第三講 銅及銅合金鑄造技術(shù)

第三講銅及銅合金熔煉與鑄造技術(shù)

第5章銅及銅合金熔煉工藝5.1紫銅熔煉5.1.1普通純銅熔煉

普通純銅分為:一種是低氧銅其氧含量0.002%～0.004%或者更低，另一種是含氧銅其氧含量0.01%以上。

熔煉普通純銅普遍選用工頻有鐵芯感應(yīng)電爐。木炭是在熔煉普通純銅最常用的覆蓋材料，也可采用炭黑、焦炭和石墨粉。熔池表面上的大約150～200mm厚的木炭覆蓋層，防氧化和保溫作用。熔煉含氧銅時(shí)，可在已熔化的銅液中直接通入空氣或者含氧氣體，使熔體中氧的含量達(dá)到一定值時(shí)停止，然后在熔體表面上覆以某種還原劑，或者采用加入其他種脫氧劑（Cu-P,Cu-Ca），的方法將多余的氧除去，使氧含量降低到所希望的范圍。5.1.2磷脫氧銅熔煉磷脫氧銅幾乎可以在所有的感應(yīng)爐中熔煉。若用豎式爐或電弧爐熔煉時(shí)磷應(yīng)該是在保溫爐或流槽、中間澆注包等中間裝置中加人。磷的熔點(diǎn)和沸點(diǎn)都遠(yuǎn)低于熔煉溫度，而且熔體中的磷又可能被脫氧反應(yīng)所消耗，因此磷含量的控制是個(gè)比較突出的工藝問(wèn)題。另外，還必須考慮到連續(xù)鑄造期間的消耗，例如考慮在鑄造過(guò)程進(jìn)行中定期向熔體補(bǔ)加一定數(shù)量的磷，或者從澆注一開始就連續(xù)不斷地在流槽或中間包中不斷地添加磷。球狀的小顆粒Cu-P中間合金，更適合于澆注過(guò)程中連續(xù)加磷的精確控制。5.1.3無(wú)氧銅熔煉無(wú)氧銅應(yīng)分為普通無(wú)氧銅和高純無(wú)氧銅。普通無(wú)氧銅可以在工頻有鐵芯感應(yīng)電爐中熔煉，非常重要的高純無(wú)氧銅的熔煉最好在真空感應(yīng)電爐中進(jìn)行。熔煉無(wú)氧銅以優(yōu)質(zhì)陰極銅作原料，熔煉高純無(wú)氧銅以高純陰極銅作原料。陰極銅在進(jìn)入爐膛之前，需經(jīng)過(guò)干燥和預(yù)熱，除去其表面可能吸附的水分或潮濕空氣。熔煉無(wú)氧銅的感應(yīng)電爐應(yīng)該具有良好的密封性。為了不使熔體受到污染，無(wú)氧銅一般不加任何添加劑，熔池表面覆蓋木炭（還原性氣氛），覆蓋的木炭層厚度應(yīng)該比熔煉普通純銅時(shí)加倍，并需要及時(shí)更新木炭。不僅對(duì)熔煉過(guò)程，包括爐料的干燥預(yù)熱、轉(zhuǎn)注流槽（使其具有精煉銅液的功能）、澆注室等都需要采用全面的保護(hù)。另外，在熔煉爐和澆注爐底部設(shè)置透氣磚，通過(guò)透氣磚向爐內(nèi)輸送CO或N2氣體的方式，從而達(dá)到進(jìn)一步脫氧的目的。真空熔煉使無(wú)氧銅使氧含量大大降低，同時(shí)也可以使氫以及某些其他雜質(zhì)元素的含量亦同時(shí)大大降低。表5-1無(wú)氧銅真空熔煉與大氣熔煉的質(zhì)量比較精煉無(wú)氧銅有許多不同的方法，例如:(1)在真空下向熔體中吹惰性氣體的銅精煉工藝。將銅水包置于真空室中，然后通過(guò)銅水包底部的管子向熔體中吹惰性氣體。

(2)銅液經(jīng)過(guò)一個(gè)具有較長(zhǎng)路徑的流槽，流槽置于真空室中，所有被澆注的銅液都須經(jīng)過(guò)真空精煉。表5-2加工紫銅的熔煉技術(shù)條件5.2.1普通黃銅熔煉使用舊料熔煉黃銅時(shí)，對(duì)易燒損元素應(yīng)進(jìn)行補(bǔ)償，鋅的補(bǔ)償量按爐料計(jì)為:

高鋅黃銅（Zn>20%）1.2%～2.0%

中鋅黃銅(Zn=10～20%)0.4%～0.7%

低鋅黃銅(Zn<4%)0.2%其他元素補(bǔ)償量錫：0.05%、鋁：0.1%～0.15%、錳：0.1%～0.3%、鈹：0%～0.01%、砷：0%～0.01%、銻0%～0.01%。

熔煉黃銅的設(shè)備，大多采用硅砂爐襯的工頻有芯感應(yīng)電爐。普通黃銅熔煉的技術(shù)見下表5-3。5.2黃銅熔煉表5-3普通黃銅的熔煉技術(shù)條件除用木炭作覆蓋劑外，生產(chǎn)中還采用各種由鹽類組成的熔劑覆蓋劑，組成為60%NaCI,30%Na2CO3,10%Na3AlF6（冰晶石）的混合熔劑，當(dāng)使用量為爐料的0.5%左右時(shí)，熔煉過(guò)程中隨著除渣而損失的金屬數(shù)量可減少一半。另外一種比較理想的熔劑組成為硅酸鹽(mNa2O.nSiO2)50%、硼砂30%和冰晶石20%，使用量?jī)H為爐料的0.2%～0.4%。優(yōu)良的熔劑應(yīng)該同時(shí)具有保護(hù)熔體和成渣的作用。鋅的蒸發(fā)能有利于熔體中各種氣體的排出，因此“噴火”已成為所有高鋅黃銅除氣精煉的主要工藝手段。

低溫加鋅，幾乎是所有黃銅熔煉過(guò)程中都必須遵循的一項(xiàng)基本原則。低溫加鋅不僅可以減少鋅的燒損，同時(shí)也有利于熔煉作業(yè)的安全進(jìn)行。在工頻有鐵芯感應(yīng)電爐中熔煉黃銅時(shí)，一般不必另外添加脫氧劑。只有當(dāng)熔體質(zhì)量較差時(shí)，才按投料量0.001%～0.01%比例的磷進(jìn)行輔助脫氧，磷可以增加熔體的流動(dòng)性。加入少量的磷還可以在熔池表面形成由2ZnO.P2O5組成的較有彈性的氧化膜。表5-4

