本發(fā)明涉及一種超大規(guī)格鋁合金鑄錠的制備裝置及方法，屬于金屬材料加工領(lǐng)域。

背景技術(shù)：

超大規(guī)格鋁合金特別是高合金化的高強(qiáng)鋁合金鑄錠在航空航天、軌道交通、船舶等大型裝備制造業(yè)的作用舉足輕重。采用傳統(tǒng)半連續(xù)鑄造方法制備的超大規(guī)格鋁合金鑄錠不可避免地存在表面質(zhì)量差、組織粗大不均勻、成分偏析嚴(yán)重、易開裂等缺陷問題，導(dǎo)致產(chǎn)品質(zhì)量差且成品率低。而且鑄錠尺寸越大，合金化程度越高，這些缺陷就越突出。而這些問題的解決與合金熔體凝固過程溫度場(chǎng)和成分場(chǎng)均勻化控制有很大關(guān)系，因此開發(fā)高效的熔體處理方法就顯得至關(guān)重要。

電磁攪拌法由于具有不污染金屬、可精確控制、易與大工業(yè)生產(chǎn)對(duì)接等優(yōu)點(diǎn)被認(rèn)為是最具有應(yīng)用前景的熔體處理方法。國(guó)外專利DE2029443公開了一種在連鑄過程中施加行波電磁場(chǎng)的方法，這種方法將感應(yīng)線圈平行布置于金屬熔體外部，通過利用交變電磁場(chǎng)及在其金屬液中產(chǎn)生感應(yīng)電流交互作用產(chǎn)生的洛倫滋力對(duì)金屬液形成劇烈地?cái)嚢枳饔茫蓽p小溫度梯度，減少成分偏析，獲得更好的顯微組織。但是由于交變電磁場(chǎng)趨膚效應(yīng)的存在，電磁力在熔體內(nèi)部的分布呈指數(shù)式衰減，整個(gè)熔體所受攪拌作用是不均勻的，而且隨著合金熔體體積的增大，熔體邊部和心部的攪拌作用差別也越大，鑄錠組織和成分的不均勻性也越來越明顯，因此鑄錠尺寸受到很大限制。

為了克服傳統(tǒng)電磁攪拌法攪拌不均勻的問題，中國(guó)專利CN101745629A公開了一種環(huán)縫式電磁攪拌制備半固態(tài)合金漿料的方法，其設(shè)計(jì)思想是在熔體處理室中心插入圓形芯棒，使得在芯棒外壁和熔體處理室內(nèi)壁之間形成環(huán)形窄縫，讓合金熔體在狹窄的環(huán)形縫隙內(nèi)接受電磁攪拌剪切處理，攪拌的均勻性較傳統(tǒng)電磁攪拌法得到明顯改善。而且通過對(duì)攪拌腔體結(jié)構(gòu)的巧妙設(shè)計(jì)，剪切強(qiáng)度也能顯著提高，使熔體受到攪拌更加均勻，溫度場(chǎng)和成分場(chǎng)在整個(gè)熔體體積內(nèi)分布更加均勻。但是上述這些方法的電磁場(chǎng)均是從結(jié)晶器外部施加，隨著鑄錠尺寸的增大，不但熔體心部的攪拌效果會(huì)變差，而且由于線圈與金屬熔體存在著較大的氣隙，使得電磁場(chǎng)強(qiáng)度的衰減非常嚴(yán)重，電磁場(chǎng)的利用率很低。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

普通半連續(xù)鑄造方法生產(chǎn)超大規(guī)格鋁合金鑄錠，技術(shù)難點(diǎn)或存在的問題主要表現(xiàn)為：其一，由于鑄錠單一的由外向內(nèi)的冷卻方式，冷卻強(qiáng)度有限，液穴較深，溫度梯度很大，導(dǎo)致凝固組織異常粗大且分布不均勻，尤其對(duì)于高合金化的高強(qiáng)鋁合金還易發(fā)生開裂問題；其二，鑄錠凝固過程熔體溫度場(chǎng)和成分場(chǎng)的均勻性難以控制，使得初期凝殼生長(zhǎng)很不均勻，鑄錠表面易產(chǎn)生褶皺、偏析瘤等問題，鑄造速度很慢，鑄錠成品率低，加工成本高。針對(duì)普通半連續(xù)鑄造方法存在的不足，本發(fā)明提出了一種超大規(guī)格鋁合金鑄錠的制備裝置及方法。

