本發(fā)明涉及一種雙冷場連續(xù)制備大規(guī)格鋁合金圓鑄錠的工藝，屬于鋁合金加工領(lǐng)域。

背景技術(shù)：

鋁合金作為飛機(jī)和航天器、汽車、高速列車等工業(yè)產(chǎn)品輕量化的首選材料，在航空航天、交通運(yùn)輸、軍工等行業(yè)應(yīng)用十分廣泛。其中，大型運(yùn)輸機(jī)、鐵道車輛上應(yīng)用的大型擠壓型材、油品運(yùn)輸要求的大徑管材等對鋁合金材料的大型化和整體化的要求越來越高，而這些材料的制備是建立在大規(guī)格高品質(zhì)的鋁合金鑄錠的基礎(chǔ)上，半連續(xù)鑄造是應(yīng)用最普遍的生產(chǎn)鑄錠的方式。美國alcoa鋁業(yè)公司于1953年成功首次開發(fā)出鋁合金的半連續(xù)鑄造技術(shù)。半連續(xù)鑄造工藝可以實(shí)現(xiàn)工藝流程的自動化，提高生產(chǎn)效率，節(jié)約生產(chǎn)成本，可以保證產(chǎn)品的質(zhì)量且鋁合金收得率高，是鋁合金工業(yè)生產(chǎn)中極為重要且應(yīng)用廣泛的凝固手段。傳統(tǒng)的直接水冷半連續(xù)鑄造由于熔體內(nèi)外冷卻強(qiáng)度不一樣，鑄錠心部和邊部的溫差較大，導(dǎo)致橫截面上心部晶粒組織較為粗大，合金元素宏觀偏析，鑄錠表面偏析瘤，裂紋等缺陷。

基于上述問題，中國專利cn104561704a公開了一種大尺寸7055鋁合金圓鑄錠生產(chǎn)工藝，采用了熱頂鑄造方法并結(jié)合了階梯式鑄造工藝。熱頂鑄造即在結(jié)晶器上部裝有耐火材料套制成一貯槽，鑄造過程中，貯槽中的熔體進(jìn)入結(jié)晶器前的熱量散失較小，熔體溫度穩(wěn)定在設(shè)定的澆鑄溫度。熱頂鑄造技術(shù)的應(yīng)用，使有效結(jié)晶區(qū)高度變小，降低了一次冷卻強(qiáng)度，結(jié)晶器二次冷卻作用增加，提高了鑄錠的表面質(zhì)量，一定程度上改善了鑄錠內(nèi)部質(zhì)量，減少了夾渣、氣孔等缺陷。階梯式鑄造工藝即鑄造過程中低速度時采用低水流量，高速度時采用高水流量，這有效地提高了鑄錠的表面質(zhì)量，但心部晶粒依然較大，沒有從根本上解決鑄錠心部與邊部溫差大，心部冷卻較慢的問題。中國專利cn205236991u發(fā)明了一種制備大規(guī)格高品質(zhì)鋁合金鑄錠的裝置，該裝置將分區(qū)給氣結(jié)晶器與均勻攪拌器和電磁攪拌器相結(jié)合，均勻冷卻器深入到結(jié)晶器內(nèi)，在熔體內(nèi)部對熔體冷卻，這有效地改善了熔體內(nèi)部冷卻速率較慢的問題，但是由于冷卻器外壁溫度過低，熔體容易在冷卻器表面形核長大，尤其是熔體液面與空氣及冷卻器接觸部位，這使生產(chǎn)難度加大，生產(chǎn)效率降低。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

針對現(xiàn)有技術(shù)存在的問題，本發(fā)明提出一種可以改善鑄造過程中熔體心部與邊部溫差較大，提高生產(chǎn)效率的制備大規(guī)格高質(zhì)量的鋁合金圓鑄錠的裝置和工藝，其主要思想為在熱頂鑄造的基礎(chǔ)上，向結(jié)晶器中熔體心部至1/2半徑圓周區(qū)域插入數(shù)根材料成分與熔體相同的鋁合金冷料，在傳熱的作用下，冷料迅速熔化，這為心部熔體提供了一個冷卻場，有效地解決了大規(guī)格鑄錠鑄造過程中心部冷卻較慢的問題。