H80熔鑄卡片（適用范圍：有芯工頻電爐）

5.3.1.1鋁黃銅熔煉鋁黃銅在熔煉過(guò)程中容易起“沫”，以及容易被鋁或其他的金屬氧化物夾雜所沾污。熔體表面上若存在鋁的氧化物薄膜，可對(duì)熔體有一定保護(hù)作用，熔化時(shí)可不用加覆蓋劑。理論上分析:在有Al2O3膜保護(hù)的熔池內(nèi)加人鋅時(shí)可以減少鋅的揮發(fā)損失。由于鋅的沸騰可能使氧化膜遭到破壞，因此加入合適的熔劑（如冰晶石）能避免或減少鋅的燒損。5.3.1復(fù)雜黃銅熔煉鋁黃銅熔體決不允許過(guò)熱，以防熔體大量氧化和吸氣。如果熔體中氣體含量比較多，可以選擇熔劑覆蓋進(jìn)行精煉，或者采用惰性氣體精煉，包括在澆注前更新熔劑并進(jìn)行重復(fù)精煉，以及采用鐘罩將氯鹽壓入熔體中進(jìn)行熔體精煉的方式。復(fù)雜鋁黃銅中的鐵、錳、硅等高熔點(diǎn)合金元素，應(yīng)該以Cu-Fe,Cu-Mn等中間合金形式使用。采用純金屬作爐料時(shí)，應(yīng)該在它們?nèi)刍笙扔昧走M(jìn)行脫氧，接著加入錳(Cu-Mn)、鐵(Cu-Fe)，然后加鋁，最后加鋅。銅和鋁的熔合可以放出大量的熱，可加速熔化，但激烈的放熱反應(yīng)使熔池局部溫度過(guò)高，鋅激烈揮發(fā)可能會(huì)造成火焰噴出。應(yīng)盡可能的采用較低的熔煉溫度，通常以1000～1050℃為宜。5.4.1錫青銅熔煉錫青銅中最有害的雜質(zhì)是鋁、硅和鎂，當(dāng)它們的含量超過(guò)0.005%時(shí)，產(chǎn)生的SiO2,MgO和Al2O3氧化物夾雜可以污染熔體，并且降低合金某些方面的性能。5.4青銅熔煉圖5-5錫青銅組元及某些雜質(zhì)對(duì)鑄造性能和組織結(jié)構(gòu)的影響評(píng)價(jià)青銅中易損耗元素有磷、鈹、錳、鋁、鈦、鋅、鋯、鎘、鉻、硅、鎂等，這些元素在配料時(shí)，應(yīng)取標(biāo)準(zhǔn)成分的上限;不易損耗元素有銅、鎳、鐵、錫、鉛等，配料比可取標(biāo)準(zhǔn)成分的中限或下限。表5-6錫青銅的配料比表5-7錫青銅的熔煉技術(shù)條件熔煉含有磷的錫青銅多采用木炭，或石油焦等碳質(zhì)材料覆蓋熔體。當(dāng)熔體被某些雜質(zhì)污染時(shí)，可通過(guò)吹入空氣或借助加入氧化劑例如氧化銅將其氧化清除。嚴(yán)重污染時(shí)，可以通過(guò)采用熔劑或惰性氣體精煉。表5-8

QSn-4-3熔鑄卡片（適用范圍：中、工頻電爐）5.4.2.1鋁青銅熔煉從表5-9可以看出:從有利于改善鑄造性能方面考慮，鐵、砷、鎂、鋅和錫等都屬于有不利影響的元素。表5-9鋁青銅組元及某些雜質(zhì)元素對(duì)鑄造性能和組織結(jié)構(gòu)的影響評(píng)價(jià)5.4.2鋁青銅和硅青銅熔煉表5-10鋁青銅的配料比表5-11鋁青銅熔煉的技術(shù)條件按照合金元素的難熔程度順序控制加料和熔化順序:鐵、錳、鎳、銅、鋁。由于鋁和銅熔合時(shí)伴隨著放熱效應(yīng)，可被利用于熔化預(yù)先留下部分銅，此預(yù)先被留下的部分銅俗稱“冷卻料”。由于錳能促進(jìn)鐵的溶解，先加入錳，再加鐵。為避免熔體中產(chǎn)生NiO和NiO.Cu2O等夾雜物，應(yīng)注意避免熔體的氧化，必要時(shí)亦可在銅熔化后先進(jìn)行脫氧。表5-12精煉鋁青銅用的某些溶劑組成及消耗量精煉鋁青銅，亦可采用混合型熔劑，例如采用木炭與冰晶石比例為2:1的混合型熔劑。有些工廠采用易揮發(fā)的氯鹽精煉鋁青銅熔體，用石墨制鐘罩將其壓人到熔體中。揮發(fā)性氯鹽例如AlCl3升華時(shí)，形成的氯氣泡可以將熔體中懸浮著的氧化夾雜物帶到熔體表面。精煉期間，如果能夠靜置5～10min，則更有利于提高精煉效果。在燃?xì)鉅t中熔煉鋁青銅時(shí)，常常在澆注開始之前對(duì)熔體進(jìn)行吹氮?dú)馍踔翚鍤馓幚恚匀コ垠w在熔煉過(guò)程中所吸收的氫。氮吹入量視熔體質(zhì)量而定，例如氮的吹入量為20L/100kg熔體。表5-13

QAl9-4熔鑄卡片（適用范圍：中、工頻電爐）表5-14QAl9-4熔鑄卡片（適用范圍：中、工頻電爐）5.4.2.2硅青銅的熔煉硅青銅的熔煉特性與鋁青銅相似，硅具有自脫氧作用，其熔體的吸氣性比較強(qiáng)。采用感應(yīng)電爐熔煉時(shí)可以不用覆蓋劑。熔池表面上的SiO2膜可以保護(hù)內(nèi)部熔體免受進(jìn)一步氧化。若采用木炭覆蓋，則木炭必須是已經(jīng)經(jīng)過(guò)了干餾處理。硅青銅中的硅、錳和鎳等合金元素，在中頻無(wú)芯感應(yīng)爐中都可以直接進(jìn)行熔化。然而，如果預(yù)先將它們制成Cu-Si、Cu-Mn和Cu-Ni等中間合金，則可大大降低熔煉溫度、減少吸氣并縮短熔化時(shí)間。熔煉硅青銅所用的原料必須干燥。細(xì)碎的或者潮濕的爐料，一般不能直接投爐使用。5.5白銅熔煉白銅中易損耗元素有錳、鋅、鋁等，這些元素的配料比應(yīng)取標(biāo)準(zhǔn)成分的上限。白銅中不易損耗元素有銅、鎳、鐵、鉛等，這些元素的配料比應(yīng)取標(biāo)準(zhǔn)成分的中限或下限。工廠中制定的白銅爐料和脫氧劑的配料比實(shí)例如表5-15。熔煉過(guò)程中，由于氧化而產(chǎn)生的NiO和Cu2O都屬于堿性氧化物，若爐襯材料選用的是以SiO2為主要成分的石英砂材料，NiO和Cu2O都可以與SiO2發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，結(jié)果爐襯被侵蝕。鎳的含量越高，熔體對(duì)爐襯耐火材料的侵蝕越嚴(yán)重。表5-15爐料和脫氧劑的配料比注：表中帶斜線的數(shù)字，上面為新料配料比，下面為舊料補(bǔ)償，無(wú)斜線的數(shù)字是新料配料比。表5-16白銅熔煉的主要技術(shù)條件為了獲得氫和碳含量都比較低的熔體，必要時(shí)可以采用氧化-還原精煉工藝。例如:開始在木炭覆蓋下進(jìn)行熔煉，當(dāng)熔體達(dá)到1250℃時(shí)迅速清除木炭并在無(wú)任何覆蓋情況下，使熔體直接暴露在空氣中3～5min，或者直接把氧化鎳加在熔池表面上，然后在出爐前再進(jìn)行脫氧。熔煉鋅白銅時(shí)，可使用適量的冰晶石進(jìn)行清渣。熔煉白銅容易吸氫，白銅中氫的含量隨著含鎳量的增加而增大。采用木炭作覆蓋劑熔煉白銅時(shí)，熔煉溫度不宜超過(guò)1350℃。熔煉鎳含量較高的白銅時(shí)，當(dāng)熔體與木炭的接觸時(shí)間超過(guò)20min時(shí)，往往會(huì)使熔體中碳的含量超過(guò)標(biāo)準(zhǔn)限量。表5-17

B30熔鑄卡片（適用范圍：中、工頻電爐）第6章

鑄造技術(shù)

