一种用于制备宽幅连铸连轧铝合金板材的装置及方法

1.本发明涉及一种用于制备宽幅连铸连轧铝合金板材的装置及方法，具体涉及一种利用多源超声波辅助强化高通量铝液均质化的装置及方法，属于金属材料冶金加工技术领域。


背景技术：

2.连铸连轧工艺生产铝及铝合金板带材因具有流程短、金属收得率高、节能降耗、便于实现机械化和自动化等优势而受到世界各国的重视。目前，连铸连轧工艺集中在轧制板材、带材中得到应用，但还只局限于1xxx铝合金和部分3xxx、5xxx和8xxx铝合金，且由于连铸连轧铝液流速大，易造成铸嘴堵塞和成分偏析，使铸坯微观组织中晶粒粗化，而且由于生产过程中没有二次处理措施，造成最终板带材的表面质量较差。
3.晶粒尺寸和成分偏析率是决定连铸连轧板带材质量的关键因素，目前工业上通常利用添加细化剂的方法细化晶粒，但细化剂成本较高，且在高速流动下极易沉淀，不能产生较好的细化效果，反而造成严重偏析。因此，铝合金熔体预处理对后续连铸连轧过程中晶粒尺寸细化、改善铸板成分偏析、提高其力学性能和扩展其应用范围尤为重要。


技术实现要素：

4.针对目前铝合金板带材连铸连轧工艺中存在铝合金板带材中晶粒粗大、溶质偏析和表面质量差的问题，本发明的第一个目的是在于提供一种用于制备宽幅连铸连轧铝合金板材的装置，该装置通过设置多源超声辅助实现铝液连续铸造过程中的除气除杂、细化晶粒以及强化均质化，可以有效细化铝合金的微观凝固组织，降低溶质元素和细化剂偏析程度，改善铸嘴堵塞的现象，提升连铸所得铸坯板的质量，特别适用于高流速铝液的高通量连续铸造铝合金板带材的过程。
5.本发明的第二个目的是在于提供一种制备宽幅连铸连轧铝合金板材的方法，该方法是基于上述装置实现，该装置利用多源超声来辅助铝液的除气除杂、细化晶粒以及强化高通量铝液均质化过程，可以有效细化铝合金的微观凝固组织，降低溶质元素和细化剂偏析程度，提升连铸板带材的质量。
6.为了实现上述技术目的，本发明提供了一种用于制备宽幅连铸连轧铝合金板材的装置，该装置包括依次串联的熔炼炉、流槽i、除气箱、流槽ii、过滤箱、流槽iii、蝴蝶结形前箱和双带连铸机；所述流槽i入口端设有超声杆
①
；所述流槽ii出口端设有超声杆
②
；所述蝴蝶结形前箱入口端两侧设有超声杆
③
和超声杆
④
，中央设有超声杆
⑤
，出口端两侧设有超声杆
⑥
和超声杆
⑦
。
7.本发明的装置通过在铝液进行熔融、除气、过滤和均质化预处理等过程中的各个关键位置点，包括熔炼炉出口(细化剂添加位置)，过滤箱入口位置以及蝴蝶结前箱内等设置超声杆，利用超声作用辅助除气除杂、细化晶粒以及强化均质化等过程，能够有效细化铝合金的微观凝固组织，降低溶质元素和细化剂偏析程度，改善铸嘴堵塞的现象，提升连铸所
得铸坯板的质量。超声杆
①
设置在流槽i入口，主要是用于细化剂的分散，由于altib晶粒细化剂密度大，且难溶于铝液，添加至铝液中易沉降于铝液底部，分散难度大，而通过施加超声能够有效分散细化剂的团聚，且控制超声杆的位置位于3/4～5/6处(铝液下部)，可进一步降低细化剂的沉降，促进细化剂均匀分散于铝液。超声杆
②
设置在流槽ii出口端，主要是基于流槽有一定的长度，在流向过滤箱的过程中高比表面能的细化剂会重新聚合以降低能量，因此，在过滤箱入口施加超声能够进一步将细化剂颗粒分散成能通过滤网的尺寸(避免阻塞滤网)，增加熔体中可形核位点的比例。蝴蝶结形前箱入口端两侧设有超声杆
