一种生产高强铝合金板坯的方法及设备.pdf

一种生产高强铝合金板坯的方法及设备，设备由电磁场发生系统、铸造系统和气刀系统三部分组成。电磁场发生系统由低频电源、供水装置和线圈组成；铸造系统由分流盘、保温帽、石墨内套、结晶器、下盖板、入水口、连接杆和二冷水眼组成；气刀系统由空压机、储气罐、气刀支架、排水板和气刀组成。铸造前将线圈通以低频交流电，同时，进行浇注，当铸锭长度为100～500mm时，开始施加气刀。采用本发明的设备和方法可以有效的抑制高强铝合金板坯铸造裂纹问题。进而，可以生产出没有缺陷的高强铝合金铸锭。

1.  一种生产高强铝合金板坯的设备，其特征在于设备由电磁场发生系统、铸造系统和气刀系统三部分组成：
(1)电磁场发生系统
由低频电源、供水装置和线圈组成，低频电源通过导线与线圈连接，供水装置通过水管与线圈连接；
(2)铸造系统
由分流盘、保温帽、石墨内套、结晶器、下盖板、入水口、连接杆和二冷水眼组成，石墨内套镶嵌在结晶器的内侧并紧密结合，二冷水眼位于石墨内套内侧，保温帽位于石墨内套上方，线圈位于结晶器的上方保温帽的外侧，入水口位于结晶器下部，分流盘位于保温帽之间，下盖板位于结晶器底部，连接杆位于结晶器下方；
(3)气刀系统
由空压机、储气罐、气刀支架、排水板和气刀组成，气刀支架位于结晶器下方并与结晶器用连接杆连接，排水板位于气刀支架上方，气刀固定在气刀支架内侧，气刀通过管道与储气罐连接，储气罐与空压机连接。

2.  按照权利要求1所述的生产高强铝合金板坯的设备，其特征在于线圈由铜管缠绕而成。

3.  按照权利要求1所述的生产高强铝合金板坯的设备，其特征在于结晶器是由锻铝机加工而成，由结晶器外壁、结晶器内壁和大小面水隔板所围成的三个腔组成，一个腔是大面水腔，与大面入水口连通；两个腔是小面水腔，与小面入水口连通，这三个腔被大小面水隔板隔开。

4.  按照权利要求1所述的生产高强铝合金板坯的设备，其特征在于石墨内套是由石墨加工而成，保温帽和分流盘由保温材料加工而成。

5.  按照权利要求1所述的生产高强铝合金板坯的设备，其特征在于空压机是大流量高压空压机，参数为：20m³/min，0.2～1MPa，贮气罐是2～5m³的大容积储气罐，气刀是由锻铝或不锈钢加工而成，并且气刀与水平面倾斜角度为15°～75°，位置位于二次冷却水击水点下50mm～500mm，出口压力为0.1MPa～2MPa。

6.  采用权利要求1所述的设备生产高强铝合金板坯的方法，其特征在于：
铸造前将线圈通以低频交流电，产生低频电磁场，同时，进行浇注，合金熔体被浇注到一个分流盘中，熔体通过分流盘被分配到熔池内，当熔体接触石墨内套时被冷却形成凝固皮壳，同时凝固皮壳被拽出结晶器，受到二次冷却水的冷却，使铸锭完全凝固；当铸锭长度为100～500mm时，开始施加气刀；工艺条件如下：
电磁场条件：线圈中心与液面相对位置为60～100mm，电磁场频率为5～30Hz，电磁场强度为25000～60000安匝；
铸造条件：浇注温度710～725℃，铸造速度70～90mm/min；
气刀条件：气刀与水平面倾斜角度为15°～75°，位置位于二次冷却水击水点下50～500mm，出口压力为0.1～2.0MPa。

一种生产高强铝合金板坯的方法及设备
技术领域
本发明属于铝合金铸造技术领域，具体涉及一种生产高强铝合金板坯的方法及设备。
