CN110270670A - 一种超声辅助热顶半连铸制备大规格2xxx系铝合金圆锭的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及金属熔炼技术领域，提供了一种超声辅助热顶半连铸制备大规格2XXX系铝合金圆锭的方法。本发明提供的方法包括配料、熔炼、成分调整、熔体净化和超声辅助铸造，在流导槽和结晶器内施加超声振动系统，将超声波的特殊物理效应作用于熔体的净化以及凝固过程中，辅助铝合金熔体的高质量成型；并且本发明更严格限定了原料的配比、纯度和加入形式，对熔炼过程的搅拌方式以及熔体的净化方式进行了改进，进一步保证了铝合金铸锭的纯度以及成分的均匀性，从源头上解决以往技术制造铸锭面临的产品夹杂多、含气量高、成分不均匀等问题。

Description

一种超声辅助热顶半连铸制备大规格2XXX系铝合金圆锭的 方法

技术领域

本发明涉及金属熔炼技术领域，特别涉及一种超声辅助热顶半连铸制备大规格2XXX系铝合金圆锭的方法。

背景技术

高性能铝合金是现代航空航天装备突破本体结构承载能力极限的首选材料，而铝合金构件的大型整体化是现代航空航天器设计制造的发展趋势，大型高品质铸锭的制造能力是后续锻压、轧制等工艺的保证，对航空航天大型构件性能与技术指标的实现具有至关重要的影响。2XXX系铝合金是一种高强度铝合金，应用非常广泛，但是生产难度较大。

目前，国内关于高性能航空铝合金的研制，尤其是大型高品质高强高韧铝合金铸锭的制造与国际先进水平相差较大，尚不能满足我国航空宇航装备的发展需求。其中的首要问题在于现有技术条件尚无法成功稳定化制造大型回转体构件用的、满足技术指标的、直径1m以上的铝合金铸锭，铸锭组织存在不均匀、晶粒粗大、氢含量过高、氧化夹杂多等产品缺陷，严重影响后续回转体构件的成形与加工以及最终产品质量。

热顶半连续铸造是当今世界轻合金加工业中应用较为广泛的大型铸锭的先进制造技术。由于其水冷强度大，铸造速度快，内部组织较均匀、致密，晶粒细小，减少了熔体金属的二次污染，提高了熔体的质量，产品力学性能较高，并且可以进行自动润滑，减少了铸造表面与结晶器壁的摩擦力，提高了铸锭的表面质量，因此该铸造工艺是现阶段生产铝合金铸锭最广泛应用的工艺。但是当铸锭规格尺度较大时，由于空间尺度效应、铸造环境、坯料组分结构、各种制造能场与成形界面的不均匀性与非连续性问题非常突出，熔体凝固区域的温度场与熔体流场分布不均，导致大型铸锭内部应力超限，气孔过多，疏松缩孔较严重，凝固组织、成分在空间分布严重不均匀，铸锭成形成性难度极大，而且对于高合金化的超大型铝合金铸锭制造尤其严重。

针对常规的半连续铸造铸锭成分偏析严重、组织粗大不均匀、心部结晶相富集偏聚等问题，目前铝合金生产企业主要采用施加细化剂细化晶粒组织。然而，随着铸锭规格尺寸的增大，细化剂使用量的增大会造成成本的大幅度提高，使用过程中过少的细化剂达不到最佳细化要求，而过多的细化剂则会造成“中毒”现象，即随着细化剂用量的提高，细化能力达到一定程度后，再增加细化剂并不能进一步提高细化能力，并且过多的细化剂极易形成偏聚，加剧铸锭组织的不均匀程度。

发明内容

本发明目的在于提供一种超声辅助热顶半连铸制备大规格2XXX系铝合金圆锭的方法。本发明提供的方法可以克服现有工艺方式下制造的大规格2XXX系铝合金圆锭组织粗大、组织与成分不均匀、氢含量高、夹杂等缺陷多等问题，实现高品质大规格2XXX系铝合金圆锭的制造。

