CN109957691B - 一种宽幅包铝板用超大扁锭的制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种宽幅包铝板用超大扁锭的制备方法，包括以下步骤：配料；熔炼；保温、精炼；除气过滤；在线细化晶粒；铸造：起铸阶段采用间隙停顿式起铸，且在起铸阶段关闭排水孔；去应力处理。通过本发明能有效解决宽幅包铝板用超大扁锭成分不均匀、易开裂的问题。

Description

一种宽幅包铝板用超大扁锭的制备方法
技术领域
本发明涉及铝合金铸锭铸造技术领域，尤其是一种宽幅包铝板用超大扁锭的制备方法。
背景技术
Al-Cu-Mg系铝合金，主要用于制作各种高负荷的零件和构件，如飞机上的骨架零件、蒙皮、隔框、翼肋、翼梁、铆钉等150℃以下工作零件。其中蒙皮材料多使用包铝薄板材，其生产工艺较为复杂，尤其包铝铸锭是包铝蒙皮板的重要工序，对后续表面质量、包覆率及板型等有着重要的影响。
随着航空工业的飞速发展，对宽幅(宽度≥2000mm)包铝蒙皮板的需求越来越大，较宽的蒙皮板可以有效减少铆接、焊接等连接工序，提升飞机材料的稳定性、可靠性。但目前因为熔铸工艺限制了铸锭的宽度，目前国内铝合金铸锭宽度最大只能做到2080mm，对于成品宽度超过2000mm的包铝蒙皮板，只能把铸锭分切后采用横轧的方式轧制，这种方式生产效率低，成品率也低，板型控制困难，并且易造成轧制失败。
如申请公布号为CN 109092894 A的发明专利申请，《一种生产宽幅包铝板的轧制方法专利》，需要采用纵轧-横扎-纵轧的方式，这样增加轧制道次的方法，增加了生产工序，为工业生产带来不便。申请公布号为CN104526281A的发明专利申请，《一种铝合金钎焊板的制备工艺》也是采用二次轧制的方法，该方法增加了生产流程，降低了生产效率。
发明内容
本发明公开了一种宽幅包铝板用超大扁锭的制备方法，能有效解决宽幅包铝板用超大扁锭成分不均匀、易开裂的问题。
为实现上述目的，本发明的技术方案为：
一种宽幅包铝板用超大扁锭的制备方法，包括以下步骤：
S1.配料：按照以下重量百分比进行配料：Si＜0.50%、Fe＜0.50%、Cu=3.8~4.9%、Mn=0.30~0.90%、Mg=1.2~1.8%、Cr＜0.10%、Zn＜0.25%、Ti＜0.15%、Be=0.0005~0.0050%、Na＜0.0001%，余量为Al和不可避免的杂质元素；分别称取铝锭、纯镁锭、纯铜、铝铜中间合金、铝钛中间合金、铝锰中间合金、铝铍中间合金，2024铝合金铸锭返回料占比为0~60wt%；
S2.熔炼：将80~90%的铝锭及2024返回料投入熔炼炉，熔炼温度为700~800℃，当铝水温度达到795~800℃时加入纯铜、纯镁及中间合金，保温30~50min后加入剩余的铝锭进行冲温；熔炼后得到铝合金熔体，将铝合金熔体转注到保温炉；
S3.保温、精炼：向保温炉中的铝合金熔体通入Ar-Cl2混合气体进行精炼，保证保温炉中铝合金熔体氢含量低于0.20mL/100gAl；
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，保证精炼后的铝合金熔体中的氢含量≤0.10mg/100g；铝合金熔体除气精炼后进行在线过滤；
S5.在线细化晶粒：通过喂丝机向除气系统出口流槽的铝合金熔体中连续加入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合金熔体；
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入下浇管底部的分配袋，分配袋将铝合金熔体注入结晶器与引锭头构成的半封闭腔体里进行铸造，铸造温度为670~720℃，铸造速度为30~60mm/min，结晶器液位高度60~120mm；起铸阶段采用间隙停顿式起铸，且在起铸阶段关闭排水孔，待铸长至100~300mm时打开排水孔，然后进行连续性铸造；铸造时打开冷却水，初始水流量为20~35m3/h，水压0.02~0.04Mpa，随着铸造长度增加到600~1000mm时，冷却水水流量逐渐增加到60-80m3/h，水压0.04~0.08Mpa，铸造完成后得扁锭半成品；
S7.对扁锭半成品进行去应力处理，得扁锭成品。
优选的，所述步骤S2中，熔炼开始时，当铝水熔化至1/4~1/3时开启电磁搅拌器。
优选的，所述步骤S2中，熔炼炉不添加任何打渣剂及覆盖剂。
