CN111230059A - 一种铝合金及铝基复合材料连铸连轧工艺设备及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种铝合金及铝基复合材料连铸连轧工艺设备及方法，利用磁搅拌装置在真空条件下对铝熔体进行除气精炼，极大程度的降低了合金液体的含氢量水平；通过母熔体和辅助熔体混合比例的精准控制，解决了难变形合金以及铝基复合材料的引锭以及初轧杆坯断裂的技术屏障。发明通过真空除气工艺方法可实现铝合金含氢量≤0.10ml/100g，采用连续磁搅拌技术从根本上解决了颗粒增强铝基复合材料因增强体沉降问题无法利用普洛佩斯工艺实现连铸连轧杆材制造的技术难题，为难变形铝合金以及铝基复合材料杆材及线材的制造开辟了一条新路。
Description
技术领域
本发明涉及铝合金及铝基复合材料连铸连轧技术领域，具体是一种铝合金及铝基复合材料连铸连轧工艺设备及方法。
背景技术
铝基复合材料杆材具有高的比强度、比模量以及良好的疲劳性能诸多优点，在航空航天、轨道交通、汽车制造以及电子通讯等领域具有广泛的应用前景。传统的铝基复合材料杆材的制造是通过搅拌铸造、粉末冶金或者喷射沉积的工艺方法形成铸坯，在通过挤压的方式成型杆材用于制造高性能连接件及其焊接丝材。这种工艺方法存在的问题是产品制造周期长、铸坯晶粒尺寸大，采用喷射沉积的锭坯制造成本高，在挤压过程经常会带来材料的内部损伤影响产品的可靠性。因此行业迫切需要有一种工业化规模化的杆材制造方法实现铝基复合材料杆材以及线材的制造。
以直径Φ9.5mm为代表的铝合金杆材的制造工艺主要有以下三种：半连续铸造—挤压法、连铸连轧法和水平连铸连拉法三种方法。半连续铸造挤压法是通过连铸出的铸锭经过后续挤压加工形成杆材，这种工艺技术可以实现铝合金包括难变形铝合金和铝基复合材料杆材的制造，但是该工艺制造周期长并且在挤压过程中造成复合材料不可预见的损伤成为杆材制造的亟待解决的问题；水平连铸连拉法是通过一个结晶器从金属熔池中直接抽拉出所需要的杆材，该工艺材料晶粒尺寸大，吸气严重，表面质量差，对于高端制造杆材的生产不建议采用该工艺技术。基于普洛佩斯结构的连铸连轧工艺早期主要用于架空电缆线材的生产，其表现出的优点是生产效率高，材料性能佳稳定性高，晶粒尺寸细小，在电工线材生产领域得到十分广泛的应用。
利用连铸连轧设备可以生产出稳定高性能的铝合金杆材，中国专利CN106938279A(公布日：2017.07.11，发明名称：一种用连铸连轧机组轧制铝及铝合金圆铝杆的新方法)提出将保温炉分为两个舱室或两台保温炉的设计，两台炉子交替精炼使用从而降低材料的含气量。该专利未就轧制具体合金提供相关案例。中国专利CN109127730A(公布日2019.01.04，发明名称：一种5356铝合金杆连铸连轧生产系统)专利指出实现了通过连铸连轧生产5356铝合金杆的工艺，专利通过改变辊形椭圆度、钢带表面光洁度实现5356合金的铸轧。对于这种难变形合金的铸轧过程其铸坯的伸展以及引锭更为关键，其变形速率的控制亦可通过控制轧机速度已扩的有效调控。专利未就引锭存在的断坯问题进行展述。中国专利CN105312520A(公布日：2016.02.10，发明名称：碳化硅颗粒增强铝基复合材料型材铸轧成型设备及铸轧方法)，CN108796266A(公布日：2018.11.13，一种基于原位自生TiB2的颗粒增强铝基复合材料铸轧方法)采用单辊铸轧成型出型材。发明所涉及的内容未见涉及大变形强化的工艺设计。
