一種超大規格鋁合金鑄錠的制備裝置及方法與流程

本發明涉及一種超大規格鋁合金鑄錠的制備裝置及方法，屬于金屬材料加工領域。

背景技術：

超大規格鋁合金特別是高合金化的高強鋁合金鑄錠在航空航天、軌道交通、船舶等大型裝備制造業的作用舉足輕重。采用傳統半連續鑄造方法制備的超大規格鋁合金鑄錠不可避免地存在表面質量差、組織粗大不均勻、成分偏析嚴重、易開裂等缺陷問題，導致產品質量差且成品率低。而且鑄錠尺寸越大，合金化程度越高，這些缺陷就越突出。而這些問題的解決與合金熔體凝固過程溫度場和成分場均勻化控制有很大關系，因此開發高效的熔體處理方法就顯得至關重要。

電磁攪拌法由于具有不污染金屬、可精確控制、易與大工業生產對接等優點被認為是最具有應用前景的熔體處理方法。國外專利DE2029443公開了一種在連鑄過程中施加行波電磁場的方法，這種方法將感應線圈平行布置于金屬熔體外部，通過利用交變電磁場及在其金屬液中產生感應電流交互作用產生的洛倫滋力對金屬液形成劇烈地攪拌作用，可減小溫度梯度，減少成分偏析，獲得更好的顯微組織。但是由于交變電磁場趨膚效應的存在，電磁力在熔體內部的分布呈指數式衰減，整個熔體所受攪拌作用是不均勻的，而且隨著合金熔體體積的增大，熔體邊部和心部的攪拌作用差別也越大，鑄錠組織和成分的不均勻性也越來越明顯，因此鑄錠尺寸受到很大限制。

為了克服傳統電磁攪拌法攪拌不均勻的問題，中國專利CN101745629A公開了一種環縫式電磁攪拌制備半固態合金漿料的方法，其設計思想是在熔體處理室中心插入圓形芯棒，使得在芯棒外壁和熔體處理室內壁之間形成環形窄縫，讓合金熔體在狹窄的環形縫隙內接受電磁攪拌剪切處理，攪拌的均勻性較傳統電磁攪拌法得到明顯改善。而且通過對攪拌腔體結構的巧妙設計，剪切強度也能顯著提高，使熔體受到攪拌更加均勻，溫度場和成分場在整個熔體體積內分布更加均勻。但是上述這些方法的電磁場均是從結晶器外部施加，隨著鑄錠尺寸的增大，不但熔體心部的攪拌效果會變差，而且由于線圈與金屬熔體存在著較大的氣隙，使得電磁場強度的衰減非常嚴重，電磁場的利用率很低。

技術實現要素：

普通半連續鑄造方法生產超大規格鋁合金鑄錠，技術難點或存在的問題主要表現為：其一，由于鑄錠單一的由外向內的冷卻方式，冷卻強度有限，液穴較深，溫度梯度很大，導致凝固組織異常粗大且分布不均勻，尤其對于高合金化的高強鋁合金還易發生開裂問題；其二，鑄錠凝固過程熔體溫度場和成分場的均勻性難以控制，使得初期凝殼生長很不均勻，鑄錠表面易產生褶皺、偏析瘤等問題，鑄造速度很慢，鑄錠成品率低，加工成本高。針對普通半連續鑄造方法存在的不足，本發明提出了一種超大規格鋁合金鑄錠的制備裝置及方法。

本發明的主要創新思想是：連續鑄造過程中將熔體處理器沿熱頂或結晶器中心位置插入熔體內部，對合金熔體從內部施加電磁場和強制冷卻，加速超大規格鑄錠內部熔體的傳熱與傳質，均勻熔體的溫度場和成分場，提高鑄錠冷卻強度和鑄造速度，減少或消除鑄造缺陷，實現超大規格鋁合金鑄錠細晶均質鑄造。

為實現以上發明的目的，采用以下技術方案：

一種超大規格鋁合金鑄錠的制備裝置，該裝置主要包括熔體處理器、升降機構、熱頂、結晶器、水箱和引錠幾部分；熱頂安裝在結晶器上方，引錠置于結晶器下方，熔體處理器與升降機構相連接，結晶器固定在水箱上，升降機構固定于水箱上，鑄造過程中通過升降機構將熔體處理器置于熱頂和/或結晶器的內部。

所述的熔體處理器主要由電磁線圈、保溫單元、冷卻單元和支撐單元組成。所述的電磁線圈固定于支撐單元內部，所述的保溫單元固定于支撐單元外部，所述的冷卻單元固定于支撐單元下部。所述的熔體處理器數量可為1個或多個。

