一种双冷场连续制备大规格铝合金圆铸锭的工艺

摘要

本发明涉及一种双冷场连续制备大规格铝合金圆铸锭的工艺，属于铝合金加工领域。一种双冷场连续制备大规格铝合金圆铸锭的工艺，所述工艺为热顶铸造工艺，具体为：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。与现有技术相比，本发明所述方法从根本上解决了大规格铸锭铸造过程中熔体心部冷却速度较慢，径向温度梯度较大的问题，可以生产出大规格高质量的铝合金圆铸锭。

权利要求

1.一种双冷场连续制备大规格铝合金圆铸锭的工艺，其特征在于：所述工艺为热顶铸造工艺，具体为：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，所述铝合金冷料的分布方式包括圆环状、方列状、十字状；

所述向铝合金熔体1/6～1/3半径圆环区域内插入若干与铝合金熔体成分相同的铝合金冷料；所述铝合金冷料为铝合金圆棒，所述的铝合金圆棒的截面直径为3～30mm；插入铝合金圆棒的数量为5～50根；

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，所述工艺于热顶铸造装置中进行，其中所述热顶铸造装置主要包括热顶(3)、石墨环(4)、冷却水箱(5)、结晶器(2)和引锭头(7)；所述冷却水箱(5)环绕于结晶器(2)外部，所述的热顶(3)位于结晶器(2)内部上半部，热顶(3)下方为石墨环(4)，所述的引锭头(7)位于结晶器(2)内部石墨环(4)下沿，引锭头(7)下部连接铸造机，所述的冷却水箱(5)下部有环状出水孔(8)，所述出水孔(8)排出的水流方向与重力方向之间的夹角角度为20～40度，使从出水孔(8)排出的水可排至圆铸锭上。

2.根据权利要求1所述的工艺，其特征在于：将铝合金熔体经热顶(3)引至引锭头(7)上部，当熔体凝固出坯壳时，铸造机牵引引锭头(7)向下运动；从热顶(3)正上方持续插入若干铝合金冷料，铝合金冷料的下移速度保证熔体心部温度在铝合金液相线温度或高于液相线温度10℃以内。

说明书

一种双冷场连续制备大规格铝合金圆铸锭的工艺

技术领域

[0001] 本发明涉及一种双冷场连续制备大规格铝合金圆铸锭的工艺，属于铝合金加工领域。

背景技术

[0002] 铝合金作为飞机和航天器、汽车、高速列车等工业产品轻量化的首选材料，在航空航天、交通运输、军工等行业应用十分广泛。其中，大型运输机、铁道车辆上应用的大型挤压型材、油品运输要求的大径管材等对铝合金材料的大型化和整体化的要求越来越高，而这些材料的制备是建立在大规格高品质的铝合金铸锭的基础上，半连续铸造是应用最普遍的生产铸锭的方式。美国Alcoa铝业公司于1953年成功首次开发出铝合金的半连续铸造技术。半连续铸造工艺可以实现工艺流程的自动化，提高生产效率，节约生产成本，可以保证产品的质量且铝合金收得率高，是铝合金工业生产中极为重要且应用广泛的凝固手段。传统的直接水冷半连续铸造由于熔体内外冷却强度不一样，铸锭心部和边部的温差较大，导致横截面上心部晶粒组织较为粗大，合金元素宏观偏析，铸锭表面偏析瘤，裂纹等缺陷。

[0003] 基于上述问题，中国专利CN104561704A公开了一种大尺寸7055铝合金圆铸锭生产工艺，采用了热顶铸造方法并结合了阶梯式铸造工艺。热顶铸造即在结晶器上部装有耐火材料套制成一贮槽，铸造过程中，贮槽中的熔体进入结晶器前的热量散失较小，熔体温度稳定在设定的浇铸温度。热顶铸造技术的应用，使有效结晶区高度变小，降低了一次冷却强度，结晶器二次冷却作用增加，提高了铸锭的表面质量，一定程度上改善了铸锭内部质量，减少了夹渣、气孔等缺陷。阶梯式铸造工艺即铸造过程中低速度时采用低水流量，高速度时采用高水流量，这有效地提高了铸锭的表面质量，但心部晶粒依然较大，没有从根本上解决铸锭心部与边部温差大，心部冷却较慢的问题。中国专利CN205236991U发明了一种制备大规格高品质铝合金铸锭的装置，该装置将分区给气结晶器与均匀搅拌器和电磁搅拌器相结合，均匀冷却器深入到结晶器内，在熔体内部对熔体冷却，这有效地改善了熔体内部冷却速率较慢的问题，但是由于冷却器外壁温度过低，熔体容易在冷却器表面形核长大，尤其是熔体液面与空气及冷却器接触部位，这使生产难度加大，生产效率降低。

