CN110193588B - 一种铝锂合金低频方波电磁连铸装置及方法 - Google Patents

Abstract

一种铝锂合金低频方波电磁连铸装置及方法，装置包括结晶器、电磁线圈及铝锂合金液导管；电磁线圈位于结晶器内，用于产生低频方波电磁场；结晶器内套设有冷却水喷孔，内套上端筒口设有吹氩管及喷油管，铝锂合金液导管架设在结晶器内套上端筒口上方，导管上端管口设有吹氩管，导管下端管口吊装有盘式过滤网。方法为：将氩气保护恒流浇注设备和铸造机安装到位；接入冷却水；电磁线圈通电；预热导管；接入润滑油；接入氩气；启动氩气保护恒流浇注设备输出铝锂合金熔体，熔体依次通过导管和盘式过滤网进入结晶器内套中，达到设定液面高度后，启动铸造机下移引锭杆，凝固壳遇冷却水，铸锭初步冷却结晶，继续恒速铸造，当铸锭达到设定长度后，结束铸造。

Description

一种铝锂合金低频方波电磁连铸装置及方法

技术领域

本发明属于材料加工成型制造技术领域，特别是涉及一种铝锂合金低频方波电磁连铸装置及方法。

背景技术

铝锂合金具有高比强和高比刚度的特点，其在航天航空领域的飞行器中得到大量应用，而铝锂合金制备的关键则在与高质量锭坯的制备及合金的熔铸。

由于铝锂合金的热导率低，因此铝锂合金铸锭的中心和边部存在较大的冷却速率差，从而易导致液穴深，且铸锭内外组织差别大；由于铝锂合金活度高且极易氧化，铝锂合金中的锂会夺取水汽中的氧形成氧化物，而水汽中的氢会被吸进熔体中，因此在DC铸造(半连续铸造)时，需要在结晶器内的铝锂合金液面上覆盖一层溶剂，如果液面波动较大时，极易形成溶剂夹杂，而溶剂保护不完全则氧化物夹渣液容易裹入；同时，由于溶剂的覆盖层通常较厚，传统的铝锂合金DC铸造是不施加润滑油的，因此铸锭表面质量都比较差，导致均化后铣面量的增加。

另外，也有技术人员在铝锂合金DC铸造时会施加交流电磁场，由于此类磁场产生的流场，会使熔体从中心向外流动，并将形成弯液面，导致覆盖的溶剂将流向边部，熔体可能脱离溶剂保护而裸露在气氛中，从而加剧氧化。

发明内容

针对现有技术存在的问题，本发明提供一种铝锂合金低频方波电磁连铸装置及方法，能够铸造出细晶、洁净的高质量铝锂合金锭坯，有效提高铝锂合金的性能和成材率。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：一种铝锂合金低频方波电磁连铸装置，包括结晶器内套、结晶器底板、结晶器外套、电磁线圈、铝锂合金液导管、结晶器吹氩管、结晶器喷油管及辅助吹氩管；所述结晶器内套、结晶器底板及结晶器外套共同构成环形结晶器，所述电磁线圈安装在结晶器的环形冷却水腔内，电磁线圈通过线圈支架固连在结晶器外套上，电磁线圈的引线出口设置在结晶器外套上，通过电磁线圈产生低频方波电磁场；在所述结晶器外套的外圆周上对称设置有两处冷却水进口；在所述结晶器内套的外表面固定套装有筒形过滤网，在结晶器内套下方的开设有若干冷却水喷孔，若干冷却水喷孔沿结晶器内套圆周均布设置；所述结晶器喷油管采用圆环形结构，结晶器喷油管外接进油管路，结晶器喷油管固定设置在结晶器内套的上端筒口处，在结晶器喷油管的管体上开设有若干喷油孔，若干喷油孔沿结晶器喷油管圆周均布设置；所述结晶器吹氩管采用圆环形结构，结晶器吹氩管与结晶器喷油管尺寸相同，结晶器吹氩管固定设置在结晶器喷油管上部且两者同心设置，结晶器吹氩管外接进气管路，在结晶器吹氩管的管体上开设有若干主喷氩孔，若干主喷氩孔沿结晶器吹氩管圆周均布设置；所述铝锂合金液导管采用漏斗型结构，铝锂合金液导管固定架设在结晶器内套上端管口正上方，铝锂合金液导管的小径端延伸至结晶器内套内部；所述辅助吹氩管采用圆环形结构，辅助吹氩管外接进气管路，辅助吹氩管固定设置在铝锂合金液导管的大径端管口处，在辅助吹氩管的管体上开设有若干副喷氩孔，若干副喷氩孔沿辅助吹氩管圆周均布设置；在所述铝锂合金液导管的小径端管口正下方固定吊装有盘式过滤网。