所述的電磁線圈由實芯銅導線或銅管繞制而成，實芯銅導線或銅管外圍由絕緣橡膠包裹，根據連接方式不同分為產生旋轉磁場的電磁線圈、產生行波磁場的電磁線圈或產生復合磁場的電磁線圈。所述的電磁線圈在工作過程中通以交變電流，可產生旋轉磁場、行波磁場或復合磁場，對合金熔體施加攪拌剪切處理。

所述的保溫單元由陶瓷、石棉等保溫材料制成，厚度為10mm～50mm，固定于支撐單元側面的外部(即包覆在支撐單元的側面外圍)；在工作過程中主要阻隔熔體與支撐單元直接接觸，保護支撐單元內部的電磁線圈免受高溫熔體的損害。

所述的冷卻單元由高導熱殼體和底部空心管組成，空心管螺旋盤繞于高導熱殼體內部并與其緊密接觸，空心管的入口和出口分別延伸至支撐單元(保溫單元)頂部之上。工作過程中通以冷卻介質，對熔體施加強制冷卻處理。高導熱殼體可由銅合金或石墨等高導熱材料制成；空心管由銅合金或不銹鋼材料制成，空心管內采用的冷卻介質為空氣、氮氣、水、油等各種流體。所述的高導熱殼體的形狀為弧形或半圓形。

所述的支撐單元可由不銹鋼或鋁合金等材料制成，形狀可為圓筒形(空心圓柱體)、空心長方體、空心多面柱等，主要功能是支撐電磁線圈和冷卻單元。所述的支撐單元頂部設置有進水口和出水口，可以通入冷卻水，對電磁線圈實施冷卻。所述的支撐單元上部設有凸起部分，便于與升降機構相連接。

所述的熔體處理器主要功能是對合金熔體從內部施加電磁場和冷卻作用；所述的升降機構主要功能用來控制熔體處理器準確植入熱頂和結晶器內；所述的熱頂、結晶器和引錠主要功能是實現熔體的半連續鑄造。

本發明的裝置特別適用于制備直徑≥600mm或尺寸≥400mm×1600mm的超大規格鋁合金鑄錠，在連續或半連續鑄造過程中，可從合金熔體內部施加電磁攪拌和強制冷卻。

一種超大規格鋁合金鑄錠的制備方法，包括如下步驟：基于上述裝置，在鑄錠半連續鑄造過程進入穩定狀態后，首先將熔體處理器通過升降機構深入到熱頂和/或結晶器內；然后使冷卻介質從空心管入口進入，螺旋下降到達底部空心管，沿空心管出口流出，冷卻介質通過冷卻單元底部的高導熱殼體與熔體換熱，實現對內部合金熔體的強制冷卻；最后對熔體處理器的電磁線圈施加交變電流，產生自內而外的電磁攪拌力，通過與合金熔體冷卻的耦合作用，進一步加速熔體的換熱和傳質，均勻合金熔體的溫度場和成分場，實現超大規格鋁合金鑄錠的細晶均質鑄造。

所述的熔體處理器，鑄造過程中植入到熱頂或結晶器高度位置，控制冷卻單元的高導熱殼體底部與結晶器結晶帶位置或底部平齊，熔體處理器設置數量可以是一個或多個。

所述的熔體處理器，工作過程中對電磁線圈施加交變電流，電磁線圈的安匝數為5000～20000At，施加的電流頻率為0.5～50Hz。

所述的熔體處理器，工作過程中對冷卻單元施加強制冷卻，空心管中的冷卻介質可為空氣、氮氣、水等，冷卻介質流量為0～2500L/min，冷卻強度為100～5000W/(m²·k)。

本發明的創新性和技術進步主要體現在：

1.相比傳統半連續鑄造方法，本發明創造性地將熔體處理器植入到合金熔體內部，產生的電磁力實現了合金熔體自內而外的剪切攪拌，極大地加快了大體積熔體心部與邊部的傳熱和傳質，使得熔體的溫度場和成分場更加均勻，導致超大規格鑄錠的凝固組織細小均勻，成分偏析顯著降低。

2.相比傳統半連續鑄造方法，本發明創造性地將熔體處理器植入到合金熔體內部，實現對合金熔體施加電磁場和強制冷卻的耦合處理，可以有效地減小大體積熔體心部和邊部的溫差，顯著降低了液穴深度，極大地改善了初期坯殼的均勻生長，減小鑄錠的熱裂傾向

3.相比傳統半連續鑄造方法，本發明方法簡單可行，實施效果好，易與實現工業化生產。制備的超大規格鑄錠表面光滑，組織細小均勻，大幅降低后續均質化和加工成本，鑄造速度快，顯著提高了生產效率。

