CN113846241A - 一种高性能特种铝合金型材生产方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种高性能特种铝合金型材生产方法，属于铝合金加工技术领域，包括如下步骤：步骤1：烘炉；步骤2：配料/投料，按照比例需求将原料投放到炉内；步骤3：熔炼，将固态的原料均质化热处理；步骤4：过滤，进一步降低熔体中的气体含量，减少非金属夹杂物和各种有害金属杂质；步骤5：铸造。本发明在熔炼前按预设时间及速度等参数进行烘炉作业，使炉体均匀缓慢地升温，避免炉衬受急冷急热而开裂；在熔炼前/中、过滤及铸造四个阶段，通过对烘炉时效、熔炼温度、铸造速度/温度及冷却速度等参数的控制，优化铝合金型材生产工艺，降低氢气含量<0.1cm3/100g，使得铸锭晶粒细化，提高合金型材性能。

Description

一种高性能特种铝合金型材生产方法
技术领域
本发明涉及铝合金加工技术技术领域，具体涉及一种高性能特种铝合金型材生产方法。
背景技术
铝合金是工业中应用最广泛的一类有色金属结构材料，随着工业经济的飞速发展，对铝合金焊接结构件的需求日益增多，也对铝合金提出了更高的要求，不仅需要具有符合标准的化学成分以及力学性能等，还需要保证产品不会出现气孔以及缩孔等问题。
熔炼和铸造生产是铝及铝合金加工工艺中的组成部分，其主要目的是配制合金通过适当的工艺措施提高金属净度，铸造成型。它不仅提供符合加工要求的优质铸锭，而且铸锭质量在很大程度上影响压力加工过程和制品的质量。
在对铝合金进行熔炼时，通过过滤等处理，虽然能够明显的减少其所具有的杂物量，但是，仍然会存在部分夹杂物，并且会带入到最终的铸锭环节，对后续配料的加工和产品最终的性能，造成相应的影响。因此，通过对铝合金所包含的气体和夹杂物的原因，及其净化技术的研究，能够极大的促进铝合金型材质量的提升。
在对铝合金进行铸造时，铸锭的结晶组织和铸锭的缺陷结晶组织的好坏，不仅影响工艺性能，而且影响最终制品的质量，因此生产中力求获得晶粒细小，致密度高，均匀一致的结晶组织。
申请号为CN201410455508.0的专利提供了一种高性能5050铝合金型材生产工艺，该专利通过控制5050铝合金锭内各成分配比，挤压前加热，挤压成型，对挤压出的型材依次进行在线风冷处理、牵引矫直及定尺锯切，人工时效及表面处理；本发明通过控制合金成分，降低了镁元素含量，避免了挤压过程中产生拉毛等现象，提高了型材表面质量；通过在线风冷处理提高了型材的力学性能；整体工艺步骤简单、易于控制、材料利用率高、工艺成本低，经济效益和社会效益明显。
虽然该技术在一定程度上提高了铝合金的性能，但是仍然存在一定的不足。第一，熔炼前烘炉设置参数未涉及，无法在初始阶段减少后续熔炼工艺中金属吸气和氧化的可能；第二，熔炼时温度设置及过滤工艺不够完善，无法精确化的减少熔炼时氢气的含量及其他杂质；第三，铸造工艺考虑不足，无法使得铸锭晶粒更加细化。
由鉴于此，发明一种高性能特种铝合金型材生产方法是非常必要的。
发明内容
为全面解决上述问题，尤其是针对现有技术所存在的不足，本发明提供了一种高性能特种铝合金型材生产方法能够全面解决上述问题。本发明可以实现在熔炼前、熔炼中、过滤以及铸造时四个阶段通过对各种参数的控制优化铝合金生产工艺，达到提高铝合金型材性能的效果。
为实现上述目的，本发明采用以下技术手段：
本发明提供一种高性能特种铝合金型材生产方法，包括如下步骤：
步骤1：烘炉,使炉体各部分内外层均匀缓慢地升温，避免炉衬受急冷急热而开裂。同时，更充分地排除砌体中的水分，防止熔炼时金属吸气和氧化；
步骤2：配料/投料，根据生产需求计算出各种合金成分添加量，按照比例需求将原料投放到炉内；
步骤3：熔炼，将固态的原料均质化热处理，在熔炼种根据预设的熔炼温度曲线设置熔炼温度，既要防止熔体过热，使金属与炉气、炉衬等相互作用，又要缩短熔炼时间，过热不仅容易大量吸收氢气，易使在凝固后铸锭的晶粒组织粗大，增加铸锭裂纹的倾向性，影响合金性能；