背景技术
通过连续或半连续铸造来生产金属制品特别是轻金属如铝合金过程中，在铸造过程的开始阶段，引锭首先上升到结晶器内，打开冷却水。然后，液态铝熔体通过分流包被浇注到由结晶器和引锭所围成的空间内。当铝熔体和结晶器与引锭刚发生接触，铝熔体就会被结晶器和引锭所冷却并且沿其边界发生凝固。铝熔体在结晶器中达到一定高度后并且凝固壳具有足够强度来支撑这些铝熔体的时候，引锭将以给定的铸造速度向下运动。已凝固的铸锭将随着引锭一起下降，当铸锭从结晶器被拉出时，二次冷却水直接喷到铸锭的表面，铸锭被迅速的冷却下来。这样铝熔体将不断的被浇铸到结晶器内，而已凝固的铸锭也不断地被从结晶器内拽出，构成了一个连续的过程。
在DC铸造过程中，金属凝固时铸锭中心与表面就会产生巨大的温度梯度，这个巨大的温度梯度在铸造过程产生巨大的内应力，当内应力达到一定大小，在铸造过程或铸造结束后铸锭就会发生裂纹甚至完全劈开。对于高强高合金化的铝合金，如2XXX，7XXX铝合金，这种裂纹倾向更加明显。裂纹严重的影响了金属生产的成材率和生产率。
为了抑制裂纹的发生，国内外进行了大量的研究，其主要思路是1)从裂纹产生的内在条件出发，提高合金抵抗裂纹的能力，主要方法就是控制凝固过程，主要手段是细化晶粒，提高晶内合金元素含量，控制凝固末期晶粒间形成的液膜和金属间化合物的形态，数量及其大小；2)从裂纹产生的外部条件出发，减少铸造过程中产生的内应力，主要方法是控制铸锭中心与表面的温度梯度，其主要手段是较少液穴深度，提高表面温度。
随着技术的发展，国内外专家开发了大量的制坯方法来抑制裂纹的产生：
(1)快速冷却的方法：如喷射成型，但是该工艺很难制取大尺寸的板坯；
(2)使用档水板的方法：其主要特点在于：在锭坯从结晶器底部出口被拉出后，通过去除凝固金属表面层的冷却水可降低高强度合金锭坯的铸造裂纹出现的可能性。通过快速地去除冷却水，锭坯中心的高温金属可对表层冷却过的金属进行重新加热，降低了铸锭内外的温度梯度，从而减轻了内应力，阻止或减少了裂纹的产生。为了尝试阻止铸造裂纹的产生，许多挡水板装置例如橡胶挡片，旋转刷或旋转辊等技术被提出。然而除了橡胶挡片之外大部分装置并没有任何程度的商业应用，因为它们的设计在工业环境下是不可实现的。橡胶挡片虽然经常使用，但是会被铸造过程中锭坯表面产生的“butt swell”的粗糙表面撕裂或磨损，造成冷却水泄露到挡水板以下的锭坯表面，从而产生铸造裂纹。同时橡胶挡片不能将冷却水均匀的去除锭坯表面，尤其是在板坯的边角处，冷却水的泄露往往发生板坯的边角处；
(3)施加外场的方法：如在凝固过程中施加超声波，电流，磁场等，但实践证明其中除电磁场外其他方法在大铸锭时作用不显著；对于电磁场的应用，上世纪60年代，前苏联铝合金专家在铝合金DC半连续铸造的基础上开发了EMC(Electromagnetic Casting)工艺，通过交变电磁场产生的Lorentz力约束金属熔体，并维持一定的液柱高度，替代了结晶器的支撑作用，实现了无模铸造。其主要特点是铸锭表面无偏析层，光洁度高，但是，EMC以改善铸锭表面为目标，采用中、高频电磁场来实现无模铸造，对设备控制系统要求较高，非常容易出现拉漏现象。同时，由于频率较高，EMC工艺对铸锭内部熔体的流动场与温度场影响有限，在铸造难度较高的硬铝与超硬铝合金大尺寸铸锭生产过程中，难以获得均匀的铸态组织和消除铸锭内应力。