一种铝锂合金低频方波电磁连铸方法，采用了所述的铝锂合金低频方波电磁连铸装置，包括如下步骤：

步骤一：在铝锂合金低频方波电磁连铸装置的正上方架设一台氩气保护恒流浇注设备，并将氩气保护恒流浇注设备的出液管准确插入铝锂合金液导管中；

步骤二：在铝锂合金低频方波电磁连铸装置的正下方安装一台铸造机，并将铸造机的引锭杆准确伸入结晶器内套中；

步骤三：将冷却水进口与冷却水水源接通，按照设定流量向结晶器的环形冷却水腔中通入冷却水，保证冷却水均匀的从冷却水喷孔中喷出；

步骤四：将电磁线圈与电源接通，并设定强度对电磁线圈施加电压，使电磁线圈产生低频方波电磁场；

步骤五：对铝锂合金液导管以及氩气保护恒流浇注设备的出液管进行预热；

步骤六：将结晶器喷油管与润滑油油源接通，向结晶器喷油管通入润滑油，保证润滑油均匀的从喷油孔中喷出；

步骤七：将结晶器吹氩管和辅助吹氩管与氩气气源接通，按照设定流量向结晶器吹氩管和辅助吹氩管中通入氩气，保证氩气均匀的从主喷氩孔和副喷氩孔中喷出；

步骤八：启动氩气保护恒流浇注设备，通过氩气进行加压，使铝锂合金熔体以设定流量从出液管流入铝锂合金液导管中，铝锂合金熔体再从铝锂合金液导管的小径端管口流出，并经过盘式过滤网的微孔进入结晶器内套中，直到铝锂合金熔体的液面高度达到设定高度时，启动铸造机，按设定速度控制引锭杆向下移动，此时与结晶器内套和引锭杆接触的铝锂合金熔体已经形成一个凝固壳，当凝固壳移出结晶器内套后，冷却水喷孔中喷出冷却水会直接喷射到凝固壳上，实现铸锭的冷却结晶；

步骤九：在设定速度下以恒速进行铸造，铸造开始阶段，铝锂合金熔体液面的氧化膜很薄，此时铝锂合金熔体液面的振动可见，随着铸造的进行，氧化膜厚度逐渐变厚，直到氧化膜厚度达到稳定，在接下来的铸造过程中，通过调整氩气保护恒流浇注设备的氩气压力对铝锂合金熔体的流量进行调节，以控制铝锂合金熔体液面的高度维持稳定，但需要避免铝锂合金熔体液面产生较大波动；同时，通过盘式过滤网保证铝锂合金熔体的均匀布流，并阻挡尺寸较大的氧化物夹渣进入结晶器内套中，保证铸锭的洁净度；

步骤十：当铸锭达到设定长度时，将氩气保护恒流浇注设备进行泄压，终止铝锂合金熔体的供流，当铸锭上表面即将脱离结晶器内套时，停止冷却水的供应，直到铸锭上部空冷到全部凝固为止，然后停止氩气和润滑油的供应，同时切断电磁线圈的供电，最后快速降低引锭杆，铸造结束。

