一种铝合金立式铸轧工艺及装置的制作方法

本发明涉及一种铝合金立式铸轧工艺及装置，属于铝合金板坯加工领域。

背景技术：

目前，工业用铝板坯主要通过热轧法和铸轧法生产。热轧法应用广泛，适用于各系铝合金板坯的生产。但其工序步骤繁多，液态铝合金成型为板坯需经过半连续铸锭、加热、开坯、铣面、加热、热轧等，耗能十分巨大。铸轧法是液态铝合金直接浇入两个内部通水的轧辊间，在极短的时间内完成凝固和轧制两个过程，生产出铝板坯。铸轧法是一种近终成型技术，流程短，耗能低，更符合我国未来工业发展模式。

在铸轧生产过程中，尤其对于高强铝合金，合金元素含量高，两相区温度范围巨大，其铸轧板坯中存在严重的宏观偏析。传统铸轧工艺为发挥亚快速凝固的优势，板坯通常厚度较小，在6～8mm之间，热轧与冷轧的加工余量较小，不足以消除板坯的组织缺陷。经后续热处理工艺，虽然板坯内部缺陷有所改善，但最终冷轧板材性能仍不如热轧法板材。因此，提高板坯厚度增加后续加工压下量，并最大限度地消除板坯宏观偏析，铸轧板材的质量将大幅提高。立式铸轧因具有更大的冷却接触弧长，不存在重力偏析等优势，更为适合生产较厚板坯。若要降低厚板铸轧中的宏观偏析，必须要降低浇铸温度，可以采用金液相线浇铸和半固态浆料直接浇铸的方法。但对于两相区温度范围十分巨大的铝合金(如7000系铝合金)，即使采用近液相线浇铸，熔池中心温度仍然过高，偏析消除效果不明显。而半固态浆料的制备十分困难，实际操作中很难实现。

技术实现要素：

针对铸轧法生产较厚铝合金板坯存在的中心线偏析问题，本发明的目的在于提出一种铝合金板坯的铸轧工艺和铸轧装置。该工艺和装置通过向熔池中心添加同种铝合金板的方式，降低铸轧凝固过程板坯内外的温度梯度，减小宏观偏析，细化晶粒。

本发明的技术方案是：

一种铝合金立式铸轧装置，该装置包括铸轧辊、夹送辊、石墨挡块、喷水冷却装置，具体结构如下：

铸轧辊为两个相对设置，每个铸轧辊内通冷却水；石墨挡板于两个铸轧辊之间的上方与铸轧辊的表面完全贴合，并与铸轧辊时刻保持相对位置不变，石墨挡板与两个铸轧辊之间形成熔体的腔室；石墨挡板的上方相对设置夹送辊，夹送辊中心线与铸轧辊中心线在同一直线上，铝板竖向设置于两个夹送辊之间，铝板的下端伸至熔体中；喷水冷却装置在两个铸轧辊之间的下方，位于板坯出坯的两侧。

所述的铝合金立式铸轧装置，喷水冷却装置的喷水口朝向板坯出口位置，用于向铸轧区出口处的板坯表面喷冷却水，使熔体凝固顺序改为由铸轧区前端向后的水平凝固，避免板坯的表面和中心带状偏析。

所述的铝合金立式铸轧装置，铸轧辊水平放置，板坯出坯的方向与地面垂直。

所述的铝合金立式铸轧装置，喷水冷却装置的冷却水与铸轧辊内的冷却水由同一个水源提供。

所述装置的铝合金立式铸轧工艺，包括如下步骤：

(1)配料熔炼：根据所要铸轧铝合金的标准成分，将各添加元素进行配比和称重，当铝液温度达到规定值时，按规定加入添加元素并保温，之后对熔体进行扒渣，转入静置炉静置，对熔体除气；

