一种高均匀细晶铝合金铸锭的生产装置及方法与流程

1.本技术涉及铝合金材料领域，具体而言，涉及一种高均匀细晶铝合金铸锭的生产装置及方法。


背景技术：

2.铝合金材料在现代工业生产中的应用十分广泛，变形铝合金材料在航空、航天、船舶等领域都有着广泛的应用。变形铝合金材料是指对铝合金铸锭进行锻造、轧制、挤压等塑性变形加工后生产的铝合金材料，其中铝合金铸锭是生产变形铝合金材料的基础，直接影响后续材料的性能。
3.目前铝合金铸锭的生产大多采用传统半连续铸造技术，即铝熔体经过流槽或通过分配器进入结晶器，随后在引锭头的牵引下完成铸造。传统半连续铸造技术生产的大规格铸锭存在成分及组织的偏析、晶粒较大、应力较大等本征问题，这直接制约了铸锭的规格、合金品种，并且会影响铸锭在变形和热处理后的综合性能。
4.此外，增材制造技术作为新兴技术，也在研发或小范围应用中。虽然增材制造技术生产的铸锭基本解决了材料的偏析、晶粒粗大等问题，但生产的铸锭却存在较为严重的气孔、疏松等缺陷。
5.因此，需要一种能够同时解决传统半连续铸造技术和增材制造技术存在的本征缺陷问题的新技术。


技术实现要素：

6.本技术实施例的目的在于提供一种高均匀细晶铝合金铸锭的生产装置及方法，基于传统半连续铸造技术并采用熔体冲击法凝固新技术，实现均匀、细晶、低应力，无缺陷铸锭的生产。
7.第一方面，本技术实施例提供了一种高均匀细晶铝合金铸锭的生产装置，其包括由上至下依次设置的流槽、结晶器和引锭头，流槽的底面连通设置有若干相同规格的导管，导管伸入结晶器内且喷射方向朝下，结晶器中部区域的导管分布率小于周围区域的导管分布率，引锭头设置于结晶器的底端出口且能够竖直移动，结晶器的底端出口还设置有强冷组件。
8.在上述实现过程中，本技术实施例的生产装置将实现传统半连续铸造技术的结晶器和引锭头，与实现熔体冲击法凝固新技术的导管和结晶器结合在一起。一方面，基于熔体冲击及流量/热量在熔体两相区的分配技术，具体地，结晶器内的导管布局方式：不同区域的导管间距不同，对应铝合金铸锭靠边部的导管分布较密集，以加强边部冲击，对应铝合金铸锭靠中心部位的导管分布较稀疏，以弱化冲击，最终降低液穴的深度，实现铸锭的晶粒细化及改善组织不均匀性；另一方面，基于强冷却技术，强迫凝固界面上移，实现凝固界面在冲击作用下仍然保持原有/相似平衡。最终实现均匀、细晶、低应力、无缺陷铸锭的生产，解决传统半连续铸造技术和增材制造技术等存在的本征缺陷问题。
9.在一种可能的实现方式中，流槽的底面上导管的分布区域与结晶器的横截面相匹配，导管竖直插入结晶器内。
10.在上述实现过程中，保证对结晶器内中部区域的给料冲击弱，同时该区域的铝合金熔体不易凝固成型，周围区域的给料冲击强，同时该区域的铝合金熔体易凝固成型，由于边部及中部铝合金熔体冲击效果的差异，可以拉平熔体凝固过程中的温度差，实现边部到心部凝固熔体温度均匀性，从根本上改善铝合金铸锭的成分和组织的偏析。
11.在一种可能的实现方式中，结晶器的横截面为长方形，流槽的底面上导管的分布区域为长方形，且沿长度方向位于中部区域的相邻导管的间距大于位于两端区域的相邻导管的间距。
12.在上述实现过程中，对于生产横截面为长方形的铝合金铸锭的情况，结晶器的横截面和导管的分布区域为长方形，中部区域的导管的分布较稀疏，对应心部的铝合金熔体冲击量小，两端区域的导管的分步较密集，对应边部的铝合金熔体冲击量大，从而实现铝合金熔体温度及凝固的均匀性。
13.在一种可能的实现方式中，结晶器的横截面长1300-2000mm、宽300-500mm，流槽的底面上沿长度方向位于两端区域的相邻导管的间距为30-60mm，位于中部区域的相邻导管的间距为50-80mm，沿宽度方向的相邻导管的间距为80-120mm。
