專利名稱：鋁帶坯電磁鑄軋技術(shù)與設(shè)備的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及鋁材加工領(lǐng)域。
現(xiàn)有的鋁板帶坯連續(xù)鑄軋工藝雖然比傳統(tǒng)的熔鑄-熱軋減少了工序，節(jié)約了能源，提高了產(chǎn)品成品率，但必須在鑄軋過程中添加適當?shù)淖冑|(zhì)劑細化晶粒，才能使鋁帶坯質(zhì)量、性能達到一般的使用要求；而鋁板帶坯的深沖性能仍難以滿足鋁材深加工的要求；而且由于添加變質(zhì)劑使某些高純鋁帶坯產(chǎn)生合金污染；同時鋁合金生產(chǎn)的品種也受到限制。
本發(fā)明的目的是針對上述現(xiàn)有技術(shù)的不足，而提供電磁鑄軋技術(shù)與設(shè)備，以實現(xiàn)無需在鑄軋過程中添加鋁鈦硼絲變質(zhì)劑，從而降低生產(chǎn)成本，消除合金污染；滿足鑄軋板帶的性能，尤其是深沖性能要求；并且擴大可鑄軋合金生產(chǎn)品種的范圍。
本發(fā)明的技術(shù)方案是設(shè)計安裝專用電磁感應(yīng)器，把磁場引入鑄軋區(qū)，通過供電控制系統(tǒng)，嚴格控制電磁場參數(shù)與其工藝參數(shù)相匹配，在鑄軋區(qū)中施加以行波磁場為主的組合交變磁場，沿軋輥軸線方向產(chǎn)生橢圓形磁勢，由此產(chǎn)生的電磁效應(yīng)使料嘴和鑄軋區(qū)的鋁液產(chǎn)生電磁流體行為，改變凝固結(jié)晶條件，強化(結(jié)晶-碎斷-攪拌-結(jié)晶)動態(tài)形核結(jié)晶過程；同時使熔體流場均勻、溫度場均勻，粗大的柱狀晶等軸細化，且由于電磁力的攪拌作用不斷改變晶核在生長過程中的晶粒位向，獲得接近無織構(gòu)取向的帶坯組織，從而全面改善和提高鑄軋板帶力學性能和冶金性能。
其主要參數(shù)為(1)磁場形態(tài)以行波磁場為主體含脈振磁場的復(fù)合交變磁場，沿軋輥軸線方向在鑄軋區(qū)中產(chǎn)生橢圓形磁勢；(2)磁場頻率頻率大小為10～18Hz，行波導(dǎo)向頻率為3～15Hz。數(shù)值大小隨合金品種與工藝參數(shù)作動態(tài)調(diào)節(jié)；(3)鋁熔體中通入直流電0.1～0.2A/cm2；(4)磁場強度通過單片機系統(tǒng)3控制勵磁電流模擬量的大小來控制磁場的強度0.025～0.04T；(5)前箱液面高度保持在14～16mm，高度波動范圍小于±2mm；(6)前箱熔體溫度為690～720℃；(7)鑄軋速度14.7～15.3mm/s，盡量調(diào)到鑄軋速度的上限；(8)嘴輥間隙供料嘴唇與軋輥間的間隙保持在0.5～0.7mm之間；(9)鑄軋帶坯厚度6～8mm；鑄嘴開口度4.5～5mm。
專用電磁感應(yīng)器主要由感應(yīng)元件、冷卻裝置等組成。線圈8、上鐵芯3、下鐵芯11構(gòu)成感應(yīng)元件上鐵芯3由垂直部分與水平部分相鉸接；下鐵芯11嵌在料嘴4的上端，由壓板2上兩排螺釘固定；帶鐵芯的線圈8橫向均勻分布在鑄軋機底盤下的托盤上，裝卸料嘴4和調(diào)整料嘴4與鑄軋輥1間隙時能隨底盤前后移動；環(huán)線圈8設(shè)置了冷卻水套7等構(gòu)成的冷卻裝置；由與鐵芯3鉸接的磁靴、不導(dǎo)磁的不銹鋼制作的壓板2、隔磁板5及防止鑄軋輥1與機架間漏磁的軸承座銅塊等組成隔磁裝置。在電磁感應(yīng)線圈8中通入交流電，鋁熔體通入直流電就形成了連續(xù)鑄軋的電磁場。
