一种大规格细晶均质铝合金铸锭的制备装置及方法与流程

本发明属于金属材料加工领域，特别涉及一种大规格细晶均质铝合金铸锭的制备装置及方法。

背景技术：

大规格铝合金铸锭在航空航天、轨道交通、船舶等大型装备领域的作用举足轻重。但是采用传统半连续铸造方法制备的大规格铝合金铸锭不可避免地存在组织粗大不均匀、成分偏析严重、易开裂等缺陷问题，导致产品质量差且成品率低，不能满足高端制造业对优质的大规格高强铝合金材料的需求。

电磁场具有非接触、能量密度高、清洁和可精确设计与控制等特点，在金属材料制备成形领域发挥着越来越大的作用。美国专利us4229210、us4434837公开了几种制备金属半固态浆料或连铸坯料的电磁搅拌方法，其原理是利用强烈的电磁感应力抑制初生枝晶的析出，制备球状或粒状初晶半固态金属浆料以及半固态的连铸坯料。但是由于交变电磁场的集肤效应，随着铸锭尺寸增加，搅拌作用在铸锭边部和心部差别较大，铸锭组织成分均匀性难以控制，通常制备的半固态坯料尺寸不能超过6英寸。

为了改善传统电磁搅拌法的不均匀性，中国专利cn101745629a公开了一种环缝式电磁搅拌制备半固态合金浆料的方法，其主要原理是：在熔体处理室的中心设置圆形激冷棒，激冷棒的外壁和熔体处理室的内壁之间形成一个圆形环形窄缝。对狭窄环形缝隙内的合金熔体实施电磁搅拌处理，有效避免电磁感应趋肤效应导致的搅拌力的不均匀性，熔体温度场更加均匀，组织成分均匀性较传统电磁搅拌方法有明显改善。但是随着铸锭尺寸的增加，心部与边部温差增大，由于铸造过程中熔体由外到内这一单一的冷却模式，该方法也无法有效控制熔体内温度场和成分场的均匀性，因此铸锭尺寸超过12英寸时组织成分均匀性变差。

技术实现要素：

本发明所针对的是大规格铝合金铸锭，制备该类型铸锭有很大的难点，特别是对于高合金化7xxx系列铝合金，难度更大。其一，铸造过程中容易产生宏微观偏析，导致成分组织性能的偏差，铸锭热裂趋向较大，高合金化合金铸锭这些现象尤为突出；其二，制备大规格铸锭，凝固过程中径向温差较大，冷却不均匀性更明显， 导致组织粗大不均匀，成分偏析严重。为了从根本上解决大规格铸锭存在的组织粗大不均匀、成分偏析、易开裂等缺陷问题，本发明提出了一种大规格细晶均质铝合金铸锭的制备方法及其装置。

本发明的主要技术思想是：对半连续铸造过程中的合金熔体施加均匀冷却和电磁搅拌耦合处理，增加铸锭凝固过程中的冷却维度，强化凝固过程熔体的立体化对流，保证大体积合金熔体温度场和成分场的均匀性，实现大体积熔体的强制均匀凝固，从而制备出大规格细晶均质铝合金铸锭。

为实现以上发明的目的，采用以下技术方案：

一种大规格细晶均质铝合金铸锭的制备装置，该装置主要由均匀冷却器、热顶、电磁搅拌器、结晶器、引锭组成；所述的热顶设置于结晶器的上方，所述的电磁搅拌器设置在热顶和结晶器外围，所述的引锭位于结晶器下方，所述的均匀冷却器设置于结晶器内，所述的均匀冷却器由内管和外管组成。

均匀冷却器的外管的上部为绝热端，下部为冷却端；内管包括螺旋内管及分别设置在螺旋内管入口和出口的入口端和出口端，螺旋内管以螺旋方式设置在外管的冷却端内。

均匀冷却器外管的冷却端为半球形，半球外径为100～800mm，采用耐高温导热材料制成，如石墨、铜、钼、钛及其复合材料；绝热端为圆筒形且与下部冷却端平滑过度，外径不大于冷却端半球外径，外径尺寸为100～800mm，厚度为3～20mm，厚度与冷却端相同，采用耐高温绝热陶瓷材料制成。

