（材料加工工程专业论文）新型气膜约束铝合金连铸的试验研究.pdf

查韭垄兰堡主兰堡垒墨 一一! 堕兰 新型气膜约束铝合金连铸的试验研究 摘要 铝合金连铸过程的自动化、连续化是铝合金连铸技术的发展方向，随着铝合金连铸 技术的不断发展，对铝合金连铸工艺提出了更高的要求。是提高高质量铝合金铸坯的当 务之急。我国铝合金连铸坯的产量在逐年增加，但是连铸坯的表面质量及内部质量与发 达国家相比都相差很远，因此，高性能铝合金连铸工艺的研究与开发在我国具有重要的 意义。 本文设计了一种新型的气膜约束连铸结晶器，在结晶器的下部设有环形气缝，环形 气缝的大小可调，这样可以保证气体的均匀性和稳定性；在环形气缝的下部设置了水冷 装置，形成了连铸坯单向散热的条件。该结晶器具有冷却长度短、结晶器内传热量低、 润滑性能好等优点。通过对7 0 7 5 铝合金的连铸实验，取得了较好的效果。 通过建立传热模型，模拟了新型结晶器与传统结晶器由于冷却方式不同引起的凝固 温度场的变化，模拟结果表明，新型结晶器改变了铸坯凝固的传热模式。由于凝固释放 的热量主要在环形气缝以下导出，液穴的深度明显减小，固液界面较平直，将会减少铸 锭的缩孔、缩松及皮下偏析缺陷。同时在凝固过程中，在没有一冷的条件下形成单向散 热，由凝固产生的热应力较传统结晶器小，这样大大降低了铸坯内部产生裂纹的趋势。 实验结果表明：气膜的连续性、稳定性对铸坯表面质量产生重要影响。在连续性气 膜条件下，气膜压力与结晶器内铝液高度的静压力相平衡，起到稳定初凝壳的作用，铸 坯外表面质量比较好；气膜的稳定性和连续性与气体流量有关，合适的气体流量，形成 连续气膜，铸坯表面质量较好；而当气体流量过小时，气体压力不足以克服金属液静压 力，不能形成稳定的气膜，容易出现拉裂纹、冷隔等缺陷。同时在稳定气膜的条件下， 合理的拉坯速度也是形成高质量铸坯的关键。拉坯速度过快，气膜的稳定性、连续性变 差。因此在适当增大拉坯速度的同时，必须增加气体流量。通过实验发现，在气体流量 在2 0 3 0 l m i n 的条件下，合理的拉坯速度为4 0 6 0 m m m i n 。 关键词：连铸；铝合金；气膜；表面质量：温度场 东北大学硕士学位论文 a b s t r a c t t e s to fg a sf i l ms o f t - c o n t a c t e dc o n t i n u o u sc a s t i n go f a l u m i n u m - a l l o y a b s 仃a c t t h ea u t o i n a r n n n i z a t i o na n dc o n t i n u u mo fa l u m i n u ma l l o yi n g o ti sd i r e c t i o no ft h e m o d e mc a s t i n gt e c h n o l o g y , w i t ht h ed e v e l o p m e n to ft h ec o n t i n u ec a s t i n g ，t h ep r o p e r t yo ft h e i n g o ti sr e q u i r e dm o r eh i g h # t h a nb e f o r e ，s oi t i st h ef i r s tt a s kt op r o d u c eh i g h e rp r o p e r t y m o u l df o rc o n t i n u o u sc a s t i n g t h eq u a n t i t yo ft h ec o n t i n u ec a s t i n gi n g o ti si n c r e a s e dy e a rb y y e a ri no u rc o u n t r y , b u tt h ei n n e rq u a l i t ya n dt h es u r f a c eq u a l i t yo f t h ei n g o ti sw o r s et h a nt h a t o f t h ew e s t e r nc o u n t r y s oi ti ss i g n i f i c a n tt op r o d u c eh i g h e rp r o p e r t ym o u l d i no r d e rt og e tas t e a d yg a sf i l lb e t w e e ns l a bt ot h ei n n e rm o u l d ，an e wm o u l dh a sb e e n d e v e l o p e di nt h i sp a p e ro ns u b s t a n t i v ee x p e r i m e n t s ，i th a st h eg a ss l o tu n d e rt h em o u l d ，i nt h e s l o tt h e r ei sam 2 t z et ok e e pt h ee q u a l i t yo ft h eg a s ，t h es e c o n dc o o l