本發(fā)明鋁帶坯電磁鑄軋技術(shù)與設(shè)備的采用簡便地實現(xiàn)了一種高效新工藝將機械、電、磁、熱四種運動和能量同時引入鑄軋區(qū)，在極短的時間進行能量交換和金屬成形，且產(chǎn)品質(zhì)量高、設(shè)備簡單、操作方便、成本低、功能強、易控制、安全可靠、適合工業(yè)生產(chǎn)。
本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相此，其顯著效果是(1)在不用施加變質(zhì)劑的條件下晶粒細化效果良好，達到1級晶粒度組織，而且具有良好的冶金組織和力學性能；(2)由于不需施加變質(zhì)劑，不僅消除了變質(zhì)劑帶來的合金化污染，而且不存在變質(zhì)劑所固有的時效性，降低了生產(chǎn)成本；(3)由于交變磁場的橫向攪拌能將料嘴嘴唇前端的毛渣推出料嘴之外，消除了因嘴唇積淀毛渣而引起的通條缺陷；(4)擴大了可鑄軋合金的品種范圍；(5)由于能夠鑄軋出接近無織構(gòu)取向的帶坯，從而使鑄軋板帶的深沖性能取得突破性進展。取代傳統(tǒng)的熱軋板顯著降低生產(chǎn)成本。
簡言之，電磁鑄軋技術(shù)的以上優(yōu)點，說明它是一種高效、無毒、無害、無污染、成本低的新的鋁材加工工藝。
下面結(jié)合附圖作詳細的說明

圖1電磁鑄軋技術(shù)工藝流程示意圖；圖2電磁感應(yīng)器結(jié)構(gòu)示意圖；圖3供電控制系統(tǒng)原理圖；圖1描述了本發(fā)明電磁鑄軋技術(shù)的整個工藝過程。鑄軋過程是一個快速冷卻過程，其冷卻強度通常在100℃/s左右。鋁熔體流出料嘴，即與內(nèi)水冷卻的軋輥套接觸，溫度驟然下降，結(jié)晶前沿熔體的溫度梯度大，鑄軋帶坯在輥縫中的幾十毫米范圍內(nèi)于幾秒鐘的時間內(nèi)成型。由此可見，鑄軋帶坯的組織，表面質(zhì)量主要是由凝固前沿的冷卻區(qū)和鑄軋區(qū)中的鑄造區(qū)的狀況所決定。因此，本發(fā)明通過設(shè)計安裝了專用電磁感應(yīng)器，通過供電控制系統(tǒng)，控制電磁場參數(shù)與其工藝參數(shù)相匹配，把電磁場引入鑄軋區(qū)。使供料嘴和鑄軋區(qū)的鋁熔液產(chǎn)生電磁流體行為，保證所提供的電磁場適應(yīng)供液嘴和鑄軋區(qū)的空間幾何形狀各部分對電磁場強度、磁場形態(tài)和方向的不同要求，滿足連續(xù)流動鋁熔體在鑄軋區(qū)各個區(qū)域中凝固過程的需要。
圖2描述了電磁感應(yīng)器的結(jié)構(gòu)。它主要由感應(yīng)元件、冷卻裝置等組成。其工作原理類似于直線電機，感應(yīng)元件作為初級，鑄軋區(qū)中的鋁熔體為其次級；對感應(yīng)元件通入交流電，對熔體通入直流電，就形成了鋁電磁連續(xù)鑄軋的電磁場。線圈8、上鐵芯3、下鐵芯11構(gòu)成感應(yīng)元件上鐵芯3由垂直部分與水平部分相鉸接；下鐵芯11嵌在料嘴4的上端，由壓板2上兩排螺釘固定；帶鐵芯的線圈8橫向均勻分布在鑄軋機底盤下的托架上，裝卸料嘴4和調(diào)整料嘴4與鑄軋輥1間隙時能隨底盤前后移動；為防止熱幅射，同時利于導(dǎo)熱，環(huán)線圈8設(shè)置了冷卻水套7等構(gòu)成的冷卻裝置。為了防止漏磁，設(shè)計了導(dǎo)磁裝置，使電磁感應(yīng)器產(chǎn)生的磁通沿軋輥軸線方向在鑄軋區(qū)中產(chǎn)生橢圓形磁勢有效地通過鑄軋區(qū)中鋁熔體。導(dǎo)磁裝置由與鐵芯3鉸接的磁靴、不導(dǎo)磁的不銹鋼板制作的壓板2、隔磁板5及防止鑄軋輥1與鑄軋機架間漏磁的軸承座銅塊等組成。