优选的，所述步骤S3中，氩气与氯气通入流量的体积比为40~60:1，精炼时间为20~120分钟。
优选的，所述步骤S4中，旋转喷头上设置有转子，转子的转速为300~500rpm；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0.5~2%，氯气流量0.05~0.15m3/h。
优选的，所述步骤S5中，Al-Ti-B线晶粒细化剂的喂丝速度为200~320cm/min。
优选的，所述步骤S6中，铸造采用双曲面引锭头。
优选的，所述步骤S6中，间隙停顿式起铸为间断式向结晶器中注入铝合金熔体。
优选的，所述步骤S6中，间隙停顿式起铸具体为：连续注入铝合金熔体60~160s，再停顿2~10s，重复以上步骤直至间隙停顿式起铸结束。
优选的，所述步骤S7中，对扁铸锭进行去应力处理在铸造结束后30min内进行，温度为390~410℃，时间为5~10h。
以上所述的宽幅包铝板用超大扁锭的制备方法，能制造出宽度大于2080mm的扁锭，尤其适合生产550×2700×7200mm、650×2670×7000mm和550mm×2450mm×8000mm的2024铸锭，最好能制备得到宽厚比达4.91、宽度达2700mm、厚度达650mm、长度达8000mm的大规格2024铸锭。本发明通过控制Si、Fe、Cu、Mn、Mg、Cr、Zn和Be的含量，尤其是铝锭中可能掺杂有的Si、Fe、Mn、Cr、Na的含量，保证扁锭的成分合理，不易产生裂纹。同时，本发明严格控制了保温的过程，在保温了适当的时间后加入剩余的铝锭进行冲温，以防止发生铝合金熔体过烧现象，避免对合金的连续性产生普遍损害。另外，本发明对铸造过程也进行了特殊设计，起铸阶段关闭排水孔，可以加快铸造初始阶段的铸锭成型，铸长达到一定范围时，打开排水孔，可使引锭头上无积水，避免铸锭底部炸裂；铸造起铸阶段采用间隙停顿式起铸，可使铸造应力提前释放，避免铸锭开裂。以上工艺的结合能有效的避免铸锭开裂，保证铸锭的成分均匀，成分偏析≤10%。
本发明在保温过程和除气精炼过程对氢含量进行了严格控制，且熔炼过程不添加任何打渣剂及覆盖剂，使得最终得到的铸锭氢含量≤0.10ml/100gAl，渣含量＜0.03mm2/kgAl的熔体。
本发明生产的超大扁锭还具有以下优势：铸锭内部组织均匀细小，晶粒度一级；使用大规格铸锭生产宽幅板材，无需宽展直接纵向轧制，减少宽展轧制道次，能有效保证轧制过程中铸锭温降，有利于增加轧制成功率，提高产品成品率，降低生产成本。本发明制备出的大规格铸锭可以用于飞机蒙皮板材。
附图说明
图1a是实施例1边部的金相组织图；图1b是实施例1在1/4处的金相组织图；图1c是实施例1芯部的金相组织图。
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550mm×2700mm×7200mm的超大规格铝合金扁锭，其生产过程步骤具体如下：
S1.配料：按质量百分比由Si＜0.10%、Fe＜0.20%、Cu=4.2~4.8%、Mn=0.50~0.90%、Mg= 1.5~1.8%、Cr ＜0.05%、Zn ＜0.05%，Ti=0.02~0.05%，Be=0.0015%~0.0030%，Na＜0.0001%，余量为Al和不可避免的杂质元素。根据成分计算99.70%重熔铝锭和2024铝合金返回料，然后进行混合配料，2024返回料占比60%。
S2.熔炼：将80%铝锭及2024返回料投入熔炼炉，熔炼温度为780~800℃，待铝水熔化至三分之一时开启电磁搅拌器；当铝水温度达到800℃时加入纯铜、纯镁及中间合金，保温30min后加入剩余铝锭进行冲温；熔炼后得到铝合金熔体，将铝合金熔体转注到保温炉；熔炼炉不添加任何打渣剂及覆盖剂，避免引进新杂质。
S3.保温、精炼：向保温炉中的铝合金熔体通入Ar-Cl2混合气体进行精炼，氩气与氯气通入流量的体积比为60：1，精炼时间为90分钟， 保证保温炉熔体氢含量低于0.20ml/100gAl。
S4.除气过滤：精炼完成以后，倾动保温炉，使铝合金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500rpm，精炼温度为725℃，得到精炼后的铝合金熔体，精炼后的铝合金熔体中的氢浓度≤0.10mg/100g；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2%，氯气流量0.15m3/h；铝合金熔体除气精炼后通过30ppi泡沫陶瓷过滤板进行在线过滤。