1986年，研究人员提出的电磁细晶铸造CREM(Casting，Refining，Electromagnetic)工艺是指在DC铸造结晶器外布置感应线圈，线圈中施加50Hz的工频交流电，通过其在金属熔体中产生的电磁场作用达到细化晶粒和改善表面质量的目的。采用该技术进行的直径为320mm2214铝合金圆锭半连续铸造实验结果表明，CREM工艺能够有效地细化晶粒、改善表面质量。但是，对于大尺寸铸锭的生产而言，由于受到电磁场渗透深度的影响(肌肤效应)，铸锭中心效果不显著。
综上所述，目前抑制裂纹的方法都有一些难以克服的缺点。
发明内容
针对以上现有技术存在的不足之处，本发明提供一种生产高强铝合金板坯的方法及设备，解决高强铝合金半连续铸造中的裂纹问题。
本发明的生产高强铝合金板坯的设备由三部分组成：电磁场发生系统、铸造系统和气刀系统。
电磁场发生系统，该系统由低频电源、供水装置和线圈组成。低频电源产生低频交流电(5Hz～30Hz)，低频电源通过导线与线圈连接，供水装置通过水管与线圈连接。线圈是由铜管缠绕而成的，当电流通过铜管时会产生焦耳热，因此通电的同时要用供水装置提供的冷却水将线圈冷却。
铸造系统，该系统由分流盘、保温帽、石墨内套、.结晶器、下盖板、入水口、连接杆和二冷水眼组成。
结晶器是由锻铝(如LD5，LD10)机加工而成，为了防止角部冷却过强，结晶器采用了大小面分开供水的方式。结晶器由结晶器外壁、结晶器内壁和大小面水隔板所围成的三个腔组成(如图2所示)。一个腔是大面水腔，与大面入水口连通；两个腔是小面水腔I和小面水腔II，与小面入水口连通，这三个腔被大小面水隔板隔开，这样将大小面的冷却水分开。石墨内套是由石墨加工而成的，保温帽和分流盘都是由保温材料加工而成(如中耐一号)。
石墨内套镶嵌在结晶器的内侧并紧密结合，二冷水眼位于石墨内套内侧。保温帽位于石墨内套上方，线圈位于结晶器的上方保温帽的外侧，入水口位于结晶器下部，分流盘位于保温帽之间，下盖板位于结晶器底部。二冷水通过二冷水眼射到铸锭上，二冷水与铸锭接触的位置为二冷水击水点。连接杆位于结晶器下方，用于与气刀系统相连接。
熔池内，整个熔池的最上面是液面，液态合金和半固态合金之间是液相线，半固态合金和铸锭之间是固相线。
气刀系统，该系统由空压机、储气罐、气刀支架、排水板和气刀组成。空压机是大流量高压空压机(20m³/min，0.2～1MPa)，贮气罐是大容积储气罐(2～5m³)，具体大小根据铸锭大小决定。气刀是由锻铝或不锈钢加工而成，并且气刀与水平面倾斜角度为15°～75°，位置位于二次冷却水击水点下50mm～500mm，出口压力为0.1MPa～2MPa。气刀支架和排水板由不锈钢加工而成。气刀支架位于结晶器下方并与结晶器用连接杆连接，排水板位于气刀支架上方，气刀固定在气刀支架内侧，气刀通过管道与储气罐连接，储气罐与空压机连接。当气刀系统使用时，在气刀的出口会射出高压空气。