为了实现上述发明目的，本发明提供以下技术方案：

一种超声辅助热顶半连铸制备大规格2XXX系铝合金圆锭的方法，包括以下步骤：

(1)将2XXX系铝合金原料配料后依次进行熔炼、成分调整和熔体净化，净化后的熔体经过导流槽流入热顶结晶器；在所述导流槽中施加1～4套超声振动系统，所述超声振动系统的辐射杆浸入熔体的深度为1～10mm；

(2)熔体在热顶结晶器中进行凝固和引锭，引锭开始后，在热顶结晶器中施加1～7套超声振动系统，所述超声振动系统的辐射杆浸入熔体的深度为15～480mm；

(3)当铸造长度剩余300～550mm时，将热顶结晶器内的超声振动系统移除，热顶结晶器继续进行引锭，得到大规格2XXX系铝合金圆锭；

所述大规格2XXX系铝合金圆锭的直径≥500mm。

优选的，铝元素的原料为高纯铝、普铝和一级回炉料中的一种或几种；当包括一级回炉料时，一级回炉料的重量为铝原料总重量的30％以下；

熔炼时原料的加入状态为：铜以铝-铜中间合金的方式加入，镁以纯镁形加入，Ti以中间合金或铝钛硼丝的方式加入，其他元素以中间合金方式加入。

优选的，所述熔炼过程中对熔体进行搅拌，所述搅拌包括间隔进行的电磁搅拌和人工搅拌；所述电磁搅拌的次数不低于2次，间隔时间为15～25min，每次搅拌的时间不低于5min；所述人工搅拌的次数不低于3次，间隔时间为30～40min，每次搅拌的时间不低于5min。

优选的，所述熔体净化包括炉内净化和在线净化；所述在线净化具体为在导流槽上设置除气箱和过滤箱，并在导流槽中施加细化剂。

优选的，所述除气箱为双搅拌转子除气箱，除气箱箱体预热温度不低于800℃，除气箱内通入的氩气纯度不低于99.999％，除气箱内压力为0.3～0.5MPa，转子转速为450～500转/分；

所述过滤箱为板式-管式双级过滤箱；所述过滤箱箱体的预热温度不低于800℃，过滤精度不小于40ppm。

优选的，所述熔体净化完成后，熔体内氢含量为0.11mL/100gAl以下。

优选的，所述超声振动系统的施加方式为：将超声振动系统的辐射杆自上而下垂直导入熔体中。

优选的，所述导流槽内的超声振动系统和热顶结晶器中超声振动系统的频率独立地为10～30khz，导流槽内超声振动系统的功率为0.8～2kw，热顶结晶器中超声振动系统的功率为0.8～4kw。

优选的，所述超声振动系统施加前，还包括对所述超声振动系统的辐射杆依次进行表面清理、预热和空载调试；所述预热的温度不低于350℃。

有益效果：

(1)本发明在流导槽中施加超声系统处理铝合金熔体，利用超声波的特殊物理效应进行异质活化及熔体除气，一方面可以降低细化剂用量，在保证产品质量的同时，降低生产成本；另一方面引入超声波除气进一步加强熔体的净化效果，降低铝合金铸锭的氢含量，并且减少现有技术除气工艺产生的环境污染。

(2)本发明在热顶结晶器中布置不同数量的超声波振动系统，通过超声外场的作用下对熔体的宏观温度场、流场、溶质场进行调控，可以有效解决目前大规格圆铸锭中心冷却缓慢导致组织粗大、结晶相富集的问题。进一步的，本发明通过对超声功率、频率、浸入位置、浸入深度等参数的控制，可以最大程度地发挥多个超声波源对铝合金熔体的作用效果，辅助其高质量凝固成形。

(3)进一步的，本发明更严格限定了原料的纯度和加入形式，同时本发明对熔炼过程的搅拌方式以及熔体的净化方式进行了改进，从而进一步保证了铝合金铸锭的纯度以及成分的均匀性，从源头上解决以往技术制造铸锭面临的产品夹杂多、含气量高、成分不均匀等问题。