i n gi sl a i du n d e rt h eg a s s l o t ，i tc a nk e e ps o l i d i f i c a t i o no f t h es l a bo nt h es i n g l el i n e i th a ss o m em e r i t ss u c ha ss h o r t e r c o o l i n gl e n g t h , l o wh e a tt r a n s f e re f f i d e n c y , e v e nc o o l i n ga n db e t t e rl u b r i c a t i n gp e r f o r m a n c e ， t h ec a s t i n ge x p e r i m e n t sf o r7 0 7 5a l u m i n u ma l l o ya r ev e r ys u c c e s s f u l l y s e t su pt h eh e a tt r a n s f e rm o d e la n dt e m p e r a t u r ef i e l di nt h i st e x t ，f o rt h ed i f f e r e n c e b e t w e e nt h el a t em o u l dt ot h et r a d i t i o n a ld cm o u l d ，m e t h o dt op a s sn u m e r i c a ls i m u l a t i o n ，t h e t e m p e r a t u r ef i e l do f t h es o l i d i f i c a t i o ni sd i f f e r e n t t h er e s u l to f t h en u m e r i c a ls i m u l a t i o nm a k e c l e a rt h a tt h en e wm o u l dc h a n g e dt h et e m p e r a t u r em o d eo ft h es l a b ，w h e nt h ei n g o tf r e e z i n g ， t h et h e r m a lw a sr e l e a s e df r o mu n d e rt h es l o t ，t h ed e p t ho ft h el i q u i df i e l di sl o wt h a to ft h e t r a d i t i o n a ld cc a s t i n g ，t h ei n t e r f a c eo ft h es o l i da n dl i q u i di se v e na n ds t r a i g h t ，i tw i l l d e c r e a s et h ec o n t r a c t i v eh o l e ，t h ec o n t r a c t i v el o o s e n e s sa n dt h en e g a t i v es e g r e g a t i o nc l e a r l y , a tt h es a m et i m e ，i nt h ec o u r s eo ft h es o l i d i f i c a t i o nt h ei n g o tc a nc o o l i n ga o n gs i n g l e d i r e c t i o nb e c a u s eo fr e m o v e dt h ef i r s tc o o l i n g ，s ot h es t r e s so ft h es o l i d i f i c a t i o ni sl o wt h a n t h a to f t r a d i t i o n a lc a s t i n g ，i tw i l ld og o o dt oi n n e rq u a l i t yo f t h ei n g o ta n dr e d u c et h et r e n dt o p r o d u c et h ei n n e rc r a c k s t h ee x p e r i m e n tr e s u l t ss h o w st h a tt h ec o n t i n u i t ya n dt h es t a b i l i t yo ft h eg a sf i l mi s i m p o r t a n tt ot h es u r f a c eq u a l i t yo ft h es l a b ，t h ep r e s s u r eo ft h eg a sf i l mi se q u a lt ot h es t a t i c p r e s s u r ew h i c hp r o d u c e db yt h el i q u i dm e t a li nt h eh o tt o p w