14.在上述实现过程中，能够保证宽1300-2000mm、厚300-500mm的铝合金铸锭在生产时均匀成型。
15.在一种可能的实现方式中，结晶器的横截面为圆形或正方形，流槽的底面上导管的分布区域对应为圆形或正方形，且位于中部区域的相邻导管之间的间距大于位于周围区域的相邻导管之间的间距。
16.在上述实现过程中，对于生产横截面为圆形或正方形的铝合金铸锭的情况，结晶器的横截面和导管的分布区域对应为圆形或正方形，中部区域的导管的分布较稀疏，对应心部的铝合金熔体冲击量小，周围区域的导管的分步较密集，对应边部的铝合金熔体冲击量大，从而实现熔体温度及凝固的均匀性。
17.在一种可能的实现方式中，导管的直径为5-20mm。
18.在一种可能的实现方式中，强冷组件由结晶器的底端出口延伸至结晶器下方。
19.在上述实现过程中，结晶器底端出口设置强冷组件，保证结晶器能够成功拉坯，强冷组件延伸至结晶器下方，保证坯体进一步冷却至完全成型。
20.第一方面，本技术实施例提供了一种基于第一方面提供的高均匀细晶铝合金铸锭的生产装置的生产方法，其包括以下步骤：
21.启动强冷组件；
22.使流槽内的铝合金熔体通过导管进入到结晶器内，待结晶器内的铝合金熔体凝固成坯壳时，启动引锭头竖直向下运行进行铸造，在铸造过程中，导管的喷射口位于结晶器内的铝合金熔体中并位于两相区上方2-5cm处；
23.待引锭头移动至预设位置，停止引锭头运行，同时停止往结晶器通入铝合金熔体，完成铸造。
24.在上述实现过程中，生产方法是基于传统半连续铸造技术并采用熔体冲击法凝固新技术，熔体加入方式是使流槽内的铝合金熔体从导管进入结晶器中，通过铝合金熔体的
高度差控制实现熔体冲击力大小的控制，通过导管分布控制不同区域的铝合金熔体喷射量，最终降低液穴的深度，铝合金熔体的强冲击会导致凝固界面的整体下移，改变了原有的界面平衡；而且导管插入深度抵近铝合金熔体两相区，直接冲击两相区实现细化晶粒的效果；铝合金铸锭的晶粒细化，以及成分和组织偏析的改善，降低了铝合金铸锭内部应力，为铝合金铸锭的加强冷却提供了条件；通过往强冷组件内通入强冷介质，强冷迫使凝固界面上移，使凝固界面保持原有/相似平衡。本技术实施例的生产工艺改变了传统及现有技术生产的铸锭中存在成分及组织偏析、晶粒较大、应力较大、气孔、疏松等问题，最终获得低应力、低偏析的高质量铝合金铸锭；获得高均匀的等轴细晶铝合金铸锭；铝合金铸锭无明显气孔、疏松等缺陷。
25.在一种可能的实现方式中，流槽内的铝合金熔体加压0-3bar。
26.在上述实现过程中，铝合金熔体的传输通过流槽及导管实现，铝合金熔体在高度差产生的压力条件下直接进入凝固两相区，对铝合金熔体加压能够对结晶器内熔体两相区强烈冲击，细化晶粒，并且阻碍枝晶的形成，最终呈现等轴细晶状。
27.在一种可能的实现方式中，铝合金的型号为7050铝合金，铝合金熔体的温度为650-720℃。
附图说明
28.为了更清楚地说明本技术实施例的技术方案，下面将对本技术实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本技术的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。
29.图1为本技术实施例提供的一种高均匀细晶铝合金铸锭的生产装置的结构示意图；
30.图2为图1中流槽和导管的结构示意图；
31.图3为图2另一视角的结构示意图；
32.图4～图9为实施例1及对比例1的铸锭在＝同方向上沿心部到边部化学成分的分布变化图；
33.图10～图11为实施例1及对比例1的铸锭的边部及心部的组织图；
34.图12为本技术实施例提供的另一种生产装置中流槽和导管的结构示意图。
35.图标：100-生产装置；111-流槽；112-导管；120-结晶器；130-引锭头；140-强冷组件；211-流槽；212-导管。