实施例结果表明：利用本发明的方法能够有效解决大规格2XXX系铝合金圆锭铸造中的各种缺陷问题，提升铸锭品质。

附图说明

图1为本发明超声辅助热顶半连铸制备大规格2XXX系铝合金圆锭的装置结构示意图；其中：1-熔炼炉，2-导流槽，3-熔体，4-除气箱，5-过滤箱，6-热顶保温帽，7-结晶器，8-冷却水，9-结晶器内超声振动系统，10-铸锭，11-引锭装置，12-导流槽内超声振动系统；

图2为实施例1中的超声铸造现场图；

图3为实施例1中普通铸锭和超声铸锭的组织对比图；

图4为实施例2中4组铸锭的心部显微组织图。

具体实施方式

本发明提供了一种超声辅助热顶半连铸制备大规格2XXX系铝合金圆锭的方法，包括以下步骤：

(1)将2XXX系铝合金原料配料后依次进行熔炼、成分调整和熔体净化，净化后的熔体经过导流槽流入热顶结晶器；在所述导流槽中施加1～4套超声振动系统，所述超声振动系统的辐射杆浸入熔体的深度为1～10mm；

(2)熔体在热顶结晶器中进行凝固和引锭，引锭开始后，在热顶结晶器中施加1～7套超声振动系统，所述超声振动系统的辐射杆浸入熔体的深度为15～480mm；

(3)当铸造长度剩余300～550mm时，将热顶结晶器内的超声振动系统移除，热顶结晶器继续进行引锭，得到大规格2XXX系铝合金圆锭；

所述大规格2XXX系铝合金圆锭的直径≥500mm，优选为500～1380mm，更优选为800～1250mm。

本发明将2XXX系铝合金原料配料后依次进行熔炼、成分调整和熔体净化，净化后的熔体经过导流槽流入热顶结晶器。在本发明中，所述配料具体为根据按照合金牌号名义成分规定范围的基本原则配制。在本发明中，铝元素的原料为高纯铝、普铝和一级回炉料中的一种或几种；当对产品铸锭无特殊要求时，本发明优选使用纯度不小于99.85％的普铝和一级回炉料为原料，且原料中一级回炉料的重量为铝原料总重量的30％以下；当对产品铸锭的质量有特殊要求时，优选使用纯度为99.999％以上的高纯铝，且不得使用回炉料。在本发明中，熔炼时各原料的加入状态优选为：铜以铝-铜中间合金的方式加入，优选为Al-50％Cu中间合金；镁以纯镁形加入；Ti以中间合金或铝钛硼丝的方式加入；其他元素以中间合金方式加入，具体根据需要进行选择即可。本发明对配料过程进行控制，可以保证铸锭中成分的均匀性。

配料完成后，本发明将原料进行熔炼。本发明优选将熔炼炉预热到800℃，然后开始投料，本发明优选先加入铝原料进行熔化，然后将温度控制在750～770℃，依次加入Cu、Mn、Si、Mg、Ti等元素的原料；本发明对所述熔炼的时间没有特殊要求，根据需求进行设定即可。

本发明优选在所述熔炼过程中对熔体进行搅拌，所述搅拌优选包括间隔进行的电磁搅拌和人工搅拌，具体为一次人工搅拌、一次电磁搅拌，然后再一次人工搅拌，依次类推；在本发明中，所述电磁搅拌的次数优选不低于2次，相邻两次电磁搅拌的间隔时间优选为15～25min，更优选为20min，每次搅拌的时间优选不低于5min，更优选为5～7min；所述人工搅拌的次数优选不低于3次，间隔时间优选为30～40min，更优选为35min，每次搅拌的时间优选不低于5min，更优选为5～7min；搅拌过程中确保熔体的温度不低于750℃，搅拌过程中优选将铝渣及时清理干净，避免搅拌时搅入熔体内。本发明严格的限定了熔体的搅拌方式，通过人工搅拌和电磁搅拌的间隔进行，可以加速金属的熔解，促进熔体成分、温度均匀，避免局部过热。

熔炼完成后，本发明对熔体进行成分调整，具体为对熔体进行取样分析，然后采用光谱分析方法检测熔体成分含量是否满足设计要求，若不满足，需则补料进行成分调整，待添加金属充分熔化与搅拌之后再进行二次取样，并判定成分是否合格，若不满足则继续按此步骤执行，直至满足要求。在本发明中，所述熔体的取样位置优选为炉内中心位置的1/2深度处。