③
和超声杆
④
，中央设有超声杆
⑤
，出口端两侧设有超声杆
⑥
和超声杆
⑦
，主要是利用蝴蝶结形前箱的特殊结构并配合特殊位置点的超声杆设置，能够通过特殊的蝴蝶结形貌箱体来改变铝液流动状态以及利用超声流的辅助强化搅拌混合，促进铝液均质化，减少铸嘴堵塞的概率，同时均质化的铝液有利于后续获得高质量的铸造铝板材或带材。综上所述，通过在整个装置的关键点位置设置超声杆能够强化铝合金熔液的均质化，从而有利于获得高品质的宽幅连铸连轧铝合金板材。
8.本发明利用超声外场辅助强化高通量铝液预处理，在超声空化作用下空化泡产生振动、生长、崩溃闭合的动力学过程，对铝合金熔体进行除气；利用空化泡溃灭产生的高温高压改变熔池内的温度分布，加速热传递，且能够有效去除已形核晶粒或异质颗粒表面惰性气体的包覆，增加有效的形核位点，提供有利的形核条件，使晶粒细化；同时，超声产生的声流作用能够对铝液起搅拌作用，使铝液中的溶质和细化剂均匀分布，减少溶质偏析，最终使铸坯板凝固组织更加细化均匀，改善各向异性，从源头上减少轧板的缺陷，显著提高铝合金铸轧产品的质量，提高短流程连铸连轧铝合金板材的生产效率。
9.作为一个优选的方案，所述超声杆
①
垂直插入流槽i内液面下，由于细化剂添加位置细化剂颗粒呈团聚状态且由于重力作用易于沉降到液面底部，因此此位置超声需要置入一定深度且功率需足够大才能有效分散细化剂颗粒并避免其沉降。基于此，超声插入深度为流槽i内液面高度的3/5～5/6，超声功率设定为3.5kw～5kw。超声杆
①
的插入深度进一步优选为流槽i内液面高度的4/5。
10.作为一个优选的方案，所述超声杆
②
垂直插入流槽ii内液面下，由于过滤箱滤网有一定尺寸，当细化剂颗粒团聚较大时将难以通过过滤箱，造成后续熔体中的有效形核位点减少，因此过滤箱入口位置需要进一步施加超声，由于细化剂添加位置已施加超声，此位置细化剂颗粒已部分分散。基于此，此位置超声置入深度和功率可适当降低，具体为插入深度为距流槽ii内液面的1/3～2/3(最优选为1/2)处，超声功率设定为3kw～4kw。
11.本发明的超声杆
①
和超声杆
②
的超声功率与插入铝液深度依据铝液特性进行匹配设计，有利于铝液达到均质化。
12.作为一个优选的方案，所述蝴蝶结形前箱具有蝴蝶结形结构，沿长度方向入口端和出口端的宽度较中间的宽度宽，长宽比为1.2～2.5，长度不小于2.5m，蝴蝶尾角度范围为45
°
～75
°
。将铝液进入双带连铸机的前箱设计成蝴蝶结形，可实现铝液在渐缩型前箱中回旋进入尺寸较小的蝴蝶结中部，并在中央超声杆作用下，实现铝液的强化均质化。
13.作为一个优选的方案，所述超声杆
③
、超声杆
④
、超声杆
⑤
、超声杆
⑥
和超声杆
⑦
垂直插入蝴蝶结形前箱内液面下，其中，超声杆
③
和超声杆
④
插入深度为蝴蝶结形前箱内液面高度的1/3～3/4(最优选为2/3)，超声杆
⑤
插入深度为蝴蝶结形前箱内液面高度的1/3
～2/3(最优选为1/2)，超声杆
⑥
和超声杆
⑦
插入深度为蝴蝶结形前箱内液面高度的1/2～3/4(最优选为2/3)，超声杆
③
和超声杆
④
的超声功率设定为1kw～2kw；超声杆
⑤
的超声功率设定为2kw～3kw；超声杆
