一種抑制dc鑄造鋁合金鑄錠宏觀偏析的方法及裝置的制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明公開了一種抑制DC鑄造(DC鑄造即Direct Chill Casting，直接水冷半連續(xù)鑄造)鋁合金鑄錠宏觀偏析的方法及裝置，特別是指抑制DC鑄造超大規(guī)格鋁合金鑄錠宏觀偏析的方法及裝置，屬于有色金屬材料加工領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002]航空航天領(lǐng)域結(jié)構(gòu)用鋁合金加工產(chǎn)品合金化程度高，DC鑄造超大規(guī)格鋁合金鑄錠時，由于結(jié)晶器內(nèi)鋁合金熔體存在顯著的熱對流，如圖2a所示，容易導致嚴重的宏觀偏析，主要合金元素相對宏觀偏析達到10?17%，導致鋁加工產(chǎn)品出現(xiàn)成分、組織和性能不均勻。隨著DC鑄造鋁合金鑄錠規(guī)格增大，宏觀偏析程度加劇，在DC鑄造超大規(guī)格鋁合金鑄錠(如直徑Φ多100mm的DC鑄造超大規(guī)格鋁合金圓錠)時，由于嚴重的宏觀偏析，甚至出現(xiàn)鑄錠局部(如中心)合金元素含量高于合金名義成分最高極限，而同時出現(xiàn)鑄錠局部(如邊部)合金元素含量低于合金名義成分最低極限，難以實現(xiàn)滿足應(yīng)用設(shè)計要求產(chǎn)品的加工。因此必須要求有效抑制DC鑄造超大規(guī)格鋁合金鑄錠宏觀偏析，首先保證DC鑄造超大規(guī)格鋁合金鑄錠包括鑄錠中心和鑄錠邊部的所有局部區(qū)域的合金元素含量符合合金名義成分極限范圍要求，并由此進一步提高其成分和組織的均勻性，保證后續(xù)加工工藝和熱處理工藝的有效實施，提高鋁加工產(chǎn)品最終的性能和性能的均勻性，并滿足設(shè)計使用要求。
[0003]現(xiàn)有的DC鑄造鋁合金鑄錠生產(chǎn)過程，一般不采用結(jié)晶器電磁攪拌器或其他外場干預(yù)結(jié)晶器內(nèi)鋁合金熔體對流引起的溶質(zhì)元素流場，近年來，開始有采用結(jié)晶器上方固定電磁攪拌器、結(jié)晶器水套下固定電磁攪拌器或采用機械栗循環(huán)栗送結(jié)晶器內(nèi)鋁合金熔體，但往往出現(xiàn)以下問題:
[0004](I)現(xiàn)有不采用結(jié)晶器電磁攪拌或其他外場干預(yù)結(jié)晶器內(nèi)鋁合金熔體對流引起的合金元素流場時，DC鑄造鋁合金鑄錠容易出現(xiàn)宏觀偏析，隨著合金化程度提高和鑄錠規(guī)格增大，宏觀偏析尤為顯著，DC鑄造高合金化大規(guī)格鋁合金鑄錠可能出現(xiàn)嚴重的宏觀偏析，相對宏觀偏析為10?17%。由于嚴重的宏觀偏析，甚至出現(xiàn)鑄錠局部(如中心)合金元素含量高于合金名義成分最高極限，而同時出現(xiàn)鑄錠局部(如邊部)合金元素含量低于合金名義成分最低極限，如圖3和圖4所示，導致最終的鋁加工產(chǎn)品組織和性能均勻性差，必須降低設(shè)計使用性能指標，甚至無法達到設(shè)計使用要求。
[0005](2)現(xiàn)有采用結(jié)晶器上方固定電磁攪拌器和結(jié)晶器水套下固定電磁攪拌器，由于電磁攪拌器與結(jié)晶器位置是固定不變的，無法調(diào)整電磁攪拌產(chǎn)生的附加鋁合金熔體流場與結(jié)晶器內(nèi)鋁合金熔體液穴凝固前沿的夾角，即無法調(diào)整結(jié)晶器內(nèi)鋁合金熔體附加流場的方向，抑制DC鑄造鋁合金鑄錠宏觀偏析效果有限。
[0006](3)現(xiàn)有采用結(jié)晶器水套下固定電磁攪拌器，由于結(jié)晶器水套下固定電磁攪拌受空間的限制，電磁感應(yīng)器的大小受到限制，電磁感應(yīng)磁場強度及附加鋁合金熔體流場強度較小，效果受到影響，或者在達到同樣電磁感應(yīng)磁場強度及附加鋁合金熔體流場強度的情況下，需要更大功率的直流電源，DC鑄造鋁合金鑄錠規(guī)格受到限制，難以有效抑制DC鑄造超大規(guī)格鋁合金鑄錠的宏觀偏析。