具体实施方式
36.申请人在实现本技术的过程中发现，虽然增材制造技术生产的铸锭基本解决了材料的偏析、晶粒粗大等问题，但生产的铸锭却存在较为严重的气孔、疏松等缺陷，一般是因为扫描成型的过程很难控制吸气和氧化，并且对于结晶区间比较大的高合金成分熔体的补缩也很难控制，所以就会出现气孔、疏松等缺陷。铸锭经加工和热处理后，材料的断裂韧性、疲劳等性能较差，难以满足航空等高性能铝合金材料的使用要求，比如增材制造技术无法生产得到高性能航空铝材大板锭。
37.为了解决传统半连续铸造技术和增材制造技术的缺陷各自的缺陷，申请人探索出一种将半连续铸造技术和增材制造技术结合在一起的新技术。
38.下面将结合本技术实施例中的附图，对本技术实施例中的技术方案进行描述。
39.为使本技术实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本技术实施例中的附图，对本技术实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本技术一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本技术实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。
40.因此，以下对在附图中提供的本技术实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本技术的范围，而是仅仅表示本技术的选定实施例。基于本技术中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本技术保护的范围。
41.应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。
42.在本技术的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“竖直”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，或者是该申请产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，仅是为了便于描述本技术和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本技术的限制。
43.在本技术的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本技术中的具体含义。
44.第一实施例
45.参见图1至图3所示，本技术实施例提供了一种高均匀细晶铝合金铸锭的生产装置100，其包括由上至下依次设置的流槽111、结晶器120和引锭头130，流槽111的底面连通设置有若干相同规格的导管112，导管112伸入结晶器120内且喷射方向朝下，结晶器120中部区域的导管112分布率小于周围区域的导管112分布率，引锭头130设置于结晶器120的底端出口且能够竖直移动，结晶器120的底端出口还设置有强冷组件140，强冷组件140由结晶器120的底端出口延伸至结晶器120下方，强冷组件140中通入强冷介质。
46.本技术实施例中，各导管112的规格都是一样的，导管112的直径为5-20mm，每根导管112的流量也是一样的，因此以导管112间距控制不同区域的熔体流量。流槽111的底面上导管112的分布区域与结晶器120的横截面相匹配，导管112竖直插入结晶器120内。本技术实施例中，结晶器120的横截面为长方形，特指长边明显大于宽边，对应生产板锭，流槽111的底面上导管112的分布区域为长方形，且沿长度方向位于中部区域的相邻导管112的间距大于位于两端区域的相邻导管112的间距。具体地，结晶器120的横截面长1300-2000mm、宽300-500mm，流槽111的底面上沿长度方向位于两端区域的相邻导管112的间距为30-60mm，位于中部区域的相邻导管112的间距为50-80mm，沿宽度方向的相邻导管112的间距为80-120mm。
