鑄造工藝參數(shù)對(duì)鑄錠質(zhì)量的影響

1、冷卻速度對(duì)鑄錠質(zhì)量的影響

冷卻速度指鑄錠的降溫速度，又稱(chēng)冷卻強(qiáng)度，用單位時(shí)間內(nèi)下降的溫度來(lái)表示，常用單位是℃/s。但在實(shí)際生產(chǎn)中，這個(gè)單位不便于控制，由于在既定條件下，各種工具和工藝條件都是預(yù)先確定的，因此生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)多采用冷卻水壓或冷卻水流量作為冷卻速度的度量。在連續(xù)鑄造過(guò)程中，鑄錠內(nèi)各點(diǎn)在同一時(shí)刻的冷卻速度以及同一點(diǎn)在不同時(shí)刻的冷卻速度都是變化的。

(1)冷卻速度對(duì)鑄錠組織的影響

在直接水冷半連續(xù)鑄造時(shí)，隨著冷卻強(qiáng)度的增加，鑄錠結(jié)晶速度提高，熔體中溶質(zhì)元素來(lái)不及擴(kuò)散，過(guò)冷度增加，晶核增多，因而所得晶粒細(xì)小；同時(shí)，過(guò)渡帶尺寸縮小，鑄錠致密度提高，減小了疏松傾向。此外提高冷卻速度，還可細(xì)化一次晶化合物尺寸，減小區(qū)域偏析的程度。

鑄模的導(dǎo)熱條件是顯著影響鑄錠組織的重要因素，尤其是邊緣部位的組織。圖1示出了扁鑄錠中枝晶網(wǎng)尺寸分布情況：A是鑄模中金屬水平高的情況；B是鑄模中金屬水平低的情況；C是電磁鑄造的，金屬不和鑄模接觸，完全依靠噴射到鑄錠上的水流把熱量帶走。

圖1

在不同水平鑄造或電磁鑄造的扁錠中的IPP分布情況

(2)冷卻速度對(duì)鑄錠力學(xué)性能的影響。冷卻速度是決定鑄錠力學(xué)性能的基本因素。通常，隨冷卻速度增大，鑄錠的平均力學(xué)性能得到提高。冷卻速度的這種作用主要是由下面兩個(gè)原因引起的：一是隨冷卻速度增大，鑄錠結(jié)晶速度提高，晶內(nèi)結(jié)構(gòu)細(xì)化；二是隨冷卻速度增大，鑄錠過(guò)渡帶尺寸縮小，鑄錠致密度提高。此外，提高冷卻速度，還可細(xì)化一次晶化合物的尺寸，減小區(qū)域偏析的程度。

但是，合金成分不同，冷卻速度對(duì)鑄錠力學(xué)性能影響的程度是不一樣的，對(duì)變形鋁合金而言，大致可分為四個(gè)基本的類(lèi)型：第一類(lèi)是在所有溫度下(從室溫到熔點(diǎn))均呈單相的合金，如各種牌號(hào)的高純鋁、工業(yè)純鋁、5A66、7A01等。這些合金的鑄態(tài)力學(xué)性能同冷卻速度的關(guān)系不太強(qiáng)烈，冷卻速度僅在能消除破壞金屬連續(xù)性的缺陷(疏松、氣孔)的極限速度之前有影響(見(jiàn)圖2a)。第二類(lèi)是鑄態(tài)呈多相，但在固溶熱處理后變成固溶體的合金，如5A12、5A13等。這種合金的鑄態(tài)性能同冷卻速度的關(guān)系十分明顯，但在固溶熱處理后這種關(guān)系變得不明顯。這種合金即使在很低的冷卻速度下鑄造，經(jīng)熱處理后，亦可達(dá)到很高的力學(xué)性能（見(jiàn)圖2b）。然而當(dāng)合金中存在較多的鐵、硅雜質(zhì)時(shí)，由于它們能生成不溶解的化合物，又使合金對(duì)冷卻速度的關(guān)系變得很敏感。第三類(lèi)是鑄態(tài)呈多相，但任何熱處理都不能使它們變成單相的合金，這種合金中，含有的第二相是可溶的，但第二相的數(shù)量超過(guò)其溶解度極限或是同時(shí)含有可溶和不可溶的第二相的合金，絕大多數(shù)工業(yè)變形鋁合金都屬于這一類(lèi)。這些合金的鑄態(tài)力學(xué)性能同冷卻速度的關(guān)系很明顯，隨冷卻速度增大，鑄錠致密度提高，在晶粒內(nèi)部和晶粒邊界上分布的脆性化合物相愈細(xì)小，因而性能急劇提高(見(jiàn)圖2c)。第四類(lèi)是鑄態(tài)呈多相，但其中基本上只有不可溶的第二相化合物存在，如4004、4A17、4047等。這些合金鑄態(tài)力學(xué)性能與冷卻速度也有明顯的關(guān)系，但熱處理后性能基本不變（見(jiàn)圖2d）。