综合以上专利所及的内容，对生产难变形合金以及铝基复合材料依然存在有许多未能解决的问题。通过双室浇注尽管可以有效降低材料的含气量，但是对于更高要求的合金(H≤0.10ml/100g)以及减少合金的比重偏析行为无法实现；通过改变辊形结构及钢带表面光洁度这些方法可以改善铸坯的表面状态以及变形应力，但对铸坯出锭以及进轧引锭出现的断坯断杆关键问题则无法得以根本解决。另外单辊铸轧的工艺对于批量生产复合材料型材也存在许多尚未解决的问题。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种铝合金及铝基复合材料连铸连轧工艺设备及方法，可以实现含气量低、成分稳定、生产效率高的难变形铝合金复合材料的工业化生产。
本发明的技术方案为：
一种铝合金及铝基复合材料连铸连轧工艺设备，包括有真空保温炉、辅助熔化炉、顺次连接的均匀化装置、连铸机和连轧机，所述的真空保温炉的出口、辅助熔化炉的出口均与均匀化装置的进口连接，且所述的真空保温炉的出口处设置有主电磁阀，辅助熔化炉的出口处设置有辅助电磁阀，所述的主电磁阀和辅助电磁阀均与混流比例时间控制系统连接，所述的真空保温炉上连接有抽真空装置和惰性气体输送装置，所述的真空保温炉和辅助熔化炉的底部均设置有磁搅拌装置，所述的磁搅拌装置包括有升降驱动电机和磁搅拌器，磁搅拌器固定于升降驱动电机向上的活塞杆上用于调节磁搅拌器与对应的真空保温炉或辅助熔化炉的距离从而调整搅拌磁场强度即磁搅拌频率。
所述的真空保温炉的出口、辅助熔化炉的出口均通过各自的流槽与均匀化装置的进口连接。
所述的均匀化装置选用带有搅拌棒的搅拌机。
所述的均匀化装置和连铸机之间还连接铸液过滤装置。
所述的连铸机和连轧机之间顺次连接有牵引辊轮、滚剪机、校直装置和加热装置。
所述的磁搅拌器选用电磁搅拌器或永磁搅拌器。
一种铝合金及铝基复合材料连铸连轧工艺方法，具体包括有以下步骤：
(1)、当真空保温炉内的复合材料熔体到达浇注温度后，将真空保温炉内抽真空至80-100Pa，启动磁搅拌器进行真空精炼，磁搅拌器的频率控制在2-8Hz；所述的复合材料熔体包括有铝基材料和合金材料；
(2)、真空精炼10-20min后，往真空保温炉内注入惰性气体至真空保温炉内气压达到1个标准大气压，等待浇注；
(3)、对辅助熔化炉内的辅助合金进行精炼5-30min，等待浇注；所述的辅助合金和复合材料熔体内的合金材料相同；
(4)、开启经过预热的连铸机和连轧机，调整好冷却水大小满足合金的冷却条件；
(5)、分别开启真空保温炉的主电磁阀和辅助熔化炉的辅助电磁阀，分别控制真空保温炉和辅助熔化炉内液体的放流开度以及放流时间，当连铸机和连轧机进入稳定状态后，关闭辅助熔化炉的辅助电磁阀，实现真空保温炉内母液的稳定连铸连轧生产。
所述的步骤(2)中，真空保温炉内气压达到1个标准大气压后，打开真空保温炉的炉盖除去浮渣后等待浇注；所述的步骤(3)中，辅助熔化炉内的辅助合金进行精炼8-15min后，打开辅助熔化炉的炉盖除去浮渣后等待浇注。
所述的步骤(3)中，采用喷吹工艺对辅助熔化炉内的辅助合金进行精炼8-15min。
所述的步骤(5)中，辅助电磁阀开启的放流时间为1-10分钟。
本发明的优点：
(1)、本发明的真空保温炉上连接有抽真空装置和惰性气体输送装置，通过改变真空保温炉内的真空度以及磁搅拌频率，可获得不同含气量的复合材料熔体；
(2)、本发明的真空保温炉通过通过改变磁搅拌器的搅拌频率，可获得不同体积分数的复合材料熔体，且复合材料熔体的颗粒均匀分散、且合金成分均匀；
