CN112974744A - 一种铝合金铸锭的制作装置及制作方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种铝合金铸锭的制作装置及制作方法，铝合金铸锭生产装置，包括：熔炼设备、结晶设备和连通管；熔炼设备包括盛放原料的第一腔体，熔炼设备能够对原料进行加热使其融化成为液体，在第一腔体内设置有温度采集装置，用以实时监测熔炼设备内部加热温度，在第一腔体内设置有用以对熔体进行搅拌的超声波发生器；结晶设备为第二腔体，连通管的两端分别与第一腔体和第二腔体连接，使在第一腔体内的熔体能够通过连通管流入第二腔体，并在第二腔体内冷却凝固成铸锭。本发明能够降低铸锭内部的气体/杂质含量，减少铸锭内部的疏松、夹渣等缺陷，提高其冶金质量。

Description

一种铝合金铸锭的制作装置及制作方法

技术领域

本发明涉及铝合金制作技术领域，特别涉及一种铝合金铸锭的制作装置及制作方法。

背景技术

铝合金材料因其具有密度低、比强度高、比刚度高、加工性能优异、可焊并具有一定的耐腐蚀性能的优点，而在航空航天、石油化工、轨道交通、新能源汽车等多个领域得到了广泛的应用。

铝合金产品（例如7000系铝合金产品）在制作过程中添加较高的锌元素和/或铜元素之后，合金熔体流动性随之降低，导致在熔炼过程中产生的杂质气体不易排出，进而使产品出现疏松、夹渣等缺陷，影响了产品质量。

发明内容

本发明的目的是提供一种铝合金铸锭的生产装置与制备方法，能够促进熔炼过程中产生的杂质气体的排除，进而避免产品出现疏松、夹渣等缺陷，使产品的质量得到了保证。

为实现上述目的，本发明所采用的技术方案是：一种铝合金铸锭制作装置，包括：熔炼设备、结晶设备、连通管和除气设备；所述熔炼设备具有用以盛放制作原料的第一腔体，所述熔炼设备能够对所述原料进行加热使其融化成为液体，在所述第一腔体内设置有温度采集装置，用以实时监测所述熔炼设备对熔体的加热温度，在所述第一腔体内设置有用以对熔体进行搅拌的超声波发生器；所述结晶设备具有第二腔体，所述连通管的两端分别与所述第一腔体和所述第二腔体连接，使在所述第一腔体内熔体能够通过所述连通管流入所述第二腔体，并在所述第二腔体内凝固成铸锭；所述除气设备设置在所述第一腔体中，用以除去熔体内的气体。

较优地，在所述连通管内设置有过滤装置，用以对流经所述连通管的熔体进行过滤；在所述连通管的外壁上设置有保温装置，用以对流经所述连通管的熔体进行保温。

一种铝合金铸锭的制作方法，使用以上任意技术特征的铝合金制作装置， 包括步骤：A、将融化完毕后的纯铝装入第一腔体中，并对其进行加热，使其保持完全融化状态；B、向第一腔体中的液体加入中间合金，并进行持续搅拌，同时调整加热温度；C、超声波发生器对第一腔体内的熔体进行超生搅拌；I、将第一腔体内的熔体通过连通管输送到第二腔体中；J、对进入所述第二腔体中的熔体进行铸造；在步骤B中所述的中间合金包括：铝铜中间合金、纯锌锭；其中在步骤A中，加热温度小于或等于760℃；步骤B包括：B1、向第一腔体中的液体加入铝铜中间合金、纯锌锭、铝锆中间合金、铝锑中间合金，并控制加热温度为750℃至770℃之间，同时持续搅拌10min至15min后进入步骤B2；B2、向第一腔体中的液体加入纯镁锭、铝钛硼中间合金与铝钛碳中间合金，并控制炉体熔炼温度为730℃～745℃，同时持续搅拌12min至18min；在步骤B1中将锌元素在液体中的占比控制为6.8%至7.0%，将铜元素在液体的占比控制为2.0%至2.2%。