成分调整完成后，本发明对调整后的熔体进行净化，所述熔体净化优选包括炉内净化和在线净化；在本发明中，所述炉内净化优选采用精炼管进行，精炼气体采用惰性气体，精炼管深入熔体底部，并平稳、缓慢移动确保每处都精炼到，以消除死角。

在本发明中，所述在线净化优选为具体为在导流槽上设置除气箱和过滤箱，并在导流槽中施加细化剂；对熔体进行炉内净化后，熔体从熔炼炉中流入导流槽中，依次通过除气箱和过滤箱；在本发明中，所述除气箱优选为双搅拌转子除气箱，该除气箱利用旋转喷嘴惰性气体浮选法原理进行除气，在可加热保温的除气箱中将氩气通入旋转喷嘴进而喷入铝熔体中，通过喷嘴的高速旋转，氩气分散成微小气泡，对熔体进行搅拌，在上浮的过程中可以起到除气、除渣等作用。在本发明中，除气箱箱体预热温度优选不低于800℃，更优选为800～850℃，除气箱内通入的氩气纯度优选不低于99.999％，除气箱内压力优选为0.3～0.5MPa，更优选为0.4MPa，转子转速优选为450～500转/分，更优选为480转/分。在本发明中，所述过滤箱优选为板式-管式双级过滤箱；所述过滤箱箱体的预热温优选度不低于800℃，更优选为800～850℃，过滤精度优选不小于40ppm。

在本发明中，所述细化剂优选通过送线机构加入到导流槽内的熔体中，在具体实施过程中，优选将细化剂丝绕在送线机构的转轮上，通过转轮旋转速度控制细化剂的添加量；在本发明中，所述细化剂优选为铝钛硼丝细化剂，细化剂的添加量优选为1～4kg/t铝，更优选为1.5kg/t铝。

在本发明中，所述导流槽内施加有1～4套超声波振动系统，优选为2～3套；所述超声波振动系统优选施加在导流槽靠近结晶器口处，熔体自熔炼炉流出后依次经过除气箱、过滤箱和超声振动系统；在本发明中，所述超声振动系统优选由超声换能器、变幅杆及辐射杆组成，其中换能器与超声波电源连接产生超声振动，变幅杆放大振幅，辐射杆则与作用对象直接接触发射超声波；所述辐射杆的长度优选为490mm。在本发明中，所述导流槽内超声振动系统的辐射杆浸入熔体的深度为1～10mm，优选为2～8mm，进一步优选为3～5mm；所述超声振动系统的频率优选为10～30kHz，更优选为15～25kHz，功率优选为0.8～2kW，更优选为1～1.5kW；当在导流槽内施加多套超声振动系统时，多套超声振动系统优选在靠近结晶器口处水平并列放置，相邻超声振动系统的距离优选为150mm。

本发明优选在熔体在导流槽内流动稳定后再施加超声振动系统，施加方式为将超声振动系统的辐射杆自上而下垂直导入熔体中。超声振动施加前，本发明还优选对所述超声振动系统的辐射杆依次进行表面清理、预热和空载调试；本发明对所述表面清理没有特殊要求，能够将辐射杆表面的杂质清理干净即可；所述预热的温度优选不低于350℃，更优选为360～400℃；本发明通过空载调试确保超声振动系统的辐射杆端面振幅输出≥15微米。

本发明在导流槽内施加超声振动系统，能够利用超声波的特殊物理效应对熔体进行异质活化，并且也能够起到对熔体进行在线除气的作用，超声振动系统与细化剂对熔体进行协同处理，可以降低细化剂用量，在保证产品质量的同时，降低生产成本，加强熔体的净化效果，进一步降低铝合金铸锭的氢含量，并且减少现有技术除气工艺产生的环境污染。