(3)、本发明通过通过混流比例时间控制系统控制主电磁阀和辅助电磁阀，改变辅助合金和母液(复合材料熔体)的混合比例，形成连续变化的颗粒分数以及合金成分梯度分布的目的；
(4)、本发明设置辅助熔化炉和均匀化装置，在连铸初期加入辅助合金可以有效进行初始锭坯的引锭，避免锭坯进轧时出现断坯开裂，显著提高轧制稳定性。
附图说明
图1是本发明铝基复合材料连铸连轧工艺装备的结构示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。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得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
见图1，一种铝合金及铝基复合材料连铸连轧工艺设备，包括有真空保温炉1、辅助熔化炉2、顺次连接的均匀化装置3(带有搅拌棒的搅拌机)、铸液过滤装置4、连铸机5、牵引辊轮6、滚剪机7、校直装置8、加热装置9和连轧机10，真空保温炉1的出口、辅助熔化炉2的出口均通过各自的流槽11与均匀化装置3的进口连接，且真空保温炉1的出口处设置有主电磁阀12，辅助熔化炉2的出口处设置有辅助电磁阀13，主电磁阀12和辅助电磁阀13均与混流比例时间控制系统连接，真空保温炉1上连接有抽真空装置14和惰性气体输送装置15，真空保温炉1和辅助熔化炉2的底部均设置有磁搅拌装置16，磁搅拌装置16包括有升降驱动电机和电磁搅拌器，电磁搅拌器固定于升降驱动电机向上的活塞杆上用于调节电磁搅拌器与对应的真空保温炉1或辅助熔化炉2的距离从而调整搅拌磁场强度即电磁搅拌频率。
实施例1
一种铝基复合材料以及难变形铝合金连铸连轧工艺方法，具体而言为制备5wt.％TiB2/6061原位自生颗粒增强铝基复合材料连铸连轧杆材。成分如下表1：
表1
(1)、将制备5wt.％TiB2/6061原位自生颗粒增强铝基复合材料的反应合成物按照5％的质量分数计算好后加入真空保温炉内，升温至700-850℃，开启磁搅拌装置，保温15-30min，然后铝液温度降至680-760℃时，加入6061铝合金，进行合金化，静置15-30min后升温至精炼温度，将真空保温炉1通过抽真空装置14抽真空至80-100Pa，启动磁搅拌装置16进行真空精炼，磁搅拌装置16频率控制在5Hz进行真空精炼10-20min；
(2)、通过惰性气体输送装置15往真空保温炉1内注入氮气，平衡真空保温炉1炉内气压至1atm，打开炉盖除去浮渣，等待浇注；
(3)、采用喷吹工艺对辅助熔化炉2内的6061合金进行精炼10-30min，除去浮渣，等待浇注；
(4)、开启经过预热的连铸连轧系统(均匀化装置3、铸液过滤装置4、连铸机5、牵引辊轮6、滚剪机7、校直装置8、加热装置9和连轧机10)，调整好连铸机5的冷却水大小满足合金的冷却条件，
(5)、分别开启真空保温炉1的主电磁阀12和辅助熔化炉2的辅助电磁阀13，分别控制真空保温炉1和辅助熔化炉2内液体的放流开度以及放流时间，当连铸机和连轧机进入稳定状态后，即5min后关闭辅助熔化炉2的辅助电磁阀13，将辅助熔化炉2替换成第二台装有母液的真空保温炉1，两台真空保温炉1交替放流，实现连续生产，得到5wt.％TiB2/6061原位自生颗粒增强铝基复合材料连铸连轧杆材卷。
实施例2
一种铝基复合材料以及难变形铝合金连铸连轧工艺方法，具体而言为制备8wt.％TiB2/A356原位自生颗粒增强铝基复合材料连铸连轧杆材。成分如下表2：