较优地，在步骤C之后包括：步骤D、向第一腔体内的熔体加入精炼剂进行精炼处理；在精炼处理中，加热温度控制为735℃至750℃，精炼时间为10min至15min，在精炼过程中，持续对第一腔体内的熔体进行搅拌，在精炼结束后，使第一腔体内的熔体静止15 min。

较优地，所述精炼剂的质量份配比为氯化钾：20份～25份；氯化钠：30份～35份；碳酸钠：3份～5份；氯化钙：4份～6份；硫酸钠：8份～12份；硝酸钾：15份～20份；六氟铝酸钠：4份～6份；稀土：1份～3份。

和/或，在步骤D之后包括：步骤E、将第一腔体内的熔体上面的悬浮物清除；较优地，在步骤D之后包括：步骤F、对第一腔体内的熔体进行取样分析，并根据分析结果调整第一腔体内的熔体的化学成分。

较优地，所述的铝合金制作装置还包括除气设备，所述除气设备设置在所述第一腔体中；在步骤D之后包括：步骤G、通过除气设备对除去第一腔体内的熔体中的气体；和/或，在所述连通管内设置有过滤装置；步骤I中包括：通过过滤装置对流经连通管的熔体进行过滤。

较优地，在步骤I中，使流经连通管的熔体温度保持在725℃至735℃之间。

较优地，步骤J中包括：步骤J1、采用半连续铸造法对进入第二腔体中的熔体进行铸造，铸造时温度控制在720℃至740℃之间，铸造速度为28mm/min～35mm/min；步骤J2、通过冷却水对步骤J1中形成的铸锭进行冷却，其中冷却水压为0.05MPa至0.10MPa，水流量为3.5m³/h至5.0m³/h。

较优地，在步骤I之前包括：步骤H、将预热的金属粉末铺设到第二腔体的底部。

本发明的铝合金铸锭制作装置通过采用在所述第一腔体内设置有用以对铸造原料进行搅拌的超声波发生器的技术方案，能够促进熔炼过程中杂质、气体的排除，减少铸锭内部的疏松、夹渣等缺陷，提高铸锭内部的冶金质量。

附图说明

图1为实施例一中的铝合金铸锭的制作装置的结构示意图。

图2为实施例二中的铝合金铸锭的制作方法流程图。

图3为连续浇铸7075铝合金铸锭的炉前氢含量测试结果图。

图4为实施例二中制作的7085铝合金铸锭的抗拉强度测试结果图。

图5为实施例二中制作的7085铝合金铸锭的屈服强度测试结果图。

图6为实施例二中制作的7085铝合金铸锭的延伸率测试结果图。

图中：1-熔炼设备；11-第一腔体；12-温度采集装置；13液位检测装置；2-结晶设备；21-第二腔体；3-连通管；4-超声波发生装置；41-换能器；42-高频转动器；43-连接杆；5-除气设备；6-过滤装置；7-保温装置。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例对本发明的铝合金铸锭的制作装置及制作方法进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

实施例一

如图1所示，一种铝合金铸锭制作装置，包括：熔炼设备1、结晶设备2和连通管3。熔炼设备1具有用以盛放制作原料的第一腔体11，熔炼设备1能够对制作原料进行加热使其融化成为液体，在第一腔体11内设置有温度采集装置12，用以实时监测熔炼设备1对制作原料的加热温度，在第一腔体11内设置有用以对熔体进行搅拌的超声波发生器4。也可以在第一腔体11内设置液位检测装置13，以监测第一腔体11中的液面位置。结晶设备2具有第二腔体21，连通管3的两端分别与第一腔体11和第二腔体21连接，使在第一腔体11内熔体能够通过连通管3流入第二腔体21，并在第二腔体21内凝固成铸锭。在实际制作中，可如图中所示，还包括换能器41、高频振动器42和连接杆43，超声波发生器4通过连接杆43与高频振动器42连接，高频振动器42通过换能器与外部电源电连接，进而实现外部电源向超声波发生器4输入电能，使超声波发生器4产生超声波对第一腔体11内熔体进行超声搅拌，以促进熔炼过程中杂质、气体的排除，进而避免产品出现疏松、夹渣等缺陷，使产品的质量得到了保证。同时由于采用超声搅拌时，超声波穿透熔体时会在熔体内部形成一定的空化区域，该区域内会形成大量的空泡，空泡会从附近的熔体中吸收热量，导致熔体中出现大量的局部过冷，形核率随之增多，从而实现晶粒的细化。另一方面，空化泡是一种很不稳定的结构，很容易发生破裂，在其破裂的过程中会产生局部高压和高温，对晶粒有破碎作用，可进一步实现晶粒细化，使产品的质量得到进一步的提高。其中超声波发生器4的功率可以为120W～400W，超声频率可以为20kHz～50kHz，以提高晶粒细化效果。