(2)处理板材：选择常温铝板，铝板与所要铸轧板坯为同种铝合金，通过打磨清除板材表面氧化皮、灰尘；

(3)铸轧。

所述的铝合金立式铸轧工艺，铸轧方式一如下：

铸轧机设定为恒定轧制力，预设铸轧机辊缝为铝板厚度1～5mm，将铝板竖直置于两铸轧辊之间，启动铸轧机，向熔池内浇入铝液，浇铸温度为近液相线温度；待立板后，通过调整铸轧速度控制板厚度，铸轧速度为1m/min～10m/min。

所述的铝合金立式铸轧工艺，铸轧方式二如下：

铸轧机设定为恒定轧制力，铸轧机初始辊缝为零，将铝板置于铸轧辊辊缝上方；启动铸轧机，向熔池内浇入铝液，浇铸温度为近液相线温度，随后将铝板插入辊缝中心；待立板后，通过调整铸轧速度控制板厚度，铸轧速度为1m/min～10m/min。

与现有技术相比，本发明的的特点和有益效果是：

(1)本发明通过添加常温同种材质铝板的方式，有效的降低熔池中心温度，从而减小板坯凝固过程的内外温度差，减弱甚至消除板坯的中心线偏析问题。

(2)本发明通过铸轧法生产出组织成分均匀的铝合金中厚板坯，以便为后续通过增加冷热轧制压下量来提高成品材性能提供可能。

(3)本发明运用铸轧区出口处喷水冷却的方法改变铸轧区内熔体的凝固顺序，将传统铸轧法中由板坯表面向中心凝固的顺序改为由铸轧区前端向后的水平凝固，有效避免板坯的表面和中心带状偏析。

附图说明

图1为本发明装置的示意图。其中，1、铸轧辊，2、冷却水，3、石墨挡板，4、熔体，5、夹送辊，6、铝板，7、板坯，8、喷水冷却装置。

图2a-图2b为6181铝合金板坯中心带状偏析对比图。图2a、常规铸轧6181铝合金板坯；图2b、实施例2制备的板坯。

图3a-图3b为5052铝合金板坯中心带状偏析对比图。图3a、常规铸轧5052铝合金板坯；图3b、实施例3制备的板坯。

图4a-图4b为7050铝合金板坯宏观偏析及组织对比图。图4a、常规铸轧7050铝合金板坯；图4b、实施例4制备的板坯。

具体实施方式

下面，通过实施例和附图对本发明进一步详细阐述。

实施例1

如图1所示，本发明铝合金板坯的铸轧装置，包括铸轧辊1、石墨挡板3、夹送辊5、喷水冷却装置8等，具体结构如下：

铸轧辊1为两个相对设置，每个铸轧辊1内通冷却水2，铸轧辊1水平放置，板坯7出坯的方向与地面垂直；石墨挡板3在两个铸轧辊1之间的上方与铸轧辊1的表面完全贴合，并与铸轧辊1时刻保持相对位置不变，石墨挡板3与两个铸轧辊1之间形成熔体4的腔室；石墨挡板3的上方相对设置夹送辊5，夹送辊5中心线与铸轧辊1中心线在同一直线上，铝板6竖向设置于两个夹送辊5之间，铝板6的下端伸至熔体4中；喷水冷却装置8在两个铸轧辊1之间的下方，位于板坯7出坯的两侧，喷水冷却装置8的喷水口朝向板坯出口位置，用于向铸轧区出口处的板坯7表面喷冷却水，防止铝板表面重熔，并使熔体4凝固顺序改为由铸轧区前端向后的水平凝固，从而有效避免板坯的表面和中心带状偏析。另外，喷水冷却装置的冷却水与铸轧辊内的冷却水可以由同一个水源提供。

实施例2

本实施例中，板坯厚度为40mm的6181铝合金的铸轧方法，利用实施例1中的装置，具体步骤如下：

(1)配料熔炼：按6181铝合金标准成分(wt％)si:1.0，fe:0.45，cu:0.1，mn:0.15，mg:0.8，cr:0.10，zn:0.2，al:余量，将工业纯铝锭、镁锭、铝硅中间合金配比并称重，在熔炼炉内于730～750℃熔炼2小时，然后在静置炉内静置1小时，再于700～720℃进行精炼，每2小时除渣一次，得到精炼后的铝合金液，最后除气；