本发明采用炉内净化、在线净化和超声波振动系统相结合，可以确保进入热顶结晶器的熔体内氢含量在0.11mL/100gAl以下。

熔体流入热顶结晶器后，在热顶结晶器中进行凝固和引锭，引锭开始后，本发明在热顶结晶器中施加超声振动系统(具体施加在热顶结晶器的结晶器熔池内)，所述超声振动系统的辐射杆浸入熔体的深度为15～480mm，优选为20～450mm，更优选为50～400mm，进一步优选为100～350mm；在本发明中，所述热顶结晶内超声振动系统频率优选为10～30kHz，更优选为15～25kHz，功率优选为0.8～4kW，更优选为1～3.5kW，进一步优选为1～2kW。

在本发明中，所述热顶结晶器中超声系统的施加量为1～7套，优选为2～6套，更优选为3～5套；在具体实施时，优选根据目标铸锭的直径确定超声振动系统的施加量，具体为：直径≤Φ650mm，施加1～3套；Φ650～Φ850mm，施加1～4套；Φ850～Φ1000mm，施加1～5套；Φ1000～Φ1380mm，施加1～7套；当施加1套超声系统时，为单源超声，超声系统优选施加在热顶结晶器的中心位置；当施加多套超声时，为多源超声，超声振动系统以结晶器中心为轴进行对称分布，具体的角度可根据铝合金铸锭的规格进行调整；在本发明中，多源超声作用范围广，更加直接，如对铸锭的主要要求是组织细化，则适用于多源超声；单源超声声场简单、对熔体作用均匀、可控性强，如对铸锭均匀性要求高，则适用于单源超声；在本发明的具体实施例中根据对铸锭质量的不同要求选择单源超声或多源超声即可。

在本发明中，在结晶器中施加超声振动系统前，还优选包括对辐射杆进行清理和预热，预热的温度和上述方案相同，在此不再赘述。

本发明对所述热顶结晶器的结构没有特殊要求，使用本领域技术人员熟知的热顶结晶器即可。在本发明中，所述热顶结晶器包括热顶保温帽、结晶器、引锭装置和冷却水系统，熔体进入热顶结晶器中后先经冷却水系统初步冷却凝固成壳体，然后随着引锭装置的向下牵引，凝固壳体向下移动经冷却水直接喷淋二次冷却进一步凝固，形成铸锭。本发明在引锭开始后施加超声振动系统，施加方式和上述方案一致，且辐射杆浸入熔体时需要保证结晶器内熔体液面平稳；本发明优选在引锭开始后，铸锭长度为200mm时施加超声振动系统。

在超声施振处理铝合金熔体的全程中，本发明通过超声电源系统的自动跟踪与调节功能保证超声波参数的稳定性，作业过程中不得干扰超声振动系统，避免超声波参数的扰动及铝液的波动。

本发明对所述结晶器内熔体的铸造温度、铸造速度、喷淋水压以及冷却水流量等均无特殊要求，根据具体情况进行设置即可。

本发明在结晶器中施加超声振动系统，通过超声外场的作用下对熔体的宏观温度场、流场、溶质场进行调控，辅助铸锭高质量的凝固成型，可以有效解决目前大规格圆铸锭中心冷却缓慢导致组织粗大、结晶相富集的问题。

当铸造长度剩余300～550mm，本发明将热顶结晶器内的超声振动系统移除，热顶结晶器继续进行引锭，得到大规格2XXX系铝合金圆锭；在本发明的具体实施例中，优选根据铸锭的直径规格确定移除超声振动系统时铸造的剩余长度，如铸锭直径为500～800mm，则优选在铸造剩余300～350mm时移除超声振动系统，如铸锭直径为800～1200mm，则优选在铸造剩余350～450mm时移除超声振动系统，如铸锭直径为1200～1380mm，则优选在铸造剩余450～550mm时移除超声振动系统。移除超声振动系统时，优选先关闭超声波电源，然后利用升降台将超声振动系统缓慢升起，移至安全区域，移动过程中需平稳，避免造成铝液的波动和氧化膜的卷入，移除的超声振动系统应继续通气冷却并及时将辐射杆表面清理干净。

