有色金屬熔煉與鑄錠課件

有色金屬熔煉與鑄錠1.1熔煉與鑄造在金屬制品生產(chǎn)過程中的作用緒論礦石分選礦石——金屬材料——零件的過程1.2熔煉的基本概念、目的和任務(wù)

熔煉：將金屬材料在熔煉爐中熔化，通過添加元素調(diào)質(zhì)、并通過添加精煉劑，靜置、過濾等手段除去金屬熔體中的“雜質(zhì)”的過程。熔煉的目的和任務(wù)：（1）獲得化學(xué)成分均勻的金屬。（2）配制所需要的各種合金。（3）精煉消除金屬中的各種“雜質(zhì)”。（4）回收各種金屬廢料。1.3鑄造的基本概念、目的和任務(wù)

鑄造：熔煉完成的金屬熔體在一定條件下凝固，獲得一定形狀和尺寸鑄錠的過程。鑄造的目的和任務(wù)：（1）鑄造成一定形狀和尺寸的鑄錠。（2）制備成分、組織合格，無明顯缺陷的鑄錠。熔化熔煉鑄造軋制變形擠壓變形1.3鑄造的基本概念、目的和任務(wù)

焊接擠壓型材拼裝組裝1.3鑄造的基本概念、目的和任務(wù)

蘋果手機(jī)后殼為7000系鋁合金6000系列鋁合金1.3鑄造的基本概念、目的和任務(wù)

工程材料指具有一定性能，在特定條件下，能夠承擔(dān)某種功能，被用來制取零件和元件的材料。工程材料的分類：⑴按使用功能分類

?結(jié)構(gòu)材料（structuralmaterial）實(shí)現(xiàn)運(yùn)動、傳遞運(yùn)動，承擔(dān)力、負(fù)荷為主（機(jī)械工程等）。

?功能材料（functionalmaterial）理化功能為主，力性為輔（導(dǎo)電材料、磁盤、光纖、散熱器等）。1.5工程材料及分類1.5工程材料分類按成分分類----三大類或四大類材料1.6金屬材料的分類通常金屬材料分為黑色金屬和有色金屬兩大類。黑色金屬：以鐵、錳、鉻或以它們?yōu)橹鞫纬傻木哂薪饘偬匦缘奈镔|(zhì)，稱為黑色金屬。如碳素鋼、合金鋼、鑄鐵等。有色金屬：除黑色金屬以外的其它金屬材料，稱為有色金屬，如銅、鋁、鎂以及它們的合金等。

1.7有色金屬及合金材料有色金屬（基本概念）：狹義的有色金屬又稱非鐵金屬，是鐵、錳、鉻以外的所有金屬的統(tǒng)稱。廣義的有色金屬還包括有色合金。有色合金是以一種有色金屬為基體（通常大于50%），加入一種或幾種其他元素而構(gòu)成的合金。分類：有色金屬可分為重金屬(如銅、鉛、鋅)、輕金屬(如鋁、鎂)、貴金屬(如金、銀、鉑)及稀有金屬(如鎢、鉬、鍺、鋰、鑭、鈾)。（1）輕金屬：密度小于4500千克/立方米（0.53～4.5g/cm3），如鋁、鎂、鉀、鈉、鈣、鍶、鋇等。（2）重金屬：密度大于4500千克/立方米（4.5g/cm3），如銅、鎳、鈷、鉛、鋅、錫、銻、鉍、鎘、汞等。（3）貴金屬：價格比一般常用金屬昂貴，地殼豐度低，提純困難，化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定，如金、銀及鉑族金屬。（4）稀有金屬：包括稀有輕金屬，如鋰、銣、銫等；稀有難熔金屬，如鈦、鋯、鉬、鎢等；（5）稀有分散金屬：如鎵、銦、鍺等；（6）稀土金屬：如鈧、釔、鑭系金屬；（7）放射性金屬：如鐳、鈁、釙及阿系元素中的鈾、釷等有色合金的強(qiáng)度和硬度一般比純金屬高，電阻比純金屬大、電阻溫度系數(shù)小，具有良好的綜合機(jī)械性能。常用的有色合金有鋁合金、銅合金、鎂合金、鎳合金、錫合金、鉭合金、鈦合金、鋅合金、鉬合金、鋯合金等。1.8有色金屬及合金分類1.9有色合金的發(fā)展與應(yīng)用

在歷史上，生產(chǎn)工具所用的材料不斷改進(jìn)，它與人類社會發(fā)展的關(guān)系十分密切。因此歷史學(xué)家曾用器物的材質(zhì)來標(biāo)志歷史時期，如石器時代、青銅器時代、鐵器時代等。到17世紀(jì)末被人類明確認(rèn)識和應(yīng)用的有色金屬共8種。中華民族在這些有色金屬的發(fā)現(xiàn)和生產(chǎn)方面有過重大的貢獻(xiàn)。進(jìn)入18世紀(jì)后，科學(xué)技術(shù)的迅速發(fā)展，促進(jìn)了許多新的有色金屬元素的發(fā)現(xiàn)。上述的64種有色金屬除在17世紀(jì)前已被認(rèn)識應(yīng)用的8種外，在18世紀(jì)共發(fā)現(xiàn)13種。19世紀(jì)發(fā)現(xiàn)39種，進(jìn)入20世紀(jì),又發(fā)現(xiàn)4種。目前為止有色金屬有64種。有色金屬是國民經(jīng)濟(jì)發(fā)展的基礎(chǔ)材料，航空、航天、汽車、機(jī)械制造、電力、通訊、建筑、家電等絕大部分行業(yè)都以有色金屬材料為生產(chǎn)基礎(chǔ)。隨著現(xiàn)代化工、農(nóng)業(yè)和科學(xué)技術(shù)的突飛猛進(jìn)，有色金屬在人類發(fā)展中的地位愈來愈重要。它不僅是世界上重要的戰(zhàn)略物資，重要的生產(chǎn)資料，而且也是人類生活中不可缺少的消費(fèi)資料的重要材料。1.10典型的有色金屬及合金鋁及鋁合金銅及銅合金鈦及鈦合金鎂及鎂合金鈦及鈦合金工業(yè)純鈦鈦及鈦合金鈦合金鈦及鈦合金鎂及鎂合金對化學(xué)成分的要求合金：是兩種或兩種以上的金屬或金屬元素與非金屬元素熔合在一起所得到的具有金屬特性的物質(zhì)。組成合金的各元素稱組元。它們交互作用形成多種相，即合金中具有同一化學(xué)成份、同一結(jié)構(gòu)和原子聚集狀態(tài)的均勻部分。不同相之間有明顯的界線分開。相的結(jié)構(gòu)可分為固溶體和化合物兩大類。固溶體：是指溶質(zhì)原子溶入溶劑晶格中而仍保持溶劑晶格類型的一種金屬晶體。大多數(shù)溶質(zhì)原子在溶劑晶格中溶解度是有一定限度的，過量會形成新相。金屬化合物（中間相）：是合金元素間發(fā)生相互作用而生成的一種新相（溶質(zhì)含量越過溶解度），當(dāng)合金中出現(xiàn)金屬化合物時，通常能提高合金的強(qiáng)度、硬度和耐磨性，但會降低塑性。晶體:物質(zhì)內(nèi)部結(jié)構(gòu)中的質(zhì)點(diǎn)（原子、離子或分子）按一定規(guī)則次序排列的固體叫晶體。特點(diǎn)：規(guī)則的外形，固定的熔點(diǎn)，各向異性。實(shí)際晶體由于結(jié)晶及其它加條件的影響，使得所得到的晶體在內(nèi)部結(jié)構(gòu)上產(chǎn)生很多缺陷，稱真實(shí)晶體。2.1.2相關(guān)的基本概念燒損：熔煉過程中，熔體由于氧化而變成某些不能回收的金屬化合物時，這種損失統(tǒng)稱為燒損，其大小與爐型、爐料狀態(tài)、生產(chǎn)工藝等有關(guān)。表面張力：作用在液體表面，并力圖使表面自動收縮的力。與本身性質(zhì)(對液態(tài)金屬主要是成份和溫度)、接觸相的性質(zhì)有關(guān)。是液態(tài)金屬的重要物理特性之一。影響潤濕、毛細(xì)、內(nèi)吸附等現(xiàn)象的發(fā)生。潤濕：液體在固體或液體表面鋪展的性質(zhì)。如接觸面有擴(kuò)大的趨勢稱潤濕。如液體成球形，在固體或液體表面不能鋪開，接觸面有收縮趨勢稱不潤濕。潤濕角小于90度表示能潤濕。相：合金中具有同一化學(xué)成份、同一聚集狀態(tài)并以界面互相分開的各個均勻的組成部分。合金中所有的相可分為固溶體和金屬化合物兩大類。組元：組成合金的元素（或穩(wěn)定化合物）稱為組元。結(jié)晶：物質(zhì)由液體狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)榫w狀態(tài)物過程叫結(jié)晶。過冷：液體冷卻到平衡結(jié)晶溫度以下某一溫度才開始有效結(jié)晶的現(xiàn)象叫過冷。而該溫度（實(shí)際結(jié)晶溫度）與平衡結(jié)晶溫度之差稱為過冷度。其大小影響結(jié)晶后晶粒的大小。（決定晶核生成數(shù)目和晶核長大速度，當(dāng)過冷度很大時，生核數(shù)目很大，晶核生長不充分，得到了細(xì)小致密的晶體。）自發(fā)成核：只依靠液態(tài)金屬本身在一定過冷度條件下形成晶核。非自發(fā)成核:依附于固態(tài)質(zhì)點(diǎn)表面而形成晶核的過程（在晶體結(jié)構(gòu)上與結(jié)晶金屬相近的雜質(zhì)，稱活性雜質(zhì)如鋁合金中的TiAL3;稱活化了的某些難溶雜質(zhì)；結(jié)晶金屬本身被離散的樹枝晶尖端或未溶的晶格殘余物，稱固有晶核；在實(shí)際生產(chǎn)中故意制造人工晶核以細(xì)化組織為變質(zhì)處理。2.1.3鋁合金中主要合金元素、微量元素及雜質(zhì)熔體成分控制、熔體質(zhì)量控制熔煉設(shè)備、凈化設(shè)備2.3.1備料爐料一般包括：一、新金屬：電解Cu、電解Al等。品位↑，價格↑，成本↑。二、廢料：①本廠廢料—幾何廢料、工藝廢料；②廠外廢料：化學(xué)廢料。三、中間合金使用目的：在于加入某些熔點(diǎn)高、難溶解、易氧化、易揮發(fā)的元素，以便準(zhǔn)確控制成份，避免熔體過熱，縮短熔煉時間，減少熔損。如：Al合金LF21—Mn的T熔=1246℃,Al的T熔=660℃,Al－(7～12%)Mn中間合金的T熔=780～800℃四、金屬添加劑一般含合金成份高達(dá)70%～90%，回收率達(dá)90%，而中間合金僅10～20%。組成：添加元素的金屬粉末：60%～90%（40～100目）；鋁粉：2%～10%（80～100目）；熔劑：鹽類。如Mn添加劑：75.8%的40目Mn粉；5%的80目Al粉；19.2%的鉀冰晶石粉；混合壓制成直徑90mm厚25mm的圓餅。2.2熔體的成分控制