圖3描述了本發(fā)明的供電控制系統(tǒng)的構(gòu)成及工作原理。為了在鑄軋區(qū)中產(chǎn)生有效的電磁場，除了具備電磁感應(yīng)器硬件裝備外，還必須給其配備適當?shù)墓╇娤到y(tǒng)的軟、硬件裝備。該系統(tǒng)包括交-交變頻器1及單片機控制系統(tǒng)3，交-交變頻器1屬低頻變頻系統(tǒng)；它把工頻電源變?yōu)樗璧牡皖l電源供給感應(yīng)器負載線圈8；單片機控制系統(tǒng)3根據(jù)電磁鑄軋工藝的要求，設(shè)置了一個信號發(fā)生器4，控制交-交變頻器觸發(fā)脈沖的發(fā)送與封鎖；并輸出所需的信號給交-交變頻器1，完成對鑄軋磁場頻率的大小、相位、方向、強度和磁場頻率切換及切換周期等進行調(diào)節(jié)與控制。
實施例在φ650×1600mm標準型Hunter鑄軋機上實施本發(fā)明的全套技術(shù)。電磁感應(yīng)器放置在傳統(tǒng)鑄軋機供料嘴上下兩側(cè)盡量伸入到鑄軋區(qū)中，使其負載線圈8在供電時能在鑄軋區(qū)凝固前沿產(chǎn)生足夠強的行波磁場。供電控制系統(tǒng)調(diào)控磁場的頻率與強度等參數(shù)。試驗材料選擇易產(chǎn)生粗大晶粒的L2、L4工業(yè)純鋁，鋁液分為正常料和悶爐料兩種狀態(tài)。立板成功后，在鑄軋輥套通入冷卻水，使水壓穩(wěn)定在4.0～4.2×105Pa之間，控制前箱液面高度為15～16mm，其它工藝參數(shù)和條件如下鑄軋區(qū)磁場強度為0.025～0.030T，行波磁場導(dǎo)向頻率為6～7Hz，前箱熔體通電電流為70A，磁場頻率為12～13Hz，前箱熔體溫度為690～720℃，鑄軋速度為14.7～15.3mm/s，帶坯厚度為7.2mm，帶坯寬度為1060mm，冷卻水進水溫度為14℃，出水溫度為23℃。通過供電控制系統(tǒng)，嚴格控制電磁場參數(shù)與其工藝參數(shù)相匹配，鑄軋出合格帶坯。然后軋成各種規(guī)格的成品板和鋁箔，為用戶正常使用。
實驗結(jié)果表1鑄軋效果對比
系列試驗此較了電磁鑄軋板坯樣與傳統(tǒng)的施加鋁鈦硼絲樣以及空白樣。結(jié)果表明(1)鑄軋L2正常爐料時，未施加電磁場的空白樣表面低倍金相呈粗大的條狀晶組織，5級晶粒度；施加電磁場后晶粒顯著等軸細化，達到1級晶粒度。
(2)鑄軋L4正常料時，未施加電磁場的空白樣表面低倍金相為粗大的羽毛狀晶組織，4級晶粒度；施加電磁場后同樣得到良好的晶粒細化效果，晶粒度達到1級，與添加進口鋁鈦硼絲的晶粒細化效果相當。
(3)鑄軋L4悶爐料時(熔體在爐內(nèi)停留時間超過72小時)，未施加電磁場的空白樣表面低倍金相為粗大的柱狀晶組織，5級晶粒度，同時存在大量的馬蹄形裂紋；施加電磁場后，全部為細小的等軸晶組織，晶粒度達到1～2級，馬蹄形裂紋消失。
表2 L2鑄軋帶坯力學性能
表3 L4鑄軋帶坯力學性能
對以上三種鑄軋條件下的帶坯進行力學性能檢測表明空白樣的力學性能差，各向異性嚴重。電磁鑄軋帶坯的力學性能明顯優(yōu)于前者，在0°、45°、90°三個檢測方向上的拉伸強度最大相差僅1.8～3％(空白樣最大為8.7～12％)，延伸率最大相差為9～17％(空白樣最大為24～47％)，與添加進口鋁鈦硼絲的鑄軋帶坯相當。
表4冷軋至1.0mm硬狀態(tài)L2鋁板的力學性能
經(jīng)過1.0mm成品板取樣進行沖杯試驗表明硬狀態(tài)下電磁鑄軋板與添加鋁鈦硼絲的鑄軋板相當，制耳率為13～14.5％。
表5冷軋至1.0mmL2鋁板軟狀態(tài)沖杯試驗
而在相同的退火條件(360℃,60min)的軟狀態(tài)下，電磁鑄軋板的制耳率為3.2％，添加鋁鈦硼絲鑄軋板的制耳率為10％。由此可見，電磁鑄軋板帶在軟狀態(tài)下的深沖性能高于施加鋁鈦硼絲的鑄軋板帶。
表6厚度為0.5mm的L4鋁板力學性能
