专利名称：铝带坯电磁铸轧技术与设备的制作方法
技术领域：
本发明涉及铝材加工领域。
现有的铝板带坯连续铸轧工艺虽然比传统的熔铸-热轧减少了工序，节约了能源，提高了产品成品率，但必须在铸轧过程中添加适当的变质剂细化晶粒，才能使铝带坯质量、性能达到一般的使用要求；而铝板带坯的深冲性能仍难以满足铝材深加工的要求；而且由于添加变质剂使某些高纯铝带坯产生合金污染；同时铝合金生产的品种也受到限制。
本发明的目的是针对上述现有技术的不足，而提供电磁铸轧技术与设备，以实现无需在铸轧过程中添加铝钛硼丝变质剂，从而降低生产成本，消除合金污染；满足铸轧板带的性能，尤其是深冲性能要求；并且扩大可铸轧合金生产品种的范围。
本发明的技术方案是设计安装专用电磁感应器，把磁场引入铸轧区，通过供电控制系统，严格控制电磁场参数与其工艺参数相匹配，在铸轧区中施加以行波磁场为主的组合交变磁场，沿轧辊轴线方向产生椭圆形磁势，由此产生的电磁效应使料嘴和铸轧区的铝液产生电磁流体行为，改变凝固结晶条件，强化(结晶-碎断-搅拌-结晶)动态形核结晶过程；同时使熔体流场均匀、温度场均匀，粗大的柱状晶等轴细化，且由于电磁力的搅拌作用不断改变晶核在生长过程中的晶粒位向，获得接近无织构取向的带坯组织，从而全面改善和提高铸轧板带力学性能和冶金性能。
其主要参数为(1)磁场形态以行波磁场为主体含脉振磁场的复合交变磁场，沿轧辊轴线方向在铸轧区中产生椭圆形磁势；(2)磁场频率频率大小为10～18Hz，行波导向频率为3～15Hz。数值大小随合金品种与工艺参数作动态调节；(3)铝熔体中通入直流电0.1～0.2A/cm2；(4)磁场强度通过单片机系统3控制励磁电流模拟量的大小来控制磁场的强度0.025～0.04T；(5)前箱液面高度保持在14～16mm，高度波动范围小于±2mm；(6)前箱熔体温度为690～720℃；(7)铸轧速度14.7～15.3mm/s，尽量调到铸轧速度的上限；(8)嘴辊间隙供料嘴唇与轧辊间的间隙保持在0.5～0.7mm之间；(9)铸轧带坯厚度6～8mm；铸嘴开口度4.5～5mm。
专用电磁感应器主要由感应元件、冷却装置等组成。线圈8、上铁芯3、下铁芯11构成感应元件上铁芯3由垂直部分与水平部分相铰接；下铁芯11嵌在料嘴4的上端，由压板2上两排螺钉固定；带铁芯的线圈8横向均匀分布在铸轧机底盘下的托盘上，装卸料嘴4和调整料嘴4与铸轧辊1间隙时能随底盘前后移动；环线圈8设置了冷却水套7等构成的冷却装置；由与铁芯3铰接的磁靴、不导磁的不锈钢制作的压板2、隔磁板5及防止铸轧辊1与机架间漏磁的轴承座铜块等组成隔磁装置。在电磁感应线圈8中通入交流电，铝熔体通入直流电就形成了连续铸轧的电磁场。
本发明铝带坯电磁铸轧技术与设备的采用简便地实现了一种高效新工艺将机械、电、磁、热四种运动和能量同时引入铸轧区，在极短的时间进行能量交换和金属成形，且产品质量高、设备简单、操作方便、成本低、功能强、易控制、安全可靠、适合工业生产。
本发明与现有技术相此，其显著效果是(1)在不用施加变质剂的条件下晶粒细化效果良好，达到1级晶粒度组织，而且具有良好的冶金组织和力学性能；(2)由于不需施加变质剂，不仅消除了变质剂带来的合金化污染，而且不存在变质剂所固有的时效性，降低了生产成本；(3)由于交变磁场的横向搅拌能将料嘴嘴唇前端的毛渣推出料嘴之外，消除了因嘴唇积淀毛渣而引起的通条缺陷；(4)扩大了可铸轧合金的品种范围；(5)由于能够铸轧出接近无织构取向的带坯，从而使铸轧板带的深冲性能取得突破性进展。取代传统的热轧板显著降低生产成本。
简言之，电磁铸轧技术的以上优点，说明它是一种高效、无毒、无害、无污染、成本低的新的铝材加工工艺。
下面结合附图作详细的说明