1、合金爐料的組成（1）新金屬:購買的各種新原料，純金屬鑄錠，電解廠直接純鋁液等。（2）廢料：擠壓、拉拔、軋制過程中產(chǎn)生的廢料及機(jī)加廢料不合格產(chǎn)品等。（3）中間合金：含有難容元素的合金鑄錠（Al-Zr中間合金）。在于加入某些熔點(diǎn)高、難溶解、易氧化、易揮發(fā)的元素，以使準(zhǔn)確控制成份，避免熔體過熱，縮短熔煉時間，減少燒損。（4）金屬添加劑和化工原料：含有難容元素的化學(xué)添加劑和除氣劑精煉劑等。2、合金成分控制及配料計(jì)算（1）配料及計(jì)算：根據(jù)生產(chǎn)合金的目標(biāo)成分及總重計(jì)算需添加原料的重量。（2）成分調(diào)整：根據(jù)爐前成分分析結(jié)果，對爐內(nèi)的成分進(jìn)行調(diào)整。3、爐料的加入方法和加入順序通過加入順序的控制，盡量提高各種原料的利用率和收得率。4、熔體成分的表征方法（1）直讀光譜分析：工廠用的最廣泛的分析設(shè)備，對固體試樣進(jìn)行成分分析。（2）icp-aes分析儀(atomicemissionspectrometer)

（3）化學(xué)分析純鎂錠純鋁錠電解銅板海綿鈦中間合金中間合金Al-Si中間合金Al-Si中間合金Al-Ti-B添加劑除氣劑壓余鋸切、車削鋁屑廢錠，錠頭錠尾廢錠，錠頭錠尾成品的鋸切頭尾配料計(jì)算

配料計(jì)算有計(jì)算雜質(zhì)和不計(jì)算雜質(zhì)兩種方法。當(dāng)爐料全部是新金屬和中間合金，或僅有少量一級廢料，或單個雜質(zhì)限量要求不嚴(yán)格，或雜質(zhì)總限量較高時，可不計(jì)算雜質(zhì)，如銅合金。重要用途或雜質(zhì)控制比較嚴(yán)格的合金，或使用爐料級別低、雜質(zhì)較多的廢料，特別是雜質(zhì)含量多寡對鑄造工藝性能影響較大的合金，要計(jì)算雜質(zhì)，如鋁合金。第三步：計(jì)算各種成分總的裝爐量或最大限量。主要成分Cu:9000×1.6%=144kgMg:9000×2.15%=193.5kgMn:9000×0.35%=31.5kgZn:9000×6%=540kgCr:9000×0.16=14.4kg雜質(zhì)限量Fe:9000×0.45%=40.5kgSi:9000×0.25%=22.5kg第四步：確定7A04合金一級廢料中各成分的含量。主要成分Cu:3000×1.55%=46.5kgMg:3000×2%=60kgMn:3000×0.3%=9kgZn:3000×5.8%=174kgCr:3000×0.15%=4.5kg雜質(zhì)Fe:3000×0.4%=12kgSi:3000×0.2%=6kg第五步：復(fù)化料用量及各種成分含量計(jì)算復(fù)化料總的用量：9000×30%=2700kg主要成分Cu:2700×1.2%=32.4kgMg:2700×1.7%=45.9kgMn:2700×0.3%=8.1kgZn:2700×5%=135kgCr:2700×0.1%=2.7kg雜質(zhì)Fe:2700×0.4%=10.8kgSi:2700×0.2%=5.4kg第六步：各種中間合金及純金屬用量計(jì)算。Al-Cu中間合金：（144-32.4-46.5）÷40%=162.75kgAl-Mn中間合金：（31.5-8.1-9）÷10%=144kgAl-Cr中間合金：（14.4-2.7-4.5）÷4%=180kgMg錠：193.5-45.9-60=87.6kgZn錠：540-135-174=231kg熔煉爐的準(zhǔn)備熔煉工藝流程小結(jié)：熔煉的目的熔煉的特點(diǎn)（溫度低、時間長，成分偏析，氧化，吸氣，組織粗大）冶金質(zhì)量（控氣、控雜、控堿金屬）合金元素在鋁合金中的作用成分控制（配料、成分調(diào)整）熔煉爐的準(zhǔn)備（烘爐、洗爐、清爐）溫度控制熔體與爐內(nèi)氣體的反應(yīng)3.2.4熔煉溫度控制

熔煉過程必須有足夠高的溫度以保證金屬及合金元素充分熔化及溶解。加熱溫度過高，熔化速度增快，同時也會使金屬與爐氣、爐襯等相互有害作用的時間縮短。實(shí)踐表明，快速加熱以加速爐料的熔化，縮短融化時間，對提高生產(chǎn)效率和產(chǎn)品質(zhì)量都是有利的。

但是另一方面，過高的溫度容易發(fā)生過熱現(xiàn)象，特別是在使用火焰反射爐加熱時，火焰直接接觸爐料，以強(qiáng)熱加于熔融或半熔融狀態(tài)的金屬，容易引起氣體侵入熔體。同時，溫度越高，金屬與爐氣、爐襯等之間的互相作用的反應(yīng)也進(jìn)行得越快，因此會造成金屬的損失及熔體質(zhì)量的下降。過熱不僅容易大量吸收氣體，而且易使凝固后的鑄錠的晶粒組織粗大，增加鑄錠裂紋的傾向性，影響合金性能。因此，在熔煉時，應(yīng)控制好熔煉溫度，嚴(yán)防熔體過熱。下圖為熔體過熱溫度與晶粒度、裂紋傾向之間的關(guān)系。但是過低的熔煉溫度在生產(chǎn)中是沒有意義的。因此，生產(chǎn)中既要防止熔體過熱，又要加速融化，縮短熔煉時間。熔煉溫度的控制極為重要。目前，大多數(shù)工廠都是采用快速加料后高溫快速溶化，使處于半固態(tài)、半液態(tài)狀態(tài)時的金屬較短時間暴露于強(qiáng)烈的爐氣和火焰之下，降低金屬的氧化、燒損和減少熔體的吸氣。當(dāng)爐料化平后出現(xiàn)一層液態(tài)金屬時，為了較少熔體的局部過熱，適當(dāng)?shù)亟档腿蹮挏囟龋⒃谌蹮掃^程中加強(qiáng)攪拌以利于熔體的熱傳導(dǎo)。特別要控制好爐料即將全部熔化完的熔煉溫度。因金屬或合金有熔化潛熱，當(dāng)爐料全部熔化完后溫度就會回升，此時如果溫度控制過高就要造成整個熔池內(nèi)的金屬過熱，在生產(chǎn)中，發(fā)生熔體過熱大多數(shù)是在這種情況下溫度控制不好所造成的。

實(shí)際熔化溫度的選擇，理論上應(yīng)根據(jù)各種不同合金的熔點(diǎn)溫度來確定。下表為幾種鋁合金的熔融溫度。由表可見，多數(shù)合金的熔化溫度區(qū)間是相當(dāng)大的，當(dāng)金屬處于半固體、半液體狀態(tài)時，如長時間暴露于爐氣或火焰下，最易吸氣。因此實(shí)際生產(chǎn)中多選擇高于液相線溫度50-60℃的溫度為熔煉溫度，以迅速避開半熔融狀態(tài)的溫度范圍。主要鋁合金的熔煉特點(diǎn)1XXX系鋁合金的熔煉1XXX鋁合金在熔煉時應(yīng)注意保持其純度。1XXX鋁合金雜質(zhì)含量低，因此在原材料選擇上對品位高的合金制品使用原鋁錠。在熔煉時，為避免晶粒粗大，要求熔煉溫度不超過750℃，液體在熔煉爐（尤其火焰爐）停留超過2h。熔煉高精鋁時，要對與熔體接觸的工具噴上涂料，避免引起熔體鐵含量增高。2XXX系鋁合金熔煉特點(diǎn)Al-Cu-Mg系合金的熔煉（1）減少銅的燒損，避免成分偏析Al-Cu-Mg系合金的銅含量較高，熔煉時銅多以純銅板形式直接加入。在熔煉時應(yīng)注意以下問題：為減少銅的燒損，并保證其有充分的溶解時間，銅板應(yīng)在爐料熔化下榻，且熔體能將銅板淹沒時加入，保證銅板不露出液面。為保證成分均勻，同時防止銅產(chǎn)生嚴(yán)重偏析，銅板應(yīng)均勻加入爐內(nèi)，爐料完全熔化后在熔煉溫度范圍內(nèi)攪拌，攪拌時先在爐底攪拌數(shù)分鐘，然后徹底均勻地攪拌熔體。

淹沒+攪拌（2）加強(qiáng)覆蓋、精煉，減輕吸氣傾向。2XXX系合金一般都含鎂，尤其是2A12、2024合金鎂含量較高，合金液態(tài)時氧化膜的致密性差，同時因?yàn)榻Y(jié)晶溫度范圍寬，因此產(chǎn)生疏松的傾向性較大。為防止疏松缺陷的產(chǎn)生，熔煉時應(yīng)加強(qiáng)對熔體的覆蓋，并采用適當(dāng)?shù)木珶挸龤獯胧?。Al-Cu-Mg-Fe-Ni系合金的熔煉Al-Cu-Mg-Fe-Ni系合金中因鐵、鎳元素在鋁中的溶解度小，不易溶解，要適當(dāng)提高熔煉溫度。3.3XXX系鋁合金的熔煉3XXX系鋁合金的主要合金成分是錳。錳在鋁中的溶解度很低，在正常熔煉溫度下含錳10%的Al-Mn中間合金其溶解速度是很慢的，因此，裝爐時Al-Mn中間合金應(yīng)分布于爐料的最上層。當(dāng)熔體溫度達(dá)到720℃后，應(yīng)多次攪拌熔體，以加速錳的溶解和擴(kuò)散。應(yīng)該注意的是一定要保證攪拌溫度，否則如攪拌溫度過低，取樣分析后的錳含量往往要比實(shí)際含量低，按此分析補(bǔ)料可能會造成錳含量偏高。4.4XXX系鋁合金的熔煉4XXX系鋁合金硅含量較高，硅是以Al-Si中間合金形式加入的。為保證Al-Si中間合金中硅的充分溶解，一般將熔煉溫度控制在750-800℃，并充分?jǐn)嚢枞垠w。

過共晶Al-Si合金硅含量一般在16-20%之間，其熔煉溫度需要更高。5.5XXX系鋁合金的熔煉

特點(diǎn)：含鎂量較高，氧化膜疏松，鈉脆(1)α=0.78＜1,因此該系合金氧化膜疏松，氧化反應(yīng)可繼續(xù)向熔體內(nèi)進(jìn)行。含鎂量越高，氧化膜致密性越差，抗氧化能力越低。