发明内容

[0004] 针对现有技术存在的问题，本发明提出一种可以改善铸造过程中熔体心部与边部温差较大，提高生产效率的制备大规格高质量的铝合金圆铸锭的装置和工艺，其主要思想为在热顶铸造的基础上，向结晶器中熔体心部至1/2半径圆周区域插入数根材料成分与熔体相同的铝合金冷料，在传热的作用下，冷料迅速熔化，这为心部熔体提供了一个冷却场，有效地解决了大规格铸锭铸造过程中心部冷却较慢的问题。

[0005] 一种双冷场连续制备大规格铝合金圆铸锭的工艺，所述工艺为热顶铸造工艺，具体为：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，

[0006] 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。

[0007] 本发明所述铸锭工艺中，将实心铝合金圆棒插入熔体中，圆棒截面的中心位于熔体圆形截面1/2半径圆周区域内。

[0008] 本发明所述铸锭工艺中，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至(铝合金液相线温度+10℃)之间。

[0009] 本发明所述实心铝合金圆棒均匀分布于熔体心部区域内，其分布方式包括圆环状、方列状、十字状；进一步优选为圆环状，更优选为多个圆环状分布。

[0010] 本发明所述熔体心部的温度可利用现有技术公开的温度测试装置测得，此外，该温度测试可与控制装置相连，用于控制铝合金冷料插入熔体的速度，以保持熔体心部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。更进一步地，优选测试熔体圆形截面圆心处的温度，保持截面圆心处的温度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。

[0011] 进一步地，优选所述向铝合金熔体1/6～1/2半径圆环区域内插入若干与铝合金熔体成分相同的铝合金冷料；更进一步地，优选所述向铝合金熔体1/6～1/3半径圆环区域内插入若干与铝合金熔体成分相同的铝合金冷料。

[0012] 更进一步地，所述的铝合金圆棒的截面直径为3～30mm；插入铝合金圆棒的数量为5～50根。

[0013] 所述的铝合金冷料的数量及尺寸随铸造合金的尺寸而变化。当铸造合金规格较大时，插入冷料的直径较大，数量较多；当铸造合金规格相对较小时，插入冷料的直径较小，数量较少。

[0014] 进一步地，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。

[0015] 本发明所述铸造工艺优选所述热顶铸造工艺于热顶铸造装置中进行，其中，所述热顶铸造装置主要包括热顶、石墨环、冷却水箱、结晶器和引锭头；所述冷却水箱环绕于结晶器外部，所述的热顶位于结晶器内部上半部，热顶下方为石墨环，所述的引锭头位于结晶器内部石墨环下沿，引锭头下部连接铸造机。

[0016] 优选地，所述的石墨环采用多孔石墨制备。

[0017] 进一步地，所述的冷却水箱下部有环状出水孔，所述出水孔排出的水流方向与重力方向之间的夹角角度为20～40度，使从出水孔排出的水可排至圆铸锭上。

[0018] 所述出水孔可为一排或多排，根据铸锭大小进行调整。

[0019] 进一步地，将铝合金熔体经热顶引至引锭头上部，当熔体凝固出坯壳时，铸造机牵引引锭头向下运动；从热顶正上方持续插入若干铝合金冷料，铝合金冷料的下移速度保证熔体心部温度在铝合金液相线温度或高于液相线温度10℃以内。

[0020] 更进一步地，所述的铝合金冷料，在铸造过程开始前，呈圆环形位于热顶近心部正上方；铸造过程开始后，往熔体中输送。

[0021] 本发明在上述装置的基础上提供了一种连续制备大规格铝合金圆铸锭的新工艺，合金熔体经热顶至引锭头上部，熔体液面至设定高度时，铸造机牵引引锭向下运动。从热顶心部至1/2半径区域内正上方位置持续插入数根与铸造合金成分相同的铝合金冷料，在传热的作用下，冷料迅速熔化，这为心部熔体提供一个冷却场。在石墨环和铝合金冷料双冷却场的共同作用下，对熔体实现一次冷却。形成凝固坯壳后，在铸造机的牵引下，持续往下运动，在二次冷却的作用下，完成凝固过程。