本发明的生产高强铝合金板坯的设备，在结晶器水套上方设置电磁线圈，线圈中施加低频电流，这样在结晶器中就会产生低频电磁场，在铝熔体中产生感生电流，电流与磁场相互作用下产生一个洛伦兹力。由于铸锭与结晶器几何形状在垂直方向的不对称性，使得磁力线相对于铸锭的中心线发生了显著的偏转，导致熔体内部Lorentz力的时间平均值同时存在垂直分量和水平分量。其中水平分量为与金属静压力梯度平衡的有势力，而垂直分量为有旋力场，起到了搅拌熔体的作用。Lorentz力水平分量使得熔体自由表面形成凸起的弯月形，从而减小了熔体与结晶器接触高度和接触压力，实现了所谓的软接触，改变了一次冷却区热通量的大小与分布情况，起到了减弱一次冷却强度的作用，使初生凝固壳形成位置下降，表面渗出现象减弱。Lorentz力垂直分量形成的有旋力场起到了电磁搅拌的作用，流动场与无心感应炉中熔融金属的流动场类似，测量表明熔体内部的温度场受到电磁搅拌的强烈影响，有旋分量产生的强迫对流将中心区域的过热熔体带向铸锭的边缘区域，因此消除了中心区域的局部过热，减小整个液相区内温度差，使熔体温度低于液相线温度。对于具有较宽结晶温度区间的合金，两相区可能扩展到整个液相区，强迫对流将初生凝固壳处形成的枝晶臂熔断并带入液穴内部形成异质结晶核心，起到了晶粒细化和抑制枝晶生长的作用，铸锭由均匀细小的近球形和蔷薇型微观组织构成。
另外，该设备还有一个特点，就是在结晶器下方50～500mm的位置放置一组气刀，该气刀被通于高压空气，这个高压空气是由一组高压空气发生装置产生，这个发生装置由一个大流量空压机和一个储气罐组成。当高压空气通过气刀时，在气刀出口会产生高压的冲击气体，当这个高压气体接触沿铸锭表面向下流的二冷水时，就会将其打飞，使二冷水脱离铸锭，由于二冷水被从铸锭表面删除，这样在气刀下方的铸锭就不受二冷水的冷却，另外合金凝固时释放的潜热将表面加热使其温度回升。
上面描述了本发明中的设备的两个显著特点，那么这两个特点会对整个铸造过程和最终产品影响很大。首先，施加低频电磁场的作用是：
(1)均匀熔池内温度场，使其低于液相线，增加了凝固速率；
(2)元素晶内含量增加；
(3)凝固末期残余液相浓度降低；
(4)金属间化合物被细化含量被减少；
(5)晶粒被明显细化；
其次，施加气刀使铸锭表面温度升高，从而使内外温度差减少，纵向温度减少。
因此，采用本发明装置能减少铸锭凝固和冷却过程中的铸造应力，显著地提高合金铸锭抵抗裂纹的能力。
使用本发明的设备生产高强铝合金的方法如下。
铸造前将线圈通以低频交流电，产生低频电磁场。同时，进行浇注，合金熔体被浇注到一个分流盘中，熔体通过分流盘被分配到熔池内，当熔体接触石墨内套时就会被冷却形成凝固皮壳，同时凝固皮壳被拽出结晶器，受到二次冷却水的冷却，使铸锭完全凝固。
由于电磁场的施加，使熔池中的熔体受到电磁场产生的洛伦兹力的作用，这个力由于铸锭与结晶器几何形状在垂直方向的不对称性，使得磁力线相对于铸锭的中心线发生了显著的偏转，导致熔体内部Lorentz力的时间平均值同时存在垂直分量和水平分量。其中水平分量为与金属静压力梯度平衡的有势力，而垂直分量为有旋力场，起到了搅拌熔体的作用。Lorentz力水平分量使得熔体自由表面形成凸起的弯月形，从而减小了熔体与结晶器接触高度和接触压力，实现了所谓的软接触，改变了一次冷却区热通量的大小与分布情况，起到了减弱一次冷却强度的作用，使初生凝固壳形成位置下降，表面渗出现象减弱。