一种抑制铸锭底部裂纹的铸造方法.pdf

本发明涉及抑制铸锭底部裂纹的铸造方法，在铸造起始阶段，铸造速度和冷却水流量数值均为稳定阶段速度与冷却水流量数值的1/2～2/3，当铸锭长度达到20～100mm后，保持冷却水流量不变，在1～10s的时间内将铸造速度逐渐减小至零，铸造机停止运行1～60s后，铸造过程再次重新开始，铸造速度和冷却水流量值逐渐恢复至起始设定值，铸造过程经历起始、稳定和收尾三个阶段后铸造速度逐渐降低至零，整个铸造过程铸造机中途停止1次。该技术方案能够有效降低铸锭整体内应力值，达到抑制开裂的目的，提高铸造成功率。

1.  一种抑制铸锭底部裂纹的铸造方法，铸造过程包括铸造起始阶段、铸造稳定阶段和铸造收尾阶段，其特征在于：在铸造起始阶段，铸造速度和冷却水流量均为铸造稳定阶段时速度和冷却水流量相应数值的1/2～2/3，当铸锭长度达到20～100mm后，保持冷却水流量不变，在1～10s的时间内将铸造速度逐渐减小至零，铸造机停止运行1～60s后，然后铸造过程再次重新开始，铸造速度和冷却水流量值逐渐恢复至起始设定值，铸造过程分别经历起始、稳定和收尾三个阶段后铸造速度逐渐降低至零，整个铸造过程铸造机中途停止1次。

2.  根据权利要求1所述的一种抑制铸锭底部裂纹的铸造方法，其特征在于：铸造起始阶段铸造机处于停止状态，结晶器内金属液面高度不变或者液面升高幅度小于30mm。

3.  根据权利要求1所述的一种抑制铸锭底部裂纹的铸造方法，其特征在于：对于开裂倾向较大的铝合金铸锭，铸造起始阶段铸造机的停止与下降过程循环2～4个周期或者持续进行直至铸造过程结束，在时铸时停的循环阶段，铸造机停止频率为每分钟1～10次，单次停止的持续时间为1～60s。