⑥
和超声杆
⑦
的超声功率设定为3kw～5kw。蝴蝶结形前箱中液面高度较流槽降低，且液流方式发生变化，需依据铝液的流动方向设置梯度分布变功率的超声场。在前箱入口位置，施加双源超声
③
和
④
对铝液进行搅拌，超声功率不需太大，为防止溶质元素沉降(由于钛极难溶于铝液，此处的铝液还还含有一定的钛，需加超声强化其扩散)，且需置入较深位置(钛的密度大)；在前箱中间位置，由于尺寸缩小，液流自身存在回旋，此处再施加单源超声进行搅拌，置入深度相对入口位置可降低，而单源功率需增大；在前箱出口位置即铸嘴入口，由于铸嘴尺寸相对前箱急剧减少，铝液流速急剧提高，因此此处施加双源超声
⑥
和
⑦
，需提高功率并置入较深位置防止溶质元素的沉降从而避免铸嘴堵塞。最终，在超声搅拌和重力双重作用下，不同粒径的细化剂颗粒在铝液中从上向下梯次分步，利用超声强度与颗粒粒径的匹配关系，梯次布局超声杆并设置其合理的置入深度和功率，达到梯次强化不同粒径颗粒分散的效果。
14.本发明还提供了所述的装置用于制备宽幅连铸连轧铝合金板材的方法，该方法是铝合金在熔炼炉熔融成铝液，所述铝液先流经流槽i进入除气箱进行除气处理，再流经流槽ii进入过滤箱进行除渣处理，再流经流槽iii进入蝴蝶结形前箱进行强化均质处理，最后进入双带连铸机进行连续铸造，得到铝合金坯板。
15.作为一个优选的方案，所述铝液中加入细化剂，所述细化剂的粒度为10nm～50μm，添加量占铝液质量的0.05～0.30％。所述细化剂为铝合金铸造过程中常规使用的细化剂，例如铝-钛-硼合金。细化剂一般在铝合金熔融后立即加入。
16.作为一个优选的方案，所述铝液的流速控制在50～300mm/s。
17.作为一个优选的方案，所述铝液在流槽i和流槽ii中的液面高度为20cm～50cm，在蝴蝶结形前箱中的液面高度为10cm～25cm。
18.作为一个优选的方案，所述蝴蝶结形前箱的温度控制在686℃～696℃。适当的温度能够保证铝液的流动性。
19.本发明得到铝合金坯板宽度为300～2500mm，厚度15～35mm。
20.本发明的铝合金的主要合金元素为fe、si和mn。
21.本发明的超声杆
①
～
①
由外部超声振动系统提供，所述包括超声振动系统包括超声电源、超声换能器、变幅杆及辐射杆(超声杆)，超声电源输出功率为1～5kw，振动频率为15～30khz，所述辐射杆的长度为500～600mm，直径为30～50mm。
22.相对现有技术，本发明技术方案带来的有益技术效果：
23.本发明技术方案提供的用于制备宽幅连铸连轧铝合金板材的装置及方法，通过采用多源超声来辅助铝液的除气除杂、细化晶粒过程以及强化高通量铝液均质化，能够达到有效细化铝合金的微观凝固组织，降低溶质元素和细化剂偏析程度，改善铸嘴堵塞的现象，提升连铸所得铸坯板的质量的目的，特别适用于流速高的铝液的高通量连续铸造过程。
24.本发明技术方案在铝液的预处理过程中利用声流作用能够加速铝液的传质和传热过程，促进合金元素和细化剂均匀分布，有利于改善偏析，同时，粗颗粒的铝钛硼细化剂在铝液中易沉降于底部，细颗粒细化剂易团聚，导致细化剂分散效果差，而利用超声空化效应，存在于铝液中的微细颗粒在超声场作用下会产生高频振动，增大颗粒与铝液的接触概
率。