h e nt h eg a sf i l mi sc o n t i n u o u s ，i t c a nm a k et h ep r i m a r ys h e l ls t a b i l i t y , a n ds u r f a c eo fs l a bi sv e r ys l i p p e r y t h ec o n t i n u i t ya n d t h es t a b i l i t yo ft h eg a sf i l li sr e l a t et ot h eg a sv o l u m er a t e ，t h es u r f a c eo ft h ei n g o ti sv e r y s l i p p e r yi ft h eg a sv o l u m er a t ei sh i g h e rt h a nt h ec r i t i c a lv a l u e ，w h i l ei ti sl o w e r , t h eb a c k 东北大学硕士学位论文a b s t r a c t p r e s s u r ei sl o w e rt h a nt h el i q u i dp r e s s u r e ，t h es t a b i l i t yo ft h eg a sf i l mt u r n sw o r s e ，t h e r ea r e s o m ec r a c k sa n df o l dm a r k so nt h es u r f a c eo f t h ei n g o t ，a tt h es a m et i m e ，c a s t i n gs p e e di sa l s o i m p o r t a n tt ot h ei n g o tw h e nt h eg a sf i l mi sf o r m e d i ft h es p e e do ft h ec a s t i n gi sh i g h e rt h a n t h ec r i t i c a lv a l u e ，i tw i l ld oh a r mt ot h eg a sf i l m ，s ow em u s te n h a n c et h eg a sv o l u m er a t e w h e nr a p i dt h ec a s t i n gs p e e d t h r o u g ht h ee x p e r i e n c e 。w h e nt h eg a sv o l u m er a t ei s2 0 0 0 i m i n ，t h er e a s o n a b l es p e e di s4 0t o6 0a n n m i n k e yw o r d s ：c o n t i n u o u sc a s t i n ga l u m i n u m - a l l o y g a sf i l m s u r f a c eq u a l i t y t e m p e r a t u r e f i e l d i v - 声明 本人声明所呈交的学位论文是在导师的指导下完成的。论文中取得的 研究成果除加以标注和致谢的地方外，不包含其他人己经发表或撰写过的 研究成果，也不包括本人为获得其他学位而使用过的材料。与我一同工作 的同志对本研究所做的任何贡献均己在论文中作了明确的说明并表示谢 意。 学位论文作者签名：屈，：踢 日期：炒扩。- 9 厂 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者和指导教师完全了解东北大学有关保留、使用学位 论文的规定：即学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印 件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人同意东北大学可以将学位论文 的全部或部分内容编入有关数据库进行检索、交流。 学位论文作者签名： 日 期： 另外，如作者和导师不同意网上交流，请在下方签名；否则视为同意。 学位论文作者签名：屋、事舀 导师签名 东北大学硕士学位论文 绪论 1 1 综述 第一章绪论 铝及铝合金是有色金属中用途较为广泛的轻金属之一，具有密度小、重量轻、比强 度高、导电与导热性好以及较强的耐蚀性等优点。随着近代机械制造工业( 如航空、航 海、汽车工业) 的发展，石油化工、电信和原子能及空间技术等新型工业的崛起，铝合 金的使用量日益增加，因而在国民经济中占有重要的地位【l 】。 铸锭是铝及铝合金加工工艺中的重要组成部分，其主要目的是铸造成形，提供符合 加工要求的优质铸锭。在很大程度上，铸锭的质量影响压力加工过程和制品的质量，因 此，开发先进的铸锭工艺一直是冶金工作者的追求。随着铝及合金加工工艺的发展，铸 锭成形的方法在不断的改革。 d c 连铸技术自2 0 世纪4 0 年代开发以来，因其可以生产无收缩缺陷的铸坯，与模 铸工艺相比，具有铸坯质量好、收得率高、生产成本低、生产效率高、生产规格灵活等 优点而得到迅速发展【23 1 。