合金易燒損，鎂更易燒損

吸氣性增加

易形成氧化夾雜，導(dǎo)致鑄錠裂紋

措施：2號熔劑覆蓋，加鈹（0.001-0.004%）鈹粗化晶粒，加鈦細(xì)化（2）正確的加鎂方法（3）鈉脆：指合金中混入一定量的金屬鈉后，在鑄造和加工過程中裂紋傾向大大提高的現(xiàn)象。高鎂鋁合金鈉脆性產(chǎn)生的原因是合金中鎂和硅先形成Mg2Si，析出游離鈉的緣故。鈉只在合金中呈游離狀態(tài)時，才會出現(xiàn)鈉脆性。鈉的這種影響是因?yàn)殁c的熔點(diǎn)低，在鋁和鎂中均不溶解，在合金凝固過程中，被排斥在生長著的枝晶表面，凝固后分布在枝晶網(wǎng)絡(luò)邊界，削弱了晶間聯(lián)系，使合金的高溫和低溫塑性都急劇降低。在晶界上形成低熔點(diǎn)的吸附層，降低晶界強(qiáng)度，影響鑄造和加工性能，在鑄造和加工時產(chǎn)生裂紋。2.3熔體與爐內(nèi)氣氛

鋁合金的熔煉，一般情況下是在大氣環(huán)境下的熔煉爐中進(jìn)行，隨溫度的升高，金屬表面與爐氣或大氣接觸，會發(fā)生一系列的物理化學(xué)作用。由于溫度、爐氣和金屬性質(zhì)不同，金屬表面可能產(chǎn)生氣體的吸附和溶解或產(chǎn)生氧化物、氫化物、氮化物和碳化物。1.爐內(nèi)氣氛2.液態(tài)金屬與氣體的相互作用（1）氫的溶解氫是鋁及鋁合金最容易溶解的氣體之一。按其溶解能力，其順序?yàn)镠2、CmHn、CO2、CO、N2。在所溶解的氣體中，氫占90%左右。凡是與金屬有一定結(jié)合力的氣體，都能不同程度地溶解于金屬中，而與金屬沒有結(jié)合力的氣體，一般只能進(jìn)行吸附，但不能溶解。氣體與金屬之間的結(jié)合能力不同，則氣體在金屬中溶解度也不同。金屬的吸氣由三個過程組成：吸附、擴(kuò)散、溶解。吸附有物理吸附和化學(xué)吸附兩種。物理吸附是不穩(wěn)定的，單靠物理吸附的氣體是不會溶解的。當(dāng)金屬與氣體有一定結(jié)合力時，氣體不僅能吸附在金屬之上，而且還會離解為原子，其吸附速度隨溫度升高而增大，達(dá)到一定溫度后才變慢，這就是化學(xué)吸附。只有離解為原子的化學(xué)吸附，才能進(jìn)行擴(kuò)散或溶解。當(dāng)金屬表面某一氣體的分壓大于該氣體在金屬內(nèi)部的分壓時，在壓差及與金屬結(jié)合力的作用下，氣體原子開始向金屬內(nèi)部擴(kuò)散，即溶解于金屬中。擴(kuò)散速度與溫度、壓力有關(guān)。（2）與氧的相互作用純鋁中氫的溶解度與溫度的關(guān)系2.4熔體凈化

鋁合金在熔鑄過程中易于吸氣和氧化，因此在熔體中不同程度地存在氣體和各種非金屬夾雜物，使鑄錠產(chǎn)生疏松、氣孔、夾雜等缺陷，顯著降低鋁材的力學(xué)性能、加工性能、疲勞抗力、抗蝕性、陽極氧化性等性能，甚至造成產(chǎn)品報廢。此外，受原輔材料的影響，在熔體中可能存在一些對熔體有害的其他金屬，如Na、Ca等堿及堿土金屬，部分堿金屬對多數(shù)鋁合金的性能有不良影響，如鈉在含鎂高的Al-Mg系合金中除易引起“鈉脆性”外，還降低熔體流動性而影響合金的鑄造性能。因此，在熔鑄過程中需要采取專門的工藝措施，去除鋁合金中的氣體、非金屬夾雜和其他有害金屬，保證產(chǎn)品質(zhì)量。精煉氯鹽氯氣惰性氣體混合氣體熔體凈化：就是利用一定的物理化學(xué)原理和相應(yīng)的工藝措施，去除鋁合金熔體中的氣體、夾雜物和有害元素的過程，它包括爐內(nèi)精煉、爐外精煉及過濾等過程。熔體凈化的要求一般制品氫含量：0.15-0.2ml/100g夾雜：單個顆粒小于10μm航空鋁材雙零鋁箔等氫含量：小于0.1ml/100g夾雜：單個顆粒小于5μm

2.4.1熔體凈化原理分壓差脫氣原理

1.脫氣原理預(yù)凝固脫氣原理

影響金屬熔體中氣體溶解度的因素除了氣體分壓力外，就是熔體的溫度。大家都知道，氣體溶解度隨著金屬熔體溫度的降低而減小，特別是在熔點(diǎn)溫度附近氣體溶解度變化最大。根據(jù)這一原理，讓熔體緩慢冷卻到凝固，這樣就可以使溶解在熔體中的大部分氣體自行擴(kuò)散析出。然后再快速重熔，即可獲得氣體含量較低的熔體。振動脫氣原理用振動法除氣的基本原理是液體分子在極高頻率的振動下發(fā)生位移運(yùn)動。在運(yùn)動時一部分分子與另一部分分子之間的運(yùn)動是不和諧的，所以在液體內(nèi)部產(chǎn)生無數(shù)顯微空穴，空穴都是真空的，金屬中的氣體很容易擴(kuò)散到這些空穴中，結(jié)合成分子態(tài)，形成氣泡而上升逸出。一般使用5000-20000Hz的頻率。2.除渣原理澄清除渣原理密度差上升或下沉一般金屬氧化物與金屬本身之間總是存在密度差的。如果這種差異較大，再加上氧化物的顆粒也較大，在一定過熱條件下，金屬的懸混氧化物渣可以與金屬分離，這種分離作用也叫澄清作用?？梢杂盟雇锌怂苟蓙碚f明，雜質(zhì)顆粒在熔體中上升或下降的速度為：上升或下降的時間為：

根據(jù)斯托克斯定律可知，在一定條件下，可以通過介質(zhì)的黏度、密度，以及懸浮顆粒的大小控制雜質(zhì)顆粒的升降時間。通常溫度高，介質(zhì)黏度小，從而縮短了升降時間。因此，在熔煉過程中采用稍稍過熱的溫度，增加金屬熔體的流動性，對于利用澄清法除渣是有利的。但實(shí)際上，在鋁合金熔煉時氧化鋁的狀態(tài)十分復(fù)雜，形態(tài)也不都是球形的，通常多以片狀或樹枝狀存在，難于采用斯托克斯公式計(jì)算。

澄清法除渣對許多金屬，特別是輕合金不是主要有效的方法，還必須輔以其他方法。但是，根據(jù)物理學(xué)原理，它仍不失為一種基本方法。在鋁合金精煉過程中，首先仍要用這一簡單方法來將一部分固體雜質(zhì)和金屬分開。一般靜置爐的應(yīng)用就是為了這個目的，在靜置爐內(nèi)已熔煉好的金屬熔體可通過澄清除渣作用來澄清分渣。吸附除渣原理吸附凈化主要是利用精煉劑的表面作用，當(dāng)氣體精煉劑或熔劑精煉劑在熔體中與氧化物夾雜相遇時，雜質(zhì)被精煉劑吸附在表面上，從而改變了雜質(zhì)顆粒的物理性質(zhì)，隨著精煉劑一起被出去。若夾雜物能自動吸附到精煉劑上，根據(jù)熱力學(xué)第二定律，熔體、雜質(zhì)和精煉劑三者之間應(yīng)滿足以下關(guān)系：過濾除渣原理爐內(nèi)除渣澄清除渣吸附除渣爐外除渣過濾除渣過濾裝置種類很多，從過濾方式的除渣原理來看，大致可分為機(jī)械除渣和物理化學(xué)除渣兩種。機(jī)械除渣作用主要是靠過濾介質(zhì)的阻擋作用、摩擦力或流體的壓力使雜質(zhì)沉降或堵滯，從而凈化熔體，物理化學(xué)作用主要是介質(zhì)表面的吸附和范德華力的作用。不論是哪種作用，熔體通過一定厚度的過濾介質(zhì)時，由于流速的變化、沖擊或者反流作用，雜質(zhì)較容易被分離掉。通常，過濾介質(zhì)的空隙越小，厚度越大，金屬熔體流速越低，過濾效果越好。當(dāng)然，無論何種過濾裝置，機(jī)械除渣和物理化學(xué)除渣兩種都存在，只是哪種作用較大而已。2.4.2爐內(nèi)凈化處理根據(jù)凈化機(jī)理，爐內(nèi)處理可分為吸附凈化和非吸附凈化兩大類。1、吸附凈化

依靠精煉劑（氣體、熔劑）產(chǎn)生的吸附作用達(dá)到去除氧化夾雜和氣體的目的。（1）浮游法A惰性氣體噴吹

這里惰性氣體指與熔融鋁及溶解的氫不起化學(xué)反應(yīng)，又不溶解于鋁中的氣體。通常使用氮?dú)饣驓鍤狻?/p>

根據(jù)吸附除渣原理，氮?dú)獗淮等脘X液后，形成許多細(xì)小的氣泡。氣泡在熔體中通過的過程與熔體中氧化物夾雜相遇，夾雜被吸附在氣泡表面并隨氣泡上浮到熔體表面。已被帶至液面的氧化物不能自動脫離氣相而重新溶入鋁液中，停留于表面就可聚集除去，如圖所示。一般采用扒渣工藝。浮游除渣原理由于吸附是發(fā)生在氣泡與熔體接觸的界面上，只能接觸有限的熔體，除渣效果受到限制。為了提高凈化效果，吹入精煉氣體產(chǎn)生氣泡量越多，氣泡半徑越小，分布越均勻，吹入時間越長效果越好。當(dāng)然在實(shí)際操作時，往往通過一些裝備與其它精煉劑同時吹入，精煉小車就是這樣的裝備。B活性氣體吹洗

目前更多采用Ar+3%Cl2C混合氣體噴吹D氯鹽凈化（2）熔劑法鋁合金凈化所用熔劑主要為堿金屬的氯鹽和氟鹽，常用覆蓋劑和精煉劑如下表2.非吸附凈化靜態(tài)真空處理：將熔體置于1333.3-3999.9Pa的真空度下，保持一段時間。由于鋁液表面有致密的氧化鋁膜存在，往往使真空除氣達(dá)不到理想的效果，因此在真空除氣之前，必須清楚氧化膜的阻礙作用。如在熔體表面撒上一層熔劑，可使氣體順利通過氧化膜。在真空下鋁液吸氣的傾向趨于零，而溶解在鋁液中的氫有強(qiáng)烈的析出傾向，生成的氣泡在上浮過程中能將非金屬夾雜吸附在表面，使鋁液得到凈化。靜態(tài)真空處理加電磁攪拌：為提高凈化效果，在熔體靜態(tài)真空處理的同時，對熔體施加電磁攪拌。這樣可提高熔體深處的除氣速度。動態(tài)真空除氣：是預(yù)先使真空處理達(dá)到一定的真空度（約1333.3Pa），然后通過噴嘴向真空爐內(nèi)噴射熔體。熔體形成細(xì)小液滴。這樣熔體與真空的接觸面積增大，氣體的擴(kuò)散距離縮短，并且不受氧化膜的阻礙。所以氣體得以迅速析出。與此同時鈉被蒸發(fā)燒掉，氧化夾雜聚集在液面。真空處理后氣體含量低于0.12ml/100gAl。真空處理爐有20噸、30噸、50噸三種級別，其裝置示意圖如左。該方法脫氣速度快，凈化效果好，且對環(huán)境沒有任何污染，是一種很有前途的凈化方法。但受條件限制，應(yīng)用較少。2.4.3爐外的在線凈化處理2.4有色金屬及合金的熔體凈化1、凈化原理

