CN114410996A - 一种大规格铝合金半圆管加工工艺 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种大规格铝合金半圆管加工工艺，其工艺流程为：熔炼→纯净化处理→铸造→铸锭均火→挤压→辊矫→包装。本发明突破半圆管熔铸、挤压、模具设计、精整矫直、热处理等关键技术，解决了挤压时金属填充不足导致的壁厚不均和扩口、并口难题，实现压力容器用铝合金半圆管的一次挤压成型，大幅缩减生产工序，提高了成品率和产品质量。且通过工艺改进，加工出了一次挤压成型的大规格铝合金半圆管，该规格接近理论极限，为目前国内最大一次挤压成型规格。另外，本发明加工工艺中近一半的原材料采用5A83一级废料，廉价易得，大幅降低了铝合金半圆管的加工成本。

Description

一种大规格铝合金半圆管加工工艺

技术领域

本发明属于金属半圆管加工技术领域，具体涉及一种大规格铝合金半圆管加工工艺。

背景技术

目前，国内对铝合金的管材成型，都是由针对钢材的螺旋焊管、折弯机、U成形机、RB辊弯机等直接进行铝合金的成型。然而，由于铝合金材质和钢材物理特性有较大的区别，因此成形精度及效率往往达不到要求。

铝合金半圆管主要应用在空分设备的压力容器上，属于关键性部件。现阶段，该类产品主要通过同类合金的板材折弯成形获取，即通过熔炼→热轧→弯曲成型工艺加工而成，但该种加工方式工序多，成品率低，制造成本高，而且产品的质量参差不齐。

发明内容

本发明的目的是为了克服现有铝合金半圆管加工工艺存在的上述缺陷，提供一种成本低廉、成品率高的大规格铝合金半圆管加工工艺。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

一种大规格铝合金半圆管加工工艺，其工艺流程为：熔炼→纯净化处理→铸造→铸锭均火→挤压→辊矫→包装。具体包括以下步骤：

步骤一、熔炼：以质量百分比计，将占装炉量总量49.8-50.2%的铝锭和45.95-46.35%的废料加入熔炼炉中，于700-750℃下熔炼，其中，管状及棒状废料装于炉底层，块状废料及铝锭装于炉中层；待炉料完全熔化后均匀撒入15-20Kg的2号熔剂覆盖，于700-750℃的熔炼温度下扒渣，扒渣后加入装炉量总量3.85%的Mn剂、Mg剂和Cr剂，所有合金元素全部加入保温15min后，充分搅拌熔体，以确保合金元素完全熔化，待成分均匀后取样检测，取样时熔体温度≥730℃；

步骤二、纯净化处理：将静置炉炉膛温度控制在760℃，至少保温1h，并向炉内撒入10-20Kg的 2号熔剂，待步骤一中成分检测合格的熔体温度≥750℃时，将该熔体导入静置炉内，通入氮氯混合气体精炼10-12min，然后进行扒渣、静置和氢气含量测定，氢气含量≤0.1ml/100g 铝的熔体，开始铸造；

步骤三、铸造：铸造开始时使用Al99.70的铝液铺底，待铺底铝液边缘凝固厚度达到20-40mm后，开始注入步骤二中氢气含量≤0.1ml/100g 铝的熔体进行铸造，铸造速度40-60mm/min，铸造温度710-720℃，水压0.08-0.12MPa，最后得到铸锭，铸造过程中距铸锭首尾端0.5-1.0m内各取最终光谱、化学试样两份，一份分析，一份备查；

