CN118207437B - 锌合金铸锭及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种锌合金铸锭及其制备方法。锌合金铸锭包含特定含量的Cu、Al、Fe、Zn和不可避免的杂质；制备方法包括：将原料进行加热，当得到的锌熔体的温度达到530~580℃时，吹入精炼剂，并进行静置；将得到的精炼熔体送入保温炉，再次吹入精炼剂、进行静置；当精炼熔体的温度≥550℃时放流，并依次进行在线除气和在线过滤，然后在特定铸造工艺参数下进行铸造，得到锌合金铸锭。本发明采用半连续铸造法，并通过在线除气和过滤来提高熔体的纯净度，降低熔体中的含气量和含渣量；调控铸造过程中铸造工艺参数，使得锌合金铸锭组织均匀、细小、致密度高，无气孔、疏松等缺陷。

Description

锌合金铸锭及其制备方法

技术领域

本发明涉及锌合金材料技术领域，具体而言，涉及一种锌合金铸锭及其制备方法。

背景技术

金属锌具有良好的抗腐蚀性能、塑韧性及铸造性能，在常温条件下其力学性能稳定，可与铝、铜、钛、镁等多种金属通过合金化手段，制成满足不同性能需求的合金。锌合金因其熔点低、流动性好、易成形等优良性能，在汽车、建筑、家电、船舶、轻工、机械、电池等领域得到了广泛应用，并且正朝着附加值更高的方向发展。在国外，已有报道使用锌合金板材作为建筑幕墙和顶板的应用。

目前，国内常规制备锌合金铸锭的方法，以金属型重力铸造法为主，是将预先配置好的锌合金液浇铸到预先准备好的锭模中，通过自然冷却或冷却模具的方法对合金熔体进行冷却，但是，这两种冷却方式都会导致铸锭因边部和心部的冷却强度不均匀而使得微观组织不均匀。微观组织不均匀，不仅表现为晶粒粗大，还会出现大量的疏松、缩孔甚至开裂等现象，严重影响了铸锭的成品率。而且，采用该方法制备的铸锭，难以通过后续变形加工来制备锌合金板材。另外，当制备规格较大的锌合金铸锭时，熔体的冷却速度非常缓慢，极大降低了生产效率。

发明内容

本发明的主要目的在于提供一种锌合金铸锭及其制备方法，以解决现有技术中金属型重力铸造法得到的锌合金铸锭宏观疏松、存在气孔及微观组织粗大、不均匀的问题。

为了实现上述目的，根据本发明的一个方面，提供了一种锌合金铸锭的制备方法，按质量百分比计，锌合金铸锭由以下成分组成：Cu为0.05~0.3%、Al为0.05~4%、Fe为0.05~0.15%，余量为Zn和不可避免的杂质；制备方法包括以下步骤：步骤S1、选料：按照锌合金铸锭的成分配比，选择原料；步骤S2、熔炼：将原料在熔炼炉中进行加热，加热温度为520~620℃，得到锌熔体；步骤S3、炉内熔体处理：当锌熔体的温度达到530~580℃时，利用第一惰性气体将第一精炼剂吹入锌熔体中，以进行第一炉内精炼，并进行第一静置，得到第一精炼熔体；将第一精炼熔体送入保温炉，利用第二惰性气体将第二精炼剂吹入第一精炼熔体中，以进行第二炉内精炼，然后进行第二静置，得到第二精炼熔体；步骤S4、在线熔体处理：当第二精炼熔体的温度≥550℃时放流，并依次进行在线除气和在线过滤，得到锌净化熔体；步骤S5、铸造：将锌净化熔体送入结晶器，进行铸造，铸造温度为450~550℃，起始铸造速度15~30mm/min，稳定生产铸造速度为35~50mm/min，结晶器中冷却水的流量为40~65m³/h，冷却水的温度≤28℃，得到锌合金铸锭。

进一步地，按质量百分比计，锌合金铸锭由以下成分组成：Cu为0.05~0.15%、Al为3~4%、Fe为0.05~0.1%，余量为Zn和不可避免的杂质。

进一步地，步骤S2中，加热温度为530~580℃。

进一步地，步骤S3中，当锌熔体的温度达到530~560℃时，利用第一惰性气体将第一精炼剂吹入锌熔体中；和/或第一惰性气体的吹入时间为10~25min；和/或第一静置的时间为15~30 min；和/或将第一精炼熔体送入保温炉的方式为流槽导入。

进一步地，步骤S3中，第二惰性气体的吹入时间为10~20 min；和/或第二静置的时间为15~20 min。

进一步地，第一精炼剂和第二精炼剂分别独立地为六氯乙烷、氯化锌和氯化铵的一种或多种；和/或第一精炼剂占原料重量的0.1~0.4%，和/或第二精炼剂占原料重量的0.1~0.3%。