（1）除氣原理（2）除渣原理2、鋁合金凈化熔體的凈化處理

（1）爐內(nèi)處理（2）路外在線處理3、除氣除渣效果評價方法（1）氧化膜檢測（2）宏微觀組織觀察（3）在線測渣（4）在線測量氣體含量，測量固態(tài)氣體含量2.5熔體的轉(zhuǎn)注與在線凈化

1、熔體轉(zhuǎn)注的基本概念和作用轉(zhuǎn)注：是將保溫爐內(nèi)成分及熔體質(zhì)量合格的熔體轉(zhuǎn)移到結(jié)晶器的過程。其作用是是將熔體平穩(wěn)的輸送到結(jié)晶器內(nèi)，為在結(jié)晶器中凝固做準(zhǔn)備。鋁合金的轉(zhuǎn)注過程中多伴隨著喂入Al-Ti-B絲和爐外在線凈化過程。2、熔體轉(zhuǎn)注過程中的傳熱、傳質(zhì)（1）轉(zhuǎn)注過程中的熱量散失（2）轉(zhuǎn)注過程中與流道的物質(zhì)交換3、轉(zhuǎn)注過程中的在線凈化過濾4、轉(zhuǎn)注過程中應(yīng)注意的問題，及采取的措施2.5熔體的轉(zhuǎn)注與在線凈化

釬子、氈套、渣刀、壓罩、渣耙、攪拌裝置有色金屬熔煉設(shè)備及工具應(yīng)用：形狀復(fù)雜，受力簡單的制件溫州大學(xué)溫州大學(xué)溫州大學(xué)溫州大學(xué)溫州大學(xué)溫州大學(xué)溫州大學(xué)溫州大學(xué)溫州大學(xué)溫州大學(xué)優(yōu)點(diǎn)：形狀復(fù)雜制件complexinshape液態(tài)金屬流動性→復(fù)雜外形型芯→復(fù)雜內(nèi)腔成本低廉cheapinproduction工藝靈活,適應(yīng)范圍廣adaptabilityintechnology

缺點(diǎn)：力學(xué)性能低于同種材質(zhì)的鍛件lowermechanical

properties←鑄造組織粗大，有缺陷工作條件較差worseworkcondition廢品率較高unstablequality←鑄造工序繁多不連續(xù)鑄造的特點(diǎn)溫州大學(xué)鋁合金鑄軋技術(shù)（輥模鑄造）動模連續(xù)鑄造技術(shù)溫州大學(xué)鋁合金鑄軋技術(shù)（輥模鑄造）溫州大學(xué)近幾年，國外鑄軋技術(shù)的發(fā)展并不快，在鑄軋產(chǎn)品厚度上，理論計(jì)算最薄可達(dá)到2.5mm，實(shí)際工業(yè)生產(chǎn)在3.0mm以上；在軋制速度上，理論計(jì)算可達(dá)到12m/min以上，實(shí)際工業(yè)生產(chǎn)在7～8m/min，產(chǎn)量最大的是8×××系及純鋁，3×××系合金及低鎂5×××系少量生產(chǎn)，據(jù)資料介紹，國外3004合金罐體料正在研究攻關(guān)。意大利法塔亨特公司在鑄軋技術(shù)上的研究比較深入，裝機(jī)水平也比較先進(jìn)，可大量供應(yīng)幅寬達(dá)2300mm超型鑄軋機(jī)。與此同時，我國的鑄軋生產(chǎn)發(fā)展速度非?？?，鋁板帶材深加工生產(chǎn)線絕大部分采用鑄軋坯料，其產(chǎn)能力可達(dá)500kt/a，占可用于現(xiàn)代化冷軋機(jī)供坯產(chǎn)能的51.6%。鑄軋板厚度一般為6～10mm，大多數(shù)在7～8mm，軋制速度一般在1.5m/min以下，幅寬2000mm軋機(jī)已在使用，板型控制技術(shù)大有提高，表面質(zhì)量也有一定進(jìn)步。大量生產(chǎn)的合金是純鋁、8×××系以及3×××系合金。中檔雙零箔坯料及中低檔PS版基料產(chǎn)量較大，但高檔產(chǎn)品產(chǎn)量少，且質(zhì)量不夠穩(wěn)定。動模連續(xù)鑄造技術(shù)鋁合金輪模鑄造鑄技術(shù)溫州大學(xué)鋁合金輪模鑄造技術(shù)Hazellet動模連續(xù)鑄造技術(shù)溫州大學(xué)鋁合金鑄擠成形技術(shù)動模連續(xù)鑄造技術(shù)溫州大學(xué)動模連續(xù)鑄造技術(shù)的特點(diǎn)優(yōu)點(diǎn)：鑄造速度快、生產(chǎn)效率高能夠直接與軋機(jī)相連接實(shí)現(xiàn)連鑄連軋鑄錠頭尾少，成品率高缺點(diǎn)：設(shè)備結(jié)構(gòu)復(fù)雜，投資大產(chǎn)品的尺寸規(guī)格一般較小，能生產(chǎn)的合金種類有限。結(jié)晶模具使用壽命短溫州大學(xué)低壓鑄造法的雛形可以追溯到上世紀(jì)初。適用于鋁合金是1917年在法國，1924年在德國提出的申請，但并沒有形成大規(guī)模的工業(yè)生產(chǎn)。為商業(yè)的目的而開始生產(chǎn)是在二戰(zhàn)以后的1945年，由英國的路易斯先生創(chuàng)立了阿魯馬斯庫公司，開始生產(chǎn)雨水管道、啤酒容器等。在那以后的五十年代里，奧地利和德國開始生產(chǎn)氣缸頭。1958年美國的澤訥拉路默它斯在小型汽車的發(fā)動機(jī)零件上（氣缸頭、箱體、齒輪箱）大量運(yùn)用了鋁合金鑄件，并采用了低壓鑄造法。這件事對至今仍廣泛采用的低壓鑄造法而言是不可或缺的推動，特別是在全世界的汽車工業(yè)界引起了極大的反響。低壓鑄造技術(shù)特點(diǎn)（1）澆注時的壓力和速度可以調(diào)節(jié)，故可適用于各種不同鑄型（如金屬型、砂型等），鑄造各種合金及各種大小的鑄件。（2）采用底注式充型，金屬液充型平穩(wěn)，無飛濺現(xiàn)象，可避免卷入氣體及對型壁和型芯的沖刷，提高了鑄件的合格率。（3）鑄件在壓力下結(jié)晶，鑄件組織致密、輪廓清晰、表面光潔，力學(xué)性能較高，對于大薄壁件的鑄造尤為有利。（4）省去補(bǔ)縮冒口，金屬利用率提高到90～98%。（5）勞動強(qiáng)度低，勞動條件好，設(shè)備簡易，易實(shí)現(xiàn)機(jī)械化和自動化。在密閉的保持爐的熔體表面上施加比大氣壓大0.01~0.05Mpa的空氣壓力或惰性氣體壓力，熔湯通過浸放在熔體里的給湯管(升液管)上升，被壓進(jìn)與爐子連接著的上方的模具內(nèi)。熔湯是從型腔的下部慢慢開始充填，保持一段時間的壓力后凝固。凝固是從產(chǎn)品上部開始向澆口方向轉(zhuǎn)移，澆口部分凝固的時刻就是加壓結(jié)束的時間。于是就憑借澆口的方向性凝固和從澆口開始的冒口壓力效果得到了完美的鑄件。最后當(dāng)鑄件冷卻至固相溫度以下便可從模具中取出產(chǎn)品。壓鑄壓鑄（英文：diecasting，全稱：壓力鑄造）是一種金屬鑄造工藝，是指將熔融合金在高壓、高速條件下填充模具型腔，并在高壓下冷卻成型的鑄造方法，是鑄造工藝中應(yīng)用最廣、發(fā)展速度最快的金屬熱加工成形工藝方法之一。大多數(shù)壓鑄鑄件都是不含鐵的，例如鋅、銅、鋁、鎂、鉛、錫以及鉛錫合金以及它們的合金。制造壓鑄的零部件相對來說比較容易，這一般只需要四個主要步驟，單項(xiàng)成本增量很低。壓鑄特別適合制造大量的中小型鑄件，因此壓鑄是各種鑄造工藝中使用最廣泛的一種。同其他鑄造技術(shù)相比，壓鑄的表面更為平整，擁有更高的尺寸一致性。壓鑄作為一種先進(jìn)的有色合金精密零部件成形技術(shù)，適應(yīng)了現(xiàn)代制造業(yè)中產(chǎn)品復(fù)雜化、精密化、輕量化、節(jié)能化、綠色化的要求，應(yīng)用領(lǐng)域不斷拓寬。隨著壓鑄設(shè)備和工藝技術(shù)水平不斷提高，壓鑄產(chǎn)品的應(yīng)用范圍在現(xiàn)有基礎(chǔ)上仍將不斷擴(kuò)大。特別是汽車工業(yè)的迅速發(fā)展，帶動了我國壓鑄行業(yè)以前所未有的速度向前發(fā)展。A、優(yōu)秀的尺寸精度：典型的數(shù)值為最初2.5厘米尺寸時誤差0.1毫米，每增加1厘米誤差增加0.002毫米。