步骤4：过滤，进一步降低熔体中的气体含量，减少非金属夹杂物和各种有害金属杂质；
步骤5：铸造，熔炼过滤完了的铝熔液在一定的铸造工艺条件下，冷却铸造成各种规格的柱形铝合金型材。
优选的，所述步骤1中烘炉时长150h，其中20～100℃时升温速度6℃/h，100～400℃时升温速度10℃/h，400～700℃时升温速度 15℃/h，700～1000℃时升温速度20℃/h。
优选的，所述步骤3中熔炼过程中包括搅拌系统和温控系统，所述搅拌系统为电磁搅拌，可实现间歇性搅拌，间隔时间15min，搅拌时间30s/次。
优选的，所述温控系统包括温度传感器和加热模块，所述温度传感器为耐热型热电偶式感应器，可实时检测炉内温度，所述加热模块为电加热设备根据温度传感器感应数据调整加热功率，可自动化切换加热、保温、停止模式。
优选的，所述步骤4过滤分为除气和过滤模块，铝熔液进入底部为透气砖的除气模块，在透气砖内预埋氩气管道，当铝熔液填充除气模块至一定高度时,接通氩气,氩气通过透气砖进入铝熔液,开始除气精炼作业,氩气流量以铝熔液面轻微震动、不剧烈翻滚为准，所述氩气流量0.1～0.4m3/h。
优选的，所述过滤模块设置在除气模块一侧，所述除气模块和过滤模块之间通过流槽搭接，所述过滤模块中铺放60目过滤板，所述过滤板可去除>10μm的杂质。
优选的，所述步骤5铸造工艺通过铸造速度、铸造温度、冷却速度三个铸造参数进行控制。
优选的，所述铸造速度U与柱形铝合金型材的直径D有关：
U＝1/D
其中，U-铸造速度,m/h；
D-柱形铝合金型材的直径,m。
优选的，所述铸造温度通过冷却水用量W精确控制：
W＝C1×(T3-T2)+L+C2×(T2-T1)/C×(T5-T4)
其中，T1-铝合金最终冷却温度，℃；
T2-铝合金熔点，℃；
T3-进入结晶器的液体金属温度，℃；
T4-结晶器进水温度，℃；
T5-二冷冷却水最终温度，℃；
D-水的比热容，Kcal/kg.℃；
M-金属的熔化结晶潜热，Kcal/kg；
C1-金属在(T3-T2)温度区间内的平均比热容，Kcal/kg.℃；
C2-金属在(T2-T1)温度区间内的平均比热容，Kcal/kg.℃。
优选的，所述冷却水用量达到需要的铸造温度时，所述冷却速度为100℃/s。
与现有技术相比，本发明的有益效果为：
1、防止设备损坏：本发明在熔炼时按照预设烘炉时刻及速度参数进行事前烘炉作业，使炉体各部分内外层均匀缓慢地升温，避免炉衬受急冷急热而开裂。
2、四阶段分段控制，提高铝合金型材性能。本发明在熔炼前/ 中、过滤以及铸造四个阶段，通过对烘炉时效、熔炼温度、铸造速度 /温度及冷却速度等的参数控制，优化铝合金型材生产工艺，降低氢气含量<0.1cm3/100g，使得铸锭晶粒细化，提高合金型材性能。
附图说明
图1是本发明的步骤1烘炉时段区分表。
图2是本发明的步骤3熔炼温度与氢气溶度曲线。
图3是本发明的步骤5型材的直径与最佳铸造速度关系图。
图中：
U-铸造速度,m/h；D-柱形铝合金型材的直径,m；T1-铝合金最终冷却温度，℃；T2-铝合金熔点，℃；T3-进入结晶器的液体金属温度，℃；T4-结晶器进水温度，℃；T5-二冷冷却水最终温度，℃；水的比热容，Kcal/kg.℃；M-金属的熔化结晶潜热，Kcal/kg；C1-金属在(T3-T2)温度区间内的平均比热容， Kcal/kg.℃；C2-金属在(T2-T1)温度区间内的平均比热容，Kcal/kg.℃。
具体实施方式
以下结合附图对本发明做进一步描述：
实施例：
包括如下步骤：
步骤1：烘炉,使炉体各部分内外层均匀缓慢地升温，避免炉衬受急冷急热而开裂。同时，更充分地排除砌体中的水分，防止熔炼时金属吸气和氧化；
步骤2：配料/投料，根据生产需求计算出各种合金成分添加量，按照比例需求将原料投放到炉内；