本發(fā)明的主要?jiǎng)?chuàng)新思想是：連續(xù)鑄造過程中將熔體處理器沿?zé)犴敾蚪Y(jié)晶器中心位置插入熔體內(nèi)部，對(duì)合金熔體從內(nèi)部施加電磁場(chǎng)和強(qiáng)制冷卻，加速超大規(guī)格鑄錠內(nèi)部熔體的傳熱與傳質(zhì)，均勻熔體的溫度場(chǎng)和成分場(chǎng)，提高鑄錠冷卻強(qiáng)度和鑄造速度，減少或消除鑄造缺陷，實(shí)現(xiàn)超大規(guī)格鋁合金鑄錠細(xì)晶均質(zhì)鑄造。

為實(shí)現(xiàn)以上發(fā)明的目的，采用以下技術(shù)方案：

一種超大規(guī)格鋁合金鑄錠的制備裝置，該裝置主要包括熔體處理器、升降機(jī)構(gòu)、熱頂、結(jié)晶器、水箱和引錠幾部分；熱頂安裝在結(jié)晶器上方，引錠置于結(jié)晶器下方，熔體處理器與升降機(jī)構(gòu)相連接，結(jié)晶器固定在水箱上，升降機(jī)構(gòu)固定于水箱上，鑄造過程中通過升降機(jī)構(gòu)將熔體處理器置于熱頂和/或結(jié)晶器的內(nèi)部。

所述的熔體處理器主要由電磁線圈、保溫單元、冷卻單元和支撐單元組成。所述的電磁線圈固定于支撐單元內(nèi)部，所述的保溫單元固定于支撐單元外部，所述的冷卻單元固定于支撐單元下部。所述的熔體處理器數(shù)量可為1個(gè)或多個(gè)。

所述的電磁線圈由實(shí)芯銅導(dǎo)線或銅管繞制而成，實(shí)芯銅導(dǎo)線或銅管外圍由絕緣橡膠包裹，根據(jù)連接方式不同分為產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的電磁線圈、產(chǎn)生行波磁場(chǎng)的電磁線圈或產(chǎn)生復(fù)合磁場(chǎng)的電磁線圈。所述的電磁線圈在工作過程中通以交變電流，可產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)、行波磁場(chǎng)或復(fù)合磁場(chǎng)，對(duì)合金熔體施加攪拌剪切處理。

所述的保溫單元由陶瓷、石棉等保溫材料制成，厚度為10mm～50mm，固定于支撐單元側(cè)面的外部(即包覆在支撐單元的側(cè)面外圍)；在工作過程中主要阻隔熔體與支撐單元直接接觸，保護(hù)支撐單元內(nèi)部的電磁線圈免受高溫熔體的損害。

所述的冷卻單元由高導(dǎo)熱殼體和底部空心管組成，空心管螺旋盤繞于高導(dǎo)熱殼體內(nèi)部并與其緊密接觸，空心管的入口和出口分別延伸至支撐單元(保溫單元)頂部之上。工作過程中通以冷卻介質(zhì)，對(duì)熔體施加強(qiáng)制冷卻處理。高導(dǎo)熱殼體可由銅合金或石墨等高導(dǎo)熱材料制成；空心管由銅合金或不銹鋼材料制成，空心管內(nèi)采用的冷卻介質(zhì)為空氣、氮?dú)狻⑺⒂偷雀鞣N流體。所述的高導(dǎo)熱殼體的形狀為弧形或半圓形。

所述的支撐單元可由不銹鋼或鋁合金等材料制成，形狀可為圓筒形(空心圓柱體)、空心長(zhǎng)方體、空心多面柱等，主要功能是支撐電磁線圈和冷卻單元。所述的支撐單元頂部設(shè)置有進(jìn)水口和出水口，可以通入冷卻水，對(duì)電磁線圈實(shí)施冷卻。所述的支撐單元上部設(shè)有凸起部分，便于與升降機(jī)構(gòu)相連接。