[0007]現(xiàn)有采用結(jié)晶器上方固定電磁攪拌器和結(jié)晶器水套下固定電磁攪拌器的方法，其控制電磁感應(yīng)磁場強度穩(wěn)定性，并由此保證在整個DC鑄造過程工藝穩(wěn)定性和鑄錠組織穩(wěn)定性的難度較大，無法調(diào)整感應(yīng)磁場方向，同時經(jīng)濟性也較差。
[0008](4)現(xiàn)有采用機械栗循環(huán)栗送結(jié)晶器內(nèi)鋁合金熔體的方法，容易破壞結(jié)晶器內(nèi)鋁合金熔體表面氧化膜，并把氧化膜卷入至熔體中，形成二次夾雜，還容易導致DC鑄造鋁合金鑄錠出現(xiàn)局部粗大晶粒，出現(xiàn)各種鑄造缺陷的風險大，無法保證有較高要求的DC鑄造高合金化超大規(guī)格招合金鑄錠質(zhì)量。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0009]本發(fā)明旨在克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種抑制DC鑄造超大規(guī)格鋁合金鑄錠宏觀偏析的方法。
[0010]為了達到上述目的，本發(fā)明提供的技術(shù)方案為:
[0011]本發(fā)明一種抑制DC鑄造鋁合金鑄錠宏觀偏析的裝置，所述裝置包括結(jié)晶器、電磁攪拌器，所述電磁攪拌器設(shè)置在所述結(jié)晶器上方，所述電磁攪拌器相對于所述結(jié)晶器豎直方向的位置可調(diào)。
[0012]本發(fā)明一種抑制DC鑄造鋁合金鑄錠宏觀偏析的裝置，所述電磁攪拌器設(shè)置在所述結(jié)晶器熱頂正上方。
[0013]本發(fā)明一種抑制DC鑄造鋁合金鑄錠宏觀偏析的裝置，所述電磁攪拌器通過設(shè)于攪拌器殼體上的螺桿支撐在鑄造平臺上并處于結(jié)晶器熱頂正上方。
[0014]本發(fā)明一種抑制DC鑄造鋁合金鑄錠宏觀偏析的裝置，電磁攪拌器殼體外圍四個角部各設(shè)置有一個螺桿。
[0015]本發(fā)明一種抑制DC鑄造鋁合金鑄錠宏觀偏析的裝置，所述電磁攪拌器包括殼體、套管、線圈，所述線圈套裝在所述套管中，套管均布在所述殼體中，所述殼體設(shè)有進水口、出水口，冷卻水在殼體中的套管外流動，實現(xiàn)線圈的冷卻降溫。
[0016]本發(fā)明一種抑制DC鑄造鋁合金鑄錠宏觀偏析的方法，包括下述步驟:
[0017]第一步:將電磁攪拌器安裝在鑄造平臺結(jié)晶器上方；
[0018]第二步:，將鋁合金熔體填充至結(jié)晶器內(nèi)，待鋁合金熔體在結(jié)晶器內(nèi)進入穩(wěn)定鑄造并保持穩(wěn)定鑄造速度時，接通電磁攪拌器線圈的電源，產(chǎn)生按鑄錠軸線軸對稱的感應(yīng)磁場，根據(jù)電磁攪拌器線圈和繞組形式確定電磁攪拌器磁場磁力線方向；
[0019]第三步:測定結(jié)晶器內(nèi)液穴邊部直至中心鋁合金熔體深度，確定液穴凝固前沿斜率，調(diào)節(jié)結(jié)晶器電磁攪拌器下沿平面與結(jié)晶器內(nèi)鋁合金熔體液面的間距，使感應(yīng)磁場磁力線與液穴斜邊的夾角a彡90°，直至DC鑄造過程結(jié)束。
[0020]本發(fā)明一種抑制DC鑄造鋁合金鑄錠宏觀偏析的方法，所述電磁攪拌器通過攪拌器殼體外圍設(shè)置的四個角部螺桿支撐安裝在結(jié)晶器熱頂正上方。
[0021]本發(fā)明一種抑制DC鑄造鋁合金鑄錠宏觀偏析的方法，所述感應(yīng)磁場強度^ 0.06T，優(yōu)選的感應(yīng)磁場強度多0.085T (特斯拉)。
[0022]本發(fā)明一種抑制DC鑄造鋁合金鑄錠宏觀偏析的方法，通過電磁攪拌器殼體外圍設(shè)置的四個角部螺桿，調(diào)整結(jié)晶器電磁攪拌器下沿平面與結(jié)晶器內(nèi)鋁合金熔體液面的間距。
[0023]本發(fā)明一種抑制DC鑄造鋁合金鑄錠宏觀偏析的方法，所述DC鑄造制備的鋁合金鑄錠圓錠直徑Φ為1000?1500mm。
[0024]本發(fā)明一種抑制DC鑄造鋁合金鑄錠宏觀偏析的方法，結(jié)晶器電磁攪拌器下沿平面與結(jié)晶器內(nèi)鋁合金熔體液面的間距為1mm?10mm0