进一步地，步骤S4中，当第二精炼熔体的温度为550~570℃时放流；和/或采用第三惰性气体进行在线除气；和/或在线除气的设备选自单转子除气机、双转子除气机或三转子除气机；当在线除气的设备为双转子除气机时，转子转速为400~600 rpm；和/或在线过滤的设备为板式过滤箱和/或深床过滤；板式过滤箱为双级板式过滤箱。

进一步地，第一惰性气体、第二惰性气体、第三惰性气体分别独立地选自氩气和/或氮气。

进一步地，步骤S5中，将锌净化熔体送入结晶器的方式为分配流槽；和/或铸造温度为450~530℃；和/或起始铸造速度为18~25 mm/min；和/或稳定生产铸造速度为37~48mm/min。

进一步地，步骤S5中，冷却水的流量为43~61m³/h；和/或冷却水的温度为20~27℃。

根据本发明的另一方面，提供了一种锌合金铸锭，由上述制备方法制备得到。

进一步地，锌合金铸锭的晶粒平均尺寸＜100μm，晶粒最大尺寸＜150μm。

与现有技术相比，本发明的技术进步主要体现在：

1、针对目前采用金属型重力铸造制备锌合金铸锭普遍存在微观组织不均匀导致的铸锭内部存在大量疏松、缩孔甚至裂纹的缺陷、气孔等突出问题，本发明采用半连续铸造法制备锌合金铸锭，通过调控熔炼与熔体处理工艺步骤和参数，控制熔体中的渣含量，提高熔体的纯净度，从而有利于提高铸锭冶金质量。

2、针对目前采用金属型重力铸造制备锌合金铸锭普遍存在的微观组织不均匀、晶粒粗大的问题，本发明通过调控半连续铸造工艺参数，使得铸造过程中铸锭各部分的冷却强度趋向均匀，从而使铸锭微观组织均匀、细小，铸锭表面平整且内部致密，无疏松、缩孔等缺陷，为后续加工制造锌合金板材提供稳定的铸锭条件。

综上，应用本发明的技术方案，采用半连续铸造法制备锌合金铸锭，在熔炼炉和保温炉中分别进行熔体精炼、除气、静置处理，并通过在线除气和过滤来提高熔体的纯净度，降低熔体中的含气量和含渣量。另外，调控铸造过程中铸造工艺参数，使得锌合金铸锭的组织均匀且细小。根据本发明制备方法得到的铸锭，其组织均匀、细小、致密度高，无气孔、疏松等缺陷，使用该铸锭制备的锌合金板材可以作为建筑幕墙和顶板。

附图说明

构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：

图1示出了根据本发明实施例1的锌合金铸锭晶粒分布图；

图2示出了根据本发明实施例1的锌合金铸锭微观组织图；

图3示出了根据本发明对比例1的锌合金铸锭内部缺陷图；以及

图4示出了根据本发明对比例4的锌合金铸锭中心部晶粒分布图。

具体实施方式

需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。

术语解释：

放流：在工业生产中，将熔化的金属材料从熔化设备中排放出来，以便进行后续的加工或制造。

正如本发明背景技术中所述，现有技术中存在金属型重力铸造法得到的锌合金铸锭宏观疏松、存在气孔及微观组织粗大、不均匀的问题。为了解决上述问题，在本发明一种典型的实施方式中，提供了一种锌合金铸锭的制备方法，按质量百分比计，锌合金铸锭由以下成分组成：Cu为0.05~0.3%、Al为0.05~4%、Fe为0.05~0.15%，余量为Zn和不可避免的杂质；制备方法包括以下步骤：步骤S1、选料：按照锌合金铸锭的成分配比，选择原料；步骤S2、熔炼：将原料在熔炼炉中进行加热，加热温度为520~620℃，得到锌熔体；步骤S3、炉内熔体处理：当锌熔体的温度达到530~580℃时，利用第一惰性气体将第一精炼剂吹入锌熔体中，以进行第一炉内精炼，并进行第一静置，得到第一精炼熔体；将第一精炼熔体送入保温炉，利用第二惰性气体将第二精炼剂吹入第一精炼熔体中，以进行第二炉内精炼，然后进行第二静置，得到第二精炼熔体；步骤S4、在线熔体处理：当第二精炼熔体的温度≥550℃时放流，并依次进行在线除气和在线过滤，得到锌净化熔体；步骤S5、铸造：将锌净化熔体送入结晶器，进行铸造，铸造温度为450~550℃，起始铸造速度15~30mm/min，稳定生产铸造速度为35~50mm/min，结晶器中冷却水的流量为40~65m³/h，冷却水的温度≤28℃，得到锌合金铸锭。