本发明的有益效果：

本发明的铝锂合金低频方波电磁连铸装置及方法，能够铸造出细晶、洁净的高质量铝锂合金锭坯，有效提高铝锂合金的性能和成材率。

附图说明

图1为本发明的一种铝锂合金低频方波电磁连铸装置的结构示意图；

图2为图1的俯视图；

图3为图1中I部放大图；

图4为图1中II部放大图；

图5为低频方波电磁场的电压波形图；

图6为电磁线圈的电流波形图；

图7为低频方波电磁场强度波形图；

图8为洛伦兹力的波形图；

图中，1—结晶器内套，2—结晶器底板，3—结晶器外套，4—电磁线圈，5—铝锂合金液导管，6—结晶器吹氩管，7—结晶器喷油管，8—辅助吹氩管，9—线圈支架，10—引线出口，11—冷却水进口，12—筒形过滤网，13—冷却水喷孔，14—喷油孔，15—主喷氩孔，16—副喷氩孔，17—盘式过滤网，18—氩气保护恒流浇注设备的出液管。

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1～4所示，一种铝锂合金低频方波电磁连铸装置，包括结晶器内套1、结晶器底板2、结晶器外套3、电磁线圈4、铝锂合金液导管5、结晶器吹氩管6、结晶器喷油管7及辅助吹氩管8；所述结晶器内套1、结晶器底板2及结晶器外套3共同构成环形结晶器，所述电磁线圈4安装在结晶器的环形冷却水腔内，电磁线圈4通过线圈支架9固连在结晶器外套3上，电磁线圈4的引线出口10设置在结晶器外套3上，通过电磁线圈4产生低频方波电磁场；在所述结晶器外套3的外圆周上对称设置有两处冷却水进口11；在所述结晶器内套1的外表面固定套装有筒形过滤网12，在结晶器内套1下方的开设有若干冷却水喷孔13，若干冷却水喷孔13沿结晶器内套1圆周均布设置；所述结晶器喷油管7采用圆环形结构，结晶器喷油管7外接进油管路，结晶器喷油管7固定设置在结晶器内套1的上端筒口处，在结晶器喷油管7的管体上开设有若干喷油孔14，若干喷油孔14沿结晶器喷油管7圆周均布设置；所述结晶器吹氩管6采用圆环形结构，结晶器吹氩管6与结晶器喷油管7尺寸相同，结晶器吹氩管6固定设置在结晶器喷油管7上部且两者同心设置，两者具体通过点焊方式固连在一起，结晶器吹氩管6外接进气管路，在结晶器吹氩管6的管体上开设有若干主喷氩孔15，若干主喷氩孔15沿结晶器吹氩管6圆周均布设置；所述铝锂合金液导管5采用漏斗型结构，铝锂合金液导管5固定架设在结晶器内套1上端管口正上方，铝锂合金液导管5的小径端延伸至结晶器内套1内部；所述辅助吹氩管8采用圆环形结构，辅助吹氩管8外接进气管路，辅助吹氩管8固定设置在铝锂合金液导管5的大径端管口处，在辅助吹氩管8的管体上开设有若干副喷氩孔16，若干副喷氩孔16沿辅助吹氩管8圆周均布设置；在所述铝锂合金液导管5的小径端管口正下方固定吊装有盘式过滤网17。

所述喷油孔14的轴向中心线与水平面呈80°夹角，所述主喷氩孔15的轴向中心线与水平面呈30°夹角，所述副喷氩孔16的轴向中心线与水平面呈45°夹角。

所述结晶器内套1采用6961铝合金制造，结晶器内套1的内表面采用抛光表面，且抛光表面的光洁度≤Ra0.1。

所述结晶器底板2和结晶器外套3均采用A3钢板制造，所述铝锂合金液导管5采用纯钛制造，在铝锂合金液导管5的内管壁涂有BN涂料；所述结晶器吹氩管6、结晶器喷油管7及辅助吹氩管8均采用不锈钢管制造。

所述的低频方波电磁场的频率为5Hz～30Hz；低频方波电磁场的电压为50V～300V，其电压波形图如图5所示；低频方波电磁场的占空比为10％～30％。

如图6所示，为电磁线圈4的电流波形图，由于电磁线圈4的电感，初始电流先快速降低，然后再缓缓减少；如图7所示，为低频方波电磁场强度波形图，且低频方波电磁场强度与电磁线圈4的电流具有相近的波形图，通过低频方波电磁场可在铝锂合金熔体中产生感应电流，感应电流与低频方波电磁场作用，又可在在铝锂合金熔体中产生径向的洛伦兹力，洛伦兹力的波形图如图8所示，因洛伦兹力的存在，可使铝锂合金熔体沿水平方向先承受一个压力，然后再承受一个拉力，进而使铝锂合金熔体沿水平方向周期性的承受压力和拉力，由于水平方向的铝锂合金熔体流动受到结晶器内套1内表面的限制，导致水平方向上铝锂合金熔体拉伸流动较小，而在周期性的压力和拉力作用下，铝锂合金熔体会沿水平方向产生周期性的振动，进而可产生以下技术效果：

