根据液层深度的要求，控制主油缸的下降速度，直到第二组元的合金铸造至预定厚度；

步骤四：如有第三组元，以此类推，根据复合铸锭中各组元的厚度，在设定的时间将其他组元引进流槽；通过控制各组元熔炼炉出口流道内的档流板开闭的时刻、打开的角度和时间长短实现界面层的梯度过渡或清晰界面；

步骤五：待铸锭全部冷却后，停止喷水系统的喷水，将喷水系统沿导轨抽出，拆除铸箱的固定架和绝热耐火板，取出铸锭，铸造结束；

步骤六：装上铸箱，将冷却板系统上升至铸箱内，使铸箱底板的上表面与冷却板上板的上表面在同一水平面上，准备下一次铸造。

步骤四中所述的档流板设置在流槽内，其通过第四紧固螺栓与轴套固定连接，在档流板与第四紧固螺栓之间设置有护板；在轴套内设置有旋转轴，所述旋转轴固定在流槽的内侧壁上，在轴套上固定有摇杆，在摇杆与轴套之间设置有垫片，在摇杆的外端设置有摇柄。

本发明的有益效果：

1、由于本发明采用了可以水平运动的平动分流机构，就可以实现铝合金液的层状布流，即铝合金液逐层布流到铸箱中，避免了定点布流的局部过热，确保铸箱中的铝合金液凝固前沿是平面；

2、本发明铸箱中的铝合金溶体浇入量可以实现智能控制，即通过控制控流机构的导杆的升降幅度和平动分流机构的动板的水平运动速度，控制每层的浇入量及单位时间内的铝合金液浇入量；

3、本发明中铝合金液是通过布流筐的布流盘底部与垂直方向呈45°角的导流孔以潜流方式流入铸箱，即不破坏液面；当铸造后期，液面氧化膜较厚时，布流筐的水平运动可以将氧化膜平稳推到铸箱边部，到达一定量时，可以将氧化膜取出；

4、当喷水系统的喷水量一定时，铸锭凝固前沿的冷却速度随着铸锭厚度的增加逐渐降低；本发明通过控制喷水系统的喷水量和主油缸的下降速度，可以保证铸锭凝固前沿的冷却速度保持在一定的范围。

因此，采用本发明可以确保铸锭以平面凝固方法凝固，避免了DC铸造时的热对流，可以显著改善铸锭的合金元素宏观偏析，降低铸锭的铸造应力，避免裂纹。在本发明铸造装置的前部，分别引进不同成分的铝合金液进入流槽，可以实现不同成分的层状铝合金锭坯的铸造。采用本发明可以铸造成分单一的合金，降低铸锭的合金元素宏观偏析和铸造内应力；也可以铸造成分不同的铝合金层状复合铸锭。