a

b

c

d

鑄造后熱處理狀態(tài)；-----------

鑄造狀態(tài)

圖2

合金機(jī)械性能與冷卻速度的關(guān)系

a-第一類(lèi)合金；b-第二類(lèi)合金；c-第三類(lèi)合金；d-第四類(lèi)合金

(3)冷卻速度對(duì)鑄錠裂紋傾向性的影響。隨冷卻速度提高，鑄錠中的溫度梯度增大，如鑄錠內(nèi)部各處不能同步收縮，則熱應(yīng)力值也相應(yīng)提高，因此，鑄錠裂紋傾向性增大。連續(xù)鑄造時(shí)，沿鑄錠周邊冷卻的不均勻程度是產(chǎn)生裂紋的重要因素之一。局部供水不足將導(dǎo)致冷卻速度的差別和凝殼厚度的變化，使鑄錠裂紋傾向性急劇提高。這種情況對(duì)于大小面冷卻速度本來(lái)就不一致的扁鑄錠表現(xiàn)尤為明顯。

(4)冷卻速度對(duì)鑄錠表面質(zhì)量的影響。在通常采用普通結(jié)晶器和鑄造速度較慢的情況下，提高冷卻速度會(huì)使鑄錠表面產(chǎn)生冷隔的傾向性增大，而使鑄錠表面產(chǎn)生偏析浮出物和拉裂的傾向性降低。

2、鑄造速度對(duì)鑄錠質(zhì)量的影響

鑄造速度是指鑄錠相對(duì)結(jié)晶器的運(yùn)動(dòng)速度，常用mm／min或m／h表示。在連續(xù)鑄造過(guò)程中，鑄錠從結(jié)晶器中拉出的速度在正常鑄造階段是不變的，但在開(kāi)頭、結(jié)尾時(shí)以及在鑄造過(guò)程中由于液面波動(dòng)的影響，其實(shí)際鑄造速度不盡一致。

(1)鑄造速度對(duì)鑄造組織的影響

在一定范圍內(nèi)，隨著鑄造速度的提高，鑄錠晶內(nèi)結(jié)構(gòu)細(xì)小。但過(guò)高的鑄造速度會(huì)使液穴變深(h液穴=kV鑄)，過(guò)渡帶尺寸變寬，結(jié)晶組織粗化，結(jié)晶時(shí)的補(bǔ)縮條件惡化，增大了中心疏松傾向，同時(shí)鑄錠的區(qū)域偏析加劇，使合金的組織和成分不均勻性增加。

(2)鑄造速度對(duì)鑄錠力學(xué)性能的影響。鑄造速度對(duì)鑄錠力學(xué)性能的影響取決于它對(duì)鑄錠結(jié)晶速度和過(guò)渡帶尺寸影響的綜合結(jié)果。一般的規(guī)律是：隨鑄造速度的提高，鑄錠的平均力學(xué)性能按具有極大值的曲線(xiàn)變化(見(jiàn)圖3)，但性能沿鑄錠截面分布的不均勻程度增大。