一種雙冷場連續(xù)制備大規(guī)格鋁合金圓鑄錠的工藝，所述工藝為熱頂鑄造工藝，具體為：在圓鑄錠鑄造過程中，向鋁合金熔體心部均勻插入若干與鋁合金熔體成分相同的鋁合金冷料；所述鋁合金冷料在鑄造過程中持續(xù)插入熔體中，使心部熔體溫度保持在鋁合金液相線溫度或高于液相線溫度10℃以內(nèi)，

其中，所述鋁合金冷料為實(shí)心鋁合金圓棒；所述熔體心部為圓形截面1/2半徑圓周區(qū)域內(nèi)。

本發(fā)明所述鑄錠工藝中，將實(shí)心鋁合金圓棒插入熔體中，圓棒截面的中心位于熔體圓形截面1/2半徑圓周區(qū)域內(nèi)。

本發(fā)明所述鑄錠工藝中，所述鋁合金冷料在鑄造過程中持續(xù)插入熔體中，使心部熔體溫度保持在鋁合金液相線溫度至(鋁合金液相線溫度+10℃)之間。

本發(fā)明所述實(shí)心鋁合金圓棒均勻分布于熔體心部區(qū)域內(nèi)，其分布方式包括圓環(huán)狀、方列狀、十字狀；進(jìn)一步優(yōu)選為圓環(huán)狀，更優(yōu)選為多個圓環(huán)狀分布。

本發(fā)明所述熔體心部的溫度可利用現(xiàn)有技術(shù)公開的溫度測試裝置測得，此外，該溫度測試可與控制裝置相連，用于控制鋁合金冷料插入熔體的速度，以保持熔體心部的溫度始終在鋁合金液相線溫度或高于液相線溫度10℃以內(nèi)。更進(jìn)一步地，優(yōu)選測試熔體圓形截面圓心處的溫度，保持截面圓心處的溫度的溫度始終在鋁合金液相線溫度或高于液相線溫度10℃以內(nèi)。

進(jìn)一步地，優(yōu)選所述向鋁合金熔體1/6～1/2半徑圓環(huán)區(qū)域內(nèi)插入若干與鋁合金熔體成分相同的鋁合金冷料；更進(jìn)一步地，優(yōu)選所述向鋁合金熔體1/6～1/3半徑圓環(huán)區(qū)域內(nèi)插入若干與鋁合金熔體成分相同的鋁合金冷料。

更進(jìn)一步地，所述的鋁合金圓棒的截面直徑為3～30mm；插入鋁合金圓棒的數(shù)量為5～50根。

所述的鋁合金冷料的數(shù)量及尺寸隨鑄造合金的尺寸而變化。當(dāng)鑄造合金規(guī)格較大時，插入冷料的直徑較大，數(shù)量較多；當(dāng)鑄造合金規(guī)格相對較小時，插入冷料的直徑較小，數(shù)量較少。

進(jìn)一步地，所述鋁合金冷料在鑄造過程中持續(xù)插入熔體中，使熔體圓心處的溫度保持在鋁合金液相線溫度或高于液相線溫度10℃以內(nèi)。

本發(fā)明所述鑄造工藝優(yōu)選所述熱頂鑄造工藝于熱頂鑄造裝置中進(jìn)行，其中，所述熱頂鑄造裝置主要包括熱頂、石墨環(huán)、冷卻水箱、結(jié)晶器和引錠頭；所述冷卻水箱環(huán)繞于結(jié)晶器外部，所述的熱頂位于結(jié)晶器內(nèi)部上半部，熱頂下方為石墨環(huán)，所述的引錠頭位于結(jié)晶器內(nèi)部石墨環(huán)下沿，引錠頭下部連接鑄造機(jī)。

優(yōu)選地，所述的石墨環(huán)采用多孔石墨制備。

進(jìn)一步地，所述的冷卻水箱下部有環(huán)狀出水孔，所述出水孔排出的水流方向與重力方向之間的夾角角度為20～40度，使從出水孔排出的水可排至圓鑄錠上。

所述出水孔可為一排或多排，根據(jù)鑄錠大小進(jìn)行調(diào)整。

進(jìn)一步地，將鋁合金熔體經(jīng)熱頂引至引錠頭上部，當(dāng)熔體凝固出坯殼時，鑄造機(jī)牽引引錠頭向下運(yùn)動；從熱頂正上方持續(xù)插入若干鋁合金冷料，鋁合金冷料的下移速度保證熔體心部溫度在鋁合金液相線溫度或高于液相線溫度10℃以內(nèi)。

