一种超大规格铝合金铸锭的制备装置及方法与流程

本发明涉及一种超大规格铝合金铸锭的制备装置及方法，属于金属材料加工领域。

背景技术：

超大规格铝合金特别是高合金化的高强铝合金铸锭在航空航天、轨道交通、船舶等大型装备制造业的作用举足轻重。采用传统半连续铸造方法制备的超大规格铝合金铸锭不可避免地存在表面质量差、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。而且铸锭尺寸越大，合金化程度越高，这些缺陷就越突出。而这些问题的解决与合金熔体凝固过程温度场和成分场均匀化控制有很大关系，因此开发高效的熔体处理方法就显得至关重要。

电磁搅拌法由于具有不污染金属、可精确控制、易与大工业生产对接等优点被认为是最具有应用前景的熔体处理方法。国外专利DE2029443公开了一种在连铸过程中施加行波电磁场的方法，这种方法将感应线圈平行布置于金属熔体外部，通过利用交变电磁场及在其金属液中产生感应电流交互作用产生的洛伦滋力对金属液形成剧烈地搅拌作用，可减小温度梯度，减少成分偏析，获得更好的显微组织。但是由于交变电磁场趋肤效应的存在，电磁力在熔体内部的分布呈指数式衰减，整个熔体所受搅拌作用是不均匀的，而且随着合金熔体体积的增大，熔体边部和心部的搅拌作用差别也越大，铸锭组织和成分的不均匀性也越来越明显，因此铸锭尺寸受到很大限制。

为了克服传统电磁搅拌法搅拌不均匀的问题，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，其设计思想是在熔体处理室中心插入圆形芯棒，使得在芯棒外壁和熔体处理室内壁之间形成环形窄缝，让合金熔体在狭窄的环形缝隙内接受电磁搅拌剪切处理，搅拌的均匀性较传统电磁搅拌法得到明显改善。而且通过对搅拌腔体结构的巧妙设计，剪切强度也能显著提高，使熔体受到搅拌更加均匀，温度场和成分场在整个熔体体积内分布更加均匀。但是上述这些方法的电磁场均是从结晶器外部施加，随着铸锭尺寸的增大，不但熔体心部的搅拌效果会变差，而且由于线圈与金属熔体存在着较大的气隙，使得电磁场强度的衰减非常严重，电磁场的利用率很低。

技术实现要素：

普通半连续铸造方法生产超大规格铝合金铸锭，技术难点或存在的问题主要表现为：其一，由于铸锭单一的由外向内的冷却方式，冷却强度有限，液穴较深，温度梯度很大，导致凝固组织异常粗大且分布不均匀，尤其对于高合金化的高强铝合金还易发生开裂问题；其二，铸锭凝固过程熔体温度场和成分场的均匀性难以控制，使得初期凝壳生长很不均匀，铸锭表面易产生褶皱、偏析瘤等问题，铸造速度很慢，铸锭成品率低，加工成本高。针对普通半连续铸造方法存在的不足，本发明提出了一种超大规格铝合金铸锭的制备装置及方法。

本发明的主要创新思想是：连续铸造过程中将熔体处理器沿热顶或结晶器中心位置插入熔体内部，对合金熔体从内部施加电磁场和强制冷却，加速超大规格铸锭内部熔体的传热与传质，均匀熔体的温度场和成分场，提高铸锭冷却强度和铸造速度，减少或消除铸造缺陷，实现超大规格铝合金铸锭细晶均质铸造。

为实现以上发明的目的，采用以下技术方案：

一种超大规格铝合金铸锭的制备装置，该装置主要包括熔体处理器、升降机构、热顶、结晶器、水箱和引锭几部分；热顶安装在结晶器上方，引锭置于结晶器下方，熔体处理器与升降机构相连接，结晶器固定在水箱上，升降机构固定于水箱上，铸造过程中通过升降机构将熔体处理器置于热顶和/或结晶器的内部。

所述的熔体处理器主要由电磁线圈、保温单元、冷却单元和支撑单元组成。所述的电磁线圈固定于支撑单元内部，所述的保温单元固定于支撑单元外部，所述的冷却单元固定于支撑单元下部。所述的熔体处理器数量可为1个或多个。