①、可以促进异质形核核心与铝锂合金熔体的润湿，提高结晶形核率，细化铸锭组织；

②、在铝锂合金熔体松弛受拉时，铝锂合金熔体中的氢可以析出，并聚集成氢气泡，在铝锂合金熔体受压缩时，氢气泡实现上浮并溢出铝锂合金熔体液面，进而降低铝锂合金熔体中的氢含量；

③、在铝锂合金熔体压缩过程中，对于铝锂合金熔体中的氧化物夹渣，由于氧化物夹渣的密度低，因此可以快速上浮到铝锂合金熔体液面，进而流到铸锭表面，最终降低了铸锭中的夹渣量；

④、由于铝锂合金熔体处于周期性的振动中，可有效强化其与已结晶凝固前沿的换热，从而使液穴变浅，即使铝锂合金熔体的过冷度增加，同时振动还可使铝锂合金熔体间的传热加强，而且铸锭的合金元素在晶内的固溶量也得到增加，不但可以促进合金加工热处理后的析出相增加，从而提高合金的力学性能；

⑤、由于铝锂合金熔体处于周期性的振动中，铝锂合金熔体与结晶器内套的内表面的接触时间减少，同时接触压力也会降低，而且凝固壳与结晶器内套的内表面的摩擦减小，进而有利于改善铸锭的表面质量；

⑥、由于氧化物夹渣不导电，因此浮在铝锂合金熔体表面的氧化物夹渣不受洛伦兹力，即氧化物夹渣不产生振动，而其下面的铝锂合金熔体却产生振动，因此有效避免了氧化物夹渣被裹入铝锂合金熔体中，进而提高了铝锂合金熔体的洁净度。

一种铝锂合金低频方波电磁连铸方法，采用了所述的铝锂合金低频方波电磁连铸装置，包括如下步骤：

步骤一：在铝锂合金低频方波电磁连铸装置的正上方架设一台氩气保护恒流浇注设备，并将氩气保护恒流浇注设备的出液管18准确插入铝锂合金液导管5中；

步骤二：在铝锂合金低频方波电磁连铸装置的正下方安装一台铸造机，并将铸造机的引锭杆准确伸入结晶器内套1中；

步骤三：将冷却水进口11与冷却水水源接通，按照设定流量向结晶器的环形冷却水腔中通入冷却水，保证冷却水均匀的从冷却水喷孔13中喷出；

步骤四：将电磁线圈4与电源接通，并设定强度对电磁线圈4施加电压，使电磁线圈4产生低频方波电磁场；

步骤五：对铝锂合金液导管5以及氩气保护恒流浇注设备的出液管18进行预热；

步骤六：将结晶器喷油管7与润滑油油源接通，向结晶器喷油管7通入润滑油，保证润滑油均匀的从喷油孔14中喷出；

步骤七：将结晶器吹氩管6和辅助吹氩管8与氩气气源接通，按照设定流量向结晶器吹氩管6和辅助吹氩管8中通入氩气，保证氩气均匀的从主喷氩孔15和副喷氩孔16中喷出；

步骤八：启动氩气保护恒流浇注设备，通过氩气进行加压，使铝锂合金熔体以设定流量从出液管18流入铝锂合金液导管5中，铝锂合金熔体再从铝锂合金液导管5的小径端管口流出，并经过盘式过滤网17的微孔进入结晶器内套1中，直到铝锂合金熔体的液面高度达到设定高度时，启动铸造机，按设定速度控制引锭杆向下移动，此时与结晶器内套1和引锭杆接触的铝锂合金熔体已经形成一个凝固壳，当凝固壳移出结晶器内套1后，冷却水喷孔13中喷出冷却水会直接喷射到凝固壳上，实现铸锭的冷却结晶；

