一种铝合金板带坯的连续铸轧方法与流程

本发明属于铝合金轧制，具体是涉及一种铝合金板带坯的连续铸轧方法。

背景技术：

1、连续铸轧是将铝合金液直接浇注到两个相对旋转且被水冷却的轧辊的辊缝，铝合金液被冷却、铸造和轧制成板带坯，板带坯最后再冷轧成板带。连续铸轧属于短流程成形技术，实现了铸造和轧制的连续化生产，省去了铸锭和热轧工序，有利于降低铝合金板带材的生产成本。同时还有设备少，占地小，维护简单，投资小，见效快的特点，成为铝合金板带生产的重要技术。目前连续铸轧已广泛应用低合金化的1系、3系、4系、5系、8系铝合金板带材的生产。

2、公布号为cn116200618a的专利申请公开了一种连续铸轧8079合金高强度高延伸率铝箔的制备方法，铝箔由以下质量百分数的成分组成：si?0.25-0.30％、fe?0.80-0.85％、cu?0.013-0.016％、ti?0.015-0.022％，余量为al。制备方法包括配料装炉、喷粉精炼、扒渣后静置保温、除气、过滤、连续铸轧、冷轧工、成品切边、检验成、包装。该申请通过调整成分、冷轧道次和退火工艺，改善了0.22mm铝箔坯料的成品性能和内部组织，提高了0.006mm铝箔成品的抗拉强度和延伸率。

3、公布号为cn116809878a的专利申请公开了一种基于多源超声辅助提质的铝合金板材连续铸轧方法，包括以下步骤：s1、预处理阶段：通过预处理装置对铝合金进行预处理，预处理阶段的工序从上游向下游依次包括熔融、添加细化剂、除气、除渣和强化均质处理；预处理阶段还包括多个超声处理节点；s2、连续铸轧阶段：采用双带连铸机进行连续铸轧，得到铝合金坯板。该申请本通过超声辅助铝液除气、除杂、细化晶粒过程以及强化均质化过程，改善偏析和铸嘴堵塞的问题。

4、公布号为cn115213250a的专利申请公开了一种连续铸轧法生产的ctp彩印版基用铝带及其制造方法，包括以下步骤：熔炼、连续铸轧、粗轧、中间低温退火、中轧、风机吹扫冷却、纵剪切边、成品精轧、拉矫清洗。铝带的成分包括：si?0.01-0.09％，fe?0.35-0.55％，cu0.001-0.005％，mn?0.001-0.005％，mg?0.1-0.3％，zn?0.005-0.01％，ti?0.01-0.06％，ni0.001-0.005％，ga?0.001-0.020％，余量为al。该申请得到的材料具有强度高、版型佳、表面划伤少、耐烤版热软化性强的特点。

5、公布号为cn110184486a的专利申请公开了一种薄板坯连续铸轧生产高性能铝合金板带材的方法，该方法先精炼铝合金熔体，采用表面有纳米石墨涂层润滑的水冷铸辊对其进行双辊式薄板坯连续铸轧，获得连续铸轧薄板坯；进行热平整、补热均温处理、保温、开卷进行热精轧。该申请省去传统铸锭热轧开坯法的半连续铸造、铣面、均匀化热处理、热粗轧、中间退火等工序，铝合金板带成材率明显提高20％以上，生产周期由原来的20天缩短到0.5天左右，生产效率显著提高。

6、公布号为cn103215480a的专利申请公开了一种4343铝合金板的铸轧生产方法，在进行配料熔后，对流动的铝合金熔体进行变质处理，变质处理后直接进入铸轧机组中进行铸轧，调整冷却水压力在0.2-0.4mpa，铸轧速度控制在0.6-0.8m/min，保证铸轧速度与结晶速度相匹配，立板完成后，将铝合金板送入到卷取处，即出成品4343铝合金板。该申请克服了传统生产工艺需要半连续铸造和热轧存在的工艺复杂，生产成本高的问题，为4343铝合金的工业生产提供了一条新途径。

