CN109957688A - 一种Al-Zn-Mg大规格扁铸锭的制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种Al‑Zn‑Mg大规格扁铸锭的制备方法，包括以下步骤：配料；熔炼；保温；除气过滤；在线细化晶粒；铸造：用下浇管进行浇铸，下浇管底部安装有分配袋，使铝熔体能够在结晶器中结晶器与引锭头构成的半封闭腔体里进行流动；均匀化处理。通过本发明能有效解决大规格扁铸锭成分不均匀、易开裂的问题。

Description

一种Al-Zn-Mg大规格扁铸锭的制备方法
技术领域
本发明涉及铝合金铸锭铸造技术领域，尤其是一种Al-Zn-Mg大规格扁铸锭的制备方法。
背景技术
航空货运以其速度快、灵活性号的运输特点和优势，成为现代物流必不可少的组成部分。Al-Zn-Mg系铝合金为中等强度可热处理强化铝合金，具有耐蚀性较好、易加工等特点，其不同热处理状态产品是航空集装器所用的主要材料。国内目前生产的航空集装箱铝合金板材规格普遍较小，宽度大多在1500mm以下。而随着航空货运的迅速发展，航空集装箱铝合金宽幅板材(宽度大于2300mm)的需求越来越大，使用大规格铸锭生产宽幅板材具有明显优势，其无需宽展直接纵向轧制，能减少宽展轧制道次，保证轧制过程中铸锭温降，增加轧制成功率，提高产品成品率，降低生产成本。而传统装备工艺生产的Al-Zn-Mg系铝合金铸锭规格普遍较小，尺寸大于2200mm的大规格铸锭普遍存在铸造易开裂、成型困难、成分不均匀、熔体氢含量高、易产生疏松等冶金缺陷，无法满足航空货运用大规格的铸锭生产要求。
发明内容
本发明公开了一种Al-Zn-Mg大规格扁铸锭的制备方法，能有效解决大规格扁铸锭成分不均匀、易开裂的问题。
为实现上述目的，本发明的技术方案为：
一种Al-Zn-Mg大规格扁铸锭的制备方法，包括以下步骤：
S1.按照以下质量百分比进行配料：Si＜0.25%、Fe＜0.40%、Cu＜0.25%、Mn＜0.10%、Mg=1.0~1.8%、Cr＜0.05%、Zn=5.3~6.0%，Zr=0.11~0.18%，余量为Al和不可避免的杂质元素，分别称取铝锭、纯镁锭、纯锌锭、铝钛中间合金、铝锆中间合金作为原料；
S2. 熔炼：将称取的原料投入熔炼炉里熔炼，熔炼完成后将铝熔体转保温炉；
S3.保温：在保温炉内加入铝钛中间合金、铝锆中间合金进行成分微调后得到成分合格的熔体；后通入氩气和氯气的混合气体对铝熔体进行炉内精炼；
S4.除气过滤：精炼完成以后，倾动保温炉，使熔体流经旋转喷头除气系统进行除气精炼，精炼气体为氩气和氯气的混合气体，铝熔体除气精炼后通过泡沫陶瓷过滤板进行在线过滤；
S5.在线细化晶粒：通过喂丝机向除气系统出口流槽的铝熔体中连续加入Al-Ti-B线晶粒细化剂进行晶粒细化处理，得晶粒细化处理后的铝熔体；
S6.铸造：晶粒细化处理后的铝熔体经铝液分配流槽上的下浇管进行浇铸，下浇管底部安装有分配袋，分配袋按结晶器规格等比例缩小，比例为10-20%；使铝熔体能够在结晶器中结晶器与引锭头构成的半封闭腔体里进行流动；铸造过程中冷却水压为0.02~0.08MPa，冷却水流量35~80m3/h，铸造温度680~710℃，铸造速度为30~45mm/min，结晶器液位高度60~110mm，得扁铸锭半成品；