进一步地，如图1所示还包括除气设备5，除气设备5设置在第一腔体11中，用以除去熔体中的气体。除气设备5可以是SNIF高效双转子精炼装置，在使用时，可向第一腔体11中的熔体中放入规格为80ppi透气砖，然后通过SNIF高效双转子精炼装置进行在线除气，其中SNIF高效双转子精炼装置的转速为700rpm，惰性气体为氮气、氦气或者氩气中的一种，气体流量为8.0m³/h，气体压力为2.0MPa。采用这样的技术方案，能够对熔体进行除氢，进一步保证了产品的质量。

作为一种可实施方式，如图1所示，在连通管3内设置有过滤装置6，用以对流经连通管3的熔体进行过滤。在实际制作中过滤装置6的数量可以为两个，分别为网孔径规格为40ppi的一级陶瓷过滤网和网孔径规格为80ppi的二级陶瓷过滤网。这样可以避免体积较大的颗粒进入第二腔体21中而影响产品的质量。

进一步地，如图1所示，在连通管3的外壁上设置有保温装置7，用以对流经连通管3的熔体进行保温。这样能够降低流经连通管3熔体的热量损失，在实际制作中，保温装置7中也可以包括加热装置（图未示出），以对流经连通管3的熔体进行加热，使其保持一定的温度值。

实施例二

一种铝合金铸锭的制作方法，使用实施例一中所描述的铝合金制作装置。本实施例中的制作方法以一种大规格7000系铝合金高纯铸锭为例进行说明，该7000系铝合金高纯铸锭按照如下质量百分比进行配料：锌：6.6～7.0%；铜：2.0～2.4%；镁：2.4～2.8%；钛：0.04～0.08%；锑：0.02～0.06%；硅≤0.1%；铁≤0.06%;锆≤0.08%；碳≤0.05%；杂质：单个≤0.05%，总量≤0.12%；余量为铝。

制作时如图2所示，包括步骤：A、将融化完毕后的纯铝装入第一腔体中，并对其进行加热，使其保持完全融化状态；B、向第一腔体中的液体加入中间合金，并进行持续搅拌，同时调整加热温度；C、超声波发生器对第一腔体内的熔体进行超生搅拌；I、将第一腔体内的熔体通过连通管输送到第二腔体中；J、对进入第二腔体中的熔体进行铸造。

在步骤B中的中间合金包括：铝铜中间合金、纯锌锭。

其中在步骤B中进行的搅拌操作可以通过人工手动进行，但并不仅限于此，通过在步骤B中的持续搅拌操作和步骤C中的超声搅拌，能够促进促进熔炼过程中杂质、气体的排除，进而避免产品出现疏松、夹渣等缺陷，使产品的质量得到了保证。而且开启超声搅拌，能保证炉内添加的中间合金熔化过程平稳，且温度、成分分布均匀。同时由于采用超声搅拌时，超声波穿透熔体时会在熔体内部形成一定的空化区域，该区域内会形成大量的空泡，空泡会从附近的熔体中吸收热量，导致熔体中出现大量的局部过冷，形核率随之增多，从而实现晶粒的细化。另一方面，空化泡是一种很不稳定的结构，很容易发生破裂，在其破裂的过程中会产生局部高压和高温，对晶粒有破碎作用，可进一步实现晶粒细化，使产品的质量得到进一步的提高。