步骤九：在设定速度下以恒速进行铸造，铸造开始阶段，铝锂合金熔体液面的氧化膜很薄，此时铝锂合金熔体液面的振动可见，随着铸造的进行，氧化膜厚度逐渐变厚，直到氧化膜厚度达到稳定，在接下来的铸造过程中，通过调整氩气保护恒流浇注设备的氩气压力对铝锂合金熔体的流量进行调节，以控制铝锂合金熔体液面的高度维持稳定，但需要避免铝锂合金熔体液面产生较大波动；同时，通过盘式过滤网17保证铝锂合金熔体的均匀布流，并阻挡尺寸较大的氧化物夹渣进入结晶器内套1中，保证铸锭的洁净度；

步骤十：当铸锭达到设定长度时，将氩气保护恒流浇注设备进行泄压，终止铝锂合金熔体的供流，当铸锭上表面即将脱离结晶器内套1时，停止冷却水的供应，直到铸锭上部空冷到全部凝固为止，然后停止氩气和润滑油的供应，同时切断电磁线圈4的供电，最后快速降低引锭杆，铸造结束。

实施例一

以2A97铝锂合金为例，其化学成分见表1，并按照步骤一至步骤十进行操作后，可铸造得到相应的铸锭，铸造及电磁场参数见表2，该铸锭的冶金质量见表3，铸锭挤压后经T6/T8处理，其力学性能见表4；具体的，铸锭需要在510℃下经过24小时的均化，然后对均化后的铸锭进行铣面，再将铣面后的铸锭加热到380℃并挤压成φ16mm的棒材，然后在510℃下固溶40分钟进行水淬，在160℃下时效24小时(T6)/32小时(T8)，水淬后预拉伸4％。

表1. 2A97铝锂合金的化学成分

表2. 2A97铝锂合金的铸造及电磁场参数

表3. 2A97铝锂合金铸锭的冶金质量

表4. 2A97铝锂合金(T6/T8)的力学性能

实施例二

以5A90铝锂合金为例，其化学成分见表5，并按照步骤一至步骤十进行操作后，可铸造得到相应的铸锭，铸造及电磁场参数见表6，可铸造得到相应的铸锭，该铸锭的冶金质量见表7，铸锭挤压后经T6处理，其力学性能见表8；具体的，铸锭需要在475℃下经过36小时的均化，然后对均化后的铸锭进行铣面，再将铣面后的铸锭加热到350℃并挤压成φ16mm的棒材，然后在460℃下固溶30分钟进行水淬，在135℃下时效24小时(T6)，水淬后预拉伸4％。

表5. 5A90铝锂合金的化学成分

表6. 5A90铝锂合金的铸造及电磁场参数

表7. 5A90铝锂合金铸锭的冶金质量

表8. 5A90铝锂合金(T6)的力学性能

铸造条件	Rm(MPa)	R<sub>p0.2</sub>(MPa)	A(％)
				无磁场/T6	463	338	12
电磁铸造/T6	593	537	8.5

实施例中的方案并非用以限制本发明的专利保护范围，凡未脱离本发明所为的等效实施或变更，均包含于本案的专利范围中。

Claims (2)