附图说明

图1为本发明的铝合金层状布流平面凝固铸造装置的结构示意图；

图2为图1的俯视图；

图3为图1中平动分流机构的结构示意图；

图4为图3的俯视图；

图5为图1中控流机构的结构示意图；

图6为图5的A-A剖视图；

图7为图1中冷却板系统的结构示意图；

图8为图7的俯视图；

图9为图1中喷水系统的结构示意图；

图10为图9的俯视图；

图11为本发明的布流筐的结构示意图；

图12为图11的B-B剖视图；

图13为图1中铸箱的结构示意图；

图14为图13的俯视图；

图15为采用本发明的铸造装置铸造复合铸锭的示意图；

图16为复合铸锭流槽内档流板的结构示意图；

图17为图16的俯视图；

图18为7050/纯铝复合锭坯的界面图；

图19为7050合金铸锭的主合金元素Zn的分布图；

图20为7050合金铸锭的主合金元素Mg的分布图；

图21为7050合金铸锭的主合金元素Cu的分布图；

图22为5456/7055合金铸锭厚度方向合金元素成分图；

图23为纯铝/5456/7055复合锭坯的界面图；

图中：1-支架；2-铸箱，2-1-第三紧固螺栓，2-2-绝热耐火板，2-3-铸箱底板，2-4-固定架；3-平动分流机构，3-1-第一电机，3-2-轴承座，3-3-传动丝杠，3-4-丝杠螺母，3-5-滑动导轨，3-6-分流槽，3-7-导杆套，3-8-动板，3-9-滑动轴承座，3-10-分流槽壳体，3-11-滑动导轨座，3-12-连接杆，3-13-螺栓；4-档流板，4-1-流槽，4-2-轴套，4-3-旋转轴，4-4-摇杆，4-5-第四紧固螺栓，4-6-护板，4-7-垫片，4-8-摇柄，4-9-旋转轴螺栓；5-控流机构，5-1-第二电机，5-2-凸轮轴承座，5-3-顶丝，5-4-凸轮，5-5-凸轮轴，5-6-从动轮套，5-7-弹簧，5-8-从动轮，5-9-导杆滑动轴承，5-10-横板，5-11-滑动轴瓦，5-12-导杆紧帽，5-13-第一立板，5-14-导杆；6-冷却板系统，6-1-第二立板，6-2-第一进水管，6-3-进水弯头，6-4-冷却板上板，6-5-冷却板下板，6-6-第一紧固螺栓，6-7-冷却板油缸，6-8-出水弯头，6-9-出水管，6-10-底板，6-11-Z字形水道；7-主油缸；8-喷水系统，8-1-导轨，8-2-第二进水管，8-3-喷嘴，8-4-喷嘴座，8-5-水管，8-6-喷水架，8-7-喷水架轮，8-8-轮座，8-9-限位块；9-1-第一组元的熔炼炉，9-2-第二组元的熔炼炉，9-3-第一流道，9-4-炉外净化器，9-5-第二流道，9-6-过滤箱，9-7-第三流道，9-8-铸造装置；10-布流筐，10-1-吊架，10-2-布流盘，10-3-导流孔，10-4-第二紧固螺栓。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步的详细说明。

如图1、图2所示，一种铝合金层状布流平面凝固铸造装置，包括支架1，所述支架1用于安装和支撑本装置的其他部分；在所述支架1的上部设置有平动分流机构3，在平动分流机构3的出口处设置有控流机构5，所述平动分流机构3能够水平移动；在平动分流机构3的下方设置有铸箱2，在铸箱底板2-3上设置有通孔，在铸箱2的下方分别设置有喷水系统8和冷却板系统6，所述铸箱底板2-3上的通孔与冷却板系统6相对应，所述铸箱2与冷却板系统6和喷水系统8固定相连，由主油缸7控制升降。

如图3、图4所示，所述平动分流机构3包括第一电机3-1，第一电机3-1的输出轴与传动丝杠3-3固定连接，可以通过软件控制其运行的速度及距离，所述传动丝杠3-3通过轴承座3-2设置在支架1上，在传动丝杠3-3上设置有丝杠螺母3-4；在丝杠螺母3-4的侧方设置有动板3-8，所述动板3-8与丝杠螺母3-4通过连接杆3-12和螺栓3-13固定连接，第一电机3-1通过传动丝杠3-3和丝杠螺母3-4牵引动板3-8做水平往复移动；在支架1上通过滑动导轨座3-11水平设置有限定动板3-8平动范围和平动方向的滑动导轨3-5，在动板3-8上设置有滑动轴承座3-11，所述滑动轴承座3-11与滑动导轨3-5相配合；在动板3-8上设置有分流槽壳体3-10，在分流槽壳体3-10内设置有迷宫式的分流槽3-6，在分流槽3-6的出口处设置有导杆套3-7，在导杆套3-7的下方设置有布流筐10，所述分流槽3-6、导杆套3-7和布流筐10均由高强耐火材料，如中耐7号制造。如图11、图12所示，所述布流筐10由吊架10-1和布流盘10-2组成，所述布流盘10-2通过第二紧固螺栓10-4固定在吊架10-1上，吊架10-1固定在平动分流机构3的动板3-8下部，在布流盘10-2上设置有若干导流孔10-3，所述导流孔10-3与垂直方向呈45°角。所述布流盘10-2在使用时浸入铝合金液3～5mm，可以保证铝合金液不氧化，避免夹杂裹入，同时在氧化膜较厚时，可以将表面氧化膜推到铸锭边部，用扒渣勺取出。