更進(jìn)一步地，所述的鋁合金冷料，在鑄造過程開始前，呈圓環(huán)形位于熱頂近心部正上方；鑄造過程開始后，往熔體中輸送。

本發(fā)明在上述裝置的基礎(chǔ)上提供了一種連續(xù)制備大規(guī)格鋁合金圓鑄錠的新工藝，合金熔體經(jīng)熱頂至引錠頭上部，熔體液面至設(shè)定高度時，鑄造機(jī)牽引引錠向下運(yùn)動。從熱頂心部至1/2半徑區(qū)域內(nèi)正上方位置持續(xù)插入數(shù)根與鑄造合金成分相同的鋁合金冷料，在傳熱的作用下，冷料迅速熔化，這為心部熔體提供一個冷卻場。在石墨環(huán)和鋁合金冷料雙冷卻場的共同作用下，對熔體實(shí)現(xiàn)一次冷卻。形成凝固坯殼后，在鑄造機(jī)的牽引下，持續(xù)往下運(yùn)動，在二次冷卻的作用下，完成凝固過程。

本發(fā)明所述連續(xù)制備鋁合金圓鑄錠的工藝一個優(yōu)選的技術(shù)方案為：

(1)將鋁合金冷料固定在結(jié)晶器正上方；鑄造機(jī)托舉引錠頭升入結(jié)晶器內(nèi)，引錠頭上沿高于石墨環(huán)下沿1～3mm，引錠頭位于設(shè)定位置后，打開冷卻水開關(guān)，冷卻水通過結(jié)晶器下部的出水孔噴出；

(2)將穩(wěn)定在鑄造溫度的熔體澆入到熱頂內(nèi)，熔體經(jīng)熱頂和結(jié)晶器到達(dá)引錠頭上部，當(dāng)熔體凝固出坯殼時，鑄造機(jī)牽引引錠頭向下運(yùn)動，連續(xù)鑄造過程開始；當(dāng)鑄造過程穩(wěn)定后，位于熔體上方的鋁合金冷料向下插入，通過熱電偶測溫控制心部熔體溫度保持在鋁合金液相線溫度或高于液相線溫度10℃以內(nèi)；

(3)當(dāng)熔體液面下降至熱頂下方時，停止插入冷料，將鋁合金圓棒升到結(jié)晶器上方；鑄造結(jié)束后，關(guān)閉冷卻水，得到大規(guī)格高質(zhì)量的鋁合金鑄錠。

本發(fā)明的有益效果為：與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明所體現(xiàn)的優(yōu)點(diǎn)是：

(1)從熔體心部區(qū)域插入鋁合金冷料，為熔體心部提供一個冷卻場，在石墨環(huán)與鋁合金冷料雙冷卻場的作用下，降低心部與邊部的溫度梯度，促使心部與邊部盡可能地同時凝固，避免了二次冷卻前的局部重熔；同時冷料與熔體成分相同，不污染熔體。這個方法從根本上解決了大規(guī)格鑄錠鑄造過程中熔體心部冷卻速度較慢，徑向溫度梯度較大的問題，可以生產(chǎn)出大規(guī)格高質(zhì)量的鋁合金圓鑄錠。

(2)利用本發(fā)明生產(chǎn)的鑄錠晶粒細(xì)小，成分均勻，合金鑄錠內(nèi)部質(zhì)量得到大幅度提高，改善了合金的加工性，為下一步的深加工提供良好地坯料。

(3)本發(fā)明的裝置簡單可行，節(jié)約成本，工業(yè)化應(yīng)用可行。在傳統(tǒng)的熱頂鑄造基礎(chǔ)上，只需要相同合金成分的鋁合金冷料以及冷料固定與輸送裝置。鋁合金冷料可以通過擠壓、拉拔或軋制獲得，固定與輸送裝置可以自行設(shè)計或者從市場上采購，簡單易得。