結(jié)晶速度和過(guò)渡帶尺寸是決定多相合金及按固溶體類(lèi)型結(jié)晶的合金的力學(xué)性能的主要因素。隨鑄造速度提高，鑄錠的平均結(jié)晶速度增大，晶內(nèi)結(jié)構(gòu)細(xì)化，因而鑄錠的平均力學(xué)性能得到提高。在更高的鑄造速度下，由于液穴變深，過(guò)渡帶尺寸增加，鑄錠致密度降低，因而鑄錠的平均力學(xué)性能又開(kāi)始下降。在提高鑄造速度的同時(shí)，由于鑄錠中心疏松程度增大以及化學(xué)成分區(qū)域偏析增大的結(jié)果，使性能沿鑄錠截面的分布變得更不均勻。

a)直徑280mm鑄錠

b)5A06合金ф405鑄錠

圖3

鑄錠的平均力學(xué)性能與鑄造速度的關(guān)系

(3)鑄造速度對(duì)鑄錠裂紋傾向性的影響。在一般情況下，提高鑄造速度時(shí)使鑄錠形成冷裂紋的傾向性降低，而使形成熱裂紋的傾向增加。這是因?yàn)樘岣哞T造速度使鑄錠中已凝固部分的溫度提高，而合金在溫度提高時(shí)塑性顯著增加。如果把鑄造速度提高到使鑄錠凝固層的拉伸變形發(fā)生在具有足夠塑性的溫度區(qū)間(高于200～300℃)，則鑄錠就不會(huì)發(fā)生冷裂紋。但是，隨著鑄造速度的提高，鑄錠中過(guò)渡帶尺寸增加，形成熱裂紋的脆性區(qū)的幾何尺寸增大，熔體焊合裂紋的能力降低，由于區(qū)域偏析而引起的鑄錠化學(xué)成分的不均勻性增加。同時(shí)，隨鑄造速度提高，鑄錠各層冷卻速度差別更大，導(dǎo)致拉伸變形量增大，因而使鑄錠形成熱裂紋的傾向增大。

由于對(duì)熱裂紋和冷裂紋的區(qū)分往往是不嚴(yán)格的，加之熱裂紋對(duì)冷裂紋的形成有促進(jìn)作用，因此，在分析鑄造速度對(duì)鑄錠裂紋傾向性的影響時(shí)，還應(yīng)該特別注意各種形狀鑄錠中不同類(lèi)型裂紋產(chǎn)生的機(jī)理和具體原因，其關(guān)系往往比上述規(guī)律性要復(fù)雜。

對(duì)于扁鑄錠，提高鑄造速度，使形成側(cè)面裂紋的傾向性降低，而使形成表面裂紋的傾向性增加。對(duì)于圓鑄錠，提高鑄造速度，使形成表面裂紋的傾向性降低，而使形成中心裂紋的傾向性增加。

(4)鑄造速度對(duì)鑄錠表面質(zhì)量的影響。隨鑄造速度的提高，液穴加深，凝殼變薄，鑄錠表面形成偏析浮出物的傾向增大。此時(shí)，帶有偏析浮出物的較薄的凝殼在熔體靜壓力作用下發(fā)生變形，且在運(yùn)動(dòng)中與結(jié)晶器壁產(chǎn)生摩擦的趨勢(shì)增大，因而鑄錠表面產(chǎn)生拉痕和拉裂的傾向也增大。然而，在提高鑄造速度時(shí)，鑄錠表面溫度升高，因而，形成冷隔的傾向性降低。

鑄錠的鑄造速度一般應(yīng)按下述原則進(jìn)行調(diào)控:

在保證鑄錠質(zhì)量符合技術(shù)條件(包括成品率)的前提下，采用盡可能高的鑄造速度以發(fā)揮鑄造機(jī)的最大生產(chǎn)能力。

（1）對(duì)于扁鑄錠，鑄造速度的選擇首先應(yīng)當(dāng)保證鑄錠沒(méi)有裂紋。一般的原則是：

1）對(duì)于沒(méi)有冷裂紋傾向的軟合金，隨鑄錠寬厚比增大，應(yīng)降低鑄造速度。

2）對(duì)于冷裂紋傾向較大的硬合金，隨鑄錠寬厚比增大，應(yīng)提高鑄造速度。

3）在鑄錠厚度和寬厚比一定的條件下，熱裂紋傾向性較大的合金，應(yīng)降低鑄造速度。

（2）對(duì)于小直徑圓鑄錠，由于裂紋傾向性和過(guò)渡帶絕對(duì)尺寸都不大，在保證鑄錠具有良好表面質(zhì)量的條件下，可以選擇較高的鑄造速度。反之，對(duì)于大截面圓鑄錠應(yīng)該采用較低的鑄造速度。一般的原則是：

