一种7xxx系铝合金大规格空心铸锭生产装置及其工艺

摘要

本发明公开了一种7xxx系铝合金大规格空心铸锭生产装置及工艺，该装置包括结晶器、水套、芯子、芯子支架，芯子支架通过结晶器顶部设置的环形槽置于结晶器的上方，芯子支架为圆形架且在中心位置设有凸起的连接口，连接口通过加强筋与芯子支架的边缘固定，连接口中设有与芯子进水口连接的连接套，连接套的上部与连接口螺纹配合连接并延伸至连接口外，下端口置于芯子进水口且外侧壁设有与芯子的端口相适配的连接板，连接板上设有螺栓孔；本发明通过熔炼、精炼、特定的装置进行铸造、双极均火处理工艺制备的7xxx系铝合金大规格空心铸锭，利用工艺参数精确配合确保铸锭的成型性和组织。

说明书

技术领域

本发明属于铝合金空心铸锭竖向半连续铸造技术领域，具体涉及一种7xxx系铝合金大规格空心铸锭生产装置及其工艺。

背景技术

现代民用飞机不断向大型、高速、长寿命、高飞行安全性和低成本方向发展，大型客机的设计目标是满足90,000小时、30日历年寿命、耐久性损伤容限设计和防腐蚀设计，而7xxx高强度管材及型材作为大型客机结构的重要承力部位，对材料的强度、耐腐蚀性能、抗损伤容限和综合性能提出了很高的要求，用于挤压生产的铸锭组织控制更是保证各管材、型材符合要求的关键。

7xxx系铝合金高合金大规格铸锭可通过两种途径获得，一种是喷射成型法生产，另一种是半连续铸造法生产；目前喷射成型法铸锭已通过了试验验证，但喷射成型铸锭成本高、生产周期长，应用成熟度不高，造价昂贵；半连续铸造工艺属于较为成熟的铸造工艺，该工艺流程相对简单，应用成熟度高，而且具有设备基础和技术基础，可以缩短生产周期，铸锭实现自主生产，质量可控度高；另一方面能够突破成分复杂、成型难度较大的高合金化铸锭的半连续铸造成型技术，提升中国先进铝合金材料的研发水平，满足航空工业及国民经济其它领域对高强韧铝材的需求。

而现有的半连续铸造工艺由于存在结晶区域有限、温度场变化大、铸锭冷却均匀性差等缺点，会出现可控度不高、成型性差，容易出现环形裂纹、放射性裂纹、通心裂纹等成型性问题。

发明内容

本发明的目的是提供一种7xxx系铝合金大规格空心铸锭生产装置，本发明的另一目的是提供一种使用上述装置生产7xxx系铝合金大规格空心铸锭的工艺，以解决现有技术中7xxx系铝合金大规格空心铸锭可控度不高、成型性差，容易出现环形裂纹、放射性裂纹、通心裂纹等成型性的问题。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：一种7xxx系铝合金大规格空心铸锭生产装置，包括结晶器、水套、芯子、芯子支架，结晶器置于水套中与结晶器的外侧形成冷却水腔，结晶器的下部设有出水口，芯子置于结晶器并与结晶器的内侧形成环形铸造型腔，芯子的上部设有芯子进水口，芯子的下部设有芯子水眼，所述芯子支架通过结晶器顶部设置的环形槽置于结晶器的上方，所述芯子支架为圆形架且在中心位置设有凸起的连接口，所述连接口通过加强筋与芯子支架的边缘固定，所述连接口中设有与芯子进水口连接的连接套，所述连接套的上部与连接口螺纹配合连接并延伸至连接口外，下端口置于芯子进水口且外侧壁设有与芯子的端口相适配的连接板，连接板上设有螺栓孔。

进一步地，所述出水口为直径3mm的均布水孔，采用60°倾斜角度设置。

进一步地，所述芯子水眼采用机械均布钻孔，直径为6mm，采用30°倾斜角度设置。

进一步地，所述结晶器为倒锥形，上缘直径为￠574mm，下缘直径为￠572mm，锥度为1:20。

进一步地，所述芯子为锥形，上缘直径￠350mm，下缘直径为￠345mm，锥度为1:14。

进一步地，所述结晶器、芯子均采用2A50锻造铝合金制成。

本发明提供的另一种技术方案为：一种使用上述装置生产7xxx系铝合金大规格空心铸锭的工艺，包括如下步骤：

步骤A)铝合金熔炼：将配好的重量百分比含量为50%-55%的7xxx系废料、Cu：2.1%-2.6%、Mg:1.9%-2.3%、Zn：7.7%-8.3%、Zr：0.09%-0.23%、Ti：≤0.05%、余量为Al的原材料使用电阻带热辐射加热的办法熔化为液态；