目前，我国铝合金加工厂的铸锭生产，大多采用d c 半连续 铸造技术。 近7 0 年，铝合金棒坯连铸技术围绕着提高质量和生产效率，先后出现了多种方法，其 中比较典型的有传统直冷铸造、矮槽铸造、横向铸造、电磁铸造、热顶铸造、电磁 软接触铸造，气膜铸造。铸造方法不同，所得铸锭的表面质量及内部质量也不同。 在表面质量方面，传统直冷铸造生产的铸坯表面拉痕严重，成分偏析严重，有冷隔， 这是传统直冷铸造结晶器结构决定的。传统结晶器有效冷却高度较大，铸坯凝固释放的 热量大部分由结晶器导出，凝固部分在结晶器内行程长，摩擦阻力大，所以拉痕严重； 二次喷水冷却前己凝固部分局部重熔，溶质富集层渗透到铸坯表面形成偏析瘤，加重成 分偏析：热顶铸造生产的铸坯表面有拉痕，冷隔严重，成分偏析严重。电磁铸造生产的 铸坯表面质量最好，表面光洁，没有成分偏析和冷隔，因为在电磁铸造的过程中，金属 液与结晶器不接触，由电磁力约束成形，喷水直接冷却。气膜铸造生产的铸坯表面质量 接近电磁铸造，表面光洁，没有冷隔，成分偏析层很薄，是因为气膜大大降低了摩擦力， 它能够进一步降低结晶器的有效冷却高度，使铝合金液进入结晶器后不像热顶铸造那样 去充满结晶器，而是在气膜的约束下向下移动，这样可以减少或者杜绝结晶器的横向传 东北大学硕士学位论文 绪论 热，有效地解决了偏析的产生1 4 j 。 在内部质量方面，气膜铸造、热顶铸造生产的铸坯在内部晶粒大小一致性、枝晶臂 间距和非金属夹杂分布方面比电磁铸造、矮槽铸造、传统直冷铸造的好，液面平稳。由 于气膜铸造比热顶铸造的结晶器短，加之其隔热作用，因此二次冷却强度较高，所以， 铸棒内部的晶粒更细小、一致性更好、枝晶臂间距更短垆j 。 由于气膜铸造生产的铸坯具有良好的表面及内在质量，给挤压工序带来了许多好处 【5 】：改善型材挤压面的质量，从而提高型材电镀后的表面质量；提高挤压速度； 减少挤压摸具的抛光次数；提高型材的力学性能；减少挤压后截头的尺寸。 1 2 铝合金连铸技术发展 1 2 1 铝合金的凝固特点 铝合金由于含有多种合金元素，使其具有纯铝所无法比拟的优良性能。同时由于 多种合金元素的存在，影响了铝合金铸坯的凝固。因此为了得到高质量的连铸坯，必 须采取特殊的连铸工艺。 由于铝合金中的合金元素可能与氧、硫、氮等元素形成各种非金属夹杂物，影响 铝合金的使用性能和使用寿命 5 1 。 传统的d c 连铸设备由金属液分配系统、结晶器系统、二次冷却水系统以及引锭 系统组成，这四者决定着连铸工艺的成功与否，决定着连铸坯质量。在工业生产中， 为了提高生产率，常进行一机多流浇注，这时金属液的分配系统就决定着连铸生产能 否顺利进行。金属液的分配系统不仅可以避免结晶器的金属液位太高，起到一个截流 的作用，而且还可以在结晶器内按照一定控制的方式水平分配金属液，以便得到稳定 的组织和性能。 结晶器是连铸工艺的核心部分。传统连铸工艺的结晶器的主要材质有铝、铜、不 锈钢、石墨等，当采用石墨材质的结晶器时，由于石墨的自润滑作用，可以不使用润 滑剂。结晶器主要表现在对铸坯的初始冷却作用，它能够保证连铸坯在结晶器内得到 合适厚度的初始凝固壳，保证连铸坯在随后的冷却凝固过程中得到理想的铸态组织。 在传统的连铸工艺中，结晶器主要有整体式和组合式两种【2 “】。两种结晶器都有各自 的优缺点，其中组合式结晶器比较便宜，拆卸方便，由挤压或锻造的金属及板材组成。 其缺点是结晶器容易变形，在连铸过程中结晶器的连接处容易出现漏水、漏气，以及 东北大学硕士学位论文 绪论 连接处连接不牢，容易滑脱等问题，导致产品表面缺陷的产生以及拉裂等；整体式结 晶器是焊接或者铸造而成，刚性较大，能够承受较大的水压，使用寿命较长，在低头 操作条件下，能够表现出较好的使用性能。这类结晶器主要是由导热比较好的铝或者 铜合金组成。这类结晶器的缺点是拆卸不方便而且造价相对较高。 传统的结晶器对铸坯有一次冷却和二次冷却的作用，一次冷却靠结晶器壁及内部 的石墨环进行，冷却速度较慢。二次冷却是水冷系统对铸坯进行的直接喷淋冷却，冷 却强度高、速度快。冷却水可以直接进入结晶器冷却水箱，对结晶器内壁冷却，提高 一冷的传热速度：然后经过结晶器喷淋在铸坯上进行二次冷却，也可以直接经独立的 喷淋环喷淋在铸坯上。喷水角度及二冷水的压力、流量对铸坯的质量影响较大。喷水 过程中形成的水帘可确保铸锭拉出结晶器后下拉过程所需的迸一步冷却，对铸坯的凝 固起着主要作用。 引锭系统包括引锭头和牵引装置。引锭头可以根据拉坯方向安装在结晶器的下部 或者侧面，引锭头对开浇时进入结晶器的液体迸行冷却，然后在牵引装置的牵引下向 下或者侧面移动。铸坯随引锭头离开结晶器后，受n - 冷水的直接喷淋冷却，最后完 全凝固。 1 2 2 连铸技术中结晶器冷却区的划分 传统的冷却工艺中，通过结晶器的冷却作用，金属液在结晶器内形成初凝壳，有 足够的强度维持液态金属熔池。在一冷的作用下，液体金属凝固收缩，凝固坯壳与结 晶器内壁分开，然后被拉出结晶器外，受到二冷水的进一步冷却。结晶器的冷却和结 晶器外的二次冷却对铸坯的质量的影响非常显著，可以用冷却区的概念来描述连铸坯 在凝固过程中收到的冷却效果。一般来说，结晶器的冷却效果可以延伸到结晶器外， 在这段区域，结晶器对连铸坯起着冷却作用；同样，对于直接喷淋水冷却，在喷淋点 上某一区域因冷却效果的上传而存在上传距离，在上传距离内，喷淋水冷却起着一定 的冷却作用，两者可能重合也可能分开。