专利名称：一种大尺寸铝合金板坯的连铸装置及方法
技术领域：
本发明属于铝合金铸造技术领域，特别涉及一种大尺寸铝合金板坯的连铸装置及方法。
背景技术：
DC铸造具有铸锭质量较好、生产率高等一系列优点，是现代铝合金加工材锭坯的主要制备方法。随着工程上对铸锭的质量要求不断提高，在DC铸造的基础上，人们开发了一系列新的DC铸造方法，如为提高表面质量的热顶铸造、气膜铸造、汽滑铸造、低液位铸造等等，但是改善铸锭内部冶金质量的新技术不多。
现代加工工业，为提高生产率和加工材质量，铸锭的尺寸不断增大，在我国，铝合金铸锭的厚度超过600_，同时，由于大飞机等重大工程项目的实施，超高强大尺寸锭坯的制备已成为制备大尺寸高合金化铝材的关键技术，由于合金元素添加量显著增加，铸锭尺寸显著增大，所以铸锭的裂纹率增加，同时组织粗大，合金元素的宏观偏析严重，这些缺陷不但降低加工材的最终性能,而且铸锭的可加工性也损伤,大大影响了成材率,增加了生产成本。为了改善铸锭的冶金质量，近年来，我们开发了施加低频电磁场的低频电磁连铸技术和施加超声场的超声连铸技术，在铝合金和镁合金DC铸造中得到应用，显著细化了合金组织、改善了合金元素的宏观偏析，提高了铸锭的表面质量。随着铸锭截面尺寸的增大，已超出单一场的作用极限，如电磁场，在熔体中产生的洛伦兹力在结晶器壁处最强，然后逐渐衰减，在中部最弱，随着频率的降低，其贯穿能力增强，但是当频率降到15Hz以下时，容易产生熔体液面的波动，液面不平稳，同时在熔体中部的流动减弱，组织细化能力减低；超声场，起作用的有效范围在超声杆的周围，即在结晶器内熔体的中部，向外迅速减弱，对熔体的边部作用很小，由于目前还没有超大功率的产生源，所以超声场的作用范围也有限。同时高合金化大尺寸铸锭的裂纹也是主要的问题，因此开发可以显著改善铝合金大尺寸铸锭组织、抑制裂纹和改善表面质量的高效、经济的DC铸造新技术显得尤为重要。
发明内容
针对现有技术中存在的不足，本发明将低频电磁场与超声场组合施加，同时结合了我们过去开发的气刀连铸技术，充分利用电磁场在熔体边部作用强和超声场在熔体中部作用强的特点。本发明提供了种大尺寸铝合金板坯的连铸装置，由铝合金板坯电磁铸造装置和超声装置组成，所述的超声装置通过超声升落架支架紧固螺栓固定在铝合金板坯电磁铸造装置结晶器上方。其中，铝合金板坯电磁铸造装置包括结晶器、分流袋吊绳、控流钎子控制器、控流钎子、导流管、流槽、激光探头、分流袋支杆、分流袋吊绳环、分流袋、结晶器上盖、油槽、电磁线圈、气刀、气刀架、底座、进油管和分流袋角架，气刀安装在结晶器下部20(T400mm处；超声装置包括超声头升落架顶板、超声头托板、超声头、超声头起落架支架、齿条和超声头起落装置。一种采用上述装置的大尺寸铝合金板坯的连铸工艺如下
(1)开通结晶器的冷却水、低频电源和超声装置，把超声杆放入分流袋，使设备处于待运行状态；
(2)将分流袋放入结晶器内，打开结晶器供水阀，检查二冷水是否正常；启动低频电源产生低频磁场，接通超声电源进行超声，开通润滑油，使润滑油经进油管进入结晶器的油槽，进入到结晶器的内壁；
(3 )当浇铸温度在71(Γ740 V时，打开静置炉炉口的钎子，铝合金液经流槽流入，控制控 流钎子控制器将控流钎子上提，导流管完全打开，铝合金液流入分流袋，流到结晶器内；用扒渣板拔动铝合金液，使其充满结晶器底部；
(4)当铝合金液漫过分流袋顶部，启动铸造机，铸造开始，铸造温度为71(T740°C，铸造速度为4(T65mm/min，同时启动激光探头和控制控流钎子控制器，将液位定到距结晶器上部40 60mm ；
(5)待铸锭出结晶器20(T400mm时，开动超声头起落装置，超声头缓慢进入结晶器，超声头进入铝合金液10(T300mm，与此同时激光探头不断测定液位信号，并将液位信号与步骤
(4)的液位给定值比较，当差值超过O. 5mm时，调整控流钎子，保证液位稳定；
(6)当铸锭出口长度达到20(T500mm时，启动气刀，气刀喷出的气体与铸锭表面的角度为3(Γ60°，气体的压力为O. 05、. 2MPa，气刀的高速气流将二冷水完全吹去，铸锭实现高温自回热；