S5.在线细化晶粒：通过喂丝机向在线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，喂丝速度为310cm/min，得晶粒细化处理后的铝合金熔体。
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入下浇管底部的分配袋，分配袋将铝合金熔体注入结晶器与引锭头构成的半封闭腔体里进行铸造，铸造完成后得扁铸锭半成品。
a、铸造采用双曲面引锭头。
b、起铸阶段关闭排水孔，确保铸造初始阶段铸锭成型，待铸长至190mm时打开排水孔，使引锭头上无积水，避免铸锭底部炸裂。
c、打开铸造冷却水，初始水流量20~25m3/h，水压0.02~0.03Mpa；随着铸造长度增加至650mm时，水流逐渐增加到60~65m3/h，水压0.04~0.05MPa。
d、铸造起铸间段采用间隙停顿式起铸，连续注入铝合金熔体80s，再停顿5s，重复以上步骤直至间隙停顿式起铸结束。使铸造应力提前释放，避免铸造开裂。
e、铸造温度680~690℃，铸造速度35~45mm/min，结晶器液位高度80~120mm。
S7.去应力：铸造结束后30min内对扁铸锭半成品进行去应力处理，去应力制度为400℃×10h。
由上述步骤铸造出550×2700×7200mm规格的2024合金扁锭，宽厚比为4.91，低倍检测及成分偏析分别见表1和表2如下。金相组织图见图1a、图1b、图1c。
表1 实施例1的低倍检测结果表
铸锭规格/mm 液态氢含量(ml/100g) 渣含量(mm<sup>2</sup>/kg ) 晶粒度 疏松 低倍组织
实施例1 550*2700*7200 0.091 0.003 一级 一级 无裂纹、气孔、粗大金属化合物、光亮晶、羽毛晶缺陷
表2实施例1的成分偏析检测结果表
方向 Cu Mg Mn
厚度偏析% 5.8 4.2 3.7
宽度偏析% 7.3 6.2 3.1
实施例2
铸造规格为650mm×2670mm×7000 mm的超大规格铝合金扁锭，其生产过程步骤具体如下：
S1.配料：按质量百分比由Si＜0.06%、Fe＜0.10%、Cu=3.8~4.4%、Mn=0.30~0.60%、Mg=1.2~1.5%、Cr＜0.10%、Zn＜0.25%，Ti=0.02~0.05%，Be=0.0035~0.0050%，Na＜0.0001%，余量为Al和不可避免的杂质元素；根据成分计算99.85%重熔铝锭和2024铝合金返回料，2024返回料占比40%。
S2.熔炼：将90%的铝锭及2024返回料投入熔炼炉，熔炼温度为700~795℃，待铝水熔化至四分之一时开启电磁搅拌器；当铝水温度达到795℃时加入加入纯铜、纯镁及中间合金，保温半小时后加入剩余铝锭进行冲温，熔炼后得到铝合金熔体，将铝合金熔体转注到保温炉；熔炼炉不添加任何打渣剂及覆盖剂，避免引进新杂质。
S3.保温、精炼：向保温炉中的铝合金熔体通入Ar-Cl2混合气体进行精炼，氩气与氯气通入流量的体积比为50：1，精炼时间为30分钟， 保证保温炉熔体氢含量低于0.20ml/100gAl。
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410rpm，精炼温度为735℃，得到精炼后的铝合金熔体，精炼后的铝合金熔体中的氢浓度≤0.10mg/100g；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0.5%，氯气流量0.05m3/h；铝合金熔体除气精炼后通过60ppi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合金熔体中连续加入Al-Ti-B线晶粒细化剂进行晶粒细化处理，喂丝速度为280cm/min，得晶粒细化处理后的铝合金熔体。
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入下浇管底部的分配袋，分配袋将铝合金熔体注入结晶器与引锭头构成的半封闭腔体里进行铸造，铸造完成后得扁铸锭半成品。
a、铸造采用双曲面引锭头。
b、起铸阶段关闭排水孔，确保铸造初始阶段铸锭成型，待铸长至280mm时打开排水孔，使引锭头上无积水，避免铸锭底部炸裂。
c、打开铸造冷却水，初始水流量25~35m3/h，水压0.02~0.04Mpa；随着铸造长度增加至950mm时，水流逐渐增加到70~80m3/h，水压0.06~0.08MPa。