所述的熔體處理器主要功能是對(duì)合金熔體從內(nèi)部施加電磁場(chǎng)和冷卻作用；所述的升降機(jī)構(gòu)主要功能用來控制熔體處理器準(zhǔn)確植入熱頂和結(jié)晶器內(nèi)；所述的熱頂、結(jié)晶器和引錠主要功能是實(shí)現(xiàn)熔體的半連續(xù)鑄造。

本發(fā)明的裝置特別適用于制備直徑≥600mm或尺寸≥400mm×1600mm的超大規(guī)格鋁合金鑄錠，在連續(xù)或半連續(xù)鑄造過程中，可從合金熔體內(nèi)部施加電磁攪拌和強(qiáng)制冷卻。

一種超大規(guī)格鋁合金鑄錠的制備方法，包括如下步驟：基于上述裝置，在鑄錠半連續(xù)鑄造過程進(jìn)入穩(wěn)定狀態(tài)后，首先將熔體處理器通過升降機(jī)構(gòu)深入到熱頂和/或結(jié)晶器內(nèi)；然后使冷卻介質(zhì)從空心管入口進(jìn)入，螺旋下降到達(dá)底部空心管，沿空心管出口流出，冷卻介質(zhì)通過冷卻單元底部的高導(dǎo)熱殼體與熔體換熱，實(shí)現(xiàn)對(duì)內(nèi)部合金熔體的強(qiáng)制冷卻；最后對(duì)熔體處理器的電磁線圈施加交變電流，產(chǎn)生自內(nèi)而外的電磁攪拌力，通過與合金熔體冷卻的耦合作用，進(jìn)一步加速熔體的換熱和傳質(zhì)，均勻合金熔體的溫度場(chǎng)和成分場(chǎng)，實(shí)現(xiàn)超大規(guī)格鋁合金鑄錠的細(xì)晶均質(zhì)鑄造。

所述的熔體處理器，鑄造過程中植入到熱頂或結(jié)晶器高度位置，控制冷卻單元的高導(dǎo)熱殼體底部與結(jié)晶器結(jié)晶帶位置或底部平齊，熔體處理器設(shè)置數(shù)量可以是一個(gè)或多個(gè)。

所述的熔體處理器，工作過程中對(duì)電磁線圈施加交變電流，電磁線圈的安匝數(shù)為5000～20000At，施加的電流頻率為0.5～50Hz。

所述的熔體處理器，工作過程中對(duì)冷卻單元施加強(qiáng)制冷卻，空心管中的冷卻介質(zhì)可為空氣、氮?dú)狻⑺龋鋮s介質(zhì)流量為0～2500L/min，冷卻強(qiáng)度為100～5000W/(m²·k)。

本發(fā)明的創(chuàng)新性和技術(shù)進(jìn)步主要體現(xiàn)在：

1.相比傳統(tǒng)半連續(xù)鑄造方法，本發(fā)明創(chuàng)造性地將熔體處理器植入到合金熔體內(nèi)部，產(chǎn)生的電磁力實(shí)現(xiàn)了合金熔體自內(nèi)而外的剪切攪拌，極大地加快了大體積熔體心部與邊部的傳熱和傳質(zhì)，使得熔體的溫度場(chǎng)和成分場(chǎng)更加均勻，導(dǎo)致超大規(guī)格鑄錠的凝固組織細(xì)小均勻，成分偏析顯著降低。

2.相比傳統(tǒng)半連續(xù)鑄造方法，本發(fā)明創(chuàng)造性地將熔體處理器植入到合金熔體內(nèi)部，實(shí)現(xiàn)對(duì)合金熔體施加電磁場(chǎng)和強(qiáng)制冷卻的耦合處理，可以有效地減小大體積熔體心部和邊部的溫差，顯著降低了液穴深度，極大地改善了初期坯殼的均勻生長(zhǎng)，減小鑄錠的熱裂傾向

3.相比傳統(tǒng)半連續(xù)鑄造方法，本發(fā)明方法簡(jiǎn)單可行，實(shí)施效果好，易與實(shí)現(xiàn)工業(yè)化生產(chǎn)。制備的超大規(guī)格鑄錠表面光滑，組織細(xì)小均勻，大幅降低后續(xù)均質(zhì)化和加工成本，鑄造速度快，顯著提高了生產(chǎn)效率。

