CN111451465A - 一种大规格铝合金圆铸锭生产用设备及生产工艺 - Google Patents

Abstract

一种大规格铝合金圆铸锭生产用设备及生产工艺，包括热顶、石墨环、冷却水箱和引锭头，热顶定位于石墨环上，冷却水箱包围在石墨环外侧，引锭头位于石墨环下侧，所述热顶包括柱形部和锥形部，柱形部位于锥形部上侧，二者连通；锥形部上开有多个穿插空，锥形部的底边带有向内凹的环形槽，环形槽与石墨环的顶凸环匹配，同时锥形部底边径向厚度比石墨环径向厚度宽，形成一个向中心突出的凸缘，且凸缘底边纵向位置不高于石墨环的顶凸环的底边位置；还包括铝合金丝，铝合金丝最大直径在1‑5mm范围内；铝合金丝在熔体内连续范围内插入，形成连续的温度场。提高晶体组织连续性和均匀性，加快生产速度。

Description

一种大规格铝合金圆铸锭生产用设备及生产工艺

技术领域

本发明涉及铝合金铸锭的生产工艺，具体涉及一种铝合金大规格圆铸锭的生产设备以及 工艺。

背景技术

铝合金铸锭生产中考虑的核心因素是降温制度，降温的过程对铝合金结晶组织微观结构 有决定性因素。铝合金的降温，通常使用水进行两次冷却。水冷的位置是在结晶器和结晶器 下方的已经凝结的铸锭表面。对于水冷而言，结晶器的石墨环以及铸锭凝结的外层，都起到 着传导热量的作用。而熔液温度高，处于非稳态，导热的作用非常有限，基本只能表现出放 热的过程。

石墨环和铸锭的导热性能即使非常优良，但冷却位置固定的情况下，距离冷却点远的熔 液冷却就比周边慢。而熔液就更不可能实现整体性的同时降温。因此，熔液的中心位置与周 边位置温差拉大，结晶时间变长，导致中心部位的经理组织粗大，合金元素宏观偏析。进而 产生诸多质量问题。

现有技术中中国专利(CN201710494914.1一种双冷场连续制备大规格铝合金圆铸锭的工 艺)提出了技术方案如下：在圆铸锭铸造过程中，向铝合金熔体心部均匀插入若干与铝合金 熔体成分相同的铝合金冷料；所述铝合金冷料在铸造过程中持续插入熔体中，使心部熔体温 度保持在铝合金液相线温度或高于液相线温度10℃以内，其中，所述铝合金冷料为实心铝合 金圆棒；所述熔体心部为圆形截面1/2半径圆周区域内。这种方法能够在中心处形成第二冷 却点，降低中心温度。

在东北大学另一件同日申请的专利中提出了相近的技术方案：在圆铸锭铸造过程中，向 铝合金熔体心部插入一个与铝合金熔体成分相同的铝合金冷料；所述铝合金冷料在铸造过程 中持续插入熔体中，使熔体圆心处的温度保持在铝合金液相线温度或高于液相线温度10℃以 内，所述熔体圆形截面圆心处的温度利用温度测试装置测得，该温度测试装置与控制装置相 连，用于控制铝合金冷料插入熔体的速度，以保持截面圆心处的温度始终在铝合金液相线温 度或高于液相线温度10℃以内，其中，所述铝合金冷料为铝合金圆管，其插入位置为：铝合 金圆管截面圆心与熔体截面圆心重合；使铝合金圆管的管壁位于1/6～3/4半径圆环区域内。

实验过程中发现，使用铝合金棒料或是管，要想控制单点温度比较容易，但是纵向多点 温度控制就很困难了，如其技术方案中所述，心部温度控制在液相线或高于液相线10℃内。 心部必然是顶面温度最低，如果仅仅是保持保持顶面温度在液相线附近内部温度仍然存在结 晶慢的问题。