6.1鑄造方法分類

按鑄錠（Ingot）形狀和鑄錠相對(duì)鑄模的位置及運(yùn)動(dòng)特征，可將鑄錠生產(chǎn)方法分類如下：

第一類:古老而簡(jiǎn)單的生鐵模和水冷模鑄造；第二類：近代傳統(tǒng)的靜模鑄錠中的半連續(xù)、連續(xù)和水平鑄造；第三類：現(xiàn)代近終形連鑄新技術(shù)，主要包括動(dòng)模鑄造、無(wú)模鑄造及靜模鑄造中的立彎、上引、浸漬和帶坯、線坯的水平連鑄新技術(shù)、新方法、新設(shè)備。6.2加工銅合金鑄錠的連續(xù)鑄造工藝概述在結(jié)晶器（水冷結(jié)晶器）的一端連續(xù)澆入金屬液，金屬在結(jié)晶器型腔內(nèi)連續(xù)向另一端移動(dòng)和凝固成型，在結(jié)晶器另一端連續(xù)拉出鑄件的鑄造方法稱為連續(xù)鑄造法。當(dāng)拉出鑄件達(dá)到一定長(zhǎng)度后，停止連續(xù)鑄造過(guò)程，取走鑄件后，再重新開始的連續(xù)鑄造法稱為半連續(xù)鑄造法，亦屬于連續(xù)鑄造。半連續(xù)鑄造和連續(xù)鑄造過(guò)程，兩者并無(wú)本質(zhì)區(qū)別。差別僅在于前者澆鑄的鑄件長(zhǎng)度一定（3～8m)，而后者原則上可澆鑄任意長(zhǎng)度。連續(xù)鑄造法可分為立式連續(xù)鑄造法和臥室（水平）連續(xù)鑄造法及立式半連續(xù)鑄造法。6.2.1半連續(xù)和連續(xù)鑄造定義6.2.2鑄錠的凝固結(jié)晶器是滑動(dòng)鑄模，鑄錠與結(jié)晶器裝置之間的熱交換過(guò)程比較復(fù)雜。鑄造過(guò)程中鑄造金屬所釋放的總熱量與結(jié)晶器包括二次冷卻區(qū)所吸收的總熱量基本平衡。鑄錠凝固方向是徑向方向和垂軸向方向兩矢量之和。由于二次冷卻的強(qiáng)度一般都大于一次冷卻，因此凝固線成為一個(gè)倒錐狀。鑄錠澆口部呈倒錐形的液相區(qū)稱為液穴。與一次冷卻強(qiáng)度相比，二次冷卻強(qiáng)度愈大，液穴愈淺。下面的公式定性地表示出了與液穴深度有關(guān)的若干因素:實(shí)際的液穴的形狀與金屬及合金導(dǎo)熱及凝固收縮等物理性質(zhì)，以及所用的結(jié)晶器結(jié)構(gòu)和冷卻方式有關(guān)。圖6-1

HPb59-1φ195mm鑄錠的液穴

圖6-1是通過(guò)向鉛黃銅HPb59-1φ195mm圓錠液穴中直接灌入熔融鉛，然后將鑄錠縱向剖開并用金相方法進(jìn)行檢查而得到的液穴形狀照片。6.2.2.1冷卻方式對(duì)液穴形狀的影響圖6-2

T2φ185mm鑄錠的液穴

圖6-2是鑄造紫銅T2φ185mm圓錠時(shí)從鑄錠澆口部切取的縱剖面的低倍照片，可以看到一輪廓清晰的“V”形液穴形狀和結(jié)晶組織。6.2.2.2紫銅圓錠“V”形液穴形狀圖6-3黃銅φ180mm鑄錠的液穴

圖6-3所示的圓斷面鑄錠凝固過(guò)程是根據(jù)某種黃銅鑄造過(guò)程中實(shí)測(cè)的數(shù)據(jù)繪出的，鑄錠斷面φ180mm，結(jié)晶器高度275mm，鑄造速度12m/h。6.2.2.3黃銅圓錠的液穴分布特性圖6-4純銅和黃銅φ180mm鑄錠的液穴形狀

采用銅質(zhì)結(jié)晶器分別鑄造φ180mm純銅和黃銅鑄錠時(shí)，鑄造速度和冷卻強(qiáng)度基本相同，液穴形狀有較大的差別。鑄造純銅時(shí)結(jié)晶器與鑄錠之間因收縮而形成的并被空氣充滿的間隙非常小，凝殼形成以后一直不斷加厚，液穴可能在離開結(jié)晶器下沿時(shí)便基本消失了，液穴較淺。鑄造黃銅則不同，由于黃銅自身的散熱性能差使得結(jié)晶器和凝殼之間形成了較大的空氣間隙，凝殼增長(zhǎng)速度減慢甚至使液穴延伸到了結(jié)晶器下緣100mm以外的位置。

6.2.2.4鑄造合金導(dǎo)熱與凝固收縮特性對(duì)液穴形狀的影響分別以純銅和黃銅H90作為結(jié)晶器冷卻壁材料試驗(yàn)時(shí)，在其他工藝參數(shù)都基本相同情況下，同樣鑄造黃銅H62鑄錠其液穴形狀卻有很大不同(圖6-5)。圖6-5

H62φ180mm鑄錠的液穴形狀6.2.2.5結(jié)晶器材質(zhì)對(duì)鑄錠液穴形狀的影響較深的液穴可能在底部形成凝橋，不利于凝固收縮時(shí)熔體的補(bǔ)充，有可能造成縮孔或縮松缺陷。對(duì)結(jié)晶組織而言，液穴比較深時(shí)，鑄錠最后結(jié)晶部分往往呈徑向發(fā)展的趨勢(shì)，不利于自下而上的軸向結(jié)晶。較深的液穴，過(guò)渡帶也比較大，不利于排氣。液穴較深時(shí)，如果鑄錠離開結(jié)晶器后突然遭到強(qiáng)烈的二次冷卻，鑄錠內(nèi)外溫差急劇增大，易引起鑄錠中心裂紋。淺、平的液穴形狀是最希望得到的。表6-1和表6-2分別給出的是鑄造銅和磷脫氧銅時(shí)液穴深度的探測(cè)數(shù)據(jù)。表6-1鑄造紫銅時(shí)冷卻強(qiáng)度及鑄造速度對(duì)液穴形狀和深度的影響表6-2鑄造磷脫氧銅時(shí)冷卻強(qiáng)度及鑄造速度對(duì)液穴形狀和深度的影響圖6-6液穴深度與冷卻強(qiáng)度之間的關(guān)系

圖6-6為鑄造純銅160mmx620mm鑄錠液穴深度與冷卻強(qiáng)度之間的關(guān)系。6.2.2.6冷卻強(qiáng)度對(duì)液穴深度的影響圖6-7液穴深度與結(jié)晶器高度和鑄造速度之間的關(guān)系圖6-7為鑄造純銅160mm×620mm鑄錠液穴深度與鑄造速度和結(jié)晶器高度之間的關(guān)系。6.2.2.7結(jié)晶器高度和鑄造速度對(duì)液穴深度的影響6.2.3.1樹枝狀結(jié)晶銅合金鑄造結(jié)晶時(shí)，晶體通常是按照樹枝狀結(jié)構(gòu)長(zhǎng)大，由晶核發(fā)展長(zhǎng)大的樹枝狀晶軸，一次結(jié)晶、二次結(jié)晶，…，分枝晶軸

6.2.3結(jié)晶及結(jié)晶組織越來(lái)越細(xì)小。生長(zhǎng)速度最快的主軸決定了晶體的成長(zhǎng)方式和晶體最終的形狀。

一次軸、二次軸的化學(xué)成分不完全相同，二次軸、三次軸往往包含了較多的低熔點(diǎn)組元，軸間剩余的母液則包含有更多的低熔點(diǎn)組元或者低熔點(diǎn)雜質(zhì)元素。圖6-8枝狀晶形成過(guò)程的示意圖a-球形晶核；b-界面開始聞不到；c-初級(jí)枝晶的形成；d-次級(jí)和三級(jí)枝晶的形成圖6-9H65黃銅的樹枝狀結(jié)晶體群（1）

鑄錠典型組織典型的半連續(xù)鑄造的鑄錠結(jié)晶組織如圖6-10所示。從表至里結(jié)晶組織明顯地分成三個(gè)區(qū)帶:表層細(xì)等軸晶帶，中心區(qū)域的粗大等軸晶帶和位于二者之間的柱狀晶帶。6.2.3.2結(jié)晶組織圖6-10

T2扁錠的橫向結(jié)晶組織在實(shí)際生產(chǎn)中，由于鑄造條件不同，三個(gè)晶帶不一定都同時(shí)存在，也有只出現(xiàn)一個(gè)或兩個(gè)晶帶的情況，如圖6-11（d）及圖6-11（e）。圖6-11連續(xù)鑄錠的結(jié)晶組織（2）影響鑄錠組織的因素1）金屬或合金的性質(zhì)：化學(xué)成分、晶型、比熱容、熔解熱、導(dǎo)熱性及結(jié)晶溫度范圍，一般合金的結(jié)晶溫度范圍越大，等軸晶越顯著；比熱容大、熔解熱大，可使結(jié)晶速度減慢，不利于獲得細(xì)晶粒。2）變質(zhì)劑的影響。3）鑄造條件的影響：連續(xù)鑄造時(shí)，選用短結(jié)晶器，采用極限鑄造速度、盡可能低的鑄造溫度、強(qiáng)烈水冷等，均有利于細(xì)化晶粒。4）雜質(zhì)影響，金屬品位越低，合金成分越復(fù)雜，組織越細(xì)。5）采用電磁攪拌、機(jī)械振動(dòng)和超聲波振動(dòng)均可細(xì)化晶粒。（3）