本发明的锌合金铸锭成分中，Cu的含量为0.05~0.3%，该范围的Cu可以与锌形成ε相（CuZn₄），从而有利于提高锌合金的强度、硬度和流动性，而且，Cu的加入可以改善锌合金的耐蚀性能、加工性能，有利于提高锌合金铸锭在潮湿或腐蚀环境下的抗腐蚀能力，降低合金氧化倾向，进一步有利于将锌合金铸锭得到的锌合金板材应用于建筑领域中，此外，Cu的加入有利于提高锌合金铸锭的加工性能。当Cu的含量＜0.05%时，锌合金铸锭的强度较差，在应力下容易变形或者破裂，而且耐腐蚀性能较低，易受到腐蚀和氧化的影响，并且在锌合金铸锭制备过程中难以通过铸造等工艺进行加工。当Cu的含量＞0.3%时，一方面，会增加锌合金铸锭的成本，另一方面，会影响铸锭及后续产品的尺寸稳定性。

本发明的锌合金铸锭成分中，特定含量范围Al的加入，也有利于提高锌合金的强度、硬度、耐腐蚀性能和加工性能。但是，若Al含量过多，则合金组织为共析（α+β）相和亚共析β相，当冷速较快时不发生偏析转变，亚稳态的α相易发生分解，影响锌合金产品的尺寸稳定性。

Fe的加入，不仅有利于提高锌合金铸锭的硬度、强度、耐腐蚀性能，还可以有效降低锌合金的熔点，使其更易于加工、成型。但是，当Fe的含量过多时，会在晶界处形成片状或板条状的粗大β相，降低合金的强度和成形性能。

本发明锌合金铸锭中各成分相互协同，得到的锌合金具有一定强度，而且成形性能良好。

本发明的锌合金铸锭制备过程中，先在熔炼炉中将原料加热到520~620℃，使各元素充分熔融，得到锌熔体。当锌熔体温度达到530~580℃时，利用第一惰性气体将第一精炼剂吹入锌熔体中，以进行第一炉内精炼，该过程不仅可以使各种原料充分熔化、均匀混合，形成均匀的合金液态，还能够有效排气除杂，去除锌合金中的氢气和杂质（如氧化铝、氧化锌等），有利于减少锌合金铸锭中气孔和杂质，进一步有利于提高锌合金铸锭的纯度、质量和力学性能。

接着对熔体进行第一静置，一方面，可以有效使熔体中残余气体上浮、溢出，从而达到消除气泡的目的；另一方面，可以使锌合金晶粒逐渐生长，直至均匀、稳定的状态；此外，第一静置过程还有利于释放合金中的应力，从而可以避免锌合金铸锭出现变形、开裂等现象。

然后，将第一静置后得到的第一精炼熔体送入保温炉，采用同样的方式进行第二炉内精炼，可以进一步去除合金中的氧化物、气体和杂质，有利于提高合金的纯净度和均匀性，进一步能够提高锌合金的力学性能和质量。然后将熔体进行第二静置，使合金的温度均匀分布，有利于提高合金内部组织结构的均匀性、稳定性，进一步有利于提高锌合金的力学性能。

需要说明的是，本发明特别限定当锌熔体的温度达到530~580℃时进行精炼，上述温度范围内，锌合金熔体的流动性适宜，便于后期成型和加工，而且锌合金晶粒生长速度适宜、晶粒均匀，此外，该温度范围内精炼剂可以与熔体内有害元素、渣进行反应，有利于得到纯净化的熔体，还可以有效排气。然而，若温度过高，不仅会加快锌合金的氧化速度，导致合金表面产生氧化层，影响合金的外观和性能，还会导致锌合金在精炼过程中发生变形或产生裂纹，影响锌合金铸锭的成型和加工性能，此外，还会使合金中的杂质和部分元素快速挥发，导致锌合金成分不稳定，影响铸锭的力学性能。若温度过低，合金成分（如铜等）无法完全熔化，而且晶粒的形成过程缓慢、晶粒粗化，部分杂质（如氧化铝、氧化锌等）和残余气体无法被有效去除，导致锌合金内部存在气孔、裂纹，影响锌合金铸锭的力学性能、纯度、密度和强度。

静置过程中适当调低温度，当熔体温度≥550℃时放流，并依次进行在线除气和在线过滤，得到锌净化熔体。进行在线除气，可以将锌合金中残余气体有效去除，避免在后续加工过程中产生气泡，有利于提高锌合金铸锭的质量和力学性能。进行在线过滤，能够去除合金中的杂质和固体颗粒，从而可以提高合金的纯度，也可以使各成分的分布更加均匀，有利于提高锌合金铸锭的力学性能。需要说明的是，考虑到放流温度不仅会直接影响合金的铸造性能，还会影响合金的硬度和强度，发明人经过多次试验，并结合本发明特定的锌合金铸锭成分，得到特定的放流温度范围。若放流温度小于550℃，会使得锌合金熔体流动性明显下降，导致铸造过程中熔体过粘，甚至会导致铸造失败，造成铸锭内部存在疏松、气孔等缺陷，破坏铸锭的组织连续性，恶化合金的力学性能。