S7.均匀化处理：铸造结束后对扁铸锭半成品进行均匀化处理，均匀化处理分为两级：第一级，温度420±5℃，时间3~5h，第二级，470±5℃，时间25~30h。
优选的，所述步骤S2中，熔炼温度为730~760℃，保温时间为5~8h。
优选的，所述步骤S3中，在保温炉中熔炼的温度为720~750℃，保温时间为5~8h。
优选的，所述步骤S3中，氩气与氯气的体积百分比为4~8:1，精炼时间为10~30min。
优选的，所述步骤S4中，所述旋转喷头上设置有转子，转子的转速为200~600rpm。
优选的，所述步骤S4中，氯气占精炼气体总体积的0.5~2%，氯气流量为15~20L/min。
优选的，所述步骤S5中，Al-Ti-B线晶粒细化剂的喂丝速度为160 ~220cm/min。
优选的，在均匀化处理之前，还设置有去应力消除处理，去应力消除处理的温度为350℃，时间为5-10h。
以上所述的Al-Zn-Mg大规格扁铸锭的制备方法，能制造出宽度大于1500mm的铸锭，尤其适合生产650×2670×6000mm和550×2520×6000mm的7021铸锭。本发明通过控制Si、Fe、Cu、Mn、Mg、Cr、Zn和Zr的含量，尤其是铝锭中可能掺杂有的Si、Fe、Cu、Mn、Cr的含量，保证铸锭的成分合理，不易产生裂纹。同时，本发明严格控制了铸造的过程，在下浇管底部安装分配袋，且让铝熔体能够在结晶器中的结晶器与引锭头构成的半封闭腔体里进行流动，使得铸造过程的温度场分布更加均匀，结合适当的冷却条件及铸造条件，进而使最终的成品铸锭成分均匀，厚度方向上Zn含量偏析≤8%。
进一步的，本发明还设置了合适的熔炼温度、保温温度以及精炼条件，使扁锭晶体的组织成分致密、含渣量少、氢含量≤0.10ml/100gAl，能更进一步的提高铸锭的质量，保证铸锭的加工性能。
附图说明
图1是实施例1的铸锭在厚度方向的成分偏析情况图。
图2a实施例1芯部的金相组织图；图2b是实施例1在1/4处的金相组织图；图2c是实施例1边部的金相组织图。
具体实施方式
以下结合具体实施例对本发明作进一步说明，但本实施例的保护范围不限于以下实施例。
实施例1
铸造规格为650mm×2670mm×6000mm的大规格铝合金扁锭，其生产过程步骤具体如下：
S1.配料：按照成分：Si＜0.25%、Fe＜0.40%、Cu＜0.25%、Mn＜0.10%、Mg=1.0~1.8%、Cr＜0.05%、Zn=5.3~6.0%，Zr=0.11~0.18%，余量为Al和不可避免的杂质元素进行配料，分别称取重熔用铝锭、纯镁锭、纯锌锭、铝钛中间合金、铝锆中间合金作为原料；
S2.熔炼：将称取的原料投入干燥的熔炼炉里熔炼，熔炼温度：760℃，熔炼时间：5~8h，在熔炼过程中开启电磁搅拌器进行充分搅拌，取样分析化学成分，看是否满足成分控制要求，如有必要进行成分调整，成分合格后转保温炉。
S3.保温：在保温炉内加入铝钛中间合金、铝锆中间合金进行成分微调后得到成分合格的熔体；熔炼温度：730℃，保温时间：6~8h，后通入氩气和氯气的混合气体对铝熔体进行炉内精炼10~30min，氩气与氯气的体积百分比为8:1。
S4.除气过滤：精炼完成以后，倾动保温炉，使熔体流经旋转喷头除气系统进行除气精炼，旋转喷头有4个转子，转子的转速为300rpm，精炼气体为氩气和氯气的混合气体，其中氯气占精炼气体总体积的1.0%，氯气流量为15~20L/min；铝熔体除气精炼后通过泡沫陶瓷过滤板进行在线过滤。
