CN111349801B - 一种铝合金铸锭的制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种铝合金铸锭的制备方法，包括以下步骤：a)将铝合金原料经配料后，熔化，得到原料溶液；b)将所述原料溶液进行炉内精炼后、进行在线除气精炼和熔体过滤，得到合金熔体；c)将所述合金熔体进行铸造，得到铝合金铸锭；所述铝合金原料包括铝锭、中间料和合金废料；所述中间料为中间合金与纯金属，或为中间合金；所述铝合金包括3系铝合金或8系铝合金。本发明采用合金废料去与铝锭及中间料配料，再经后续的精炼及铸造步骤，使合金中元素扩散均匀，能够实现化学成分的精准控制，并提高成分的均匀性；同时，采用本发明在制备方法能够大大减少取样分析和成分调节次数，降低了生产难度，提高了生产效率。

Description

一种铝合金铸锭的制备方法
技术领域
本发明涉及铝合金技术领域，特别涉及一种铝合金铸锭的制备方法。
背景技术
铝合金是一种以铝为基体的合金，主要合金元素有铜、硅、镁、锌和锰。铝合金是工业中应用最广泛的一类有色金属结构材料。随着经济的快速发展，铝合金材料在民用领域、机械制造、船舶及化学工业中已大量应用。
目前，生产铝合金时，通常是采用中间合金或纯金属进行化学成分配料或调节，然而，其容易造成化学成分不均匀，且波动较大，特别是对于生产范围较窄及含量很低的合金元素，在生产时控制难度非常大，制备过程中，需要多次取样分析和多次调整化学成分，结果仍易超出控制标准，无法实现化学成分的精准控制，如8011合金中Cu含量标准为0.015％～0.025％，现有技术中通常采用Al-Cu中间合金进行配料和调节，然而制备中需要多次反复调整，且对称重、加入和搅拌等各操作均有严苛要求，对生产过程造成极大的不便，而结果还仍易超出标准范围，难以达标。
随着产品质量稳定性和一致性要求越来越高，人们对合金中化学成分控制范围越来越窄，铝合金的成分均匀性及成分含量的控制更加困难，因此，如何简便有效的提高铝合金成分均匀性及成分的精准控制，已成为亟待解决的问题。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的在于提供一种铝合金铸锭的制备方法，本发明提供的制备方法能够提高成分均匀性，并实现成分的精准控制，且制备简单易行，无需多次重复调节化学成分，便于生产。
本发明提供了一种铝合金铸锭的制备方法，包括以下步骤：
a)将铝合金原料经配料后，熔化，得到原料溶液；
b)将所述原料溶液进行炉内精炼后、进行在线除气精炼和熔体过滤，得到合金熔体；
c)将所述合金熔体进行铸造，得到铝合金铸锭；
所述铝合金原料包括铝锭、中间料和合金废料；
所述中间料为中间合金与纯金属，或为中间合金；
所述铝合金包括3系铝合金或8系铝合金。
优选的，所述合金废料选自2A14合金、2A50合金、AHS合金、Y430合金、LQ3合金和6系铝合金中的一种或几种。
优选的，所述合金废料在铝合金原料中的质量比≤10％。
优选的，所述LQ3合金在铝合金原料中的质量比≤4％。
优选的，所述3系铝合金包括3004铝合金或3104铝合金；
所述8系铝合金包括8011铝合金。
优选的，所述步骤a)中，所述熔化的温度为700～760℃，时间为5～10h。
优选的，所述步骤b)中，所述炉内精炼的温度为730～750℃，时间为15～30min；
所述炉内精炼在混合气体环境下进行，所述混合气体为保护性气体和氯气；
所述保护性气体的流量为8～16m3/h；
所述氯气的流量为0～0.5m3/h。
优选的，所述步骤b)中，在线除气精炼的气体为惰性气体；
所述在线除气精炼的温度为720～745℃；
所述在线除气精炼的惰性气体流量为2.5～5m3/h；
所述熔体过滤的滤板目数为30～60PPI。
优选的，所述步骤c)中，所述3系铝合金铸造的条件为：铸造温度为730～750℃，铸造速度为40～60mm/min；铸造的冷却水流量为150～300m3/h；