最后，将锌净化熔体送入结晶器，进行铸造，铸造温度为450~550℃，起始铸造速度15~30mm/min，稳定生产铸造速度为35~50mm/min。在该条件下，锌合金铸锭凝壳的强度适中，足以支撑心部熔体，以顺利完成铸造过程。结晶器中冷却水的流量为40~65m³/h，冷却水的温度≤28℃，在该条件下，铸造过程中铸锭各部分的冷却强度趋向均匀，熔体流动平稳，得到的铸锭微观组织均匀、细小，铸锭表面平整，且内部致密，无疏松、缩孔等缺陷，可以有效提高铸锭的成品率，为后续板材加工提供稳定的铸锭条件，另外，即便用于制备规格较大的锌合金铸锭，熔体的冷却速度也相对较快，可以显著提升生产效率。

为了进一步提高各成分间的协同作用，更有利于提高合金铸锭的强度、硬度，在一种优选的实施方式中，按质量百分比计，锌合金铸锭由以下成分组成：Cu为0.05~0.15%、Al为3~4%、Fe为0.05~0.1%，余量为Zn和不可避免的杂质。

在一种优选的实施方式中，步骤S1中，原料包括锌锭、铝铜中间合金、铝锭。上述原料来源更广、更易得。

为使得铸锭各成分能够更加充分地熔融，从而更有利于晶粒均匀生长，在一种优选的实施方式中，步骤S2中，加热温度为530~580℃。

在一种优选的实施方式中，步骤S3中，当锌熔体的温度达到530~560℃时，利用第一惰性气体将第一精炼剂吹入锌熔体中。上述条件下，锌熔体的流动性更适宜，晶粒更加均匀。为了使精炼剂与熔体内有害元素、渣更充分地进行反应，从而更有利于排气除渣，在一种优选的实施方式中，第一惰性气体的吹入时间为10~25min；和/或第一静置的时间为15~30 min。在一种优选的实施方式中，将第一精炼熔体送入保温炉的方式为流槽导入。

为了进一步有效去除合金中的氧化物、杂质和气体，使合金内部组织结构更加均匀、稳定，在一种优选的实施方式中，第二惰性气体的吹入时间为10~20 min；和/或第二静置的时间为15~20 min。

在一种优选的实施方式中，第一精炼剂和第二精炼剂分别独立地为六氯乙烷、氯化锌和氯化铵的一种或多种；和/或第一精炼剂占原料重量的0.1~0.4%；和/或第二精炼剂占精炼剂总量的0.1~0.3%；优选地，精炼剂呈粉状。在上述条件下，精炼剂可以更有效地与合金中的杂质进行反应，更利于形成易挥发的化合物（如氯化氢等），从而更便于去除杂质。

出于进一步使锌合金晶粒尺寸均匀、细小，从而更有利于提高合金力学性能的目的，在一种优选的实施方式中，步骤S4中，当第二精炼熔体的温度为550~570℃时放流。在一种优选的实施方式中，采用第三惰性气体进行在线除气；和/或在线除气的设备选自单转子除气机、双转子除气机或三转子除气机；当在线除气的设备为双转子除气机时，转子转速为400~600 rpm；和/或在线过滤的设备为板式过滤箱和/或深床过滤；板式过滤箱为双级板式过滤箱。在上述条件下，可以更有效地去除合金中的气泡和杂质，而且生产效率更高。

在一种优选的实施方式中，第一惰性气体、第二惰性气体、第三惰性气体分别独立地选自氩气和/或氮气。上述条件下的惰性气体可以更有效地防止锌合金与空气中的氧发生反应，从而能够更有效地避免氧化物的生成，进一步提升合金的质量和纯度，并可以有效减少废料产生。

在一种优选的实施方式中，步骤S5中，将锌净化熔体送入结晶器的方式为分配流槽。为了进一步保证铸造过程中锌合金铸锭凝壳的强度，使其足以支撑心部熔体，在一种优选的实施方式中，铸造温度为450~530℃。在一种优选的实施方式中，起始铸造速度为18~25mm/min；和/或稳定生产铸造速度为37~48mm/min。在上述条件下，生产速度平稳、快速，不易发生熔体泄露的情况，锻造过程更顺利。

在一种优选的实施方式中，步骤S5中，冷却水的流量43~61m³/h；和/或冷却水的温度为20~27℃。在上述条件下，铸造过程中铸锭各部分的冷却强度趋向更加均匀，得到的铸锭微观组织更加均匀、细小，铸锭表面平整，且内部更加致密。