d、铸造起铸间段采用间隙停顿式起铸，连续注入铝合金熔体60s，再停顿3s，重复以上步骤直至间隙停顿式起铸结束。使铸造应力提前释放，避免铸造开裂。
e、铸造温度710~720℃，铸造速度40~45mm/min，结晶器液位高度90~120mm。
S7.去应力：铸造结束后30min内对扁铸锭半成品进行去应力处理，去应力制度为390℃×10h。
由上述步骤铸造出650×2670×7000mm规格的2024合金扁锭，宽厚比为4.11，低倍检测及成分偏析见表3和表4。
表3 实施例2的低倍检测结果表
铸锭规格/mm 液态氢含量(ml/100g) 渣含量(mm<sup>2</sup>/kg ) 晶粒度 疏松 低倍组织
实施例2 650*2670*7000 0.097 0.002 一级 一级 无裂纹、气孔、粗大金属化合物、光亮晶、羽毛晶缺陷
表4 实施例2的成分偏析检测结果表
方向 Cu Mg Mn
厚度偏析% 6.3 4.9 4.7
宽度偏析% 7.1 6.4 3.5
实施例3
铸造规格为550mm×2450mm×8000 mm的超大规格铝合金扁锭，其生产过程步骤具体如下：
S1.配料：按质量百分比由Si＜0.04%、Fe＜0.04%、Cu=4.4~4.6%、Mn= 0.50~0.70%、Mg= 1.2~1.5%、Cr＜0.10%、Zn ＜0.05%，Ti=0.05-0.10%，Be=0.0020%-0.0030%，Na＜0.0001%，余量为Al和不可避免的杂质元素，根据成分计算99.95%重熔铝锭。
S2.熔炼：将85%的铝锭投入熔炼炉，熔炼温度为700~800℃，待铝水熔化至三分之一时开启电磁搅拌器，当铝水温度达到800℃时加入加入纯铜、纯镁及中间合金，保温40min后加入剩余铝锭进行冲温；熔炼后得到铝合金熔体，将铝合金熔体转注到保温炉；熔炼炉不添加任何打渣剂及覆盖剂，避免引进新杂质。
S3.保温、精炼：向保温炉中的铝合金熔体通入Ar-Cl2混合气体进行精炼，氩气与氯气通入流量的体积比为40：1，精炼时间为60分钟， 保证保温炉熔体氢含量低于0.20ml/100gAl。
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500rpm，精炼温度为700~735℃，得到精炼后的铝合金熔体，精炼后的铝合金熔体中的氢浓度≤0.10mg/100g；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0.8%，氯气流量0.10m3/h；铝熔体除气精炼后通过60ppi泡沫陶瓷过滤板进行在线过滤。
S5.在线细化晶粒：通过喂丝机向在线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，喂丝速度为260cm/min，得晶粒细化处理后的铝合金熔体。
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入下浇管底部的分配袋，分配袋将铝合金熔体注入结晶器与引锭头构成的半封闭腔体里进行铸造，铸造完成后得扁铸锭半成品。
a、铸造采用双曲面引锭头。
b、起铸阶段关闭排水孔，确保铸造初始阶段铸锭成型，待铸长至160mm时打开排水孔，使引锭头上无积水，避免铸锭底部炸裂。
c、打开铸造冷却水，初始水流量20~25m3/h，水压0.04~0.06Mpa；随着铸造长度增加至700mm时，水流逐渐增加到50~55m3/h，水压0.04~0.06MPa。
d、铸造起铸间段采用间隙停顿式起铸，连续注入铝合金熔体100s，再停顿8s重复以上步骤直至间隙停顿式起铸结束。使铸造应力提前释放，避免铸造开裂。
e、铸造温度700~710℃，铸造速度45~55mm/min，结晶器液位高度90~120mm。
S7.去应力：铸造结束后30min内对扁铸锭进行去应力处理，去应力制度为400℃×6h。
由上述步骤铸造出550mm×2450mm×8000mm规格的2024合金扁锭，宽厚比为4.45，低倍检测及成分偏析见表5和表6。
表5 实施例3的低倍检测结果表
铸锭规格/mm 液态氢含量(ml/100g) 渣含量(mm<sup>2</sup>/kg ) 晶粒度 疏松 低倍组织
实施例3 550*2450*8000 0.077 0.001 一级 一级 无裂纹、气孔、粗大金属化合物、光亮晶、羽毛晶缺陷
表6 实施例3的成分偏析检测结果表
方向 Cu Mg Mn