具体地，其中在步骤A中，加热温度小于或等于760℃，实际操作时可以是加热温度为750℃。

进一步地，步骤B包括B1、向第一腔体中的熔体加入铝铜中间合金、纯锌锭、铝锆中间合金、铝锑中间合金，并控制加热温度为750℃至770℃之间，同时持续搅拌10min至15min后进入步骤B2；B2、向第一腔体中的熔体加入纯镁锭、铝钛硼中间合金与铝钛碳中间合金，并控制炉体熔炼温度为730℃～745℃，同时持续搅拌12min至18min。

需要说明的是，在步骤B1和B2中，镁元素按上限控制，锌元素按上限控制，铜元素按中下限控制，硅元素控制含量不大于0.1%，铁元素控制含量不大于0.06%。例如步骤B1中将锌元素在熔体中的占比控制为6.8%至7.0%，将铜元素在熔体的占比控制为2.0%至2.2%。添加锑元素主要是为了降低精炼处理后熔体内部钠族元素含量，第一腔体11内的温度由温度传感器测定，，第一腔体11内液面高度由液位监测装置测定。

作为一种可实施方式，如图2所示，在步骤C之后包括：步骤D、向第一腔体内的熔体加入精炼剂进行精炼处理；在精炼处理中，加热温度控制为735℃至750℃，精炼时间为10min至15min，在精炼过程中，持续对第一腔体内的熔体进行搅拌，在精炼结束后，使第一腔体内的熔体静止15 min。其中，精炼剂的质量份配比为氯化钾：24份；氯化钠：32份；碳酸钠：4份；氯化钙：5份；硫酸钠：10份；硝酸钾：18份；六氟铝酸钠：5份；稀土：2份。。需要说明的是精炼过程中可以保持超声搅拌，使熔体中的悬浮物、气泡快速上浮，消除铸锭的气孔、夹渣冶金缺陷。

作为一种可实施方式，如图2所示，在步骤D之后包括：步骤E、将第一腔体内的熔体上面的悬浮物清除。实际操作时可以通过人工手动使用扒渣勺完成，

作为一种可实施方式，如图2所示，在步骤D之后包括：步骤F、对第一腔体内的熔体进行取样分析，并根据分析结果调整第一腔体内的熔体的化学成分。具体可以采用光谱分析仪完成合金的成分检验，并及时添加中间合金和金属铸锭，调整合金的化学成分至设定范围。待成分检验合格后，将第一腔体内熔体作保温静置处理，保温静置温度为740℃，静置时间为16min。

作为一种可实施方式，的铝合金制作装置还包括除气设备，除气设备设置在第一腔体中；如图2所示，在步骤D之后包括：步骤G、通过除气设备对除去第一腔体内的熔体中的气体。具体操作时可向第一腔体11中的融化成液体的制作原料中放入规格为80ppi透气砖，然后通过除气设备（例如SNIF高效双转子精炼装置）进行在线除气，其中SNIF高效双转子精炼装置的转速为700rpm，惰性气体为氮气、氦气或者氩气中的一种，气体流量为8.0m³/h，气体压力为2.0MPa。采用这样的技术方案，能够对熔体进行除氢，进一步保证了产品的质量。

较优地，在连通管内设置有过滤装置。步骤I中包括：通过过滤装置对流经连通管的熔体进行过滤。其中过滤装置的数量可以为两个，分别为网孔径规格为40ppi的一级陶瓷过滤网和网孔径规格为80ppi的二级陶瓷过滤网。更优地，在步骤I中，使流经连通管的熔体温度保持在725℃至735℃之间。以使保证过滤装置对熔体进行过滤时的温度环境。其中流经连通管的熔体温度的保持可已通过在在连通管3的外壁上设置有保温装置7来实现