斜生柱狀晶柱狀晶，顧名思義晶粒形狀宛如柱狀，圖6-12為表層細(xì)等軸晶發(fā)展為柱狀晶的示意圖。斜生柱狀晶，是一次冷卻和二次冷卻兩個(gè)方向矢量之和造成的晶體傾斜方向生長(zhǎng)的結(jié)果。隨著遠(yuǎn)離澆口，液穴中液體對(duì)流強(qiáng)度的減弱，表層的激冷作用也逐漸減弱。圖6-12由表層細(xì)等軸晶發(fā)展為柱狀晶圖6-13

QSn4-3扁鑄錠縱向結(jié)晶組織

圖6-13所示為直接水冷鑄造的QSn4-3140mmx640mm鑄錠澆口部的縱向結(jié)晶組織照片。該組織中柱狀晶非常發(fā)達(dá)，甚至充滿了整個(gè)鑄錠斷面。如果結(jié)晶前沿始終保持窄小的成分過(guò)冷和較大的溫度梯度，晶粒以枝晶狀單方向延伸生長(zhǎng)，其中以主散熱方向?qū)?yīng)的一次晶軸優(yōu)先長(zhǎng)大。這個(gè)主散熱方向顯然是一次和二次冷卻方向的矢量和，主散熱方向決定了柱狀晶斜生的角度。（4）粗大等軸晶鑄錠中心區(qū)的粗大等軸晶基本是在遠(yuǎn)離一次冷卻和二次冷卻的情況下體積結(jié)晶的結(jié)果。中心部區(qū)域熔體的成分過(guò)冷和溫度過(guò)冷都比較小，先期熔體對(duì)流時(shí)從結(jié)晶前沿沖刷下來(lái)的懸浮在液穴中的枝晶，以及從液面上產(chǎn)生的晶核長(zhǎng)成的小晶粒的沉降，都成為后來(lái)的晶粒成長(zhǎng)中心。由于此區(qū)已基本上不存在晶粒擇向長(zhǎng)大的冷卻條件，各次晶軸發(fā)展已基本沒有傾向性，結(jié)果都長(zhǎng)成了等軸晶。等軸晶粒的大小只取決于結(jié)晶核心的多少，合金中含有高熔點(diǎn)溶質(zhì)元素愈少，冷卻速度愈緩慢，等軸晶粒長(zhǎng)的愈大。圖6-14結(jié)晶過(guò)程以及結(jié)晶與結(jié)晶溫度范圍的關(guān)系圖的右側(cè)是鑄錠相區(qū)圖，存在液相、固相區(qū)和兩相區(qū)，鑄錠的結(jié)晶過(guò)程在兩相區(qū)完成的。圖的左側(cè)是與之對(duì)應(yīng)的合金相圖，同樣存在三相區(qū)。在兩相區(qū)范圍內(nèi)，固相的數(shù)量從液相線向固相線逐漸增加。隨著固相數(shù)量的不斷增加，彼此接連的固相形成了一個(gè)面，這個(gè)面與液相構(gòu)成分界，與形成這一固定界面溫度相應(yīng)的等溫面稱為結(jié)晶前沿。結(jié)晶前沿與結(jié)晶結(jié)束面之間的區(qū)域稱為過(guò)渡帶，即圖中的BD區(qū)間。6.2.4合金的結(jié)晶過(guò)程下面公式表述了估計(jì)過(guò)渡帶尺寸B與有關(guān)因素的關(guān)系:B=(t1-t2)/G式中t1—合金液相線溫度，℃;t2—合金固相線溫度，℃;G—過(guò)渡帶內(nèi)平均溫度梯度，℃/mm。過(guò)渡帶的上部可稱為液-固區(qū)，過(guò)渡帶下部可稱為固-液區(qū)。偏析往往容易在液-固區(qū)發(fā)生，而固-液區(qū)不僅對(duì)偏析、同時(shí)對(duì)熱裂紋的產(chǎn)生和發(fā)展都是機(jī)會(huì)。整個(gè)過(guò)渡帶的尺寸和形狀決定著鑄錠中心區(qū)域的偏析、疏松和熱應(yīng)力的特性和程度。過(guò)渡帶大小與合金結(jié)晶溫度范圍、導(dǎo)熱系數(shù)以及鑄造過(guò)程中的冷卻強(qiáng)度等許多因素有關(guān)。和液穴一樣，鑄造過(guò)程希望過(guò)渡帶越小越好。結(jié)晶溫度范圍小的合金如某些黃銅、鋁青銅等凝固時(shí)過(guò)渡帶比較小，過(guò)渡帶小時(shí)固相在兩相區(qū)移動(dòng)甚小，易長(zhǎng)成柱狀。而對(duì)一些結(jié)晶溫度范圍較大的合金如錫青銅，由于其過(guò)渡帶大，起始形成的晶核或者尚未長(zhǎng)大的晶體有充分的時(shí)間自由生長(zhǎng)，而不是很快彼此相遇，因此易長(zhǎng)成等軸晶。降低結(jié)晶器高度、加大冷卻強(qiáng)度等都會(huì)在某種程度上減小過(guò)渡帶。圖6-15結(jié)晶線速度與鑄造速度的關(guān)系6.2.5結(jié)晶速度

圖6-15為結(jié)晶線速度與鑄造速度關(guān)系的示意圖。結(jié)晶前沿上任一點(diǎn)沿其法線方向移動(dòng)的速度，稱為該點(diǎn)的結(jié)晶線速度。結(jié)晶前沿各點(diǎn)在單位時(shí)間內(nèi)沿各自的法線方向移動(dòng)的平均距離，稱為鑄錠的平均結(jié)晶速度。半連續(xù)鑄造過(guò)程中，結(jié)晶面上各點(diǎn)的結(jié)晶線速度是不相同的。圓鑄錠的結(jié)晶線速度從鑄錠邊緣至0.37R處逐漸減小，從0.37R處至鑄錠中心又逐漸增大。

結(jié)晶面上任一點(diǎn)i的結(jié)晶線速度為:

Ui=U鑄sinφ式中—Ui鑄錠的澆注速度;φ—鑄錠垂直中軸線與i點(diǎn)處結(jié)晶前沿的切線之間的夾角可以看出，鑄錠斷面上任一點(diǎn)的結(jié)晶線速度都小于鑄造速度。公式和圖6-14表明了平均的結(jié)晶速度與鑄造速度之間的關(guān)系:當(dāng)液穴較深、φ角較小時(shí)，平均的結(jié)晶方向更趨于垂直于鑄錠中軸線的方向;而φ角較大，液穴較平淺時(shí)，平均的結(jié)晶方向更趨于平行于鑄錠中軸線的方向。平均結(jié)晶的方向?qū)嶋H上是晶粒長(zhǎng)大的主方向。晶粒的長(zhǎng)大是沿著各個(gè)方向同時(shí)進(jìn)行，但晶粒長(zhǎng)大是以主晶軸成長(zhǎng)方向?yàn)橹鞣较虻摹?.2.6偏析在銅合金中，錫磷青銅中的錫反偏析現(xiàn)象是非常典型的，嚴(yán)重時(shí)可能影響到鑄錠質(zhì)量和壓力加工生產(chǎn)。反偏析與正偏析正好相反，鑄錠表面或者鑄錠表層的低熔點(diǎn)元素含量高于鑄錠內(nèi)部的低熔點(diǎn)元素含量。