25.本发明技术方案将铝液进入双带连铸机的前箱设计成蝴蝶结形，可使得铝液在渐缩型前箱中回旋进入尺寸较小的蝴蝶结中部，同时通过在蝴蝶结形前箱中设置梯度分布变功率超声场，在超声搅拌和重力的作用下，不同粒径的细化剂颗粒在铝液中从上向下梯次分步，利用超声强度与颗粒粒径的匹配关系，梯次布局超声杆并设置其合理的置入深度和功率，达到梯次强化不同粒径颗粒分散的效果，能够强化细化剂及铝液的均质化。
26.本发明技术方案制备的铝合金坯板宽度为300～2500mm，厚度15～35mm，且铸板平均晶粒尺寸降低至110μm以下，晶粒细化效率≥40％，伸长率≥40％，强度≥85mpa。
附图说明
27.图1为用于制备宽幅连铸连轧铝合金板材的装置及超声杆分布示意图。
具体实施方式
28.以下具体实施例旨在进一步详细说明本发明内容，而不是限制权利要求的保护范围。
29.本发明提供了一种多源超声波辅助连铸连轧制备铝合金板带的方法，包括以下步骤：以1030b铝合金为原料，其在电阻炉熔化的同时加入altib晶粒细化剂，添加量为原料的0.05～0.30％，熔体后经精炼及除气除杂后通过自导流槽流入蝴蝶结形前箱中；熔体在铸造模腔中进行凝固和拉坯，拉坯开始后，在前箱内施加超声振动系统，在连铸结束前将超声振动系统移除，继续拉坯至连铸完成，得到高通量1030b铝合金铸坯板。预处理系统包括依次串联的熔炼炉、流槽i、除气箱、流槽ii、过滤箱、流槽iii、蝴蝶结形前箱。
30.本发明的铝合金坯板性能测试方法按照行业标准进行测试。
31.实施例1
32.将功率超声杆依次梯度布置于预处理系统中，其中，超声杆
①
垂直插于熔炼炉出口(细化剂加入点)铝液中，置入深度位于距离铝液表面4/5深度处，超声功率为4kw；超声杆
②
垂直插于过滤箱入口铝液中，置入深度位于距离铝液表面1/2深度处，超声功率为3.5kw；超声杆
③
、
④
、
⑤
、
⑥
、
⑦
依次垂直插于蝴蝶结形前箱铝液中，超声杆
③
和
④
位于蝴蝶结形前箱的入口端，置入深度位于距离铝液表面2/3深度处，超声功率为1.5kw；超声杆
⑤
位于蝴蝶结形前箱正中间处，置入深度位于距离铝液表面1/2深度处，超声功率为2kw；超声杆
⑥
和
⑦
位于蝴蝶结形前箱出口处(铸嘴入口处)，置入深度位于距离铝液表面2/3处，超声功率为4kw。铸机前箱为蝴蝶结形，长宽比为2，长度不小于2.5m，蝴蝶尾角度范围为45
°
；前箱温度690℃。铝液主要合金元素为fe、si和mn；细化剂为铝、钛、硼的合金，粒度为20μm，添加量占铝液质量的0.2％；铝液流速100mm/s。辐射杆的长度为570mm，直径为50mm。铝合金铸坯板宽度为2080mm，厚度19mm。流槽中铝液的深度为40cm，蝴蝶结形前箱中铝液的深度为25cm。
33.连铸完成后，移除超声系统，所得铸板记为超声铸板#1。经过超声处理后，铸板平均晶粒尺寸降低至95μm，晶粒细化效率达45％，伸长率为40％，强度为85mpa。
34.实施例2
35.熔体预处理系统和熔炼过程与实施例1相同，仅超声处理参数和布控方式改变，具体实施方式如下：将功率超声杆依次梯度布置于预处理系统中，其中，超声杆
①
垂直插于熔
炼炉出口(细化剂加入点)铝液中，置入深度位于距离铝液表面3/5处，超声功率为5kw；超声杆
②
垂直插于过滤箱入口铝液中，置入深度位于距离铝液表面1/2深度处，超声功率为4kw；超声杆