步骤四、铸锭均火：将步骤三中所得铸锭置于均火炉，于450-465℃下保温24h，然后随炉冷却至250℃以下后出炉；

步骤五、挤压：采用50MN挤压机，将步骤四中均火后的铸锭置于挤压筒中进行挤压，得到半圆管管材；

步骤六、辊矫：对步骤五中半圆管管材进行辊矫，矫直完的管材表面光洁，应无划伤、碰伤、压坑和棱子，对于壁厚为5-50mm的管材，可有深度≤0.5mm的棱子存在。

作为本发明技术方案的优选，步骤一中，所述废料为5A83。

步骤一中，所述铝锭牌号为Al 99.70。

所述Mn剂为90%含量的Mn剂，Mg剂为99.99%含量的镁锭，Cr剂为75%含量的Gr剂。Mn剂占比0.80%、Mg剂占比3.0%、Cr剂占比0.05%。

步骤一中，所述镁剂用加料铲加到熔体中间，或放到炉门推入到熔体中间，并加入4-6kg/t熔体的二号熔剂粉进行覆盖以防镁的氧化、烧损。

所述取样前熔体搅拌两次，每次不少于5min，保证取样时熔体中各成分的均匀性，从而确保成分检测的准确性。

所述氮氯混合气体中氮气的体积分数为85-90%，氯气的体积分数为10-15%，氮氯混合气体流量为10-30L/min。

步骤三中，铸造开始前对铸造模具进行设计：

增大模具上铝液流速快的工作带的宽度，减小铝液流速慢的工作带的宽度，并在流速快的地方设置阻流角减缓流速。

步骤五中，所述挤压速度为1.5m/min，挤压时间30min，加热温度480℃。

与现有铝合金半圆管加工工艺相比，本发明具有以下有益效果：

1、现有铝合金半圆管的规格见表1、图1，本发明在现有铝合金半圆管的基础上，通过工艺改进，加工出了一次挤压成型的大规格铝合金半圆管。该规格已经接近理论极限，为目前国内最大一次挤压成型规格。

表1 现有铝合金半圆管的尺寸及公差

2、本发明突破半圆管熔铸、挤压、模具设计、精整矫直、热处理等关键技术，解决了半圆管一次挤压成型过程中顶端金属填充不足造成的壁厚不均和成型时扩口、并口难题，实现压力容器用铝合金半圆管的一次挤压成型，大幅缩减生产工序，半圆管尺寸精度、表面质量和其他各项指标均达到了使用要求，提高了成品率和产品质量。

3、本发明通过对模具进行合理的设计，控制金属的流动性，使成型过程中各部位金属填充均匀，保证产品各部位尺寸精度高一致性好，且不产生表面缺陷。

4、在5系铝合金中，镁对铝的强化是明显的，每增加1%镁，抗拉强度大约升高30MPa。如果加入1%以下的锰，可以补充强化作用。加锰后可降低热裂倾向，还可以改善材料抗蚀性。和5083铝合金相比，5A83提高了镁、锰的含量，材料更易变形，塑性更好。所以半圆管材料选择5A83铝合金（表2）。

表2 5A83与 5083 铝合金化学成分的区别（质量分数%）

本发明加工工艺中近一半的原材料采用所述大规格铝合金半圆管加工本身产生的5A83一级废料，廉价易得，大幅降低了铝合金半圆管的加工成本。

5、本发明采用氯气和氮气的混合物来净化铝液，一方面可以脱去氢气，分离氧化物，另一方面可以清除铝中如镁等金属杂质。

附图说明

图1为现有铝合金半圆管的规格示意图；

图2为铸锭均火过烧的电镜图；

图3为模具设计主视图；

图4为模具设计左视图，图中A为阻流角。

具体实施方式

下面通过具体实施例对本发明铝合金半圆管的加工工艺进行详细说明。

本发明中出现的%，均为质量百分比。

本发明提供的一种大规格铝合金半圆管加工工艺，其工艺步骤如下：

步骤一、熔炼：

原材料选用的铝锭牌号为Al 99.70，用量为50%，废料5A83 用量为47%，其他添加元素为Mn剂、Mg剂、Cr剂，用量为3%，所使用的原材料，装炉前应保证表面干净，不得带水、煤灰、泥土等赃物。

装炉时，铝锭和废料5A83一次装入，易烧损的废料(如小的管状、棒状废料)装在炉底层，以减少烧损和保护炉底；大块废料及铝锭装在中层，在700-750℃下进行熔炼。炉料未熔化完前，不允许搅动熔体。炉料完全熔化后均匀撒入15-20Kg的2号熔剂覆盖，并在熔炼温度范围内（700-750℃）进行扒渣。扒渣后加入Mg剂、Mn剂、Cr剂等添加剂，镁剂必须用加料铲加到熔体中间，或放到炉门推入到熔体中间，并加入4-6kg/t熔体的二号熔剂粉覆盖，以防镁的氧化、烧损。所有合金元素全部加入保温15min后，充分搅拌熔体两次，每次不少于5min，以确保合金元素完全熔化，待成分均匀后取样，样品表面应无缩孔、无包裹物、无夹渣、无裂纹，表面不粗糙。每熔次至少抽取一个样品。用电感耦合等离子体原子发射光谱仪进行检测，化学成分符合ASME SB221-2015即合格。取样时熔体温度不低于730℃，取样检测合格的熔体备用。

