一种制备大规格高品质铝合金铸锭的装置及方法制造方法及图纸

本发明专利技术涉及一种制备大规格高品质铝合金铸锭的装置及方法，属于金属材料加工领域。该装置主要由均匀冷却器、热顶、油气润滑结晶器、感应线圈和引锭组成；热顶设置于油气润滑结晶器的上方，感应线圈设置在油气润滑结晶器外侧，均匀冷却器设置于油气润滑结晶器内，引锭位于油气润滑结晶器下方。本发明专利技术将分区给气结晶器与均匀冷却器和电磁搅拌器巧妙结合，三者的有效耦合能实现熔体在气体压力接触状态下强制均匀凝固成形，使熔体和结晶器之间形成稳定连续的气膜，不但铸锭表面光滑，而且内部组织细小均匀。采用本发明专利技术制备的大规格铝合金高品质铸锭生产效率高、易与大工业生产相结合，在航空航天、轨道交通、船舶等制造领域具有广阔的工业应用前景。

Device and method for preparing large size high quality aluminium alloy ingot

The invention relates to a device and a method for preparing large size high quality aluminium alloy ingot, belonging to the field of metal material processing. The device is mainly composed of uniform cooler, hot top, oil and gas lubrication crystallizer, induction coil and dummy; above the hot top is arranged in the oil and gas lubrication crystallizer, induction coil is arranged on the outer side of the detector is lubricating oil and gas cooler is arranged in uniform crystallization, lubricating oil and gas in the mold, the dummy is located below the oil gas lubrication crystallizer. The present invention partitions to mold and uniform gas cooler and electromagnetic stirrer combination, effectively to achieve the coupling of the three melt in the gas pressure contact state under uniform solidification forming, so as to form a stable and continuous gas film between melt and mold, not only the ingot surface is smooth, and the microstructure is fine and uniform. The large size aluminum alloy high quality ingot produced by the invention has high production efficiency and is easy to be combined with large industrial production, and has broad industrial application prospect in the fields of aviation, spaceflight, rail transportation, ships, etc..