1）對(duì)同一種合金，鑄錠直徑愈大，鑄造速度愈低。

2）鑄錠直徑相同時(shí)，鑄造速度按軟合金（工業(yè)純鋁、3A21、5A02等）→6000系合金（6063、6061、6A02等）→高鎂合金（5A05、5A06、5056等）→高成分2000系合金（2A11、2A12、2B11等）→高成分7000系合金（7075、7A04、7A09等）的次序遞減。

3）對(duì)于2A11合金圓鑄錠，可以按下列規(guī)律調(diào)控鑄造速度：

①在對(duì)平均力學(xué)性能的關(guān)系上，當(dāng)使用普通結(jié)晶器時(shí)，最適宜的鑄造速度可按關(guān)系式

U鑄·D=2m2/h來(lái)近似確定，式中，U鑄為鑄造速度，m／h；D為鑄錠直徑，m。下同。

②保證性能沿鑄錠截面具有較均勻分布的鑄造速度可按U鑄·D=1.6～1.7m2/h來(lái)確定。

③不論鑄錠直徑大小如何，在結(jié)晶器高度為180mm時(shí)，不調(diào)整合金的化學(xué)成分，只要鑄造速度比關(guān)系式U鑄·D=1m2/h所確定的鑄造速度稍低—點(diǎn)，即能避免鑄錠中心層在結(jié)晶區(qū)間里出現(xiàn)拉應(yīng)力，從而避免熱裂紋的出現(xiàn)。

（3）對(duì)于空心圓鑄錠，在合金和外徑相同的條件下，鑄造速度隨壁厚增加而提高；在合金和內(nèi)徑相同的條件下，鑄造速度隨壁厚增加而降低。在其他條件相同時(shí)，軟合金空心圓鑄錠的鑄造速度約比具有相同外徑的實(shí)心圓鑄錠的高30％，硬合金空心圓鑄錠的鑄造速度約比相同外徑實(shí)心圓鑄錠的高50%～100%。

（4）熱頂鑄造、氣幕鑄造和電磁鑄造時(shí)，在其他條件相同時(shí)，分別比普通鑄造的鑄造速度約高10%～20%、15%～25%和20%～30%。

最后應(yīng)指出：鑄造速度的調(diào)控與合金化學(xué)成分關(guān)系極大。對(duì)于同一種合金，在其他工藝參數(shù)不變的條件下，調(diào)整合金化學(xué)成分，可以提高保證鑄錠不產(chǎn)生裂紋的允許鑄造速度(見(jiàn)表1和表2)。在生產(chǎn)條件下，各種合金鑄錠的比較適宜的鑄造速度參見(jiàn)本章第五節(jié)連續(xù)鑄錠工藝。

表1

2A12合金圓鑄錠鑄造速度與合金中硅和鋅含量的關(guān)系

元素含量/%

不同鑄錠直徑（mm）的鑄造速度/m·h-1

硅

鋅

160

190

280

310

360

430

540

675

720

0.10

0.06

6.8

4.7

3.3

1.8

1.3

1.1

0.20

0.12

11.8

5.3

4.3

2.8

1.9

1.1

0.30

0.20

11.8

8.2

4.0

2.8

1.9

1.3

0.35

0.20

6.8

3.0

2.4

1.6

1.1

0.50

0.30

8.6

6.0

2.6

2.0

1.4

表2

7A04合金圓鑄錠鑄造速度與合金中硅含量的關(guān)系

硅含量/%

不同鑄錠直徑（mm）的鑄造速度/m·h-1

160

190

280

310

360

430

540

675

720

0.06

10.0

7.1

4.0

3.0

2.4

1.7

1.3

0.9

0.8

0.12

8.6

6.0

3.4

2.8

2.0

1.5

1.2

0.25

6.8

5.3

2.8

2.3

1.7

1.2

0.9

0.45

6.0

4.6

2.2

1.8

1.3

3、鑄造溫度對(duì)鑄錠質(zhì)量的影響?

