CN110280746A - 一种单源高强超声辅助铸造大规格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，提供了一种单源高强超声辅助铸造大规格2XXX系铝合金圆锭的方法，本发明在引锭过程中，在热顶结晶器中心施加单源高强超声振动系统，将超声直接作用于结晶器中心部位，通过控制超声振动系统的功率为熔体提供足够的超声场能量，使铝合金凝固过程在超声作用下进行，促进铸锭组织和成分的均匀化，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，同时避免了多源超声耦合作用时操作难度大、工作量大的问题；本发明使用的超声源数量少、操作方便、节省成本，能够有效提高生产效率。

Description

一种单源高强超声辅助铸造大规格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，特别涉及一种单源高强超声辅助铸造大规格2XXX系铝合金圆锭的方法。

背景技术

航空航天结构件中作为主承力结构件的铝合金环形件、筒形件受力状态复杂、综合性能及尺寸精度要求高，目前国内外高性能铝合金环件/筒件制备的工艺方案主要采用整体制造，因此高品质原始铸锭的制备技术至关重要，原始坯料中微观缺陷或组织的不均匀会遗传到后续引起的环件/筒件性能的差异。尤其目前我国航空航天结构件朝着大型化发展，所需要的圆锭直径较大，而随着铝合金圆铸锭直径的增大，铸造过程中问题矛盾也更加突出，如由于大空间尺度效应、非平衡凝固环境以及坯料组分结构与成形界面的不均匀性问题导致的熔体温度场与流场分布极度不均匀，最终造成铸锭组织与元素分布极度不均匀；尤其铸锭芯部冷却缓慢，容易形成粗大的凝固组织及网络状AlCu共晶相，并且容易形成疏松、气孔等缺陷。

针对常规的半连续铸造铸锭内外温差大，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、优化铸造工艺参数如浇注温度、浇注速度、冷却水流量等弱化偏析、细化组织；部分科研院所、高校采用电磁等物理场作用于凝固过程调控组织和成分均匀性。

但是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，即随着细化剂含量提高，细化能力达到一定程度后，含量的提高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。而电磁搅拌系统主要通过在模具外围安装电磁装置通过电磁力引起金属熔体的宏观流动，从而促进熔体温度场的均匀性，针对不同的模具需要定制、安装不同规格的电磁搅拌系统，耗费巨大，并且不同规格的铸锭所采用的电磁搅拌工艺参数需要调试优化，过强的搅拌能力可能造成铸造时金属铝液的泄露，引发安全事故。

另外超声辅助铸造技术也开始应用于大规格铝合金铸锭的生产，而且大尺寸的铸锭凝固通常需要更高的超声能量，因此需要多组超声共同作用，多个超声振动源的应用需要针对性的优化布控，对不同频率、功率、相位差以及超声距离位置等参数之间的相互协调与匹配优化过程很复杂，工作量较大。

发明内容

本发明目的在于提供一种单源高强超声辅助铸造大规格2XXX系铝合金圆锭的方法，本发明提供的方法采用一个超声振动源在结晶器中心位置处理熔体，操作方便，节省成本，生产效率高。

为了实现上述发明目的，本发明提供以下技术方案：

一种单源高强超声辅助铸造大规格2XXX系铝合金圆锭的方法，包括以下步骤：

2XXX系铝合金的熔体流入热顶结晶器中进行凝固和引锭，引锭开始后，在热顶结晶器的结晶器中心施加1套超声振动系统，铸造临近结束时，将超声振动系统移除，得到大规格2XXX系铝合金圆锭；