此外，这种插入铝合金棒或管容易在表面形成凝结层，后续凝集过程中，容易引入更多 的氧化界面。

多点冷却的目的实际上为了让溶体温差减小，但仍然有一定的梯度，即外冷内热，但结 晶或是凝结所需的时间差减少，一方面确保心部晶体组织与边部差别减少，并减少宏观偏析， 另一方面能够提高生产效率。

而且，单纯使用多点冷却，由于熔体基本达不到传热的作用，熔体内的温度会在插入铝 合金棒或是管位置处产生一个中间冷场，中间冷场与中心和边部之间形成温度梯度。冷场与 边部和中心处之间的径向距离，铝合金棒或管的尺寸以及合金种类，就直接影响铸锭内部的 温度的连续性，与最终晶体组织形态有直接的关系。这对于生产来说，难度非常大。不管是 铝合金管还是铝合金棒料，其自身尺寸大，质量大，能够吸收热量的绝对量大，对局部形成 影响大，要确保棒料和管的位置精准就比较困难。此外，由于管和棒的插入，使得熔体无法 进行有效的搅拌，物理搅拌位置受限，电磁搅拌会受到管或是棒的影响，容易产生紊流或是 无法进行全范围的搅拌。

综上所述，现有技术，虽然能够降低温度梯度，但同样也产生了新的问题，即连续位置 的温度控制难度大，插入的铝合金管或是棒周围温度比周围低，且熔体无法进行有效搅拌， 时插入管或是棒材的局部晶体组织与周围有明显的区别。

发明内容

本发明的目的在于，提供一种大规格铝合金圆铸锭生产工艺，能够更有效的控制熔体内 的多点温度，同时能够进行有效的搅拌，形成边层与中心之间的连续低温差的连续温度场， 提高铸锭的晶体组织的连续性和均匀性，提高生产效率。

为了实现上述目的，本发明一种大规格铝合金圆铸锭生产用设备，包括热顶、石墨环、 冷却水箱和引锭头，热顶定位于石墨环上，冷却水箱包围在石墨环外侧，引锭头位于石墨环 下侧，所述热顶包括柱形部和锥形部，柱形部位于锥形部上侧，二者连通；锥形部上开有多 个穿插空，穿插孔数量在20-200个范围内；

锥形部的底边带有向内凹的环形槽，环形槽与石墨环的顶凸环匹配，同时锥形部底边径 向厚度比石墨环径向厚度宽，形成一个向中心突出的凸缘，且凸缘底边纵向位置不高于石墨 环的顶凸环的底边位置；

还包括铝合金丝，铝合金丝最大直径在1-5mm范围内；

冷却水箱为环形，外侧向外突出，外侧纵截面是两个开口相对的圆弧，进水管与冷却水 箱的外侧中部相切且水平进水，进水管有3-6个；冷却水箱底端带有引流环，引流环开口倾 斜向冷却水箱中部下方，引流环任一过冷却水箱轴线的纵向截面上的开口方向与冷却水箱轴 线之间的夹角在15-45度；

热顶外固定金属丝引导组件，其包括外壳、软轴、第一抵触轮、第二抵触轮、电机、轴 承，外壳为环形，固定在热顶外，与热顶同轴，软轴围绕成环形，或是带缺口的环形，由多个轴承定位在外壳内，软轴由固定在外壳内的电机传动，外壳内还固定多个均匀间隔的第一 抵触轮，第一抵触轮与软轴的内侧抵触，还包括等数量的第二抵触轮，第一抵触轮与第二抵 触轮之间留有容置铝合金丝的间隙，且第一抵触轮和第二抵触轮轮面均抵触铝合金丝；第一 抵触轮和第二抵触轮的相对角度能够调整。

在冷却水箱顶面上固定电磁搅拌器，电磁搅拌器通过升降组件调整相对于熔体顶面的位 置；

其中电磁搅拌器为环形，其底面上固定圆柱筒形连接环，连接环底面固定密封环，连接 环与密封环垂直；

所述升降组件包括壳体、导流管、石蜡，所述密封环内外环面与壳体内外环内表面密封 滑动了连接，密封环底面与壳体底面之间形成环形容置腔，用于填充石蜡2，石蜡融化温度 在40-60度之间，壳体与导流管连通，导流管用于向，容置腔抽放石蜡液体。