47.相应地，本技术实施例提供了一种基于上述的高均匀细晶铝合金铸锭的生产装置100的生产方法，其包括以下步骤：
48.s1、启动强冷组件140，一般是往强冷组件140内持续通入强冷介质，基于强冷组件140的设置方式，实现一次冷却和二次冷却：强冷组件140穿过结晶器120，流过结晶器120内的强冷介质使其中的熔体凝固成坯壳，此过程为一次冷却；穿出结晶器120的强冷组件140中的强冷介质喷到铸件上，利用强冷介质实现强冷却条件，此过程为二次冷却。本技术实施例中的强冷介质是往水里加冷却剂或温度较低的水，以整体降低水温，保证二次冷却时的强冷介质的温度较低(通常在10℃以下)，实现整个铸造过程的强冷，取代传统半连续铸造中采用水冷，水温都是比较高的方式。
49.s2、使流槽111内的铝合金熔体通过导管112进入到结晶器120内，铝合金熔体的温度因铝合金类型相异，比如铝合金的型号为7050铝合金，铝合金熔体的温度为650-720℃，可以通过流槽111内铝合金熔体至导管112喷射口的高度差和大气压实现对铝合金熔体加压，还可以直接对流槽111内的铝合金熔体再附加一定气压，使铝合金熔体由导管112冲击进入结晶器120内，流槽111内的铝合金熔体加压0-3bar。
50.结晶器120内铝合金熔体在一次冷却下凝固成坯壳，在冷却作用下坯壳内部由上至下分为l相(液相区)、l+s相(液相和固相的混合区，即两相区)和s相(固相区)，待结晶器120内的铝合金熔体凝固成坯壳时(通常是结晶器120的底端靠近出口的区域的铝合金熔体凝固成坯壳时)，启动引锭头130竖直向下运行进行铸造，结晶器120的长度对应铸坯的宽度，结晶体的宽度对应铸坯的厚度，结晶器120的铸造长度对应铸坯的长度，在铸造过程中，导管112的喷射口位于结晶器120内的铝合金熔体中并位于两相区上方2-5cm，具体插入深度因铝合金种类而异。
51.需要说明的是，由于在铸造过程中铸锭应力较低且分布均匀，因此强冷组件140提供的强冷条件不会引起铸锭的开裂。
52.强冷组件140的冷却速率需要与导管112内铝合金熔体的冲击量(流量)相匹配，使结晶器120内冲击量/流量越大，冷却就需要越强，这样整个凝固过程才能重新平衡，否则凝固界面会下移，这对整个铸锭是不利的。但是在铸造稳定时，铝合金熔体需流量(各导管112所有流量之和)是固定的，所以冷却强度也是固定的，而决定流量的关键参数是铸造速度，即拉坯速度。示例性地，铸造速度为15mm/min时，铝合金熔体需流量为1.626534t/h；铸造速度为25mm/min时，铝合金熔体需流量为2.71089t/h；铸造速度为35mm/min时，铝合金熔体需流量为3.795246t/h；铸造速度为48mm/min时，铝合金熔体需流量为5.2049088t/h。
53.另外，从流量(冲击量)与冷却强度来看，以边部的流量/冲击量来看，总体的流量越大，强冷介质的温度就需要越低，以目前的48mm/min速度和5.2t/h流量看，强冷介质的温度需稳定在0-10℃。
54.s3、待引锭头130移动至预设位置(形成一定长度铸锭)，停止引锭头130运行，同时停止往结晶器120通入铝合金熔体，完成铸造。
55.实施例1
56.本实施例提供一种7050铝合金铸锭，其规格为：宽
×
厚＝1655mm
×
400mm，其生产的具体实施过程如下：
57.(1)、采用如图1所示的生产装置100，调节导管112直径为10mm，设置流槽111中导
