硬铝合金半连续铸造用挡水装置的设计方法

摘要

本发明提供硬铝合金半连续铸造用挡水装置的设计方法，挡水装置包括挡水板本体及弹簧，挡水板本体采用分体式结构，各部分之间由弹簧进行连接，整个挡水装置通过铰链悬挂于结晶器下方或直接架于铸造平台上，在挡水板本体与铸锭表面相接触的部位设有聚合物材料，挡水板本体的工作面与铸锭表面相垂直或呈一定的角度。应用时，在不阻碍铸造过程的同时夹紧铸锭外表面，使半连续铸造的二次冷却水在挡水板位置被阻挡和分流，使铸锭仅接受结晶器和挡水板之间的部分水冷，挡水板下部自然空冷；铸锭芯部的高温熔体将铸锭重新加热，实现了铸锭“自回火”效应，从而有效降低了铸造内应力，抑制了铸锭裂纹，适合于大规模工业生产应用。

说明书

技术领域

本发明涉及一种硬铝合金半连续铸造用挡水装置的设计方法，属于铝合金半连续铸造技术领域。

背景技术

超高强铝合金通常是指抗拉强度超过500MPa以上的铝合金，主要是Al-Zn-Mg-Cu系铝合金。超高强铝合金由于具有高的比强度和硬度，较好的耐蚀性能和较高的韧性等优点而广泛应用于航天、航空领域，是运载火箭、宇宙飞船和空间站等航天器的主体结构材料。

高合金化是提高硬铝合金强度的主要手段，在以Al-Zn-Mg-Cu系为代表的硬铝合金中，提高Zn、Mg、Cu等合金元素含量是提高铝合金材料强度的主要措施。上个世纪50年代，美国开发成功了7075合金，其Zn、Mg、Cu等合金元素总含量为10％，后期开发的7050合金和7055合金，Zn、Mg、Cu等合金元素总含量更是高达12％和14％。近年来，伴随着航空材料的发展，在提高合金强度的同时又开发了具有高损伤容限的新合金，如7010、7475、7150和7085等，均是在提高合金化元素含量的同时降低Fe、Si杂质含量，以提高材料的抗应力腐蚀和耐疲劳等综合性能。然而，航空用铝合金的发展给材料的铸造成形提出了新的难题。随着合金元素含量的增加，Fe、Si杂质元素的降低，合金的凝固区间增大，而结晶核心减少，在铸造成形过程中，由凝固收缩导致的铸锭内应力非常大。

目前，立式直接水冷半连续铸造(DC铸造)法是工业制备超高强硬铝合金铸锭的主要方式，具有工艺稳定、自动化程度高、铸锭质量优等特点。然而，在半连续铸造过程中时，超高强铝合金的凝固温度区间范围宽、塑性差，铸锭凝固收缩产生的内应力大，当内应力超过材料的强度极限时铸锭即发生开裂。据资料报道，以7050和7055合金为代表的硬铝合金铸锭在半连续铸造中以及铸造完成后发生开裂甚至爆裂的现象非常严重，铸造成功率远低于其他合金品种。

为改善硬铝合金铸锭成形难的问题，国外相继开发了很多先进的铸造技术，如挡水板技术、电磁铸造、气滑(气幕)铸造、低液位铸造等，这些铸造技术在一定程度上提高了铸锭质量、改善了铸锭成形较差的问题。然而，这些铸造技术对装备的自动化控制要求程度高。而对于铸造硬铝合金铸锭采用的技术，如挡水板技术，由于其关键设备较复杂，挡水板施加方式和施加位置缺乏技术依据，我国企业应用较少。

发明内容

本发明针对硬铝合金铸锭铸造过程中和铸造完成后易开裂的问题，提供一种适合硬铝合金半连续铸造用挡水装置，能较好满足硬铝合金铸造需要。

本发明的目的通过以下技术方案来实现：

硬铝合金半连续铸造用挡水装置的设计方法，特点是：该挡水装置包括挡水板本体及弹簧，挡水板本体采用分体式结构，各部分之间由弹簧进行连接，整个挡水装置通过铰链悬挂于结晶器下方或直接架于铸造平台上，在挡水板本体与铸锭表面相接触的部位设有聚合物材料，挡水板本体的工作面与铸锭表面呈一定的角度；另外，对于圆铸锭，挡水板本体距结晶器下沿的距离与圆铸锭直径的比为0.5～1.3，对于扁铸锭，挡水板本体距结晶器下沿的距离与扁铸锭厚度的比为0.6～1.5。

进一步地，上述的硬铝合金半连续铸造用挡水装置的设计方法，所述挡水板本体的材质为不易变形的金属材料，具体是采用不锈钢。

更进一步地，上述的硬铝合金半连续铸造用挡水装置的设计方法，所述聚合物材料为高温橡胶、或塑料、或胶皮。

再进一步地，上述的硬铝合金半连续铸造用挡水装置的设计方法，所述挡水板本体的工作面与铸锭表面的夹角范围为45°～90°。

本发明设计的适合于铸造硬铝合金圆锭和扁锭用的挡水装置，在不阻碍铸造过程的同时夹紧铸锭外表面，使半连续铸造的二次冷却水在挡水板位置被阻挡和分流，而直接流入铸造井下，铸造时铸锭仅接受结晶器和挡水板之间的部分水冷，挡水板下方自然空冷；本发明实现了铸锭“自回火”效应，从而有效降低了铸造内应力，抑制铸锭裂纹。该挡水装置设计较独特，结构简洁，安装方便，工作稳定，使用寿命长，经济效益和社会效应十分显著，适合于大规模工业生产应用。

