连续铸造工艺与设备优化方案

1.常规连续铸造

连续铸锭示意图如图4-9所示，先在结晶器下端插入引锭形成结晶器的底，当浇入一定高度的金属液后开动拉锭装置，铸锭便随引锭下降，这样金属液不断地从结晶器上端浇入，连续地将铸锭从结晶器下端拉出。

首先介绍一下结晶器，它是连铸中的一个关键设备。在镁合金铸造时，热负荷升高和不稳定性会导致滑动结晶器工作壁磨损和扭曲；结晶器壁温度场的脉动特征会导致工作壁在热循环负荷下产生疲劳现象。采用低熔点熔渣，虽然散热量平衡、热循环负荷消除以及工作壁寿命提高，但避免不了工作壁的扭曲，保证不了冷却系统的安全可靠运行。

扭曲对结晶器的使用寿命有决定性的影响，且使铸造一开始就可能在结晶器壁出现挂锭现象，从而破坏了正常的热传导状态，有损铸锭质量。减少扭曲，提高结晶器寿命，不仅可以大大提高铸锭的质量，而且可以减少加工工作壁的费用和节省重新安装结晶器所花费的时间，从而大大缩短了连铸机停产的时间，提高生产率。因而具有重要的经济价值和实际意义。通过理论计算和试验研究，在提高结晶器寿命方面获得了以下结论：

1）按比例减少滑动结晶器的高度，采用较窄宽度的水冷槽，可以减少结晶器工作壁的扭曲变形。

2）结晶器材料的综合物理参数对使用寿命有决定性的影响，选用的原则是尽量降低结晶器材料的弹性模量、工作壁的热膨胀系数、速度。

3）改进结晶器的结构，采用组合式滑动结晶器或应用开槽的滑动结晶器。

结晶器的水冷受以下参数的影响：

1）水压。为使浇入结晶器的金属液迅速凝固和保护结晶器避免受热过度，结晶器内的冷却水须有较快的流速，故水压不宜过低。

2）冷却水。温差结晶器的进水和出水的温差小说明冷却强度大。温差的大小对拉管的速度和结晶器的寿命影响很大。一般温差在6～20℃之间，小管温差取上限。

3）水流量。结晶器中水的流量和水压与进出水管径及水隙等结构有关。水量过小会影响冷却强度。一般水的流量可根据进出水的温差是否适当加以调整，其流量为0.10～2.12m³/min。

根据结晶器轴线在空间的布置特点，基本上可把连续铸锭方法分为两种类型：立式连续铸锭和卧式连续铸锭，如图4-9所示。

图4-9 连续铸锭示意图

a）立式连续铸锭 b）卧式连续铸锭

1—浇包 2—浇口杯或中间浇包 3—结晶器 4—铸坯 5—引锭 6—保温炉 7—石墨工作套 8—引拔锟 9—切割机

（1）立式连续铸锭 立式连续铸锭示意图如图4-9a所示。结晶器的轴线垂直而立，它常用导热性较大的纯铜或钢合金制成。结晶器内部通以冷却水。浇注开始前，先把引锭上提，封住结晶器的下口，液体金属逐渐浇入结晶器中，待结晶器内金属液上升至一定高度时，结品器下部的金属已凝固了一定的硬壳厚度。这时，引锭便开始下移，并从结晶器中拉出已凝固的铸件。此时，在结晶器上部仍继续以一定的速度浇注金属，以保持结晶器内金属自由表面的高度。为了减少凝固铸锭自型中拔出时所遇到的阻力，结晶器在工作时常做一定频率和振幅的上下振动，同时沿结晶器内壁刷油，油燃烧后在结晶器内壁上形成的煤烟可起一定的润滑作用。结晶器内金属的散热方向为向四周和向下，故在铸锭上部和下部中心形成如图4-9a所示的液穴。铸锭拔出的速度越大，向铸锭下部的散热条件越差，则铸锭中形成的液穴会越长。太长的液穴会使铸锭中心部位形成缩孔。所以，为了缩短液穴，也为了提高生产率，常在结晶器的下面安装喷水装置作为二次冷却区，使自结晶器中拔出的铸锭在结晶器外经受水的激冷。