相比其它鑄造工藝，它的鑄件表面光滑，圓角半徑大約為1-2.5微米。相對于沙箱或者永久模鑄造來說可以制造壁厚大約0.75毫米的鑄件。B、可以直接鑄造內(nèi)部結(jié)構(gòu)：比如絲套、加熱元件、高強(qiáng)度承載面。C、減少或避免二次機(jī)械加工，生產(chǎn)速度快。壓鑄最大的缺點(diǎn)為成本很高。鑄造設(shè)備以及模具、模具相關(guān)組件相對其它鑄造方法來說都很貴。因此制造壓鑄件時生產(chǎn)大量產(chǎn)品才比較經(jīng)濟(jì)。只適用于流動性較高的金屬。不能進(jìn)行任何熱處理或者焊接。目前,工業(yè)上應(yīng)用的壓鑄鋁合金主要有以下幾大系列:Al-Si、Al-Mg、Al-Si-Cu、Al-Si-Mg等。壓鑄鋁合金具有較高的比強(qiáng)度、抗蝕性能和良好的鑄造性能、加工性能和可再生性,以及優(yōu)良的導(dǎo)電導(dǎo)熱性能,廣泛應(yīng)用于汽車、航空航天和電器工業(yè)等領(lǐng)域。隨著汽車等工業(yè)的發(fā)展,鋁合金壓鑄件的產(chǎn)量每年以將近13%的速率增長,其產(chǎn)量占所有壓鑄件產(chǎn)量的75%以上。且鋁合金壓鑄件向著高強(qiáng)度、高質(zhì)量方向發(fā)展,這必將對鋁合金壓鑄技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展起到積極的推動作用。壓鑄鋁合金的開發(fā)及應(yīng)用傳統(tǒng)壓鑄鋁合金件不宜進(jìn)行熱處理,這制約了壓鑄鋁合金力學(xué)性能的提高。目前,壓鑄鋁合金已廣泛應(yīng)用于汽車結(jié)構(gòu)件的生產(chǎn),但對于車體等對力學(xué)性能要求高的壓鑄件,僅靠現(xiàn)有壓鑄鋁合金尚難滿足需要。為提高壓鑄鋁合金的力學(xué)性能,擴(kuò)大壓鑄鋁合金的應(yīng)用范圍,國內(nèi)外研究人員一直在進(jìn)行新型壓鑄鋁合金的開發(fā),主要包括兩個方面:一是通過合金成分優(yōu)化或添加合金元素的方法對現(xiàn)有合金系優(yōu)化;二是新型壓鑄鋁合金系的開發(fā)。擠壓鑄造擠壓鑄造又稱液態(tài)模鍛，是使熔融態(tài)金屬或半固態(tài)合金，直接注入敞口模具中，隨后閉合模具，以產(chǎn)生充填流動，到達(dá)制件外部形狀，接著施以高壓，使已凝固的金屬（外殼）產(chǎn)生塑性變形，未凝固金屬承受等靜壓，同時發(fā)生高壓凝固，最后獲得制件或毛坯的方法，以上為直接擠壓鑄造；還有間接擠壓鑄造指將熔融態(tài)金屬或半固態(tài)合金通過沖頭施加的高壓，在密閉的模具型腔內(nèi)結(jié)晶凝固成型，最后獲得制件或毛坯的方法。由于高壓凝固和塑性變形同時存在，制件無縮孔、縮松等缺陷，組織細(xì)密，力學(xué)性能高于鑄造方法，接近或相當(dāng)鍛造方法；無需冒口補(bǔ)縮和最后清理，因而液態(tài)金屬或合金利用率高，工序簡化，為一具有潛在應(yīng)用前景的新型金屬加工工藝。擠壓鑄造是使液態(tài)或半固態(tài)金屬在高壓下凝固、流動成形，直接獲得制件或毛坯的方法。它具有液態(tài)金屬利用率高、工序簡化和質(zhì)量穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)，是一種節(jié)能型的、具有潛在應(yīng)用前景的金屬成形技術(shù)。在我國擠壓鑄造技術(shù)已成功地用于汽、摩托車制造業(yè),航空及兵工領(lǐng)域,在儀表、五金工具、建筑等行業(yè)中也已大量應(yīng)用。對于結(jié)構(gòu)復(fù)雜的零件難以用擠壓鑄造技術(shù)生產(chǎn)出來，限制了擠壓鑄造工藝的廣泛應(yīng)用。在國外，擠壓鑄造工藝始于1937年的前蘇聯(lián)，上世紀(jì)五、六十年代，先后傳入我國和世界各國。八十年代，日本宇部公司開發(fā)成功HVSC和VSC系列擠壓鑄造機(jī)，使此工藝在日本及歐美各國得到了迅速的發(fā)展。目前，宇部擠壓鑄造機(jī)已銷售307臺，最大設(shè)備合模力達(dá)3500噸，日本豐田公司的輪轂生產(chǎn)廠擁有14臺VSC1500—VSC1800擠壓鑄造設(shè)備，已形成年產(chǎn)400萬只高檔汽車鋁輪的生產(chǎn)能力。此外，豐田公司還擁有年產(chǎn)120萬只復(fù)合材料活塞的生產(chǎn)能力，并已在23種車輛得到使用。在擠壓鑄造中由于高壓凝固和塑性變形同時存在，制件無縮孔、縮松等缺陷，組織細(xì)密，力學(xué)性能高于鑄造方法，接近或相當(dāng)鍛造方法；無需冒口補(bǔ)縮和最后清理，因而液態(tài)金屬或合金利用率高，工序簡化。無模連續(xù)鑄造技術(shù)（EMC)溫州大學(xué)無模連續(xù)鑄造技術(shù)的特點(diǎn)上世紀(jì)60年代，前蘇聯(lián)鋁合金專家Getselev在鋁合金DC連續(xù)鑄造的基礎(chǔ)上開發(fā)了EMC(ElectromagneticCasting)工藝，通過交變電磁場產(chǎn)生的Lorentz力約束金屬熔體，并維持一定的液柱高度，替代了結(jié)晶器的支撐作用，實(shí)現(xiàn)了無模鑄造。電磁鑄造出現(xiàn)后，迅速在捷克斯洛伐克，匈牙利，東德等國率先普及，日本三菱化成公司1972年10月引進(jìn)了該技術(shù)。美國Kaiser、Alusuisse、Alcoa、Reynolds和Pechiney等公司的大型鋁廠也都相繼在同時期引進(jìn)了該項(xiàng)專利，其中Kaiser和Alusuisse兩家公司，在引進(jìn)前蘇聯(lián)專利的基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)了多塊鑄造和大斷面(500×1300mm)連續(xù)鑄造鋁合金的技術(shù)要求。目前，在美國和歐洲，每年大約120萬噸鋁合金采用Alusuisse公司的電磁連鑄技術(shù)進(jìn)行生產(chǎn)。但是，EMC以改善鑄錠表面為目標(biāo)，采用中、高頻電磁場來實(shí)現(xiàn)無模鑄造，對設(shè)備控制系統(tǒng)要求較高，非常容易出現(xiàn)拉漏現(xiàn)象。且耗能較大。國內(nèi)并未得到廣泛應(yīng)用。溫州大學(xué)靜模（DC)連續(xù)鑄造技術(shù)直接水冷連續(xù)鑄造技術(shù)簡稱DC鑄造技術(shù)（Directchillcasting）由德國人Junghaus在1933年首先研制成功，其裝置如圖1.2.所示。這項(xiàng)技術(shù)的基本原理是將熔體注入一個有水冷卻的鑄模中，熔體在鑄模中開始凝固并凝成一個固態(tài)坯殼（一冷），然后將凝固的坯殼牽引出鑄模，在坯殼上直接噴水進(jìn)行冷卻（二冷），最終得到所需形狀和尺寸的錠坯。溫州大學(xué)靜模（DC)連續(xù)鑄造技術(shù)根據(jù)錠坯牽引方向的不同，DC連續(xù)鑄造技術(shù)可分為立式連續(xù)鑄造技術(shù)（verticaldirectchillcasting）和水平連續(xù)鑄造技術(shù)（horizontaldirectchillcasting）。溫州大學(xué)1935年，立式連續(xù)鑄造技術(shù)（verticaldirectchillcasting）被Alcoa公司及VLW公司應(yīng)用到鋁合金的鑄造過程中，是現(xiàn)代鋁合金連續(xù)鑄造的開端。經(jīng)過幾代科研工作者的努力，該項(xiàng)技術(shù)在結(jié)晶器設(shè)計(jì)，二冷水噴水方式的選擇和金屬液體的輸送等方面不斷完善和發(fā)展