7、铸轧铝合金板带坯是后续冷轧铝合金板带的原材料，其质量直接决定了后续冷轧铝合金板带的成材率和性能。从生产实践和文献资料检索结果来看，现有铝合金板带坯的连续铸轧仍然存在以下一个或几个问题：首先是现有连续铸轧只能生产低合金化的铝合金板带坯，尚无法生产高合金化的铝合金板带坯，这极大限制了连续铸轧技术的应用范围。其次是现有连续铸轧铝合金板带坯的塑性仍旧偏低，导致后续不得不经过多道次的退火才能冷轧成薄板带，增加了生产成本。最后是现有连续铸轧铝合金板带坯都存在边部裂纹，经后续冷轧后边部裂纹进一步扩大，最终导致切边量大，极大影响了成材率。因此，现有铝合金板带坯的连续铸轧方法仍有待改进和发展。

技术实现思路

1、本发明的目的在于针对上述存在问题和不足，提供一种铝合金板带坯的连续铸轧方法，通过对铝合金液进行炉内炉外双级除气除渣处理，大幅提高铝合金液的洁净度，消除气孔和夹杂物对铝合金板带坯强度和塑性的危害，并通过高能超声辅助连续铸轧，细化铝合金板带坯的晶粒，提高组织成分均匀性，解决了连续铸轧无法生产高合金化铝合金板带的问题和铝合金板带坯边部开裂的问题，提高了连续铸轧铝合金板带坯的塑性和成材率。

2、本发明的技术方案是这样实现的：

3、本发明所述铝合金板带坯的连续铸轧方法，其特点是，依次包括以下步骤：

4、步骤一：按照铝合金板带坯的成分组成及质量百分比熔炼配制铝合金液；

5、步骤二：采用惰性气体和精炼剂对熔炼炉内的铝合金液喷吹精炼进行除杂处理；

6、步骤三：通过熔炼炉底部安装的透气砖向铝合金液通入惰性气体进行精炼除气处理；

7、步骤四：将熔炼炉内的铝合金液导入流槽，然后向流槽内的铝合金液加入晶粒细化剂进行在线晶粒细化处理；

8、步骤五：将经过晶粒细化处理的铝合金液流过设置在流槽上的除气箱进行在线除气处理；

9、步骤六：将除气箱除气后的铝合金液流过设置在流槽上的深床过滤箱进行在线过滤除杂处理；

10、步骤七：通过倾斜式铸轧机在高能超声波振动条件下，将铝合金液连续铸轧成铝合金板带坯。

11、作为优选地，所述步骤一中熔炼配制铝合金液时，熔炼炉的加热温度为730-760℃。

12、熔炼配制铝合金液是根据铝合金板带坯的成分组成及质量百分比，选用纯金属锭或合金锭作为原材料，经计算和称量后，将原材料投入到熔炼炉内加热熔化成铝合金液。熔炼炉的加热温度不宜太高，否者会增加铝合金液的氧化烧损。加热温度也不宜太低，否者生产效率会太低。熔化成铝合金液后，需要对铝合金液进行搅拌使其成分均匀，再对铝合金液进行取样并通过直读光谱仪检测样品的成分，如果铝合金液的成分组成及质量百分比不符合铝合金板带坯的成分组成及质量百分比，还需要添加纯金属锭或合金锭对铝合金液的成分组成及质量百分比进行调整，直至铝合金液的成分组成及质量百分比符合铝合金板带坯的成分组成及质量百分比为止。

13、作为优选地，所述步骤二中惰性气体为纯度≥99.99％的氩气，精炼剂的用量为铝合金液重量的0.1-0.2％，喷吹精炼时铝合金液的温度为720-730℃，喷吹精炼时间为15-25分钟。

14、铝合金液熔炼过程中不可避免会混合各种夹杂物，包括原材料表面的氧化铝膜和熔炼过程中铝合金液氧化产生的氧化铝，以及非铝物料的燃烧产物和炉衬脱落的碎渣等。这些夹杂物如果留在铝合金板带坯内，会割裂铝合金板带坯的铝基体，破坏铝合金板带坯的组织连续性，使局部产生应力集中，成为铝合金板带坯断裂的裂纹源和裂纹扩展方向，最终降低铝合金板带坯的强度和塑性，并导致铝合金板带坯边部开裂。因此，为了提高铸轧铝合金板带坯的强度和塑性，减少或消除铝合金板带坯的边部裂纹，首先必须提高铝合金板带坯的纯净度。