S5.在线细化晶粒：通过喂丝机向除气系统出口流槽的铝熔体中连续加入直径Φ9.5mm的Al-Ti-B线晶粒细化剂进行晶粒细化处理，喂丝速度为170cm/min，得晶粒细化处理后的铝熔体。
S6.铸造：晶粒细化处理后的铝熔体经铝液分配流槽上的下浇管，并经安装在下浇管底部的小型铝液分配袋；分配袋按结晶器规格等比例缩小，比例为12%；将铝熔体注入结晶器与引锭头构成的半封闭腔体里进行铸造；铸造过程中冷却水压为0.04MPa，冷却水流量60m3/h，铸造温度680~700℃，铸造速度为35mm/min，结晶器液位高度80mm，得扁铸锭半成品。
S7.均匀化处理：铸造结束后对扁铸锭半成品进行均匀化处理，均匀化处理分为两级：第一级，温度420±5℃，时间4h，第二级，470±5℃，时间28h。
本实施案例中检测结果如表1所示，厚度方向Zn、Mg元素成分分布如下图1所示。
金相组织图见图2a、图2b、图2c所示。
表1 大规格7021扁锭底部检测结果
铸锭规格/mm 液态氢含量(ml/100g) 晶粒度 疏松 低倍组织 Zn元素厚度放行偏析情况
650*2670*6000 0.079 一级 一级 无裂纹、气孔、粗大金属化合物、光亮晶、羽毛晶缺陷 5.5%
实施例2
铸造规格为550mm×2520mm×6000mm的大规格铝合金扁锭，其生产过程步骤具体如下：
S1.配料：按照成分：Si＜0.25%、Fe＜0.40%、Cu＜0.25%、Mn＜0.10%、Mg=1.0~1.8%、Cr＜0.05%、Zn=5.3~6.0%，Zr=0.11~0.18%，余量为Al和不可避免的杂质元素进行配料，本次案例实施采用全部添加一级返回料的方式，不添加重熔铝锭，根据成分调整需要添加少量中间合金；
S2.熔炼：将称取的原料投入干燥的熔炼炉里熔炼，熔炼温度：755℃，熔炼时间：6~8h，在熔炼过程中开启电磁搅拌器进行充分搅拌，取样分析化学成分，看是否满足成分控制要求，如有必要进行成分调整，成分合格后转保温炉。
S3.保温：在保温炉内加入铝钛中间合金、铝锆中间合金进行成分微调后得到成分合格的熔体；熔炼温度：735℃，保温时间：5~7h，后通入氩气和氯气的混合气体对铝熔体进行炉内精炼10~30min，氩气与氯气的体积百分比为7:1。
S4.除气过滤：精炼完成以后，倾动保温炉，使熔体流经旋转喷头除气系统进行除气精炼，旋转喷头有4个转子，转子的转速为400rpm，精炼气体为氩气和氯气的混合气体，其中氯气所占体积比为0.5%，氯气流量15~20L/min，铝熔体除气精炼后通过泡沫陶瓷过滤板进行在线过滤。
S5.在线细化晶粒：通过喂丝机向除气系统出口流槽的铝熔体中连续加入直径Φ9.5mm的Al-Ti-B线晶粒细化剂进行晶粒细化处理，喂丝速度为180cm/min，得晶粒细化处理后的铝熔体。
S6.铸造：晶粒细化处理后的铝熔体经铝液分配流槽上的下浇管，并经安装在下浇管底部的小型铝液分配袋；分配袋按结晶器规格等比例缩小，比例为16%；将铝熔体注入结晶器与引锭头构成的半封闭腔体里进行铸造；铸造过程中冷却水压为0.05MPa，冷却水流量70m3/h，铸造温度690~710℃，铸造速度为40mm/min，结晶器液位高度90mm。
S7.均匀化处理：铸造结束后对扁铸锭进行均匀化处理，均匀化处理分为两级：第一级，温度420±5℃，时间5h，第二级，470±5℃，时间30h。
本实施案例中检测结果如表2.