1.一种铝锂合金低频方波电磁连铸装置，其特征在于：包括结晶器内套、结晶器底板、结晶器外套、电磁线圈、铝锂合金液导管、结晶器吹氩管、结晶器喷油管及辅助吹氩管；所述结晶器内套、结晶器底板及结晶器外套共同构成环形结晶器，所述电磁线圈安装在结晶器的环形冷却水腔内，电磁线圈通过线圈支架固连在结晶器外套上，电磁线圈的引线出口设置在结晶器外套上，通过电磁线圈产生低频方波电磁场；在所述结晶器外套的外圆周上对称设置有两处冷却水进口；在所述结晶器内套的外表面固定套装有筒形过滤网，在结晶器内套的下方开设有若干冷却水喷孔，若干冷却水喷孔沿结晶器内套圆周均布设置；所述结晶器喷油管采用圆环形结构，结晶器喷油管外接进油管路，结晶器喷油管固定设置在结晶器内套的上端筒口处，在结晶器喷油管的管体上开设有若干喷油孔，若干喷油孔沿结晶器喷油管圆周均布设置；所述结晶器吹氩管采用圆环形结构，结晶器吹氩管与结晶器喷油管尺寸相同，结晶器吹氩管固定设置在结晶器喷油管上部且两者同心设置，结晶器吹氩管外接进气管路，在结晶器吹氩管的管体上开设有若干主喷氩孔，若干主喷氩孔沿结晶器吹氩管圆周均布设置；所述铝锂合金液导管采用漏斗型结构，铝锂合金液导管固定架设在结晶器内套上端管口正上方，铝锂合金液导管的小径端延伸至结晶器内套内部；所述辅助吹氩管采用圆环形结构，辅助吹氩管外接进气管路，辅助吹氩管固定设置在铝锂合金液导管的大径端管口处，在辅助吹氩管的管体上开设有若干副喷氩孔，若干副喷氩孔沿辅助吹氩管圆周均布设置；在所述铝锂合金液导管的小径端管口正下方固定吊装有盘式过滤网。

2.一种铝锂合金低频方波电磁连铸方法，采用了权利要求1所述的铝锂合金低频方波电磁连铸装置，其特征在于包括如下步骤：

步骤一：在铝锂合金低频方波电磁连铸装置的正上方架设一台氩气保护恒流浇注设备，并将氩气保护恒流浇注设备的出液管准确插入铝锂合金液导管中；

步骤二：在铝锂合金低频方波电磁连铸装置的正下方安装一台铸造机，并将铸造机的引锭杆准确伸入结晶器内套中；

步骤三：将冷却水进口与冷却水水源接通，按照设定流量向结晶器的环形冷却水腔中通入冷却水，保证冷却水均匀的从冷却水喷孔中喷出；

步骤四：将电磁线圈与电源接通，并设定强度对电磁线圈施加电压，使电磁线圈产生低频方波电磁场；

步骤五：对铝锂合金液导管以及氩气保护恒流浇注设备的出液管进行预热；

步骤六：将结晶器喷油管与润滑油油源接通，向结晶器喷油管通入润滑油，保证润滑油均匀的从喷油孔中喷出；

步骤七：将结晶器吹氩管和辅助吹氩管与氩气气源接通，按照设定流量向结晶器吹氩管和辅助吹氩管中通入氩气，保证氩气均匀的从主喷氩孔和副喷氩孔中喷出；

步骤八：启动氩气保护恒流浇注设备，通过氩气进行加压，使铝锂合金熔体以设定流量从出液管流入铝锂合金液导管中，铝锂合金熔体再从铝锂合金液导管的小径端管口流出，并经过盘式过滤网的微孔进入结晶器内套中，直到铝锂合金熔体的液面高度达到设定高度时，启动铸造机，按设定速度控制引锭杆向下移动，此时与结晶器内套和引锭杆接触的铝锂合金熔体已经形成一个凝固壳，当凝固壳移出结晶器内套后，冷却水喷孔中喷出冷却水会直接喷射到凝固壳上，实现铸锭的冷却结晶；

步骤九：在设定速度下以恒速进行铸造，铸造开始阶段，铝锂合金熔体液面的氧化膜很薄，此时铝锂合金熔体液面的振动可见，随着铸造的进行，氧化膜厚度逐渐变厚，直到氧化膜厚度达到稳定，在接下来的铸造过程中，通过调整氩气保护恒流浇注设备的氩气压力对铝锂合金熔体的流量进行调节，以控制铝锂合金熔体液面的高度维持稳定，但需要避免铝锂合金熔体液面产生较大波动；同时，通过盘式过滤网保证铝锂合金熔体的均匀布流，并阻挡尺寸较大的氧化物夹渣进入结晶器内套中，保证铸锭的洁净度；

步骤十：当铸锭达到设定长度时，将氩气保护恒流浇注设备进行泄压，终止铝锂合金熔体的供流，当铸锭上表面即将脱离结晶器内套时，停止冷却水的供应，直到铸锭上部空冷到全部凝固为止，然后停止氩气和润滑油的供应，同时切断电磁线圈的供电，最后快速降低引锭杆，铸造结束。

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