圖6-16

QSn6.5-0.1φ195mm鑄錠中錫的分布

圖6-16所示為直接水冷半連續(xù)鑄造的QSn6.5-0.1φ195mm錠斷面上錫的分析結(jié)果。鑄錠中錫的平均含量W(Sn)為6.5%時(shí)，鑄錠表面和表層中錫的最高含量已經(jīng)達(dá)到了9.5%以上。圖6-17QSn6.5-0.1φ195mm鑄錠偏析組織鑄錠規(guī)格:140mmX640mma-鑄錠最表層;b-鑄錠次表層;c-鑄錠內(nèi)部

圖6-17為直接水冷半連續(xù)鑄造QSn6.5-0.1φ195mm鑄錠高倍組織照片。從高倍組織上看:內(nèi)部組織以a固溶體為基，其間少有(a十δ)共析體。表層嚴(yán)重反偏析處則是(α+δ)的共析體占了主導(dǎo)，硬脆相δ的比例甚高。有關(guān)反偏析的形成機(jī)理有不同理論。有的認(rèn)為在凝固過(guò)程中形成粗大的樹枝狀晶時(shí)，富低熔點(diǎn)的母液或半凝固體物相在以下條件下可能于枝晶間的毛細(xì)管道內(nèi)移動(dòng):有枝晶發(fā)生了急劇收縮;結(jié)晶過(guò)程中析出的氣體壓力不斷增高;液穴中液體金屬靜壓力的作用。實(shí)際經(jīng)驗(yàn)已經(jīng)表明，只要最初形成的鑄錠表層結(jié)晶組織致密，并且在隨后的凝固過(guò)程中，不再被重新加熱至枝晶間富錫母液的液相線溫度，富錫物相就沒有機(jī)會(huì)溢出，鑄錠表面就不會(huì)發(fā)生嚴(yán)重的反偏析現(xiàn)象。銅合金連續(xù)鑄造主要采用直接水冷式鑄造，即鑄錠除了受到結(jié)晶器內(nèi)水室的間接冷卻外，在結(jié)晶器的出口處直接受到二次冷卻水的強(qiáng)烈冷卻。通過(guò)結(jié)晶器水室中水對(duì)鑄造金屬的冷卻稱為一次冷卻。直接水冷鑄造時(shí)一次冷卻所進(jìn)行的熱交換只占30%左右，其主要目的是形成鑄錠凝殼，其余70%左右的熱交換需要在二次冷卻區(qū)完成。6.2.6連續(xù)鑄造主要冷卻方式圖6-18直接水冷半連續(xù)鑄造示意圖圖6-19水平連續(xù)鑄造示意圖6.2.7連續(xù)鑄造的特點(diǎn)1）鑄件整個(gè)長(zhǎng)度上的各部位都在相同的冷卻條件下凝固成型，故可獲得在長(zhǎng)度方向上性能一致的鑄件；2）可連續(xù)穩(wěn)定地澆入熔體，可采用較低的澆鑄溫度鑄造，減少熔體過(guò)熱，防止鑄件的氣孔和疏松等缺陷；3）冷卻強(qiáng)度可控制，冷卻速度快，始終保持順序結(jié)晶；4）適用于多根鑄造，即所謂的多流鑄造；5）無(wú)冒口系統(tǒng)，切頭切尾損失小，成品率高；6）較易實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)自動(dòng)化，勞動(dòng)強(qiáng)度小，生產(chǎn)率高。6.3銅合金的立式半連續(xù)鑄錠工藝6.3.1半連續(xù)鑄造的原理半連續(xù)鑄造,即立式半連續(xù)直接水冷鑄錠，簡(jiǎn)稱DC鑄錠，其基本原理：將金屬熔體均勻地導(dǎo)入通水冷卻的結(jié)晶器中，熔體在結(jié)晶器內(nèi)受到器壁和底座的冷卻作用，迅速凝固結(jié)晶，形成一層較堅(jiān)固的凝固殼。當(dāng)凝固成鑄件的部分脫落結(jié)晶器時(shí)，立即受到來(lái)自結(jié)晶器下沿處的二次冷卻水的直接冷卻，鑄件的凝固層也隨之連續(xù)地向中心區(qū)域推進(jìn)，并完全凝固結(jié)晶，如圖6-20所示。圖6-20直接水冷半連續(xù)鑄造示意圖半連續(xù)鑄造的工藝參數(shù)包括鑄造速度、結(jié)晶器長(zhǎng)度（包括金屬液面高度）、冷卻強(qiáng)度和鑄造溫度。（1）鑄造速度1）金屬和合金本性：有無(wú)熱脆性，有則慢；有無(wú)低熔點(diǎn)相沿晶粒邊界析出；過(guò)渡帶大??；導(dǎo)熱性高低；流動(dòng)性好壞。2）熔體吸氣的敏感度和結(jié)晶器的長(zhǎng)短。3）冷卻方式：直接強(qiáng)力水冷、間接水冷、拉“紅錠”。如HPb59-1φ360mm鑄錠拉“紅錠”時(shí)，鑄錠速度可達(dá)到6m/h;4）金屬或合金有雜質(zhì)含量。6.3.2工藝參數(shù)的選擇在鑄造溫度、鑄造速度、水壓相同的情況下，增加結(jié)晶器的長(zhǎng)度，使鑄錠周邊部分的過(guò)渡帶擴(kuò)大，液穴加深，冷卻強(qiáng)度減弱，從而削弱了自下而上的方向結(jié)晶，如圖6-21所示。長(zhǎng)結(jié)晶器能減少中心裂紋，但易使鑄錠產(chǎn)生中心疏松和某些合金鑄錠產(chǎn)生縱向表面淬火裂紋。短結(jié)晶器使鑄錠結(jié)晶器組織細(xì)小、致密、均勻，能有效防止反偏析；有利于排氣、補(bǔ)縮、消除縱向表面淬火裂紋。（2）結(jié)晶器的長(zhǎng)度圖6-21結(jié)晶器長(zhǎng)短與液穴深度和過(guò)渡帶的關(guān)系（3）冷卻強(qiáng)度冷卻強(qiáng)度大，則鑄錠晶粒細(xì)，力學(xué)性能高。（4）鑄造溫度鑄造溫度高，銅合金液易氧化，合金元素?zé)龘p大，鑄錠易出現(xiàn)滲漏、氣孔、裂紋、晶粒粗大等缺陷。鑄造溫度過(guò)低，銅合金液流動(dòng)性差，易使鑄錠中產(chǎn)生夾渣、冷隔、疏松等缺陷。確定鑄造溫度的依據(jù)：1）金屬合金本性，如結(jié)晶溫度范圍小、熱脆性大著，宜采用低溫鑄造。2）保證有足夠的流動(dòng)性，特別是對(duì)易產(chǎn)生疏松和夾渣的合金，應(yīng)適當(dāng)提高鑄造溫度。3）鑄造速度快，則鑄造溫度可適當(dāng)?shù)牡鸵恍?/p>

6.3.3工頻有芯感應(yīng)半連續(xù)鑄錠工藝表6-3工頻有芯感應(yīng)電爐半連續(xù)鑄錠工藝6.3.4中頻感應(yīng)電爐半連續(xù)鑄造工藝表6-4中頻感應(yīng)電爐半連續(xù)鑄造工藝6.4半連續(xù)鑄造機(jī)（1）鋼絲繩式半連續(xù)鑄造機(jī)圖6-22鋼絲繩式半連續(xù)鑄造機(jī)之一圖6-23鋼絲繩式半連續(xù)鑄造機(jī)之二（2）絲桿式半連續(xù)鑄造機(jī)（3）油壓式半連續(xù)鑄造機(jī)圖6-24絲桿式半連續(xù)鑄造機(jī)圖6-25油壓式半連續(xù)鑄造機(jī)6.5立式半連續(xù)鑄錠用的結(jié)晶器