在本领域中，铸造好的铸锭要在使用前要去除头尾部质量较差的部分，本发明在铸造过程中需保证超声作用条件下形成铸锭的长度更长，从而缩短头尾部的切除长度；但是另一方面，在铸造结束前结晶器内液位逐渐下降，表面氧化膜会覆盖在超声辐射杆上，影响超声的移除或者在移除过程中掉入铝液中影响质量，甚至超声移除过晚会造成铸锭最终收尾成形出现问题，造成巨大安全隐患。本发明在铸造长度剩余300～550mm时将超声振动系统移除，可以保证铸锭最尾端的成形，且能尽可能延长在超声作用下形成的铸锭长度，同时还可以保证超声移除的便利性。

图1为本发明超声辅助热顶半连铸制备大规格2XXX系铝合金圆锭的装置结构示意图，下面结合图1说明本发明方法的具体流程：合金原料在熔炼炉1中进行熔炼，经过成分调整和炉内净化后，熔体3流入导流槽2中，依次通过除气箱4和过滤箱5，熔体在导流槽内稳定流动后，在导流槽2接近结晶器7入口处施加超声振动系统12，熔体经超声振动系统作用后流入结晶器7(结晶器7上端为热顶保温帽6)中，在冷却水8的作用下初步冷却凝固成壳体，壳体在引锭装置11的作用下向下牵引，引锭开始后在热顶结晶内施加超声振动系统9，在超声作用下进行引锭，在铸锭长度剩余450～550mm后，移除超声振动系统9，继续引锭，得到铸锭10。

下面结合实施例对本发明提供的方案进行详细的说明，但是不能把它们理解为对本发明保护范围的限定。

实施例1

Φ650mm，长度为3000mm的2219铝合金超声波半连续铸造

1.铸造过程

1)铸造前调试与准备

检测20吨铸造设备，确保①熔炉部分确保加热装置、电磁搅拌装置和倾炉动力装置正常；②导流槽及在线除气除杂部分主要排查加热装置是否正常，旋转喷头是否正常可用，过滤板损耗是否严重，细化剂送丝机是否正常运行，确保导流槽清理干净无铝渣等；③结晶器部分：热顶帽及石墨结晶器损耗是否严重需要更换，引锭装置是否正常，确保油气润滑系统、冷却水系统正常等。

2)合金配比与熔炼

首先将纯铝锭投入炉中，开启加热设备将炉温升至750℃保温确保铝锭完全熔化，然后分批逐步加入Al-50％Cu中间合金、纯镁以及其他金属元素的中间合金，待全部熔化后，配合扒渣与搅拌，经电磁(2次，每次搅拌5min，间隔时间为25min)与人工搅拌(3次，每次搅拌5min，间隔时间为30min)后取样测成分，后根据成分测试结果选择补料或冲淡，精炼完成后静置30min出炉，合金成分范围见表1。

表1铝合金合金元素配比表(质量分数，％)

3)熔体在线除气与除杂

在熔炼炉与结晶器之间的导流系统中设置在线除气与过滤装置，在导流槽靠近结晶器口处设置一套超声振动系统(提前清理并预热至300℃)，辐射杆浸入熔体的深度为20mm，超声电源频率为15kHz，超声功率为0.5kW。除气采用采用双搅拌转子除气，除气箱体预热温度为800℃，通入的氩气纯度不低于99.999％，压力为0.4MPa，转子转速450转/分；采用板式与管式结合的双级过滤方式，过滤箱箱体体预热温度为800℃，最终过滤精度不小于40ppm。

4)铸造参数

铸造过程中主要铸造工艺参数为：铸造温度710℃，铸造速度24mm/min，喷淋水压45Pa，冷却水流量320L/min。

5)超声铸造

在半连续铸造过程中对一根铸锭的后半段进行超声处理，最终对比铸锭两个区段的组织，具体超声辅助铸造实验步骤如下：

预热导流槽、结晶器内壁及超声辐射杆。待温度稳定后打开炉口倾斜熔炉进行浇注，打开结晶器冷却水，待铝液流入结晶器内一定高度后，启动引锭装置，同时打开二冷水喷淋系统，此时引锭板下移带动铸锭下拉，半连续铸造开始，当铸锭长度为1400mm时，从结晶器上方垂直加入3套近似对称分布的超声振动系统并施振(铸造现场图如图2所示)，超声辐射杆浸入熔体深度为200mm左右，距离心部的距离约150mm，超声电源频率为20kHz，超声功率为3.5kW，直至铸造长度剩余400mm时将超声振动系统移除，得到铝合金铸锭，其中所得铸锭上半段(0～1400mm)为普通铸锭，下半段(1400～3000mm)为超声铸锭。