因此，根据热流分布特点，铸坯受到的冷却 作用可粗略地分为三个区。 第一区，即金属液与结晶器壁接触区，也称一冷区。熔融金属一旦跟冷却壁接触， 立即形成个半固态的坯壳。该区内，刚结晶的外壳在液相穴内金属液静压力的作用 下，紧贴在结晶器器壁上，受到热和机械的作用，拉坯时摩擦阻力大。因此，最初形 成的外壳有可能被拉裂，甚至拉断。同时，在摩擦力的作用下，表层的氧化膜也有可 东北走学硕士学位论文 连接处连接不牢，容易滑脱等问题，导致产品表面缺陷的产生以及拉裂等；整体式结 晶器是焊接或者铸造而成，刚性较大，能够承受较大的水压，使用寿命较长，在低头 操作条件下，能够表现出较好的使用性能。这类结晶器主要是由导热比较好的铝或者 铜合余组成。这类结晶器的缺点是拆卸不方便而且造价相对较高。 传统的结晶器对铸坯有一次冷却和二次冷却的作用，一次冷却靠结晶器壁及内部 的石墨环进行，冷却速度较慢。二次冷却是水冷系统对铸坯进行的直接喷淋冷却，冷 却强度高、速度快。冷却水可咀直接进入结晶器冷却水箱，对结晶器内壁冷却，提高 一冷的传热速度；然后经过结晶器喷淋在铸坯上进行二次冷却，也可以直接经独立的 喷淋环喷淋在铸坯上。喷水角度及二冷水的压力、流量对铸坯的质量影响较大。喷水 过程中形成的水帘可确保铸锭拉出结晶器后下拉过程所需的进一步冷却，对铸坯的凝 固起着主要作用。 引锭系统包括引锭头和牵引装置。引锭头可以根据拉坯方向安装在结晶器的下部 或者侧面，引锭头对开浇时进入结晶器的液体进行冷却，然后在牵引装置的牵引下向 下或者侧面移动。铸坯随引锭头离开结晶器后，受n - 冷水的直接喷淋冷却，最后完 今凝固。 1 2 2 连铸技术中结晶器冷却区的划分 传统的冷却工艺中，通过结晶器的冷却作用，金属液在结晶器内形成初凝壳，有 足够的强度维持液态金属熔池。在一冷的作用下，液体金属凝固收缩，凝固坯壳与结 晶器内壁分开，然后被拉出结晶器外，受至l j _ - 冷水的进一步冷却。结晶器的冷却和结 晶器外的二次冷却对铸坯的质量的影响非常显著，可以用冷却区的概念来描述连铸坯 在凝固过程中收到的冷却效果。一般来说，结晶器的冷却效果可以延伸到结晶器外， 在这段区域，结晶器对连铸坯起着冷却作用；同样，对于直接喷淋水冷却，在喷淋点 上某一区域因冷却效果的上传而存在上传距离，在上传距离内，喷淋水冷却起着一定 的冷却作用，两者可能重合也可能分开。因此，根据热流分布特点，铸坯受到的冷却 作用可粗略地分为三个区。 第一区，即金属液与结晶器壁接触区，也称一冷区。熔融金属一旦跟冷却壁接触， 立即形成个半固态的坯壳。该区内，刚结晶的外壳在液相穴内金属液静压力的作用 下，紧贴在结晶器器壁上，受到热和机械的作用，拉坯时摩擦阻力大。困此，最初形 成的外壳有可能被拉裂，甚至拉断。同时，在摩擦力的作用下，表层的氧化膜也有可 成的外壳有可能被拉裂，甚至拉断。同时，在摩擦力的作用下，表层的氧化膜也有可 东北走学硕士学位论文 绪论 能被破坏，这为以后形成偏析瘤创造了条件。一区内任意截面上的冷却速度，都是从 外向中心逐渐减小，因而最大收缩位于外层，低熔点成分通常被挤到中心。 第二区，即气隙形成区。在该区，冷却速度逐渐下降，一直降到极小值。如果拉 坯速度足够高，便会出现冷却速度达到零的区域，再往下，铸坯表面温度反而会升高， 即出现“回热”现象。在二区任意截面上最大 冷却速度处于铸坯内部某一位置上，冷却速度 从此位置开始，无论向铸坯中心，还是向外壳 均减小。而且当存在回热区时，被加热的速度 从零开始增加，在铸坯外壳达到极大值。 第三区，即二次水冷区，也称为二冷区， 从喷淋点上某一位置到铸坯完全凝固为止。三 区和一区相似，从铸坯外壳到铸坯中心的任意 截面上的冷却速度都是逐渐降低的。由于铸坯 表层具有最大冷却速度，因此，金属液不会再 被挤向表层，而是挤向铸坯中心。 1 2 3 冷却区的分布对连铸坯质量的影响 1 一冷区2 气隙区3 二冷区 图1 1 结晶器冷却区的分布示意图 f i g 1 1t h ed i s t r i b u t i n gc o o l i n ga r e a d i a g r a mo f t h em o u l d 不同冷却区域的分布对铸坯的完整性、铸坯皮下组织结构、内部质量产生不同的 影响。当结晶器内金属液位较高或冷却强度过大时，一次冷却区和二次冷却区分离， 这样相对减慢了冷却速度，导致铸坯晶粒粗大；在低头操作或者结晶器冷却强度较小 时，结晶器内一次冷却区和二次冷却区重叠，内部晶粒组织比较理想。冷却区的分布 对铸坯内部晶粒尺寸的这种影响主要由结晶器内是否存在气隙区而造成的。在冷却强 度较大的传统深结晶器内，一冷区和二冷区分开，两者之间存在气隙区，气隙区内铸 坯受到的冷却强度急剧下降，导致铸坯表面产生“回热”现象，促使熔析、偏析等缺 陷的产生；相反，在浅结晶器的条件下，因为一冷区和二冷区部分重叠，不存在气隙 区，冷却强度变化较平缓，铸坯质量高r ”。 气隙的形成与拉坯速度、合金成分密切相关，文献表明i 8 l ，不同成分的合金在 相同的浇注工艺条件下，其在结晶器内的冷却速率不相同。凝固温度范围窄的铝合金 凝固收缩比凝固温度范围宽的铝合金大，铸坯的坯壳很快离开结晶器内壁。