阅读说明：本技术 铝锂合金半连续铸造中锂元素添加方法 (lithium element adding method in aluminum-lithium alloy semi-continuous casting ) 是由 王俊升 于 2019-10-14 设计创作，主要内容包括：本发明涉及铝锂合金半连续铸造过程中,减少易挥发合金元素锂烧损的一种新的添加方法,该方法分为以下步骤实施：(1)按照不添加锂元素的合金配比加热熔化铝、镁、铜等固体原料,形成液态金属；(2)将液态金属送入静置炉内进行充分静置；(3)将液态金属送入SNIF除氢炉内进行除氢,加晶粒细化剂；(4)将液态金属输送入氩气保护的感应熔炼炉；(5)向感应熔炼炉内的合金加纯锂并适当调节其它合金成分,从而获得具有目的铝锂合金成分的液态金属；(6)将液态金属通过传送槽送至氩气保护的铸造台进行半连续铸造。(the invention relates to a new adding method for reducing burning loss of volatile alloy element lithium in the aluminum-lithium alloy semi-continuous casting process, which comprises the following steps: (1) heating and melting solid raw materials such as aluminum, magnesium, copper and the like according to an alloy proportion without adding lithium element to form liquid metal; (2) feeding the liquid metal into a standing furnace for fully standing; (3) feeding liquid metal into a SNIF dehydrogenation furnace for dehydrogenation, and adding a grain refiner; (4) conveying the liquid metal into an induction melting furnace protected by argon; (5) adding pure lithium to the alloy in the induction melting furnace and properly adjusting other alloy components to obtain liquid metal with target aluminum-lithium alloy components; (6) the liquid metal is sent to a casting platform protected by argon through a conveying groove for semi-continuous casting.)

铝锂合金半连续铸造中锂元素添加方法

技术领域

本发明适用于含锂的铝合金熔铸生产，产品形式为铸锭(圆形、扁形)，可作为挤压、轧制、锻造等加工过程的原料，最终用途可用于航空航天等领域的零部件材料。

背景技术

由于锂的化学活性，为防止氧化和***事故发生，锂必须在保护性气氛下进行熔化和铸造生产，通常采用惰性气体或者真空保护。合金的熔炼温度一般在700～730℃，转移管道需要具备抗高温、耐腐蚀等性能，通常采用不锈钢管加硅毡棉。

铝锂合金熔铸工艺较为复杂，但由于其低密度、高的比强度和比刚度、优良的低温力学性能和较高的高温强度等，以及较好的抗疲劳性能和一定的超塑性成形性能，具有取代常规铝合金，减重15％左右，提高刚度15％左右的效果，由此为航空航天飞行器设计带来的性能提升和经济效益十分显著，作为高端新材料越来越得到广泛应用。比如，在飞机设计中铝锂合金板材可做为蒙皮和璧板，挤压型材可做为桁条、加强筋、地板梁等零部件，替换传统铝合金减轻重量提高飞机性能。在火箭设计中，铝锂合金可做为燃料箱和液氧箱，优越的成形性能便于制作共底贮箱，不但可以增加有效载荷而且降低火箭高度，提高火箭整体性能。

目前各国掌握铝锂合金的铸造技术存在差异，做法也不一样，但是针对大尺寸的铸锭生产基本采用半连续铸造工艺，关键的加工过程包括三个步骤：(1)由固态原料到液态金属的熔炼；(2)液态金属的处理，包括合金化、均匀化、洁净化、和除气；(3)从液态到固态铸锭的铸造过程。大量实践证明，三个步骤任何阶段不按照科学规律操作，轻则出现含大量缺陷不合格的铸锭，重则出现***等生产事故。

美国专利号4,556,535，由美国铝业公司1985年获得，主要通过测量铸造速度，控制锂元素在除气装置之前定量的添加，从而有效的降低了锂元素的氧化烧损，提高了产品质量。该方法的缺点在于只有一级除氢，不含锂的铝合金的氢含量较高，与锂混合后同时除氢不充分，铸造缺陷较多。

美国专利号4,761,266，由美国凯撒铝业公司1988年获得，主要通过测量铸造速度，把液态锂通过涡流与不含锂的铝合金液体在一次除气之后添加，再进行二次除气，使用不锈钢过滤器，清除氧化物之后进入氩气保护的铸造台。该方法的改进之处在于，通过两次除氢，有效地控制了氢含量；通过涡流，使锂和铝合金溶体得到了充分混合；同时通过过滤器去除了一部分氧化物夹杂。但是，该方法的缺点在于，由于合金的黏度是温度的函数，温度对铸造成份的均匀性和夹杂等质量影响较大。