如图5、图6所示，所述控流机构5包括横板5-10，在所述横板5-10上设置有第二电机5-1，第二电机5-1的输出轴与凸轮轴5-5固定连接，所述凸轮轴5-5通过凸轮轴承座5-2设置在横板5-10上；在凸轮轴5-5上设置有若干凸轮5-4，在凸轮5-4的下方设置有从动轮套5-6，在从动轮套5-6内设置有从动轮5-8，所述从动轮5-8与凸轮5-4相接触，并与从动轮套5-6轴连接，在凸轮5-4上设置有顶丝5-3，所述顶丝5-3的内端与凸轮轴5-5相对应；在横板5-10上设置有通孔，在通孔内设置有导杆滑动轴承5-9，滑动轴瓦5-11的上端穿过导杆滑动轴承5-9后与从动轮套5-6固定连接，滑动轴瓦5-11的下端通过导杆紧帽5-12与导杆5-14的上端固定连接；在从动轮套5-6与导杆滑动轴承5-9之间的滑动轴瓦5-11外设置有弹簧5-7，所述横板5-10通过第一立板5-13固定在动板3-8的上方，因此，控流机构5能够随平动分流机构3一起做水平往复运动；所述导杆5-14的下端与平动分流机构3的导杆套3-7相对应，导杆5-14的数量与导杆套3-7的数量相同，根据铸锭的宽度确定分流槽3-6的注流道数及导杆套3-7的数量，导杆套3-7的中心距为100～250mm为宜，导杆5-14由高强耐火材料，如中耐7号制造。在导杆套3-7的下端横向设置有导孔，所述导孔在使用时位于铝合金液面下，可以潜流供铝合金液。本发明通过第二电机5-1控制凸轮5-4的转动角度，控制导杆5-14的位置，进而控制通过布流筐10流入铸箱2的铝合金液流量。

如图13、图14所示，所述铸箱2包括铸箱底板2-3，在铸箱底板2-3的顶部设置有由绝热耐火板2-2组成的箱体，所述绝热耐火板2-2通过固定架2-4和第三紧固螺栓2-1与铸箱底板2-3固定连接。进入布流盘10-2内的铝合金液沿布流盘10-2底部的导流孔10-3潜流进入铸箱2。

如图7、图8所示，所述冷却板系统6包括冷却板上板6-4、冷却板下板6-5、第一进水管6-2及出水管6-9，所述冷却板上板6-4设置在冷却板下板6-5的上方，冷却板上板6-4与冷却板下板6-5通过第一紧固螺栓6-6固定连接，并通过密封垫密封；在冷却板上板6-4与冷却板下板6-5之间设置有Z字形水道6-11，所述Z字形水道6-11的进口和出口分别与第一进水管6-2和出水管6-9通过进水弯头6-3和出水弯头6-8相连通；在冷却板下板6-5的下方设置有底板6-10，在冷却板下板6-5与底板6-10之间设置有冷却板油缸6-7，通过冷却板油缸6-7的柱塞的运动，可以控制冷却板系统6的上下运动。所述底板6-10通过第二立板6-1固定在铸箱底板2-3的下方，在底板6-10的底部设置有主油缸7。冷却水由一侧第一进水管6-2引进，在另一侧分两个出水管6-9流出；冷却板上板6-4和冷却板下板6-5均由不锈钢制作，如314不锈钢，为了强化冷却，冷却板上板6-4也可以用纯铜制作。在冷却板上板6-4的上表面涂BN，以防止铝合金液溶蚀。在铸造前，通过冷却板油缸6-7将冷却板上板6-4升至与铸箱底板2-3上表面同水平位置；铝合金液浇注后，在冷却板上板6-4上冷却、形成凝固壳，当凝固壳的厚度足以支撑铸箱2中的铝合金液时，冷却板油缸6-7下降，冷却板上板6-4脱离铸锭，降到支架1的下部。