表2
(1)、将制备8wt.％TiB2/A356原位自生颗粒增强铝基复合材料的反应合成物按照8％的质量分数计算好后加入真空保温炉1内，升温至700～850℃，开启磁搅拌装置16，保温15-30min，然后铝液温度降至680-750℃时，加入A356铝合金，进行合金化，静置15-30min后升温至精炼温度，将真空保温炉1通过抽真空装置14抽真空至80-100Pa，启动磁搅拌装置16进行真空精炼，磁搅拌装置16频率控制在6Hz进行真空精炼10-20min；
(2)、通过惰性气体输送装置15往真空保温炉1内注入氮气，平衡真空保温炉1炉内气压至1atm，打开炉盖除去浮渣，等待浇注；
(3)、采用喷吹工艺对辅助熔化炉2内的A356铝合金进行精炼10-30min，除去浮渣，等待浇注；
(4)、开启经过预热的连铸连轧系统，调整好连铸机5的冷却水大小满足合金的冷却条件，
(5)、分别开启真空保温炉1的主电磁阀12和辅助熔化炉2的辅助电磁阀13，分别控制真空保温炉1和辅助熔化炉2内液体的放流开度以及放流时间，当连铸机和连轧机进入稳定状态后，即8min后关闭辅助熔化炉2的辅助电磁阀13，将辅助熔化炉2替换成第二台装有母液的真空保温炉1，两台真空保温炉1交替放流，实现连续生产，得到8wt.％TiB2/A356原位自生颗粒增强铝基复合材料连铸连轧杆材卷。
实施例3
一种铝基复合材料以及难变形铝合金连铸连轧工艺方法，具体而言为制备5356铝合金连铸连轧杆材。成分如下表3：
表3
(1)、将制备5356铝合金的原铝锭及合金按照标准的质量分数计算好后加入真空保温炉1内，升温至710-760℃，开启磁搅拌装置16，保温15-30min，然后静置10-15min后升温至精炼温度，将真空保温炉1通过抽真空装置14抽真空至80-100Pa，启动磁搅拌装置16进行真空精炼，磁搅拌装置2频率控制在2Hz进行精炼10-20min；
(2)、通过惰性气体输送装置15往真空保温炉1内注入氩气，平衡真空保温炉1炉内气压至1atm，打开炉盖除去浮渣，等待浇注；
(3)、采用喷吹工艺对辅助熔化炉2内的A00铝锭进行精炼5-20min，除去浮渣，等待浇注；
(4)、开启经过预热的连铸连轧系统，调整好连铸机5的冷却水大小满足合金的冷却条件，
(5)、分别开启真空保温炉1的主电磁阀12和辅助熔化炉2的辅助电磁阀13，分别控制真空保温炉1和辅助熔化炉2内液体的放流开度以及放流时间，当连铸机和连轧机进入稳定状态后，即1.5min后关闭辅助熔化炉2的辅助电磁阀13，将辅助熔化炉2替换成第二台装有母液的真空保温炉1，两台真空保温炉1交替放流，实现连续生产，得到5356铝合金连铸连轧杆材卷。
实施例4
一种铝基复合材料以及难变形铝合金连铸连轧工艺方法，具体而言为制备5183铝合金连铸连轧杆材。成分如下表4：
表4
(1)、将制备5183铝合金的原铝锭及合金按照标准的质量分数计算好后加入真空保温炉1内，升温至710-760℃，开启磁搅拌装置，保温15-30min，静置1-15min后升温至精炼温度，将真空保温炉1通过抽真空装置14抽真空至80-100Pa，启动磁搅拌装置16进行真空精炼，磁搅拌装置16频率控制在3Hz进行精炼10-20min；
(2)、通过惰性气体输送装置15往真空保温炉1内注入氩气，平衡真空保温炉1炉内气压至1atm，打开炉盖除去浮渣，等待浇注；
(3)、采用喷吹工艺对辅助熔化炉2内的A00铝锭进行精炼5-20min，除去浮渣，等待浇注；