一种抑制铸锭底部裂纹的铸造方法
技术领域
本发明涉及一种抑制铸锭底部裂纹的铸造方法，属于铝合金半连续铸造技术领域。
背景技术
直接水冷半连续铸造是铝合金圆锭和扁锭制备的主要工艺，在半连续铸造过程中，底部开裂是铸锭常见缺陷之一；后续热变形前，为保证产品质量，必须将开裂的铸锭底端切掉，从而严重降低了产品的成材率。而对于有些开裂倾向严重的铝合金铸锭，其底部开裂甚至会贯穿铸锭始终从而导致整根铸锭产品的报废。铸锭底部裂纹产生的原因主要是由于在开始铸造时铸造工具(如结晶器、底座等)温度太低，铝合金熔体在急冷条件下发生剧烈的液态收缩、凝固收缩和固态收缩，在铸锭底部产生很大的内应力，当应力值超过铸锭的强度承受极限时铸锭即发生底部开裂。合金的品种规格不同，铸锭底部开裂的倾向也不同。对于某些合金化程度高、低温塑性差的高强铝合金铸锭来说，铸造初期的底部裂纹往往会延续至整根铸锭从而导致整个铸造过程的失败。
为了抑制铸锭底部裂纹，世界各国铝业公司开发了许多先进的铸造工艺，如脉冲水铸造技术、加气铸造技术以及纯铝铺底技术等来抑制开裂并取得了一定的效果。在这些先进的铸造工艺中我国铝生产企业应用最广泛的是纯铝铺底工艺，该工艺的特点是在铸造合金铸锭之前首先铸造一定长度的工业纯铝铸锭，然后再浇铸合金铸锭，利用纯铝铸锭塑性好的特点稀释并包覆住易开裂的合金铸锭底部，从而实现抑制合金铸锭底部开裂的目的。
但是，采用纯铝铺底工艺不但需要增加工业纯铝熔化炉等额外设备，而且采用纯铝铺底铸造的操作也比较麻烦，铺底工艺的成败与人员和设备的配合密切相关。
针对现有工艺存在的不足，本发明提供一种切实可行的抑制铸锭底部裂纹的铸造方法，通过铸造工艺的改进来实现提高铸锭成品率的目的。
发明内容
本发明的目的是克服现有技术存在的不足，提供一种抑制铸锭底部裂纹的铸造方法，通过铸造工艺的改进提高铸锭成品率。
本发明的目的通过以下技术方案来实现：
一种抑制铸锭底部裂纹的铸造方法，铸造过程包括铸造起始阶段、铸造稳定阶段和铸造收尾阶段，特点是：在铸造起始阶段，设定起始铸造速度和冷却水流量均为稳定阶段相应数值的1/2～2/3，当铸锭长度达到20～100mm后，保持冷却水流量不变，在1～10s的时间内将铸造速度逐渐减小至零，保持结晶器内金属液面高度不变或者升高幅度值小于30mm；保持铸造机停止下降1～60s，然后继续运行，铸造过程重新开始，铸造速度和冷却水流量逐渐增加至起始设定值，铸造过程持续进行，经历铸造稳定阶段和收尾阶段后结束；整个铸造过程铸造机中途停止1次。
进一步地，上述的一种抑制铸锭底部裂纹的铸造方法，铸造起始阶段铸造机处于停止状态时，结晶器内金属液面高度不变或者液面升高幅度小于30mm。
更进一步地，上述的一种抑制铸锭底部裂纹的铸造方法，对于铸锭规格较大，底部开裂非常严重的铝合金铸锭，铸造起始阶段铸造机时铸时停的间歇下降过程可在铸造起始阶段循环2～4个周期或者持续进行，跨越铸造稳定和收尾阶段，直至整个铸造过程结束。在时铸时停阶段，铸造机停止的频率为每分钟1～10次，单次停止的持续时间为1～60s。
本发明技术方案突出的实质性特点和显著的进步主要体现在：
采用本发明铸造方法，在铸造初期铸造机由下降过程过渡到停止阶段后，结晶器内高温合金熔体的总量将不再增加或小幅度增大，而此时结晶器二次冷却水持续对铸锭实施冷却，伴随着铸锭凝固的进行其内部不同区域的温度差异将逐渐减小，内应力也逐渐降低；当再次开始铸造后，铸锭内应力值将在前期已得到部分释放的基础上累积，铸锭总体的内应力与常规持续铸造相比会降低，从而避免铸锭底部的开裂倾向。对于开裂倾向非常严重的合金铸锭来说，则选择铸造停止阶段和铸造过程交替进行的方式，使铸造过程中累积的内应力能够不断在铸造停止阶段得到释放，从而有效降低铸锭整体内应力值，达到抑制开裂的目的。
附图说明
下面结合附图对本发明技术方案作进一步说明：
图1：本发明方法的铸造速度示意图；
图2：适合于开裂倾向较大铸锭的铸造速度示意图。
具体实施方式
铝合金半连续铸造过程一般包括三个阶段：
1)铸造起始阶段：铝合金熔体经流槽缓慢流入由结晶器和引锭底座组成的铸造模内，在引锭底座和结晶器内壁的共同冷却作用下凝固形成一薄层金属壳，当金属壳的强度足够支撑液态金属时引锭底座下降，凝固的金属表层接触到结晶器内的冷却水，半连续铸造过程开始；
2)铸造稳定阶段：此阶段铸造工艺按照合金铸锭的要求稳定进行，铸造机按照铸造速度的设定值连续下降，冷却水按照设定工艺跟随铸造速度做线性变化，铸造过程中结晶器内液面高度保持不变，铸锭内部的熔体温度场和流动场趋于稳定；
3)铸造收尾阶段：此阶段铸造速度和冷却水流量逐渐下降至零，铸造进入结束收尾阶段。