(7)当铸锭达到所需长度后，停止供应铝合金液，同时关闭铸造机，先提起超声波头，然后关闭结晶器的水和油阀，结晶器内的铝合金液逐渐凝固，待结晶器内的铝合金液完全凝固后，关闭线圈的电流，移开结晶器，将合金铸锭吊出；最终得到的铝合金板坯杂质含量Fe〈0. 4%, Si〈0. 5%。其中，所述的超声是连续超声，超声的频率为1(Γ30ΚΗζ，超声的功率为3飞KW，超声头的直径为3(T80mm，超声杆可以用碳钢制作，最好采用钛合金制作，与铝液接触部分需要喷涂氧化铝或氧化锆，以免铝合金液腐蚀超声头；
所述的低频磁场，磁场频率为15飞0Hz，结晶器壁处的磁场强度为O. 02、. 10T，磁场由置于结晶器的水箱中的线圈通过低频电流产生，线圈用包覆绝缘膜的铜导线制造，线圈缠绕匝数为100 500匝，通入10(Γ500Α电流。本发明的特点和有益效果在于
本发明采用气刀除去二冷水，使铸锭利用自己的热量实现自回热，这种自回热相当于在线退火。本发明的装置和方法能够确显著细化铝合金大尺寸板坯的整体组织，显著改善合金元素的宏观偏析，改善铸锭的表面质量及避免裂纹。
图I为本发明的装置主视图；图2为本发明的装置俯视 图3为本发明装置油槽中的迷宫式油道；
图4是采用本发明实施例I铸造的截面为360X IOOOmm的7055合金的铸锭照片；
图5是采用本发明实施例I铸造的截面为360X IOOOmm的7055合金的铸锭的取样位
置；
图6是图5中取样位置用金相显微镜观察到的组织照片；
图7为采用本发明实施例I铸造的截面为360X IOOOmm的7055合金的铸锭的合金元素分布图； 图8为采用本发明实施例2铸造的截面为550X 1650mm的7B50合金的铸锭照片；
图9为采用本发明实施例2铸造的截面为550X 1650mm的7B50合金的铸锭，按照图5的取样方式用金相显微镜观察到的组织照片；
图10是采用本发明实施例3铸造的截面为550mmX 1650mm的7075合金的铸锭照片；图中1、结晶器；2、超声头升落架顶板；3、超声头托板；4、超声头紧固螺丝；5、超声头；6、分流袋吊绳；7、控流钎子控制器；8、控流钎子；9、导流管；10、流槽；11、激光探头；12、分流袋支杆；13、分流袋吊绳环；14、分流袋；15、超声头起落架支架；16、齿条；17、齿条固定螺栓；18、超声头起落装置；19、超声升落架支架紧固螺栓；20、结晶器上盖；21、油槽；22、电磁线圈；23、气刀架；24、气刀；25、底座；26、进油管；27、分流袋角架。
具体实施例方式以下结合实施例对本发明做进一步说明。本发明的一种大尺寸铝合金板坯的连铸装置，由铝合金板坯电磁铸造装置和超声装置组成，其中超声装置通过超声升落架支架紧固螺栓19固定在铝合金板坯电磁铸造装置结晶器I上方。其中，铝合金板坯电磁铸造装置包括结晶器I、分流袋吊绳6、控流钎子控制器7、控流钎子8、导流管9、流槽10、激光探头11、分流袋支杆12、分流袋吊绳环13、分流袋14、结晶器上盖20、油槽21、电磁线圈22、气刀24、气刀架23、底座25、进油管26和分流袋角架27，气刀24安装在结晶器I下部20(T400mm处；超声装置包括超声头升落架顶板2、超声头托板3、超声头5、超声头起落架支架15、齿条16和超声头起落装置18。实施例I
7055大板坯组合磁场连铸
铸锭尺寸360mm (厚)XlOOOmm (宽)X 4000mm 长
铝合金板坯的合金成分按质量百分比计为Zn8. 1%, Mg2. 2%，Cu2. 24%, ZrO. 13%，其余为
Al
铸造实施
(1)开通结晶器的冷却水、低频电源和超声装置，把超声杆放入分流袋，使设备处于待运行状态；
(2)将分流袋放入结晶器内，打开结晶器供水阀，检查二冷水是否正常；启动低频电源，线圈缠绕100匝，通频率15Hz、100A电流，磁场强度为O. 02T ;接通超声电源，连续超声频率为ΙΟΚΗζ，超声输出功率为3KW，使用的超声头直径为30mm，开通润滑油，使润滑油经进油管进入结晶器的油槽，进入到结晶器的内壁；
(3)当浇铸温度在720°C时，打开静置炉炉口的钎子，铝合金液经流槽流入，控制控流钎子控制器将控流钎子上提，导流管完全打开，铝合金液流入分流袋，流到结晶器内；用扒渣板拔动铝合金液，使其充满结晶器底部；