所述超声振动系统的功率为2～4kw；

所述大规格2XXX系铝合金圆锭的直径≥500mm。

优选的，所述大规格2XXX系铝合金圆锭的直径为500～1380mm。

优选的，所述超声振动系统包括超声换能器、变幅杆及辐射杆，所述辐射杆的长度为490mm。

优选的，所述超声振动系统的辐射杆浸入熔体的深度为15～480mm。

优选的，所述超声振动系统的频率为15～30khz。

优选的，所述超声振动系统的施加方式为将辐射杆自上而下垂直导入熔体中。

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进行预热；所述预热的温度不低于350℃。

本发明提供了一种单源高强超声辅助铸造大规格2XXX系铝合金圆锭的方法，本发明在引锭过程中，在热顶结晶器中心施加单源高强超声振动系统，将超声直接作用于结晶器中心部位，通过控制超声振动系统的功率为熔体提供足够的超声场能量，使铝合金凝固过程在超声作用下进行，促进铸锭组织和成分的均匀化，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，同时避免了多源超声耦合作用时操作难度大、工作量大的问题；本发明使用的超声源数量少、操作方便、节省成本，能够有效提高生产效率。

附图说明

图1为本发明单源高强超声辅助铸造大规格2XXX系铝合金圆锭的装置示意图；其中，1-熔炼炉，2-导流槽，3-铝熔体，4-热顶保温帽，5-结晶器，6-冷却水，7-超声振动系统，8-铝锭，9-引锭板；

图2为实施例1中施加超声后的铸造现场图；

图3为实施例1中普通铸锭和超声铸锭的低倍检测结果；

图4为实施例1中普通铸锭和超声铸锭径向从心部到边部的低倍组织图；

图5为实施例1中普通铸锭和超声铸锭的径向Cu含量分布；

图6为实施例1中普通铸锭和超声铸锭不同位置的结晶相对比图。

具体实施方式

本发明提供了一种单源高强超声辅助铸造大规格2XXX系铝合金圆锭的方法，包括以下步骤：

2XXX系铝合金的熔体流入热顶结晶器中进行凝固和引锭，引锭开始后，在热顶结晶器的结晶器中心施加1套超声振动系统，在超声振动系统作用下进行引锭，铸造临近结束时，将超声振动系统移除，得到大规格2XXX系铝合金圆锭。

在本发明中，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600～1250mm。

本发明对所述2XXX系铝合金的熔体的制备方法没有特殊要求，使用本领域技术人员熟知的方法进行制备即可。在本发明的具体实施例中，所述2XXX系铝合金的熔体的制备过程优选包括配料、熔炼、成分调整和净化处理。

在本发明中，所述配料根据按照合金牌号名义成分规定范围的基本原则配制即可，配料时使用的合金原料包括纯铝、铝-铜中间合金以及其他元素的中间合金等，具体种类根据目标合金铸锭的成分进行选择即可。

在本发明中，所述熔炼过程中优选首先将纯铝锭投入炉中，将炉温升至750℃保温至铝锭完全熔化，然后分批逐步加入其他金属，待全部熔化后，进行扒渣与搅拌。

在本发明中，所述成分调整具体为在合金原料全部熔化后取样测成分，根据成分测试结果选择补料或冲淡，以确保熔体成分含量满足设计要求，成分调整完成后静置一段时间出炉。

在本发明中，所述净化处理优选包括在线除气和除杂，具体为在熔炼炉与结晶器之间的导流槽中设置在线除气与过滤装置。在本发明中，所述除气优选采用旋转喷嘴惰性气体浮选法(简称SNIF熔体净化法)，具体为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，增强传质传热，在上浮的过程中可以起到除气、除渣等作用。在本发明中，所述过滤除杂优选采用泡沫陶瓷过滤箱进行，过滤箱内的海绵状陶瓷过滤片主要由氧化铝和氧化铬等材料制成，泡沫陶瓷过滤净化原理属于深层过滤机制，过滤能力大，适用于连续铸造和铸轧生产中的过滤净化；在本发明的具体实施例中，还优选在导流槽中施加细化剂，以进一步净化熔体，细化晶粒；本发明对所述细化剂的种类没有特殊要求，使用本领域技术人员熟知的细化剂即可。本发明对所述除气和过滤的具体操作参数没有特殊要求，根据本领域人员熟知的方法进行操作即可。