作为一种可实施方式，步骤J中包括：步骤J1、采用半连续铸造法对进入第二腔体中的熔体进行铸造，铸造时温度控制在720℃至740℃之间，铸造速度为28mm/min～35mm/min。

进一步地，在步骤J1后包括：步骤J2、通过冷却水对步骤J1中形成的熔体进行冷却，其中冷却水压为0.05MPa至0.10MPa，水流量为3.5m³/h至5.0m³/h。

作为一种可实施方式，如图2所示，在步骤I之前包括：步骤H、将预热的金属粉末铺设到第二腔体的底部。具体的做法是将已制备好的与7xxxx系铝合金高纯铸锭成分相同的金属粉末作预热处理，然后将预热完毕的金属粉末平铺在第二腔体的底部，这样在第一腔体内的熔体通过连通管输送到第二腔体，金属粉末作为凝固形核的核心，可以诱导快速凝固，避免产生热裂缺陷。

发明人分别对采用本制作方法制作的7075铝合金铸锭和7085铝合金高纯铸锭。

一、7075铝合金铸锭

按照如下质量百分比进行配料：锌：6.8%；铜：2.1%；镁：2.7%；钛：0.06%；锑：0.04%；硅≤0.1%；铁≤0.06%;锆≤0.08%；碳≤0.05%；杂质：单个≤0.05%，总量≤0.12%；余量为铝。

在步骤A中加热温度控制为750℃。在步骤B1中控制加热温度为760℃，同时持续搅拌12min。在步骤B2中控制炉体熔炼温度为740℃，同时持续搅拌12min至18min。在步骤D中精炼剂的质量份配比为氯化钾：24份；氯化钠：32份；碳酸钠：4份；氯化钙：5份；硫酸钠：10份；硝酸钾：18份；六氟铝酸钠：5份；稀土：2份，加热温度控制为740℃，精炼时间为12min，然后静置15 min。在步骤I中使流经连通管的熔体温度控制为730℃。在步骤J1中控制铸造温度为730℃，铸造速度为30 mm/min。在步骤J1中冷却水压为0.08MPa，水流量为40.m³/h。步骤H中采用的金属粉末直径为3.0mm,球形度系数为0.7，保温温度为150℃，保温时间为35min，铺设厚度为42.5mm。制作出直径为1200mm的7075铝合金半连续铸锭，对该铸锭进行含氢量测试，获得结果如图3所示。

二、7085铝合金铸锭

7085铝合金铸锭采用与7075铝合金铸锭相同的制作方法，与7075铝合金铸锭制作的区别在于，在步骤A中加热温度控制为740℃ 。在步骤B1中加热温度控制为770℃，同时持续搅拌15min。在步骤B2中加热温度控制为745℃，同时持续搅拌18min。制作出7085大规格铝合金铸锭，对该铸锭进行测试，得到如图4所示的抗拉强度测试结果、如图5所示的屈服强度测试结果和如图6所示的延伸率测试结果。

以上实施例使本发明具有能够促进熔炼过程中产生的杂质气体的排除，进而避免产品出现疏松、夹渣等缺陷，使产品的质量得到了保证的优点。

以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (10)

1.一种铝合金铸锭制作装置，其特征在于：

包括：熔炼设备（1）、结晶设备（2）、连通管（3）和除气设备（5）；

所述熔炼设备（1）包括用以盛放原料的第一腔体（11），所述熔炼设备（1）能够对所述制作原料进行加热使其融化成为液体，在所述第一腔体（11）内设置有温度采集装置（12），用以实时监测所述熔炼设备（1）内熔体的加热温度，在所述第一腔体（11）内设置有用以对熔体进行搅拌的超声波发生器（4）；

所述结晶设备（2）为第二腔体（21），所述连通管（3）的两端分别与所述第一腔体（11）和所述第二腔体（21）连接，使在所述第一腔体（11）内的熔体能够通过所述连通管（3）流入所述第二腔体（21），并在所述第二腔体（21）内凝固成铸锭；