附圖說明

圖1是本發明裝置的結構示意圖。

圖2是本發明裝置的熔體處理器示意圖。

主要附圖標記說明：

1 升降機構 2 熱頂

3 熔體處理器 4 熔體

5 水箱 6 結晶器

7 鑄錠 8 引錠

9 空心管入口 10 支撐單元進水口

11 電磁線圈 12 支撐單元

13 保溫單元 14 底部空心管

15 空心管出口 16 支撐單元出水口

17 高導熱殼體

具體實施方式

本發明可以根據以下實例實施，但不限于此，這些實施例只是為了舉例說明本發明實施過程，而非以任何方式限制本發明的范圍，在以下的實施例中，未詳細描述的各種過程和方法是本領域中公知的常規方法。

如圖1所示，為本發明超大規格鋁合金鑄錠的制備裝置，主要由熔體處理器3、熱頂2、結晶器6、引錠8和升降機構1組成。熱頂2置于結晶器6的上方，引錠8位于結晶器6的下方，熔體處理器3通過支撐單元12的凸起部分與升降機構1相連，升降機構1固定于水箱5上，鑄造過程中熔體處理器3置于熱頂2和/或結晶器6的內部，結晶器6的固定安裝在水箱5上。

熔體處理器3的結構示意圖如圖2所示，其主要由電磁線圈11、保溫單元13、冷卻單元和支撐單元12組成。其具體結構為：電磁線圈11固定于支撐單元12內部，保溫單元13固定于支撐單元12外部，冷卻單元固定于支撐單元12下部。冷卻單元由底部空心管14和高導熱殼體17組成，底部空心管14的入口和出口分別為空心管入口9和空心管出口15。支撐單元12的進水口和出水口分別為支撐單元進水口10和支撐單元出水口16。

電磁線圈11可由實芯銅導線或銅管繞制而成，外圍由絕緣橡膠包裹，根據連接方式不同可產生旋轉磁場、行波磁場或復合磁場。

保溫單元13可由陶瓷、石棉等保溫材料制成，厚度為10mm～50mm，包覆在支撐單元12的側面外圍。

冷卻單元的高導熱殼體17可由銅合金或石墨等高導熱材料制成；底部空心管14的材質為銅合金或不銹鋼等，底部空心管14螺旋盤繞于高導熱殼體17內部并與其緊密接觸，空心管入口9和空心管出口15分別延伸至支撐單元12頂部之上，底部空心管14內通入的冷卻介質為空氣、氮氣、水、油等各種流體。高導熱殼體17的形狀可為弧形或半圓形。

支撐單元12可由不銹鋼或鋁合金等材料制成，形狀可為圓筒形(空心圓柱體)、空心長方體、空心多面柱等，其上表面設置有支撐單元進水口10和支撐單元出水口16，可以通入冷卻水，對電磁線圈實施冷卻。支撐單元12上部設有凸起部分，便于與升降機構1相連接。采用本發明制備超大規格鋁合金鑄錠的方法為：鑄造過程中，首先將熱頂2和引錠8預熱，經精煉處理的合金熔體4通過熱頂2到達結晶器6，熔體4液面升至要求高度，開始連鑄，引錠8緩慢下降，冷卻水流量緩慢加大，待鑄造過程進入穩定狀態，將一個或多個熔體處理器3通過升降機構1植入熱頂2和/或結晶器6內，冷卻介質從空心管入口9進入，然后螺旋下降到達底部空心管14，沿空心管出口15流出，通過冷卻單元底部的高導熱殼體17與熔體4實現換熱，冷卻心部熔體。與此同時對電磁線圈11施加交變電流，產生自內而外的電磁力，通過電磁力與強制冷卻相互耦合作用，加速熔體的換熱和傳質，均勻熔體溫度場和成分場，實現超大規格鋁合金鑄錠7的細晶均質鑄造。

鑄造過程中，將熔體處理器3植入到熱頂2或結晶器6高度位置，控制冷卻單元的高導熱殼體17底部與結晶器6結晶帶位置或底部平齊，熔體處理器3設置數量可以是一個或多個。

工作過程中，對熔體處理器3的電磁線圈11施加交變電流，從而對合金熔體4施加電磁場，電磁線圈11的安匝數為5000～20000At，施加電流頻率為0.5～50Hz。

工作過程中，對熔體處理器3的冷卻單元施加強制冷卻，底部空心管14中的冷卻介質為空氣、氮氣或水等，冷卻介質流量為50～2500L/min，冷卻強度為100～5000W/(m²·k)。