6.5.1結(jié)晶器的基本要求1）良好的導(dǎo)熱性，結(jié)晶器材質(zhì)以銅或銅合金和石墨為佳。表6-5結(jié)晶器內(nèi)壁材料及導(dǎo)熱系數(shù)2）為了減少結(jié)晶器內(nèi)壁的磨損，結(jié)晶器內(nèi)壁有較高的粗糙度及耐磨性。銅質(zhì)結(jié)晶器內(nèi)壁的粗糙度一般為Ra1.6μm,并鍍以0.05～0.12mm的鉻層，以提高耐磨性，也有采用石墨作內(nèi)套的。3）為避免結(jié)晶器變形，要求結(jié)晶器壁要有足夠的厚度，銅質(zhì)結(jié)晶器內(nèi)壁一般為5～25mm。6.5.2半連續(xù)鑄造結(jié)晶器設(shè)計(jì)結(jié)晶器設(shè)計(jì)主要包括兩個(gè)部分，即結(jié)晶器熱交換能力計(jì)算和結(jié)晶器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。冷卻及凝固過(guò)程中所放出的大部分熱量，都需要通過(guò)結(jié)晶器及其附屬裝置傳遞給冷卻水。通常設(shè)計(jì)大都采用大于理論計(jì)算所需要的冷卻水量。這是因?yàn)槌藷峤粨Q過(guò)程以外，同時(shí)還必須考慮到鑄造金屬之冷卻、凝固、結(jié)晶速度等方面因素與鑄錠質(zhì)量之間的許多復(fù)雜的關(guān)系，包括水不可能完全都得到充分利用等因素，因此冷卻水在結(jié)晶器水室中的分配以及二次冷卻水的水孔形狀和噴射角度等方面的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，常常都是根據(jù)理論計(jì)算與實(shí)際需要相結(jié)合進(jìn)行確定。

6.5.2.1結(jié)晶器的類別

圓錠結(jié)晶器扁錠結(jié)晶器實(shí)心錠結(jié)晶器的結(jié)構(gòu)不僅決定了鑄錠的形狀與尺寸，還影響鑄錠組織、表面質(zhì)量及裂紋等，圖6-26所示為銅合金半連續(xù)鑄錠使用的結(jié)晶器的幾種構(gòu)造型式。按形狀空心錠圖6-26幾種銅合金立式半連續(xù)鑄造用結(jié)晶器構(gòu)造圓錠結(jié)晶器一般采用裝配式結(jié)構(gòu)，其如圖6-27所示。它由外殼、內(nèi)套和蓋板三部分組成:外殼用鑄鐵制成，內(nèi)壁帶有雙紋螺旋筋，以提高結(jié)晶器的剛度，同時(shí)作為冷卻水的導(dǎo)向槽，使結(jié)品器內(nèi)水冷均勻;內(nèi)套多用導(dǎo)熱性良好的紫銅加工而成，壁厚一般為10mm左右，靠上部一段加工成逐漸變厚的緩冷帶，用于加強(qiáng)內(nèi)套剛度和減緩對(duì)結(jié)晶器內(nèi)金屬熔體的冷卻作用，內(nèi)表面鍍0.1mm厚的鉻層或鑲嵌上一層石墨。結(jié)晶器的噴水孔開在外殼底部?jī)?nèi)緣上，與結(jié)晶器垂線呈20°～30°。圖6-27立式半連續(xù)鑄造圓錠結(jié)晶器（1）圓錠結(jié)晶器表6-6圓錠結(jié)晶的類別、特點(diǎn)及用途某公司結(jié)晶器設(shè)計(jì)實(shí)例（1）此結(jié)晶器設(shè)計(jì)的缺點(diǎn)1)進(jìn)水口只有一個(gè)，各處的水壓大小不一，因而進(jìn)入一次冷卻水腔的水量也不同，造成一次冷卻強(qiáng)度不一，冷卻不均勻。2)由于從入水孔進(jìn)入的水量大小不一，而本身結(jié)構(gòu)沒有對(duì)冷卻水進(jìn)行導(dǎo)流，加劇了冷卻不勻的現(xiàn)象。3)二次冷卻水角度固定，當(dāng)熔煉的工藝技術(shù)條件改變或由于天氣等原因需要改變二次冷卻強(qiáng)度的時(shí)候，無(wú)法對(duì)噴射角度進(jìn)行改變調(diào)整，如此只能更換新的結(jié)晶器，降低了生產(chǎn)效率、增加了生產(chǎn)成本。圖6-28某公司未改進(jìn)前結(jié)晶器設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)示意圖結(jié)晶器設(shè)計(jì)不當(dāng)所引起的問(wèn)題1）拉漏2）表面橫向裂紋：石墨套內(nèi)表面粗糙或粘有金屬，潤(rùn)滑不良或鑄錠產(chǎn)生了懸掛。3）內(nèi)部裂紋：由于其結(jié)晶器冷卻結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的不當(dāng)，一次冷卻、二次冷卻都是不均勻的。金屬冷卻收縮不一致產(chǎn)生了內(nèi)應(yīng)力，當(dāng)應(yīng)力超過(guò)材料的強(qiáng)度極限，產(chǎn)生如圖6-30所示的裂紋。圖6-30紫銅鑄錠內(nèi)部裂紋缺陷(SEM)圖6-29紫銅鑄錠邊部橫向裂紋（SEM）圖6-31結(jié)晶器結(jié)構(gòu)改進(jìn)圖經(jīng)過(guò)改進(jìn)后的結(jié)晶器，兩個(gè)入水口將使進(jìn)入外水套的水源變的均勻，且各處水壓相差不大；一次冷卻水在導(dǎo)流槽的引導(dǎo)下，在結(jié)晶器外套和內(nèi)壁之間的水套中做渦流狀流動(dòng)，均勻了冷卻強(qiáng)度，減少了拉漏現(xiàn)象的發(fā)生；而法蘭和內(nèi)套的改進(jìn)則靈活改變二次冷水的角度，從而改變了二次冷卻的強(qiáng)度，使之更適用于各種變化情況，并且可有效降低熱應(yīng)力。扁錠結(jié)晶器通常是整體式的，即結(jié)晶器的外殼和內(nèi)套為一個(gè)整體，這種結(jié)晶器的冷卻水路是由模體內(nèi)縱橫相連的鉆孔構(gòu)成的。一般情況下，出水孔槽開在模體下面的托板上。結(jié)晶器的工作表面同樣要求粗糙度不大于Ra0.8μm表面鍍鉻。為了加強(qiáng)模體剛度和擴(kuò)大散熱面積，可將外部表面刨成槽形。

圖6-32和圖6-33所示為鑄造青銅、白銅使用的扁結(jié)晶器的構(gòu)造和主要尺寸。（2）扁錠結(jié)晶器圖6-32青銅、白銅用142mm×625mm扁結(jié)晶器圖6-33青銅、白銅用142mm×625mm扁結(jié)晶器腔體的主要尺寸6.6銅合金立式連續(xù)鑄錠工藝6.6.1鑄錠工藝及操作要點(diǎn)銅合金的立式連續(xù)鑄錠加工工藝與DC（半連續(xù)鑄錠）工藝相同。（1）熔體的轉(zhuǎn)注及流量的控制熔體由熔煉爐或保溫爐放出，到流入結(jié)晶器的這段過(guò)程稱為轉(zhuǎn)注過(guò)程。銅合金鑄造溫度高，易氧化，熔體不能敞開轉(zhuǎn)注，而應(yīng)該在密封或有保護(hù)的條件下迅速進(jìn)入結(jié)晶器。敞開式和密閉式半連續(xù)鑄造過(guò)程分別如圖6-34和6-35所示。表6-6銅合金立式半連續(xù)鑄錠工藝圖6-34銅合金敞開式半連續(xù)鑄錠過(guò)程圖6-35銅合金封閉式半連續(xù)鑄錠過(guò)程6.6.2立式連續(xù)鑄造機(jī)圖6-36立式連鑄無(wú)氧銅設(shè)備示意圖圖6-37黃銅圓錠立式連鑄設(shè)備示意圖6.7熔體的保護(hù)和潤(rùn)滑大多數(shù)銅合金熔體表面沒有氧化膜保護(hù)，特別是高鋅黃銅，其轉(zhuǎn)注和澆注過(guò)程需要保護(hù)。a.氣體保護(hù)劑：氣體保護(hù)劑在熔體表面形成還原性或中性氣氛，防止熔體與空氣接觸而被氧化。鑄造一般黃銅可用工業(yè)煤氣，而鑄造無(wú)氧銅、紫銅和某些復(fù)雜黃銅，最好是用氮?dú)饣蚰咎可a(chǎn)爐煤氣。b.固體保護(hù)劑：主要是炭黑（亦稱煙灰）和石墨粉，其覆蓋在熔體表面上，兼有保溫、防止氧化和避免吸氣等作用。c.液體（溶劑）保護(hù)劑：鋁黃銅使用84%NaCl+8%KCl+8%Na3AlF6，鋁青銅使用Na3AlF6+Na3B2O7及硼砂等。d.潤(rùn)滑劑：銅及銅合金連續(xù)鑄錠生產(chǎn)中常采用炭黑和石墨粉作潤(rùn)滑劑。圖6-38熔體保護(hù)與鑄錠潤(rùn)滑6.8QAl10-4-4鋁青銅半連續(xù)鑄造覆蓋劑車皮前車皮后某公司采用半連續(xù)鑄造工藝生產(chǎn)QAl-10-4-4鋁青銅鑄錠，由于在結(jié)晶器中使用的覆蓋劑不當(dāng)，鑄錠表層經(jīng)常存在較多的夾渣、夾灰，且夾入較深。如圖6-39所示，鑄錠在車掉較厚的表層后還存在夾渣，因此不僅成材率較低，而且嚴(yán)重降低擠壓管、棒制品質(zhì)量。圖6-39QAl-10-4-4鋁青銅鑄錠車前和車后表層的Al2O3夾渣6.8.1QAl-10-4-4鋁青銅鑄錠Al2O3夾渣產(chǎn)生原因（1）熔煉覆蓋不當(dāng)該公司熔煉鋁青銅過(guò)程中未加覆蓋劑，僅在爐前化驗(yàn)后加入木炭作為澆注前及澆注過(guò)程中爐膛的覆蓋，因此可考慮在加料之前在爐底加入適量覆蓋劑。（2）鑄造覆蓋不良或未加覆蓋劑。