气隙厚度 增加，阻碍了结晶器内的传热，同时，这类合金的初始坯壳的强度更大，能够抵抗 东北大学硕士学位论文 绪论 金属液的静压力，阻碍结晶器内的传热。如5 1 8 2 和7 0 7 5 铝合金的凝固温度范围比 1 l o o 铝合金的凝固温度范围大得多，实验研究发现，前两者的冷却速率比1 1 0 0 铝合 金的冷却速率快8 0 。因此，结晶器和铸坯之间的传热系数与凝固温度范围成正比， 可能产生的气隙厚度以及气隙区的大小与凝固温度范围成反比。 气隙的形成不能简单地用凝固坯壳理论来解释，因为纯粹的热应变还不能产生所 观察到的那样大尺寸的气隙，除坯壳本身收缩外，坯壳内的热应变以及因结晶器下部 铸坯凝固收缩而作用在铸坯上部的作用力也起着重要的作用。因此，气隙的形成机理 可解释为：由于连铸工艺中冷却区分布不合理，一冷区冷却过强，同时一次冷却区和 二次冷却区分开，作用在凝固坯壳上的各种力使得结晶器下部局部的连铸坯壳离开结 晶器内壁产生的【”。事实上，导致铸坯产生收缩的作用同时也受到金属液静压力的反 作用，这种正作用与反作用的综合结果经常导致铸坯在结晶器高度方向和周向方向上 产生的收缩量不一样，故气隙分布的一个重要特点就是在结晶器周向及纵向方向上是 不连续的，是局部的气隙【l o l 。 d c 连铸坯中的各种缺陷与铸坯冷却凝固过程中形成的气隙密切相关。结晶器内 的这种气隙常导致铸坯表面产生回热现象，铸坯表面产生波动性的冷隔、泡状缺陷等。 对于结晶温度范围窄的铝合金，这种波动的综合作用会促使铸坯表面离开结晶器内 壁，初始凝固坯壳一离开结晶器内壁就能达到足够的强度和刚度，弯月面上部铝合金 溶液就会填充到结晶器内壁与初始坯壳之间，从而形成冷隔缺陷。对于结晶温度范围 宽的铝合金。因为铸坯的强度和刚度较低，在金属液的静压力作用下，结晶器内部铸 坯的上部与结晶器内壁接触。若下部形成气隙，就可能会因金属液的渗漏而形成泡状 表面。如5 1 8 2 和7 0 7 5 合金就因坯壳的强度较1 1 0 0 合金低，增加了坯壳与结晶器接 触的程度和传热量，更易产生泡状缺陷，而1 1 0 0 铝合金更容易形成冷隔缺陷。因此， 合理控制坯壳的强度，消除连铸坯表面“回热”现象，对防止冷隔、泡状等缺陷的产 生非常重要。试验中，可以通过增大拉坯速度、减小通过结晶器传出的热量来降低坯 壳的强度，或者增加金属液的静压力对凝固坯壳的作用来消除坯壳硬度增强的不利影 响。 铸坯表面回热度过大的直接后果就是重熔，从而导致铸坯产生皮下反偏析、铸坯 内部晶粒粗大等缺陷。皮下反偏析是指铸坯皮下5 0 1 0 0 0 pm 深度处合金元素的“富 聚”现象( 溶质分配系数小于1 的铝合金) ，是大多数铝合金连铸坯的常见缺陷【9 12 1 ， 在热轧过程中它常导致铸坯产生角部裂纹【9 1 。传统直接挤压连铸坯工艺中，为提高金 东北大学硕士学位论文 绪论 属的收得率，越来越倾向于尽量减少铸坯头部的切除量，挤压模具的尺寸也越来越接 近铸坯的尺寸，因此必须降低皮下偏析层的厚度。对于间接或静挤压工艺，则要求铣 去连铸坯的皮下反偏析层。 现有解释皮下反偏析的理论主要有：a d a m s 在1 9 4 8 年提出，由w e i b u r g 和k a e r n f f e r 在1 9 7 1 证实的理论1 8 1 。该理论认为当铸坯表面发生回热时，铸坯的坯壳发生部分重 熔，在金属液静压力、坯壳冷凝收缩力的作用下，富含合金元素的金属液通过凝固坯 壳枝晶间的缝隙渗透到铸坯皮下层，随着铸坯进一步凝固，便形成反偏析层。当“回 热”过于剧烈，剩余熔体或者重熔的富集合金组元的低熔点成分在金属液静压力或体 积减小产生的附加力作用下，通过晶间的缝隙流到表面上，形成偏析瘤缺陷。文献中 认为，在较慢的冷却条件下，该理论能够较好的解释高合金成分、凝固温度范围宽的 合金如2 0 2 6 、5 0 5 6 的皮下反偏析形成机理。v a r t k l e e c k 等人则认为反偏析是在结晶器 弯月面初始凝固坯壳的裂纹处形成的，这一理论只能解释少部分合金在特定条件下反 偏析的形成机理，具有局限性。j g m c c u b b i n 通过实验研究认为 9 1 ，在低合金中，反 偏析是反向凝固前沿正偏析的结果，认为正常的d c 连铸工艺中，结晶器弯月面有两 种不同的形态，一种是弯月面完全静止，结晶器上部的氧化帽是静止的；另外一种形 态是弯月面不断波动，弯月匿的波动导致坯壳顶端不停的波动，在坯壳缓慢向上移动 时，凝固前沿溶质析出，向下移动时，凝固前沿吸收溶质，而凝固方向朝着结晶器内 壁的方向。因而形成反偏析。在靠近结晶器内壁的铸坯表层几百微米的断面上，铸坯 的凝固方向朝着结晶器内壁方向，而不是通常认为的朝着铸坯中心方向凝固的，由于 凝固方向相反，在正偏析的条件下，铸坯横断面上就形成传统观念认为的反偏析缺陷。 现在，一般认为皮下反偏析的形成与铸坯在结晶器内的回热密切相关，降低铸坯表面 回热度有利于降低反偏析层厚度。 因此，为得到高质量的铸坯，应尽可能地避免铸坯表面发生“回热现象”，消除气 隙区，使连铸工艺的冷区和二冷区重叠。 1 2 4 改善连铸坯质量的措施 由于d c 连铸坯的冷隔、气泡、晶粒粗大、皮下反偏析等缺陷的形成均与结晶器 内一冷区、二冷区的分布及其冷却效果的大小密切相关。为降低皮下反偏析层厚度， 消除冷隔等缺陷，得到高质量的铸坯，必须尽可能地消除气隙区，促使一冷区、二冷 区部分重合。