图1电磁铸轧技术工艺流程示意图；图2电磁感应器结构示意图；图3供电控制系统原理图；图1描述了本发明电磁铸轧技术的整个工艺过程。铸轧过程是一个快速冷却过程，其冷却强度通常在100℃/s左右。铝熔体流出料嘴，即与内水冷却的轧辊套接触，温度骤然下降，结晶前沿熔体的温度梯度大，铸轧带坯在辊缝中的几十毫米范围内于几秒钟的时间内成型。由此可见，铸轧带坯的组织，表面质量主要是由凝固前沿的冷却区和铸轧区中的铸造区的状况所决定。因此，本发明通过设计安装了专用电磁感应器，通过供电控制系统，控制电磁场参数与其工艺参数相匹配，把电磁场引入铸轧区。使供料嘴和铸轧区的铝熔液产生电磁流体行为，保证所提供的电磁场适应供液嘴和铸轧区的空间几何形状各部分对电磁场强度、磁场形态和方向的不同要求，满足连续流动铝熔体在铸轧区各个区域中凝固过程的需要。
图2描述了电磁感应器的结构。它主要由感应元件、冷却装置等组成。其工作原理类似于直线电机，感应元件作为初级，铸轧区中的铝熔体为其次级；对感应元件通入交流电，对熔体通入直流电，就形成了铝电磁连续铸轧的电磁场。线圈8、上铁芯3、下铁芯11构成感应元件上铁芯3由垂直部分与水平部分相铰接；下铁芯11嵌在料嘴4的上端，由压板2上两排螺钉固定；带铁芯的线圈8横向均匀分布在铸轧机底盘下的托架上，装卸料嘴4和调整料嘴4与铸轧辊1间隙时能随底盘前后移动；为防止热幅射，同时利于导热，环线圈8设置了冷却水套7等构成的冷却装置。为了防止漏磁，设计了导磁装置，使电磁感应器产生的磁通沿轧辊轴线方向在铸轧区中产生椭圆形磁势有效地通过铸轧区中铝熔体。导磁装置由与铁芯3铰接的磁靴、不导磁的不锈钢板制作的压板2、隔磁板5及防止铸轧辊1与铸轧机架间漏磁的轴承座铜块等组成。
图3描述了本发明的供电控制系统的构成及工作原理。为了在铸轧区中产生有效的电磁场，除了具备电磁感应器硬件装备外，还必须给其配备适当的供电系统的软、硬件装备。该系统包括交-交变频器1及单片机控制系统3，交-交变频器1属低频变频系统；它把工频电源变为所需的低频电源供给感应器负载线圈8；单片机控制系统3根据电磁铸轧工艺的要求，设置了一个信号发生器4，控制交-交变频器触发脉冲的发送与封锁；并输出所需的信号给交-交变频器1，完成对铸轧磁场频率的大小、相位、方向、强度和磁场频率切换及切换周期等进行调节与控制。
实施例在φ650×1600mm标准型Hunter铸轧机上实施本发明的全套技术。电磁感应器放置在传统铸轧机供料嘴上下两侧尽量伸入到铸轧区中，使其负载线圈8在供电时能在铸轧区凝固前沿产生足够强的行波磁场。供电控制系统调控磁场的频率与强度等参数。试验材料选择易产生粗大晶粒的L2、L4工业纯铝，铝液分为正常料和闷炉料两种状态。立板成功后，在铸轧辊套通入冷却水，使水压稳定在4.0～4.2×105Pa之间，控制前箱液面高度为15～16mm，其它工艺参数和条件如下铸轧区磁场强度为0.025～0.030T，行波磁场导向频率为6～7Hz，前箱熔体通电电流为70A，磁场频率为12～13Hz，前箱熔体温度为690～720℃，铸轧速度为14.7～15.3mm/s，带坯厚度为7.2mm，带坯宽度为1060mm，冷却水进水温度为14℃，出水温度为23℃。通过供电控制系统，严格控制电磁场参数与其工艺参数相匹配，铸轧出合格带坯。然后轧成各种规格的成品板和铝箔，为用户正常使用。
实验结果表1铸轧效果对比
系列试验此较了电磁铸轧板坯样与传统的施加铝钛硼丝样以及空白样。结果表明(1)铸轧L2正常炉料时，未施加电磁场的空白样表面低倍金相呈粗大的条状晶组织，5级晶粒度；施加电磁场后晶粒显著等轴细化，达到1级晶粒度。
(2)铸轧L4正常料时，未施加电磁场的空白样表面低倍金相为粗大的羽毛状晶组织，4级晶粒度；施加电磁场后同样得到良好的晶粒细化效果，晶粒度达到1级，与添加进口铝钛硼丝的晶粒细化效果相当。
(3)铸轧L4闷炉料时(熔体在炉内停留时间超过72小时)，未施加电磁场的空白样表面低倍金相为粗大的柱状晶组织，5级晶粒度，同时存在大量的马蹄形裂纹；施加电磁场后，全部为细小的等轴晶组织，晶粒度达到1～2级，马蹄形裂纹消失。