在本发明又一种典型的实施方式中，还提供了一种锌合金铸锭，由上述制备方法制备得到。铸锭微观组织均匀细小，铸锭表面平整且内部致密，无疏松、缩孔等缺陷。

在一种优选的实施方式中，锌合金铸锭的晶粒平均尺寸＜100μm，晶粒最大尺寸＜150μm。

由上述锌合金铸锭制备得到的锌合金板材具有优异的强度、硬度和耐腐蚀性能，而且微观组织均匀细小，表面平整且内部致密，无疏松、缩孔等缺陷，可以作为建筑幕墙和顶板使用。

典型的但非限定性的，按质量百分比计，锌合金铸锭的组分中，Cu为0.05%、0.07%、0.1%、0.13%、0.15%、0.2%、0.23%、0.25%、0.3%或其任意两个数值组成的范围值，Al为0.05%、0.1%、0.2%、0.3%、0.4%、0.5%、0.6%、0.7%、0.8%、0.9%、1%、1.8%、2%、2.4%、3%、3.2%、3.4%、3.5%、3.6%、3.8%、4%或其任意两个数值组成的范围值，Fe为0.05%、0.06%、0.07%、0.08%、0.09%、0.1%、0.11%、0.12%、0.13%、0.14%、0.15%或其任意两个数值组成的范围值。

典型的但非限定性的，步骤S2中，加热温度为520℃、530℃、540℃、545℃、550℃、553℃、555℃、560℃、570℃、580℃、600℃、620℃或其任意两个数值组成的范围值。

典型的但非限定性的，步骤S3中，利用第一惰性气体将第一精炼剂吹入锌熔体中时，锌熔体的温度为530℃、540℃、545℃、550℃、553℃、555℃、560℃、570℃、580℃或其任意两个数值组成的范围值。

典型的但非限定性的，步骤S4中，放流时第二精炼熔体的温度为550℃、553℃、555℃、560℃、570℃或其任意两个数值组成的范围值。

典型的但非限定性的，步骤S5中，铸造温度为450℃、470℃、490℃、510℃、530℃、540℃、550℃或其任意两个数值组成的范围值，起始铸造速度15 mm/min、18 mm/min、19mm/min、20 mm/min、21 mm/min、22 mm/min、23 mm/min、24 mm/min、25 mm/min、28 mm/min、30mm/min或其任意两个数值组成的范围值，稳定生产铸造速度为35 mm/min、36 mm/min、37mm/min、38 mm/min、39 mm/min、40 mm/min、41 mm/min、42 mm/min、43 mm/min、44 mm/min、45 mm/min、46 mm/min、47 mm/min、48 mm/min、49 mm/min、50mm/min或其任意两个数值组成的范围值。

典型的但非限定性的，步骤S5中，结晶器中冷却水的流量为40 m³/h、43 m³/h、45m³/h、47 m³/h、50 m³/h、55 m³/h、58 m³/h、60 m³/h、61 m³/h、62 m³/h、65m³/h或其任意两个数值组成的范围值，冷却水的温度为20℃、21℃、22℃、23℃、24℃、25℃、26℃、27℃、28℃或其任意两个数值组成的范围值。

典型的但非限定性的，锌合金铸锭的晶粒平均尺寸为85μm、90μm、95μm、100μm或其任意两个数值组成的范围值，晶粒最大尺寸为126μm、130μm、135μm、140μm、145μm、150μm或其任意两个数值组成的范围值。

以下结合具体实施例对本申请作进一步详细描述，这些实施例不能理解为限制本申请所要求保护的范围。

如无特殊说明，以下实施例和对比例中的“%”均指重量百分比。

实施例1

S1、原料选择：按照锌合金铸锭成分配比（Al=3.5%、Fe=0.08%、Cu=0.07%、余量的Zn和不可避免的杂质），称取纯锌锭、铝铜中间合金、工业纯铝锭和铁熔剂。

S2、熔炼：将纯锌锭、铝铜中间合金、工业纯铝锭和铁熔剂加入熔炼炉中，进行加热，加热温度为550℃，得到锌熔体。

S3、炉内熔体处理：当锌熔体温度达到545℃时，进行炉内精炼，将粉状氯化铵精炼剂（质量为原料总质量的0.2%）加入精炼罐，将纯度大于99%的Ar气吹入锌熔体中，以进行第一次炉内精炼，吹入时间为20min，然后静置30min，得到第一精炼熔体。将其通过流槽导入保温炉，利用第二惰性气体将第二精炼剂吹入第一精炼熔体中，以进行第二次炉内精炼，吹入时间为10min，接着静置15min，得到第二精炼熔体。

S4、在线熔体处理：当第二精炼熔体温度达560℃时，放流，并依次经过在线双转子除气机和在线过滤箱，进行在线除气和在线过滤，得到锌净化熔体；其中，除气用气体选用纯度大于99%的Ar气，转子转速410 rpm，在线过滤箱使用40目和60目双级板式过滤。

S5、铸造：将锌净化熔体通过分配流槽流入结晶器开始铸造，铸造温度540℃，起始铸造速度为28mm/min，稳定生产铸造速度为47mm/min，结晶器冷却水流量为62m³/h，冷却水温为27℃，得到锌合金铸锭。采用锌合金铸锭制备锌合金板材，用于建筑领域中。

锌合金铸锭晶粒分布图见图1，锌合金铸锭微观组织图见图2。

实施例2

S1、原料选择：按照锌合金铸锭成分配比（Al=2.4%、Fe=0.1%、Cu=0.23%、以及余量的Zn和不可避免的杂质），称取纯锌锭、铝铜中间合金、工业纯铝锭和铁熔剂。