Lorentz力垂直分量形成的有旋力场起到了电磁搅拌的作用，流动场与无心感应炉中熔融金属的流动场类似，测量表明熔体内部的温度场受到电磁搅拌的强烈影响，有旋分量产生的强迫对流将中心区域的过热熔体带向铸锭的边缘区域(这样的流动方式受到线圈与液面相对位置的制约，根据不同合金成分，这个相对位置为40～150mm)，因此消除了中心区域的局部过热，减小整个液相区内温度差，使熔体温度低于液相线温度。对于具有较宽结晶温度区间的合金，两相区可能扩展到整个液相区，强迫对流将初生凝固壳处形成的枝晶臂熔断并带入液穴内部形成异质结晶核心，起到了晶粒细化和抑制枝晶生长的作用，铸锭由均匀细小的近球形和蔷薇型微观组织构成。由于凝固过程的改变是合金晶粒内固溶的合金元素含量增加。由于晶粒被细化晶界增加，从而凝固末期残余液相浓度降低，并且金属间化合物被细化含量被减少。因此凝固后期以及冷却过程中的合金强度与塑性都显著提高，铸锭的抗裂纹能力增加。
当铸锭长度为100～500mm时，气刀开始施加，当气刀施加后，在气刀出口会产生高压的冲击气体，当这个高压气体接触沿铸锭表面向下流的二冷水时，就会将其打飞，使二冷水脱离铸锭，由于二冷水被从铸锭表面删除，这样在气刀下方的铸锭就不受二冷水的冷却，另外合金凝固时释放的潜热将表面加热使其温度回升。铸锭处于高温状态(300～400℃)，使铸锭发生自回火，达到消除产生的铸造应力的目的。另外，由于气刀下方没有二冷水的冷却，铸锭内外以及纵向的温度差大幅度减少，进而铸造应力被显著降低，降低了裂纹产生的外部驱动力。
工艺条件如下。
电磁场条件：线圈中心与液面相对位置为60～100mm，电磁场频率为5～30Hz，电磁场强度为25000～60000安匝；
铸造条件：浇注温度710～725℃，铸造速度70～90mm/min；
气刀条件：气刀与水平面倾斜角度为15°～75°，位置位于二次冷却水击水点下50～500mm，出口压力为0.1～2.0MPa。
采用本发明的设备和方法可以有效地抑制高强铝合金板坯铸造裂纹问题。进而，可以生产出没有缺陷的高强铝合金铸锭。
附图说明
图1本发明设备结构示意图；
图2结晶器俯视结构图；
图3气刀使用后表面温度回升温度曲线；
图中：1.低频电源；2.线圈供水系统；3.线圈；4.分流盘；5.保温帽；6.液态合金；7.液相线；8.半固态合金；9.固相线；10.铸锭；11.石墨内套；12.结晶器；13.下盖板；14.入水口；15.二冷水；16.连接杆；17.二冷水眼；18.空压机；19.贮气罐；20.气刀支架；21.排水板；22.气刀；23.高压空气；24.二冷水击水点；25.液面；26.结晶器外壁；27.大小面水隔板；28.结晶器内壁；29.小面水腔I；30.大面水腔；31.小面水腔II；32.小面入水口；33.大面入水口。
具体实施方式
以下通过实施例进一步说明本发明的方法，如图1和2所示，本发明的生产高强铝合金板坯的设备由三部分组成：电磁场发生系统、铸造系统和气刀系统。
电磁场发生系统，该系统由低频电源1、供水装置2和线圈3组成。低频电源1产生低频交流电(5Hz～30Hz)，低频电源1通过导线与线圈3连接，供水装置2通过水管与线圈3连接。线圈3是由铜管缠绕而成的，当电流通过铜管时会产生焦耳热，因此通电的同时要用供水装置2提供的冷却水将线圈3冷却。
铸造系统，该系统由分流盘4、保温帽5、石墨内套11、.结晶器12、下盖板13、入水口14、连接杆和二冷水眼17组成。