所述除气设备（5）设置在所述第一腔体（11）中，用以除去熔体中的气体。

2.根据权利要求1所述的铝合金铸锭的制作装置，其特征在于：

在所述连通管（3）内设置有过滤装置（6），用以对流经所述连通管（3）的熔体进行过滤；

在所述连通管（3）的外壁上设置有保温装置（7），用以对流经所述连通管（3）的熔体进行保温。

3.一种铝合金铸锭的制作方法，使用如权利要求1或2所述的铝合金制作装置，其特征在于：包括步骤：

A、将融化完毕后的纯铝装入第一腔体中，并对其进行加热，使其保持完全融化状态；

B、向第一腔体中的熔体加入中间合金，并进行持续搅拌，同时调整加热温度；

C、超声波发生器对第一腔体内的液体进行超声搅拌；

I、将第一腔体内的熔体通过连通管输送到第二腔体中；

J、对进入所述第二腔体中的熔体进行铸造；

在步骤B中所述的中间合金包括：铝铜中间合金、纯锌锭；其中在步骤A中，加热温度小于或等于760℃；步骤B包括

B1、向第一腔体中的熔体加入铝铜中间合金、纯锌锭、铝锆中间合金、铝锑中间合金，并控制加热温度为750℃至770℃之间，同时持续搅拌10min至15min后进入步骤B2；

B2、向第一腔体中的熔体加入纯镁锭、铝钛硼中间合金与铝钛碳中间合金，并控制炉体熔炼温度为730℃～745℃，同时持续搅拌12min至18min；

在步骤B1中将锌元素在熔体中的占比控制为6.8%至7.0%，将铜元素在熔体的占比控制为2.0%至2.2%。

4.根据权利要求3所述的铝合金铸锭的制作方法，其特征在于：

在步骤C之后包括：

步骤D、向第一腔体内的熔体加入精炼剂进行精炼处理；在精炼处理中，加热温度控制为735℃至750℃，精炼时间为10min至15min，在精炼过程中，持续对第一腔体内的熔体进行搅拌，在精炼结束后，使第一腔体内的熔体静止15min。

5.根据权利要求4所述的铝合金铸锭的制作方法，其特征在于：

所述精炼剂的质量份配比为氯化钾：20份～25份；氯化钠：30份～35份；碳酸钠：3份～5份；氯化钙：4份～6份；硫酸钠：8份～12份；硝酸钾：15份～20份；六氟铝酸钠：4份～6份；稀土：1份～3份。

6.根据权利要求4所述的铝合金铸锭的制作方法，其特征在于：

在步骤D之后包括：

步骤E、将第一腔体内的熔体上面的悬浮物清除；

和/或，在步骤D之后包括：

步骤F、对第一腔体内的熔体进行取样分析，并根据分析结果调整第一腔体内的液体的化学成分。

7.根据权利要求4所述的铝合金铸锭的制作方法，其特征在于：

所述的铝合金制作装置还包括除气设备，所述除气设备设置在所述第一腔体中；

在步骤D之后包括：

步骤G、通过除气设备对除去第一腔体内的熔体中的气体；

和/或、在所述连通管内设置有过滤装置；

步骤I中包括：通过过滤装置对流经连通管的熔体进行过滤。

8.根据权利要求7所述的铝合金铸锭的制作方法，其特征在于：

在步骤I中，使流经连通管的熔体温度保持在725℃至735℃之间。

9.根据权利要求3所述的铝合金铸锭的制作方法，其特征在于：

步骤J中包括：

步骤J1、采用半连续铸造法对进入第二腔体中的熔体进行铸造，铸造时温度控制在720℃至740℃之间，铸造速度为28mm/min～35mm/min；

步骤J2、通过冷却水对步骤J1中形成的铸锭进行冷却，其中冷却水压为0.05MPa至0.10MPa，水流量为3.5m³/h至5.0m³/h。

10.根据权利要求3所述的铝合金铸锭的制作方法，其特征在于：

在步骤I之前包括：

步骤H、将预热的金属粉末铺设到第二腔体的底部。

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