先后開發(fā)出了隔熱模鑄造技術(shù)，熱頂(Hot-top)鑄造技術(shù)，并在熱頂鑄造技術(shù)的基礎(chǔ)上開發(fā)出了鑄錠與結(jié)晶器壁間噴注潤滑油和氣體潤滑技術(shù)，如美國WagStaff公司的“空氣滑動法(AirSlip)”、德國VAW公司的“空氣幕法(AirVeil)”，以及日本昭和鋁公司的“空氣緩冷法(AirCushion)”[。這些技術(shù)的采用有效的提高了立式連續(xù)鑄造鑄錠的質(zhì)量和成材率。目前立式連續(xù)鑄造技術(shù)已經(jīng)成為各種變形鋁合金錠坯生產(chǎn)所廣泛采用的方法。立式連續(xù)鑄造技術(shù)的發(fā)展與應(yīng)用溫州大學(xué)水平連續(xù)鑄造又稱臥式連續(xù)鑄造或橫向連續(xù)鑄造，其與立式連續(xù)鑄造最顯著的不同點(diǎn)為錠坯是沿水平方向進(jìn)行牽引的。水平連鑄的研究可以追溯到1913年，當(dāng)時只想用于生產(chǎn)低熔點(diǎn)金屬。1940年，第一份關(guān)于水平連鑄的專利公布于世。1958年，瑞士ALFREDWERTLI有限公司研制出了第一套水平連鑄設(shè)備并投入生產(chǎn)。迄今為止至少有130條用于有色和黑色金屬的生產(chǎn)線銷售到世界各地。1963年，德國TECHNICA-GUSS公司成立，這是又一家設(shè)計(jì)、制造水平連鑄機(jī)的專業(yè)公司。TECHNICA連鑄機(jī)采用了最新設(shè)計(jì)的銑床和高精度的西門子鑄造計(jì)算機(jī)控制，生產(chǎn)過程的自動化程度和產(chǎn)品的質(zhì)量都比較高。除TWERTLI和TECHNICA以外，奧地利的METATERM,英國RAUTOMEAD公司也都在不斷改進(jìn)和推銷自已的水平連鑄機(jī)列。早期的水平連鑄主要用于銅合金及鑄鐵的生產(chǎn)，但經(jīng)過了幾十年的發(fā)展，該技術(shù)已經(jīng)廣泛應(yīng)用于各種有色及黑色金屬的連鑄生產(chǎn)，尤其是在以鋁合金為代表的輕合金連鑄領(lǐng)域占據(jù)著越來越重要的地位。水平連續(xù)鑄造技術(shù)的發(fā)展與應(yīng)用溫州大學(xué)水平連續(xù)鑄造與豎直連續(xù)鑄造鋁合金水平連鑄鋁合金豎直連鑄溫州大學(xué)鋁合金豎直連鑄溫州大學(xué)鋁合金豎直連續(xù)鑄造鑄錠鋁合金圓鑄錠和管坯溫州大學(xué)3.2DC連續(xù)鑄造系統(tǒng)鋁合金熔鑄系統(tǒng)傳統(tǒng)的DC連鑄設(shè)備由靜置爐、流道、在線除氣裝置、過濾裝置、金屬液分流系統(tǒng)、結(jié)晶器系統(tǒng)、以及引錠系統(tǒng)組成。澆鑄系統(tǒng)由金屬液分流系統(tǒng)、結(jié)晶器系統(tǒng)、以及引錠系統(tǒng)組扁錠澆鑄系統(tǒng)圓錠澆鑄系統(tǒng)1、金屬液的分配與液面控制金屬液分流系統(tǒng)。是指將金屬液平穩(wěn)、均勻的分配到結(jié)晶器的系統(tǒng)。在工業(yè)生產(chǎn)中，為了提高生產(chǎn)率，常進(jìn)行一機(jī)多流澆注，這時金屬液的分流系統(tǒng)就決定著連鑄生產(chǎn)能否順利進(jìn)行。金屬液的分流系統(tǒng)在DC鑄造過程中起到兩方面的作用，首先，由于DC鑄造過程中金屬液位較低，分流系統(tǒng)可以有效控制連鑄過程的金屬液位高度，起到均流作用；其次，分流系統(tǒng)在結(jié)晶器內(nèi)按照一定控制的方式水平分配金屬液，能夠有效均勻結(jié)晶器內(nèi)的溫度場，以便得到組織和性能均同的鑄錠。直接澆鑄浮漂分流同水平澆鑄分流圓錠鋁合金鑄造的分流方式圓錠用浮漂分流扁錠用浮漂分流空心錠用浮漂分流圓錠鋁合金鑄造同水平分流方式同水平分流方式扁錠鋁合金鑄造的分流方式接觸式鋁液控制裝置同水平鑄造控制液面分流袋2、鋁合金DC鑄造用結(jié)晶器結(jié)晶器結(jié)晶器是連鑄工藝的核心部分。傳統(tǒng)連鑄工藝的結(jié)晶器的主要材質(zhì)有鋁合金、銅合金、不銹鋼、石墨等，當(dāng)結(jié)晶器中鑲嵌石墨環(huán)時，由于石墨的自潤滑作用，可以提高鑄坯的表面質(zhì)量。結(jié)晶器首要作用是對鑄坯的初始冷卻作用，它能夠保證連鑄坯在結(jié)晶器內(nèi)得到合適厚度的初始凝固殼，保證連鑄坯在隨后的冷卻凝固過程中得到理想的鑄態(tài)組織。結(jié)晶器的設(shè)計(jì)原則：（1）對鑄錠的冷卻均勻，在結(jié)晶器中所產(chǎn)生冷卻強(qiáng)度必須滿足形成足夠強(qiáng)度凝殼的要求；（2）脫模容易，能生產(chǎn)表面質(zhì)量良好的鑄錠；（3）結(jié)構(gòu)簡單，安裝方便，有一定強(qiáng)度、剛性和抗沖擊性；（4）確定鑄錠的收縮率，合金不同，規(guī)格不同，收縮率也不相同。一般來說，圓錠1.6-3.1%；扁錠橫截面寬度方向1.5-2.0%，厚度方向，在兩端處為2.8-4.35%，在中心處為5.5-8.5%；（5）確定結(jié)晶器高度，扁錠小面的形狀。傳統(tǒng)的冷卻工藝中，通過結(jié)晶器的冷卻作用，金屬液在結(jié)晶器內(nèi)形成初凝殼，有足夠的強(qiáng)度維持中心的液態(tài)金屬。在一冷的作用下，液體金屬凝固收縮，凝固坯殼與結(jié)晶器內(nèi)壁分開，然后被拉出結(jié)晶器外，受到二冷水的快速冷卻。結(jié)晶器的冷卻和結(jié)晶器外的二次冷卻對鑄坯的質(zhì)量的影響非常顯著，可以用冷卻區(qū)的概念來描述連鑄坯在凝固過程中收到的冷卻效果。一般來說，當(dāng)鑄造速度較低或者鑄造啟車階段，結(jié)晶器的冷卻效果可以延伸到結(jié)晶器外，在這段區(qū)域，結(jié)晶器對連鑄坯起著主要的冷卻作用；同樣，對于直接噴水冷卻，噴水的冷卻有一個逆向傳熱高度，在上傳距離內(nèi)，噴水冷卻起著一定的冷卻作用。結(jié)晶器的冷卻和噴水的冷卻有可能部分重合也可能分開。因此，根據(jù)熱流分布特點(diǎn)，鑄坯受到的冷卻作用可粗略地分為兩個區(qū)。一冷區(qū)，即金屬液與結(jié)晶器壁接觸區(qū)。熔融金屬一旦跟冷卻壁接觸，立即形成一個半固態(tài)的凝固坯殼。該區(qū)內(nèi)，剛結(jié)晶的外殼在液穴內(nèi)金屬液靜壓力的作用下，緊貼在結(jié)晶器內(nèi)壁上，初凝殼受到熱和機(jī)械的作用，拉坯時凝殼與結(jié)晶器內(nèi)壁有摩擦阻力。因此，當(dāng)初始凝殼較薄時有可能被拉裂形成表面裂紋，甚至拉斷。同時，在摩擦力的作用下，表層的氧化膜也有可能被破壞，高溫熔體在靜壓力的作用下會被擠出鑄錠表面形成偏析瘤。從冷卻速度上來看，一冷區(qū)內(nèi)任意截面上的冷卻速度都是從外向中心逐漸減小，外層收縮最大，低熔點(diǎn)成分通常被擠到中心。二冷區(qū)，即二次水冷區(qū)。從噴淋點(diǎn)上某一位置到鑄坯完全凝固為止。二冷區(qū)和一冷區(qū)相似，從鑄坯外殼到鑄坯中心的任意截面上的冷卻速度都是逐漸降低的。由于鑄坯表層具有最大冷卻速度，因此，金屬液不會再被擠向表層，而是擠向鑄坯中心。傳統(tǒng)結(jié)晶器整體式組合式結(jié)構(gòu)緊湊，結(jié)晶器的有效冷卻長度較短，有利于提高結(jié)晶器的冷卻效果，能夠得到理想的內(nèi)部組織。結(jié)晶器的一次冷卻強(qiáng)度受到二次冷卻水的影響，鑄錠在凝固過程中容易出現(xiàn)隱藏式冷隔，表面質(zhì)量很難控制。拆卸方便，一冷區(qū)和二冷區(qū)分開，結(jié)晶器一次冷卻強(qiáng)度不受二次冷卻水的影響，有利于靈活控制結(jié)晶器的冷卻。結(jié)晶器的有效冷卻長度較長，連鑄坯容易出現(xiàn)表面偏析瘤、表面重熔以及拉漏、拉裂等缺陷。傳統(tǒng)DC結(jié)晶器傳統(tǒng)DC結(jié)晶器傳統(tǒng)DC結(jié)晶器傳統(tǒng)DC結(jié)晶器的熔鑄過程傳統(tǒng)DC結(jié)晶器熱頂結(jié)晶器熱頂鑄造：有效結(jié)晶區(qū)高度過大，鑄錠表面出現(xiàn)偏析瘤，影響鑄錠表面質(zhì)量和結(jié)晶組織，失去隔熱模的意義。有效結(jié)晶區(qū)高度過小，則易使結(jié)晶凝殼壁延伸進(jìn)隔熱模內(nèi)造成鑄錠拉裂，嚴(yán)重時會損壞保溫材料。MAL：單靠結(jié)晶器壁在鑄錠表面上產(chǎn)生的向下的冷卻距離，叫做鑄模單獨(dú)冷卻距離。UCD：上流導(dǎo)熱距離，表示鑄錠由見進(jìn)水線開始，單純依靠二次冷卻水的冷卻作用在鑄錠表面上產(chǎn)生的向上的冷卻距離。熱頂結(jié)晶器熱頂結(jié)晶器隔熱模鑄造用結(jié)晶器是在普通結(jié)晶器內(nèi)壁上部襯一層保溫耐火材料，從而使結(jié)晶器上部熔體不與器壁發(fā)生熱交換，縮短了熔體到達(dá)二次水冷的距離，使凝殼水冷，減少冷隔、氣隙和偏析瘤的形成傾向。結(jié)晶器下部為有效結(jié)晶區(qū)。3鋁合金DC鑄造引錠系統(tǒng)引錠系統(tǒng)包括引錠頭和牽引裝置。引錠頭可以根據(jù)拉坯方向安裝在結(jié)晶器的下部或者側(cè)面，引錠頭對鑄造開始進(jìn)入結(jié)晶器的液體進(jìn)行冷卻，形成凝固坯殼，然后在牽引裝置的牽引下向下或者側(cè)面移動。鑄坯隨引錠頭離開結(jié)晶器后，受到二冷水的直接噴淋冷卻，最后完全凝固。引錠（底座）在鑄造開始時起成形和牽引作用，在鑄造過程中起支撐作用。為避免鑄造時因受熱膨脹而將引錠卡在結(jié)晶器內(nèi)，引錠所有橫截面尺寸都應(yīng)比結(jié)晶器下緣相應(yīng)尺寸小1%-2%。