中国CN105102643和CN105358723两项专利，由爱励轧制产品德国有限公司获得，和美国铝业、凯撒铝业的专利类似，通过隔离不含锂的铝合金熔炼和含锂的铝合金熔炼，实现锂的有效应用，不同之处在于，它并没有采用涡流混合，混合之后也没有进行除气，直接进行铸造。另外，它将铸造分为三种合金，只有铸造中部是铝锂合金。该发明的优点在于操作简单，不用复杂的除气过滤装置，铸锭头部和尾部可以在后续加工中切除，从而有效提高了含锂合金的利用率。该发明的缺点在于，由于只有对不含锂的熔体除气，没有对含锂的铝合金除气和过滤过程，难免会有大量的夹杂流入铸锭，形成缺陷。另外，三种合金分别制备，保护性气氛与保护性盐交错使用，在实际生产中很难避免失误，尤其是保护性盐的颗粒很难被常规过滤器清除。

近两年，随着空中客车公司和SpaceX等公司大量使用第三代铝锂合金，多家铝合金公司建造新的铝锂合金铸造生产线以满足市场对该新材料的需求。成熟的合金牌号已经很广泛，熔铸工艺的改进不仅能够提高产品质量，而且能够避免事故发生，降低风险。

发明内容

本发明的目的是提供一套包含锂元素的铝合金圆锭和扁锭的整个熔铸工艺流程与控制方法。

本发明制备长度为L1+L2+L3的含锂铝合金圆锭和扁锭的整个工艺流程包括以下三个步骤(如图1流程图)：

(a)铸锭长度为零，铸造从一开始到长度L1，采用以下步骤：

i.按照不含锂元素的情况下的合金化学成分配比，采用电阻炉、感应熔炼炉或者天然气炉1，熔化铝锭和其它原料，去除夹杂物；

ii.将不含锂的合金转移到静置炉2，并检测合金化学成分，根据计算调整化学成分配比，严格控制微量元素的含量；

iii.将不含锂的合金转移至高速旋喷式脱气机3，进行除氢(SNIF)；

iv.将除气之后的铝合金转移至过滤器10，进行除杂质处理；

v.将过滤之后的铝合金通过密封的管道送至氩气保护的铸造台8，进行半连续铸造，铸造长度L1。

(b)铸锭达到L1长度，开始铸造L1+L2长度的铸锭，采用以下步骤：

i.按照不含锂元素的情况下的合金化学成分配比，采用电阻炉、感应熔炼炉或者天然气炉1，融化铝锭和其它原料，去除夹杂物；

ii.将不含锂的合金转移到静置炉2，并检测合金化学成分，根据计算调整化学成分配比，严格控制微量元素的含量；

iii.将不含锂的合金转移至高速旋喷式脱气机3，进行除氢(SNIF)；

iv.将固态锂在氩气保护的情况下，运用感应熔炼炉4进行融化除渣；

v.将除氢之后的铝合金通过密闭的管道从步骤(3)的SNIF送入感应熔炼炉，并且将氩气保护下熔炼除渣之后的液态锂从步骤(4)的感应熔炼炉通过密闭管道送入氩气保护的大型感应熔炼炉与不含锂的铝合金混合；