鑄造溫度通常指鑄造過(guò)程中靜置爐內(nèi)熔體的溫度，由于液流轉(zhuǎn)注過(guò)程中熱量的散失，進(jìn)入結(jié)晶器的熔體實(shí)際溫度因轉(zhuǎn)注路程的長(zhǎng)短、保溫或加熱措施的好壞及氣溫的高低而不同，通常約比鑄造溫度低5～10℃?，F(xiàn)在看來(lái)，鑄造溫度的確切含義應(yīng)是進(jìn)入結(jié)晶器時(shí)的熔體溫度。

(1)鑄造溫度對(duì)鑄錠組織的影響

提高鑄造溫度，使鑄錠晶粒粗化的趨勢(shì)增加；在一定范圍內(nèi)提高鑄造溫度，鑄錠液穴變深，結(jié)晶前沿溫度梯度變陡，結(jié)晶時(shí)冷卻速度大，晶內(nèi)結(jié)構(gòu)細(xì)化，但同時(shí)形成柱狀晶、羽毛晶的傾向增大。提高鑄造溫度還會(huì)使液穴中懸浮晶尺寸縮小，形成一次晶化合物的傾向變低，排氣補(bǔ)縮條件得到改善，致密度得到提高。降低鑄造溫度，熔體黏度增加，補(bǔ)縮條件變壞，疏松、氧化膜缺陷增多。

(2)鑄造溫度對(duì)鑄錠力學(xué)性能的影響。鑄造溫度是影響鑄錠性能的一個(gè)很活躍的因素，它對(duì)鑄錠力學(xué)性能的影響取決于下列因素的綜合結(jié)果：

1）提高鑄造溫度，使鑄錠晶粒度有粗化趨勢(shì)，從而引起鑄態(tài)力學(xué)性能降低；

2）提高鑄造溫度，使結(jié)晶前沿溫度梯度變陡，結(jié)晶時(shí)的冷卻速度增大，因而細(xì)化了晶內(nèi)結(jié)構(gòu)，引起鑄態(tài)力學(xué)性能提高。但同時(shí)，鑄錠形成柱狀晶和羽毛晶的趨勢(shì)增大，在提高鑄態(tài)力學(xué)性能總水平的前提下，鑄錠縱向和橫向性能的差別增大；

3）提高鑄造溫度，使鑄錠液穴中懸浮晶區(qū)的尺寸縮小，形成一次晶化合物的傾向性降低，排氣補(bǔ)縮條件得到改善，鑄錠致密度提高，從而，使鑄態(tài)力學(xué)性能提高。

綜上所述，可以認(rèn)為：在一定范圍內(nèi)提高鑄造溫度，硬合金鑄錠的鑄態(tài)力學(xué)性能可相應(yīng)提高(見(jiàn)圖4)；而軟合金鑄錠的鑄態(tài)力學(xué)性能由于對(duì)晶粒度的關(guān)系很敏感，故有下降的趨勢(shì)。

圖4

直徑280mm2A12合金鑄錠的力學(xué)性能

鑄造溫度:1-800℃；2-700℃；3-700℃并攪拌液穴熔體

(3)鑄造溫度對(duì)鑄錠裂紋傾向性的影響。在其他條件不變時(shí)，提高鑄造溫度通常使鑄錠裂紋傾向性增大。這是因?yàn)樘岣哞T造溫度，使鑄錠晶粒變得粗大，使合金熱脆性提高；同時(shí)，使液穴加深，并提高了結(jié)晶器出口處鑄錠的表面溫度，減小了凝殼厚度。

(4)鑄造溫度對(duì)鑄錠表面質(zhì)量的影響。提高鑄造溫度，使鑄錠液穴變深，凝殼變薄，在熔體靜壓力作用下，凝殼與結(jié)晶器壁的摩擦面積增大；同時(shí)，熔體對(duì)結(jié)晶器壁的燒附性增強(qiáng)，鑄錠拉錠阻力增大，因而鑄錠表面形成拉痕和拉裂的傾向提高。提高鑄造溫度時(shí)，由于凝殼變薄和表面氧化物破裂的結(jié)果，使鑄錠表面形成偏析瘤的傾向也增加。如果此時(shí)結(jié)晶器較高或者二次水冷較弱，則可能形成凸起程度較大的偏析浮出物。但提高鑄造溫度使鑄錠表面形成冷隔的傾向性降低。