冷却端的最大半径处设有叶片，叶片数为0～8，优选为3～5个，叶片宽度为10～100mm，叶片厚度为2～8mm，叶片转动时具有向下带动熔体流动的效果，向下带动熔体向冷却端底部汇集，叶片采用耐高温材料制成，如铜、钼、钛、陶瓷及其复合材料。

内管由导热性良好的材料制成，如铜、钢、钛及其合金与复合材料；内管内径为2～30mm，厚度0.5～5mm，螺旋内管的螺旋数位3～50，螺旋间距为0～10mm，优选为3～5mm。

螺旋内管的入口设置在外管冷却端的底部中心，螺旋内管的出口设在外管绝缘端的底部，冷却介质经入口端从螺旋内管入口进入到达外管冷却端中心，通过底部内管螺旋上升到外管绝热端处，然后从内管出口经出口端出来。

所述的均匀冷却器个数为一个或多个，设置于结晶器高度位置，均匀冷却器底部与结晶器平齐；所述的电磁搅拌器为旋转电磁搅拌器、行波电磁搅拌器或复合电磁搅拌器等。

均匀冷却器设置在半连续铸造平台上，半连续铸造过程中，均匀冷却器设置到结晶器内，冷却介质从内管入口进入并到达均匀冷却器底部中心，然后螺旋上升，通过底部导热材料与熔体换热，从而冷却心部熔体，均匀冷却器冷却效果从底部边部到中心逐渐增强，在电磁搅拌和冷却器冷却端叶片机械转动耦合作用下，结合结晶器对熔体的外部冷却作用，实现对熔体立体的、全方位的冷却散热的目的。

基于上述装置，本发明还提出了一种大规格细晶均质铝合金铸锭的制备方法，将电磁搅拌器设置在热顶和结晶器外围，一个或多个均匀冷却器设置在半连续铸造平台上，铸造过程中沿热顶深入到结晶器内，从熔体内部对熔体施加均匀冷却。

一种大规格细晶均质铝合金铸锭的制备方法，具体的工艺方法如下：半连续铸造过程中，首先将热顶和引锭预热，经精炼处理的合金熔体通过热顶到达结晶器，熔体液面升至要求高度，开始连铸，引锭缓慢下降，冷却水流量缓慢加大，待铸造过程进入稳定状态，将均匀冷却器深入到结晶器内，施加均匀冷却处理和电磁搅拌处理，使大体积合金熔体的温度场和成分场分布均匀，得到大规格细晶均质铝合金铸锭。

在半连续铸造过程中，均匀冷却器深入到结晶器高度位置，均匀冷却器底部与结晶器平齐，可以设置一个或多个。整套装置的旋转速度为0～300r/min，优选为50～150r/min。

均匀冷却器中的冷却介质为空气、氮气、氩气、水、油等各种流体，冷却介质流量为0～2000l/min，液体冷却介质流量优选为10～50l/min，气体冷却介质流量优选为500～1000l/min。

半连续铸造过程中的均匀冷却处理是在铸锭制备过程设置一个或多个均匀冷却器；电磁搅拌处理为旋转电磁搅拌、行波电磁搅拌或复合电磁搅拌等。

对半连铸过程的合金熔体施加均匀冷却处理，冷却强度为500～5000w/(m²·k)，对半连铸过程的合金熔体施加电磁搅拌处理，熔体的剪切速率为10～2000s^-1，直到铸造过程结束。

均匀冷却器设置在半连续铸造平台上，铸造过程中深入到结晶器内，从熔体内部对熔体施加均匀冷却；均匀冷却器由外管和内管构成。内管使用导热材料制成，冷却介质从内管入口进入，达到均匀冷却外管冷却端，经过底部盘旋式内管，冷却介质通过冷却端与熔体换热，冷却熔体，然后从内管出口流出。外管冷却端带有叶片，叶片强制熔体向下流动，使熔体不断地向下补充到液穴当中，起到动态连续均匀冷却的效果。

本发明的大规格细晶均质铝合金铸锭的制备方法和装置，在半连续铸造平台上 设置冷却器和电磁搅拌器，使铸锭在半连续铸造过程中受到均匀冷却和电磁搅拌处理，提高合金凝固过程温度场和成分场的均匀性。