[0022] 本发明所述连续制备铝合金圆铸锭的工艺一个优选的技术方案为：

[0023] (1)将铝合金冷料固定在结晶器正上方；铸造机托举引锭头升入结晶器内，引锭头上沿高于石墨环下沿1～3mm，引锭头位于设定位置后，打开冷却水开关，冷却水通过结晶器下部的出水孔喷出；

[0024] (2)将稳定在铸造温度的熔体浇入到热顶内，熔体经热顶和结晶器到达引锭头上部，当熔体凝固出坯壳时，铸造机牵引引锭头向下运动，连续铸造过程开始；当铸造过程稳定后，位于熔体上方的铝合金冷料向下插入，通过热电偶测温控制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；

[0025] (3)当熔体液面下降至热顶下方时，停止插入冷料，将铝合金圆棒升到结晶器上方；铸造结束后，关闭冷却水，得到大规格高质量的铝合金铸锭。

[0026] 本发明的有益效果为：与现有技术相比，本发明所体现的优点是：

[0027] (1)从熔体心部区域插入铝合金冷料，为熔体心部提供一个冷却场，在石墨环与铝合金冷料双冷却场的作用下，降低心部与边部的温度梯度，促使心部与边部尽可能地同时凝固，避免了二次冷却前的局部重熔；同时冷料与熔体成分相同，不污染熔体。这个方法从根本上解决了大规格铸锭铸造过程中熔体心部冷却速度较慢，径向温度梯度较大的问题，可以生产出大规格高质量的铝合金圆铸锭。

[0028] (2)利用本发明生产的铸锭晶粒细小，成分均匀，合金铸锭内部质量得到大幅度提高，改善了合金的加工性，为下一步的深加工提供良好地坯料。

[0029] (3)本发明的装置简单可行，节约成本，工业化应用可行。在传统的热顶铸造基础上，只需要相同合金成分的铝合金冷料以及冷料固定与输送装置。铝合金冷料可以通过挤压、拉拔或轧制获得，固定与输送装置可以自行设计或者从市场上采购，简单易得。

附图说明

[0030] 图1为双冷场制备大规格铝合金圆铸锭的装置，附图标记如下：

[0031] 图中，1.铝合金冷料，2.结晶器，3.热顶，4.石墨环，5.冷却水箱，6.铸锭，7.引锭头；

[0032] 图2为实施例2所得样品铸锭的微观组织图，其中：(a)普通半连续铸造铸锭的心部微观组织图；(b)本发明装置制备的铸锭的心部微观组织图。

具体实施方式

[0033] 下述非限制性实施例可以使本领域的普通技术人员更全面地理解本发明，但不以任何方式限制本发明。

[0034] 下述实施例中所述试验方法，如无特殊说明，均为常规方法；所述试剂和材料，如无特殊说明，均可从商业途径获得。

[0035] 如图1所示，本发明制备大规格铝合金圆铸锭的装置，包括结晶器2、热顶3、石墨环4、冷却水箱5、铸锭6、引锭头7。结晶器2内，上部设置热顶3，下部设置石墨环4；冷却水箱5环绕于结晶器2外部。铸造开始前，铝合金冷料1位于热顶3近心部正上方，如图1所示；引锭头7初始位置位于石墨环4内，引锭头7下部接连铸造机，用以铸造过程中向下牵引铸锭6。所述的冷却水箱下部有环状出水孔，所述出水孔排出的水流方向与重力方向之间的夹角角度为
40度，使从出水孔排出的水可排至圆铸锭上。

[0036] 本发明制备大规格铝合金圆铸锭的工艺，包括如下步骤：合金熔体经热顶3至引锭头7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3心部正上方位置持续插入数根与铸造合金成分相同的铝合金冷料1，在传热的作用下，冷料迅速熔化。在石墨环4和铝合金冷料1双冷却场的共同作用下，对熔体实现一次冷却。形成凝固坯壳后，在铸造机的牵引下，持续往下运动，在二次冷却的作用，完成凝固过程。

[0037] 下述实施例中，所述心部温度通过将热电偶插入圆柱形的熔体中心获得。

[0038] 实施例1

[0039] 铸造一批规格为Φ200mm的2A12铝合金铸锭

[0040] 所用装置中热顶内径：100mm；石墨环高度：32mm；冷料的数量及尺寸：5根Φ3mm；插入位置为：铝合金圆棒呈十字形插入，十字中心的棒材圆形与熔体圆心重合，其余各圆棒圆心距离熔点圆心距离为40mm。