步骤二、纯净化处理：

将静置炉炉膛温度控制在760℃，至少保温1h，并向炉内撒入10-20Kg的 2号熔剂，待步骤一中检测合格的熔体温度≥750℃时，将该熔体导入静置炉内，以10-30L/min的流量通入氮氯混合气体（氮气体积分数为85-90%，氯气体积分数为10-15%）精炼10-12min，然后进行扒渣、静置和氢气含量测定。

氢含量分析采用HAD-Ⅱ快速测氢仪进行液态检测，将坩埚放入炉中预热至700-720℃，在静置炉中取出试样，放入HAD-Ⅱ快速测氢仪中读取、计算氢气含量值；

步骤三、铸造：

铸造开始前对铸造模具进行设计：

增大模具上铝液流速快的工作带的宽度，减小铝液流速慢的工作带的宽度，并在流速快的地方打阻流角减缓流速。

在生产过程中采用在线除气和除渣工艺，保障产品的成分和组织符合使用要求。静置完成，氢气含量≤0.1ml/100g 铝的熔体，开始铸造。铸造开头时使用Al99.70的铝液铺底，待铺底铝液边缘凝固厚度达到20-40mm后，开始注入步骤二导炉后铝液进行铸造，铸造工艺参数如下表3所示，最后得到铸锭，铸造过程中距铸锭首尾端0.5-1.0m内各取最终光谱、化学试样两份，一份分析，一份备查；

表3铸造工艺参数表

步骤四、铸锭均火：

将步骤三中所得铸锭置于均火炉，于450-465℃下保温24h，然后随炉冷却至250℃以下后出炉，冷却过程中允许不盖盖；均火后取高倍试样检查是否过烧，符合GB3246标准即可，过烧电镜图如图2所示，过烧判废。

步骤五、挤压：

采用50MN挤压机，将步骤四中均火后的铸锭置于挤压筒中进行挤压。首料挤压时，挤压筒和铸锭温度取上限温度，挤压时模子表面应尽量不抹油或少抹油，为防止闷车，换工具时，应迅速装配挤压工具，以保证工具有足够高的温度。换工具后首料应采用上限温度+10℃，挤压2～4个料后逐渐降温至正常挤压温度。挤压过程中每挤压3-5根后应对制品的尺寸和表面质量进行检查，发现异常应及时处理。具体工艺如下表4所示。

表4 挤压工艺参数表

步骤六、辊矫：

被矫直的管材表面应清洁，不得粘有金属屑和灰尘。管材表面较重的碰伤、擦伤等缺陷应清除后方可矫直。九辊矫直机矫直时，可先由计算机调用储存信息自动调整，但应检查压下量、转角等参数是否合理，再进行微调。矫直辊面应光滑，无金属屑等脏物。如发现辊面上有脏物、粘金属和划痕等缺陷应及时处理。矫直完的管材表面光洁，应无划伤、碰伤、压坑和棱子，对于壁厚为5-50mm的管材，可有深度≤0.5mm的棱子存在；矫直后的管材，弯曲度不大于0.8mm，长度方向上的扭拧度≤5mm/m。

由于半圆管外形特殊、壁厚薄，开口部分在成形过程中，无外力控制，会出现自然扩口、并口现象，为了保证后续精整矫直可处理，需要对挤压速度、温度等工艺参数进行优化设计，通过挤压工艺的控制，将扩、并口控制在最小值，保证后续处理后的产品尺寸精度。

半圆管经挤压后，会出现不可避免的弯曲、扭拧、扩并口问题，需要经过精整、矫直处理后方可达到使用要求，因其不同于普通的管材和型材，精整、矫直的先后顺序、采用的工具以及控制的精度对最终产品的尺寸精度和表面质量都至关重要，需要进行合理设计和精确控制。

申请人依靠自身的技术和设备优势，开展了压力容器用大规格半圆管的开发，对压力容器用半圆管的熔铸、模具设计、挤压、热处理、精整矫直工艺等的摸索研究，突破关键技术，确定出最佳加工工艺，成功研制出该种管材。一方面使我国具备一次挤压生产出该类材料的能，另一方面取代原有的通过板材折弯成型的生产方式，在保证产品质量的前提下，缩减生产工序，提高成品率和产品附加值，最终开发出了符合要求的新产品，并实现批量供货。