[0025]本發(fā)明一種抑制DC鑄造鋁合金鑄錠宏觀偏析的方法，本發(fā)明制備的直徑Φ為1060mm或1320mm的2219鋁合金圓錠，其主要合金元素Cu的相對宏觀偏析< 5%。
[0026]本發(fā)明由于采用上述工藝方法，1、將電磁攪拌器設(shè)置在結(jié)晶器上方并形成按鑄錠軸線軸對稱的感應(yīng)磁場，感應(yīng)磁場與結(jié)晶器內(nèi)鋁合金熔體中的感應(yīng)電流形成的第二磁場產(chǎn)生相互作用，形成結(jié)晶器內(nèi)鋁合金熔體電磁感應(yīng)附加流場；由于結(jié)晶器上方空間大，沒有其他設(shè)施干擾，因此，可以方便調(diào)整電磁攪拌器與結(jié)晶器內(nèi)金屬熔體之間的距離，進而調(diào)整結(jié)晶器內(nèi)鋁合金熔體電磁感應(yīng)附加流場方向；本發(fā)明通過感應(yīng)磁場磁力線與液穴斜邊的夾角a ^ 90°，確保由感應(yīng)磁場感應(yīng)形成的第二磁場共同作用形成的鋁合金熔體電磁感應(yīng)附加流場方向與液穴斜邊(即與液穴斜率對應(yīng)的液穴斜邊)的夾角a ^ 90°，使鋁合金熔體電磁感應(yīng)附加流場與液穴斜邊接觸處形成向液穴開口方向的流場，有效削弱或消除結(jié)晶器內(nèi)鋁合金熔體自身熱對流所產(chǎn)生的、從液穴頂部沿凝固前沿向液穴底部流動，再從液穴底部經(jīng)液穴中的熔體返回至液穴頂部的鋁合金熔體溶質(zhì)原子流場，從而，有效提升鋁合金熔體和液穴凝固前沿溶質(zhì)原子分布的均勻性，使鑄件相對宏觀偏析< 5%，有效抑制宏觀偏析。
[0027]2、通過調(diào)節(jié)輸入電流的大小，使感應(yīng)磁場強度多0.06T，確保結(jié)晶器內(nèi)鋁合金熔體電磁感應(yīng)附加流場強度接近或等于結(jié)晶器內(nèi)鋁合金熔體自身熱對流產(chǎn)生的鋁合金熔體溶質(zhì)原子流場，一方面，最大限度減小鋁合金熔體自身熱對流所產(chǎn)生的鋁合金熔體溶質(zhì)原子流場導致的液穴前沿溶質(zhì)原子的富集，確保鋁合金熔體和液穴凝固前沿溶質(zhì)原子分布的均勻性。另一方面，有效提高結(jié)晶器內(nèi)邊部和中心的熔體溫度均勻性，從而減小液穴凝固前沿斜率以及液穴深度，實現(xiàn)顯著提高超大規(guī)格鋁合金鑄錠后續(xù)加工產(chǎn)品組織和性能均勻性。
[0028]與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果為:
[0029](I)采用結(jié)晶器電磁攪拌，有效抑制DC鑄造超大規(guī)格鋁合金鑄錠宏觀偏析，解決了 DC鑄造超大規(guī)格鋁合金鑄錠(如直徑Φ多100mm的DC鑄造超大規(guī)格鋁合金圓錠)時，由于極易發(fā)生嚴重的宏觀偏析，甚至出現(xiàn)鑄錠局部(如中心)合金元素含量高于合金名義成分最高極限，而同時出現(xiàn)鑄錠局部(如邊部)合金元素含量低于合金名義成分最低極限，無法實現(xiàn)滿足應(yīng)用要求的問題，實現(xiàn)宏觀偏析得到有效抑制，合金成分和組織均勻性達到應(yīng)用設(shè)計指標要求的DC鑄造超大規(guī)格的制備。
[0030](2)通過調(diào)節(jié)結(jié)晶器電磁攪拌器殼體外圍設(shè)置的四個角部螺桿，調(diào)整結(jié)晶器電磁攪拌器下沿平面與結(jié)晶器內(nèi)鋁合金熔體液面的間距，從而調(diào)整電磁攪拌產(chǎn)生的附加鋁合金熔體流場與結(jié)晶器內(nèi)鋁合金熔體液穴凝固前沿的夾角，即調(diào)整結(jié)晶器內(nèi)鋁合金熔體附加流場的方向。通過調(diào)節(jié)結(jié)晶器電磁攪拌器線圈內(nèi)的直流電流強度，從而調(diào)整DC鑄造超大規(guī)格鋁合金鑄錠結(jié)晶器內(nèi)鋁合金熔體液穴中的電磁感應(yīng)磁場強度及附加鋁合金熔體流場強度。抑制DC鑄造超大規(guī)格鋁合金鑄錠宏