所述8系铝合金铸造的条件为：铸造温度为735～755℃，铸造速度为45～65mm/min；铸造的冷却水流量为150～300m3/h。
优选的，在所述熔化后和炉内精炼前，还包括取样分析和成分调节；
所述成分调节采用的调节料为所述合金废料。
本发明提供了一种铝合金铸锭的制备方法，包括以下步骤：a)将铝合金原料经配料后，熔化，得到原料溶液；b)将所述原料溶液进行炉内精炼后、进行在线除气精炼和熔体过滤，得到合金熔体；c)将所述合金熔体进行铸造，得到铝合金铸锭；所述铝合金原料包括铝锭、中间料和合金废料；所述中间料为中间合金与纯金属，或为中间合金；所述铝合金包括3系铝合金或8系铝合金。本发明在铝合金铸锭的制备过程中，采用合金废料去与铝锭及中间料配料，再经后续的精炼及铸造步骤，使合金中元素扩散均匀，能够实现化学成分的精准控制，并提高成分的均匀性；同时，采用本发明在制备方法能够大大减少取样分析和成分调节次数，可实现一次性达标，降低了生产难度，提高了生产效率。
实验结果表明，现有常规制备工艺中，3104合金和8011合金中Si、Cu、Mn等元素的控制精度一般为±0.1％，其需多次取样分析和成分调整才能达到上述精度；而采用本发明的制备方法，能够将精度控制在±0.05％以内，且大大降低了取样分析次数和成分调节时间。对于含量极低元素(Cu含量0.015％～0.025％)的8011合金，现有技术中通常采用Al-Cu中间合金进行配料和调节，然而制备中需要多次反复调整，且对称重、加入和搅拌等各操作均有严苛要求，对生产过程造成极大的不便，而结果还仍易超出标准范围，难以达标；而采用本发明的制备方法，采用AHS合金废料进行配料，可直接达到目标化学成分，无需进行成分调节环节。
具体实施方式
为了进一步理解本发明，下面结合实施例对本发明优选实施方案进行描述，但是应当理解，这些描述只是为进一步说明本发明的特征和优点，而不是对本发明权利要求的限制。
本发明所有原料，对其纯度没有特别限制，本发明优选采用工业纯或铝合金制备领域常规的纯度要求。
本发明所有原料，其牌号和简称均属于本领域常规牌号和简称，每个牌号和简称在其相关用途的领域内均是清楚明确的，本领域技术人员根据牌号、简称以及相应的用途，能够从市售中购买得到或常规方法制备得到。
本发明提供了一种铝合金铸锭的制备方法，包括以下步骤：
a)将铝合金原料经配料后，熔化，得到原料溶液；
b)将所述原料溶液进行炉内精炼后、进行在线除气精炼和熔体过滤，得到合金熔体；
c)将所述合金熔体进行铸造，得到铝合金铸锭；
所述铝合金原料包括铝锭、中间料和合金废料；
所述中间料为中间合金与纯金属，或为中间合金；
所述铝合金包括3系铝合金或8系铝合金。
本发明在铝合金铸锭的制备过程中，采用合金废料去与铝锭及中间料配料，再经后续的精炼及铸造步骤，使合金中元素扩散均匀，能够实现化学成分的精准控制，并提高成分的均匀性；同时，采用本发明在制备方法能够大大减少取样分析和成分调节次数，可实现一次性达标，降低了生产难度，提高了生产效率。
按照本发明，先将铝合金原料经配料后，熔化，得到原料溶液。
本发明中，所述铝合金包括3系铝合金或8系铝合金，即本发明制备的目标合金包括3系铝合金或8系铝合金。本发明中，所述3系铝合金和8系铝合金即分别为本领域统称的3xxx系铝合金和8xxx系铝合金。
本发明中，所述3系铝合金优选包括3004铝合金或3104铝合金。所述8系铝合金优选包括8011铝合金。
本发明中，所述铝合金原料包括铝锭、中间料和合金废料。所述中间料为中间合金与纯金属，或为中间合金。其中，所述铝锭、中间合金和纯金属的种类及用量比例没有特殊限制，以本领域技术人员熟知的各系铝合金铸锭制备过程中采用的原料种类和比例即可。例如，制备3系铝合金，可采用的中间合金包括Al-Si合金、Al-Fe合金、Al-Cu合金和Al-Mn合金中的一种或几种；采用的纯金属包括Mg锭等。制备8系铝合金，可采用的中间合金包括Al-Si合金、Al-Fe合金和Al-Cu合金中的一种或几种。