上述装置和方法可用于在半连续铸造设备中制备直径大于300mm的铝合金圆锭和厚度大于300mm的铝合金扁锭。

本发明的创新性及技术进步主要体现在：

1、相比传统半连续铸造方法，本发明在结晶器内部放置均匀冷却器，能有效带走金属熔体心部热量，结合结晶器的外部冷却作用，创造性地改变了传统连铸过程中只有从外到内单方向传热的方式，增加了凝固过程中的冷却维度，实现了多维度强制均匀凝固模式。因此，铸造速度提高，液穴深度变浅，凝固组织细小均匀，成分偏析显著降低，热裂倾向变小，生产效率也大幅度提高。

2、本发明在半连续铸造过程中将施加结晶器内均匀冷却和结晶器外电磁搅拌处理巧妙结合，通过控制均匀冷却器的旋转、冷却及其表面特殊的叶片式结构设计以及与电磁搅拌的相互耦合作用，可使整个熔体产生立体化强制对流，在提高冷却强度的基础上，显著改善温度场和成分场的均匀性，从根本上解决高合金化高强铝合金铸锭组织粗大不均匀、宏观偏析、开裂等问题。

3、本发明制备的大规格铸锭晶粒细小，成分均匀，表面光滑，铸造速度快，显著降低后续均质化和加工成本，提高了生产效率和成材率。整套方法简单可行，实施效果好，可实现工业化生产。

附图说明

图1是本发明装置的结构示意图。

图2是本发明的均匀冷却器截面图。

图3-a和图3-b分别是本发明方法和普通半连续铸造制备的7055铝合金铸锭微观组织。

图4是本发明方法和普通半连续铸造制备的7055铝合金铸锭半径方向成分分布。

主要附图标记说明：

1冷却器2热顶

3熔体4结晶器

5电磁搅拌器6铸锭

7引锭8内管出口端

9内管入口端10绝热端

11叶片12螺旋内管

13冷却端

具体实施方式

本发明可以根据以下实例实施，但不限于此，这些实施例只是为了举例说明本发明实施过程，而非以任何方式限制本发明的范围，在以下的实施例中，未详细描述的各种过程和方法是本领域中公知的常规方法。

如图1所示，本发明大规格细晶均质铝合金铸锭的制备装置主要由均匀冷却器1、热顶2、电磁搅拌器5、结晶器4、引锭7组成；热顶2设置于结晶器4的上方，电磁搅拌器5设置在热顶2和结晶器4外围，引锭7位于结晶器4下方，均匀冷却器1设置在半连续铸造平台上，铸造过程中设置于结晶器4内，均匀冷却器1由内管和外管组成。

均匀冷却器1的外管的上部为绝热端10，下部为冷却端13；内管包括螺旋内管12及分别设置在螺旋内管12入口和出口的内管入口端9和内管出口端8，螺旋内管12以螺旋方式设置在外管的冷却端13内。

均匀冷却器1外管的绝热端10为圆筒形且与下部冷却端13平滑过度，外径为100～800mm且不大于冷却端13半球外径，厚度为3～20mm，采用耐高温绝热陶瓷材料制成；冷却端13为半球形，半球直径为100～800mm，厚度与绝热端10相同，采用耐高温导热材料制成，如石墨、铜、钼、钛及其复合材料。

冷却端13的半球最大半径处设有叶片11，叶片数为0～8，叶片11宽度为10～100mm，叶片11厚度为2～8mm，叶片11转动时具有向下带动熔体流动的效果，向下带动熔体3向冷却端13底部汇集，叶片11采用耐高温材料制成，如铜、钼、钛、陶瓷及其复合材料。

内管由导热性良好的材料制成，如铜、钢、钛及其合金与复合材料；内管内径为2～30mm，厚度0.5～5mm，螺旋内管12的螺旋数位3～50，螺旋间距为0～10mm。螺旋内管12的入口设置在外管冷却端13的底部中心，螺旋内管12的出口设在外管绝缘端10的底部，冷却介质经内管入口端9从螺旋内管12入口进入到达外管冷却端13中心，通过底部内管螺旋上升到外管绝热端10处，然后从内管出口经内管出口端8出来。

均匀冷却器1个数为一个或多个，设置于结晶器4高度位置；电磁搅拌器5为旋转电磁搅拌器、行波电磁搅拌器或复合电磁搅拌器等，搅拌方式可以为旋转电磁搅拌、行波电磁搅拌或复合电磁搅拌等。