附圖說明

圖1是本發(fā)明裝置的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖2是本發(fā)明裝置的熔體處理器示意圖。

主要附圖標(biāo)記說明：

1 升降機(jī)構(gòu) 2 熱頂

3 熔體處理器 4 熔體

5 水箱 6 結(jié)晶器

7 鑄錠 8 引錠

9 空心管入口 10 支撐單元進(jìn)水口

11 電磁線圈 12 支撐單元

13 保溫單元 14 底部空心管

15 空心管出口 16 支撐單元出水口

17 高導(dǎo)熱殼體

具體實(shí)施方式

本發(fā)明可以根據(jù)以下實(shí)例實(shí)施，但不限于此，這些實(shí)施例只是為了舉例說明本發(fā)明實(shí)施過程，而非以任何方式限制本發(fā)明的范圍，在以下的實(shí)施例中，未詳細(xì)描述的各種過程和方法是本領(lǐng)域中公知的常規(guī)方法。

如圖1所示，為本發(fā)明超大規(guī)格鋁合金鑄錠的制備裝置，主要由熔體處理器3、熱頂2、結(jié)晶器6、引錠8和升降機(jī)構(gòu)1組成。熱頂2置于結(jié)晶器6的上方，引錠8位于結(jié)晶器6的下方，熔體處理器3通過支撐單元12的凸起部分與升降機(jī)構(gòu)1相連，升降機(jī)構(gòu)1固定于水箱5上，鑄造過程中熔體處理器3置于熱頂2和/或結(jié)晶器6的內(nèi)部，結(jié)晶器6的固定安裝在水箱5上。

熔體處理器3的結(jié)構(gòu)示意圖如圖2所示，其主要由電磁線圈11、保溫單元13、冷卻單元和支撐單元12組成。其具體結(jié)構(gòu)為：電磁線圈11固定于支撐單元12內(nèi)部，保溫單元13固定于支撐單元12外部，冷卻單元固定于支撐單元12下部。冷卻單元由底部空心管14和高導(dǎo)熱殼體17組成，底部空心管14的入口和出口分別為空心管入口9和空心管出口15。支撐單元12的進(jìn)水口和出水口分別為支撐單元進(jìn)水口10和支撐單元出水口16。

電磁線圈11可由實(shí)芯銅導(dǎo)線或銅管繞制而成，外圍由絕緣橡膠包裹，根據(jù)連接方式不同可產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)、行波磁場(chǎng)或復(fù)合磁場(chǎng)。

保溫單元13可由陶瓷、石棉等保溫材料制成，厚度為10mm～50mm，包覆在支撐單元12的側(cè)面外圍。

冷卻單元的高導(dǎo)熱殼體17可由銅合金或石墨等高導(dǎo)熱材料制成；底部空心管14的材質(zhì)為銅合金或不銹鋼等，底部空心管14螺旋盤繞于高導(dǎo)熱殼體17內(nèi)部并與其緊密接觸，空心管入口9和空心管出口15分別延伸至支撐單元12頂部之上，底部空心管14內(nèi)通入的冷卻介質(zhì)為空氣、氮?dú)狻⑺⒂偷雀鞣N流體。高導(dǎo)熱殼體17的形狀可為弧形或半圓形。