本发明中，所述合金废料优选为2A14合金(旧称为LD10合金)、2A50合金(旧称为LD5合金)、AHS合金、Y430合金、LQ3合金和6系铝合金中的一种或几种。具体的，对于3系铝合金，所述合金废料优选为2A14合金、2A50合金、AHS合金、Y430合金、LQ3合金和6系铝合金中的一种或几种。对于8系铝合金，所述合金废料优选为AHS合金和/或Y430合金。
其中，所述6系铝合金优选为6005铝合金、6063铝合金和6082铝合金中的一种或几种。所述LQ3合金为包覆型合金，优选为以3003合金为基体、4004合金为包覆层的LQ3合金。本发明对所述合金废料的来源没有特殊限制，为铝合金在熔铸、加工过程中头尾锯切下的几何废料或大块工艺废料即可，也可根据生产需要专门生产上述合金废料。
本发明中，作为优选，对于3104铝合金和8011铝合金铸锭，所采用的合金废料不含Be元素，即在产生上述合金废料的合金生产过程中不引入Be元素。
本发明中，所述合金废料在铝合金原料中的质量比优选为≤10％，若其含量过高，则易造成铝合金其它成分超标。其中，所述LQ3合金在铝合金原料中的质量比优选为≤4％。本发明对所述配料的顺序没有特别限制，以本领域技术人员熟知的此类铝合金的配料顺序即可。
在本发明的一些实施例中，所述铝合金原料中还包括普通废料。本发明对所述普通废料的种类和来源没有特殊限制，以本领域制备铝合金工艺中常用的普通废料即可。本发明对所述普通废料的用量没有特殊限制，按照本领域制备铝合金工艺中的常规添加比例即可。在本发明的一些实施例中，所述普通废料为3104合金废料，即3104合金生产过程产生的废料，具体为铸锭或板材头尾锯切下的几何废料。
本发明中，将铝合金原料配料后，进行熔化。所述熔化的温度优选为700～760℃，更优选为720～750℃。所述熔化的时间优选为5～10h，更优选为5～7h。经熔化后，得到原料溶液。
本发明中，在得到原料溶液后，优选还进行取样分析和成分调节。所述取样分析是测试所得原料溶液中的化学成分，并与目标合金的标准成分含量进行对比，若二者一致，则进行后续精炼等步骤，若二者不一致，则需向原料液中添加调节料，对成分进行调节，使二者一致后，再进行后续精炼等步骤。本发明中，所述成分调节采用的调节料优选为上述合金废料。
现有技术中，采用中间合金进行配料，且成分调节环节同样采用中间合金进行调整，结果容易造成化学成分不均匀，且制备过程中，需要多次取样分析和多次调整化学成分，仍易超出控制标准，难以实现化学成分的精准控制。而本发明采用合金废料去配料，成分调节环节也采用合金废料进行调整，结果能够提高成分均匀性，且大大减少了取样分析和化学调整次数，方便有效的实现化学成分的精准控制。
按照本发明，在得到原料溶液后，将所述原料溶液进行炉内精炼后、进行在线除气精炼和熔体过滤，得到合金熔体。
本发明中，所述炉内精炼的温度优选为730～750℃，更优选为735～750℃。所述炉内精炼的时间优选为15～30min，更优选为20～30min。所述炉内精炼优选在混合气体环境下进行，所述混合气体为保护性气体和氯气；其中，所述保护性气体的流量优选为8～16m3/h，所述氯气的流量优选为0～0.5m3/h，更优选为0.1～0.5m3/h。本发明对所述保护性气体的种类没有特殊限制，为本领域技术人员熟知的保护性气体即可，如氮气、惰性气体等，优选为氮气。
经上述炉内精炼后，进行在线除气精炼。本发明中，所述在线除气精炼的气体优选为惰性气体。所述惰性气体的流量优选为2.5～5m3/h，更优选为3～4m3/h。本发明中，所述在线除气精炼的温度优选为720～745℃，更优选为730～740℃。优选的，本发明在线除气精炼至熔体氢含量低于0.15cm3/100gAl，更优选为在0.13cm3/100gAl以内。