當(dāng)結(jié)晶器中熔體表面形成的Al2O3薄膜均勻且完整時(shí)，能阻止熔體接觸空氣氧化。隨著熔體的運(yùn)動(dòng)和結(jié)晶器的震動(dòng)，Al2O3薄膜不斷更新且難以保持完整。部分裂開的Al2O3薄膜在結(jié)晶器邊沿冷卻并結(jié)成塊，和殘留在熔煉爐中并流入結(jié)晶器的塊狀A(yù)l2O3以及石墨澆管氧化脫落的粉末一起，運(yùn)動(dòng)到熔體表面的邊緣聚集，如圖6-40（a）所示，并被不斷運(yùn)動(dòng)的熔體壓入結(jié)晶器內(nèi)側(cè)，從而形成夾渣，如圖6-40（b）所示。塊狀A(yù)l2O3熔體表面運(yùn)動(dòng)的熔體結(jié)晶器澆管Al2O3夾渣圖6-40結(jié)晶器中鑄錠表層夾渣的形成6.8.2QAl-10-4-4未加覆蓋劑時(shí)夾渣產(chǎn)生機(jī)理（a）（b）6.8.3冰晶石覆蓋保護(hù)作用

和木炭灰相比，用冰晶石作為鑄造過(guò)程的覆蓋劑，其不僅可以防止熔體與空氣的接觸，而且熔融的冰晶石能溶解氧化鋁，將已形成的塊狀A(yù)l2O3熔化，阻止其流入結(jié)晶器內(nèi)表面。因此，使用冰晶石作為覆蓋劑更能減少Al2O3夾渣，但是當(dāng)加入較多的冰晶石時(shí)，其中未和熔體直接接觸的部分容易成為雜質(zhì)被卷入結(jié)晶器與鑄錠的間隙，造成夾渣，影響鑄錠表層質(zhì)量。

圖6-41鑄錠表層Al2O3夾雜（從左至右：未加覆蓋劑、中間連接段、加較多的冰晶石）

圖6-42鑄錠車前和車后表層都沒有明顯的Al2O3夾渣

均勻地加少量冰晶石作為覆蓋劑，鑄錠的表面質(zhì)量非常好，未見有明顯的夾渣，經(jīng)車皮后，其內(nèi)部質(zhì)量很好，如圖6-42所示。車皮前車皮后未加冰晶石和加較多的冰晶石鑄錠表面均會(huì)產(chǎn)生較多的夾渣，如圖6-41。6.8.4冰晶石覆蓋劑正確加入量和方法

冰晶石的加入量及加入方法說(shuō)明：在結(jié)晶器熔體表面均勻地撒入0.5-1mm厚的冰晶石粉末（無(wú)需添加其它物質(zhì)），粉末只要能覆蓋即可，切不可堆砌。澆注過(guò)程中如果發(fā)現(xiàn)有成塊的夾渣出現(xiàn)，立即在相應(yīng)部位添加少量冰晶石。若在結(jié)晶器的內(nèi)邊緣有大塊的夾渣出現(xiàn)，立即用工具將之扒出，避免其夾入鑄錠表層。6.9銅合金水平連鑄

金屬熔體在與地面平行安裝的鑄錠機(jī)上連續(xù)從結(jié)晶器中被拉出的鑄造工藝。圖6-43水平連續(xù)鑄造示意圖水平連鑄與立式連鑄相比，其特點(diǎn)：1）設(shè)備簡(jiǎn)單，投資少，上馬快，占地面積小，不需要高大的廠房與深井。2）鑄造系統(tǒng)密封性好，液流平穩(wěn)無(wú)沖擊，基本消除了金屬液的二次氧化生渣和氣體混入，直接水冷，表面偏析少；3）易將熔煉、鑄造、軋制、熱處理等工序組成連鑄連軋生產(chǎn)線，能實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化生產(chǎn)，生產(chǎn)效率高；4）工藝流程短，節(jié)能、生產(chǎn)效率高；水平連續(xù)鑄造存在的問(wèn)題：1）結(jié)晶器使用壽命短，結(jié)晶器內(nèi)套材料(石墨)耗量大;2）潤(rùn)滑不良時(shí)表面質(zhì)量差;3）由于受重力收縮的影響，銅合金鑄錠上表面會(huì)下陷，下表面則與結(jié)晶器壁緊密接觸，鑄錠斷面溫度不均。組織不太均勻，錠坯橫斷面的結(jié)晶組織上下不一致，下部晶粒較細(xì)，上部晶粒較粗;4）鑄造速度不平穩(wěn)時(shí)易泄漏，工藝不當(dāng)易出現(xiàn)橫向裂紋等缺陷。水平連續(xù)鑄造的全過(guò)程是；將保溫爐中的金屬熔體通水液流控制裝置直接導(dǎo)入通入冷卻的結(jié)晶器中，凝固成具有一定強(qiáng)度的凝殼后，借助引錠桿和牽引輥將已凝固的鑄錠連續(xù)地拉出結(jié)晶器，當(dāng)達(dá)到所需要的長(zhǎng)度時(shí)，被同步自動(dòng)鋸據(jù)斷。6.9.1水平連續(xù)鑄造原理圖6-44水平連鑄液穴形態(tài)和散熱方向