扁錠引錠扁錠引錠圓錠引錠圓錠引錠4、液流轉(zhuǎn)注金屬液從靜置爐輸送到結(jié)晶器中的全過程叫轉(zhuǎn)注，合理的轉(zhuǎn)注方法是要使在氧化膜覆蓋下平穩(wěn)地流動，轉(zhuǎn)注的距離要盡可能合理，嚴(yán)禁有敞露的落差和液流沖擊。傳統(tǒng)的轉(zhuǎn)注方法如圖所示。由于流槽與流盤間、流盤與結(jié)晶器間存在落差，金屬翻滾嚴(yán)重，容易使已凈化的熔體被二次污染。為避免熔體污染，要盡量減少轉(zhuǎn)注頻次，縮短轉(zhuǎn)注距離，減少落差，在靜置爐和流盤間實(shí)現(xiàn)水平供流。鑄造機(jī)牽引裝置

鑄造過程中鋁液重量基本壓在引錠座上，對結(jié)晶器壁的側(cè)向壓力較小，凝殼與結(jié)晶器壁之間的摩擦阻力較小，且比較均勻。牽引力穩(wěn)定可保持鑄造速度穩(wěn)定，鑄錠的冷卻均勻度容易控制。立式半連續(xù)鑄造機(jī)液壓油缸式鋼絲繩式絲杠式液壓鑄造機(jī)牽引力穩(wěn)定，可按照工藝要求設(shè)定各種不同的牽引速度模式，速度控制精度高，鑄造井深度比其他形式鑄造機(jī)大。有內(nèi)導(dǎo)式和外導(dǎo)式，內(nèi)導(dǎo)式應(yīng)用較多。鋼絲繩式鑄造機(jī)結(jié)構(gòu)簡單，但因鋼絲繩磨損快，易被拉長變形，從而導(dǎo)致引錠平臺牽引力和鑄造速度穩(wěn)定性差，影響鑄錠質(zhì)量。絲杠式鑄造機(jī)由于其懸臂傳動和支撐結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，不適合于同時鑄造多根鑄錠。水平式連續(xù)鑄造機(jī)與立式鑄造機(jī)比較：不需要深的鑄造井和高大的廠房，可減少基建投資；生產(chǎn)小截面鑄錠時容易操作；設(shè)備結(jié)構(gòu)簡單，安裝維護(hù)方便；容易把鑄造、鋸切、檢查、堆垛、打包和稱重等工序連在一起，形成自動化連續(xù)作業(yè)線。鋁液在重力作用下，對結(jié)晶器壁下半部壓力較大，凝殼與結(jié)晶器壁下半部之間的摩擦阻力較大，影響鑄錠下半部表面質(zhì)量。同時，冷卻過程中收縮的凝殼與結(jié)晶器壁的上半部產(chǎn)生間隙，造成上下表面冷卻不均勻，影響鑄錠內(nèi)部組織的均勻性。鑄造大規(guī)格的合金錠容易產(chǎn)生化學(xué)成分偏析。水平式連續(xù)鑄造機(jī)包括鋁液分配箱，結(jié)晶器、鑄錠牽引機(jī)構(gòu)、鋸切機(jī)和自動控裝置，可以與檢查裝置、堆垛機(jī)、打包機(jī)、稱重裝置和鑄錠輸送輥道裝置連在一起，形成自動化連續(xù)作業(yè)線。3.3鋁合DC連續(xù)鑄造的基本原理及主要工藝參數(shù)1、DC鑄造的基本原理表面細(xì)等軸晶區(qū)細(xì)等軸晶區(qū)是在結(jié)晶器壁的強(qiáng)烈冷卻和液體金屬的對流雙重作用下產(chǎn)生的。當(dāng)液體金屬澆入低溫的結(jié)晶器內(nèi)時，與結(jié)晶器壁接觸的液體受到強(qiáng)烈的冷卻，并在結(jié)晶器壁附近的過冷液體中產(chǎn)生大量的晶核，為細(xì)等軸晶區(qū)的形成創(chuàng)造了熱力學(xué)條件；同時由于澆注時，液流引起的對流及液體內(nèi)外溫差引起的溫度起伏，使結(jié)晶器壁表面晶體脫落和重熔，增加了凝固區(qū)的晶核數(shù)目，因而形成了表面細(xì)等軸晶區(qū)。其寬窄與澆注溫度、結(jié)晶器壁溫度及導(dǎo)熱能力、合金成分等有關(guān)。柱狀晶區(qū)隨著液體對流的減弱，結(jié)晶器壁與凝固層上晶體脫落減少，加上結(jié)晶潛熱的析出使界面前沿熔體溫度升高，細(xì)等軸晶區(qū)不能擴(kuò)展。這時結(jié)晶器壁與鑄錠之間形成氣隙，降低了導(dǎo)熱速度，使結(jié)晶前沿過冷度減小，結(jié)晶只能靠細(xì)等軸晶的長大來進(jìn)行。這時那些一次晶生成的方向與凝固方向一致的晶體，由于具有良好的散熱條件而優(yōu)先長大，其析出的潛熱又使其它支晶前沿的溫度升高，從而抑制其它晶體的長大，使自己向內(nèi)延伸成柱狀晶。中心等軸晶區(qū)中心區(qū)域的熱力學(xué)條件滿足等軸晶形成與長大的條件，其晶核來源有三：液面的晶體組織柱狀晶支晶的熔斷和游離表面游離晶非平衡組織晶界與枝晶界存在不平衡結(jié)晶以4.2%Cu的Al-Cu二元合金為例，在平衡凝固時，合金到b點(diǎn)完全凝固，b-d組織為均勻的α固溶體，d點(diǎn)以下固溶體分解為Al+CuAl2。而非平衡條件下，晶體的實(shí)際成份也不能按平衡固相線變化。受溶質(zhì)再分配影響，在晶界和枝晶上存在一定數(shù)量的不平衡共晶組織。枝晶偏析枝晶偏析的形成與不平衡共晶的形成相似。由于溶質(zhì)元素來不及析出，在晶粒內(nèi)部造成成分不均勻現(xiàn)象，即枝晶偏析。在共晶型的合金中，枝晶中心的元素含量低，從中心至邊緣逐漸增多。枝晶內(nèi)過飽和的難熔元素由于冷速很大，在熔體中處于溶解狀態(tài)的難熔合金元素，如Mn、Ti、Cr、Zr等，由于來不及析出而形成過飽和固溶體。冷去速度越大，合金元素含量越高，固溶體過飽和程度越嚴(yán)重。晶粒細(xì)化理想的鑄錠組織是整個截面上具有均勻細(xì)小的等軸晶，這是因?yàn)榈容S晶各向異性小，加工時變形均勻、性能優(yōu)異、塑性好，利于鑄造及隨后的塑性加工。要得到這種組織，晶粒細(xì)化是最佳手段，需對熔體進(jìn)行處理。過冷度過冷度增加，形核率與長大速度都增加，但兩者的增加速度不同，形核率的增長率大于長大速度的增長率。在一般金屬結(jié)晶時的過冷范圍內(nèi)，過冷度越大，晶粒越細(xì)小。鋁合金鑄錠生產(chǎn)中增加過冷度的主要方法：降低鑄造速度，提高液態(tài)金屬的冷卻強(qiáng)度、降低澆注溫度。動態(tài)晶粒細(xì)化振動或攪拌機(jī)械攪拌電磁攪拌超聲振動機(jī)械振動電磁振蕩晶粒細(xì)化劑增加形核率，非自發(fā)TiZrBC鋁硅合金變質(zhì)劑2DC鑄造的主要工藝參數(shù)當(dāng)DC鑄造過程中的金屬液分流系統(tǒng)、結(jié)晶器系統(tǒng)、以及引錠系統(tǒng)，以及鑄錠的合金成分規(guī)格尺寸確定以后。鑄造過程中還有一些主要的工藝參數(shù)。他們分別是澆鑄溫度、鑄造速度，以及冷卻強(qiáng)度，液位高度。鑄造溫度：澆鑄過程中鋁容易流入結(jié)晶器是的溫度。鑄造速度：鑄造過程中牽引機(jī)的牽引速度一般用每分鐘多少米表示。冷卻強(qiáng)度：即冷卻水的強(qiáng)度，一冷水腔內(nèi)水的流速、以及二冷水的流量。液位高度（結(jié)晶器高度）：澆鑄過程中液面在結(jié)晶器內(nèi)的位置。冷卻強(qiáng)度對鑄錠質(zhì)量的影響組織力學(xué)性能裂紋傾向表面質(zhì)量隨冷卻強(qiáng)度提高，結(jié)晶速度提高；過冷度大，晶核增多，晶粒細(xì)?。恢旅芏雀?，疏松減??；減小區(qū)域偏析。一般說來，鑄錠的力學(xué)性能隨冷卻強(qiáng)度的增大而提高。強(qiáng)度和均勻性弱，偏析瘤；過強(qiáng)，冷隔。鑄造速度在一定范圍內(nèi)，隨著鑄造速度的提高，鑄錠凝固組織細(xì)小。但過高的鑄造速度會使液穴變深，兩相區(qū)變寬，凝固組織粗化，中心疏松傾向增大，區(qū)域偏析加劇。隨著鑄造速度的提高，鑄錠的平均力學(xué)性能增大。隨鑄造速度提高，冷裂傾向降低，熱裂傾向升高。因已凝固部分溫度升高，塑性好，冷裂傾向就低；但兩相區(qū)變大，溫度更加不均勻，脆性區(qū)變大，熱裂傾向升高。隨鑄造速度提高，液穴變深，結(jié)晶殼壁變薄。過高，產(chǎn)生金屬瘤、漏鋁和拉裂；過低，易形成冷隔，嚴(yán)重造成冷裂。合理范圍內(nèi)，提高表面質(zhì)量。在滿足技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的前提下，盡可能提高鑄造速度（1）扁錠鑄造速度的選擇以不形成裂紋為前提。對冷裂傾向大的合金，隨鑄錠寬厚比增大，應(yīng)提高鑄造速度，對冷裂傾向小的軟合金，隨鑄錠寬厚比增大適當(dāng)降低鑄造速度。在鑄錠厚度和寬度比一定時，隨合金熱裂傾向的增加，鑄造速度應(yīng)適當(dāng)降低。（2）實(shí)心圓鑄錠：對同種合金，隨直徑增大，鑄造速度逐漸減小；對同規(guī)格不同合金，鑄造速度應(yīng)按照軟合金→鍛造鋁合金→高鎂合金→硬合金→超硬合金的順序遞減。（3）空心錠：同種合金，內(nèi)徑或外徑相同，隨壁厚增加而降低。其他條件相同，軟合金空心錠比同外徑實(shí)心錠速度提高約30%，硬合金提高50%-100%。（4）對同種合金、同規(guī)格鑄錠，采用隔熱模、熱頂、橫向鑄造時，其鑄造速度高于普通鑄造。鑄造溫度提高鑄造溫度，使鑄錠晶粒粗化傾向增加。降低鑄造溫度，熔體黏度增加，補(bǔ)縮條件變差，疏松、氧化膜缺陷增多。在一定范圍內(nèi)，溫度提高，硬合金力學(xué)性能相應(yīng)提高，軟合金降低。提高鑄造溫度，液穴變深，溫度梯度增大，合金熱脆性增加，裂紋傾向變大。溫度提高，凝固殼變薄，易形成拉痕、拉裂等，但冷隔趨勢變小。鑄造溫度選擇液位高度（結(jié)晶器高度）鑄造速度對表面質(zhì)量的影響(a)(c)(d

120mm/min;

130mm/min;

160-180mm/min;

150mm/min;

鑄造速度對鑄錠皮下偏析層的影響

120mm/min;

140mm/min;

160mm/min;

180mm/min;

鑄造速度對液穴形貌的影響

120mm/min;

160mm/min;

180mm/min;

