[发明专利]一种生产高强铝合金板坯的方法及设备

说明书

技术领域

本发明属于铝合金铸造技术领域，具体涉及一种生产高强铝合金板坯的方法及设备。

背景技术

通过连续或半连续铸造来生产金属制品特别是轻金属如铝合金过程中，在铸造过程的开 始阶段，引锭首先上升到结晶器内，打开冷却水。然后，液态铝熔体通过分流包被浇注到由 结晶器和引锭所围成的空间内。当铝熔体和结晶器与引锭刚发生接触，铝熔体就会被结晶器 和引锭所冷却并且沿其边界发生凝固。铝熔体在结晶器中达到一定高度后并且凝固壳具有足 够强度来支撑这些铝熔体的时候，引锭将以给定的铸造速度向下运动。已凝固的铸锭将随着 引锭一起下降，当铸锭从结晶器被拉出时，二次冷却水直接喷到铸锭的表面，铸锭被迅速的 冷却下来。这样铝熔体将不断的被浇铸到结晶器内，而已凝固的铸锭也不断地被从结晶器内 拽出，构成了一个连续的过程。

在DC铸造过程中，金属凝固时铸锭中心与表面就会产生巨大的温度梯度，这个巨大的 温度梯度在铸造过程产生巨大的内应力，当内应力达到一定大小，在铸造过程或铸造结束后 铸锭就会发生裂纹甚至完全劈开。对于高强高合金化的铝合金，如2XXX，7XXX铝合金， 这种裂纹倾向更加明显。裂纹严重的影响了金属生产的成材率和生产率。

为了抑制裂纹的发生，国内外进行了大量的研究，其主要思路是1)从裂纹产生的内在 条件出发，提高合金抵抗裂纹的能力，主要方法就是控制凝固过程，主要手段是细化晶粒， 提高晶内合金元素含量，控制凝固末期晶粒间形成的液膜和金属间化合物的形态，数量及其 大小；2)从裂纹产生的外部条件出发，减少铸造过程中产生的内应力，主要方法是控制铸锭 中心与表面的温度梯度，其主要手段是较少液穴深度，提高表面温度。

随着技术的发展，国内外专家开发了大量的制坯方法来抑制裂纹的产生：

(1)快速冷却的方法：如喷射成型，但是该工艺很难制取大尺寸的板坯；

(2)使用档水板的方法：其主要特点在于：在锭坯从结晶器底部出口被拉出后，通过去除凝 固金属表面层的冷却水可降低高强度合金锭坯的铸造裂纹出现的可能性。通过快速地去除冷 却水，锭坯中心的高温金属可对表层冷却过的金属进行重新加热，降低了铸锭内外的温度梯 度，从而减轻了内应力，阻止或减少了裂纹的产生。为了尝试阻止铸造裂纹的产生，许多挡 水板装置例如橡胶挡片，旋转刷或旋转辊等技术被提出。然而除了橡胶挡片之外大部分装置 并没有任何程度的商业应用，因为它们的设计在工业环境下是不可实现的。橡胶挡片虽然经 常使用，但是会被铸造过程中锭坯表面产生的“butt swell”的粗糙表面撕裂或磨损，造成冷 却水泄露到挡水板以下的锭坯表面，从而产生铸造裂纹。同时橡胶挡片不能将冷却水均匀的 去除锭坯表面，尤其是在板坯的边角处，冷却水的泄露往往发生板坯的边角处；

(3)施加外场的方法：如在凝固过程中施加超声波，电流，磁场等，但实践证明其中除电磁 场外其他方法在大铸锭时作用不显著；对于电磁场的应用，上世纪60年代，前苏联铝合金专 家在铝合金DC半连续铸造的基础上开发了EMC(Electromagnetic Casting)工艺，通过交变电磁 场产生的Lorentz力约束金属熔体，并维持一定的液柱高度，替代了结晶器的支撑作用，实现 了无模铸造。其主要特点是铸锭表面无偏析层，光洁度高，但是，EMC以改善铸锭表面为目 标，采用中、高频电磁场来实现无模铸造，对设备控制系统要求较高，非常容易出现拉漏现 象。同时，由于频率较高，EMC工艺对铸锭内部熔体的流动场与温度场影响有限，在铸造难 度较高的硬铝与超硬铝合金大尺寸铸锭生产过程中，难以获得均匀的铸态组织和消除铸锭内 应力。1986年，研究人员提出的电磁细晶铸造CREM(Casting，Refining，Electromagnetic)工艺 是指在DC铸造结晶器外布置感应线圈，线圈中施加50Hz的工频交流电，通过其在金属熔体 中产生的电磁场作用达到细化晶粒和改善表面质量的目的。采用该技术进行的直径为 320mm2214铝合金圆锭半连续铸造实验结果表明，CREM工艺能够有效地细化晶粒、改善 表面质量。但是，对于大尺寸铸锭的生产而言，由于受到电磁场渗透深度的影响(肌肤效应)， 铸锭中心效果不显著。

综上所述，目前抑制裂纹的方法都有一些难以克服的缺点。

发明内容

针对以上现有技术存在的不足之处，本发明提供一种生产高强铝合金板坯的方法及设备， 解决高强铝合金半连续铸造中的裂纹问题。