如图9、图10所示，所述喷水系统8包括导轨8-1，所述导轨8-1固定在第二立板6-1上，在导轨8-1的上方设置有喷水架8-6，在喷水架8-6上通过轮座8-8设置有若干喷水架轮8-7，所述喷水架轮8-7设置在导轨8-1上，喷水架8-6可通过喷水架轮8-7在导轨8-1上水平移动；在喷水架8-6上设置有水管8-5，所述水管8-5的进口与第二进水管8-2相连通，在水管8-5上设置有若干喷嘴座8-4，在喷嘴座8-4上设置有喷嘴8-3，使用时，冷却水由喷嘴8-3向上喷出，冷却铸锭，在所述导轨8-1上设置有限位块8-9。在水管8-5上连接有流量计和阀门，以便测定和控制水管8-5的水量，进而控制铸锭的冷却强度。

采用所述的铝合金层状布流平面凝固铸造装置铸造单一合金的铸造方法，包括如下步骤：

步骤一：铸造前，先将流槽4-1、分流槽3-6、导杆5-14和导杆套3-7加热，然后将冷却板系统6上升至铸箱2内，使铸箱底板2-3的上表面与冷却板上板6-4的上表面在同一水平面上；根据铸造的合金品种及铝合金液的浇入量(液面上升速度，mm/min)设定冷却板系统6的水流量和喷水系统8的喷水量，根据铝合金液的浇入量(液面上升速度，mm/min)设定凸轮5-4的转动角度，即导杆套3-7下端的横向导孔开通(铝合金液流入)和闭合(铝合金液停止)的时间及动板3-8的水平运动速度；

步骤二：铝合金液经熔炼、静置、除气、过滤后，由静置炉进入固定在熔铝炉口的流槽4-1，打开流槽4-1末端控流的钎子，铝合金液经石墨浇嘴进入下部分流槽3-6的流道，经过迷宫式的分流，进入导杆套3-7；根据预先设定的凸轮5-4的转动角度，启动控流机构5的第二电机5-1，第二电机5-1带动凸轮5-4转动，凸轮5-4带动导杆5-14上下运动，从而控制通过布流筐10流入铸箱2的铝合金液流量；铝合金液经过导杆套3-7进入布流筐10，然后流进铸箱2；启动平动分流机构3的第一电机3-1，第一电机3-1通过传动丝杠3-3和丝杠螺母3-4带动动板3-8运动，动板3-8带动分流槽3-6做水平运动，铝合金液呈层状流到冷却板上板6-4上，在冷却板系统6的作用下，铝合金液从底部开始受冷凝固；

步骤三：待冷却板上板6-4上的铝合金凝固层能够支撑已浇注到铸箱2内的铝合金液时，启动冷却板油缸6-7，使冷却板系统6下降；然后将喷水系统8沿导轨8-1推入，向铸锭底部喷水冷却；根据铸锭的冷却速度，控制液层的深度，即保证铝合金液浇入后，迅速进入液层中，不带入氧化物和分层(铸锭凝固过快，浇入的熔体没有融入基体)，根据液层深度的要求，控制主油缸7的下降速度，直到铸造至预定厚度；

步骤四：待铸锭全部冷却后，停止喷水系统8的喷水，将喷水系统8沿导轨8-1抽出，拆除铸箱2的固定架2-4和绝热耐火板2-2，取出铸锭，铸造结束；

步骤五：装上铸箱2，将冷却板系统6上升至铸箱2内，使铸箱底板2-3的上表面与冷却板上板6-4的上表面在同一水平面上，准备下一次铸造。

采用所述的铝合金层状布流平面凝固铸造装置铸造复合铸锭的铸造方法，如图15所示，包括如下步骤：

步骤一：先将各组元的合金分别在各自的熔炼炉熔化静置，将流槽4-1、分流槽3-6、导杆5-14和导杆套3-7加热，然后将冷却板系统6上升至铸箱2内，使铸箱底板2-3的上表面与冷却板上板6-4的上表面在同一水平面上；根据铸造的合金品种及合金液的浇入量(液面上升速度，mm/min)设定冷却板系统6的水流量、喷水系统8的喷水量，根据合金液的浇入量(液面上升速度，mm/min)设定凸轮5-4的转动角度，即导杆套3-7下端的横向导孔开通(合金液流入)和闭合(合金液停止)的时间及动板3-8的水平运动速度；