进一步的，金属丝引导组件可以有多个，分层布置即可。

进一步的，铝合金丝包括小端和大端，或是片状。

进一步的，铝合金丝是弧形，弧形开口方向朝向热顶。

一种使用权利要求1-4所述的大规格铝合金圆铸锭生产用设备的生产工艺，包括在铸锭 铸造过程中，

从热顶上多个穿插孔内穿插入铝合金丝，铝合金丝与熔体接触点形成2-6个与熔体顶面 同心的圆；

临近熔体顶面圆心的铝合金丝的插入深度最大，向边部插入深度逐渐减小；

使熔体温度从心部到边部最大温差不大于50摄氏度。

铝合金丝的组份与熔体相同。

进一步的，铝合金丝在熔体顶面上的投影与熔体轴线垂直，或是铝合金丝在熔体顶面上 的投影与熔体轴线相交不垂直或不与熔体轴线相交。

优选的，所述同心圆最大圆直径是熔体顶面直径的4/5-3/4，最小圆直径是熔体顶面直 径的1/4-1/10，最小圆上的铝合金丝的底端相互不接触。

本发明的有益效果在于，能够便捷的控制熔体内温度场，形成连续的温度梯度，冷却速 度快，晶体组织连续性强，组织结构细密均匀。

附图说明

图1是本发明结构示意图。

图2是引锭头下移结构示意图。

图3是冷却水箱俯视图。

图4是铝合金丝插入熔体角度示意图。

图5是铝合金丝插入熔体第二实施例示意图。

图6是金属丝引导组件结构示意图。

图7是转动组件结构示意图。

图8电磁搅拌组件结构示意图。

图9是铝合金丝截面示意图。

图中，热顶10、凸缘11、穿插孔12、石墨环20、定凸环21，冷却水箱30、进水管31、 引流环32、引锭头40、铝合金丝50、小端51、大端52、电磁搅拌器60、连接环61、密封 环62、升降组件70、导流管71、石蜡72，金属丝引导组件80、软轴81、第一抵触轮82、 第二抵触轮83、电机84、轴承85，熔体90、虚拟圆91

具体实施方式

下面结合附图对发明做详细描述。

如图1-9所示，一种大规格铝合金圆铸锭生产用设备，包括热顶10、石墨环20、冷却水 箱30和引锭头40，热顶10定位于石墨环20上，冷却水箱30包围在石墨环20外侧，引锭 头40位于石墨环20下侧，

其中，所述热顶10包括柱形部和锥形部，柱形部位于锥形部上侧，二者连通；锥形部上 开有多个穿插空12，穿插孔12数量不少于20个，在20-200个范围内；锥形部不一定是标 准的锥形，可以是纵截面是向内凸出的弧线，之所以设置锥形部是为了便于穿插后文叙述的 铝合金丝，便于调整角度。可以开一个较小的孔就能够调整适合的角度。如果是圆柱形的管 壁，则金属丝插入后调整角度就要开一个较大的孔。多根铝合金丝穿插在同一穿插孔适用于 铝合金丝总量少的情况。当然单个穿插孔12内也可以仅穿插一根铝合金丝50。

锥形部的底边带有向内凹的环形槽，环形槽与石墨环20的顶凸环21匹配，同时锥形部 底边径向厚度比石墨环20径向厚度宽，形成一个向中心突出的凸缘11，且凸缘11底边纵向 位置不高于石墨环20的顶凸环21的底边位置；

还包括铝合金丝50，铝合金丝50最大直径不超过石墨环20内径的1/50，具体尺寸在 1-5mm范围内，所述穿插孔12的孔径不小于5-30根铝合金丝50最大直径综合；这样，铝合金丝50能够在熔体90内形成连续排布，在临近边部的插入熔体的深度比临近心部的插入熔体深度小，或是，临近边部的铝合金丝50的直径比临近心部的铝合金丝的直径小；当铝合金丝50选择同规格时，所有铝合金丝50底端连线为直线，该连线与熔体表面之间的夹角在10-28 度之间；