步骤3：熔炼，将固态的原料均质化热处理，在熔炼种根据预设的熔炼温度曲线设置熔炼温度，既要防止熔体过热，使金属与炉气、炉衬等相互作用，又要缩短熔炼时间，过热不仅容易大量吸收氢气，易使在凝固后铸锭的晶粒组织粗大，增加铸锭裂纹的倾向性，影响合金性能；
步骤4：过滤，进一步降低熔体中的气体含量，减少非金属夹杂物和各种有害金属杂质；
步骤5：铸造，熔炼过滤完了的铝熔液在一定的铸造工艺条件下，冷却铸造成各种规格的柱形铝合金型材。
本实例中，如图1烘炉时段区分表，所述步骤1中烘炉时长 150h，其中20～100℃时升温速度6℃/h，100～400℃时升温速度10℃ /h，400～700℃时升温速度15℃/h，700～1000℃时升温速度20℃/h。
表1
区分 炉内温度/℃ 升温速度/℃/h 保温时间/h 烘炉时间累计/h
1 20 - 10 10
2 100 6 20 30
3 150 10 20 50
4 200 10 30 80
5 250 10 20 100
6 300 10 10 110
7 350 10 8 118
8 400 10 8 126
9 500 15 6 132
10 600 15 6 138
11 700 15 4 142
12 800 20 4 146
13 900 20 2 148
14 1000 20 2 150
具体的，严格按照表1中烘炉时刻表进行设置烘炉进程，使炉体各部分内外层均匀缓慢地升温，防止损坏装置，同时，熔炼时金属吸气和氧化，提高铝合金熔炼品质。
本实例中，如图2熔炼温度与氢气溶解度曲线，所述步骤3中熔炼过程中包括搅拌系统和温控系统，所述搅拌系统为电磁搅拌，可实现间歇性搅拌，间隔时间15min，搅拌时间30s/次；所述温控系统包括温度传感器和加热模块，所述温度传感器为耐热型热电偶式感应器，可实时检测炉内温度，所述加热模块为电加热设备根据温度传感器感应数据调整加热功率，可自动化切换加热、保温、停止模式。
具体的，本发明的熔炼过程中按照如图2的熔炼曲线图，设置铝合金熔炼温度区间在720～760℃，以此确保氢含量<0.1cm3/100g。
本实例中，所述步骤4过滤分为除气和过滤模块，铝熔液进入底部为透气砖的除气模块，在透气砖内预埋氩气管道，当铝熔液填充除气模块至一定高度时,接通氩气,氩气通过透气砖进入铝熔液,开始除气精炼作业,氩气流量以铝熔液面轻微震动、不剧烈翻滚为准，所述氩气流量0.1～0.4m3/h；所述过滤模块设置在除气模块一侧，所述除气模块和过滤模块之间通过流槽搭接，所述过滤模块中铺放60目过滤板，。
具体的，除气和过滤模块之间流槽距离<1m，尽可能减少流通过程中的二次污染，所述过滤板可去除杂质范围>10μm。
本实例中，所述步骤5铸造工艺通过铸造速度、铸造温度、冷却速度三个铸造参数进行控制，如图3型材的直径与最佳铸造速度关系图，所述铸造速度U与柱形铝合金型材的直径D有关：
U＝1/D
其中，U-铸造速度,m/h；
D-柱形铝合金型材的直径,m。
具体的，在加工铸造时根据铝合金型材直径选择合适的铸造速度。
本实例中，所述铸造温度通过冷却水用量W精确控制：
W＝C1×(T3-T2)+L+C2×(T2-T1)/C×(T5-T4)
其中，T1-铝合金最终冷却温度，℃；
T2-铝合金熔点，℃；
T3-进入结晶器的液体金属温度，℃；
T4-结晶器进水温度，℃；
T5-二冷冷却水最终温度，℃；
C-水的比热容，Kcal/kg.℃；
M-金属的熔化结晶潜热，Kcal/kg；
C1-金属在(T3-T2)温度区间内的平均比热容， Kcal/kg.℃；
C2-金属在(T2-T1)温度区间内的平均比热容， Kcal/kg.℃。
具体的，所述冷却水用量达到需要的铸造温度时，所述冷却速度为100℃/s，进一步的通过对铸造速度、铸造温度、冷却速度的控制，减小柱状晶产生的趋势，使得铸锭晶粒细化，得到性能更好的铝合金型材。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