(4)、开启经过预热的连铸连轧系统，调整好连铸机5的冷却水大小满足合金的冷却条件，
(5)、分别开启真空保温炉1的主电磁阀12和辅助熔化炉2的辅助电磁阀13，分别控制真空保温炉1和辅助熔化炉2内液体的放流开度以及放流时间，当连铸机和连轧机进入稳定状态后，即1.5min后关闭辅助熔化炉2的辅助电磁阀13，将辅助熔化炉2替换成第二台装有母液的真空保温炉1，两台真空保温炉1交替放流，实现连续生产，得到5183铝合金连铸连轧杆材卷。
实施例5
一种铝基复合材料以及难变形铝合金连铸连轧工艺方法，具体而言为制备4wt.％TiB2/Al-Zn-Mg-Cu系原位自生颗粒增强铝基复合材料连铸连轧杆材。成分如下表5：
表5
(1)、将制备4wt.％TiB2/Al-Zn-Mg-Cu系原位自生颗粒增强铝基复合材料的反应合成物按照4％的质量分数计算好后加入真空保温炉内，升温至700-850℃，开启磁搅拌装置16，保温15-30min，然后将铝液温度降至720-740℃时，加入Al-Zn-Mg-Cu系铝合金，进行合金化，静置15-30min后升温至精炼温度，将真空保温炉1通过抽真空装置14抽真空至80-100Pa，启动磁搅拌装置16进行真空精炼，磁搅拌装置2频率控制在3Hz进行真空精炼10-20min；
(2)、通过惰性气体输送装置15往真空保温炉1内注入氩气，平衡真空保温炉1炉内气压至1atm，打开炉盖除去浮渣，等待浇注；
(3)、采用常规喷吹工艺对辅助熔化炉3内的Al-Zn-Mg-Cu系铝合金进行精炼10-30min，除去浮渣，等待浇注；
(4)、开启经过预热的连铸连轧系统，调整好连铸机5的冷却水大小满足合金的冷却条件，
(5)、分别开启真空保温炉1的主电磁阀12和辅助熔化炉2的辅助电磁阀13，分别控制真空保温炉1和辅助熔化炉2内液体的放流开度以及放流时间，当连铸机和连轧机进入稳定状态后，即5min后关闭辅助熔化炉2的辅助电磁阀13，将辅助熔化炉2替换成第二台装有母液的真空保温炉1，两台真空保温炉1交替放流，实现连续生产，得到4wt.％TiB2/Al-Zn-Mg-Cu系原位自生颗粒增强铝基复合材料连铸连轧杆材卷。
实施例6
一种铝基复合材料以及难变形铝合金连铸连轧工艺方法，具体而言为制备5wt.％SiC/A380颗粒增强铝基复合材料连铸连轧杆材。成分如下表6：
表6
(1)、将制备5wt.％SiC/A380系原位自生颗粒增强铝基复合材料的反应合成物按照5％的质量分数计算好后加入真空保温炉内，升温至700-850℃，开启磁搅拌装置16，保温15-30min并静置10-30min后升温至精炼温度，将真空保温炉1通过抽真空装置14抽真空至80-100Pa，启动磁搅拌装置16进行精炼，磁搅拌装置16频率控制在6Hz进行真空精炼10-20min；
(2)、通过惰性气体输送装置15往真空保温炉1内注入氩气，平衡真空保温炉1炉内气压至1atm，打开炉盖除去浮渣，等待浇注；
(3)、采用喷吹工艺对辅助熔化炉2内的A380铝合金进行精炼10-30min，除去浮渣，等待浇注；
(4)、开启经过预热的连铸连轧系统，调整好连铸机5的冷却水大小满足合金的冷却条件，
(5)、分别开启真空保温炉1的主电磁阀12和辅助熔化炉2的辅助电磁阀13，分别控制真空保温炉1和辅助熔化炉2内液体的放流开度以及放流时间，当连铸机和连轧机进入稳定状态后，即6min后关闭辅助熔化炉2的辅助电磁阀13，将辅助熔化炉2替换成第二台装有母液的真空保温炉1，两台真空保温炉1交替放流，实现连续生产，得到5wt.％SiC/A380系原位自生颗粒增强铝基复合材料连铸连轧杆材卷。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。