附圖說明

圖1為雙冷場制備大規(guī)格鋁合金圓鑄錠的裝置，附圖標(biāo)記如下：

圖中，1.鋁合金冷料，2.結(jié)晶器，3.熱頂，4.石墨環(huán)，5.冷卻水箱，6.鑄錠，7.引錠頭；

圖2為實(shí)施例2所得樣品鑄錠的微觀組織圖，其中：(a)普通半連續(xù)鑄造鑄錠的心部微觀組織圖；(b)本發(fā)明裝置制備的鑄錠的心部微觀組織圖。

具體實(shí)施方式

下述非限制性實(shí)施例可以使本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員更全面地理解本發(fā)明，但不以任何方式限制本發(fā)明。

下述實(shí)施例中所述試驗(yàn)方法，如無特殊說明，均為常規(guī)方法；所述試劑和材料，如無特殊說明，均可從商業(yè)途徑獲得。

如圖1所示，本發(fā)明制備大規(guī)格鋁合金圓鑄錠的裝置，包括結(jié)晶器2、熱頂3、石墨環(huán)4、冷卻水箱5、鑄錠6、引錠頭7。結(jié)晶器2內(nèi)，上部設(shè)置熱頂3，下部設(shè)置石墨環(huán)4；冷卻水箱5環(huán)繞于結(jié)晶器2外部。鑄造開始前，鋁合金冷料1位于熱頂3近心部正上方，如圖1所示；引錠頭7初始位置位于石墨環(huán)4內(nèi)，引錠頭7下部接連鑄造機(jī)，用以鑄造過程中向下牽引鑄錠6。所述的冷卻水箱下部有環(huán)狀出水孔，所述出水孔排出的水流方向與重力方向之間的夾角角度為40度，使從出水孔排出的水可排至圓鑄錠上。

本發(fā)明制備大規(guī)格鋁合金圓鑄錠的工藝，包括如下步驟：合金熔體經(jīng)熱頂3至引錠頭7上部，當(dāng)熔體凝固出坯殼時，鑄造機(jī)牽引引錠頭向下運(yùn)動。從熱頂3心部正上方位置持續(xù)插入數(shù)根與鑄造合金成分相同的鋁合金冷料1，在傳熱的作用下，冷料迅速熔化。在石墨環(huán)4和鋁合金冷料1雙冷卻場的共同作用下，對熔體實(shí)現(xiàn)一次冷卻。形成凝固坯殼后，在鑄造機(jī)的牽引下，持續(xù)往下運(yùn)動，在二次冷卻的作用，完成凝固過程。

下述實(shí)施例中，所述心部溫度通過將熱電偶插入圓柱形的熔體中心獲得。

實(shí)施例1

鑄造一批規(guī)格為φ200mm的2a12鋁合金鑄錠

所用裝置中熱頂內(nèi)徑：100mm；石墨環(huán)高度：32mm；冷料的數(shù)量及尺寸：5根φ3mm；插入位置為：鋁合金圓棒呈十字形插入，十字中心的棒材圓形與熔體圓心重合，其余各圓棒圓心距離熔點(diǎn)圓心距離為40mm。

(1)將5根直徑為3mm的2a12鋁合金冷料固定在熱頂正上方50mm。鑄造機(jī)托舉引錠頭升入結(jié)晶器內(nèi)，引錠頭上沿高于石墨環(huán)下沿2mm，引錠頭位于設(shè)定位置后，打開冷卻水開關(guān)，冷卻水通過冷卻水箱進(jìn)入結(jié)晶器，并通過結(jié)晶器下部的出水孔噴出，使其可以作用于鑄錠表面。

(2)將穩(wěn)定在690～700℃的熔體經(jīng)流槽澆入到熱頂內(nèi)，熔體經(jīng)熱頂和結(jié)晶器到達(dá)引錠頭上部，當(dāng)熔體凝固出坯殼時，鑄造機(jī)牽引引錠頭7向下運(yùn)動，連續(xù)鑄造過程開始。當(dāng)鑄造過程穩(wěn)定后，位于熔體上方的鋁合金圓棒向下插入，通過熱電偶測溫控制熔體心部溫度始終保持在638～648℃。

(3)鑄造過程將要結(jié)束即當(dāng)熔體液面下降至熱頂下方時，停止插入鋁合金冷料。鑄造結(jié)束后，關(guān)閉冷卻水，得到大規(guī)格高質(zhì)量的鋁合金鑄錠。