所述的电磁线圈由实芯铜导线或铜管绕制而成，实芯铜导线或铜管外围由绝缘橡胶包裹，根据连接方式不同分为产生旋转磁场的电磁线圈、产生行波磁场的电磁线圈或产生复合磁场的电磁线圈。所述的电磁线圈在工作过程中通以交变电流，可产生旋转磁场、行波磁场或复合磁场，对合金熔体施加搅拌剪切处理。

所述的保温单元由陶瓷、石棉等保温材料制成，厚度为10mm～50mm，固定于支撑单元侧面的外部(即包覆在支撑单元的侧面外围)；在工作过程中主要阻隔熔体与支撑单元直接接触，保护支撑单元内部的电磁线圈免受高温熔体的损害。

所述的冷却单元由高导热壳体和底部空心管组成，空心管螺旋盘绕于高导热壳体内部并与其紧密接触，空心管的入口和出口分别延伸至支撑单元(保温单元)顶部之上。工作过程中通以冷却介质，对熔体施加强制冷却处理。高导热壳体可由铜合金或石墨等高导热材料制成；空心管由铜合金或不锈钢材料制成，空心管内采用的冷却介质为空气、氮气、水、油等各种流体。所述的高导热壳体的形状为弧形或半圆形。

所述的支撑单元可由不锈钢或铝合金等材料制成，形状可为圆筒形(空心圆柱体)、空心长方体、空心多面柱等，主要功能是支撑电磁线圈和冷却单元。所述的支撑单元顶部设置有进水口和出水口，可以通入冷却水，对电磁线圈实施冷却。所述的支撑单元上部设有凸起部分，便于与升降机构相连接。

所述的熔体处理器主要功能是对合金熔体从内部施加电磁场和冷却作用；所述的升降机构主要功能用来控制熔体处理器准确植入热顶和结晶器内；所述的热顶、结晶器和引锭主要功能是实现熔体的半连续铸造。

本发明的装置特别适用于制备直径≥600mm或尺寸≥400mm×1600mm的超大规格铝合金铸锭，在连续或半连续铸造过程中，可从合金熔体内部施加电磁搅拌和强制冷却。

一种超大规格铝合金铸锭的制备方法，包括如下步骤：基于上述装置，在铸锭半连续铸造过程进入稳定状态后，首先将熔体处理器通过升降机构深入到热顶和/或结晶器内；然后使冷却介质从空心管入口进入，螺旋下降到达底部空心管，沿空心管出口流出，冷却介质通过冷却单元底部的高导热壳体与熔体换热，实现对内部合金熔体的强制冷却；最后对熔体处理器的电磁线圈施加交变电流，产生自内而外的电磁搅拌力，通过与合金熔体冷却的耦合作用，进一步加速熔体的换热和传质，均匀合金熔体的温度场和成分场，实现超大规格铝合金铸锭的细晶均质铸造。

所述的熔体处理器，铸造过程中植入到热顶或结晶器高度位置，控制冷却单元的高导热壳体底部与结晶器结晶带位置或底部平齐，熔体处理器设置数量可以是一个或多个。

所述的熔体处理器，工作过程中对电磁线圈施加交变电流，电磁线圈的安匝数为5000～20000At，施加的电流频率为0.5～50Hz。

所述的熔体处理器，工作过程中对冷却单元施加强制冷却，空心管中的冷却介质可为空气、氮气、水等，冷却介质流量为0～2500L/min，冷却强度为100～5000W/(m²·k)。

本发明的创新性和技术进步主要体现在：

1.相比传统半连续铸造方法，本发明创造性地将熔体处理器植入到合金熔体内部，产生的电磁力实现了合金熔体自内而外的剪切搅拌，极大地加快了大体积熔体心部与边部的传热和传质，使得熔体的温度场和成分场更加均匀，导致超大规格铸锭的凝固组织细小均匀，成分偏析显著降低。

2.相比传统半连续铸造方法，本发明创造性地将熔体处理器植入到合金熔体内部，实现对合金熔体施加电磁场和强制冷却的耦合处理，可以有效地减小大体积熔体心部和边部的温差，显著降低了液穴深度，极大地改善了初期坯壳的均匀生长，减小铸锭的热裂倾向

3.相比传统半连续铸造方法，本发明方法简单可行，实施效果好，易与实现工业化生产。制备的超大规格铸锭表面光滑，组织细小均匀，大幅降低后续均质化和加工成本，铸造速度快，显著提高了生产效率。