采用本发明制备大规格铝合金铸锭的方法为：电磁搅拌器5设置在热顶2和结晶器4外围，一个或多个均匀冷却器1设置在半连续铸造平台上，铸造过程中沿热 顶深入到结晶器4内，从熔体内部对熔体3施加均匀冷却。

半连续铸造过程中，首先将热顶2和引锭7预热，经精炼处理的合金熔体3通过热顶2到达结晶器4，熔体3液面升至要求高度，开始连铸，引锭7缓慢下降，冷却水流量缓慢加大，待铸造过程进入稳定状态，将均匀冷却器1深入到结晶器4内，施加均匀冷却处理和电磁搅拌处理，实现对大体积合金熔体温度场和成分场均匀性的有效控制。

在半连续铸造过程中，均匀冷却器深入到结晶器高度位置，可以设置一个或多个。整套装置的旋转速度为0～300r/min。均匀冷却器中的冷却介质为空气、氮气、氩气、水、油等各种流体，冷却介质流量为0～2000l/min。

对半连铸过程的合金熔体施加均匀冷却处理，冷却强度为500～5000w/(m²·k)，半连续铸造过程中的电磁搅拌处理为旋转电磁搅拌、行波电磁搅拌或复合电磁搅拌等，熔体的剪切速率为10～2000s^-1。

本发明的均匀冷却器1由内管和外管组成，外管上部绝热端10使用耐高温绝热材料制成，外管底部冷却端13使用耐高温导热材料制成，内管使用导热材料制成，冷却介质从内管入口端9进入，达到均匀冷却器1冷却端13，经过底部盘旋式内管，冷却介质通过与冷却端13换热冷却熔体3，然后从内管出口端8流出，冷却端13带有叶片11，使用过程中，均匀冷却器1转动，带动熔体3向均匀冷却器冷却端13汇集，通过与电磁搅拌处理巧妙结合，可实现熔体连续动态均匀过冷，熔体经过均匀冷却器底部冷却，继续向下流动进入液穴糊状区，实现熔体的连续动态均匀冷却和强制补缩，最终制备出细晶均质大规格铸锭。

实施例1

某铝加工企业制备φ582mm规格7055铝合金铸锭，对铸锭内部组织成分均匀性有严格要求，横断面平均晶粒尺寸要小于180μm，晶粒尺寸偏差要求控制在8％以内，合金元素偏析率控制在6％以内。

采用本发明生产直径为582mm的7055铝合金圆铸锭，装置结构示意图如图1所示。冷却器1设置在铸造平台上，冷却器1外径为300mm，冷却器1、热顶2和结晶器4同心，冷却器1底端与结晶器4的底端平齐。电磁搅拌器5设置在结晶器4的外周，电磁搅拌方式采用旋转电磁搅拌。

冷却器1内管采用纯铜制备，内管内径为10mm，厚度1mm，螺旋数为20，螺旋间距为3mm；外管绝热端10采用耐高温绝热陶瓷制成，外径为300mm，厚度为10mm，下部冷却端13直径为350mm，用石墨制成，叶片11数为3，叶片11宽度为50mm。

在连铸过程中，待熔体3进入结晶器4内，启动连铸设备，铸造进入稳定状态后开启均匀冷却器1，冷却介质为水，流量为10l/min，转速为60r/min。

具体工艺过程如下：

1.熔炼：将7055铝合金锭加入中频感应炉中，辅以氮气保护，快速熔化，熔炼速率为1200kg/h，熔体3温度达到750℃，保温并搅拌15min，搅拌后静置10min后，去除表面浮渣，转炉精炼；

2.精炼：将熔体3转移至电阻保温炉内，施加氮气保护，熔体3温度控制在730℃。首先，添加精炼剂对熔体3进行精炼处理，保温静置10min，然后添加al-zr中间合金进行微合金化处理，并辅以立体式复合电磁搅拌，搅拌时间为10min，最后，再次对熔体3进行精炼处理，保温静置10min，熔体3温度控制在720℃，开始浇铸；

3.半连续铸造：首先热顶2和引锭7要充分预热至120℃，熔体3通过热顶注入结晶器4，待熔体3液面距离热顶2顶部30mm时，启动连铸设备，铸造速度缓慢升至1.5mm/s，冷却水流量逐渐加大到10l/s，铸造进入稳定状态，施加均匀冷却处理，冷却强度为1000w/(m²·k)，然后开启电磁搅拌，剪切速率在120s^-1，直到铸造过程结束。