調(diào)控鑄造溫度的基本原則是：

（1）為保證熔體在轉(zhuǎn)注過(guò)程中具有充分的流動(dòng)性，應(yīng)視轉(zhuǎn)注距離長(zhǎng)短和氣溫情況，將鑄造溫度控制在比合金液相線(xiàn)溫度高50～110℃的范圍內(nèi)。

（2)、對(duì)于扁鑄錠，從防止裂紋這個(gè)主要問(wèn)題出發(fā)，應(yīng)選擇較低的鑄造溫度。通常，扁鑄錠鑄造速度快，熔體流量大，轉(zhuǎn)注過(guò)程中降溫少，一般控制在690～710℃之間即可。對(duì)于7A04型合金，則可更低一些。

（3）對(duì)于圓鑄錠，鑄錠裂紋傾向性和鑄造溫度的關(guān)系不太敏感，而轉(zhuǎn)注過(guò)程中，熔體流量一般較小，熱量散失大，同時(shí)，為了加強(qiáng)鑄錠結(jié)晶時(shí)析氣補(bǔ)縮的能力，創(chuàng)造順序結(jié)晶的條件，以提高鑄錠致密度，故鑄造溫度多偏高選取。對(duì)于直徑350mm及以上的鑄錠一般控制在730～740℃之間；對(duì)于形成金屬間化合物一次晶傾向比較大的合金，則控制在740～755℃之間，甚至更高；對(duì)于直徑較小的圓鑄錠，由于結(jié)晶速度較快，過(guò)渡帶尺寸較小，鑄錠性能通常較高，故鑄造溫度僅以滿(mǎn)足流動(dòng)性和不形成光晶為依據(jù)，一般控制在715～730℃

（4）空心圓鑄錠的鑄造溫度可參照同合金相同外徑的實(shí)心圓鑄錠，按下限選取。

4、結(jié)晶器有效高度對(duì)鑄錠質(zhì)量的影響

結(jié)晶器有效高度指鑄錠從液態(tài)冷凝成型過(guò)程中與結(jié)晶器工作面開(kāi)始接觸點(diǎn)到結(jié)晶器底緣的距離?？梢哉f(shuō)，幾十年來(lái)連續(xù)鑄造的發(fā)展史，在某種程度上，也就是不斷降低結(jié)晶器有效高度的歷史。從普通結(jié)晶器到矮結(jié)晶器，再到熱頂、氣幕結(jié)晶器，直到電磁結(jié)晶器，結(jié)晶器有效高度一路下降，直至為零。結(jié)晶器有效高度對(duì)鑄錠質(zhì)量的重要性可見(jiàn)一斑。

(1)結(jié)晶器有效高度對(duì)鑄錠組織的影響。

隨著結(jié)晶器有效高度的降低，一次冷卻強(qiáng)度下降，二次直接冷卻速度加快，溶質(zhì)元素來(lái)不及擴(kuò)散，活性質(zhì)點(diǎn)多，晶內(nèi)結(jié)構(gòu)細(xì)(見(jiàn)圖1)。由于液穴變淺，過(guò)渡帶變窄，有利于氣體和非金屬夾雜物的上浮，疏松傾向小，鑄錠致密度提高。

(2)結(jié)晶器有效高度對(duì)鑄錠力學(xué)性能的影響。

降低結(jié)晶器有效高度等于提早鑄錠接受二次直接水冷的時(shí)間，使鑄錠冷卻強(qiáng)度增大，導(dǎo)致兩個(gè)結(jié)果：一是晶內(nèi)結(jié)構(gòu)更細(xì)小，二是液穴更平坦，組織致密性提高，從而使鑄錠平均力學(xué)性能（強(qiáng)度和塑性）提高（見(jiàn)表3）。提高結(jié)晶器有效高度，在鑄錠邊緣層首先發(fā)生性能降低，這顯然與結(jié)晶面形狀和過(guò)渡帶尺寸改變有關(guān)。