铝合金、镁合金锭材的连续铸造也常用这种方法，但一般只采用半连续铸造法。

立式连续铸锭法所需车间面积较小，但常要求有较高的厂房，机器结构也较复杂。

（2）卧式连续铸锭 图4-9b所示为卧式连续铸锭示意图，在这种连续铸锭机上，结晶器的轴线水平布置，在其型腔部位是一石墨工作套。结晶器一端与保温炉相连，故液体金属可自动地充填结晶器型腔。铸锭的拔出是脉冲式的，即拔出一定长度后，稍停，再拔，如此周而复始地进行。铸锭的拨出速度由引拔辊的转数控制，当铸锭达到一定长度时，切割机以与铸锭相同的速度往右移动，同时切割机进刀将铸锭切断。

卧式连续铸锭厂房高度较低，机器均设在地面上，结构简单，易于维修，可节省基建投资。而由于液体金属可由保温炉直接进入结晶器，可防止产生氧化、夹杂。不足之处是所需车间面积较大。

图4-10 热型连铸原理图

2.热型连续铸造

热型连续铸造法又称为大野连铸法（Ohno Continuous Casting，OCC），是日本千叶工业大学教授大野笃美（A.Ohno）于1978年发明，并于1986年首次发表的，其原理如图4-10所示。

与普通连铸法的根本区别是：它的铸型（结晶器）不进行强制冷却，而是加热至高于被铸金属的液相线温度以上，并通过型外喷射冷却，使热量沿拉铸方向由铸型出口向冷却区传输，从而使金属液在铸型出口端凝固结壳并被连续拉出。因此，热型连铸法具有下述特点：

1）在铸型出口端与冷却区之间有悬殊的温差和高的温度梯度，型内金属液的热量主要沿拉铸方向单方向传输，造成有利于单向凝固的条件，可铸得长度不受限制的单晶和柱晶。

2）金属液在铸型出口端凝固结壳，显著减小铸件与型壁的摩擦磨损，可铸得表面非常光洁的复杂截面形状的薄壁型材。

3）沿拉铸方向单向凝固，补缩良好，且可将金属液中的气体和杂质从凝固前沿排斥到型内金属液中，获得纯净致密的铸材，还可获得单晶或柱状晶材料。

根据铸造合金和铸材形状及尺寸的不同，目前已开发出各种热型连铸装置。其中最常用的是水平热型连铸装置，如图4-11所示。

图4-11 水平热型连铸装置示意图

水平热型连铸装置主要用于连铸直径较小的棒材，由坩埚熔炼炉、金属液流道、铸型、喷射冷却系统、拉拔辊及监控系统组成。坩埚、流道和铸型由电热丝加热，热电偶控温，坩埚内金属液面高度由液面探测器和液面控制棒监控，通过调节控制棒插入熔池的深度，使坩埚内熔池液面高度保持恒定。已开发的其他类型热型连铸装置有竖直上拉、竖直下拉、水平带状和双金属热型连铸装置等。竖直上拉热型连铸装置主要用于连铸高熔点合金，竖直下拉热型连铸装置主要用于连铸大直径铜材，水平带状热型连铸装置主要用于连铸铝、镁合金带材。它们的工艺原理和主要组成基本上与水平热型连铸相同，但在装置结构和铸型结构上各有特点。(www.xing528.com)

在普通的常规连铸中，金属液在结晶器内结晶，并垂直于器壁向中心生长，中心易形成孔洞和夹杂，由于铸件与结晶器壁的摩擦力，还须振动结晶器或铸件以利脱模。在热型连铸中，铸型加热至结晶温度以上，型内不发生结晶，当金属液由引锭棒引出时，在型出口处对其冷却，造成晶体向铸型方向生成。众多晶粒经竞争生长后，具有择优生长方向的晶粒最终得以生长成单晶。由于型内不发生凝固，不存在铸件与铸型的摩擦力，因此热型连铸的特点有：①可获得无限长单晶或定向凝固组织；②可一次成形获得截面形状极其复杂的铸件；③铸件无气孔、缩孔，卷入的夹杂及气体极少；④熔炼及铸造设备紧凑。

（1）热型连铸过程及主要影响因素 由于铸型温度高于合金液相线温度，且在铸型出口端与冷却点之间沿拉铸方向有很大的温度降，以至可忽略垂直于拉铸方向的传热，因此可认为在连铸件内由铸型到冷却点只存在沿拉铸方向的单向热传导，从而只需研究一维温度场对铸件凝固和晶体生长的影响。