實(shí)施例2

鑄造一批規(guī)格為φ300mm的2024鋁合金鑄錠，

所用裝置中熱頂內(nèi)徑：196mm；石墨環(huán)高度：32mm；冷料的數(shù)量及尺寸：9根φ10mm插入位置為：均勻環(huán)形插入，鋁合金圓棒截面圓心距熔體圓心點(diǎn)為50mm。

(1)將9根直徑為10mm的2024鋁合金冷料固定在熱頂正上方50mm。鑄造機(jī)托舉引錠頭升入結(jié)晶器內(nèi)，引錠頭上沿高于石墨環(huán)下沿2mm，引錠頭位于設(shè)定位置后，打開冷卻水開關(guān)，冷卻水通過冷卻水箱進(jìn)入結(jié)晶器，并通過結(jié)晶器下部的出水孔噴出，使其可以作用于鑄錠表面。

(2)將穩(wěn)定在690～700℃的熔體經(jīng)流槽澆入到熱頂內(nèi)，熔體經(jīng)熱頂和結(jié)晶器到達(dá)引錠頭上部，當(dāng)熔體凝固出坯殼時，鑄造機(jī)牽引引錠頭7向下運(yùn)動，連續(xù)鑄造過程開始。當(dāng)鑄造過程穩(wěn)定后，位于熔體上方的鋁合金圓棒向下插入，通過熱電偶測溫控制熔體心部溫度始終保持在638～648℃。

(3)鑄造過程將要結(jié)束即當(dāng)熔體液面下降至熱頂下方時，停止插入鋁合金冷料。鑄造結(jié)束后，關(guān)閉冷卻水，得到大規(guī)格高質(zhì)量的鋁合金鑄錠。

在不插入鋁合金冷料，即無心部冷卻場的條件下，保持其他步驟相同，生產(chǎn)直徑為300mm的鋁錠作為實(shí)施例1的對比組。

普通半連續(xù)鑄造鑄錠和本發(fā)明裝置制備的鑄錠的心部微觀組織如圖2(a)和圖2(b)所示。普通半連續(xù)鑄造鑄錠心部晶粒為枝晶狀，大小不均勻，平均尺寸約為120μm；本發(fā)明裝置制備的鑄錠心部晶粒呈近球形非枝晶組織，大小較為均勻，平均尺寸約為37μm。對比可知，本發(fā)明制備的鋁合金鑄錠心部晶粒更加細(xì)小均勻。

實(shí)施例3

鑄造一批規(guī)格為φ500mm的7075合金鑄錠。

所用裝置中熱頂內(nèi)徑：378mm；石墨環(huán)高度：35mm；冷料的數(shù)量及尺寸：16根φ15mm；插入位置為：鋁合金圓棒呈正方形排布，每一排4個圓棒，相鄰兩個圓棒距離25mm，且正方形中心與熔體圓心重合。

工藝與實(shí)施例2所述工藝相同，不同在于：步驟(2)中熔體穩(wěn)定在720～730℃；插入鋁合金冷料后熔體心部溫度保持在635～645℃。

實(shí)施例4

鑄造一批規(guī)格為φ700mm的2a11合金鑄錠。

所用裝置中熱頂內(nèi)徑：560mm；石墨環(huán)高度：38mm；冷料的數(shù)量及尺寸：30根φ20mm；插入位置為：鋁合金圓棒呈環(huán)形排布，第一環(huán)距熔體圓心70mm，均布8根；第二環(huán)距熔體圓心140mm，均布22根。

工藝與實(shí)施例2所述工藝相同，不同在于：步驟(2)中熔體穩(wěn)定在710～720℃；插入鋁合金冷料后熔體心部溫度保持在639℃～649℃

實(shí)施例5

鑄造一批規(guī)格為φ1000mm的7050合金鑄錠。

所用裝置中熱頂內(nèi)徑：850mm；石墨環(huán)高度：40mm；冷料的數(shù)量及尺寸：50根φ30mm；插入位置為：鋁合金圓棒呈環(huán)形排布，第一環(huán)距熔體圓心60mm，均布6根；第二環(huán)距熔體圓心150mm，均布14根；第三環(huán)距熔體圓心240mm，均布30根。

工藝與實(shí)施例2所述工藝相同，不同在于：步驟(2)中熔體穩(wěn)定在720～730℃插入鋁合金冷料后熔體心部溫度保持在635℃～645℃。