S2、熔炼：将纯锌锭、铝铜中间合金、工业纯铝锭和铁熔剂加入熔炼炉中，进行加热，加热温度为540℃，得到锌熔体。

S3、炉内熔体处理：当锌熔体温度达到540℃时，进行炉内精炼，将粉状氯化铵精炼剂（质量为原料总质量的0.4%）加入精炼罐，将纯度大于99%的Ar气吹入锌熔体中，以进行第一次炉内精炼，吹入时间为15min，然后静置20min，得到第一精炼熔体。将其通过流槽导入保温炉，利用第二惰性气体将第二精炼剂吹入第一精炼熔体中，以进行第二次炉内精炼，吹入时间为20min，接着静置20min，得到第二精炼熔体。

S4、在线熔体处理：当第二精炼熔体温度达555℃时，放流，并依次经过在线双转子除气机和在线过滤箱，进行在线除气和在线过滤，得到锌净化熔体；其中，除气用气体选用纯度大于99%的Ar气，转子转速560 rpm，在线过滤箱使用40目和60目双级板式过滤。

S5、铸造：将锌净化熔体通过分配流槽流入结晶器开始铸造，铸造温度460℃，起始铸造速度为18mm/min，稳定生产铸造速度为36 mm/min，结晶器冷却水流量为43m³/h，冷却水温为20℃，得到锌合金铸锭。采用锌合金铸锭制备锌合金板材，用于建筑领域中。

实施例3

S1、原料选择：按照锌合金铸锭成分配比（Al=1.8%、Fe=0.1%、Cu=0.13%、以及余量的Zn和不可避免的杂质），称取纯锌锭、铝铜中间合金、工业纯铝锭和铁熔剂。

S2、熔炼 ：将纯锌锭、铝铜中间合金、工业纯铝锭和铁熔剂加入熔炼炉中，进行加热，加热温度为560℃，得到锌熔体。

S3、炉内熔体处理：当锌熔体温度达到530℃时，进行炉内精炼，将粉状氯化铵精炼剂（质量为原料总质量的0.35%）加入精炼罐，将纯度大于99%的Ar气吹入锌熔体中，以进行第一次炉内精炼，吹入时间为20min，然后静置30min，得到第一精炼熔体。将其通过流槽导入保温炉，利用第二惰性气体将第二精炼剂吹入第一精炼熔体中，以进行第二次炉内精炼，吹入时间为10min，接着静置20min，得到第二精炼熔体。

S4、在线熔体处理：当第二精炼熔体温度达553℃时，放流，并依次经过在线双转子除气机和在线过滤箱，进行在线除气和在线过滤，得到锌净化熔体；其中，除气用气体选用纯度大于99%的Ar气，转子转速470 rpm，在线过滤箱使用40目和50目双级板式过滤。

S5、铸造：将锌净化熔体通过分配流槽流入结晶器开始铸造，铸造温度510℃，起始铸造速度为25 mm/min，稳定生产铸造速度为50 mm/min，结晶器冷却水流量为58 m³/h，冷却水温为20℃，得到锌合金铸锭。采用锌合金铸锭制备锌合金板材，用于建筑领域中。