铝合金丝50在穿插孔12内能够交叉排列，伸入熔体90内，且与熔体90接触点连线成 直线或是稍向上凸起的曲线，在心部形成最低点；这样，能够在熔体内，径向和轴向都能够 形成连续的温度场，进一步提高产品质量。

铝合金丝50的结构不一定是横截面是圆形的丝，可以是如图9所示，包括小端51和大 端52，或是片状也可以。这样设置，铝合金丝50就可以在熔体90内摆动，摆动范围在10-20mm 范围内，对熔体90进行小范围的搅拌，

此外，如图2所示，铝合金丝50不一定是直的，可以是弧形，弧形开口方向朝向热顶10；这样铝合金丝50插入熔体90内的曲线更缓和，温度连续性更佳；

如图1-3，冷却水箱30为环形，外侧向外突出，外侧纵截面是两个开口相对的圆弧，进 水管31与冷却水箱30的外侧中部相切且水平进水，进水管31有3-6个；冷却水箱30底端带有引流环32，引流环开口倾斜向冷却水箱30中部下方，引流环32任一过冷却水箱30轴 线的纵向截面上的开口方向与冷却水箱30轴线之间的夹角在15-45度；

这样进水是为了让水温在各处更均匀，同时水流从引流环32中流出时是旋转的，喷水更 均匀，更有利于形成均匀的冷却进而形成均匀而连续的温度场。

为了便于引导铝合金丝50进入熔体90内，在热顶10外固定金属丝引导组件80，其包 括外壳、软轴81、第一抵触轮82、第二抵触轮83、电机84、轴承85，外壳为环形，固定在 热顶10外，与热顶10同轴，软轴81围绕成环形，或是带缺口的环形，由多个轴承85定位 在外壳内，软轴由固定在外壳内的电机84传动，外壳内还固定多个均匀间隔的第一抵触轮 82，第一抵触轮82与软轴81的内侧抵触，还包括等数量的第二抵触轮83，第一抵触轮82 与第二抵触轮83之间留有容置铝合金丝50的间隙，且第一抵触轮82和第二抵触轮83轮面 均抵触铝合金丝50；第一抵触轮82和第二抵触轮83的相对角度能够调整，从而使铝合金丝 50相对于熔体90顶面的角度能够进行调整。金属丝引导组件80也可以有多个，分层布置即 可。当单个孔对应多个铝合金丝50时，针对每个金属丝单独设置一组第一和第二抵触轮，以 确定其角度。

为了更有效的调整熔体整体的温度的，在冷却水箱30顶面上固定电磁搅拌器60，电磁 搅拌器60通过升降组件70调整相对于熔体90顶面的位置；

其中电磁搅拌器60为环形，其底面上固定圆柱筒形连接环61，连接环61底面固定密封 环62，连接环61与密封环62垂直，如图8所示；

所述升降组件70包括壳体、导流管71、石蜡72，所述密封环62内外环面与壳体内外环 内表面密封滑动了连接，密封环62底面与壳体底面之间形成环形容置腔，用于填充石蜡72， 石蜡72融化温度在40-60度之间，壳体与导流管71连通，导流管71用于向，容置腔抽放石 蜡液体。常见的电磁搅拌器60调整位置的装置都很复杂，是为了能够稳定快捷的其纵向位置， 来达到有效的搅拌熔体90的目的。机械结构的调整通常不够稳定，因此使用较高水温能够融 化的石蜡作为介质来调整电磁搅拌器60的纵向位置，能够根据熔体90页面的变化，很稳定 的控制其纵向位置。

一种生产工艺，熔体经热顶10至引锭头40上部，当熔体凝固出坯壳时，铸造机牵引引 锭头向下运动。从热顶10上多个穿插孔12内穿插入铝合金丝50，铝合金丝50与熔体90接触点形成2-6个与熔体90顶面同心的圆，或形成均匀间隔的过熔体90顶面圆心的4-12条直线；