【技术实现步骤摘要】
一种制备大规格高品质铝合金铸锭的装置及方法
本专利技术属于金属材料加工领域，特别涉及一种制备大规格高品质铝合金铸锭的装置及方法。
技术介绍
随着制造业大型成套装备使用性能的日益提升,在航空航天、轨道交通、船舶制造等领域中越来越多的使用大型整体式结构已成为一种必然的趋势，例如大型运输机、高性能战机和高速列车的研制都广泛采用大规格整体铝材和高性能厚板，而这些材料的制备离不开大规格高品质的铝合金铸锭，因此，大规格高品质铝合金铸锭制备对提升制造业装备能力具有重要意义。半连续铸造是生产铝合金铸锭最主要的方法。然而由于普通的半连续铸造技术的局限性，在制备大规格铝合金铸锭过程中，由于冷却方式单一，铸锭由外向内凝固，势必造成金属熔体液穴较深。同时，由于铸锭尺寸较大，凝固过程中，温度场均匀性难以控制，导致凝壳不均，在凝壳较薄区域易产生褶皱、偏析瘤、甚至拉漏等问题；此外，由于铸锭规格较大，而冷却效果有限，必然使连铸速度降低，熔体内形核较少且不均匀，晶粒异常粗大。因此，采用传统半连续铸造制备的大规格铝合金铸锭表面质量差，内部组织粗大且不均匀，成分偏析严重，铸锭成品率低，需要经过车皮或铣面才能进行变形加工，成本较高，材料浪费严重。为了解决此类问题，研究人员进行了大量的研究，以期制备内部组织小均匀、无偏析、表面质量好的铝合金铸锭。中国专利CN104550798A提出一种铝合金半连续铸造电磁搅拌装置及方法，采用直流电流和永磁体结合的方法，可以根据铝锭的尺寸、形状、材料成分设计不同的熔体在结晶器区域的流动方式和流动强度，控制合金元素的偏析行为和枝晶的生长方式，达到组织均匀化与细化的目的。但是，该专利技术是采用仅靠结晶器从外向内顺序凝固的单一冷却方式，铝合金熔体凝固过程中温度不均匀问题无法解决，特别对于制备大规格铸锭，该方法对熔体的搅拌作用有限，熔体内温度梯度较大，液穴很深，导致铸造速度很慢，因此对改善铸锭内部质量的效果有限。在改善铸锭表面质量方面，以美国的Airslip技术和德国的AirsolVeil技术为代表的气膜铸造方法，其原理是在结晶器与铸锭凝壳之间形成一层气膜，减少凝固过程凝壳与结晶器内壁的接触压力，让熔体在于气体接触状态下凝固成形。中国专利CN100418667C在此基础上对油气润滑结晶器进行了改进，提出结晶器油、气、水结构整体设计，通过油气膜隔热作用减少一次冷却，采用两排喷水排孔提高二次水冷效果，来提高铸锭的表面质量。但是现有的气膜铸造方法很难制备处高品质大规格铸锭。若大规格铸锭仅靠结晶器冷却，铸造速度较慢，熔体经过结晶器冷却形成的初凝壳很薄且不均匀，采用油膜铸造技术，油气极容易穿透初凝壳，导致跑火、拉漏等问题，生产工艺很难控制，因此铸锭直径通常不能超过300mm(12英寸)，而且气膜铸造技术无法解决凝固组织细小均匀和成分偏析等问题。
技术实现思路
现有的气膜铸造方法不能制备大规格铝合金铸锭，存在铸锭表面质量差、内部组织粗大不均匀等问题，针对现有半连续铸造法制备大规格铝合金铸锭存在的不足，本专利技术提出了一种制备大规格高品质铝合金铸锭的新装置及方法，在气膜铸造过程中施加结晶器内中间均匀冷却和结晶器外电磁搅拌耦合熔体处理，在制备大规格优质铝合金铸锭时，同时解决铸锭表面质量和内部质量问题。其主要设计思想是：针对现有的气膜铸造方法很难制备大规格(直径大于300mm)铝合金铸锭，结晶器采用分区给气结构设计，减小石墨环上给气压力差异，实现稳定控制气体压力，确保熔体和结晶器之间能够形成稳定连续的气膜；对半连续铸造过程中的合金熔体施加结晶器内均匀冷却和结晶器外电磁搅拌耦合处理，增加铸锭凝固过程中的冷却维度，强化凝固过程熔体的立体化对流，提高大体积合金熔体温度场和成分场的均匀性，在保证铸锭内部质量的同时，改善初期凝固的均匀性，增加初凝壳厚度，防止初凝壳和油气膜破裂，减少初期凝壳与结晶器内壁的接触压力，实现熔体在气体压力接触状态下凝固成形，制备出内外质量俱佳的大规格铝合金铸锭。一种制备大规格高品质铝合金铸锭的新装置，主要由均匀冷却器、热顶、油气润滑结晶器、感应线圈和引锭组成；所述的热顶设置于油气润滑结晶器的上方，所述的感应线圈设置在油气润滑结晶器外侧，所述的均匀冷却器设置于油气润滑结晶器内，所述的引锭位于油气润滑结晶器下方。所述的油气润滑结晶器包括结晶器本体和石墨环，石墨环安装在结晶器本体的上方，石墨环外壁设有气槽和油槽，气槽分为3～20段，每段气槽长度为100～500mm，每段单独设置进气通道，单独供气、单独控制；油槽与气槽分开，油槽设置在气槽上部，石墨环采用多孔石墨制备，气体和润滑油通过石墨环渗出结晶器。油气润滑结晶器采用分区给气结构设计，减小单一给气石墨环气槽内气量和气压的差异，达到稳定控制气体压力的目的。所述的油气润滑结晶器采用双排喷水孔设计。所述的结晶器本体上设置上、下两排喷水孔，上排喷水孔与结晶器壁夹角为15～30°，直径为1～5mm，下排喷水孔与结晶器壁夹角为0～25°且大于0°，保证冷却水能够喷射到铸锭上且不回溅，直径为2～8mm。双排喷水孔水量可以单独控制，上排喷水孔直径需小于等于下排喷水孔直径。所述的感应线圈设置在结晶器外，磁轭(铁芯)采用可伸缩式设计，长度可变，伸缩范围为0～100mm，电磁感应线圈产生电磁场经磁轭导入结晶器内部熔体。电磁线圈可产生旋转电磁场、行波电磁场或复合电磁场。所述均匀冷却器上部为绝热端，下部为冷却端，绝热端设置有搅拌叶片，在半连续铸造过程中，均匀冷却器通过热顶伸入到结晶器高度位置，均匀冷却器底部与结晶器平齐，均匀冷却器可以设置一个或多个，均匀冷却器可以转动，旋转速度为0～300r/min。绝热端为圆筒形，外径为100～800mm，采用耐高温绝热陶瓷材料制成，具有绝热作用，保证热顶内的熔体不被冷却；冷却端采用导热材料制成，如石墨、铜、钼、钛及其复合材料，冷却端具有冷却效果；均匀冷却器冷却端具有螺旋形状，均匀冷却器转动时产生强制熔体向下流动的效果；搅拌叶片采用耐高温材料制成，如铜、钼、钛、陶瓷及其复合材料，搅拌叶片数为0～8，宽度为10～100mm，厚度为2～8mm，搅拌叶片随均匀冷却器转动，具有强制熔体向下流动的效果，使熔体不断地向下补充到液穴当中，起到动态连续均匀冷却的效果；均匀冷却器内部通入循环冷却介质，冷却介质到达冷却端，通过冷却端与熔体换热，冷却介质为空气、氮气、水、油等各种流体，冷却介质流量为0～2000L/min。基于上述装置，本专利技术提出了一种制备大规格高品质铝合金铸锭的方法，在半连续铸造过程中，将经过精炼处理且稳定为液相线以上80～100℃的熔体浇入热顶内；石墨环外壁气槽和油槽通入空气和润滑油；控制上排喷水孔和下排喷水孔的流量；合金熔体经热顶、结晶器到达引锭上部，熔体液面升至要求高度，连铸开始，引锭缓慢下降，冷却水流量缓慢加大，待铸造过程进入稳定状态，施加均匀冷却和电磁搅拌处理，最终得到大规格高品质铝合金铸锭。在半连续铸造过程中，所述的气槽中空气流量为500～5000mL/min，油槽采用脉冲式供油，供油量为60～100/s；上排喷水孔的流量为1～50L/min，下排喷水孔的流量为20～100L/min；铸造速度为20～100mm/min。均匀冷却处理的冷却强度为500～5000W本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种制备大规格高品质铝合金铸锭的装置，其特征在于：该装置主要由均匀冷却器、热顶、油气润滑结晶器、感应线圈和引锭组成；所述的热顶设置于油气润滑结晶器的上方，所述的感应线圈设置在油气润滑结晶器外侧，所述的均匀冷却器设置于油气润滑结晶器内，所述的引锭位于油气润滑结晶器下方。