厚度偏析% 5.3 4.1 4.0
宽度偏析% 6.8 6.0 3.6
以上所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

Claims (10)

1.一种宽幅包铝板用超大扁锭的制备方法，其特征在于包括以下步骤：
S1.配料：按照以下重量百分比进行配料：Si＜0.50%、Fe＜0.50%、Cu=3.8~4.9%、Mn=0.30~0.90%、Mg=1.2~1.8%、Cr＜0.10%、Zn＜0.25%、Ti＜0.15%、Be=0.0005~0.0050%、Na＜0.0001%，余量为Al和不可避免的杂质元素；分别称取铝锭、纯镁锭、纯铜、铝铜中间合金、铝钛中间合金、铝锰中间合金、铝铍中间合金，2024铝合金铸锭返回料占比为0~60wt%；
S2.熔炼：将80~90%的铝锭及2024返回料投入熔炼炉，熔炼温度为700~800℃，当铝水温度达到795~800℃时加入纯铜、纯镁及中间合金，保温30~50min后加入剩余的铝锭进行冲温；熔炼后得到铝合金熔体，将铝合金熔体转注到保温炉；
S3.保温、精炼：向保温炉中的铝合金熔体通入Ar-Cl2混合气体进行精炼，保证保温炉中铝合金熔体氢含量低于0.20mL/100gAl；
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，保证精炼后的铝合金熔体中的氢含量≤0.10mg/100g；铝合金熔体除气精炼后进行在线过滤；
S5.在线细化晶粒：通过喂丝机向除气系统出口流槽的铝合金熔体中连续加入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合金熔体；
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入下浇管底部的分配袋，分配袋将铝合金熔体注入结晶器与引锭头构成的半封闭腔体里进行铸造，铸造温度为670~720℃，铸造速度为30~60mm/min，结晶器液位高度60~120mm；起铸阶段采用间隙停顿式起铸，且在起铸阶段关闭排水孔，待铸长至100~300mm时打开排水孔，然后进行连续性铸造；铸造时打开冷却水，初始水流量为20~35m3/h，水压0.02~0.04Mpa，随着铸造长度增加到600~1000mm时，冷却水水流量逐渐增加到60-80m3/h，水压0.04~0.08Mpa，铸造完成后得扁锭半成品；
S7.对扁锭半成品进行去应力处理，得扁锭成品。
2.根据权利要求1所述的宽幅包铝板用超大扁锭的制备方法，其特征在于：
所述步骤S2中，熔炼开始时，当铝水熔化至1/4~1/3时开启电磁搅拌器。
3.根据权利要求1所述的宽幅包铝板用超大扁锭的制备方法，其特征在于：
所述步骤S2中，熔炼炉不添加任何打渣剂及覆盖剂。
4.根据权利要求1所述的宽幅包铝板用超大扁锭的制备方法，其特征在于：
所述步骤S3中，氩气与氯气通入流量的体积比为40~60:1，精炼时间为20~120分钟。
5.根据权利要求1所述的宽幅包铝板用超大扁锭的制备方法，其特征在于：
所述步骤S4中，旋转喷头上设置有转子，转子的转速为300~500rpm；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0.5~2%，氯气流量0.05~0.15m3/h。
6.根据权利要求1所述的宽幅包铝板用超大扁锭的制备方法，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200~320cm/min。
7.根据权利要求1所述的宽幅包铝板用超大扁锭的制备方法，其特征在于：
所述步骤S6中，铸造采用双曲面引锭头。
8.根据权利要求1所述的宽幅包铝板用超大扁锭的制备方法，其特征在于：
所述步骤S6中，间隙停顿式起铸为间断式向结晶器中注入铝合金熔体。
9.根据权利要求8所述的宽幅包铝板用超大扁锭的制备方法，其特征在于：
所述步骤S6中，间隙停顿式起铸具体为：连续注入铝合金熔体60~160s，再停顿2~10s，重复以上步骤直至间隙停顿式起铸结束。
10.根据权利要求1所述的宽幅包铝板用超大扁锭的制备方法，其特征在于：
所述步骤S7中，对扁铸锭进行去应力处理在铸造结束后30min内进行，温度为390~410℃，时间为5~10h。
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