Claims (10)
1.一种铝合金及铝基复合材料连铸连轧工艺设备，其特征在于：包括有真空保温炉、辅助熔化炉、顺次连接的均匀化装置、连铸机和连轧机，所述的真空保温炉的出口、辅助熔化炉的出口均与均匀化装置的进口连接，且所述的真空保温炉的出口处设置有主电磁阀，辅助熔化炉的出口处设置有辅助电磁阀，所述的主电磁阀和辅助电磁阀均与混流比例时间控制系统连接，所述的真空保温炉上连接有抽真空装置和惰性气体输送装置，所述的真空保温炉和辅助熔化炉的底部均设置有磁搅拌装置，所述的磁搅拌装置包括有升降驱动电机和磁搅拌器，磁搅拌器固定于升降驱动电机向上的活塞杆上用于调节磁搅拌器与对应的真空保温炉或辅助熔化炉的距离从而调整搅拌磁场强度即磁搅拌频率。
2.根据权利要求1所述的一种铝合金及铝基复合材料连铸连轧工艺设备，其特征在于：所述的真空保温炉的出口、辅助熔化炉的出口均通过各自的流槽与均匀化装置的进口连接。
3.根据权利要求1所述的一种铝合金及铝基复合材料连铸连轧工艺设备，其特征在于：所述的均匀化装置选用带有搅拌棒的搅拌机。
4.根据权利要求1所述的一种铝合金及铝基复合材料连铸连轧工艺设备，其特征在于：所述的均匀化装置和连铸机之间还连接铸液过滤装置。
5.根据权利要求1所述的一种铝合金及铝基复合材料连铸连轧工艺设备，其特征在于：所述的连铸机和连轧机之间顺次连接有牵引辊轮、滚剪机、校直装置和加热装置。
6.根据权利要求1所述的一种铝合金及铝基复合材料连铸连轧工艺设备，其特征在于：所述的磁搅拌器选用电磁搅拌器或永磁搅拌器。
7.一种铝合金及铝基复合材料连铸连轧工艺方法，其特征在于：具体包括有以下步骤：
（1）、当真空保温炉内的复合材料熔体到达浇注温度后，将真空保温炉内抽真空至80-100Pa，启动磁搅拌器进行真空精炼，磁搅拌器的频率控制在2-8Hz；所述的复合材料熔体包括有铝基材料和合金材料；
（2）、真空精炼10-20min后，往真空保温炉内注入惰性气体至真空保温炉内气压达到1个标准大气压，等待浇注；
（3）、对辅助熔化炉内的辅助合金进行精炼5-30min，等待浇注；所述的辅助合金和复合材料熔体内的合金材料相同；
（4）、开启经过预热的连铸机和连轧机，调整好冷却水大小满足合金的冷却条件；
（5）、分别开启真空保温炉的主电磁阀和辅助熔化炉的辅助电磁阀，分别控制真空保温炉和辅助熔化炉内液体的放流开度以及放流时间，当连铸机和连轧机进入稳定状态后，关闭辅助熔化炉的辅助电磁阀，实现真空保温炉内母液的稳定连铸连轧生产。
8.根据权利要求7所述的一种铝合金及铝基复合材料连铸连轧工艺方法，其特征在于：所述的步骤（2）中，真空保温炉内气压达到1个标准大气压后，打开真空保温炉的炉盖除去浮渣后等待浇注；所述的步骤（3）中，辅助熔化炉内的辅助合金进行精炼8-15min后，打开辅助熔化炉的炉盖除去浮渣后等待浇注。
9.根据权利要求7所述的一种铝合金及铝基复合材料连铸连轧工艺方法，其特征在于：所述的步骤（3）中，采用喷吹工艺对辅助熔化炉内的辅助合金进行精炼8-15min。
10.根据权利要求7所述的一种铝合金及铝基复合材料连铸连轧工艺方法，其特征在于：所述的步骤（5）中，辅助电磁阀开启的放流时间为1-10分钟。
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