经上述在线除气精炼后，进行熔体过滤。本发明对熔体过滤的步骤和参数没有特殊限制，以本领域技术人员熟知的此类铝合金的在在线过滤的步骤和参数即可，本领域技术人员可以根据实际生产情况、产品要求及质量要求进行选择和调整。本发明中，所述在线除气过滤的滤板目数优选为30～60PPI。经上述过滤处理后，得到纯净的合金熔体。
按照本发明，在得到合金熔体后，将所述合金熔体进行铸造，得到铝合金铸锭。
本发明中，所述铸造的温度优选为730～755℃，更优选为735～750℃。铸造的速度优选为40～65mm/min。铸造的冷却水流量优选为150～300m3/h，更优选为180～250m3/h。
本发明所述3系铝合金铸造的温度优选为730～750℃，更优选为735～750℃。铸造的速度优选为40～60mm/min，更优选为45～55mm/min。铸造的冷却水流量优选为150～300m3/h，更优选为180～250m3/h。本发明上述铸造参数最优选为在3系铝合金铸锭规格为620×1800mm时的铸造参数。
本发明所述8系铝合金铸造的温度优选为735～755℃，更优选为735～750℃。铸造的速度优选为45～65mm/min，更优选为50～60mm/min。铸造的冷却水流量优选为150～300m3/h，更优选为180～250m3/h。本发明上述铸造参数最优选为在8系铝合金铸锭规格为520×1300mm时的铸造参数。
经上述铸造后，得到铝合金铸锭。本发明中，所述铝合金铸锭的长度优选为5000～7500mm，更优选为7000～7500mm。所述铝合金铸锭的宽度优选为1100～1900mm，更优选为1300～1900mm。所述铝合金铸锭的厚度优选为510～620mm，更优选为600～620mm。
本发明提供的铝合金铸锭的制备方法能够有效提高成分均匀性及实现成分的精准控制，且大大减少了取样分析和成分调节次数，提高了生产效率。
实验结果表明，现有常规制备工艺中，3104合金和8011合金中Si、Cu、Mn等元素的控制精度一般为±0.1％，其需多次取样分析和成分调整才能达到上述精度；而采用本发明的制备方法，能够将精度控制在±0.05％以内，且大大降低了取样分析次数和成分调节时间。对于含量极低元素(Cu含量0.015％～0.025％)的8011合金，现有技术中通常采用Al-Cu中间合金进行配料和调节，然而制备中需要多次反复调整，且对称重、加入和搅拌等各操作均有严苛要求，对生产过程造成极大的不便，而结果还仍易超出标准范围，难以达标；而采用本发明的制备方法，采用AHS合金废料进行配料，可直接达到目标化学成分，无需进行成分调节环节。
为了进一步说明本发明，以下结合实施例对本发明提供的一种铝合金铸锭的制备方法进行详细描述，但是应当理解，这些实施例是在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，只是为进一步说明本发明的特征和优点，而不是对本发明权利要求的限制，本发明的保护范围也不限于下述的实施例。以下实施例中，铝锭由阿坝铝、新疆嘉润、遵义铝等电解铝厂家提供，纯度为≥99.70％；Mg锭由中铝国际贸易有限公司提供，纯度为≥99.8％；中间合金Al-Si、Al-Fe、Al-Cu、Al-Mn由西南铝业(集团)有限责任公司提供，成分分布如下：
Figure BDA0001917822260000071
Figure BDA0001917822260000081
实施例1
1.1样品制备
目标合金：8011铝合金；
铸锭规格：520×1300mm。
配料：铝锭90％，中间合金Al-Si 3％、Al-Fe 6％，AHS合金废料1％。
装炉熔化：温度为740℃，处理时长为6h。
取样分析：分析显示，化学成分含量如下：Si 0.74％，Fe 0.78％，Cu 0.021％。各成分含量合格，无需成分调节。
精炼：炉内精炼温度为745℃，精炼时长为30min；精炼气体为N2+Cl2，N2流量为10m3/h，Cl2流量为0.1m3/h。在线除气精炼温度为730℃，气体为氩气，氩气流量为3.5m3/h。