鑄造過程開始階段鋪底和假鋪底平穩(wěn)階段控制液面、打渣、潤滑、觀察、最終成分分析、控制鑄造溫度結(jié)束階段自回火：對需要回火的鑄錠，在鑄錠未脫離結(jié)晶器下緣前停車、停水，將鑄錠澆口部位依靠液態(tài)金屬的余熱加熱到350℃以上。目的是提高澆口部位的塑性，防止?jié)部诓课焕淞鸭y。鑄造技術(shù)的發(fā)展趨勢電磁鑄造技術(shù)EMC低頻電磁鑄造技術(shù)LFEC東北大學(xué)崔建忠等人開發(fā)了輕合金的低頻電磁半連續(xù)鑄造法（LFEC）。LFEC工藝與EMC法相比較，電磁場的施加方式與CREM法相似，因而，同樣具有實(shí)現(xiàn)“軟接觸”，提高鑄錠表面質(zhì)量，細(xì)化晶粒的作用；同時，由于外加的電磁場頻率更低，集膚效應(yīng)更小，可以使處于結(jié)晶前沿的熔體獲得更為均勻的溫度場和應(yīng)力場，從而達(dá)到更有效地細(xì)化晶粒、提高溶質(zhì)的固溶度、抑制裂紋產(chǎn)生的作用。目前，LFEC法在高強(qiáng)度鋁合金2XXX系、超高強(qiáng)鋁合金7XXX系的半連續(xù)鑄造中得到了很好的應(yīng)用。電磁振蕩鑄造技術(shù)EVC在鋁合金制備過程中同時施加穩(wěn)恒磁場和交流電流以及同時施加穩(wěn)恒磁場和周期性交流磁場用以在熔體中產(chǎn)生振蕩的方法，由于具有1）細(xì)化晶粒；2）彌散溶質(zhì)元素；3）除氣，降低孔積率；4）增加金屬熔體流動性，提充型能力等方面的優(yōu)勢，也得到開發(fā)和利用。這種通過使凝固熔體產(chǎn)生受迫振蕩，從而抑制枝晶生長，細(xì)化晶粒的方法。脈沖水在鑄造開始階段，采用脈沖水冷卻，降低直接水冷強(qiáng)度，可減少鑄錠底部翹曲和縮頸，目前脈沖水采用自動化控制和最新的旋轉(zhuǎn)脈沖閥。加氣鑄造加氣鑄造與脈沖水鑄造具有同樣的效果，即在鑄造開始階段，在冷卻水中加入二氧化碳或空氣、氮?dú)猓瑢⑦@種加氣冷卻水噴到鑄錠表面上形成一層氣體隔熱膜，從而減緩冷卻強(qiáng)度，之后再逐步減少氣體量，不斷增加冷卻效率。氣滑鑄造氣滑鑄造是在熱頂鑄造的基礎(chǔ)上增加油氣潤滑系統(tǒng)而成，優(yōu)點(diǎn)是鑄造速度快、鑄錠表面光滑。Wagstaff的VariMold?可調(diào)式扁錠鑄造工藝是在一個可調(diào)的結(jié)晶器里采用LHC平臺。一個VariMold，可以鑄造達(dá)20個不同尺寸，減少了為生產(chǎn)一系列的軋制扁錠尺寸所需的結(jié)晶器裝置數(shù)量。扁錠用結(jié)晶器可調(diào)結(jié)晶器一套結(jié)晶器可生產(chǎn)多種寬度的扁錠

傳統(tǒng)鑄造和低液位鑄造液穴高度與熱量傳遞比較 低液位鑄造過程低液位組合結(jié)晶器結(jié)構(gòu)特點(diǎn)低液位鑄造的實(shí)現(xiàn)低液位與傳統(tǒng)DC鑄錠質(zhì)量比較空氣滑動法(AirSlip)”LHC低液位扁錠結(jié)晶器扁錠用結(jié)晶器LHC?低液位合成鑄造技術(shù)是Wagstaff的旗艦扁錠鑄造產(chǎn)品，并被發(fā)展把扁錠質(zhì)量和鑄井回收提升到最高。LHC扁錠鑄造技術(shù)的好處：不需要結(jié)晶器潤滑油系統(tǒng)減低結(jié)晶器冷卻水處理成本優(yōu)質(zhì)的扁錠表面長久的結(jié)晶器壽命

SplitJet錠尾翹曲減少技術(shù)減低錠尾翹曲，導(dǎo)致泄漏減少，創(chuàng)做一個更安全的鑄造環(huán)境大部份的普通合金可以通過相同的結(jié)晶器鑄造減低銑面

鑄錠表面質(zhì)量大鑄錠生產(chǎn)的主要問題及措施裂紋問題

對于高強(qiáng)度鋁合金裂紋問題特別顯著

解決措施：使用氣刀抑制裂紋的產(chǎn)生偏析問題

大尺寸不可避免的問題

解決措施：使用電磁場配合合理的分流方式減小偏析的產(chǎn)生氣刀半連續(xù)鑄造高強(qiáng)鋁合金DC鑄造過程中的裂紋

裂紋的種類高強(qiáng)鋁合金鑄錠的生產(chǎn)方法目前主要有兩種方法：1.前蘇聯(lián)體系的生產(chǎn)方法：主要是通過帶豁口銅結(jié)晶器，分開的大小面冷卻水配合三次冷卻水。優(yōu)點(diǎn)：首先讓小面先見水，這樣使小側(cè)面的體積比長側(cè)面中腰部分體積更提前開始凝固，小側(cè)面部分在收縮時所遇到的阻力就可以大大地減少。此時的長側(cè)面部分溫度很高，塑性好，從而避免了側(cè)裂的發(fā)生；大小面冷卻水分開可以更好的控制小面的三面冷卻所帶來下面冷卻過強(qiáng)，導(dǎo)導(dǎo)致表面缺陷（冷隔）的出現(xiàn)，另外還會致小面沿鑄造方向溫度梯度過大，使其沿這個方向的鑄造應(yīng)力過大，這兩個缺點(diǎn)都會大大增加冷裂紋的出現(xiàn)，因此，小面水必須下調(diào)；三次冷卻水的使用，主要目的是將鑄錠中心液穴根部位置向上移動，這樣減少了內(nèi)外溫度差，從而減少了中心熱裂紋的產(chǎn)生。缺點(diǎn)：a)小面豁口加工難度增加，并且只適合小面為圓弧或近圓弧形的結(jié)晶器，但是隨著現(xiàn)代軋制技術(shù)的發(fā)展，要求鑄錠形狀是小面要求為直邊；

b)由于使用的是銅結(jié)晶器，冷卻大，容易造成表面嚴(yán)重的冷隔，成為冷裂紋的起源；

c)三次冷卻水對于鑄錠厚度較小的鑄錠是一種非常有效的手段，但是隨著工業(yè)的需要和軋機(jī)能力的增加，對于鑄錠厚度要求越來越大，因此使用三次冷卻水來控制裂紋的效果隨著鑄錠厚度的增加也會越來越差。2.歐美體系的生產(chǎn)方法：鋁質(zhì)結(jié)晶器，脈沖水和卡水板的使用。優(yōu)點(diǎn)：這種方法主要是通過脈沖水分散釋放和消除鑄錠底部應(yīng)力，減弱冷卻強(qiáng)度?？煞乐硅T錠底部翹曲時產(chǎn)生冷隔而導(dǎo)致小面?zhèn)攘?。因此它與槽型底座相配合取代了老式鑄造中鋪純鋁底的繁雜工藝。脈沖水的作用主要在鑄造開始階段，所以必須把握脈沖冷卻水的時限件，及時轉(zhuǎn)換為正常冷卻水鑄造；圖2顯示了卡水板的使用，當(dāng)金屬液體在強(qiáng)冷成形凝固后，卡水板將鑄錠周邊卡。住使冷卻水不再接觸鑄錠，從而提高了鑄錠表面溫度，即用鑄錠門身余熱進(jìn)行低溫回火，增加鑄錠的塑性，防止鑄錠冷裂紋的產(chǎn)生。缺點(diǎn)：a）在于卡水板在鑄造開始階段受到‘butt

swell’的影響比較大，很容易出現(xiàn)掛錠的危險；

b）由于鑄錠表面就有很多表面缺陷，如偏析瘤，冷隔，這些缺陷在通過卡水板時，會產(chǎn)出漏水現(xiàn)象，導(dǎo)致鑄錠在該處產(chǎn)生裂紋,另外卡水板所使用的膠皮是易損件。

為了解決這個局限性，更好的開發(fā)出適合工業(yè)生產(chǎn)的設(shè)備和方法。這里我們?yōu)榱烁玫貙?shí)現(xiàn)高強(qiáng)鋁合金的生產(chǎn)我們引入了一個新的設(shè)備，即氣刀。氣刀的應(yīng)用實(shí)例氣刀半連續(xù)鑄造氣刀半連續(xù)鑄造示意圖氣刀半連續(xù)鑄造氣刀對半連續(xù)鑄造過程溫度場的影響氣刀半連續(xù)鑄造TemperatureKa)b)c)a無氣刀；b氣刀位于結(jié)晶器下350mm；c氣刀位于結(jié)晶器下250mm液穴的變化550×1600AA7B50氣刀對半連續(xù)鑄造過程應(yīng)力場的影響氣刀半連續(xù)鑄造從圖中可以看出施加氣刀后鑄造應(yīng)力明顯減小。550×1600AA7B50氣刀半連續(xù)鑄造實(shí)驗(yàn)結(jié)果氣刀半連續(xù)鑄造a)b)7050合金鑄錠

低倍組織

金相組織電磁-氣刀半連續(xù)鑄造電磁-氣刀半連續(xù)鑄造示意圖電磁-氣刀半連續(xù)鑄造電磁場對熔體流動的影響電磁-氣刀半連續(xù)鑄造熔體流動速度的矢量圖(a)(c)DC過程(c)(d)LFEC過程(a)(b)(c)(d)BCABCA電磁場對溫度的影響電磁-氣刀半連續(xù)鑄造氣刀施加后流場，溫度場的變化電磁-氣刀半連續(xù)鑄造氣刀施加后應(yīng)力應(yīng)變場的變化電磁-氣刀半連續(xù)鑄造電磁場和氣刀對裂紋的影響電磁-氣刀半連續(xù)鑄造DC鑄錠電磁-氣刀鑄錠電磁場和氣刀對微觀組織的影響電磁-氣刀半連續(xù)鑄造DC鑄造電磁-氣刀鑄造電磁鑄造氣刀鑄造電磁場和氣刀對宏觀偏析的影響電磁-氣刀半連續(xù)鑄造結(jié)論使用氣刀代替卡水板，減少了設(shè)備的維護(hù)，并能夠起到比卡水板更好的抑制鑄造裂紋的效果；低頻電磁場的施加能夠顯著的細(xì)化晶粒和減少宏觀偏析；低頻電磁場和氣刀同時施加，電磁場對晶粒細(xì)化的效果并沒有減弱；無論是氣刀半連續(xù)鑄造還是電磁-氣刀半連續(xù)鑄造都被證明是一種有效生產(chǎn)大尺寸鑄錠的新方法。

4.1鋁合鑄錠的質(zhì)量鋁合金鑄錠的質(zhì)量主要包括以下幾個部分1、合金成分2、尺寸偏差3、表面質(zhì)量4、內(nèi)部組織5、鑄錠內(nèi)部缺陷4.1.1合金成分鑄錠的合金成分應(yīng)該嚴(yán)格控制的一定范圍之內(nèi)，如果超出這個范圍后產(chǎn)品的最終性能將受到很大影響。鋁合金按其主要的成分不同可以分成若干個系列，美國校準(zhǔn)將其分到1-7系列。鋁合金的成分可分為：“名義化學(xué)成分”，“內(nèi)控成分”，“鑄錠實(shí)際成分”。名義化學(xué)成分：某種鋁合金金的化學(xué)成分控制范圍。內(nèi)控成分：工廠內(nèi)部控制的成分范圍鑄錠的實(shí)際成分：對鑄錠進(jìn)行成分分析后得到的實(shí)際成分。名義化學(xué)成分鋁合金合金牌號分類（按成分分）合金成分表的備注內(nèi)控成分與實(shí)際成分企業(yè)某些合金牌號中的主元素成分及雜質(zhì)成分所提出的更嚴(yán)格的控制標(biāo)準(zhǔn)-內(nèi)控成分制成鑄錠后進(jìn)行化學(xué)成分分析為鑄錠的真是成分，對應(yīng)的各元素為真實(shí)值化學(xué)成分鑄錠的內(nèi)的分布-宏觀偏析宏觀偏析產(chǎn)生的原因化學(xué)成分鑄錠的內(nèi)的分布