步骤B)化学成分调整：待铝合金熔体完全熔化，温度达到730-745℃后，进行化学成分分析，根据分析结果并参考GB/T3190-2008化学标准要求进行补料，调整化学成分；

步骤C)导炉：将化学成分调整合适的铝合金熔体导入静置炉进行精炼；

步骤D)精炼：采用K型电偶插入熔体中部进行测温，炉内温度为740-755℃时，开始精炼，同时通过精炼器通入比例为氮气:88%-92%，氯气：8%-12%的混合气体去除溶体中的夹渣物及气体，精炼20-25min，静置15 min后进行测氢，氢气含量控制在＜0.1ml/100gAl，测氢后静置50 min，打渣，得到精炼后的合金溶体；

步骤E)开车铸造：将结晶器(1)里的油污、水清理干净后进行铺底，待铺底铝边缘凝固20—40mm后，开始注入7xxx系铝合金熔体，并进行铺二次假底，同时冷却水从结晶器的进水口、芯子的芯子进水口分别进入水套与结晶器的外侧形成的冷却水腔和芯子中，形成结晶器、芯子内外同时冷却的结构，铺底完成后将得到的精炼后合金溶体注入结晶器，待熔体液面上升到距离结晶器外沿30mm处时打开铸造机开关在铸造速度为25-30mm/min、铸造温度为750-760℃、铸造水压为0.11-0.15Mpa的条件下进行铸造，当铸锭铸造的头部金属凝固二分之一到三分之二后停水，并开快车下降，当铸锭铸造的头部距结晶器下缘尚有0-10mm时停车,得到7xxx系铝合金大规格空心铸锭；

步骤F)双极均火处理：将步骤G)得到的空心铸锭吊入均火炉中，铸锭温度达到300℃-350℃时保温4-6小时后重新升温，温度达到495-505℃后保温24-30小时，保温结束后进行随炉冷却，待料温达到230-250℃后出炉。

进一步地，所述步骤A)中Cu、Mg、Zn采用纯金属，Zr采用含量为3%的中间合金，Ti使用含量为5%的中间合金。

进一步地，所述步骤E)中，铺底铝品位不低于Al99.85，温度不低于732℃，铺底厚度为20-25mm。

进一步地，所述步骤E)中7xxx系铝合金大规格空心铸锭规格为￠535/360mm。

本发明的有益效果为：

1、本发明装置设计合理，结构简单，配合精度高，拆装方便仅需一人使用活口扳手即可实现，拆装方便，劳动强度低，生产效率高；

2、工艺参数精确、配合紧密，生产成本低，便于推广使用，通过对铸造速度、铸造温度及铸造水压的控制，保证铸锭的铸造成型性，温度场分布均匀，内外冷却速率的一致性，防止因较大的内应力造成铸造裂纹的产生；

3、本发明铸造前进行铺底，使用99.85%纯铝铺底，铺底厚度为20-25mm，能够防止空心铸锭底部裂纹的产生；

4、本发明工艺采用双级均火处理所得到的平衡态组织较铸态组织更细小，提高合金的强度和硬度。

附图说明

图1是本发明一种7xxx系铝合金大规格空心铸锭生产装置结构示意图；

图2是本发明连接套结构示意图；

图3是本发明芯子支架主视图；

图4是本发明芯子支架俯视图；

图5是本发明芯子结构示意图。

图中：1、结晶器；2、芯子；3、芯子支架；4、连接口；5、连接套；6、水套；7、出水口；8、芯子水眼；9、芯子进水口；10、外螺纹；11、环形槽；12、加强筋；13、连接板；14、螺栓孔；15、进水口。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步的详细描述。