步骤二：将第一组元的合金液经除气、过滤后，由静置炉进入固定在熔铝炉口的流槽4-1，打开流槽4-1末端控流的钎子，第一组元的合金液经石墨浇嘴进入下部分流槽3-6的流道，经过迷宫式的分流，进入导杆套3-7；根据预先设定的凸轮5-4的转动角度，启动控流机构5的第二电机5-1，第二电机5-1带动凸轮5-4转动，凸轮5-4带动导杆5-14上下运动，从而控制通过布流筐10流入铸箱2的第一组元的合金液流量；第一组元的合金液经过导杆套3-7进入布流筐10，然后流进铸箱2；启动平动分流机构3的第一电机3-1，第一电机3-1通过传动丝杠3-3和丝杠螺母3-4带动动板3-8运动，动板3-8带动分流槽3-6做水平运动，第一组元的合金液呈层状流到冷却板上板6-4上，在冷却板系统6的作用下，第一组元的合金液从底部开始受冷凝固；待冷却板上板6-4上的第一组元的合金凝固层能够支撑已浇注到铸箱2内的第一组元的合金液时，启动冷却板油缸6-7，使冷却板系统6下降；然后将喷水系统8沿导轨8-1推入，向铸锭底部喷水冷却；根据铸锭的冷却速度，控制液层的深度，即保证合金液浇入后，迅速进入液层中，不带入氧化物和分层(铸锭凝固过快，浇入的熔体没有融入基体)，根据液层深度的要求，控制主油缸7的下降速度，直到第一组元的合金铸造至预定厚度；

步骤三：将第二组元的合金液经除气、过滤后，由静置炉进入固定在熔铝炉口的流槽4-1，打开流槽4-1末端控流的钎子，第二组元的合金液经石墨浇嘴进入下部分流槽3-6的流道，经过迷宫式的分流，进入导杆套3-7；根据预先设定的凸轮5-4的转动角度，启动控流机构5的第二电机5-1，第二电机5-1带动凸轮5-4转动，凸轮5-4带动导杆5-14上下运动，从而控制通过布流筐10流入铸箱2的第二组元的合金液流量；第二组元的合金液经过导杆套3-7进入布流筐10，然后流进铸箱2；启动平动分流机构3的第一电机3-1，第一电机3-1通过传动丝杠3-3和丝杠螺母3-4带动动板3-8运动，动板3-8带动分流槽3-6做水平运动，第二组元的合金液呈层状流到第一组元的合金上；根据铸锭的冷却速度，控制液层的深度，即保证合金液浇入后，迅速进入液层中，不带入氧化物和分层(铸锭凝固过快，浇入的熔体没有融入基体)，根据液层深度的要求，控制主油缸7的下降速度，直到第二组元的合金铸造至预定厚度；

步骤四：如有第三组元，以此类推，根据复合铸锭中各组元的厚度，在设定的时间将其他组元引进流槽4-1；

步骤五：待铸锭全部冷却后，停止喷水系统8的喷水，将喷水系统8沿导轨8-1抽出，拆除铸箱2的固定架2-4和绝热耐火板2-2，取出铸锭，铸造结束；

步骤六：装上铸箱2，将冷却板系统6上升至铸箱2内，使铸箱底板2-3的上表面与冷却板上板6-4的上表面在同一水平面上，准备下一次铸造。

界面层可以实现梯度过渡，也可以实现清晰界面，通过控制各组元熔炼炉出口流道内的档流板4开闭的时刻、打开的角度和时间长短实现。为了获得梯度过渡界面，可以在第一组元达到预定厚度时，逐渐减少第一组元的流量，同时逐渐增大第二组元的流量。为了获得清晰界面，可以在第一组元在炉外净化器9-4内的液面略低于常规水平时，大幅度开启第二组元。同时要事先明确各组元的凝固特征，根据各组元的特点，控制铸造速度。