因此，通过本发明可实现对进口材料和板材折弯成型材料的全面替代，缩短供应周期，降低成本，提高成品率和产品质量，该材料熔铸成品率78%，挤压成品率70%以上，最终成品率可达到54.6%以上，充分证明本发明工艺的优越性。部分半圆管力学性能如表5所示。

表5 5A83H112半圆管力学性能检测结果

Claims (9)

1.一种大规格铝合金半圆管加工工艺，其特征在于，该加工工艺包括以下步骤：

步骤一、熔炼：以质量百分比计，将占装炉量总量49.8-50.2%的铝锭和45.95-46.35%的废料加入熔炼炉中，于700-750℃下熔炼，其中，管状及棒状废料装于炉底层，块状废料及铝锭装于炉中层；待炉料完全熔化后均匀撒入15-20Kg的2号熔剂覆盖，于700-750℃的熔炼温度下扒渣，扒渣后加入装炉量总量3.85%的Mn剂、Mg剂和Cr剂，保温15min后，充分搅拌熔体，使合金元素完全熔化，取样检测，取样时熔体温度≥730℃；

步骤二、纯净化处理：将静置炉炉膛温度控制在760℃，至少保温1h，并向炉内撒入10-20Kg的 2号熔剂，待步骤一中成分检测合格的熔体温度≥750℃时，导入静置炉内，通入氮氯混合气体精炼10-12min，然后进行扒渣、静置和氢气含量测定，氢气含量≤0.1ml/100g铝的熔体开始铸造；

步骤三、铸造：铸造开始时使用Al99.70的铝液铺底，待铺底铝液边缘凝固厚度达到20-40mm后，注入步骤二中氢气含量≤0.1ml/100g 铝的熔体进行铸造，铸造速度40-60mm/min，铸造温度710-720℃，水压0.08-0.12MPa，最后得到铸锭，铸造过程中距铸锭首尾端0.5-1.0m内各取最终光谱、化学试样两份，一份分析，一份备查；

步骤四、铸锭均火：将步骤三中所得铸锭置于均火炉，于450-465℃下保温24h，然后随炉冷却至250℃以下后出炉；

步骤五、挤压：采用50MN挤压机，将步骤四中均火后的铸锭置于挤压筒中进行挤压，得到半圆管管材；

步骤六、辊矫：对步骤五中半圆管管材进行辊矫，矫直完的管材表面光洁，应无划伤、碰伤、压坑和棱子，对于壁厚为5-50mm的管材，允许有深度≤0.5mm的棱子存在。

2.根据权利要求1所述的一种大规格铝合金半圆管加工工艺，其特征在于，步骤一中，所述废料为5A83。

3.根据权利要求1所述的一种大规格铝合金半圆管加工工艺，其特征在于，步骤一中，所述铝锭牌号为Al 99.70。

4.根据权利要求1所述的一种大规格铝合金半圆管加工工艺，其特征在于，步骤一中，所述Mn剂占比0.80%、Mg剂占比3.0%、Cr剂占比0.05%。

5.根据权利要求1所述的一种大规格铝合金半圆管加工工艺，其特征在于，步骤一中，所述镁剂用加料铲加到熔体中间，或放到炉门推入到熔体中间，并加入4-6kg/t熔体的二号熔剂粉覆盖。

6.根据权利要求1-5任一项所述的一种大规格铝合金半圆管加工工艺，其特征在于，所述取样前熔体搅拌两次，每次不少于5min。

7.根据权利要求1-5任一项所述的一种大规格铝合金半圆管加工工艺，其特征在于，所述氮氯混合气体中氮气的体积分数为85-90%，氯气的体积分数为10-15%，氮氯混合气体流量为10-30L/min。

8.根据权利要求1-5任一项所述的一种大规格铝合金半圆管加工工艺，其特征在于，步骤三中，铸造开始前对铸造模具进行设计：

增大模具上铝液流速快的工作带的宽度，减小铝液流速慢的工作带的宽度，并在流速快的地方设置阻流角减缓流速。

9.根据权利要求1-5任一项所述的一种大规格铝合金半圆管加工工艺，其特征在于，步骤五中，所述挤压速度为1.5m/min，挤压时间30min，加热温度480℃。

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