試驗分析與測試結(jié)果證明電磁鑄軋帶坯具有良好的冶金組織和力學性能。
權(quán)利要求
1．鋁帶坯電磁鑄軋技術(shù)與設(shè)備涉及鋁材加工領(lǐng)域，其特征是安裝專用電磁感應(yīng)器，把磁場引入鑄軋區(qū)，通過供電控制系統(tǒng)，嚴格控制電磁場參數(shù)與其工藝參數(shù)相匹配，在鑄軋區(qū)中施加以行波磁場為主的組合交變磁場，沿軋輥軸線方向產(chǎn)生橢圓形磁勢，由此產(chǎn)生的電磁效應(yīng)使料嘴和鑄軋區(qū)的鋁液產(chǎn)生電磁流體行為，改變凝固結(jié)晶條件，強化(結(jié)晶-碎斷-攪拌-結(jié)晶)動態(tài)形核結(jié)晶過程；同時使熔體流場均勻、溫度場均勻，粗大的柱狀晶等軸細化，且由于電磁力的攪拌作用不斷改變晶核在生長過程中的晶粒位向，獲得接近無織構(gòu)取向的帶坯組織，從而全面改善和提高鑄軋板帶力學性能和冶金性能。其主要參數(shù)為(1)磁場形態(tài)以行波磁場為主體含脈振磁場的復(fù)合交變磁場，沿軋輥軸線方向在鑄軋區(qū)中產(chǎn)生橢圓形磁勢；(2)磁場頻率頻率大小為10～18Hz，行波導(dǎo)向頻率為3～15Hz。數(shù)值大小隨合金品種與工藝參數(shù)作動態(tài)調(diào)節(jié)；(3)鋁熔體中通入直流電0.1～0.2A/cm2；(4)磁場強度通過單片機系統(tǒng)3控制勵磁電流模擬量的大小來控制磁場的強度0.025～0.04T；(5)前箱液面高度保持在14～16mm，高度波動范圍小于±2mm；(6)前箱熔體溫度為690～720℃；(7)鑄軋速度14.7～15.3mm/s，盡量調(diào)到鑄軋速度的上限；(8)嘴輥間隙供料嘴唇與軋輥間的間隙保持在0.5～0.7mm之間；(9)鑄軋帶坯厚度6～8mm；鑄嘴開口度4.5～5mm。
2．實現(xiàn)權(quán)利要求1所述的鋁帶坯電磁鑄軋技術(shù)的專用電磁感應(yīng)器主要由感應(yīng)元件、冷卻裝置等組成，其特征在于線圈8、上鐵芯3、下鐵芯11構(gòu)成感應(yīng)元件上鐵芯3由垂直部分與水平部分相鉸接；下鐵芯11嵌在料嘴4的上端，由壓板2上兩排螺釘固定；帶鐵芯的線圈8橫向均勻分布在鑄軋機底盤下的托盤上，裝卸料嘴4和調(diào)整料嘴4與鑄軋輥1間隙時能隨底盤前后移動；環(huán)線圈8設(shè)置了冷卻水套7等構(gòu)成的冷卻裝置；不銹鋼制作的壓板2、隔磁板5及防止鑄軋輥1與機架間漏磁的軸承座銅塊等組成。在電磁感應(yīng)線圈8中通入交流電，鋁熔體通入直流電就形成了連續(xù)鑄軋的電磁場。
全文摘要
鋁帶坯電磁鑄軋技術(shù)與設(shè)備涉及鋁材加工領(lǐng)域,其特征是:安裝專用電磁感應(yīng)器,把磁場引入鑄軋區(qū),通過供電控制系統(tǒng),嚴格控制電磁場參數(shù)與其工藝參數(shù)相匹配,在鑄軋區(qū)中施加以行波磁場為主的組合交變磁場,沿軋輥軸線方向產(chǎn)生橢圓形磁勢,由此產(chǎn)生的電磁效應(yīng)使料嘴和鑄軋區(qū)的鋁液產(chǎn)生電磁流體行為,改變凝固結(jié)晶條件,全面改善和提高鑄軋板帶力學性能和冶金性能。
文檔編號B22D27/02GK1225297SQ9810247
公開日1999年8月11日 申請日期1998年6月30日 優(yōu)先權(quán)日1998年6月30日
發(fā)明者鐘掘, 毛大恒, 肖立隆, 丁道廉, 郭士安, 趙嘯林, 馬繼倫, 蔡首軍, 陳際達, 陳欠根, 張學平, 李鐵, 廖力清, 嚴宏志, 張生芳 申請人:中南工業(yè)大學, 西北鋁加工廠