(4)当铝合金液漫过分流袋顶部，铸造机启动，铸造开始，铸造温度为720°C，铸造速度为55mm/min，同时启动激光探头和控制控流钎子控制 器，将液位订到距结晶器上部40mm ；
(5)待铸锭出结晶器200mm时，开动超声头起落装置，超声头缓慢进入结晶器，超声头进入铝合金液100mm，与此同时激光探头不断测定液位信号，并将液位信号与步骤(4)的液位给定值40mm比较，当差值超过O. 5mm时,调整控流钎子,保证液位稳定；
(6)当铸锭出口长度达到200mm时，启动气刀，气刀喷出的气体与铸锭表面的角度为30°，气体压力为O. 05MPa，气刀的高速气流将二冷水完全吹去，铸锭实现高温自回热；
(7)铸造到所需长度后，停止供应铝合金液，同时铸造机停车，先提起超声波头，然后关闭结晶器的水和油阀。结晶器内的铝合金液逐渐凝固，待结晶器内的铝合金液完全凝固后，关闭线圈的电流。移开结晶器，将合金铸锭吊出。最终得到的铝合金板坯杂质含量Fe ( O. 10%, Si ( O. 03%。图4是采用本发明铸造的截面为360 X IOOOmm的7055合金的铸锭照片，铸锭无裂
纹，表面光洁。图6为采用本发明铸造的截面为360 X IOOOmm的7055合金的铸锭，采用图5中取样位置用金相显微镜观察到的组织照片，可见铸锭小面中部、铸锭中心和大面中部的组织相近，都是细小、均匀的等轴晶。表I为截面为360X IOOOmm的7055合金的铸锭各部分的晶粒尺寸(μ m)。表I
小面中部I铸锭中心I大面中部 108 |ll8 |l29
图7为采用本发明铸造的截面为360X IOOOmm的7055合金的铸锭的合金元素分布，可
见主合金元素的分布比较均匀，除边部由于反偏析产生的低溶质区外，中部的合金元素分
布趋于均匀。实施例2
7B50合金大板坯组合磁场连铸 铸锭尺寸550mm (厚)X 1650mm (宽)X 500mm 长
铝合金板坯的合金成分按质量百分比计为Zn6. 63%，Mg2. 44 %，Cu2. 20%, ZrO. 13%，其余为Al
铸造实施
(1)开通结晶器的冷却水、低频电源和超声装置，把超声杆放入分流袋，使设备处于待运行状态；
(2)将分流袋放入结晶器内，打开结晶器供水阀，检查二冷水是否正常；启动低频电源，线圈缠绕300匝，通频率30Hz、300A电流，磁场强度为O. 07 T ;接通超声电源，连续超声频率为20KHz，超声输出功率为4 Kff,使用的超声头直径为60mm，开通润滑油，使润滑油经进油管进入结晶器的油槽，进入到结晶器的内壁；
(3)当浇铸温度在710°C时，打开静置炉炉口的钎子，铝合金液经流槽流入，控制控流钎子控制器将控流钎子上提，导流管完全打开，铝合金液流入分流袋，流到结晶器内；用扒渣板拔动铝合金液，使其充满结晶器底部；
(4)当铝合金液漫过分流袋顶部，铸造机启动，铸造开始，铸造温度为710°C，铸造速度为40mm/min，同时启动激光探头和控制控流钎子控制器，将液位订到距结晶器上部50mm ；
(5)待铸锭出结晶器300mm时，开动超声头起落装置，超声头缓慢进入结晶器，超声头进入铝合金液200mm，与此同时激光探头不断测定液位信号，并将液位信号与步骤(4)的液位给定值50mm比较，当差值超过O. 5mm时,调整控流钎子,保证液位稳定；
(6)当铸锭出口长度达到400mm时，启动气刀，气刀喷出的气体与铸锭表面的角度为60°，气体压力为O. IMPa，气刀的高速气流将二冷水完全吹去，铸锭实现高温自回热；
(7)铸造到所需长度后，停止供应铝合金液，同时铸造机停车，先提起超声波头，然后关闭结晶器的水和油阀。结晶器内的铝合金液逐渐凝固，待结晶器内的铝合金液完全凝固后，关闭线圈的电流。移开结晶器，将合金铸锭吊出。最终得到的铝合金板坯杂质含量Fe ( O. 08 %，Si ( O. 03%。图8是采用本发明铸造的截面为550mmX 1650mm的7B50合金的铸锭照片，铸锭无
