[发明专利]一种生产细晶铝合金圆铸锭的装置及方法

说明书

 

技术领域

本发明属于铝合金铸造技术领域，特别涉及一种生产细晶铝合金圆铸锭的装置及方法。

背景技术

铝是仅次于铁的第二大金属，是金属材料中最典型的轻质材料，具有比强度高、易加工、成本低等优点。已广泛应用于国民经济的各个领域，如航空航天、交通运输、电子通讯、轻工建材、包装容器、石油化工、五金电器等多方面领域。由Hall-Petch 公式可知：材料的屈服强度和材料的晶粒大小成反比，同时，晶粒细化还可以提高材料的塑韧性，是改善铝材质量的重要途径。此外，细小的凝固组织能够降低铝合金铸锭铸造过程中的热裂敏感性，提高铸态金属的机械性能。

由于铝合金在加工过程中组织具有遗传性，要求铸锭的铸态组织越细小越好，通常铝合金铸锭的细化方法主要可以归结为：增加过冷度、加入细化剂或合金元素及施加物理场等。对于铝合金的半连续铸造，由于其冷却强度基本是固定的，不易实现大幅度的提高，因此增加过冷度对于铝合金半连续铸造过程中不易实现。加入细化剂或合金元素能极大细化铸锭的凝固组织，但对于固定的铝合金合金牌号，其合金元素含量都有一定的范围，不能通过大量加入合金元素来细化铸锭的凝固组织；在铸造过程中加入细化剂（如铝钛硼等）能有效细化铸锭的凝固组织，但在后续铝合金铸锭加工过程中，由于硼化物粒子硬度大、加工出的产品易产生某些质量问题，如：箔材的针孔、断裂、光亮，阳极氧化薄板的条状缺陷，金属印刷板的表面缺陷以及飞机用高强铝合金厚板和锻件的裂纹等问题。因此，在不改变铝合金成分的前提下，通过施加外场来实现晶粒细化是较为可行的方法。目前，在铝合金电磁铸造过程中均采用一个线圈，来达到细化铝合金铸锭凝固组织的目的。但由于在铝合金的电磁铸造过程中，液穴深度相对较浅，通常液穴深度只有铸锭横截面尺寸的1/2 左右，一个线圈作用下的电磁场搅拌作用时间较短，对于铝合金铸锭的细化效果受到一定程度的制约，尤其对于超高纯铝，由于超高纯铝中其他合金元素或杂质元素含量非常少，因此在凝固的过程中异质形核的数量非常少，一个线圈作用下的电磁场对超高纯铝基本起不了细化作用。

综上所述，铝合金电磁铸造是细化铝合金铸锭的重要方式，但由于铝合金半连续铸造过程的工艺特性决定了单一线圈作用下的铝合金电磁铸造对铸锭的细化效果受到制约，尤其对于超高纯铝铸锭基本起不到细化作用，因此，有必要进一步改善和完善该工艺。

发明内容

针对现有技术中存在的不足，本发明提供了一种能极大细化高纯铝及铝合金圆铸锭的凝固组织的方法。

本发明的一种生产细晶铝合金圆铸锭的装置，包括流道压板、流道、平台板、上线圈、下线圈、结晶器水箱、导流管、螺柱、石墨环、结晶器内套、螺栓和引锭头，结晶器水箱和结晶器内套组成结晶器；所述的流道靠流道压板固定在平台板上，上线圈安置在平台板与结晶器水箱之间，下线圈安置在结晶器水箱内，平台板与结晶器水箱用螺柱连接，导流管安置在结晶器内套中，石墨环镶嵌在结晶器内套中，引锭头位于结晶器内部石墨环的下沿，引锭头连接铸造机。

其中，所述的结晶器内套由锻铝加工而成；平台板和结晶器水箱由Q235加工而成；上线圈由铜管缠绕而成，匝数为50~200匝；下线圈由铜线缠绕而成，匝数为50~200匝；石墨环由石墨加工而成；流道和导流管由保温材料加工而成。

采用上述装置进行细晶铝合金圆铸锭的生产工艺步骤如下：

（1）铸造前将引锭头升至石墨环内，将上线圈和结晶器通入冷却水，冷却水通过结晶器水箱进入结晶器内套，并由结晶器内套下部的水孔喷出，作用至铸锭表面；

（2）结晶器内套内径尺寸为50~600mm；铝熔体经过流道及导流管流入结晶器，熔体在结晶器内凝固5~20s，在石墨环形成坯壳后，启动铸造机开始铸造：铸造速度为15~100mm/min， 然后在2min内增加至30 ~260 mm/min；

（3）当铸锭长度达到150mm时开启励磁电源，电流频率为5~50Hz，电流强度为50~300A；

（4）铸造结束后，关闭励磁电源，关闭冷却水。

本发明的特点和有益效果在于：

本发明实现了结晶器内和结晶器外采用双线圈作用下的铝合金半连续铸造，可以在提高铸锭表面质量的基础上，大大细化铸锭的凝固组织，提高铸锭的冶金质量。