实施例4至7

和实施例1的区别仅在于：

锌合金铸锭的各成分含量不同，具体成分含量见表1。

实施例8

和实施例1的区别仅在于：

原料种类不同，原料包括锌锭、电解铜块、铝锭和铁熔剂。

实施例9

和实施例1的区别仅在于：

步骤S2中，加热温度为530℃。

步骤S3中，当锌熔体的温度达到530℃时，进行第一炉内精炼。

实施例10

和实施例1的区别仅在于：

步骤S2中，加热温度为620℃。

步骤S3中，当锌熔体的温度达到580℃时，进行第一炉内精炼。

实施例11

和实施例1的区别仅在于：

步骤S2中，加热温度为580℃。

步骤S3中，当锌熔体的温度达到560℃时，进行第一炉内精炼。

实施例12

和实施例1的区别仅在于：

步骤S2中，加热温度为530℃。

步骤S3中，当锌熔体的温度达到530℃时，进行第一炉内精炼。

实施例13

和实施例1的区别仅在于：

步骤S4中，当第二精炼熔体的温度为550℃时，放流。

步骤S5中，铸造温度为450℃。

实施例14

和实施例1的区别仅在于：

步骤S4中，当第二精炼熔体的温度为550℃时，放流。

步骤S5中，铸造温度为550℃。

实施例15

和实施例1的区别仅在于：

步骤S4中，当第二精炼熔体的温度为570℃时，放流。

步骤S5中，铸造温度为530℃。

实施例16

和实施例1的区别仅在于：

步骤S4中，当第二精炼熔体的温度为570℃时，放流。

步骤S5中，铸造温度为450℃。

实施例17

和实施例1的区别仅在于：

步骤S5中，起始铸造速度为15 mm/min，稳定生产铸造速度为50 mm/min。

实施例18

和实施例1的区别仅在于：

步骤S5中，起始铸造速度为30 mm/min，稳定生产铸造速度为35 mm/min。

实施例19

和实施例1的区别仅在于：

步骤S5中，起始铸造速度为18 mm/min，稳定生产铸造速度为37mm/min。

实施例20

和实施例1的区别仅在于：

步骤S5中，起始铸造速度为25mm/min，稳定生产铸造速度为48 mm/min。

实施例21

和实施例1的区别仅在于：

步骤S5中，结晶器中冷却水的流量为40m³/h，温度为28℃。

实施例22

和实施例1的区别仅在于：

步骤S5中，结晶器中冷却水的流量为65m³/h，温度为28℃。

实施例23

和实施例1的区别仅在于：

步骤S5中，结晶器中冷却水的流量为60m³/h，温度为27℃。

实施例24

和实施例1的区别仅在于：

步骤S5中，结晶器中冷却水的流量为43m³/h，温度为20℃。

对比例1

和实施例1的区别仅在于：

采用常规金属型重力铸造方法制备锌合金铸锭，制备方法包括以下步骤：

S1、原料选择：按照锌合金铸锭成分配比（Al=3.5%、Fe=0.08%、Cu=0.07%、余量的Zn和不可避免的杂质），称取纯锌锭、铝铜中间合金、工业纯铝锭和铁熔剂。

S2、熔炼：将纯锌锭、铝铜中间合金、工业纯铝锭和铁熔剂加入熔炼炉中，进行加热，加热温度为610℃，得到锌熔体。

S3、炉内熔体处理：当锌熔体温度达到570℃时，进行炉内精炼，将粉状氯化铵精炼剂（质量为原料总质量的0.2%）加入精炼罐，将纯度为99%的Ar气吹入锌熔体中，以进行第一次炉内精炼，吹入时间为20min，然后静置30min，得到第一精炼熔体。将其通过流槽导入保温炉，利用第二惰性气体将第二精炼剂吹入第一精炼熔体中，以进行第二次炉内精炼，吹入时间为10min，接着静置15min，得到第二精炼熔体。

S4、铸造：当第二精炼熔体温度达540℃时，放流，待熔体浇满锭模后自然冷却，得到锌合金铸锭。

锌合金铸锭内部缺陷图见图3。可知，锌合金铸锭组织中存在大量夹渣和孔洞，组织连续性差。由于浇铸前未进行熔体在线处理，熔体纯净度不高，并且在浇铸过程中熔体倒入锭模时存在一定落差，使得浇铸时存在熔体卷气、造渣现象，同时，熔体在锭模内的冷却速度受熔体流动影响而分布不均匀，中心区域冷却很慢，在凝固过程中易因补缩不完整而产生孔洞。夹渣和孔洞极大破坏了铸锭的组织连续性，极易在铸锭重熔或后续加工过程中带来夹渣和开裂等不良影响。而且，熔体浇铸温度较低，熔体的流动性较差，补缩不够充分。

对比例2

和实施例1的区别仅在于：

步骤S5中，铸造温度为580℃。

在锌合金铸锭的铸造过程中，发生熔体泄露，铸造失败。主要是铸造温度过高，铸锭凝壳强度不足以支撑心部熔体，从而导致锌液泄露。

对比例3

和实施例1的区别仅在于：

步骤S5中，冷却水的流量为35 m³/h，冷却水的温度29℃。

在锌合金铸锭的铸造过程中发生熔体泄露，铸造失败。主要是冷却水量不足，水温较高，导致冷却强度不足，铸锭凝壳强度不足以支撑心部熔体，从而导致锌液泄露。

对比例4

和实施例1的区别仅在于：

步骤S5中，冷却水的流量为38 m³/h，冷却水的温度20℃。

锌合金铸锭中心部晶粒分布图见图4。可知，锌合金铸锭微观组织的均匀性较差。

对比例5

和实施例1的区别仅在于：

步骤S2中，将原料进行加热，加热温度为500℃。

对比例6

和实施例1的区别仅在于：

步骤S3中，精炼的温度为515℃。

对比例7

和实施例1的区别仅在于：

步骤S4中，当第二精炼熔体的温度为534℃时放流。

对比例8

和实施例1的区别仅在于：

步骤S4中，不进行在线除气和在线过滤。

对比例9

和实施例1的区别仅在于：

冷却水的温度为33℃。

实施例1至实施例7锌合金铸锭的成分含量见表1，上述实施例和对比例锌合金铸锭的组织和晶粒尺寸结果见表2。

测试方法：

结构件气孔分布：在金相显微镜下拍摄照片后观察。

晶粒尺寸：参照标准《GB/T 6394-2017金属平均晶粒度检测方法》，进行晶粒度分析。

表1

表2

由上可知，与对比例相比，本发明实施例通过限定特定范围的锌合金铸锭成分，采用半连续铸造法制备锌合金铸锭，在熔炼炉和保温炉中分别进行熔体精炼、除气、静置处理，并通过在线除气和过滤来提高熔体的纯净度，降低熔体中的含气量和含渣量。另外，调控铸造过程中铸造工艺参数，使得锌合金铸锭的组织均匀且细小。根据本发明制备方法得到的铸锭，其组织均匀、细小、致密度高，无气孔、疏松等缺陷，使用该锌合金铸锭得到的锌合金板材的力学性能优异，可以作为建筑幕墙和顶板。此外可以看出，当各工艺参数均在本发明优选范围之内时，锌合金铸锭的组织更加均匀、细小，致密度更高。