如图16、图17所示，所述档流板4设置在流槽4-1内，其通过第四紧固螺栓4-5与轴套4-2固定连接，在档流板4与第四紧固螺栓4-5之间设置有护板4-6；在轴套4-2内设置有旋转轴4-3，所述旋转轴4-3固定在流槽4-1的内侧壁上，在轴套4-2上固定有摇杆4-4，在摇杆4-4与轴套4-2之间设置有垫片4-7，在摇杆4-4的外端设置有摇柄4-8。通过档流板4可以控制流道打开的时间、关闭的时间以及打开的角度，进而控制复合铸锭各组元的厚度和界面形态。

实施例1：

合金为纯铝/7050，铸锭尺寸：厚300mm×宽600mm×长800mm，7050合金层厚度为245mm，

铸造温度：720℃，

铸造速度(铸箱下降速度)：60mm/min(纯铝)，20mm/min(7050合金)，

控流方式：导杆提起，20mm(纯铝)，10mm(7050合金)，

平动分流机构运行速度：100mm/min(纯铝)，60mm/min(7050合金)。

铸锭无裂纹，表面无冷隔，铸态可以锯切，经超声探伤后夹杂达到A级。铸锭内部组织均匀，平均晶粒尺寸为260μm(见图18)。合金元素宏观偏析率[(铸锭合金元素含量最高值-最低值)/平均值]：Zn为3.1％，Mg为5.9％，Cu为6％，Zn、Mg、Cu的宏观成分云图分别如图19、图20、图21所示。

实施例2：

合金为5456/7055，铸锭尺寸：厚300mm×宽600mm×长800mm，7055合金层厚度为150mm，

铸造温度：720℃，

铸造速度(铸箱下降速度)：20mm/min(7055合金)，15mm/min(5456合金)，

控流方式：导杆提起，10mm(7055合金)，8mm(5456合金)，

平动分流机构运行速度：60mm/min(7055合金)，60mm/min(5456合金)。

铸锭无裂纹，表面无冷隔，铸态可以锯切，经超声探伤后夹杂达到A级。铸锭内部组织均匀，平均晶粒尺寸为260μm(7055合金)，250μm(5456合金)。界面清晰，结合良好，无气孔和夹杂(见图23)，厚度方向合金成分分布见图22。

Claims (10)

1.一种铝合金层状布流平面凝固铸造装置，包括支架，其特征在于，在所述支架的上部设置有平动分流机构，在平动分流机构的出口处设置有控流机构，所述平动分流机构能够水平移动；在平动分流机构的下方设置有铸箱，在铸箱底板上设置有通孔，在铸箱的下方分别设置有喷水系统和冷却板系统，所述铸箱底板上的通孔与冷却板系统相对应。

2.根据权利要求1所述的铝合金层状布流平面凝固铸造装置，其特征在于所述平动分流机构包括第一电机，第一电机的输出轴与传动丝杠固定连接，所述传动丝杠通过轴承座设置在支架上，在传动丝杠上设置有丝杠螺母；在丝杠螺母的侧方设置有动板，所述动板与丝杠螺母固定连接，在支架上水平设置有滑动导轨，在动板上设置有滑动轴承座，所述滑动轴承座与滑动导轨相配合；在动板上设置有分流槽壳体，在分流槽壳体内设置有分流槽，在分流槽的出口处设置有导杆套，在导杆套的下方设置有布流筐。

3.根据权利要求2所述的铝合金层状布流平面凝固铸造装置，其特征在于所述布流筐由吊架和布流盘组成，所述布流盘通过第二紧固螺栓固定在吊架上，吊架固定在平动分流机构的动板下部，在布流盘上设置有若干导流孔。