表3

結(jié)晶器高度對(duì)2A50合金鑄錠力學(xué)性能的影響①

鑄錠直徑/mm

結(jié)晶器高度/mm

鑄態(tài)性能

均勻化后性能

σb

/MPa

δ/%

σb

/MPa

δ/%

橫向

縱向

橫向

縱向

橫向

縱向

橫向

縱向

192

249.0

243.0

8.80

9.66

218.1

211.0

11.21

11.10

158

224.7

214.0

7.94

7.15

204.5

208.5

10.49

8.14

290

223.9

217.5

6.33

6.80

201.4

215.3

8.18

9.18

150

204.3

209.5

5.34

5.73

198.0

202.0

8.08

7.61

350

120

212.8

217.7

5.38

5.89

200.8

199.1

7.66

7.63

180

203.5

210.3

4.98

4.75

196.5

195.1

7.87

6.97

①規(guī)格相同的鑄錠，矮結(jié)晶器采用的鑄造速度比高結(jié)晶器的低5～10mm/min。

(3)結(jié)晶器有效高度對(duì)鑄錠裂紋傾向性的影響。

這是個(gè)很復(fù)雜的問(wèn)題。降低結(jié)晶器有效高度使鑄錠見(jiàn)水時(shí)間普遍提前，在其他條件不變的情況下，對(duì)于圓鑄錠而言，從增大了冷卻強(qiáng)度的角度看，液穴底部有向結(jié)晶器內(nèi)收縮的趨勢(shì)；但結(jié)晶器的有效高度絕對(duì)值減小，液穴底部又有向結(jié)晶器外伸展的趨勢(shì)。如果兩個(gè)趨勢(shì)的綜合結(jié)果是前者，則使鑄造開(kāi)始時(shí)，鑄錠表面形成拉應(yīng)力的傾向性增大，因而產(chǎn)生表面裂紋的傾向性增大；如果是后者，則有利于消除圓鑄錠的表面裂紋，但同時(shí)卻增大了圓鑄錠產(chǎn)生中心裂紋和其他類(lèi)型裂紋的傾向性。經(jīng)驗(yàn)表明，降低結(jié)晶器有效高度，使扁鑄錠產(chǎn)生熱裂紋的傾向性增加。

(4)結(jié)晶器有效高度對(duì)鑄錠表面質(zhì)量的影響。

降低結(jié)晶器有效高度等于降低鑄錠一次冷卻強(qiáng)度，使由結(jié)晶器壁單獨(dú)冷卻形成的凝殼縮短，從而使鑄錠形成拉痕和拉裂的傾向性降低；又由于液穴變得更為平坦，鑄錠表面形成偏析浮出物的傾向性也降低。但是，結(jié)晶器有效高度的降低使鑄錠冷卻強(qiáng)度增加，這樣在其他條件相同時(shí)，鑄錠形成冷隔（成層）的傾向性增大。熱頂鑄造和氣幕鑄造時(shí)通過(guò)在結(jié)晶器上加熱帽解決這個(gè)問(wèn)題，普通鑄造時(shí)，可通過(guò)提高鑄造速度或鑄造溫度來(lái)解決，還可通過(guò)精確控制液面來(lái)解決。

在實(shí)際生產(chǎn)條件下，鑄造工具基本上都是確定的，在現(xiàn)場(chǎng)除采用普通結(jié)晶器進(jìn)行立式鑄造時(shí)可通過(guò)液面控制器對(duì)結(jié)晶器有效高度做有限的調(diào)節(jié)外，在其他情況下，比如臥式鑄造、熱頂鑄造等都是不可調(diào)的（除非更換結(jié)晶器）?？梢哉J(rèn)為，結(jié)晶器高度是與鑄造方法同時(shí)確定的。當(dāng)然，通過(guò)調(diào)整鑄錠見(jiàn)水線(xiàn)位置也可調(diào)整水冷高度，但與結(jié)晶器有效高度的定義不符。