[0041] (1)将5根直径为3mm的2A12铝合金冷料固定在热顶正上方50mm。铸造机托举引锭头升入结晶器内，引锭头上沿高于石墨环下沿2mm，引锭头位于设定位置后，打开冷却水开关，冷却水通过冷却水箱进入结晶器，并通过结晶器下部的出水孔喷出，使其可以作用于铸锭表面。

[0042] (2)将稳定在690～700℃的熔体经流槽浇入到热顶内，熔体经热顶和结晶器到达引锭头上部，当熔体凝固出坯壳时，铸造机牵引引锭头7向下运动，连续铸造过程开始。当铸造过程稳定后，位于熔体上方的铝合金圆棒向下插入，通过热电偶测温控制熔体心部温度始终保持在638～648℃。

[0043] (3)铸造过程将要结束即当熔体液面下降至热顶下方时，停止插入铝合金冷料。铸造结束后，关闭冷却水，得到大规格高质量的铝合金铸锭。

[0044] 实施例2

[0045] 铸造一批规格为Φ300mm的2024铝合金铸锭，

[0046] 所用装置中热顶内径：196mm；石墨环高度：32mm；冷料的数量及尺寸：9根Φ10mm插入位置为：均匀环形插入，铝合金圆棒截面圆心距熔体圆心点为50mm。

[0047] (1)将9根直径为10mm的2024铝合金冷料固定在热顶正上方50mm。铸造机托举引锭头升入结晶器内，引锭头上沿高于石墨环下沿2mm，引锭头位于设定位置后，打开冷却水开关，冷却水通过冷却水箱进入结晶器，并通过结晶器下部的出水孔喷出，使其可以作用于铸锭表面。

[0048] (2)将稳定在690～700℃的熔体经流槽浇入到热顶内，熔体经热顶和结晶器到达引锭头上部，当熔体凝固出坯壳时，铸造机牵引引锭头7向下运动，连续铸造过程开始。当铸造过程稳定后，位于熔体上方的铝合金圆棒向下插入，通过热电偶测温控制熔体心部温度始终保持在638～648℃。

[0049] (3)铸造过程将要结束即当熔体液面下降至热顶下方时，停止插入铝合金冷料。铸造结束后，关闭冷却水，得到大规格高质量的铝合金铸锭。

[0050] 在不插入铝合金冷料，即无心部冷却场的条件下，保持其他步骤相同，生产直径为300mm的铝锭作为实施例1的对比组。

[0051] 普通半连续铸造铸锭和本发明装置制备的铸锭的心部微观组织如图2(a)和图2(b)所示。普通半连续铸造铸锭心部晶粒为枝晶状，大小不均匀，平均尺寸约为120μm；本发明装置制备的铸锭心部晶粒呈近球形非枝晶组织，大小较为均匀，平均尺寸约为37μm。对比可知，本发明制备的铝合金铸锭心部晶粒更加细小均匀。

[0052] 实施例3

[0053] 铸造一批规格为Φ500mm的7075合金铸锭。

[0054] 所用装置中热顶内径：378mm；石墨环高度：35mm；冷料的数量及尺寸：16根Φ15mm；插入位置为：铝合金圆棒呈正方形排布，每一排4个圆棒，相邻两个圆棒距离25mm，且正方形中心与熔体圆心重合。

[0055] 工艺与实施例2所述工艺相同，不同在于：步骤(2)中熔体稳定在720～730℃；插入铝合金冷料后熔体心部温度保持在635～645℃。

[0056] 实施例4

[0057] 铸造一批规格为Φ700mm的2A11合金铸锭。

[0058] 所用装置中热顶内径：560mm；石墨环高度：38mm；冷料的数量及尺寸：30根Φ20mm；插入位置为：铝合金圆棒呈环形排布，第一环距熔体圆心70mm，均布8根；第二环距熔体圆心
140mm，均布22根。

[0059] 工艺与实施例2所述工艺相同，不同在于：步骤(2)中熔体稳定在710～720℃；插入铝合金冷料后熔体心部温度保持在639℃～649℃

[0060] 实施例5

[0061] 铸造一批规格为Φ1000mm的7050合金铸锭。

[0062] 所用装置中热顶内径：850mm；石墨环高度：40mm；冷料的数量及尺寸：50根Φ30mm；插入位置为：铝合金圆棒呈环形排布，第一环距熔体圆心60mm，均布6根；第二环距熔体圆心
150mm，均布14根；第三环距熔体圆心240mm，均布30根。

[0063] 工艺与实施例2所述工艺相同，不同在于：步骤(2)中熔体稳定在720～730℃插入铝合金冷料后熔体心部温度保持在635℃～645℃。