15、喷吹精炼除杂处理是采用喷粉罐和金属管，用惰性气体为载体，将粉末状的精炼剂喷吹进入到铝合金液中，使精炼剂与铝合金液充分接触反应，然后将铝合金液中的夹杂物带出铝合金液。喷吹精炼的除杂效果与惰性气体的纯度、精炼剂的用量、精炼剂的质量、铝合金液的温度和喷吹精炼时间等工艺参数有关。惰性气体的纯度越高，精炼剂的用量越大，精炼剂的质量越好，喷吹精炼时间越长，喷吹精炼的除杂效果越好，但相应的也会增加生产成本，特别是铝合金液的温度过高或者喷吹精炼时间太长，会导致铝合金液氧化严重，增加铝合金液的耗损。另外，惰性气体可以是氩气或氮气，由于氮气与铝合金液会反应形成氮化铝并留在铝渣中，当遇到水时，氮化铝与水会发生反应会产生刺激性难闻的氨气，造成环境污染和危害人体健康。因此，优先选用氩气作为喷吹精炼的载流气体。另外，喷吹精炼完成和扒去铝合金液表面的浮渣后，还需要在铝合金液表面撒上覆盖剂，以避免铝合金液的氧化烧损。

16、作为优选地，所述步骤二中精炼剂由以下质量百分比的成分组成：zncl243.67％，k2co3?25.64％，nano3?8.36％，kf?10.78％，k2so4?7.26％，li2so44.29％。

17、作为优选地，所述步骤二中精炼剂的制备方法如下：

18、(1)按所述精炼剂的成分组成及质量百分比，选用纯度≥99.8％的zncl2、k2co3、nano3、kf、k2so4、li2so4为原材料进行配料；

19、(2)在惰性气体氩气的?；ぬ跫陆牧显?150℃加热熔化，然后冷却凝固成块体精炼剂；

20、(3)将块体精炼剂粉粹成粒径≤2毫米粉末，得到所述精炼剂。

21、对熔炼炉内铝合金液喷吹精炼的除杂效果与精炼剂的质量紧密相关。现有精炼剂主要采用钠盐、氟盐、氯盐、六氯乙烷等原材料直接破碎混合而成，导致精炼剂的熔点高，原材料之间缺乏相互协作，导致现有精炼剂的除杂效率低。另外，现有精炼剂的熔点高，要求精炼时铝合金液的温度高，导致铝合金液的氧化烧损严重，并且精炼剂中含有大量钠盐、氟盐和六氯乙烷，导致精炼时产生大量刺激性难闻的烟雾，严重污染环境和危害操作人员的身体健康，并导致精炼后铝合金中钠含量超标而引发钠脆失效风险。

22、为了解决现有精炼剂存在的问题与不足，提高炉内铝合金液喷吹精炼的除杂效果，发明人通过大量实验探索研究，研制了高效环保的精炼剂，精炼剂以zncl2为主要成分，再配上少量的k2co3、nano3、kf、k2so4和li2so4。在制备方法上突破传统机械混合法，为了防止精炼剂在高温加热过程中发生氧化和挥发，将原材料在惰性气体氩气?；ぬ跫略?150℃加热熔化，然后再冷却凝固和粉粹得到粉末状精炼剂，其中，zncl2的熔点为290℃，nano3的熔点为306.8℃，k2co3的熔点为891℃，kf的熔点为858℃，k2so4的熔点为1069℃，li2so4的熔点为859℃，虽然k2co3、kf、k2so4、li2so4的熔点较高，但通过熔化和凝固结晶，k2co3与kf会形成熔点仅为688℃的kf·k2co3共晶体，k2so4与li2so4会形成熔点仅为716℃的k2so4·li2so4共晶体，精炼剂的熔点得到大幅下降，从而使精炼剂更容易熔解于铝合金液中发生反应，其中，zncl2分解出cl2气泡，k2co3分解出co2气泡，nano3分解出n2气泡、co2气泡和no气泡，大量的气泡在上浮过程中捕获铝合金液中的夹杂物并带出铝合金液，起到除杂作用。k2so4·li2so4共晶体熔解成液态熔盐，对氧化铝具有很好的润湿球化作用，促进夹杂物与铝合金液的分离，进一步提高除杂和排渣效果。另外，精炼剂不含钠盐和六氯乙烷，只含少量氟盐，使用也更加环保，不会导致铝合金板带坯的钠含量超标。