③
、
④
、
⑤
、
⑥
、
⑦
依次垂直插于蝴蝶结形前箱铝液中，超声杆
③
和
④
位于蝴蝶结形前箱的入口端，置入深度位于距离铝液表面1/3深度处，超声功率为2kw；超声杆
⑤
位于蝴蝶结形前箱正中间处，置入深度位于距离铝液表面1/2深度处，超声功率为3kw；超声杆
⑥
和
⑦
位于蝴蝶结形前箱出口处(铸嘴入口处)，置入深度位于距离铝液表面2/3深度处，超声功率为4kw。铸机前箱为蝴蝶结形，长宽比为2，长度不小于2.5m，蝴蝶尾角度范围为60
°
；前箱温度690℃。铝液主要合金元素为fe、si和mn；细化剂为铝、钛、硼的合金，粒度为20μm，添加量占铝液质量的0.25％；铝液流速120mm/s。超声振动系统包括超声电源、超声换能器、变幅杆及辐射杆，超声电源输出功率为1～5kw，振动频率为20khz，所述辐射杆的长度为570mm，直径为50mm。铝合金铸坯板宽度为2080mm，厚度19mm。流槽中铝液的深度为40cm，蝴蝶结形前箱中铝液的深度为28cm。
36.连铸完成后，移除超声系统，所得铸板记为超声铸板#2。经过超声处理后，铸板平均晶粒尺寸降低至105μm，晶粒细化效率达40％，伸长率为35％，强度为80mpa。
37.对比例1
38.与实施例1的唯一不同点在于：细化剂加入点不加超声杆
①
：
39.其他条件和实施例1相同：所得铝合金铸板记为普通铸板#1。铸板的平均晶粒尺寸为130μm，伸长率为18％，强度为65mpa。
40.对比例2
41.与实施例1的唯一不同点在于：过滤箱入口不加超声杆
②
：
42.其他条件和实施例1相同，所得铝合金铸板记为普通铸板#2。铸板的平均晶粒尺寸为120μm，伸长率为26％，强度为72mpa。
43.对比例3
44.与实施例2的唯一不同点在于：蝴蝶结形前箱中不加超声杆
③
～
⑦
：
45.其他条件和实施例2相同，所得铝合金铸板记为普通铸板#3。铸板的平均晶粒尺寸为135μm，伸长率为25％，强度为75mpa。
46.对比例4
47.与实施例2的唯一不同点在于：预处理系统不加超声杆
①
～
⑦
：
48.其他条件和实施例2相同，所得铝合金铸板记为普通铸板#4。铸板的平均晶粒尺寸为140μm，伸长率为16％，强度为55mpa。
49.对比例5
50.与实施例1的唯一不同点在于：预处理系统中蝴蝶形前箱为梯形前箱：
51.其他条件和实施例1相同，所得铝合金铸板记为普通铸板#5。铸板的平均晶粒尺寸为125μm，伸长率为35％，强度为68mpa；明显低于实施例1中的强度指标。
52.对比例6
53.与实施例1的唯一不同点在于：蝴蝶结前箱中超声杆置入深度均为距铝液表面的1/2处，超声处理功率均为2kw，其他条件和实施例1相同，所得铝合金铸板记为超声铸板#6。铸板的平均晶粒尺寸为115μm，晶粒细化率达42％，伸长率为36％，强度为78mpa。明显低于实施例1中的强度指标。
54.以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，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，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。