裂纹，表面光洁。图9是采用本发明铸造的截面为550mmX 1650mm的7B50合金的铸锭，采用图5中取样位置用金相显微镜观察到的组织照片，铸锭各部分的组织都是细小的等轴晶，表2为截面为550X 1650mm的7B50合金的铸锭各部分的平均晶粒尺寸(μ m)，各部分的晶粒尺寸差较小。表权利要求
1.一种大尺寸铝合金板坯的连铸装置，其特征在于由铝合金板坯电磁铸造装置和超声装置组成，所述的超声装置通过超声升落架支架紧固螺栓固定在铝合金板坯电磁铸造装置结晶器上方。
2.根据权利要求I所述的一种大尺寸铝合金板坯的连铸装置，其特征在于所述的铝合金板坯电磁铸造装置包括结晶器、分流袋吊绳、控流钎子控制器、控流钎子、导流管、流槽、激光探头、分流袋支杆、分流袋吊绳环、分流袋、结晶器上盖、油槽、电磁线圈、气刀、气刀架、底座、进油管和分流袋角架，所述的气刀安装在结晶器下部20(T400mm处，所述的超声装置包括超声头升落架顶板、超声头托板、超声头、超声头起落架支架、齿条和超声头起落装置。
3.—种大尺寸铝合金板坯的连铸方法，其特征在于采用权利要求I所述的一种大尺寸铝合金板坯的连铸装置，包括以下步骤 (1)开通结晶器的冷却水、低频电源和超声装置，把超声杆放入分流袋，使设备处于待运行状态； (2)将分流袋放入结晶器内，打开结晶器供水阀，检查二冷水是否正常；启动低频电源产生低频磁场，接通超声电源进行超声，开通润滑油，使润滑油经进油管进入结晶器的油槽，进入到结晶器的内壁； (3 )当浇铸温度在71(Γ740 V时，打开静置炉炉口的钎子，铝合金液经流槽流入，控制控流钎子控制器将控流钎子上提，导流管完全打开，铝合金液流入分流袋，流到结晶器内；用扒渣板拔动铝合金液，使其充满结晶器底部； (4)当铝合金液漫过分流袋顶部，启动铸造机，铸造开始，铸造温度为71(T740°C，铸造速度为4(T65mm/min，同时启动激光探头和控制控流钎子控制器，将液位定到距结晶器上部40 60mm ； (5)待铸锭出结晶器20(T400mm时，开动超声头起落装置，超声头缓慢进入结晶器，超声头进入铝合金液10(T300mm，与此同时激光探头不断测定液位信号，并将液位信号与步骤(4)的液位给定值比较，当差值超过O. 5mm时，调整控流钎子，保证液位稳定； (6)当铸锭出口长度达到20(T500mm时，启动气刀，气刀喷出的气体与铸锭表面的角度为3(Γ60°，气体的压力为O. 05、. 2MPa，气刀的高速气流将二冷水完全吹去，铸锭实现高温自回热； (7)当铸锭达到所需长度后，停止供应铝合金液，同时关闭铸造机，先提起超声波头，然后关闭结晶器的水和油阀，结晶器内的铝合金液逐渐凝固，待结晶器内的铝合金液完全凝固后，关闭线圈的电流，移开结晶器，将合金铸锭吊出；最终得到的铝合金板坯杂质含量Fe〈0. 4%, Si〈0. 5%。
4.根据权利要求3所述的一种大尺寸铝合金板坯的连铸方法，其特征在于步骤(2)中所述的超声是连续超声，超声的频率为1(Γ30ΚΗζ，超声的功率为3飞KW，超声头的直径为30 80mm。
5.根据权利要求3所述的一种大尺寸铝合金板坯的连铸方法，其特征在于步骤(2)中所述的低频磁场，磁场频率为15飞0Hz，结晶器壁处的磁场强度为O. 02、. 10T，磁场由置于结晶器的水箱中的线圈通过低频电流产生，线圈用包覆绝缘膜的铜导线制造，线圈缠绕匝数为100 500匝，通入10(Γ500Α电流。
全文摘要
本发明属于铝合金铸造技术领域，特别涉及一种大尺寸铝合金板坯的连铸装置及方法，装置由铝合金板坯电磁铸造装置和超声装置组成，超声装置通过超声升落架支架紧固螺栓固定在铝合金板坯电磁铸造装置结晶器上方。在710~740℃浇铸铝合金液，待铸锭出结晶器200~400mm时，开动超声头起落装置；当铸锭出口长度达到200~500mm时，启动气刀，当铸锭达到所需长度后，停止供应铝合金液，同时关闭铸造机。采用本发明的装置和方法能够确显著细化铝合金大尺寸板坯的整体组织，显著改善合金元素的宏观偏析，改善铸锭的表面质量及避免裂纹。
文档编号B22D11/04GK102962414SQ201210469058
公开日2013年3月13日 申请日期2012年11月20日 优先权日2012年11月20日
发明者崔建忠, 张海涛, 王向杰, 朱庆丰 申请人:东北大学