2.组织分析

超声铸锭和普通铸锭的组织对比图如图3所示，其中图(I-O)为普通铸锭心部晶粒组织图，图(I-A)为普通铸锭边部晶粒组织图，图(II-O)为超声铸锭心部晶粒组织图，图(II-A)为超声铸锭边部晶粒组织图；

根据图3可以看出，超声铸锭组织明显细化，普通铸锭心部晶粒组织(图I-O)为发达的柱状枝晶，二次枝晶较发达，晶粒尺寸为460μm左右，边部(图I-A)将近300μm；超声铸锭心部组织(图II-O)为圆整的等轴状枝晶，晶粒尺寸约为340μm；边部多为细小等轴晶(图II-A)，分布更加弥散、均匀，晶粒尺寸为205μm。

实施例2

采用4种工艺参数分别铸造了Φ1250mm，2219系铝合金圆锭，具体工艺如下：

(一)铸锭I是普通铸锭，常规铸造方式，采用人工搅拌、炉内净化、不施加超声；采用99.85％的普通纯铝为原料；

(二)铸锭II和铸锭I相比：①优化了熔炼过程搅拌工艺，采用人工+电磁搅拌，②加强了熔体净化处理，采用炉内净化和在线净化的双级净化方式；采用99.85％的普通纯铝为原料；

(三)铸锭III和铸锭I相比：①优化了熔炼过程搅拌工艺，采用人工+电磁搅拌，②加强了熔体净化处理，采用双级净化，③在导流槽内增加1套超声振动，结晶内增加4套超声振动系统，超声频率20kHz，深度100mm，功率1000w，距离心部300mm，以结晶器圆心成对称分布；采用99.85％的普通纯铝为原料；

(四)铸锭IV和铸锭I相比：①提高了原材料纯度，采用高纯铝(99.999％以上)替代普通纯铝(99.85％)，降低了Fe，Si等杂质含量，②优化了熔炼过程搅拌工艺，采用人工+电磁搅拌，③加强了熔体净化处理，采用双级净化，④在导流槽和结晶器内增加了超声振动，施加数量和方式与(三)中一致。

其中(一)～(四)涉及到的过程的具体操作方法以及铸造参数等和实施例1一致，仅改为在铸造长度为200mm时施加超声振动系统。

表2是四组铸锭的成分配表，IV组主要采取高纯铝锭替代普通纯铝。

表2四组铸锭合金成分配比表

质量分析：

表3是四组铸锭的质量分析情况，I组铸锭最大晶粒度达4级，靠近表皮部分区域有微裂纹，铸锭心部含有大量网络状结晶相和针状相，液态氢含量为0.098ml/100gAl。I组铸锭组织粗大，心部结晶相粗大切存在脆性针状相，表皮有缺陷，铸锭质量一般；II组晶粒度最大为3级，无裂纹等缺陷，心部含有少量结晶相和针状相，氢含量降低，质量提高；III组增加超声振动，晶粒度最大为2级，心部含有少量结晶相，几乎无针状相，氢含量降低为0.068ml/100g，质量进一步提高。IV组无针状相，氢含量进一步降低，质量最好。

表3四组铸锭质量分析

显微组织分析：

图4是四组铸锭心部的显微组织，其中(a)(b)(c)(d)分别为铸锭I、II、III、IV的显微组织；标尺为20μm。

从图4中可以看出，I组铸锭存在粗大网络状Al-Cu结晶相(白色)和针状Al₇Cu₂Fe相(如图中箭头标识)，II组网络状与针状相减小，III组结晶相厚度显著减少，但仍存在含铁相，IV组无针状相含铁相。