實施例1

某大型鋁加工企業生產Φ788mm規格的7005鋁合金鑄錠，對鑄錠質量有嚴格要求：不允許存在羽毛狀晶粒、裂紋、氣孔、白斑；疏松不超過2級；光亮晶粒不超過10點，每點≤3mm；晶粒度低倍小于2級；夾渣：外徑≤750mm要求不多于2點、單點面積≤0.3平方毫米，外徑>750mm要求不多于4點、單點面積≤0.2平方毫米。

采用本發明生產的7005鋁合金鑄錠，裝置結構參數為：保溫單元13材質為陶瓷材料，壁厚為30mm；支撐單元12的材質為不銹鋼，外尺寸為Φ300mm；冷卻單元的高導熱殼體17材質為彌散銅合金，底部空心管14材質為純銅；熔體處理器3、熱頂2和結晶器6同心放置，高導熱殼體17的底端與結晶器6的底端平齊。電磁線圈11的安匝數為12500At。

具體制備方法如下：

澆注前首先將熱頂2和引錠8要充分預熱至120℃，將鑄造溫度為720℃的7005鋁合金熔體4通過熱頂2注入結晶器6，待熔體4液面距離熱頂2頂部30mm時，啟動連鑄設備，調節鑄造速度從0mm/s緩慢升至0.5mm/s，同時二冷區冷卻水流量逐漸加大到200L/min。待鑄造過程進入穩定狀態后，首先對熔體處理器3施加強制冷卻，冷卻單元中的冷卻介質為水，流量為80L/min；然后對熔體處理器3的電磁線圈11施加交變電流，電流大小為125A，頻率為5Hz，產生的磁場類型為旋轉磁場，在此基礎上調節鑄造速度從0.5mm/s緩慢升至1.0mm/s，直到鑄造過程結束。

將本發明方法制備的Φ788鋁合金鑄錠進行質量分析檢測，未發現存在羽毛狀晶粒、光亮晶粒、疏松、裂紋、氣孔、白斑、夾渣等缺陷。晶粒度低倍達到1級；鑄造速度較普通半連續鑄造方法提高了1倍。

實施例2

某大型鋁加工企業制備規格為560mm×2240mm的5052鋁合金扁錠，要求鑄錠內部無裂紋、氣孔和夾雜；鑄錠底部取低倍試片疏松不大于二級；鑄錠晶粒度不大于二級，且橫向和縱向晶粒尺寸偏差不超過15％；偏析瘤高度低于4mm。

采用本發明生產的5052鋁合金扁錠，裝置結構參數為：保溫單元13材質為高溫陶瓷，厚度40mm；支撐單元12材質為不銹鋼，外尺寸為Φ200mm；冷卻單元的高導熱殼體17材質為彌散銅合金，底部空心管14材質為純銅；兩個熔體處理器3在熱頂2和結晶器6內部等距排開，中心距為700mm。高導熱殼體17的底端與結晶器6的底端平齊。電磁線圈11的安匝數為17500At。

具體制備方法如下：

澆注前首先將熱頂2和引錠8要充分預熱至120℃，鑄造溫度為690℃的5052鋁合金熔體4通過熱頂2注入結晶器6，待熔體4液面距離熱頂2頂部30mm時，啟動連鑄設備，鑄造速度從0mm/s緩慢升至0.6mm/s，二冷區冷卻水流量逐漸加大到350L/min。待鑄造過程進入穩定狀態后，首先對熔體處理器施加冷卻，冷卻單元中的冷卻介質為水，流量為100L/min；然后對熔體處理器的電磁線圈11施加交變電流，電流大小為150A，頻率為10Hz，產生的磁場類型為行波磁場，同時調節鑄造速度從0.6mm/s緩慢升至1.1mm/s，直到鑄造過程結束。

在鑄造速度高于同規格同牌號鋁合金正常鑄造速度的條件下，通過本發明制備的5052鋁合金扁鑄錠內部無裂紋、氣孔、疏松和夾雜；鑄錠低倍晶粒度達到一級，且橫向和縱向晶粒尺寸偏差僅為4％；鑄錠表面光滑、無偏析瘤缺陷；鑄造速度較普通半連續鑄造方法提高近1倍。

本發明的超大規格鋁合金鑄錠的制備裝置及方法的基本原理是對連續鑄造過程熱頂或結晶器內的合金熔體從內部施加電磁場和強制冷卻，加速合金熔體心部的換熱與傳質，提高熔體溫度場和成分場的均勻性，實現超大規格鋁合金鑄錠的細晶均質鑄造。本發明解決了傳統半連續鑄造方法生產超大規格鋁合金鑄錠容易出現表面偏析瘤、組織粗大不均勻、成分偏析嚴重、鑄造速度慢等問題。本發明結構簡單、方法可行、實施效果顯著、生產效率高、易與大工業生產相結合，在航空航天、軌道交通、船舶等制造領域具有廣闊的工業應用前景。