结晶器12是由锻铝(如LD5，LD10)机加工而成，为了防止角部冷却过强，结晶器采用了大小面分开供水的方式。结晶器12由结晶器外壁26、结晶器内壁28和大小面水隔板27所围成的三个腔组成(如图2所示)。一个腔是大面水腔30，与大面入水口33连通；两个腔是小面水腔I 29和小面水腔II 31，与小面入水口32连通，这三个腔被大小面水隔板27隔开，这样将大小面的冷却水分开。石墨内套11是由石墨加工而成的，保温帽5和分流盘4都是由保温材料加工而成(如中耐一号)。
石墨内套11镶嵌在结晶器12的内侧并紧密结合，二冷水眼17位于石墨内套11内侧。保温帽5位于石墨内套11上方，线圈3位于结晶器12的上方保温帽5的外侧，入水口14位于结晶器下部，分流盘4位于保温帽5之间，下盖板13位于结晶器12底部。二冷水15通过二冷水眼17射到铸锭10上，二冷水15与铸锭10接触的位置为二冷水击水点24。连接杆16位于结晶器下方，用于与气刀系统相连接。
熔池内，液面25位于整个熔池的最上面，液态合金6和半固态合金8之间是液相线7，半固态合金8和铸锭10之间是固相线9。
气刀系统，该系统由空压机18、储气罐19、气刀支架20、排水板21和气刀22组成。空压机18是大流量高压空压机(20m³/min，0.2～1MPa)，贮气罐19是大容积储气罐(2～5m³)，具体大小根据铸锭大小决定。气刀22是由锻铝或不锈钢加工而成，并且气刀与水平面倾斜角度为15°～75°，位置位于二次冷却水击水点下50mm～500mm，出口压力为0.1MPa～2MPa。气刀支架20和排水板21由不锈钢加工而成。气刀支架20位于结晶器12下方并与结晶器12用连接杆16连接，排水板21位于气刀支架20上方，气刀22固定在气刀支架20内侧，气刀22通过管道与储气罐19连接，储气罐19与空压机18连接。当气刀系统使用时，在气刀22的出口会射出高压空气23。
采用本发明的设备生产高强铝合金板坯的实施例如下。
实施例1
7055铝合金板坯低频电磁场半连续铸造。
7055铝合金化学成分(质量％)

铸造前将线圈通以低频交流电，产生低频电磁场。同时，进行浇注，合金熔体被浇注到一个分流盘中，熔体通过分流盘被分配到熔池内，当熔体接触石墨内套时就会被冷却形成凝固皮壳，同时凝固皮壳被拽出结晶器，受到二次冷却水的冷却，使铸锭完全凝固。
当铸锭长度为300mm时，气刀开始施加，当气刀施加后，在气刀出口会产生高压的冲击气体，当这个高压气体接触沿铸锭表面向下流的二冷水时，就会将其打飞，使二冷水脱离铸锭，由于二冷水被从铸锭表面删除，这样在气刀下方的铸锭就不受二冷水的冷却，另外合金凝固时释放的潜热将表面加热使其温度回升。铸锭处于高温状态(350℃)，使铸锭发生自回火，达到消除产生的铸造应力的目的。另外，由于气刀下方没有二冷水的冷却，铸锭内外以及纵向的温度差大幅度减少，进而铸造应力被显著降低，降低了裂纹产生的外部驱动力。
工艺条件如下。
电磁场条件：线圈中心与液面相对位置为80mm，电磁场频率为20Hz，电磁场强度为30000安匝；
铸造条件：浇注温度718℃，铸造速度80mm/min；冷却水流量，大面200l/min，小面120l/min；
气刀条件：气刀与水平面倾斜角度为45°，位置位于二次冷却水击水点下300mm，出口压力为1.0MPa。
铸锭尺寸：200×600×1600。
利用本发明的方法与普通DC铸造生产7055铝合金的比较