最后应说明的是：以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种高性能特种铝合金型材生产方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤1：烘炉,使炉体各部分内外层均匀缓慢地升温，避免炉衬受急冷急热而开裂。同时，更充分地排除砌体中的水分，防止熔炼时金属吸气和氧化；
步骤2：配料/投料，根据生产需求计算出各种合金成分添加量，按照比例需求将原料投放到炉内；
步骤3：熔炼，将固态的原料均质化热处理，在熔炼种根据预设的熔炼温度曲线设置熔炼温度，既要防止熔体过热，使金属与炉气、炉衬等相互作用，又要缩短熔炼时间，过热不仅容易大量吸收氢气，易使在凝固后铸锭的晶粒组织粗大，增加铸锭裂纹的倾向性，影响合金性能；
步骤4：过滤，进一步降低熔体中的气体含量，减少非金属夹杂物和各种有害金属杂质；
步骤5：铸造，熔炼过滤完了的铝熔液在一定的铸造工艺条件下，冷却铸造成各种规格的柱形铝合金型材。
2.根据权利要求1所述的一种高性能特种铝合金型材生产方法，其特征在于，所述步骤1中烘炉时长150h，其中20～100℃时升温速度6℃/h，100～400℃时升温速度10℃/h，400～700℃时升温速度15℃/h，700～1000℃时升温速度20℃/h。
3.根据权利要求1所述的一种高性能特种铝合金型材生产方法，其特征在于，所述步骤3中熔炼过程中包括搅拌系统和温控系统，所述搅拌系统为电磁搅拌，可实现间歇性搅拌，间隔时间15min，搅拌时间30s/次。
4.根据权利要求3所述的一种高性能特种铝合金型材生产方法，其特征在于，所述温控系统包括温度传感器和加热模块，所述温度传感器为耐热型热电偶式感应器，可实时检测炉内温度，所述加热模块为电加热设备根据温度传感器感应数据调整加热功率，可自动化切换加热、保温、停止模式。
5.根据权利要求1所述的一种高性能特种铝合金型材生产方法，其特征在于，所述步骤4过滤分为除气和过滤模块，铝熔液进入底部为透气砖的除气模块，在透气砖内预埋氩气管道，当铝熔液填充除气模块至一定高度时,接通氩气,氩气通过透气砖进入铝熔液,开始除气精炼作业,氩气流量以铝熔液面轻微震动、不剧烈翻滚为准，所述氩气流量0.1～0.4m3/h。
6.根据权利要求5所述的一种高性能特种铝合金型材生产方法，其特征在于，所述过滤模块设置在除气模块一侧，所述除气模块和过滤模块之间通过流槽搭接，所述过滤模块中铺放60目过滤板，所述过滤板可去除>10μm的杂质。
7.根据权利要求1所述的一种高性能特种铝合金型材生产方法，其特征在于，所述步骤5铸造工艺通过铸造速度、铸造温度、冷却速度三个铸造参数进行控制。
8.根据权利要求7所述的一种高性能特种铝合金型材生产方法，其特征在于，所述铸造速度U与柱形铝合金型材的直径D有关：
U＝1/D
其中，U-铸造速度,m/h；
D-柱形铝合金型材的直径,m。
9.根据权利要求7所述的一种高性能特种铝合金型材生产方法，其特征在于，所述铸造温度通过冷却水用量W精确控制：
W＝C1×(T3-T2)+L+C2×(T2-T1)/C×(T5-T4)
其中，T1-铝合金最终冷却温度，℃；
T2-铝合金熔点，℃；
T3-进入结晶器的液体金属温度，℃；
T4-结晶器进水温度，℃；
T5-二冷冷却水最终温度，℃；
C-水的比热容，Kcal/kg.℃；
L-金属的熔化结晶潜热，Kcal/kg；
C1-金属在(T3-T2)温度区间内的平均比热容，Kcal/kg.℃；
C2-金属在(T2-T1)温度区间内的平均比热容，Kcal/kg.℃。
10.根据权利要求8所述的一种高性能特种铝合金型材生产方法，其特征在于，所述冷却水用量达到需要的铸造温度时，所述冷却速度为100℃/s。
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