【技术特征摘要】
1.一种制备大规格高品质铝合金铸锭的装置，其特征在于：该装置主要由均匀冷却器、热顶、油气润滑结晶器、感应线圈和引锭组成；所述的热顶设置于油气润滑结晶器的上方，所述的感应线圈设置在油气润滑结晶器外侧，所述的均匀冷却器设置于油气润滑结晶器内，所述的引锭位于油气润滑结晶器下方。2.根据权利要求1所述的制备大规格高品质铝合金铸锭的装置，其特征在于：所述的油气润滑结晶器包括结晶器本体和石墨环，所述的石墨环安装在结晶器本体的上方，所述的石墨环外壁设有气槽和油槽，所述的油槽与气槽分开，所述的油槽设置在气槽上部；所述的气槽分为3～20段，每段单独供气、单独控制。3.根据权利要求2所述的制备大规格高品质铝合金铸锭的装置，其特征在于：每段气槽长度为100～500mm；所述的石墨环采用多孔石墨制成。4.根据权利要求1所述的制备大规格高品质铝合金铸锭的装置，其特征在于：所述的结晶器本体上设置上、下两排喷水孔，上排喷水孔与结晶器壁夹角为15～30°，直径为1～5mm，下排喷水孔与结晶器壁夹角为0～25°且大于0°，直径为2～8mm；双排喷水孔水量单独控制，上排喷水孔直径小于等于下排喷水孔直径。5.根据权利要求1所述的制备大规格高品质铝合金铸锭的装置，其特征在于：所述的感应线圈的磁轭采用可伸缩式设计，伸缩范围为0～100mm，感应线圈产生电磁场经磁轭导入结晶器内部熔体；所述的感应线圈产生旋转电磁场、行波电磁场或复合电磁场。6.根据权利要求1所述的制备大规格高品质铝合金铸锭的装置，其特征在于：所述均匀冷却器上部为绝热端，下部为冷却端，所述的绝热端设置有搅拌叶片；所述的绝热端为圆筒形，采用耐高温绝热陶瓷材料制...

【专利技术属性】
技术研发人员：张志峰，徐骏，张少明，白月龙，高明伟，刘建朝，杨玉洁，
申请(专利权)人：北京有色金属研究总院，
类型：发明
国别省市：北京,11