通过对比本发明和普通半连续铸造制备的7055铝合金φ582mm圆铸锭，铸锭质量检测结果表明：如图3-a和图3-b及图4所示，图4中a表示采用本发明制备的7055铝合金铸锭，b表示普通半连续铸造制备的7055铝合金铸锭，采用本发明制备的铸锭断面组织细小均匀，平均晶粒尺寸为152μm，晶粒尺寸偏差为6.37％；与普通半连续铸造对比分析，本发明制备的铸锭合金元素zn、mg、cu的均匀性都有明显改善，合金元素zn的偏析率为4.38％，mg的偏析率为4.51％，cu的偏析率为5.24％，因此采用本发明制备的铸锭成分均匀性大大提高，满足客户要求。

实施例2

某铝加工企业制备规格为520mm×1560mm的7050铝合金扁锭，对铸锭内部组织成分均匀性有严格要求，平均晶粒尺寸要小于156μm，晶粒尺寸偏差控制在6％以内，合金元素的最大偏析率控制在6％以内，表面无褶皱，内部无裂纹。

采用本发明生产520mm×1560mm的7050铝合金扁锭，装置结构示意图如图1所示。冷却器1直径为200mm，设置在铸造平台，3个冷却器呈一字排开均匀布置，插入结晶器内，中心距为440mm，冷却器1底端与结晶器4的底端平齐。电磁搅拌器5设置在结晶器4的外周，电磁搅拌方式采用行波电磁搅拌。

冷却器1内管采用纯铜制备，内管内径为8mm，厚度1mm，螺旋数为15，螺 旋间距为0mm；外管绝热端10采用耐高温绝热陶瓷制成，直径为200mm，厚度为10mm，下部冷却端13半球直径为300mm，用高纯石墨制成，叶片11数为4，叶片11宽度为50mm。

在连铸过程中，待熔体3进入结晶器4内，启动连铸设备，铸造稳定后开启均匀冷却器1和电磁搅拌器5，冷却介质为水，流量为12l/min，转速为60r/min。

具体工艺过程如下：

1.熔炼：将7050铝合金锭加入中频感应炉中，辅以氮气保护，快速熔化，熔炼速率为1500kg/h，熔体3温度达到760℃，保温并搅拌10min，搅拌后静置8min后，去除表面浮渣，转炉精炼；

2.精炼：将熔体3转移至电阻保温炉内，施加氮气保护，熔体3温度控制在740℃。首先，添加精炼剂对熔体3进行精炼处理，保温静置10min，然后添加al-zr中间合金进行微合金化处理，并辅以立体式复合电磁搅拌，搅拌时间为10min，最后，再次对熔体3进行精炼处理，保温静置10min，熔体3温度控制在730℃，开始浇铸；

3.半连续铸造：首先热顶2和引锭7要充分预热至100℃，熔体3通过热顶2注入结晶器4，待熔体3液面距离热顶顶部30mm时，启动连铸设备，铸造速度缓慢升至1.2mm/s，冷却水流量逐渐加大到15l/s，铸造进入稳定状态，施加均匀冷却处理，冷却强度为1400w/(m²·k)，然后开启电磁搅拌，剪切速率在100s^-1，直到铸造过程结束。

通过本发明制备得到7050铝合金扁铸锭，表面光滑、无褶皱；经检测：铸锭内部无裂纹，组织细小均匀，平均晶粒尺寸为143μm，晶粒尺寸偏差为4.63％；成分均匀，zn、mg和cu元素偏析率分别为3.32％、3.56％和4.17％，满足要求。

针对传统半连续铸造方法制备大规格铝合金铸锭容易出现的组织粗大、不均匀、成分偏析、易开裂等缺陷问题，在半连续铸造过程中，本发明通过对合金熔体施加结晶器内均匀冷却和结晶器外电磁搅拌的耦合特殊处理，实现对大体积合金熔体温度场和成分场均匀性的有效控制，发展了大铸锭内外多维度强制均匀冷却的凝固模式，制备出组织均匀细小、成分均匀的大规格铝合金铸锭。本发明结构简单、方法可行、效果显著、生产效率高、易与大工业生产相结合，在航空航天、轨道交通、船舶等制造领域具有广阔的工业应用前景。