管112的分布：对应铸锭宽度方向靠近边部的每隔50mm设一个导管112，靠近心部的每隔80mm设一个导管112，对应铸锭厚度方向每隔80mm设一个导管112。
58.(2)、向结晶器120的强冷组件140中通入强冷介质；
59.(3)、熔炼标准成分的7050熔体，熔体铸造温度700℃；将加压1bar的熔体通过流槽111及导管112进入到结晶器120内，导管112抵近深度距糊状区(两相区)2-5cm处；待熔体凝固成坯壳时，启动引锭头130进行铸造；
60.(4)、当引锭头130移动至预设位置时(要求铸锭长度)，停止引锭头130运行，同时停止导入熔体，完成铸造。
61.对比例1
62.本对比例提供一种7050铝合金铸锭，其规格与实施例1的铸锭规格相同，其采用传统半连续铸造技术，生产过程如下：
63.熔炼标准成分的7050熔体，熔体铸造温度700℃；将熔体直接通入到常规结晶器内；待熔体凝固成坯壳时，启动引锭头进行铸造；当引锭头移动至预设位置时(要求铸锭长度)，停止引锭头运行，同时停止导入熔体，完成铸造。
64.以下对实施例1及对比例1的铸锭进行化学成分和组织分析，结果如下：
65.图4～图9为实施例1及对比例1的铸锭在不同方向上沿心部到边部化学成分的分布变化图，具体如下：
66.图4(a)和图4(b)分别为实施例1及对比例1的铸锭在宽度方向从心部到边部zn的分步变化图；
67.图5(a)和图5(b)分别为实施例1及对比例1的铸锭在厚度方向从心部到边部zn的分步变化图；
68.图6(a)和图6(b)分别为实施例1及对比例1的铸锭在宽度方向从心部到边部mg的分步变化图；
69.图7(a)和图7(b)分别为实施例1及对比例1的铸锭在厚度方向从心部到边部mg的分步变化图；
70.图8(a)和图8(b)分别为实施例1及对比例1的铸锭在宽度方向从心部到边部cu的分步变化图；
71.图9(a)和图9(b)分别为实施例1及对比例1的铸锭在厚度方向从心部到边部cu的分步变化图。
72.图10(a)和图10(b)为实施例1及对比例1的铸锭的边部的组织图；
73.图11(a)和图11(b)为实施例1及对比例1的铸锭的心部的组织图。
74.根据上述检测结果可知，实施例1生产的铸锭在宽度、厚度方向上，从心部到边部在成分的偏析程度、晶粒形貌及晶粒尺寸上都较对比例1采用传统半连续铸造有很大优势，具体体现在：
75.1、成分：本技术实施例生产的铸锭在宽度、厚度方向上，从心部到边部的zn、mg、cu的分布较均匀，偏析程度较小，相较传统半连续铸造所产铸锭有很大优势。
76.2、组织：本技术实施例生产的铸锭组织无明显缺陷，晶粒为均匀细小的等轴晶，且边部与心部晶粒尺寸相差不大；而传统半连续铸造生产铸锭晶粒呈树枝晶状，且晶粒尺寸较大，同时边部与心部晶粒尺寸相差较大。
77.第二实施例
78.参见图1和图12所示，本技术实施例提供了一种高均匀细晶铝合金铸锭的生产装置，其与第一实施例中的生产装置100结构大致相同，不同之处在于：本技术实施例的结晶器120的横截面为圆形，流槽211的底面上导管212的分布区域对应为圆形，且位于中部区域的相邻导管212之间的间距大于位于周围区域的相邻导管212之间的间距，特别的，从中部往周围看，相邻导管212的间距逐渐减小，该生产装置100用于生产横截面为圆形的铸锭。
79.综上所述，本技术实施例的高均匀细晶铝合金铸锭的生产装置及方法是基于传统半连续铸造技术并采用熔体冲击法凝固新技术，实现均匀、细晶、低应力，无缺陷铸锭的生产。
80.以上所述仅为本技术的实施例而已，并不用于限制本技术的保护范围，对于本领域的技术人员来说，本技术可以有各种更改和变化。凡在本技术的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本技术的保护范围之内。