附图说明

图1是本发明装置的结构示意图。

图2是本发明装置的熔体处理器示意图。

主要附图标记说明：

1 升降机构 2 热顶

3 熔体处理器 4 熔体

5 水箱 6 结晶器

7 铸锭 8 引锭

9 空心管入口 10 支撑单元进水口

11 电磁线圈 12 支撑单元

13 保温单元 14 底部空心管

15 空心管出口 16 支撑单元出水口

17 高导热壳体

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，为本发明超大规格铝合金铸锭的制备装置，主要由熔体处理器3、热顶2、结晶器6、引锭8和升降机构1组成。热顶2置于结晶器6的上方，引锭8位于结晶器6的下方，熔体处理器3通过支撑单元12的凸起部分与升降机构1相连，升降机构1固定于水箱5上，铸造过程中熔体处理器3置于热顶2和/或结晶器6的内部，结晶器6的固定安装在水箱5上。

熔体处理器3的结构示意图如图2所示，其主要由电磁线圈11、保温单元13、冷却单元和支撑单元12组成。其具体结构为：电磁线圈11固定于支撑单元12内部，保温单元13固定于支撑单元12外部，冷却单元固定于支撑单元12下部。冷却单元由底部空心管14和高导热壳体17组成，底部空心管14的入口和出口分别为空心管入口9和空心管出口15。支撑单元12的进水口和出水口分别为支撑单元进水口10和支撑单元出水口16。

电磁线圈11可由实芯铜导线或铜管绕制而成，外围由绝缘橡胶包裹，根据连接方式不同可产生旋转磁场、行波磁场或复合磁场。

保温单元13可由陶瓷、石棉等保温材料制成，厚度为10mm～50mm，包覆在支撑单元12的侧面外围。

冷却单元的高导热壳体17可由铜合金或石墨等高导热材料制成；底部空心管14的材质为铜合金或不锈钢等，底部空心管14螺旋盘绕于高导热壳体17内部并与其紧密接触，空心管入口9和空心管出口15分别延伸至支撑单元12顶部之上，底部空心管14内通入的冷却介质为空气、氮气、水、油等各种流体。高导热壳体17的形状可为弧形或半圆形。

支撑单元12可由不锈钢或铝合金等材料制成，形状可为圆筒形(空心圆柱体)、空心长方体、空心多面柱等，其上表面设置有支撑单元进水口10和支撑单元出水口16，可以通入冷却水，对电磁线圈实施冷却。支撑单元12上部设有凸起部分，便于与升降机构1相连接。采用本发明制备超大规格铝合金铸锭的方法为：铸造过程中，首先将热顶2和引锭8预热，经精炼处理的合金熔体4通过热顶2到达结晶器6，熔体4液面升至要求高度，开始连铸，引锭8缓慢下降，冷却水流量缓慢加大，待铸造过程进入稳定状态，将一个或多个熔体处理器3通过升降机构1植入热顶2和/或结晶器6内，冷却介质从空心管入口9进入，然后螺旋下降到达底部空心管14，沿空心管出口15流出，通过冷却单元底部的高导热壳体17与熔体4实现换热，冷却心部熔体。与此同时对电磁线圈11施加交变电流，产生自内而外的电磁力，通过电磁力与强制冷却相互耦合作用，加速熔体的换热和传质，均匀熔体温度场和成分场，实现超大规格铝合金铸锭7的细晶均质铸造。

铸造过程中，将熔体处理器3植入到热顶2或结晶器6高度位置，控制冷却单元的高导热壳体17底部与结晶器6结晶带位置或底部平齐，熔体处理器3设置数量可以是一个或多个。

工作过程中，对熔体处理器3的电磁线圈11施加交变电流，从而对合金熔体4施加电磁场，电磁线圈11的安匝数为5000～20000At，施加电流频率为0.5～50Hz。

工作过程中，对熔体处理器3的冷却单元施加强制冷却，底部空心管14中的冷却介质为空气、氮气或水等，冷却介质流量为50～2500L/min，冷却强度为100～5000W/(m²·k)。