通常，可采取三种途经来满足这一要求：结晶器内液位尽可能低；减少 东北大学硕士学位论文 结晶器内有效传热系数：减小结晶器的有效冷却长度。 ( 1 ) 降低结晶器内金属液位高度 降低结晶器内金属液的液位必须严格控制操作，因为在此条件下，极易拉漏。 开始浇注时，采用低液位方式操作，结晶器下部铸坯受到结晶器壁和引锭头的激冷作 用而强烈收缩，带动上部铸坯的初始凝固坯壳向金属液中心移动，产生较宽的气隙， 严重时发生局部漏铝，使结晶器与引锭头发生粘结。导致拉坯困难。因此，结合深结 晶器的安全性和浅结晶器连铸坯质量好的优点，通过升高操作平台是一种切实可行的 办法。例如，开浇时可以控制液位高度1 0 0 r a m ，当连铸到达稳态时，可以调整操作 平台，使液位控制在5 0 m m 左右。然而这一技术在多流操作条件下具有缺陷性，因为 溜槽必须足够长，同时在热应力的影响下，溜槽会产生变形，导致铝液分配不均，结 晶器内液位相应地也高低不平，铸坯表面质量就产生较大的差异。在没有特殊液位控 制的条件下，要想将结晶器内液位控制到非常低的水平以完全消除冷隔和气泡等缺陷 几乎是不可能的。 ( 2 ) 降低结晶器的有效传热系数 结晶器内的气隙可以通过降低结晶器内的有效传热系数来消除，因此，减少铸坯 表面缺陷的第二个有效方法就是降低结晶器内的有效传热系数。在这种工艺条件下， 铸坯初始坯壳较薄，气隙长度变短。在结晶器壁上加工纵向的细小浅沟，金属液因表 面张力的作用不会填充到沟里去，从而在结晶器内壁和铸坯的坯壳之间产生均匀气 隙，减少了结晶器内的有效换热系数。这一技术可以应用在纯铝浇注中，因为纯铝的 表面张力大，但是对于铝合金而言，很少成功。 ( 3 ) 减小结晶器的有效冷却长度 在结晶器内上部安装隔热玻璃纤维套、柔性耐火材料或热顶装置，结晶器内只有 下部2 5 5 0 m m 区域能够对一冷起作用，可以减小结晶器的有效冷却长度。这一工艺 的优点在于其容易实现，成本低，拉漏的风险较小，而且对于不同系列铝合金，其有 效冷却长度可以调整。 1 2 5 二次冷却水的传热模式 冷却水的水质、冷却模式、冷却工艺参数对铸坯质量有重要影响【1 3 】。在d c 连铸 工艺中，通过控制冷却水的水质、利用不同模式的冷却效果存在的差异，可以很好地 控制铸坯的表面质量。冷却水中的钙物质沉淀在铸坯表面时会对铸坯表面产生污点； 东北大学硕士学位论文 绪论 对冷却水进行处理、在水中添加无机阳离子、阳性电解质可增加沸腾传热效率；相反 向冷却水中加入可压缩气体、添加表面活性物质或阴性电解质则可降低沸腾传热速 率。 通常，在二次水冷区，二次冷却水和铸锭表面有四种热交换模式：高温下稳定的 膜沸腾( 3 5 0 。c 以上) 、过渡沸腾( 2 0 0 3 5 0 ) 、形核沸腾( 稍高于1 0 0 * c ) 和对流 传热。这些模式存在于铸锭表面的不同区域中，其实质是形核、沸腾点的变化、界面 张力、表面负荷现象对沸腾传热的综合影响所表现出的不同形式【1 4 l 。当冷却水与铸 锭表面刚刚接触时，膜沸腾模式为主要模式；当冷却过程开始以后，传热模式由膜沸 腾模式向过渡沸腾模式最终达到形核沸腾模式。这一过程中，铸锭的表面质量不但受 冷却模式的影响，而且受到冷却水的压力、冷却水流量、水质以及结晶器喷射角度的 影响。由于不同状态下的传热模式，其传热速率是不一样的。利用不同的传热模式可 以控制大断面铸坯开浇时所遇到的质量问题。 1 2 6 改善开浇时铸坯质量的措施 在d c 连铸工艺中，开浇时冷却速率的控制对铸坯质量有很重要的影响。通常， 铸坯开始拉出阶段的冷却速率显著大于铸坯在稳态浇注条件下的冷却速率【”m ”，这 是因为在开始浇注阶段，铸坯的头部既受到结晶嚣底部引锭头的冷却作用，也受到冷 却水的直接冷却作用，这种强烈的冷却作用导致铸坯内部产生较大的热应力，使得铸 坯变形，导致铸坯头部产生弯曲、鼓肚、颈锁、头部裂纹等缺陷 1 8 - 2 i l 。 通常，控制冷却速度的方法有：脉冲水流法、弯曲结晶器法、冷却水中加入压缩 空气法，其中前两种工艺机理较复杂，应用不多。在d c 连铸坯头部弯曲变形处，利 用冷却水的膜沸腾，降低铸坯头部的冷却，可以减轻铸坯头部的弯曲程度，还可以通 过向冷却水中加入化学添加剂或加入不可压缩的无色、无味，且在水中有较大的溶解 度，对环境无害的气体来实现。二氧化碳气体就是一种效果比较理想的气体，而且价 格低廉；当冷却水与铸坯表面接触时，若总的蒸气压力超过大气压，冷却介质就产生 沸腾。当溶解气体从冷却水中释放出来时，降低了冷却水的沸腾点，也可导致膜沸腾 产生，由于冷却水中溶解的这种不可压缩气体的效果是临时的，故能更好地改善传热。 为了减少开浇时铸坯头部变形的问题，还可以在开浇时采用深熔池或者采用深冷 却长度，然后在稳态时降低熔池深度或冷却长度，这样结晶器内的冷却对铸坯刚开始 冷却起着支配作用，相应地，引锭头的冷却强度降低。实现这一措施的有效方法就是 东北大学硕士学位论文 绪论 采用升高铸造平台的方法，稳态时再降低操作平台。除了上述措施外，还可以选用形 状合理的引锭头，降低开浇时该处的冷却强度【2 2 埘】。 1 3 各种连铸方法 在d c 连铸工艺的发展过程中，传统工艺的结晶器均较深，为生产出细晶粒，组 织均匀的铸坯，冶金工作者把主要的目标放在减小一冷区的长度上。