此外，熔炼过程还应严格控制熔炼时间、化学成分，在保证合金完全熔化的前提下，尽量缩短工时，减少烧损。

2XXX系铝合金的熔体流入热顶结晶器中进行凝固和引锭，引锭开始后，在热顶结晶器的结晶器中心施加1套超声振动系统，铸造临近结束时，将超声振动系统移除，得到大规格2XXX系铝合金圆锭。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、引锭板和冷却水系统(结构如图1所示)，熔体在熔炼炉中熔炼后，自导流槽进入热顶结晶器中，在热顶结晶器中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，施加方式优选为将辐射杆自上而下垂直导入熔体中，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，所述超声振动系统的辐射杆浸入熔体的深度为15～480mm，优选为50～450mm，进一步优选为100～400mm，所述超声振动系统的频率优选为10～30khz，更优选为18～28kHz，进一步优选为19～21kHz，功率优选为2～4kw，更优选为2.5～3.5kw。本发明将超声振动系统的频率和功率控制在上述范围内，可以为熔体提供足够的超声场能量，促进铸锭组织和成分的均匀化。

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预热；所述预热的温度优选不低于350℃，更优选为400～450℃；预热前，本发明还优选包括对辐射杆表面进行清理，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；预热后，本发明还优选包括对所述超声振动系统进行空载调试，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。

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。

铸造临近结束时，本发明将热顶结晶器内的超声振动系统移除，在本发明的具体实施例中，超声振动系统的具体移除时间可以根据铸锭的规格以及结晶器内熔体的剩余高度进行确定，能够保证铸锭顺利收尾成型即可。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。

本发明在热顶结晶器中心施加单源超声振动系统，超声振动引起的空化、声流、搅拌等效应作用于铝熔体内部，能够加速熔体的传热与对流，促进凝固温度场、流场的均匀，最终达到控制铸锭组织与成分均匀的目的。

在本发明中，结晶器中超声的作用按照作用位置可划分为两部分，分别为对熔池中液态金属区和固液混合区的作用。在液态金属区，超声振动产生的空化作用首先具有除气除杂的效果。金属熔体中往往存在许多亚微观不溶性固体异质颗粒物(如氧化物，碳化物，氮化物等)，在实际生产中，晶核优先依附于这些异质颗粒表面形成，但通常情况下，由于异质颗粒表面存在的一些窄裂缝、凹槽、凸台、裂纹等表面缺陷使得大部分异质颗粒处于惰性状态，并未成为有效异质核心参与形核。而在高强超声的空化作用下，空化泡溃灭的冲击压力连续不断的冲击颗粒表面，起到清洗异质颗粒表面的作用；空化泡在振荡过程中将伴随着一系列二阶现象发生,如使液体本身产生环流，它可使振动气泡表面处存在很高的速度梯度和粘滞应力，促使清洗件表面污物的破坏和脱落；同时超声空化产生的高速微射流能够除去或削弱固体表面边界污层，深入颗粒表面的空穴、凹槽、狭缝和微孔中，提高异质颗粒的润湿性；此外超声振动也能引起金属液中异质颗粒的强烈振动，也能增大其在液态金属中的润湿性。总之施加超声场对这些异质颗粒具有强烈的活化作用，能够把他们转变为有效晶核参与到凝固形核过程。另外超声的声流作用可带动熔池流场的扰动，一方面促进温度场的均匀分布，另一方面可将活化的异质颗粒均匀分散到不同部位，促进熔池内温度场、流场及凝固组织的均匀性。

在固液混合区(即凝固前沿区域)，当超声深度不断增大使得超声空化作用可直接作用于凝固前沿时，超声空化产生的微射流及高频振动可对初生枝晶及二次枝晶臂起到冲击与振动作用，极有可能造成二次枝晶臂在颈部脱落，脱落下来的游离枝晶伴随着超声声流的搅拌作用，更容易在熔池内均匀地分布，从而增加形核核心，细化凝固组织。同时超声振动作为一种振动能量作用于固液共存区时，也能引发初生结晶体的同频共振从而使得大量生长到某一尺寸的初生晶共同振动，抑制晶体的进一步长大，促进晶粒组织的均匀，最终起到细化晶粒、降低心部组织合金元素含量及抑制粗大结晶相富集的作用。