(2)熔体输送：将熔体通过溜槽输送至前箱，将到达前箱的熔体温度控制在685±2℃；

(3)铸轧：铸轧辊初始辊缝为零，铸轧辊外径为500mm，铸轧速度设定为1m/min，冷却水压力设定为0.2～0.4mpa，水温设定为25℃；3mm厚6181铝板通过夹送辊置于辊缝上方，将铝合金熔体浇入熔池内，随后迅速将铝板伸入辊缝；立板成功后，当铸轧板出铸轧区长度达到100±10mm时，开启喷水冷却装置，压力为0.2～0.4mpa；当铸轧板坯长度达到要求值时，关闭冷却水，将轧辊速度降至0m/min，结束铸轧。

由图2a-图2b可以看出，通过本发明的铸轧装置和方法制备的6181铝合金中厚板坯，与常规铸轧铝合金板坯相比，无明显的中心线偏析现象。

实施例3

本实施例中，板坯厚度为40mm的5052铝合金的铸轧方法，利用实施例1中的装置，具体步骤如下：

(1)配料熔炼：按5052铝合金标准成分(wt％)si:0.25，fe:0.4，cu:0.1，mn:0.1，mg:2.5，cr:0.25，al:余量，将工业纯铝锭、镁锭、铝锰中间合金、铝铬中间合金等配比并称重，先将工业纯铝熔化并设定温度在750℃，之后加入上述添加元素并保温2小时，扒渣后将铝液转入静置炉静置1小时以上，最后除气；

(2)熔体输送：将熔体通过溜槽输送至前箱，将到达前箱的熔体温度控制在690±2℃；

(3)铸轧：铸轧辊初始辊缝为零，铸轧辊外径为500mm，铸轧速度设定为1m/min，冷却水压力设定为0.2～0.4mpa，水温设定为25℃；3mm厚5052铝板通过夹送辊置于辊缝上方，将铝合金熔体浇入熔池内，随后迅速将铝板伸入辊缝；立板成功后，当铸轧板出铸轧区长度达到100±10mm时，开启喷水冷却装置，压力为0.2～0.4mpa；当铸轧板坯长度达到要求值时，关闭冷却水，将轧辊速度降至0m/min，结束铸轧。

由图3a-图3b可以看出，通过本发明的铸轧装置和方法制备的5052铝合金中厚板坯，与常规铸轧铝合金板坯相比，无明显的中心线偏析现象。

实施例4

本实施例中，板坯厚度为20mm的7050铝合金的铸轧方法，利用实施例1中的装置，具体步骤如下：

(1)配料熔炼：按7050铝合金标准成分(wt％)si:0.12，fe:0.15，cu:2.3，zn:6.0，mg:2.3，zr:0.12，al:余量，将工业纯铝锭、镁锭、锌锭、铝铜中间合金、铝锆中间合金等配比并称重，先将工业纯铝熔化并设定温度在750℃，之后加入上述添加元素并保温2小时，扒渣后将铝液转入静置炉静置1小时以上，最后除气；

(2)熔体输送：将熔体通过溜槽输送至前箱，将到达前箱的熔体温度控制在670±2℃；

(3)铸轧：铸轧辊初始辊缝为零，铸轧辊外径为500mm，铸轧速度设定为1m/min，冷却水压力设定为0.2～0.4mpa，水温设定为25℃；3mm厚7050铝板通过夹送辊置于辊缝上方，将铝合金熔体浇入熔池内，随后迅速将铝板伸入辊缝；立板成功后，当铸轧板出铸轧区长度达到100±10mm时，开启喷水冷却装置，压力为0.2～0.4mpa；当铸轧板坯长度达到要求值时，关闭冷却水，将轧辊速度降至0m/min，结束铸轧。

由图4a-图4b可以看出，通过本发明的铸轧装置和方法制备的7050铝合金中厚板坯，与常规铸轧铝合金板坯相比，中心线偏析有所改善、气孔减少、晶粒细化。