23、作为优选地，所述步骤三中惰性气体为纯度≥99.99％的氩气，氩气的流量为0.3-0.6立方米/分钟，精炼除气的时间为10-20分钟。

24、铝合金液中的气体主要是氢气，主要来源于熔炼过程中铝合金液与水汽的反应，包括空气中含有的水汽、炉料和燃气带入的水分等。未除气前，熔炼炉铝合金液的含氢量通常在0.3-0.5ml/100gal。氢在铝合金液中主要以原子或离子态分布在铝原子间隙中，少量以分子态气泡形式悬浮在铝合金液中。氢在铝合金液中的溶解度随温度的降低而逐渐下降。氢在固态铝中的溶解度很低，在铝合金液凝固过程中，大量的氢原子逐渐在晶间富集形核和长大，最后膨胀形成氢气孔。如果不对铝合金液进行除氢处理，大量的氢将保留在铝合金板带坯中形成氢气孔，不仅会降低铝合金板带坯的致密度，还会割裂铝基体，破坏铝合金板带坯的组织连续性，使局部产生应力集中，成为铝合金板带坯断裂的裂纹源和裂纹扩展方向，引发铝合金板带坯边部开裂，并最终降低铝合金板带坯的强度和塑性。

25、炉底透气砖除气是在熔炼炉的底部安装多个多孔的透气砖，然后通过透气砖向炉内的铝合金液中通入惰性气体，惰性气体经过多孔透气砖后被分解成细小均匀的小气泡，小气泡在上浮过程中捕获铝合金液中的氢原子和氢气，然后上浮带出铝合金液，起到除气作用。由于炉底均匀安装有多个多孔透气砖，使得气泡在铝合金液分布均匀，同时气泡上浮时对铝合金液还有搅拌作用，避免了炉内铝合金液存在除气的死角，从而提高了铝合金液的除气效率。惰性气体的流量越大，通气精炼除气的时间越长，除气效果越好。但也应当明白，惰性气体的流量越大，通气精炼除气的时间越长，相应也会增加铝合金液的氧化烧损，因此，应当合理设置炉底透气砖通气精炼除气的工艺参数组合。经过炉底透气砖通气精炼除气后，熔炼炉内铝合金液的氢含量通?？山档椭?.2ml/100gal以下。

26、作为优选地，所述步骤四中晶粒细化剂为直径9.5毫米的al-5ti-0.2c合金杆，晶粒细化剂的加入量为铝合金液重量的0.1-0.2％。

27、在铝合金液中加入晶粒细化剂主要作用是细化铝合金板带坯的晶粒，改善铝合金板带坯的组织均匀性，提高铝合金板带坯的塑性。加入的细化剂可以是铝钛合金、铝钛硼合金、铝钛碳合金等。发明人对几种晶粒细化剂对高合金化铝合金板带坯的晶粒细化效果进行大量实验研究发现，al-5ti-0.2c合金对高合金化铝合金的晶粒细化效果最好，能有效防止铝合金液中si、mn等元素对细化剂的中毒危害，并且al-5ti-0.2c合金内部的tic粒子尺寸细小且数量适中，不会引起铝合金薄板带和箔材产生穿孔等问题。

28、作为优选地，所述步骤五中除气箱内的石墨转子的转速为600-700转/分钟，石墨转子上的气体流量为2-3立方米/小时，气体压力为0.4-0.6mpa，所述石墨转子上通入的气体是由纯度≥99.99％的氩气和纯度≥99.9％氯气组成的混合气体，且混合气体中氯气的体积百分比为5-10％。