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。

Claims (12)

1.一种锌合金铸锭的制备方法，其特征在于，按质量百分比计，所述锌合金铸锭由以下成分组成：Cu为0.05~0.3%、Al为0.05~4%、Fe为0.05~0.15%，余量为Zn和不可避免的杂质；所述制备方法包括以下步骤：

步骤S1、选料：按照所述锌合金铸锭的成分配比，选择原料；

步骤S2、熔炼：将所述原料在熔炼炉中进行加热，加热温度为520~620℃，得到锌熔体；

步骤S3、炉内熔体处理：当所述锌熔体的温度达到530~580℃时，利用第一惰性气体将第一精炼剂吹入所述锌熔体中，以进行第一炉内精炼，并进行第一静置，得到第一精炼熔体；将所述第一精炼熔体送入保温炉，利用第二惰性气体将第二精炼剂吹入所述第一精炼熔体中，以进行第二炉内精炼，然后进行第二静置，得到第二精炼熔体；

步骤S4、在线熔体处理：当所述第二精炼熔体的温度≥550℃时放流，并依次进行在线除气和在线过滤，得到锌净化熔体；

步骤S5、铸造：将所述锌净化熔体送入结晶器，进行铸造，铸造温度为450~550℃，起始铸造速度15~30mm/min，稳定生产铸造速度为35~50mm/min，所述结晶器中冷却水的流量为40~65m³/h，所述冷却水的温度≤28℃，得到所述锌合金铸锭。

2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，

按质量百分比计，所述锌合金铸锭由以下成分组成：Cu为0.05~0.15%、Al为3~4%、Fe为0.05~0.1%，余量为Zn和不可避免的杂质。

3.根据权利要求1或2所述的制备方法，其特征在于，所述步骤S2中，

所述加热温度为530~580℃。

4.根据权利要求1或2所述的制备方法，其特征在于，所述步骤S3中，

当所述锌熔体的温度达到530~560℃时，利用所述第一惰性气体将所述第一精炼剂吹入所述锌熔体中；和/或

所述第一惰性气体的吹入时间为10~25min；和/或

所述第一静置的时间为15~30 min；和/或

将所述第一精炼熔体送入保温炉的方式为流槽导入。

5.根据权利要求1或2所述的制备方法，其特征在于，所述步骤S3中，

所述第二惰性气体的吹入时间为10~20 min；和/或

所述第二静置的时间为15~20 min。

6.根据权利要求1或2所述的制备方法，其特征在于，

所述第一精炼剂和所述第二精炼剂分别独立地为六氯乙烷、氯化锌和氯化铵的一种或多种；和/或所述第一精炼剂占所述原料重量的0.1~0.4%，和/或所述第二精炼剂占所述原料重量的0.1~0.3%。

7.根据权利要求1或2所述的制备方法，其特征在于，所述步骤S4中，

当所述第二精炼熔体的温度为550~570℃时放流；和/或

采用第三惰性气体进行所述在线除气；和/或

所述在线除气的设备选自单转子除气机、双转子除气机或三转子除气机；当所述在线除气的设备为所述双转子除气机时，转子转速为400~600 rpm；和/或

所述在线过滤的设备为板式过滤箱和/或深床过滤；所述板式过滤箱为双级板式过滤箱。

8.根据权利要求7所述的制备方法，其特征在于，

所述第一惰性气体、所述第二惰性气体、所述第三惰性气体分别独立地选自氩气和/或氮气。

9.根据权利要求1或2所述的制备方法，其特征在于，所述步骤S5中，

将所述锌净化熔体送入所述结晶器的方式为分配流槽；和/或

所述铸造温度为450~530℃；和/或

起始铸造速度为18~25 mm/min；和/或

稳定生产铸造速度为37~48 mm/min。

10.根据权利要求1或2所述的制备方法，其特征在于，所述步骤S5中，

所述冷却水的流量为43~61m³/h；和/或

所述冷却水的温度为20~27℃。

11.一种锌合金铸锭，其特征在于，由权利要求1至10中任一项所述的制备方法制备得到。

12.根据权利要求11所述的锌合金铸锭，其特征在于，所述锌合金铸锭的晶粒平均尺寸＜100μm，晶粒最大尺寸＜150μm。