支撐單元12可由不銹鋼或鋁合金等材料制成，形狀可為圓筒形(空心圓柱體)、空心長(zhǎng)方體、空心多面柱等，其上表面設(shè)置有支撐單元進(jìn)水口10和支撐單元出水口16，可以通入冷卻水，對(duì)電磁線圈實(shí)施冷卻。支撐單元12上部設(shè)有凸起部分，便于與升降機(jī)構(gòu)1相連接。采用本發(fā)明制備超大規(guī)格鋁合金鑄錠的方法為：鑄造過程中，首先將熱頂2和引錠8預(yù)熱，經(jīng)精煉處理的合金熔體4通過熱頂2到達(dá)結(jié)晶器6，熔體4液面升至要求高度，開始連鑄，引錠8緩慢下降，冷卻水流量緩慢加大，待鑄造過程進(jìn)入穩(wěn)定狀態(tài)，將一個(gè)或多個(gè)熔體處理器3通過升降機(jī)構(gòu)1植入熱頂2和/或結(jié)晶器6內(nèi)，冷卻介質(zhì)從空心管入口9進(jìn)入，然后螺旋下降到達(dá)底部空心管14，沿空心管出口15流出，通過冷卻單元底部的高導(dǎo)熱殼體17與熔體4實(shí)現(xiàn)換熱，冷卻心部熔體。與此同時(shí)對(duì)電磁線圈11施加交變電流，產(chǎn)生自內(nèi)而外的電磁力，通過電磁力與強(qiáng)制冷卻相互耦合作用，加速熔體的換熱和傳質(zhì)，均勻熔體溫度場(chǎng)和成分場(chǎng)，實(shí)現(xiàn)超大規(guī)格鋁合金鑄錠7的細(xì)晶均質(zhì)鑄造。

鑄造過程中，將熔體處理器3植入到熱頂2或結(jié)晶器6高度位置，控制冷卻單元的高導(dǎo)熱殼體17底部與結(jié)晶器6結(jié)晶帶位置或底部平齊，熔體處理器3設(shè)置數(shù)量可以是一個(gè)或多個(gè)。

工作過程中，對(duì)熔體處理器3的電磁線圈11施加交變電流，從而對(duì)合金熔體4施加電磁場(chǎng)，電磁線圈11的安匝數(shù)為5000～20000At，施加電流頻率為0.5～50Hz。

工作過程中，對(duì)熔體處理器3的冷卻單元施加強(qiáng)制冷卻，底部空心管14中的冷卻介質(zhì)為空氣、氮?dú)饣蛩龋鋮s介質(zhì)流量為50～2500L/min，冷卻強(qiáng)度為100～5000W/(m²·k)。

實(shí)施例1

某大型鋁加工企業(yè)生產(chǎn)Φ788mm規(guī)格的7005鋁合金鑄錠，對(duì)鑄錠質(zhì)量有嚴(yán)格要求：不允許存在羽毛狀晶粒、裂紋、氣孔、白斑；疏松不超過2級(jí)；光亮晶粒不超過10點(diǎn)，每點(diǎn)≤3mm；晶粒度低倍小于2級(jí)；夾渣：外徑≤750mm要求不多于2點(diǎn)、單點(diǎn)面積≤0.3平方毫米，外徑>750mm要求不多于4點(diǎn)、單點(diǎn)面積≤0.2平方毫米。

采用本發(fā)明生產(chǎn)的7005鋁合金鑄錠，裝置結(jié)構(gòu)參數(shù)為：保溫單元13材質(zhì)為陶瓷材料，壁厚為30mm；支撐單元12的材質(zhì)為不銹鋼，外尺寸為Φ300mm；冷卻單元的高導(dǎo)熱殼體17材質(zhì)為彌散銅合金，底部空心管14材質(zhì)為純銅；熔體處理器3、熱頂2和結(jié)晶器6同心放置，高導(dǎo)熱殼體17的底端與結(jié)晶器6的底端平齊。電磁線圈11的安匝數(shù)為12500At。

具體制備方法如下：

澆注前首先將熱頂2和引錠8要充分預(yù)熱至120℃，將鑄造溫度為720℃的7005鋁合金熔體4通過熱頂2注入結(jié)晶器6，待熔體4液面距離熱頂2頂部30mm時(shí)，啟動(dòng)連鑄設(shè)備，調(diào)節(jié)鑄造速度從0mm/s緩慢升至0.5mm/s，同時(shí)二冷區(qū)冷卻水流量逐漸加大到200L/min。待鑄造過程進(jìn)入穩(wěn)定狀態(tài)后，首先對(duì)熔體處理器3施加強(qiáng)制冷卻，冷卻單元中的冷卻介質(zhì)為水，流量為80L/min；然后對(duì)熔體處理器3的電磁線圈11施加交變電流，電流大小為125A，頻率為5Hz，產(chǎn)生的磁場(chǎng)類型為旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)，在此基礎(chǔ)上調(diào)節(jié)鑄造速度從0.5mm/s緩慢升至1.0mm/s，直到鑄造過程結(jié)束。