每个穿插孔穿一根铝合金丝，但穿插孔12分层设置，最顶层的穿插孔内的铝合金丝50 对应直径最小的圆，向下依次下层穿插孔内的铝合金丝插入熔体90的接触点形成直径较大的 圆；

直径最小的圆上的铝合金丝50插入深度最大，圆直径越大其上铝合金丝插入深度越小；

临近熔体90边部的铝合金丝50的底端位置最高，且从心部至边部铝合金丝底端位置之 间增高；

铝合金丝50的组份与熔体90相同；铝合金丝50插入后，使熔体90顶面温度从心部到 边部最大温差不大于50摄氏度。

这样通过铝合金丝50在熔体径向不同位置插入不同的深度，在熔体90内形成连续的温 度梯度，心部和边部温差小。晶体组织细密，大小均匀，连续性强。且整体生产速度大幅提 高。

铝合金丝50进入熔体的角度有两类，一类是铝合金丝在熔体90顶面上的投影与熔体90 轴线垂直，另一类是铝合金丝在熔体90顶面上的投影与熔体90轴线相交不垂直或不与熔体 90轴线相交。但铝合金丝与熔体90顶面之间的夹角α在20-60度范围内。

第一类，所有铝合金丝50均是倾斜插入熔体90，最大圆直径是熔体90顶面直径的4/5-3/4，最小圆直径是熔体顶面90直径的1/4-1/10，最小圆上的铝合金丝50的底端相互不接触。如图5，铝合金丝50在熔体90顶面上的投影过熔体90顶面的圆心；

第二类，之所与设置铝合金丝50在熔体90顶面投影与其轴线不垂直或是不 相交，是为了让铝合金丝进入熔体90能够对熔体90产生搅拌的作用。铝合金丝 50在熔体90顶面上的投影相互不重叠，投影与所在圆相切或相交。如图4所示， 铝合金丝50在熔体90顶面投影与熔体90边缘交点所在直径之间的夹角在20-40 度。

经过实际试制，铸造一批规格为Φ1000mm的7050合金铸锭。

所用装置中热顶最大内径：850mm；石墨环高度：40mm；铝合金丝50的数量及尺寸：180 根Φ2-5mm，最大直径5mm铝合金丝50截面包含小端51和大端52，其它均为横截面圆形的 铝合金丝；分180个穿插孔12插入熔体，每个穿插孔穿插6根铝合金丝，30个穿插孔12分上下4层，最上层4个、第二层6个、第三层8个、第四层12个，

插入方式：通过调整好角度的金属丝引导组件80，铝合金丝50与熔体90接触点形成4 个同心圆，直径分别为200mm、400mm、600mm、800mm，顶层穿插孔6对应直径200mm的圆，第二层对应400mm的圆，第三层对应600mm的圆，第四层对应800mm的圆；同一穿插孔内的 铝合金丝50与熔体90接触点不重合，且同一圆上的铝合金丝50插入熔体深度相同，800mm 圆圈上的铝合金丝50插入深度至200mm圆圈上铝合金丝50插入深度逐渐减小，等差排列， 差值200-400mm；直径800mm圆上的铝合金丝50纵向插入深度50-300mm；5mm的铝合金丝用 于200mm圆，3mm铝合金丝用于400mm和600mm圆，2mm铝合金丝用于800mm圆；同一圆上的 铝合金丝伸入熔体速率相同；

控制熔体顶面心部温度控制在650-660摄氏度，顶面边部最高温700摄氏度，心部到边 部温度连续递增。

当然，以上生产中，还可以将插入最小直径的圆的铝合金丝50换成弧形丝。

电磁搅拌器的使用，水温快速上升时，石蜡融化，但粘度很高，确保电磁搅拌器60位置 稳定，随着熔体页面下降，逐渐放出石蜡熔液降低电磁搅拌器的位置，从而实现的对熔体的 搅拌，有使用的都是铝合金丝，对熔体流动影响较小，且铝合金丝的插入角度也可以配合电 磁搅拌器搅动熔体的流动区域，提高搅拌效果。