6 0 年代，由于 更大尺寸结晶器的应用，为满足金属液位控制所必须保证的液位，要求结晶器具有一 定的深度，因此一冷区和二冷区常分开，结晶器内极易形成气隙，导致铸坯产生这样 或者那样的缺陷。随着现代工业的发展，对铝加工产品质量的要求日益提高，为解决 铸坯质量问题，冶金工作者在传统工艺的基础上开发出各种各样的新技术。 1 3 1 传统直冷铸造 传统直冷铸造，是最早用于铝合金连续铸造的 方法，其原理如图1 2 所示。 结晶器有效冷却高度较大，一般为8 0m m 1 2 0 m m 2 52 6 1 ，由多个浇口同时垂直浇注。由于结晶器有 效冷却高度大，因而铸型的传热面积也很大，所以 凝固收缩大，已凝固部分从凝固开始点以下几毫米 起离开铸型，产生间隙，充满空气的间隙阻碍铸型进 一步导热，内部的热量会使这部分圆体外壳在喷水 图1 ，2 传统直冷铸造 f i g 1 2t h et r a d i t i o n a l d i r e c tc a s t i n g 二次冷却前温度升高，局部重熔，金属液压头把凝固前沿的溶质富集层推向表面，在铸 坯表层形成偏析瘤，铸坯表面存在皱皮、拉痕、裂纹等缺陷。现在这种方法基本上己被 淘汰。 1 3 2 矮槽铸造 东北大学硕士学位论文 降低结晶器有效冷却高度 至2 5 4 0m m 【2 7 】，减少结晶 器导热，可以改善铸坯的表面 及内在品质，于是出现了矮槽 铸造。早期的矮槽铸造只是简 单地降低结晶器的高度，这样 低的液面高度在浇注开始时 很难控制住，操作稍有疏忽， 容易飞溅、漏铝，对工人的操 作技术和体力要求很高，而且 每个铸次的压头都不一样，铸 图1 3 矮槽铸造原理图 f i g 1 3t h ep r i n c i p l ed i a g r a o ft h e l o wg r o o v e 棒品质的一致性较差。瑞士a l u s u i s s e 公司发明的i s o c a s t 法f 28 j 与传统直冷铸造 不同之处在于，安装结晶器的铸造台可以升降，流盘下面有浮动漏斗；浇注开始时，台 位低，金属液充满结晶器，液面高( 图1 3 a ) ，开车后，台面升高，液面降低( 图1 3 b ) ，进 入正常连铸阶段。这样避免了因结晶器高度低，浇注开始时，金属液溢出结晶器，发生 飞溅和漏铝的危险，从而达到降低结晶器有效冷却高度、减少结晶器导热的目的，因而 铸坯的内在质量和表面质量有很大改善。国内采用先垫高流盘，使浇注开始时液面高一 些，易于操作和控制，不致漏铝；开车后，再放低流盘，使液面降低到正常连铸的高度。 大直径棒坯，尤其是高强度多元铝合金棒坯，仍然在用这种方法生产。 1 3 3 横向铸造 上世纪六、七十年代，国内、外为了解 决小直径棒坯连铸难题，研制了横向水平 连铸，其原理如图1 4 所示，用中间罐代 替流盘，导流板代替漏斗，改竖向拉出为 横向引出：再配以同步锯，定长锯切，真 正成为连续铸造。横向水平连铸【2 9 】，国 内用于生产0 8 l 姗、0 9 1 m m 、m 1 2 4r a i n 、 0 1 4 2t o n i 、o l5 2i n m5 种规格的铸坯，1 图1 4 横向水平铸造示意图 f i g 1 4t h e d i a g r a m o f l a n d s c a p eo r i e n a t i o nc a s t i n g 东北大学硕士学位论文 次可铸4 6 根，国外用于生产( i ) 1 5 51 1 1 2 1 直径以下的棒坯，1 次可铸6 9 根。该工艺 的显著优点是，不用挖地坑，不用建很高的厂房，因而投资少：不足的是生产效率远不 及立式，由于重力影响传热和传质，铸棒截面圆周方向的组织有差异。这种方法在方坯 中应用较广。 1 3 4 电磁铸造 电磁铸造是由前苏联学者g e ts e l e v 等提出的【3 0 1 ，利用电磁感应原理实现无模连续铸 造技术。由于电磁铸造依靠箍单的电磁感应器产生的电磁压力约束液态金属成形，熔体 在自由表面状态下凝固，实现了真正的无模连铸。从传热学上来看，由于电磁铸造不使 用结晶器，铸锭在凝固过程中没有横向传热，可以实现自下而上的单向冷却，从而极大 地改善了铸锭的表面质量和内部质量。同时，铸造过程中伴随着定的电磁搅拌作用，使 得铸锭的晶粒细小，成分偏析得以改善，材料的力学性能明显提高。近年来，电磁铸造 技术虽然取得了长足的进步，但是也存在问题，同一根铸坯局部粗细不均匀，电磁场干 扰使该技术不适于一次连铸多根捧坯，设备成本非常高。e m c 法没有大规模用于铝合 金棒坯生产。 1 3 5 热顶铸造 该方法的原理如图1 5 ，图1 6 所示【3 l j ， 在传统d c 法的结晶器上加上耐火材料套，降 低结晶器的有效冷却高度，减少了结晶器传热。 而且采用水平浇注，在浇注系统上安装液面控 制器，很容易控制铝合金液面高度，铝合金流 动平稳，避免了浇注时扰动、裹气，铸坯的内 图1 _ 5 热顶铸造示意图 在质量稳定。但是铸坯表层出现隐藏式冷隔， 8 i g 1 57 “。d i 8 9 。“。ft h 。h 。 铸坯的表面拉痕严重；隐藏式冷隔的出现在使t o p “吼”8 铸坯的成分偏析厚度超过1m m f 3 2 】；结晶器镶上石墨环，在浇铸过程中不间断地使用润 滑油，可以减轻隐藏式冷隔和拉