测氢：控制合金熔体氢含量≤0.13cm3/100gAl。每个熔次均进行液态测氢；在线液态测氢为0.12cm3/100gAl。
熔体过滤：在线采用30PPI+50PPI过滤板过滤熔体。
铸造：温度为740℃，速度为55mm/min，冷却水流量为240m3/h。
1.2样品检测
通过直读光谱仪，分别测试所得铸锭产品两端和中部的Cu含量，结果显示，Cu含量分别为0.020％、0.020％、0.021％。可以看出，本发明制得的铸锭中，成分分布均匀，而且，Cu含量满足8011铝合金中指标要求(指标为：0.015％～0.025％)，实现了成分的精准控制。另外，上述方法无需成分调节操作，一次性得到合格产品，大大简化了操作，提高了生产效率。
实施例2
1.1样品制备
目标合金：3004铝合金；
铸锭规格：620×1270mm。
配料：铝锭16％，中间合金2.2％(Al-Fe为0.5％，Al-Mn为1.7％)，纯金属Mg锭0.4％，合金废料10％(其中，6063合金废料为6.8％，6082合金废料为2.9％)，普通废料(3104合金生产过程产生的废料，具体为铸锭或板材头尾锯切下的几何废料)59.7％。
装炉熔化：温度为730℃，处理时长为7h。
取样分析：分析显示，化学成分含量如下：Si 0.21％，Fe 0.42％，Cu 0.11％。Mn1.12％，Mg 1.09％。各成分含量合格，无需成分调节。
精炼：炉内精炼温度为740℃，精炼时长为30min；精炼气体为N2+Cl2，N2流量为8m3/h，Cl2流量为0.1m3/h。在线除气精炼温度为735℃，气体为氩气，氩气流量为3.5m3/h。
测氢：控制合金熔体氢含量≤0.13cm3/100gAl。每个熔次均进行液态测氢；在线液态测氢为0.119cm3/100gAl。
熔体过滤：在线采用40PPI+50PPI过滤板过滤熔体。
铸造：温度为735℃，速度为50mm/min，冷却水流量为230m3/h。
1.2样品检测
按照实施例1的测试方法，分别测试所得铸锭产品两端和中部的Cu含量，结果显示，Cu含量分别为0.11％、0.11％、0.11％。可以看出，本发明制得的铸锭中，成分分布均匀，而且，Cu含量满足3004铝合金中指标要求(指标为：0.015％～0.025％)，实现了成分的精准控制。另外，上述方法无需成分调节操作，一次性得到合格产品，大大简化了操作，提高了生产效率。
实施例3
1.1样品制备
目标合金：3104铝合金；
铸锭规格：620×1780mm。
配料：铝锭30％，中间合金1.6％(其中，Al-Si为0.2％，Al-Fe为0.22％，Al-Cu为0.06％，Al-Mn为1.12％)，纯金属Mg锭0.7％，合金废料2.4％(其中，LQ3合金废料为0.8％，2A50合金废料为1.6％)，普通废料(3104合金生产过程产生的废料，具体为铸锭或板材头尾锯切下的几何废料)65.3％。
装炉熔化：温度为730℃，处理时长为7h。
取样分析：分析显示，化学成分含量如下：Si 0.18％，Fe 0.40％，Cu 0.17％。Mn0.91％，Mg 1.20％。各成分含量合格，无需成分调节。
精炼：炉内精炼温度为740℃，精炼时长为50min；精炼气体为N2+Cl2，N2流量为10m3/h，Cl2流量为0.1m3/h。在线除气精炼温度为730℃，气体为氩气，氩气流量为4m3/h。
测氢：控制合金熔体氢含量≤0.13cm3/100gAl。每个熔次均进行液态测氢；在线液态测氢为0.120cm3/100gAl。
熔体过滤：在线采用40PPI+50PPI过滤板过滤熔体。
铸造：温度为735℃，速度为52mm/min，冷却水流量为220m3/h。
1.2样品检测
按照实施例1的测试方法，分别测试所得铸锭产品两端和中部的Cu含量，结果显示，Cu含量分别为0.16％，0.17％，0.17％。可以看出，本发明制得的铸锭中，成分分布均匀，而且，Cu含量满足3104铝合金中指标要求(指标为：0.015％～0.025％)，实现了成分的精准控制。另外，上述方法无需成分调节操作，一次性得到合格产品，大大简化了操作，提高了生产效率。