在铸造起始阶段，采用控制程序设定起始铸造速度和冷却水流量，数值均为稳定铸造时速度与冷却水相应数值的1/2～2/3，当铸锭长度达到20～100mm后，保持冷却水流量不变，在1～10s的时间内将铸造速度逐渐减小至零，同时将向结晶器内供给金属的流量也逐渐减小至零，保持结晶器内金属液面高度不变或者液面升高小于30mm；铸造机停止下降后保持时间1～60s，然后铸造机继续启动，铸造速度和冷却水流量恢复至起始设定值，铸造过程重新开始。铸造过程依次经历稳定阶段和收尾阶段后铸造结束。在整个铸造过程中铸造机中途停止运行1次。
对于底部开裂倾向较高的铝合金铸锭而言，在铸造起始阶段铸造机停止与下降的交替过程可循环2～4个周期，或者持续循环经历铸造稳定阶段和收尾阶段后整个铸造过程结束。在铸造过程中铸造机一直以在时铸时停的方式运行，此过程铸造机停止的频率为每分钟1～10次，单次停止的持续时间为1～60s。
本发明与传统铸造工艺相比，主要是在铸造起始阶段铸造机不采取持续下降的方式，而是增设了铸造机中途停止过程，并依据铸锭品种和规格的变化，铸造机运行与停止的交替循环周期可设计成多个，甚至延长至整个铸造过程结束。这是因为，在铸造开始初期，结晶器和引锭底座的温度较低，铝合金液态熔体接触到引锭底座后发生凝固收缩并形成一薄层凝固壳，当铸锭表面接触到结晶器的二次冷却水后铸锭的凝固收缩将更加剧烈。受到结晶器内高温熔体不断补充，结晶器持续二次冷却的共同作用下，铸锭外部为凝固后的固态金属，而在铸锭内部形成了具有一定深度的高温熔体液芯，同时在铸锭中心和边部形成巨大的冷却差异。在半连续铸造过程中，这种铸锭不同部位金属的冷却速率差异必然导致其凝固收缩的不一致，前期凝固的金属必然会阻碍后期凝固金属的收缩变形，从而产生凝固收缩内应力并伴随着铸造过程的进行而不断累积。一般情况下在铸锭最先凝固的表层区域会产生压应力，而铸锭最后凝固的中心区域会产生拉应力，当应力值超过铸锭金属的承受极限时铸锭即发生开裂。铸造起始阶段是液态金属凝固较剧烈，铸锭与外界热平衡的建立过程，也是铸锭最易发生底部开裂的阶段。
采用本发明的铸造方法后，在铸造初期铸造机由下降过程过渡到停止阶段后，结晶器内高温合金熔体的总量将不再增加或小幅度增大，而此时结晶器二次冷却水持续对铸锭实施冷却，伴随着铸锭凝固的进行其内部不同区域的温度差异将逐渐减小，内应力也逐渐降低。当再次开始铸造后，铸锭内应力值将在前期已得到部分释放的基础上累积，铸锭总体的内应力与常规持续铸造相比会降低，从而削减了铸锭底部的开裂倾向。对于开裂倾向非常严重的合金铸锭来说，则选择铸造停止阶段和铸造过程交替进行的方式，使铸造过程中累积的内应力能够不断在铸造停止阶段得到释放，从而有效降低铸锭整体内应力值，达到抑制开裂的目的。
本方法较适合于底部易开裂铝合金的半连续铸造过程，图1示意了铸造速度；而适合于开裂倾向较大铸锭的铸造速度如图2所示。
以φ300mm 7050铝合金圆锭铸造实例，对本发明实施方式作进一步说明：
(1)熔炼及熔体处理：
将工业纯铝锭及其合金化铸锭放入感应炉内熔炼，合金熔化后转入保温静置炉内，并对熔体进行炉内精炼、除气和其他处理，静置10～20分钟，待熔体温度降至720～740℃时进行半连续铸造。
(2)半连续铸造：
在半连续铸造开始前，打开总进水管路流量控制阀，设定冷却水起始流量变化范围为4～6m³/h，铸造机起始铸造速度为30mm/min。铸造过程开始后，合金液通过流槽缓慢流入结晶器内，引锭底座按照设定的速度缓慢下降。当铸锭长度为30mm后，铸造过程进入停止阶段，在此阶段铸造速度曲线按照图1所示的停止阶段变化，引锭底座下降速度逐渐降低至0mm/min并保持停止状态5s，随后铸造机继续按照设定的速度值重新从0mm/min线性升高至稳定铸造阶段的速度值60mm/min，结晶器冷却水流量也跟随铸造速度线性增大，从起始阶段的4～6m³/h缓慢增加至铸造稳定阶段的10～11m³/h。在铸造过程中，保持结晶器内金属液面位置在±3mm范围内波动。当铸锭长度达到设定的数值后，铸造速度和冷却水逐渐降低至零，铸造进入收尾阶段。
采用本发明铸造方法与采用传统半连续铸造工艺制备φ300mm7050合金圆铸锭结果进行对比，铸造结果表明，采用传统工艺铸造7050铸锭，在铸造初期铸锭底部即开裂，继续铸造后裂纹一致延伸并扩展，铸造完成后铸锭通心开裂。而采用本发明方法，铸锭底部开裂得到抑制，铸造完成后铸锭未见裂纹。可见，本发明方法能够有效抑制铸锭底部开裂，提高铸造成功率。
需要理解到的是：上述说明并非是对本发明的限制，在本发明构思范围内，所进行的添加、变换、替换等，也应属于本发明的保护范围。