vi.对含锂的铝合金进行精炼，检测化学成分，并根据情况添加其它成分以满足目标成分需求，然后送入过滤器6清除夹杂颗粒；

vii.将过滤后铝锂合金送入低速旋转的旋喷式脱气机9，进行在线除氢(SNIF)；

viii.除氢之后的铝锂合金通过密封的管道送至氩气保护的铸造台8，进行半连续铸造，铸造长度L2；

ix.铸造中出现任何危险隐患，将铝锂合金送入收集器9进行储存。

(c)铸锭长度达到L1+L2，开始铸造L1+L2+L3长度的铸锭，采用以下步骤：

i.当铸造长度达到L2时，关闭阀门⑦，将未加锂的铝合金通过打开阀门⑥，实现高速除氢过滤之后的液态铝合金流入半连续铸造台；

ii.将过滤之后的铝合金通过密封的管道送至氩气保护的铸造台，进行半连续铸造，铸造长度L3。

本发明制备长度为L1+L2+L3的含锂铝合金圆锭和扁锭的整个工艺流程包括以下控制方法：

i.金属液传输流量控制装置①②③不需要氩气保护，其余控制装置④-⑩均采用密封的氩气保护措施；

ii.不含锂的铝合金铸造阶段采用打开①②③⑥⑨⑧控制阀门，同时关闭所有其它阀门；

iii.含锂的铝合金铸造阶段采用打开①②④⑤⑦⑧控制阀门，同时关闭所有其它阀门；

iv.含锂的铝合金铸造阶段采用打开①②③④⑤⑦⑧控制阀门，同时关闭所有其它阀门；

v.垂直向下移动的半连续铸锭的速度受液压装置控制，根据具体合金成分和性能要求连续变化，L1到L1+L2，L1+L2到L1+L2+L3长度过渡阶段，液面保持平稳；

vi.铸造过程中，一旦出现液面大幅变化，铸锭拉漏情况，立即阀门②④⑤⑦⑧关闭，控制阀门⑨⑩和③立即打开，紧急收集铝合金液。

本发明制备长度为L1+L2+L3的含锂铝合金圆锭和扁锭的整个工艺过程需要以下设备：

i.活泼的锂从固态原料熔化到传输过程中和铸造过程中，采用惰性气体进行保护，首选氩气；

ii.包括氩气保护的感应熔炼炉和直接激冷铸造台；

iii.包括根据铸造速度和铸造台反馈锂含量，动态调整感应熔炼炉内锂含量的控制系统；

iv.包括在静置、除氢、熔炼、铸造阶段的化学成分检测与核定装置；

v.包括①-⑩控制阀门和控制软件，实现不中断金属液流动的，不造成铸造液位波动的情况下，金属液成分的平稳过渡；

vi.铸锭头部和尾部合金成分锂含量小于0.1％，除原始材料夹杂锂之外，不认为添加锂；

vii.铸锭中部合金成分锂含量从0.1％到20％不等；

viii.包括含锂液体的金属过滤器和针对不含锂金属液的陶瓷泡沫过滤器；

ix.包括高速非氩气保护和低速氩气保护的金属除气装置；

x.包括氩气保护的金属液收集器。

本发明铸造工艺和控制方法，制备L1+L2+L3的含锂铝合金圆锭和扁锭，待全部凝固之后，移出铸造井，在均匀化之前，切除L1长度的底部和L3长度的顶部，对L2长度的铸锭铣面之后，进行扁锭轧制或圆锭挤压成型。

本发明的方法对于第三代及新一代铝锂合金铸造尤为适用，可用于制备2XXX、5XXX、7XXX和8XXX系列铝合金，例如但不局限于AA2050、AA2060、AA2090、AA2099、AA2097、AA2195、AA2197、AA2198、AA8090、5A90等合金。

本发明不局限于上述实施方式，适用于直接激冷铸造、水平连铸、薄带连铸等各种铸造工艺，无论铸造形式如何变化，锂的添加方法和控制策略不变，在所附权利要求所限定的本发明范围内广泛适用。

附图说明

图1为本发明制备长度为L1+L2+L3的含锂铝合金圆锭和扁锭的整个工艺流程图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例来详述本发明，但不作为对本发明专利的限定。

实施例1

本发明制备长度为L1+L2+L3的含锂铝合金圆锭和扁锭的整个工艺流程包括以下三个步骤(如图1流程图)：

(a)铸锭长度为零，铸造从一开始到长度L1，采用以下步骤：

vi.按照不含锂元素的情况下的合金化学成分配比，采用电阻炉、感应熔炼炉或者天然气炉1，熔化铝锭和其它原料，去除夹杂物；

vii.将不含锂的合金转移到静置炉2，并检测合金化学成分，根据计算调整化学成分配比，严格控制微量元素的含量；

viii.将不含锂的合金转移至高速旋喷式脱气机3，进行除氢(SNIF)；

ix.将除气之后的铝合金转移至过滤器10，进行除杂质处理；

x.将过滤之后的铝合金通过密封的管道送至氩气保护的铸造台8，进行半连续铸造，铸造长度L1。

(b)铸锭达到L1长度，开始铸造L1+L2长度的铸锭，采用以下步骤：

x.按照不含锂元素的情况下的合金化学成分配比，采用电阻炉、感应熔炼炉或者天然气炉1，融化铝锭和其它原料，去除夹杂物；

xi.将不含锂的合金转移到静置炉2，并检测合金化学成分，根据计算调整化学成分配比，严格控制微量元素的含量；

xii.将不含锂的合金转移至高速旋喷式脱气机3，进行除氢(SNIF)；

xiii.将固态锂在氩气保护的情况下，运用感应熔炼炉4进行融化除渣；

xiv.将除氢之后的铝合金通过密闭的管道从步骤(3)的SNIF送入感应熔炼炉，并且将氩气保护下熔炼除渣之后的液态锂从步骤(4)的感应熔炼炉通过密闭管道送入氩气保护的大型感应熔炼炉与不含锂的铝合金混合；