表2 L2铸轧带坯力学性能
表3 L4铸轧带坯力学性能
对以上三种铸轧条件下的带坯进行力学性能检测表明空白样的力学性能差，各向异性严重。电磁铸轧带坯的力学性能明显优于前者，在0°、45°、90°三个检测方向上的拉伸强度最大相差仅1.8～3％(空白样最大为8.7～12％)，延伸率最大相差为9～17％(空白样最大为24～47％)，与添加进口铝钛硼丝的铸轧带坯相当。
表4冷轧至1.0mm硬状态L2铝板的力学性能
经过1.0mm成品板取样进行冲杯试验表明硬状态下电磁铸轧板与添加铝钛硼丝的铸轧板相当，制耳率为13～14.5％。
表5冷轧至1.0mmL2铝板软状态冲杯试验
而在相同的退火条件(360℃,60min)的软状态下，电磁铸轧板的制耳率为3.2％，添加铝钛硼丝铸轧板的制耳率为10％。由此可见，电磁铸轧板带在软状态下的深冲性能高于施加铝钛硼丝的铸轧板带。
表6厚度为0.5mm的L4铝板力学性能
试验分析与测试结果证明电磁铸轧带坯具有良好的冶金组织和力学性能。
权利要求
1．铝带坯电磁铸轧技术与设备涉及铝材加工领域，其特征是安装专用电磁感应器，把磁场引入铸轧区，通过供电控制系统，严格控制电磁场参数与其工艺参数相匹配，在铸轧区中施加以行波磁场为主的组合交变磁场，沿轧辊轴线方向产生椭圆形磁势，由此产生的电磁效应使料嘴和铸轧区的铝液产生电磁流体行为，改变凝固结晶条件，强化(结晶-碎断-搅拌-结晶)动态形核结晶过程；同时使熔体流场均匀、温度场均匀，粗大的柱状晶等轴细化，且由于电磁力的搅拌作用不断改变晶核在生长过程中的晶粒位向，获得接近无织构取向的带坯组织，从而全面改善和提高铸轧板带力学性能和冶金性能。其主要参数为(1)磁场形态以行波磁场为主体含脉振磁场的复合交变磁场，沿轧辊轴线方向在铸轧区中产生椭圆形磁势；(2)磁场频率频率大小为10～18Hz，行波导向频率为3～15Hz。数值大小随合金品种与工艺参数作动态调节；(3)铝熔体中通入直流电0.1～0.2A/cm2；(4)磁场强度通过单片机系统3控制励磁电流模拟量的大小来控制磁场的强度0.025～0.04T；(5)前箱液面高度保持在14～16mm，高度波动范围小于±2mm；(6)前箱熔体温度为690～720℃；(7)铸轧速度14.7～15.3mm/s，尽量调到铸轧速度的上限；(8)嘴辊间隙供料嘴唇与轧辊间的间隙保持在0.5～0.7mm之间；(9)铸轧带坯厚度6～8mm；铸嘴开口度4.5～5mm。
2．实现权利要求1所述的铝带坯电磁铸轧技术的专用电磁感应器主要由感应元件、冷却装置等组成，其特征在于线圈8、上铁芯3、下铁芯11构成感应元件上铁芯3由垂直部分与水平部分相铰接；下铁芯11嵌在料嘴4的上端，由压板2上两排螺钉固定；带铁芯的线圈8横向均匀分布在铸轧机底盘下的托盘上，装卸料嘴4和调整料嘴4与铸轧辊1间隙时能随底盘前后移动；环线圈8设置了冷却水套7等构成的冷却装置；不锈钢制作的压板2、隔磁板5及防止铸轧辊1与机架间漏磁的轴承座铜块等组成。在电磁感应线圈8中通入交流电，铝熔体通入直流电就形成了连续铸轧的电磁场。
全文摘要
铝带坯电磁铸轧技术与设备涉及铝材加工领域,其特征是:安装专用电磁感应器,把磁场引入铸轧区,通过供电控制系统,严格控制电磁场参数与其工艺参数相匹配,在铸轧区中施加以行波磁场为主的组合交变磁场,沿轧辊轴线方向产生椭圆形磁势,由此产生的电磁效应使料嘴和铸轧区的铝液产生电磁流体行为,改变凝固结晶条件,全面改善和提高铸轧板带力学性能和冶金性能。
文档编号B22D27/02GK1225297SQ9810247
公开日1999年8月11日 申请日期1998年6月30日 优先权日1998年6月30日
发明者钟掘, 毛大恒, 肖立隆, 丁道廉, 郭士安, 赵啸林, 马继伦, 蔡首军, 陈际达, 陈欠根, 张学平, 李铁, 廖力清, 严宏志, 张生芳 申请人:中南工业大学, 西北铝加工厂