铝合金近终形铸锭用半连续铸造结晶器

摘要

本发明涉及铝合金近终形铸锭用半连续铸造结晶器，包括结晶器本体和保温热顶，保温热顶置于结晶器本体之上，在保温热顶与结晶器本体之间设有油气分配环，油气分配环上沿周向均匀分布有注气孔和注油孔，所述结晶器本体包括冷却水腔体以及与水腔相连通的喷水结构，喷水结构呈非等宽式水缝结构，使沿结晶器周向冷却水流量非等值。该结晶器不仅能够约束液态金属，使其凝固成所需要的铸锭形状，而且能够确保铸锭表面光滑、质量一致，满足铸锭后续热成型的尺寸要求。铸锭成型情况稳定，表面光滑，无拉痕、裂口等缺陷。

说明书

技术领域

本发明涉及一种铝合金近终形铸锭用半连续铸造结晶器，属于铝合金半连续铸造技术领域。

背景技术

目前常规的铝合金铸锭形状多为圆形或矩形，圆铸锭主要用于后续挤压成各种形状的型材，扁铸锭即矩形铸锭主要用于轧制成所需厚度的板、带、箔材。近终形铝合金铸锭形状不同于常规的铝合金圆铸锭或扁铸锭，它主要是根据后续产品的形状来设计铸锭的外形尺寸，然后采用低成本半连续铸造的方式制备出形状尺寸与最终产品外形接近的近终形铝合金铸锭，供后续直接锻造出铝合金产品。

结晶器是制备铝合金锭坯的关键和主要设备，它往往由金属组成一件内部存放冷却循环水的密闭箱体来提供液态金属的冷却并约束其凝固成型。在铸锭制备开始阶段，引锭底座与结晶器构成一个底部封闭的空间。铸造开始后，液态金属流入结晶器内部并保持一定高度，结晶器通入一定量的冷却循环水。在冷却水的作用下，液态金属与结晶器内壁接触并逐渐凝固成一薄层凝固壳，随着引锭底座的下移，整个铸锭逐渐接触到结晶器内部的冷却水并在冷却水的作用下逐渐凝固成型。因此，结晶器不仅起着冷却金属铸锭，使其凝固成型，同时它还起着约束液态金属，使整个铸锭顺利凝固成需要形状的作用。由此可见，铸锭形状尺寸的差异以及表面质量的好坏，其约束成型的铸造结晶器设计起到至关重要的作用。

随着铝加工材产品质量要求的不断提高，铝合金结晶器经历了铜板结晶器、矮槽结晶器、热顶结晶器以及后续先进的气滑结晶器和低液位铸造结晶器的发展阶段，这些先进结晶器的投入使用为铝合金铸锭质量带来了革命性影响，不仅使铸锭内部冶金质量显著提高，而且铸锭表面质量更是实现了飞跃式进步，铸锭偏析层厚度降低，铣面量减少，综合生产效率显著提高。

然而，目前铝合金铸造结晶器主要以制备圆铸锭和扁铸锭为主，未见能够铸造不规则铸锭形状的结晶器结构及组成相关报道。

发明内容

本发明的目的是克服现有技术存在的不足，提供一种铝合金近终形铸锭用半连续铸造结晶器，根据后续热变形产品外形要求，设计铝合金铸锭截面形状尺寸，进而制备形状不规则的铝合金锭坯并保证锭坯表面质量和偏析层厚度要求，从而满足后续热加工变形直接制备产品的需要。

本发明的目的通过以下技术方案来实现：

铝合金近终形铸锭用半连续铸造结晶器，特点是：包括结晶器本体和保温热顶，保温热顶置于结晶器本体之上，在保温热顶与结晶器本体之间设有油气分配环，油气分配环上沿周向均匀分布有注气孔和注油孔，所述结晶器本体包括冷却水腔体以及与水腔相连通的喷水结构，喷水结构呈非等宽式水缝结构，使沿结晶器周向冷却水流量非等值分布。

进一步地，上述的铝合金近终形铸锭用半连续铸造结晶器 ，所述冷却水腔体内设有分水器。

更进一步地，上述的铝合金近终形铸锭用半连续铸造结晶器 ，所述注油孔的宽度为0～2.5mm，高度为0～1.6mm，相邻两注油孔的间距为1～5mm。

更进一步地，上述的铝合金近终形铸锭用半连续铸造结晶器 ，所述注气孔的宽度为0～3.9mm，高度为0～2.8mm，相邻两注气孔的间距为1～6mm。

本发明技术方案突出的实质性特点和显著的进步主要体现在：

①保温热顶布置于结晶器本体上方，起保持熔体温度、增加熔体流动性、提高金属补缩能力的作用；不仅能够约束液态金属，使其凝固成所需要的铸锭形状，而且能够确保铸锭表面光滑、质量一致，满足铸锭后续热成型的尺寸要求；

②采用非等宽式水缝，实现沿铸锭周边依靠水缝宽度调节冷却水流量值，实现冷却水流量沿铸锭周边呈非等值分配；根据冷却水流量的非等值分布来控制近终形铸锭整体的冷却强度和凝固收缩趋势，进而实现顺利铸造成型；

③油气分配环起到提高铸锭表面质量的作用，压缩空气和润滑油分别通过注气孔和注油孔进入，其中压缩空气与熔体压力形成动态平衡，在保温热顶下沿推动金属熔体，使其形成弯月面，降低金属溶体对结晶器内衬的静压力，润滑油经出油孔后在结晶器内壁形成一薄层润滑油膜，起到连续润滑结晶器内表面，降低铸锭表面与结晶器间摩擦力的作用；采用此结晶器制备的锭坯，铸锭成型情况稳定，表面光滑，无拉痕、裂口等缺陷。