表2 大规格7021扁锭底部检测结果
铸锭规格/mm 液态氢含量(ml/100g) 晶粒度 疏松 低倍组织 Zn元素厚度放行偏析情况
550*2520*6000 0.074 一级 一级 无裂纹、气孔、粗大金属化合物、光亮晶、羽毛晶缺陷 6.9%

Claims (9)

1.一种Al-Zn-Mg大规格扁铸锭的制备方法，其特征在于包括以下步骤：
S1.按照以下质量百分比进行配料：Si＜0.25%、Fe＜0.40%、Cu＜0.25%、Mn＜0.10%、Mg=1.0~1.8%、Cr＜0.05%、Zn=5.3~6.0%，Zr=0.11~0.18%，余量为Al和不可避免的杂质元素，分别称取铝锭、纯镁锭、纯锌锭、铝钛中间合金、铝锆中间合金作为原料；
S2. 熔炼：将称取的原料投入熔炼炉里熔炼，熔炼完成后将铝熔体转保温炉；
S3.保温：在保温炉内加入铝钛中间合金、铝锆中间合金进行成分微调后得到成分合格的熔体；后通入氩气和氯气的混合气体对铝熔体进行炉内精炼；
S4.除气过滤：精炼完成以后，倾动保温炉，使熔体流经旋转喷头除气系统进行除气精炼，精炼气体为氩气和氯气的混合气体，铝熔体除气精炼后通过泡沫陶瓷过滤板进行在线过滤；
S5.在线细化晶粒：通过喂丝机向除气系统出口流槽的铝熔体中连续加入Al-Ti-B线晶粒细化剂进行晶粒细化处理，得晶粒细化处理后的铝熔体；
S6.铸造：晶粒细化处理后的铝熔体经铝液分配流槽上的下浇管进行浇铸，下浇管底部安装有分配袋，分配袋按结晶器规格等比例缩小，比例为10~20%；使铝熔体能够在结晶器中结晶器与引锭头构成的半封闭腔体里进行流动；铸造过程中冷却水压为0.02~0.08MPa，冷却水流量35~80m3/h，铸造温度680~710℃，铸造速度为30~45mm/min，结晶器液位高度60~110mm，得扁铸锭半成品；
S7.均匀化处理：铸造结束后对扁铸锭半成品进行均匀化处理，均匀化处理分为两级：第一级，温度420±5℃，时间3~5h，第二级，470±5℃，时间25~30h。
2.根据权利要求1所述的Al-Zn-Mg大规格扁铸锭的制备方法，其特征在于：
所述步骤S2中，熔炼温度为730~760℃，保温时间为5~8h。
3.根据权利要求2所述的Al-Zn-Mg大规格扁铸锭的制备方法，其特征在于：
所述步骤S3中，在保温炉中熔炼的温度为720~750℃，保温时间为5~8h。
4.根据权利要求1所述的Al-Zn-Mg大规格扁铸锭的制备方法，其特征在于：
所述步骤S3中，氩气与氯气的体积百分比为4~8:1，精炼时间为10~30min。
5.根据权利要求1所述的Al-Zn-Mg大规格扁铸锭的制备方法，其特征在于：
所述步骤S4中，所述旋转喷头上设置有转子，转子的转速为200~600rpm。
6.根据权利要求1所述的Al-Zn-Mg大规格扁铸锭的制备方法，其特征在于：
所述步骤S4中，氯气占精炼气体总体积的0.5~2%，氯气流量为15~20L/min。
7.根据权利要求1所述的Al-Zn-Mg大规格扁铸锭的制备方法，其特征在于：
所述步骤S5中，Al-Ti-B线晶粒细化剂的喂丝速度为160 ~220cm/min。
8.根据权利要求1所述的Al-Zn-Mg大规格扁铸锭的制备方法，其特征在于：
在均匀化处理之前，还设置有去应力消除处理，去应力消除处理的温度为350℃，时间为5~10h。
9.根据权利要求1所述的Al-Zn-Mg大规格扁铸锭的制备方法，其特征在于：
所述步骤S1中，按质量计，Fe/Si＞1.6。
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