化学成分检测：

表4是四组铸锭化学成分最大偏差检测结果，I组Cu元素最大偏差为0.62％，表示Cu元素沿铸锭径向检测，最大偏差量是6.2％，数值越低说明成分分布越均匀。对比可发现IV组成分最均匀。

表4表化学成分最大偏差检测结果(％)

序号	Si	Fe	Cu	Mn	Mg	Zn	V	Zr
									I	0.001	0.01	0.62	0.01	0.007	0.01	0.01	0.01
II	0.01	0.01	0.51	0.01	0.02	0.01	0.02	0.02
									III	0.02	0.02	0.47	0.01	0.002	0.02	0.01	0.01
IV	0.004	0.02	0.43	0.02	0.000	0.01	0.02	0.01

由实施例2的结果可以看出，和普通铸锭相比，本发明通过对搅拌过程以及净化过程进行控制，能够细化晶粒组织、提高组织的均匀性、降低氢含量高，提高铸锭质量；增加超声振动系统后，铸锭质量明显进一步提高，并且使用高纯铝为原料的情况下铸锭质量最好。因此，本发明通过不断优化铸造工艺，铸锭质量不断提高，采用本发明的铸造方法可以获得高质量的2XXX系铝合金铸锭。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种超声辅助热顶半连铸制备大规格2XXX系铝合金圆锭的方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)将2XXX系铝合金原料配料后依次进行熔炼、成分调整和熔体净化，净化后的熔体经过导流槽流入热顶结晶器；在所述导流槽中施加1～4套超声振动系统，所述超声振动系统的辐射杆浸入熔体的深度为1～10mm；

(2)熔体在热顶结晶器中进行凝固和引锭，引锭开始后，在热顶结晶器中施加1～7套超声振动系统，所述超声振动系统的辐射杆浸入熔体的深度为15～480mm；

(3)当铸造长度剩余300～550mm时，将热顶结晶器内的超声振动系统移除，热顶结晶器继续进行引锭，得到大规格2XXX系铝合金圆锭；

所述大规格2XXX系铝合金圆锭的直径≥500mm。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，铝元素的原料为高纯铝、普铝和一级回炉料中的一种或几种；当包括一级回炉料时，一级回炉料的重量为铝原料总重量的30％以下；

熔炼时原料的加入状态为：铜以铝-铜中间合金的方式加入，镁以纯镁形加入，Ti以中间合金或铝钛硼丝的方式加入，其他元素以中间合金方式加入。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述熔炼过程中对熔体进行搅拌，所述搅拌包括间隔进行的电磁搅拌和人工搅拌；所述电磁搅拌的次数不低于2次，间隔时间为15～25min，每次搅拌的时间不低于5min；所述人工搅拌的次数不低于3次，间隔时间为30～40min，每次搅拌的时间不低于5min。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述熔体净化包括炉内净化和在线净化；所述在线净化具体为在导流槽上设置除气箱和过滤箱，并在导流槽中施加细化剂。

5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述除气箱为双搅拌转子除气箱，除气箱箱体预热温度不低于800℃，除气箱内通入的氩气纯度不低于99.999％，除气箱内压力为0.3～0.5MPa，转子转速为450～500转/分；

所述过滤箱为板式-管式双级过滤箱；所述过滤箱箱体的预热温度不低于800℃，过滤精度不小于40ppm。

6.根据权利要求1、4或5所述的方法，其特征在于，所述熔体净化完成后，熔体内氢含量为0.11mL/100gAl以下。

7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述超声振动系统的施加方式为：将超声振动系统的辐射杆自上而下垂直导入熔体中。

8.根据权利要求1或7所述的方法，其特征在于，所述导流槽内的超声振动系统和热顶结晶器中超声振动系统的频率独立地为10～30kHz，导流槽内超声振动系统的功率为0.8～2kW，热顶结晶器中超声振动系统的功率为0.8～4kW。

9.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述超声振动系统施加前，还包括对所述超声振动系统的辐射杆依次进行表面清理、预热和空载调试；所述预热的温度不低于350℃。