附图说明

下面结合附图对本发明技术方案作进一步说明：

图1：本发明的剖视示意图；

图2：本发明的俯视示意图。

具体实施方式

如图1、图2所示，铝合金近终形铸锭用半连续铸造结晶器，包括结晶器本体2和保温热顶1，保温热顶1置于结晶器本体2之上，在保温热顶1与结晶器本体2之间设有油气分配环4，油气分配环4上沿周向分别均匀分布有注气孔6和注油孔5，结晶器本体2包括冷却水腔体以及与水腔相连通的喷水结构，喷水结构呈非等宽式水缝结构8，结晶器本体包括冷却水腔体以及与水腔相连通的喷水结构，喷水结构呈非等宽式水缝结构，使沿结晶器周向冷却水流量非等值分布，在0 L/min×mm~0.95 L/min×mm范围变化，冷却水腔体内设有分水器7。

通过非等宽式水缝结构8使冷却水流量沿铸锭周边呈非等值分配，即依照铸锭外形尺寸，通过调整结晶器水缝宽度使冷却水流量线密度沿铸锭周边在0 L/min×mm~0.95 L/min×mm范围变化。结晶器依靠水缝或喷水孔方式实现冷却水流量线密度沿铸锭周边变化。

结晶器采用保温热顶和冷却壁凝固铸锭，为提高近终形铸锭的表面质量，控制偏析层厚度，设计有油气分配环4，起到提高铸锭表面质量的作用，其中，注油孔5的宽度为0～2.5mm，高度为0～1.6mm，相邻两注油孔的间距为1～5mm，注气孔6的宽度为0～3.9mm，高度为0～2.8mm，相邻两注气孔的间距为1～6mm，注油孔设计为将本体打通的油孔。在铸造过程中，压缩空气和润滑油分别通过注气孔6和注油孔5进入油气分配环4，其中压缩空气与熔体压力形成动态平衡，在保温热顶下沿推动金属熔体，使其形成弯月面，降低金属溶体对结晶器内衬的静压力。润滑油经出油孔后在结晶器内壁形成一薄层润滑油膜，起到连续润滑结晶器内表面，降低铸锭表面与结晶器间摩擦力的作用。在铸造过程中近终形结晶器采用油气分配环连续供压缩空气和润滑油后，铸锭表面质量显著提高。也可根据铸锭表面质量要求，铸造过程中可选择同时通润滑油和压缩空气，或者只连续注油润滑，不通压缩空气，或者同时不通润滑油和压缩空气。

保温热顶1布置于结晶器本体2上方，起保持熔体温度、增加熔体流动性、提高金属补缩能力的作用。结晶器本体2由轧制变形的铝合金板材或紫铜板材经机加工而成，铸造过程中，结晶器本体2内衬直接接触铝熔体，并提供近终形铸锭的一次冷却。为保证结晶器内部的冷却水分布均匀，避免因结晶器本体内腔形状不规则和进水口位置不对称而导致的冷却水流量变化，在结晶器内部设计有分水器7，其作用是保持腔体内水位高度、均匀分配水腔内部冷却水流量的目的。

因近终形结晶器内腔形状不规格，因此金属熔体在内腔各个位置的凝固速率不一致，某些位置甚至受形状差异影响而导致凝固速率差别过大。为保证铸造过程的顺利进行，采用非等宽式水缝，沿铸锭周边依靠水缝宽度调节冷却水流量值，实现冷却水流量沿铸锭周边呈非等值分配。根据冷却水流量的变化来控制近终形铸锭整体的冷却强度和凝固收缩趋势，进而实现顺利铸造成型。

采用结晶器不仅能够约束液态金属，使其凝固成所需要的铸锭形状，而且能够确保铸锭表面光滑、质量一致，满足铸锭后续热成型的尺寸要求。

首先根据产品形状，考虑热变形要求，设计外形相近的铸锭外形尺寸，考虑铸锭的凝固收缩量后设计近终形结晶器形状以及保温材形状。保温材布置于结晶器本体上方，起到保持金属液温度并在结晶器上方维持一定金属液体高度，提高熔体的流动性和冲型性的作用。

根据设计的近终形铸锭形状尺寸，通过调整结晶器周向冷却水作用范围和强度来调整铸锭的整体冷却强度，进而控制近终形铸锭不同位置的凝固收缩量，实现整根近终形铸锭的均匀收缩变形。因近终形铸锭形状变化，铸锭各个位置的冷却强度差异较大，与传统的圆铸锭和扁铸锭结晶器不同，近终形结晶器冷却水流量必须依照铸锭位置的改变而沿结晶器周向调整，否则将导致铸锭某些位置产生过度收缩，增大铸锭表面与结晶器内壁的摩擦力，导致铸锭开裂或表面撕痕，无法实现顺利成型。因此，本结晶器采用非等宽式水缝设计来调整铸锭不同位置的冷却强度值，进而调整近终形铸锭整体的凝固收缩量。

    此外，为提高铸锭的表面质量，提高锻件加工成材率，设计油气分配环。在使用过程中根据工艺要求设定油气量添加量的范围。若对铸锭表面质量要求严格，可选择同时连续供润滑油和压缩空气。结晶器连续供润滑油气介质后，铸锭表面光滑、稳定，偏析层厚度能够控制在小于0.9mm。

采用本发明结晶器制备的近终形6′′′系铝合金锭坯，铸锭成型情况稳定，表面光滑，无拉痕、裂口等缺陷。

需要理解到的是：以上所述仅是本发明的优选实施方式，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以作出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。