5、顯著影響鑄錠鑄錠質(zhì)量的另一因素是結(jié)晶過(guò)程中結(jié)晶前沿熔體的運(yùn)動(dòng)。

圖5給出了園鑄錠的枝晶網(wǎng)格尺寸的分布情況，比較了垂直液流、水平液流、傾斜液流(通過(guò)流口下面不同寬度的浮子使液流傾斜某一角度)三種分布情況。液流流射的區(qū)域?qū)?yīng)于網(wǎng)格尺寸的最小值，液流流射不到的“死區(qū)”顯示最大的網(wǎng)格尺寸。正確使用液流傾斜度，可得到比較均勻的顯微組織，作為優(yōu)質(zhì)的擠壓毛料。

圖5

在以垂直噴咀、傾斜液流和水平液流鑄造的園鑄錠中的枝晶網(wǎng)格尺寸的分布情況

上述現(xiàn)象可以用圖6來(lái)解釋?zhuān)毫鞒隹谔幗档土巳垠w的過(guò)熱(應(yīng)為冷)？，使固相線(xiàn)的溫度梯度變徒，因而使過(guò)渡區(qū)變薄。這里不容忽視的是晶核(懸浮晶體)向“死區(qū)”的遷移。在計(jì)算熱平衡時(shí)，必須考慮這種作為潛熱轉(zhuǎn)移的晶核遷移。其結(jié)果是被液流沖刷區(qū)的固相表面失去了熱量，既包括金屬的凝固熱，也包括晶核遷移的潛熱。在“死區(qū)”，遷入的懸浮晶體作為晶核進(jìn)入結(jié)晶前沿，把少量的結(jié)晶熱釋放出來(lái)。

根據(jù)觀察結(jié)果，DAS和IPP的極小值可歸因于晶核群的遷移，此時(shí)進(jìn)入結(jié)晶前沿的熔體沒(méi)有過(guò)熱。

圖6

液流流入結(jié)晶前沿對(duì)結(jié)晶順序和導(dǎo)熱條件的影響

6、鑄錠規(guī)格對(duì)鑄錠質(zhì)量的影響(鑄錠規(guī)格是指鑄錠橫斷面的幾何尺寸和鑄錠長(zhǎng)度)

鑄錠規(guī)格是根據(jù)加工車(chē)間的要求，并考慮到合金本身的鑄造性能、熔鑄設(shè)備的能力，以及為了便于管理和提高鑄造生產(chǎn)效率，對(duì)鑄錠規(guī)格標(biāo)準(zhǔn)化提出的要求，由加工車(chē)間和鑄造車(chē)間具體磋商而確定的。

在—般條件下，鑄錠愈厚或直徑愈大，鑄錠中心愈易產(chǎn)生疏松，鑄態(tài)性能愈差，產(chǎn)生裂紋的傾向性愈大。對(duì)于扁鑄錠，裂紋傾向性還隨寬厚比增大而提高。因此，在確定鑄錠橫斷面尺寸時(shí)，除了考慮鑄造機(jī)的性能外，還必須考慮能否鑄成，鑄出的鑄錠性能(包括化學(xué)成分的反偏析程度)能否滿(mǎn)足技術(shù)要求以及鑄造成品率的高低和對(duì)全廠(chǎng)成品率的影響等因素。

鑄錠規(guī)格對(duì)枝晶網(wǎng)格大小的分布情況影響很大(見(jiàn)圖7)，它關(guān)系到熱量從鑄錠中心向表面?zhèn)鲗?dǎo)所經(jīng)過(guò)的距離。另一方面，所選定的鑄造速度(或牽拉速度)一定要和鑄錠規(guī)格相適應(yīng)。

圖7

不同厚度連續(xù)鑄造鑄錠的(IPP)分置情況(沿過(guò)中點(diǎn)垂直于鑄錠表面的直線(xiàn)測(cè)量)

通常，鑄錠長(zhǎng)度的確定要考慮靜置爐的容量、鑄造機(jī)的負(fù)荷和有效行程，天車(chē)軌道標(biāo)高及下一步工序加工設(shè)備的特點(diǎn)(包括均熱爐的尺寸、能否實(shí)現(xiàn)鋸切等)，以盡可能提高鑄錠長(zhǎng)度，提高成品率為原則。目前，國(guó)內(nèi)大多數(shù)工廠(chǎng)在半連續(xù)鑄造時(shí)采用的鑄錠長(zhǎng)度為6-7m。