实施例1

某大型铝加工企业生产Φ788mm规格的7005铝合金铸锭，对铸锭质量有严格要求：不允许存在羽毛状晶粒、裂纹、气孔、白斑；疏松不超过2级；光亮晶粒不超过10点，每点≤3mm；晶粒度低倍小于2级；夹渣：外径≤750mm要求不多于2点、单点面积≤0.3平方毫米，外径>750mm要求不多于4点、单点面积≤0.2平方毫米。

采用本发明生产的7005铝合金铸锭，装置结构参数为：保温单元13材质为陶瓷材料，壁厚为30mm；支撑单元12的材质为不锈钢，外尺寸为Φ300mm；冷却单元的高导热壳体17材质为弥散铜合金，底部空心管14材质为纯铜；熔体处理器3、热顶2和结晶器6同心放置，高导热壳体17的底端与结晶器6的底端平齐。电磁线圈11的安匝数为12500At。

具体制备方法如下：

浇注前首先将热顶2和引锭8要充分预热至120℃，将铸造温度为720℃的7005铝合金熔体4通过热顶2注入结晶器6，待熔体4液面距离热顶2顶部30mm时，启动连铸设备，调节铸造速度从0mm/s缓慢升至0.5mm/s，同时二冷区冷却水流量逐渐加大到200L/min。待铸造过程进入稳定状态后，首先对熔体处理器3施加强制冷却，冷却单元中的冷却介质为水，流量为80L/min；然后对熔体处理器3的电磁线圈11施加交变电流，电流大小为125A，频率为5Hz，产生的磁场类型为旋转磁场，在此基础上调节铸造速度从0.5mm/s缓慢升至1.0mm/s，直到铸造过程结束。

将本发明方法制备的Φ788铝合金铸锭进行质量分析检测，未发现存在羽毛状晶粒、光亮晶粒、疏松、裂纹、气孔、白斑、夹渣等缺陷。晶粒度低倍达到1级；铸造速度较普通半连续铸造方法提高了1倍。

实施例2

某大型铝加工企业制备规格为560mm×2240mm的5052铝合金扁锭，要求铸锭内部无裂纹、气孔和夹杂；铸锭底部取低倍试片疏松不大于二级；铸锭晶粒度不大于二级，且横向和纵向晶粒尺寸偏差不超过15％；偏析瘤高度低于4mm。

采用本发明生产的5052铝合金扁锭，装置结构参数为：保温单元13材质为高温陶瓷，厚度40mm；支撑单元12材质为不锈钢，外尺寸为Φ200mm；冷却单元的高导热壳体17材质为弥散铜合金，底部空心管14材质为纯铜；两个熔体处理器3在热顶2和结晶器6内部等距排开，中心距为700mm。高导热壳体17的底端与结晶器6的底端平齐。电磁线圈11的安匝数为17500At。

具体制备方法如下：

浇注前首先将热顶2和引锭8要充分预热至120℃，铸造温度为690℃的5052铝合金熔体4通过热顶2注入结晶器6，待熔体4液面距离热顶2顶部30mm时，启动连铸设备，铸造速度从0mm/s缓慢升至0.6mm/s，二冷区冷却水流量逐渐加大到350L/min。待铸造过程进入稳定状态后，首先对熔体处理器施加冷却，冷却单元中的冷却介质为水，流量为100L/min；然后对熔体处理器的电磁线圈11施加交变电流，电流大小为150A，频率为10Hz，产生的磁场类型为行波磁场，同时调节铸造速度从0.6mm/s缓慢升至1.1mm/s，直到铸造过程结束。

在铸造速度高于同规格同牌号铝合金正常铸造速度的条件下，通过本发明制备的5052铝合金扁铸锭内部无裂纹、气孔、疏松和夹杂；铸锭低倍晶粒度达到一级，且横向和纵向晶粒尺寸偏差仅为4％；铸锭表面光滑、无偏析瘤缺陷；铸造速度较普通半连续铸造方法提高近1倍。

本发明的超大规格铝合金铸锭的制备装置及方法的基本原理是对连续铸造过程热顶或结晶器内的合金熔体从内部施加电磁场和强制冷却，加速合金熔体心部的换热与传质，提高熔体温度场和成分场的均匀性，实现超大规格铝合金铸锭的细晶均质铸造。本发明解决了传统半连续铸造方法生产超大规格铝合金铸锭容易出现表面偏析瘤、组织粗大不均匀、成分偏析严重、铸造速度慢等问题。本发明结构简单、方法可行、实施效果显著、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。