6.9.2水平連續(xù)鑄造設(shè)備銅合金水平連續(xù)鑄造設(shè)備主要由熔煉爐、保溫爐、結(jié)晶器、引錠機(jī)和同步自動(dòng)鋸等組成。熔煉爐一般采用有鐵芯式和無(wú)鐵芯式感應(yīng)電爐。結(jié)晶器通常由外殼、銅套和石墨套組裝而成。圖6-45水平連續(xù)鑄錠用結(jié)晶器銅合金水平連續(xù)鑄造平面布置圖圖6-46水平連續(xù)鑄造平面布置圖目前，銅及銅合金水平連續(xù)鑄造，是金屬在工頻有芯感應(yīng)熔煉爐熔煉好以后，然后采用傾倒方式將銅水倒入保溫爐，精煉和靜置后開始鑄造。圖6-47和圖6-48是某公司原水平連鑄黃銅實(shí)心錠和空心錠設(shè)備裝置實(shí)物圖。這種傳統(tǒng)工藝存在一下缺點(diǎn)：①保溫爐頂是敞開的，顯著增加熔體降溫速度，造成大量能耗；②敞露熔體中的合金元素（如鋅）更易燒損；③在銅水傾倒過(guò)程中，銅水對(duì)保溫爐內(nèi)的爐襯材料沖刷嚴(yán)重，降低保溫爐的壽命，非金屬夾雜物及氣體含量增加。6.9.3水平連續(xù)鑄造階梯式潛流爐圖6-47某公司水平連鑄黃銅實(shí)心錠設(shè)備實(shí)物圖熔煉爐保溫爐水冷結(jié)晶器圖6-48某公司水平連鑄黃銅空心錠設(shè)備實(shí)物圖鋸切設(shè)備引錠機(jī)為了降低熔煉與鑄造中能量的損耗、元素的氧化、燒損以及鑄錠夾渣和氣孔缺陷?？梢圆捎脻摿鬓D(zhuǎn)爐或連體爐技術(shù)，將原來(lái)的熔煉爐銅液通過(guò)流槽轉(zhuǎn)注到密封的保溫爐，或?qū)㈣T造爐更新為連體爐，通過(guò)導(dǎo)管實(shí)現(xiàn)潛流轉(zhuǎn)爐。該公司是在原有設(shè)備上進(jìn)行改裝，保留原來(lái)的階梯擺放方式，兩爐通過(guò)潛流口裝置連接而成，保溫爐則改裝成頂部密封的結(jié)構(gòu)。其結(jié)構(gòu)示意圖如圖6-49所示。圖6-49階梯式潛流爐結(jié)構(gòu)示意圖潛流口的控制是該項(xiàng)技術(shù)的關(guān)鍵。采用的是一種無(wú)機(jī)械閥門控流技術(shù)。在高溫液體潛流至轉(zhuǎn)爐導(dǎo)管中，利用金屬凝固堵塞通道和金屬熔化開啟通道的原理，在導(dǎo)流管外設(shè)置一個(gè)可以迅速制冷和急速升溫的裝置，從而取代機(jī)械閥門，實(shí)現(xiàn)熔體由熔煉爐向保溫爐的傳送和閉合。導(dǎo)管材料選用一種耐高溫且具有優(yōu)良導(dǎo)熱性能的鉬合金。圖6-50水平連鑄圓鑄錠結(jié)晶器的主要尺寸6.9.4水平連鑄結(jié)晶器表6-7水平連續(xù)圓鑄錠結(jié)晶器的主要結(jié)構(gòu)尺寸水平連鑄空心錠結(jié)晶器結(jié)構(gòu)型式圖6-51φ68/28mm空心鑄錠結(jié)晶器石墨內(nèi)套的尺寸6.9.5水平連續(xù)鑄錠工藝水平連續(xù)鑄錠的操作程序是：結(jié)晶器時(shí)送一次冷卻水放流送潤(rùn)滑油開始引錠送二次冷卻水當(dāng)鑄錠快出開始爐體振/停、拉鑄造當(dāng)鑄錠速度調(diào)至正常時(shí)鋸切工藝參數(shù)選擇1）爐口溫度爐口（液體金屬流入結(jié)晶器的孔道)部位是整個(gè)爐膛升溫最慢而且保溫條件與其他部位相比最差，為了保證鑄錠能順利拉出，必須使?fàn)t口的液體金屬和石墨座都要達(dá)到鑄造要求的溫度，甚至可以高于鑄造溫度；2）振動(dòng)和停位鏈條振動(dòng)對(duì)改善水平連鑄小規(guī)格鑄錠(特別是線坯）的表面質(zhì)量是一個(gè)行之有效的方法，因?yàn)檫@種振動(dòng)方向不是往返而是單向的。振動(dòng)的效果取決于振幅和頻率，不同的合金應(yīng)采用不同的振幅和頻率。振動(dòng)有兩種方式一種是爐子振動(dòng);另一種是鏈條振動(dòng)。

≥HSn70-1、HAl77-2、QSi3-1、QZn15-20等合金的氧化物和金屬滲出物極易黏附在結(jié)晶器壁上，必須采用間斷拉錠的方法。停、拉時(shí)間的長(zhǎng)短應(yīng)與拉速和節(jié)距密切配合，例如上述合金的鑄錠，一般采用T拉<T停，否則易裂;對(duì)于不易拉裂的合金如H62、QSn6.5-0.1等的鑄錠，則可用T拉≥T停。近年來(lái)又增加了一個(gè)反推的動(dòng)作，稱為拉、停、反推的過(guò)程，表6-8、表6-9和表6-10列出部分銅合金水平連鑄在爐子振動(dòng)、停拉工藝和拉-停-反推下的工藝。

3)拉速一般說(shuō)來(lái)，拉速快，鑄錠表面光潔;拉速慢，則表面粗糙，甚至出現(xiàn)裂紋、皺折和結(jié)疤。

4)結(jié)晶器的長(zhǎng)短一般說(shuō)來(lái)，短結(jié)晶器比長(zhǎng)結(jié)晶器好。

5)冷卻強(qiáng)度一次水壓的大小，直接影響水平式連鑄的結(jié)晶取件和鑄錠冷卻強(qiáng)度。通常將一次水開到50～200kPa，二次水視出口處的鑄錠情況而定；為使結(jié)晶器上、下部冷卻強(qiáng)度趨于均勻，可將結(jié)晶器的石墨套加工成如圖6-52所示的形狀；6)的潤(rùn)滑在鑄造時(shí)要根據(jù)材料的性能加入適量的潤(rùn)滑油。圖6-52下部供流的結(jié)晶器石墨套表6-8水平連鑄（爐子振動(dòng)棒坯、管坯生產(chǎn)工藝）表6-9水平連鑄（停、拉）棒坯、管坯生產(chǎn)工藝）合金牌號(hào)鑄錠規(guī)格牽引速度

(Hz)鑄造溫度(℃)

（熔煉爐）鑄造溫度(℃)

（保溫爐）保溫電壓(V)

（保溫爐）結(jié)晶器冷卻水壓(Mpa)熔煉爐儀器測(cè)溫頻度保溫爐儀器測(cè)溫頻度H90Φ1805～61180～12201080～11502100.08～0.111次/爐1次/爐H85Φ1805～61180～12201080～11502100.08～0.111次/爐1次/爐H80Φ1805～61160～12001060～11302100.08～0.111次/爐1次/爐H70Φ1805～6噴火或

1100～11601050～11001800.13～0.20―――1次/周Φ12310～14H68Φ1805～6噴火或

1100～11601050～11001500.13～0.20―――1次/周Φ12310～14H65Φ1805～6.5噴火或

1080～11201030～10701500.14～0.20―――1次/周Φ12310～14H63Φ1805～6.5噴火或

1060～11001010～10501500.14～0.20―――1次/周Φ12310～14注：鑄造控制器程序根據(jù)具體設(shè)定,參考設(shè)定為：“進(jìn)程1.30S、停止1.01S、返程0.40S、停止1.01S”表6-11某公司水平連鑄普通黃銅（拉-停-反推）棒坯、管坯生產(chǎn)工藝）6.9.6水平連鑄鑄錠組織圖6-53水平連鑄H80錠坯宏觀組織a-空心錠；b-實(shí)心錠（a）（b）圖6-54水平連鑄H65錠坯宏觀組織a-空心錠；b-實(shí)心錠（a）（b）圖6-55水平連鑄HAl77-2錠坯宏觀組織a-空心錠；b-實(shí)心錠（a）（b）第7章振動(dòng)鑄造與間歇鑄造7.1.1結(jié)晶器垂直振動(dòng)

A機(jī)械振動(dòng)方式結(jié)晶器垂直振動(dòng)方式已經(jīng)得到了比較廣泛的應(yīng)用，通常按往復(fù)式移動(dòng)機(jī)械原理進(jìn)行設(shè)計(jì)，鑄造過(guò)程中，結(jié)晶器沿鑄錠滑動(dòng)方向以一定的振幅和頻率往復(fù)運(yùn)動(dòng)。簡(jiǎn)單的結(jié)晶器往復(fù)振動(dòng)裝置原理如圖7-1所示。7.1振動(dòng)鑄造圖7-1結(jié)晶器振動(dòng)裝置原理示意圖