本发明在结晶器中心施加单源高强超声系统，使用的超声源数量少、操作方便、节省成本，能够在保证铸锭质量的基础上，有效解决以往技术操作控制难度大的问题，提高生产效率。

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

Φ1100mm，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，倾炉动力装置正常；②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

熔炼过程需严格控制熔炼时间、化学成分，在保证合金完全熔化的前提下，尽量缩短工时，减少烧损。具体操作是首先将纯铝锭投入炉中，开启加热设备将炉温升至750℃保温一定时间确保铝锭完全熔化，然后分批逐步加入其他金属，待全部熔化后，配合扒渣与搅拌，经电磁与人工搅拌后取样测成分，后根据成分测试结果选择补料或冲淡，精炼完成后静置10min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)铝液在线除气与除杂

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。除气采用旋转喷嘴惰性气体浮选法(简称SNIF熔体净化法)。过滤除渣采用泡沫陶瓷过滤方法。

4)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，当利用铸锭长度为1500mm时，从结晶器中心上方垂直加入1套超声振动系统并施振，超声辐射杆浸入铝液深度为200mm左右，频率30khz，功率4kw，铸造临近结束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(0～1500mm)为普通铸锭，下半段(1500～3000mm)为超声铸锭。

本实施例使用的装置的示意图如图1所示，图1右侧为超声振动系统在结晶器内的施加位置示意图，r代表结晶器半径；施加超声后的铸造现场图如图2所示。

2、组织分析

图3是普通铸锭和超声铸锭的低倍检测结果，由图3中可以看出超声铸锭晶粒度降低，组织变得细小，分布均匀，铸锭中心大约为2.5级；普通铸锭心部为4级。进一步放大图见图4，图4中(a)为普通铸锭径向从心部到边部低倍组织图，(b)超声铸锭径向从心部到边部低倍组织图；由图4可以明显看出普通铸锭心部组织粗大。

图5是普通铸锭与超声铸锭径向Cu含量分布曲线，其中(a)为普通铸锭，(b)为超声铸锭；由结果可知超声铸锭分布均匀，经计算可知普通铸锭Cu元素径向最大偏析率为7％，超声铸锭的为5％，说明超声铸锭偏差较小，成分均匀。

图6为普通铸锭与超声铸锭不同位置的结晶相对比图，其中R表示铝合金圆锭的半径由图6可发现超声铸锭结晶相组织细小，均匀；普通铸锭晶间结晶相粗大、呈现网络状分布。

由以上实施例可以看出，本发明在热顶结晶器中心施加单源高强超声振动系统，可以促进铸锭组织和成分的均匀化和晶粒细化，得到高品质的铝合金铸锭，并且本发明使用的超声源数量少、操作方便、节省成本，能够有效解决多源超声耦合作用时操作控制难度大的问题，提高生产效率。

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 (7)

1.一种单源高强超声辅助铸造大规格2XXX系铝合金圆锭的方法，其特征在于，包括以下步骤：

2XXX系铝合金的熔体流入热顶结晶器中进行凝固和引锭，引锭开始后，在热顶结晶器的结晶器中心施加1套超声振动系统，铸造临近结束时，将超声振动系统移除，得到大规格2XXX系铝合金圆锭；

所述超声振动系统的功率为2～4kw；

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，所述大规格2XXX系铝合金圆锭的直径为500～1380mm。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述超声振动系统包括超声换能器、变幅杆及辐射杆，所述辐射杆的长度为490mm。

4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述超声振动系统的辐射杆浸入熔体的深度为15～480mm。

5.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频率为15～30khz。

6.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辐射杆自上而下垂直导入熔体中。

7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述超声振动系统施加前，还包括对所述超声振动系统的辐射杆进行预热；所述预热的温度不低于350℃。