xv.对含锂的铝合金进行精炼，检测化学成分，并根据情况添加其它成分以满足目标成分需求，然后送入过滤器6清除夹杂颗粒；

xvi.将过滤后铝锂合金送入低速旋转的旋喷式脱气机9，进行在线除氢(SNIF)；

xvii.除氢之后的铝锂合金通过密封的管道送至氩气保护的铸造台8，进行半连续铸造，铸造长度L2；

xviii.铸造中出现任何危险隐患，将铝锂合金送入收集器9进行储存。

(c)铸锭长度达到L1+L2，开始铸造L1+L2+L3长度的铸锭，采用以下步骤：

iii.当铸造长度达到L2时，关闭阀门⑦，将未加锂的铝合金通过打开阀门⑥，实现高速除氢过滤之后的液态铝合金流入半连续铸造台；

iv.将过滤之后的铝合金通过密封的管道送至氩气保护的铸造台，

进行半连续铸造，铸造长度L3。

本发明制备长度为L1+L2+L3的含锂铝合金圆锭和扁锭的整个工艺流程包括以下控制方法：

vii.金属液传输流量控制装置①②③不需要氩气保护，其余控制装置④-⑩均采用密封的氩气保护措施；

viii.不含锂的铝合金铸造阶段采用打开①②③⑥⑨⑧控制阀门，同时关闭所有其它阀门；

ix.含锂的铝合金铸造阶段采用打开①②④⑤⑦⑧控制阀门，同时关闭所有其它阀门；

x.含锂的铝合金铸造阶段采用打开①②③④⑤⑦⑧控制阀门，同时关闭所有其它阀门；

xi.垂直向下移动的半连续铸锭的速度受液压装置控制，根据具体合金成分和性能要求连续变化，L1到L1+L2，L1+L2到L1+L2+L3长度过渡阶段，液面保持平稳；

xii.铸造过程中，一旦出现液面大幅变化，铸锭拉漏情况，立即阀门②④⑤⑦⑧关闭，控制阀门⑨⑩和③立即打开，紧急收集铝合金液。

本发明制备长度为L1+L2+L3的含锂铝合金圆锭和扁锭的整个工艺过程需要以下设备：

xi.活泼的锂从固态原料熔化到传输过程中和铸造过程中，采用惰性气体进行保护，首选氩气；

xii.包括氩气保护的感应熔炼炉和直接激冷铸造台；

xiii.包括根据铸造速度和铸造台反馈锂含量，动态调整感应熔炼炉内锂含量的控制系统；

xiv.包括在静置、除氢、熔炼、铸造阶段的化学成分检测与核定装置；

xv.包括①-⑩控制阀门和控制软件，实现不中断金属液流动的，不造成铸造液位波动的情况下，金属液成分的平稳过渡；

xvi.铸锭头部和尾部合金成分锂含量小于0.1％，除原始材料夹杂锂之外，不认为添加锂；

xvii.铸锭中部合金成分锂含量从0.1％到20％不等；

xviii.包括含锂液体的金属过滤器和针对不含锂金属液的陶瓷泡沫过滤器；

xix.包括高速非氩气保护和低速氩气保护的金属除气装置；

xx.包括氩气保护的金属液收集器。

本发明铸造工艺和控制方法，制备L1+L2+L3的含锂铝合金圆锭和扁锭，待全部凝固之后，移出铸造井，在均匀化之前，切除L1长度的底部和L3长度的顶部，对L2长度的铸锭铣面之后，进行扁锭轧制或圆锭挤压成型。

本发明的方法对于第三代及新一代铝锂合金铸造尤为适用，可用于制备2XXX、5XXX、7XXX和8XXX系列铝合金，例如但不局限于AA2050、AA2060、AA2090、AA2099、AA2097、AA2195、AA2197、AA2198、AA8090、5A90等合金。

本发明不局限于上述实施方式，适用于直接激冷铸造、水平连铸、薄带连铸等各种铸造工艺，无论铸造形式如何变化，锂的添加方法和控制策略不变，在所附权利要求所限定的本发明范围内广泛适用。