4.根据权利要求1所述的铝合金层状布流平面凝固铸造装置，其特征在于所述控流机构包括横板，在所述横板上设置有第二电机，第二电机的输出轴与凸轮轴固定连接，所述凸轮轴通过凸轮轴承座设置在横板上；在凸轮轴上设置有若干凸轮，在凸轮的下方设置有从动轮套，在从动轮套内设置有从动轮，所述从动轮与凸轮相接触，并与从动轮套轴连接，在凸轮上设置有顶丝，所述顶丝的内端与凸轮轴相对应；在横板上设置有通孔，在通孔内设置有导杆滑动轴承，滑动轴瓦的上端穿过导杆滑动轴承后与从动轮套固定连接，滑动轴瓦的下端通过导杆紧帽与导杆的上端固定连接；在从动轮套与导杆滑动轴承之间的滑动轴瓦外设置有弹簧，所述横板通过第一立板固定在动板的上方，导杆的下端与平动分流机构的导杆套相对应。

5.根据权利要求1所述的铝合金层状布流平面凝固铸造装置，其特征在于所述铸箱包括铸箱底板，在铸箱底板的顶部设置有由绝热耐火板组成的箱体，所述绝热耐火板通过固定架和第三紧固螺栓与铸箱底板固定连接。

6.根据权利要求1所述的铝合金层状布流平面凝固铸造装置，其特征在于所述冷却板系统包括冷却板上板、冷却板下板、第一进水管及出水管，所述冷却板上板设置在冷却板下板的上方，冷却板上板与冷却板下板通过第一紧固螺栓固定连接；在冷却板上板与冷却板下板之间设置有Z字形水道，所述Z字形水道的进口和出口分别与第一进水管和出水管相连通；在冷却板下板的下方设置有底板，在冷却板下板与底板之间设置有冷却板油缸，所述底板通过第二立板固定在铸箱底板的下方，在底板的底部设置有主油缸。

7.根据权利要求1所述的铝合金层状布流平面凝固铸造装置，其特征在于所述喷水系统包括导轨，所述导轨固定在第二立板上，在导轨的上方设置有喷水架，在喷水架上设置有若干喷水架轮，所述喷水架轮设置在导轨上；在喷水架上设置有水管，所述水管的进口与第二进水管相连通，在水管上设置有若干喷嘴。

8.采用权利要求1所述的铝合金层状布流平面凝固铸造装置铸造单一合金的铸造方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤一：铸造前，先将流槽、分流槽、导杆和导杆套加热，然后将冷却板系统上升至铸箱内，使铸箱底板的上表面与冷却板上板的上表面在同一水平面上；设定冷却板系统的水流量、喷水系统的喷水量、凸轮的转动角度及动板的水平运动速度；

步骤二：铝合金液经熔炼、静置、除气、过滤后，由静置炉进入固定在熔铝炉口的流槽，打开流槽末端控流的钎子，铝合金液经石墨浇嘴进入下部分流槽的流道，经过迷宫式的分流，进入导杆套；根据预先设定的凸轮的转动角度，启动控流机构的第二电机，第二电机带动凸轮转动，凸轮带动导杆上下运动，从而控制通过布流筐流入铸箱的铝合金液流量；铝合金液经过导杆套进入布流筐，然后流进铸箱；启动平动分流机构的第一电机，第一电机通过传动丝杠和丝杠螺母带动动板运动，动板带动分流槽做水平运动，铝合金液呈层状流到冷却板上板上，在冷却板系统的作用下，铝合金液从底部开始受冷凝固；

步骤三：待冷却板上板上的铝合金凝固层能够支撑已浇注到铸箱内的铝合金液时，启动冷却板油缸，使冷却板系统下降；然后将喷水系统沿导轨推入，向铸锭底部喷水冷却；根据铸锭的冷却速度，控制液层的深度，根据液层深度的要求，控制主油缸的下降速度，直到铸造至预定厚度；