本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想，包括最佳方式，并且也使得本领域的任何技术人员都能够实践本发明，包括制造和使用任何装置或系统，和实施任何结合的方法。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，还可以对本发明进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本发明权利要求的保护范围内。本发明专利保护的范围通过权利要求来限定，并可包括本领域技术人员能够想到的其他实施例。如果这些其他实施例具有近似于权利要求文字表述的结构要素，或者如果它们包括与权利要求的文字表述无实质差异的等同结构要素，那么这些其他实施例也应包含在权利要求的范围内。

Claims (6)

1.一种铝合金铸锭的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
a)将铝合金原料经配料后，熔化，得到原料溶液；
b)将所述原料溶液进行炉内精炼后、进行在线除气精炼和熔体过滤，得到合金熔体；
c)将所述合金熔体进行铸造，得到铝合金铸锭；
所述铝合金原料包括铝锭、中间料和合金废料；
所述中间料为中间合金与纯金属，或为中间合金；
所述铝合金包括3系铝合金或8系铝合金；
所述3系铝合金包括3004铝合金或3104铝合金；
对于所述3系铝合金：
采用的合金废料选自2A14合金、2A50合金、AHS合金、Y430合金、LQ3合金和6系铝合金中的一种或几种；
其中，所述6系铝合金为6550铝合金、6063铝合金和6082铝合金中的一种或几种；
所述8系铝合金包括8011铝合金；
对于所述8系铝合金，采用的合金废料为AHS合金和/或Y430合金；
所述合金废料在铝合金原料中的质量比≤10％；
所述炉内精炼的温度为735～750℃；
所述3系铝合金铸造的条件为：铸造温度为730～750℃，铸造速度为40～60mm/min；铸造的冷却水流量为150～300m3/h；
所述8系铝合金铸造的条件为：铸造温度为735～755℃，铸造速度为45～65mm/min；铸造的冷却水流量为150～300m3/h。
2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述LQ3合金在铝合金原料中的质量比≤4％。
3.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述步骤a)中，所述熔化的温度为700～760℃，时间为5～10h。
4.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述步骤b)中，所述炉内精炼的时间为15～30min；
所述炉内精炼在混合气体环境下进行，所述混合气体为保护性气体和氯气；
所述保护性气体的流量为8～16m3/h；
所述氯气的流量为0～0.5m3/h。
5.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述步骤b)中，在线除气精炼的气体为惰性气体；
所述在线除气精炼的温度为720～745℃；
所述在线除气精炼的惰性气体流量为2.5～5m3/h；
所述熔体过滤的滤板目数为30～60PPI。
6.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，在所述熔化后和炉内精炼前，还包括取样分析和成分调节；
所述成分调节采用的调节料为所述合金废料。
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