以上所述仅为本发明的优选实施方式，并不用于限制本发明，对于本领域技术人员来说， 本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明精神和原则内，所做的任何修改、等同替换、改 进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种大规格铝合金圆铸锭生产用设备，包括热顶、石墨环、冷却水箱和引锭头，热顶定位于石墨环上，冷却水箱包围在石墨环外侧，引锭头位于石墨环下侧，其特征在于，

所述热顶包括柱形部和锥形部，柱形部位于锥形部上侧，二者连通；锥形部上开有多个穿插空，穿插孔数量在20-200个范围内；

锥形部的底边带有向内凹的环形槽，环形槽与石墨环的顶凸环匹配，同时锥形部底边径向厚度比石墨环径向厚度宽，形成一个向中心突出的凸缘，且凸缘底边纵向位置不高于石墨环的顶凸环的底边位置；

还包括铝合金丝，铝合金丝最大直径在1-5mm范围内；

冷却水箱为环形，外侧向外突出，外侧纵截面是两个开口相对的圆弧，进水管与冷却水箱的外侧中部相切且水平进水，进水管有3-6个；冷却水箱底端带有引流环，引流环开口倾斜向冷却水箱中部下方，引流环任一过冷却水箱轴线的纵向截面上的开口方向与冷却水箱轴线之间的夹角在15-45度；

热顶外固定金属丝引导组件，其包括外壳、软轴、第一抵触轮、第二抵触轮、电机、轴承，外壳为环形，固定在热顶外，与热顶同轴，软轴围绕成环形，或是带缺口的环形，由多个轴承定位在外壳内，软轴由固定在外壳内的电机传动，外壳内还固定多个均匀间隔的第一抵触轮，第一抵触轮与软轴的内侧抵触，还包括等数量的第二抵触轮，第一抵触轮与第二抵触轮之间留有容置铝合金丝的间隙，且第一抵触轮和第二抵触轮轮面均抵触铝合金丝；第一抵触轮和第二抵触轮的相对角度能够调整。

在冷却水箱顶面上固定电磁搅拌器，电磁搅拌器通过升降组件调整相对于熔体顶面的位置；

其中电磁搅拌器为环形，其底面上固定圆柱筒形连接环，连接环底面固定密封环，连接环与密封环垂直；

所述升降组件包括壳体、导流管、石蜡，所述密封环内外环面与壳体内外环内表面密封滑动了连接，密封环底面与壳体底面之间形成环形容置腔，用于填充石蜡，石蜡融化温度在40-60度之间，壳体与导流管连通，导流管用于向，容置腔抽放石蜡液体。

2.根据权利要求1所述的大规格铝合金圆铸锭生产用设备，其特征在于，金属丝引导组件可以有多个，分层布置即可。

3.根据权利要求1所述的大规格铝合金圆铸锭生产用设备，其特征在于，铝合金丝包括小端和大端，或是片状。

4.根据权利要求1所述的大规格铝合金圆铸锭生产用设备，其特征在于，铝合金丝是弧形，弧形开口方向朝向热顶。

5.一种使用权利要求1-4所述的大规格铝合金圆铸锭生产用设备的生产工艺，包括在铸锭铸造过程中，

从热顶上多个穿插孔内穿插入铝合金丝，铝合金丝与熔体接触点形成2-6个与熔体顶面同心的圆；

临近熔体顶面圆心的铝合金丝的插入深度最大，向边部插入深度逐渐减小；

使熔体温度从心部到边部最大温差不大于50摄氏度。

铝合金丝的组份与熔体相同。

6.根据权利要求5所述的大规格铝合金圆铸锭生产用设备的生产工艺，其特征在于，

铝合金丝在熔体顶面上的投影与熔体轴线垂直，或是铝合金丝在熔体顶面上的投影与熔体轴线相交不垂直或不与熔体轴线相交。

7.根据权利要求5所述的大规格铝合金圆铸锭生产用设备的生产工艺，

所述同心圆最大圆直径是熔体顶面直径的4/5-3/4，最小圆直径是熔体顶面直径的1/4-1/10，最小圆上的铝合金丝的底端相互不接触。

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