如图1至5所示，一种7xxx系铝合金大规格空心铸锭生产装置，包括结晶器1、水套6、芯子2、芯子支架3，结晶器1置于水套6中与结晶器1的外侧形成冷却水腔，结晶器1的下部设有出水口7，芯子2置于结晶器1并与结晶器1的内侧形成环形铸造型腔，芯子2的上部设有芯子进水口9，芯子2的下部设有芯子水眼8，所述芯子支架3通过结晶器1顶部设置的环形槽11置于结晶器1的上方，所述芯子支架3为圆形架且在中心位置设有凸起的连接口4，所述连接口4通过加强筋12与芯子支架3的边缘固定，所述连接口4中设有与芯子进水口9连接的连接套5，所述连接套5的上部与连接口4螺纹配合连接并延伸至连接口4外，下端口置于芯子进水口9且外侧壁设有与芯子2的端口相适配的连接板13，连接板13上设有螺栓孔14；结晶器1为倒锥形，上缘直径为￠574mm，下缘直径为￠572mm，锥度为1:20，芯子2为锥形，上缘直径￠350mm，下缘直径为￠345mm，锥度为1:14，可有效防止冷却过程中抱死现象发生，结晶器1、芯子2均采用2A50锻造铝合金制成，使导热性更好，冷却效果更佳。

出水口7为尺寸为3mm的均布水孔，采用60°倾斜角，有效提高水流的流量，防止出现涡流，提高冷却效率；芯子水眼8采用机械均布钻孔，直径为6mm，采用30°倾斜角度设置，可以使冷却水均匀喷出，更好的配合结晶器冷却速率。

一种利用上述装置生产7xxx系铝合金大规格空心铸锭的工艺，包括如下步骤：

步骤A)铝合金熔炼： 将配好的重量百分比含量为50%-55%的7xxx系废料、Cu：2.1%-2.6%、Mg:1.9%-2.3%、Zn：7.7%-8.3%、Zr：0.09%-0.23%、Ti：≤0.05%，余量为Al的原材料使用电阻带热辐射加热的办法熔化为液态，Cu、Mg、Zn采用纯金属，Zr采用含量为3%的中间合金，Ti使用含量为5%的中间合金；

步骤B)化学成分调整：待铝合金熔体完全熔化，温度达到730-745℃后，进行化学成分分析，根据分析结果并参考GB/T3190-2008化学标准要求进行补料，调整化学成分；

步骤C)导炉：将化学成分调整合适的铝合金熔体导入静置炉进行精炼；

步骤D)精炼：采用K型电偶插入熔体中部进行测温，炉内温度为740-755℃时，开始精炼，同时通过精炼器通入比例为氮气:88%-92%，氯气：8%-12%的混合气体去除溶体中的夹渣物及气体，精炼20-25min，静置15 min后进行测氢，氢气含量控制在＜0.1ml/100gAl，测氢后静置50 min，打渣，得到精炼后的合金溶体；

步骤E)开车铸造：将结晶器1里的油污、水清理干净后进行铺底，铺底铝品位不低于Al99.85，温度不低于732℃，铺底厚度为20-25mm，待铺底铝边缘凝固20—40mm后，开始注入7xxx系铝合金熔体，并进行铺二次假底，同时冷却水从结晶器1的进水口15、芯子2的芯子进水口9分别进入水套6与结晶器1的外侧形成的冷却水腔和芯子2中，形成结晶器1、芯子2内外同时冷却的结构，铺底完成后将得到的精炼后合金溶体注入结晶器1，待熔体液面上升到距离结晶器1外沿30mm处时打开铸造机开关在铸造速度为25-30mm/min、铸造温度为750-760℃、铸造水压为0.11-0.15Mpa的条件下进行铸造，当铸锭铸造的头部金属凝固二分之一到三分之二后停水，并开快车下降，当铸锭铸造的头部距结晶器1下缘尚有0-10mm时停车,得到7xxx系铝合金大规格空心铸锭，大规格空心铸锭外径为￠535mm，内径为￠360mm。

本发明结晶器1和芯子2采用相同材质且导热性较好的2A50锻造铝合金制造，采用结晶器1、芯子2内外同时冷却的方法铸造成型，铸锭组织均匀性好，铸锭的铸造温度场形貌基本一致，铸锭组织呈现为与结晶器1和芯子2接触的表面细等轴晶和1/2-1/3壁厚处的柱状晶，由于壁厚较小，中心细等轴晶的分布范围很窄，相对于实心铸锭加工成型的铸锭强度及组织有显著优势，通过对铸造速度、铸造温度及铸造水压的控制，保证铸锭的铸造成型性，温度场分布均匀，内外冷却速率的一致性，防止因较大的内应力造成铸造裂纹的产生。

本发明可以缩短生产周期，铸锭实现自主生产，质量可控度高；另一方面能够突破成分复杂、成型难度较大的高合金化铸锭的半连续铸造成型技术，提升中国先进铝合金材料的研发水平，满足航空工业及国民经济其它领域对高强韧铝材的需求。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。