步骤四：待铸锭全部冷却后，停止喷水系统的喷水，将喷水系统沿导轨抽出，拆除铸箱的固定架和绝热耐火板，取出铸锭，铸造结束；

步骤五：装上铸箱，将冷却板系统上升至铸箱内，使铸箱底板的上表面与冷却板上板的上表面在同一水平面上，准备下一次铸造。

9.采用权利要求1所述的铝合金层状布流平面凝固铸造装置铸造复合铸锭的铸造方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤一：先将各组元的合金分别在各自的熔炼炉熔化静置，将流槽、分流槽、导杆和导杆套加热，然后将冷却板系统上升至铸箱内，使铸箱底板的上表面与冷却板上板的上表面在同一水平面上；设定冷却板系统的水流量、喷水系统的喷水量、凸轮的转动角度及动板的水平运动速度；

步骤二：将第一组元的合金液经除气、过滤后，由静置炉进入固定在熔铝炉口的流槽，打开流槽末端控流的钎子，第一组元的合金液经石墨浇嘴进入下部分流槽的流道，经过迷宫式的分流，进入导杆套；根据预先设定的凸轮的转动角度，启动控流机构的第二电机，第二电机带动凸轮转动，凸轮带动导杆上下运动，从而控制通过布流筐流入铸箱的第一组元的合金液流量；第一组元的合金液经过导杆套进入布流筐，然后流进铸箱；启动平动分流机构的第一电机，第一电机通过传动丝杠和丝杠螺母带动动板运动，动板带动分流槽做水平运动，第一组元的合金液呈层状流到冷却板上板上，在冷却板系统的作用下，第一组元的合金液从底部开始受冷凝固；待冷却板上板上的第一组元的合金凝固层能够支撑已浇注到铸箱内的第一组元的合金液时，启动冷却板油缸，使冷却板系统下降；然后将喷水系统沿导轨推入，向铸锭底部喷水冷却；根据铸锭的冷却速度，控制液层的深度，根据液层深度的要求，控制主油缸的下降速度，直到第一组元的合金铸造至预定厚度；

步骤三：将第二组元的合金液经除气、过滤后，由静置炉进入固定在熔铝炉口的流槽，打开流槽末端控流的钎子，第二组元的合金液经石墨浇嘴进入下部分流槽的流道，经过迷宫式的分流，进入导杆套；根据预先设定的凸轮的转动角度，启动控流机构的第二电机，第二电机带动凸轮转动，凸轮带动导杆上下运动，从而控制通过布流筐流入铸箱的第二组元的合金液流量；第二组元的合金液经过导杆套进入布流筐，然后流进铸箱；启动平动分流机构的第一电机，第一电机通过传动丝杠和丝杠螺母带动动板运动，动板带动分流槽做水平运动，第二组元的合金液呈层状流到第一组元的合金上；根据铸锭的冷却速度，控制液层的深度，根据液层深度的要求，控制主油缸的下降速度，直到第二组元的合金铸造至预定厚度；

步骤四：如有第三组元，以此类推，根据复合铸锭中各组元的厚度，在设定的时间将其他组元引进流槽；通过控制各组元熔炼炉出口流道内的档流板开闭的时刻、打开的角度和时间长短实现界面层的梯度过渡或清晰界面；

步骤五：待铸锭全部冷却后，停止喷水系统的喷水，将喷水系统沿导轨抽出，拆除铸箱的固定架和绝热耐火板，取出铸锭，铸造结束；

步骤六：装上铸箱，将冷却板系统上升至铸箱内，使铸箱底板的上表面与冷却板上板的上表面在同一水平面上，准备下一次铸造。

10.根据权利要求9所述的铝合金层状布流平面凝固铸造装置铸造复合铸锭的铸造方法，其特征在于，步骤四中所述的档流板设置在流槽内，其通过第四紧固螺栓与轴套固定连接，在档流板与第四紧固螺栓之间设置有护板；在轴套内设置有旋转轴，所述旋转轴固定在流槽的内侧壁上，在轴套上固定有摇杆，在摇杆与轴套之间设置有垫片，在摇杆的外端设置有摇柄。