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：半连续铸造过程中施加挡水装置的效果图；

图2：圆铸锭挡水装置俯视示意图；

图3：扁铸锭挡水装置俯视示意图。

图中各附图标记的含义见下表：

  附图  标记  含义  附图  标记  含义  附图  标记  含义  1  结晶器  2  铰链  3  冷却水  4  挡水装置  5  铸锭  6  铸锭横截面  7  聚合物材料  8  挡水板主体  9  弹簧

具体实施方式

本发明提供一种适合于铸造硬铝合金圆锭和扁锭用的挡水装置，主要作用是在不阻碍铸造过程的同时夹紧铸锭外表面，使半连续铸造的二次冷却水在挡水板位置被阻挡和分流，而直接流入铸造井内，铸造过程中铸锭仅接受结晶器和挡水板之间的部分水冷，挡水板下部实现自然空冷。这样，整个铸锭的冷却强度减弱，而挡水装置下方铸锭温度部分回升，实现了铸锭“自回火”效应，从而可以有效降低铸造内应力，抑制铸锭裂纹。

如图2、图3所示，挡水装置根据圆铸锭和扁铸锭的规格设计成需要的形状尺寸，挡水装置4包括挡水板本体8及弹簧9，挡水板本体8采用分体式结构，各部分之间由弹簧9进行连接，挡水板本体8材质选择刚度较好、不易变形的金属材料，如不锈钢等。如图1，挡水装置4通过铰链2悬挂于结晶器1下端或直接架于铸造平台上，在挡水板本体8与铸锭表面相接触的部位设有聚合物材料7，具体可采用高温橡胶、塑料、胶皮等；挡水板本体8的工作面与铸锭表面呈一定的角度，以利于排水。挡水装置与结晶器的距离和铸锭的规格有关，铸锭的规格越大，挡水装置距结晶器的位置越远，对于圆铸锭，挡水装置距结晶器下沿距离与圆铸锭直径的比值范围为0.5～1.3，对于扁铸锭，挡水板本体距结晶器下沿的距离与扁铸锭厚度的比值范围为0.6～1.5。挡水板本体的工作面与铸锭表面的夹角范围控制在45°～90°。

具体应用时，参见图1，在铸造准备阶段，引锭头上移进入结晶器1的内腔，将铰链2的一端悬挂于结晶器下沿，另一端与挡水板本体8连接，拉紧挡水装置的连接弹簧9，使挡水板本体8与引锭头夹紧。打开炉口，铝合金熔体均匀流入结晶器1内，当液面升至一定高度时引锭头以设定速度下降，铸造过程开始。铸锭5在结晶器的一次冷却和冷却水的二次冷却作用下凝固成形。在铸造初始时，由于铸锭的长度小于铰链2的长度，冷却水3对铸锭形成激冷后沿着铸锭表面下滑，整个铸锭的冷却强度较高。当铸锭长度超过铰链2长度时，铸锭侧面被挡水装置4夹紧，铸锭侧面的二次冷却水被挡水装置4阻挡而直接排到铸造井内，挡水装置4下方的铸锭处于空冷状态，铸锭和外界的热交换能力降低，内部温度部分升高。由于硬铝合金多具有铸态强度高、塑性差的特点，铸造过程中铸锭的内应力较大；而施加挡水装置4后，给铸锭5增加了空冷区，整个铸锭的温度升高，铸造内应力得到有效释放，从而有效降低了铸锭的开裂倾向。经进行多次规格为180×360mm的7150硬铝合金半连续铸造试验，采用本发明设计的挡水装置后，铸锭均未出现开裂现象，经实际检验，其使用效果非常好。

需说明的是，本发明设计的挡水装置可固定于铸造平台上，通过支架的高度来调整挡水装置的位置；也可将挡水装置通过铰链悬挂于结晶器下沿，通过铰链的长度来调整挡水装置的位置。该挡水装置可实现大规格硬铝合金圆锭和扁锭铸造过程中的有效挡水，在实际操作中可根据铸锭的规格设计挡水板本体的外形尺寸，并根据工艺要求调整挡水装置的安装位置，以保证铸造过程中减小铸锭冷却强度，释放铸锭内应力的目的。挡水装置本体采用分体式结构，彼此通过弹簧连接，弹簧的松紧度适当，既保证挡水装置与铸锭表面贴紧，阻止二次冷却水沿铸锭表面下移，同时也避免因挡水装置与铸锭表面接触压力过大而阻碍铸锭的正常下移。

另外，对于挡水装置的安装位置，即挡水装置工作面与结晶器下壁之间的距离，可根据工艺需要调节，如果挡水板本体和结晶器距离太近则会使铸锭的冷却强度减小过大，铸锭的凝固壳较薄，容易出现拉漏等铸造缺陷，如果距离太远则导致铸锭冷却区间过长，铸锭“自回火”效应减弱，降低挡水效果。

综上所述，本发明设计新颖，挡水装置结构简洁，安装方便，加工制作简易。应用时，有效消除了硬铝合金铸锭裂纹，工作稳定，使用寿命长，能较好满足硬铝合金铸造需要，适合于大规模工业生产应用，具有良好的推广应用价值。

以上仅是本发明的具体应用范例，对本发明的保护范围不构成任何限制。凡采用等同变换或者等效替换而形成的技术方案，均落在本发明权利保护范围之内。