將本發(fā)明方法制備的Φ788鋁合金鑄錠進(jìn)行質(zhì)量分析檢測(cè)，未發(fā)現(xiàn)存在羽毛狀晶粒、光亮晶粒、疏松、裂紋、氣孔、白斑、夾渣等缺陷。晶粒度低倍達(dá)到1級(jí)；鑄造速度較普通半連續(xù)鑄造方法提高了1倍。

實(shí)施例2

某大型鋁加工企業(yè)制備規(guī)格為560mm×2240mm的5052鋁合金扁錠，要求鑄錠內(nèi)部無裂紋、氣孔和夾雜；鑄錠底部取低倍試片疏松不大于二級(jí)；鑄錠晶粒度不大于二級(jí)，且橫向和縱向晶粒尺寸偏差不超過15％；偏析瘤高度低于4mm。

采用本發(fā)明生產(chǎn)的5052鋁合金扁錠，裝置結(jié)構(gòu)參數(shù)為：保溫單元13材質(zhì)為高溫陶瓷，厚度40mm；支撐單元12材質(zhì)為不銹鋼，外尺寸為Φ200mm；冷卻單元的高導(dǎo)熱殼體17材質(zhì)為彌散銅合金，底部空心管14材質(zhì)為純銅；兩個(gè)熔體處理器3在熱頂2和結(jié)晶器6內(nèi)部等距排開，中心距為700mm。高導(dǎo)熱殼體17的底端與結(jié)晶器6的底端平齊。電磁線圈11的安匝數(shù)為17500At。

具體制備方法如下：

澆注前首先將熱頂2和引錠8要充分預(yù)熱至120℃，鑄造溫度為690℃的5052鋁合金熔體4通過熱頂2注入結(jié)晶器6，待熔體4液面距離熱頂2頂部30mm時(shí)，啟動(dòng)連鑄設(shè)備，鑄造速度從0mm/s緩慢升至0.6mm/s，二冷區(qū)冷卻水流量逐漸加大到350L/min。待鑄造過程進(jìn)入穩(wěn)定狀態(tài)后，首先對(duì)熔體處理器施加冷卻，冷卻單元中的冷卻介質(zhì)為水，流量為100L/min；然后對(duì)熔體處理器的電磁線圈11施加交變電流，電流大小為150A，頻率為10Hz，產(chǎn)生的磁場(chǎng)類型為行波磁場(chǎng)，同時(shí)調(diào)節(jié)鑄造速度從0.6mm/s緩慢升至1.1mm/s，直到鑄造過程結(jié)束。

在鑄造速度高于同規(guī)格同牌號(hào)鋁合金正常鑄造速度的條件下，通過本發(fā)明制備的5052鋁合金扁鑄錠內(nèi)部無裂紋、氣孔、疏松和夾雜；鑄錠低倍晶粒度達(dá)到一級(jí)，且橫向和縱向晶粒尺寸偏差僅為4％；鑄錠表面光滑、無偏析瘤缺陷；鑄造速度較普通半連續(xù)鑄造方法提高近1倍。

本發(fā)明的超大規(guī)格鋁合金鑄錠的制備裝置及方法的基本原理是對(duì)連續(xù)鑄造過程熱頂或結(jié)晶器內(nèi)的合金熔體從內(nèi)部施加電磁場(chǎng)和強(qiáng)制冷卻，加速合金熔體心部的換熱與傳質(zhì)，提高熔體溫度場(chǎng)和成分場(chǎng)的均勻性，實(shí)現(xiàn)超大規(guī)格鋁合金鑄錠的細(xì)晶均質(zhì)鑄造。本發(fā)明解決了傳統(tǒng)半連續(xù)鑄造方法生產(chǎn)超大規(guī)格鋁合金鑄錠容易出現(xiàn)表面偏析瘤、組織粗大不均勻、成分偏析嚴(yán)重、鑄造速度慢等問題。本發(fā)明結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、方法可行、實(shí)施效果顯著、生產(chǎn)效率高、易與大工業(yè)生產(chǎn)相結(jié)合，在航空航天、軌道交通、船舶等制造領(lǐng)域具有廣闊的工業(yè)應(yīng)用前景。