29、除气箱除气是将铝合金液流过除气箱，除气箱内高速旋转的石墨转子将惰性气体剪切破碎成细小、均匀的气泡，利用氢在铝合金液与气泡间的分压差，使铝合金液中的氢原子不断扩散到气泡内，然后气泡沿螺旋状轨迹上浮逸出铝合金液，起到除气作用。为了进一步提高除气箱的除气效果，在惰性气体中混入一定量的氯气，由于氯气的活性大，可与铝合金液中的氢原子反应形成氯化氢气泡，从而显著增强除气效果。除气箱除气需要合理匹配石墨转子的转速、气体的流量、压力以及混合气体中的氯气的比例，使除气效果达到最佳状态。经过除气箱除气后，铝合金液的氢含量可降低到0.1ml/100gal以下，从而大幅提高铝合金液洁净度。

30、现有技术通常采用30-60目的泡沫陶瓷过滤板对铝合金液进行炉外在线过滤处理，经泡沫陶瓷过滤板过滤，通常只能将铝合金液中尺寸20μm以上的大部分夹杂物去除，但对于尺寸20μm以下的大量微细夹杂物却难以去除。虽然也可以采用目数更大的泡沫陶瓷过滤板进行过滤，但又会导致流槽上铝合金液的流量下降，难以满足连续铸轧的生产要求。为了解决现有泡沫陶瓷过滤板过滤中存在的过滤精度低和流量不足的问题，本发明采用深床过滤箱对铝合金液进行在线过滤除杂，进一步提高铝合金的纯净度。

31、所述步骤六中深床过滤箱的过滤介质是由不同粒径的氧化铝球或颗粒按一定比例的逐层堆积而成，当铝合金液流过深床过滤箱时，夹杂物被吸附或阻挡在氧化铝球或颗粒的表面和孔隙内壁上，达到过滤除杂作用。深床过滤箱属于高精度过滤，过滤后铝合金液中5μm以上夹杂物的去除率可达到98％以上，同时还有过滤量大的优点，更换一次过滤介质可以过滤上千吨的铝合金液，非常适合于连续铸轧大体量铝合金液的在线过滤。有关深床过滤箱的结构和使用方法有公开的文献资料可查，在此不再赘叙。

32、作为优选地，所述步骤七中铸轧机的铸轧辊的冷却水压力为1-2mpa，铸轧辊线的速度为2-3米/分钟，高能超声波的功率为400-800瓦，铝合金液的温度为680-690℃，所得铝合金板带坯的厚度为3-5毫米。

33、所述步骤七中倾斜式铸轧机是指两个铸轧辊的中心连线不垂直于地面，而是呈10-15°的夹角，相比于水平铸轧机，倾斜式铸轧机的铸轧区更长，有利于降低合金的偏析，具有铸轧辊寿命长、铸轧速度快、生产率高、产品质量好等优点，是目前铝合金板带坯的主要生产设备。为了得到质量优良的铝合金板带坯，需要合理匹配铸轧的轧辊冷却水压力、铸轧速度和铝合金液温度，否者容易导致漏液或断带等问题。所述高能超声波的探头是放置在铸轧机的前箱铝合金液中，通过高能超声波的振动和声空化效应，可有效避免铝合金液的成分偏析，改善铸轧区铝合金液的温度均匀性，从而避免铝合金板带坯产生边部裂纹，细化铝合金板带坯的晶粒，改善铝合金板带坯的成分均匀性，提高铝合金板带坯的塑性。

34、与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：

35、本发明通过对铝合金液进行炉内炉外双级除气除渣处理，大幅提高了铝合金液的洁净度，消除了气孔和夹杂物对铝合金板带坯强度和塑性的危害，并通过高能超声辅助连续铸轧，细化了铝合金板带坯的晶粒，提高了铝合金板带坯的组织成分均匀性，解决了连续铸轧无法生产高合金化铝合金板带的问题和铝合金板带坯边部开裂的问题，提高了连续铸轧铝合金板带坯的塑性和成材率。