水平热型连铸温度场测定装置通过将套有内径为1.2mm的不锈钢管的铠装热电偶固定在引锭棒中心并伸入铸型，在拉铸过程中连续测定铸材中心由型内至型外的温度变化。拉铸开始后，由于型外冷却点对铸材的激冷作用，铸造金属在铸型出口端的温度急剧下降至凝固点以下，形成很大的温度梯度。若不考虑过冷，可以认为达到凝固点的位置就是固液界面的位置。可知，该位置就在型内紧邻出口处。至于拉铸时型内金属液的最高温度比拉铸前高的原因，可能是来自坩埚的补充金属液比型内金属液温度高及在铸型出口处金属放出凝固潜热所致。由温度场曲线可计算出固液界面前沿液相的温度梯度GL。这就表明GL随铸型出口温度升高和冷却距离缩短而增大，拉铸速度对GL无影响。

纯金属凝固过程在铸型内的温度场、固液界面位置是关乎热型连铸过程稳定和连铸件质量极其重要的控制目标。若界面进入型内过多，则连铸件在型内已凝固结壳，其与型壁的摩擦力增大，易使铸件表面粗糙甚至拉断；若界面在型外过多，则连铸件易拉漏。测定温度场的目的，就是要确定固液界面位置及了解影响其变化的各种因素。通常纯金属热型连铸时，其固液界面位置的变化范围应控制在型内离出口端1～2mm内。

对于合金，由于其凝固是在某个温度范围内进行的，因此沿铸件轴向存在一个固液两相区。测定温度场同样可确定固液两相区的位置和长度，以及工艺变量对其的影响。

关于固液界面的形状，大野根据其晶粒脱离理论认为应向液相区凸出；Soda根据计算机模拟结果认为，拉铸速度低时界面微凸，但随着拉铸速度的提高，界面形状逐渐变凹。但各种有关界面形状的理论推导和计算结果，尚未得到充分的试验结果予以证实。另外，热型连铸凝固过程的温度场，也可通过传热学计算求出。

（2）工艺变量对固液界面和固液两相区位置的影响 影响固液界面和固液两相区位置的主要工艺变量是铸型出口温度、冷却距离和拉铸速度。

铸型出口温度是影响凝固前沿温度梯度的重要因素，铸型出口温度越高，凝固前沿温度梯度就越大。铸型出口温度对固液界面位置和固液两相区的位置及长度的影响也很大。在冷却距离为13mm时，固液界面位置与铸型出口温度和拉铸速度的关系如图4-12所示。由图可知，铸型出口温度越低，固液界面进入铸型的距离就越长，这与凝固过程温度场所显示的是一致的；当铸型出口温度相同时，固液界面位置还与拉铸速度呈线性关系，拉铸速度越高，固液界面进入铸型的距离就越短，但拉铸速度对界面位置的影响不如出口温度大。随着铸型出口温度的升高，位于型内的液固两相区与全液区的界面至出口的距离缩短，位于型外的液固两相区与完全凝固区的界面至出口的距离变长；由于两相区/液相区界面外移的距离大于两相区/固相区界面的外移距离，结果使两相区长度缩短并外移；当两相区外移到一定程度时，便发生拉漏。

冷却距离对固液界面位置及固液两相区的位置和长度的影响极其强烈，由图4-12可知，当铸型出口温度和拉铸速度固定时，固液界面进入铸型的距离随冷却距离的缩短而急剧增大，且这种关系是非线性的，冷却距离越短，固液界面位置对冷却距离的变化就越敏感，界面位置就越不稳定。热型连铸合金的液相区和固相区的界面位置都随冷却距离的增大沿型内至铸型出口方向外移，尤其是其与固相区的界面外移幅度更大，结果导致液相区长度增大；当冷却距离大于10mm后，液相区与固相区的界面移至型外，当冷却距离达到28mm时，便出现拉漏。

图4-12 冷却距离对固液界面位置的影响

拉铸速度对纯金属和合金的固液界面位置和固液两相区的位置和长度的影响比较大。随着拉铸速度的加快，纯金属固液界面的位置在型内向铸型出口方向移动，冷却距离越小，移动距离越大，当固液界面移至在型内距铸型出口5mm时便出现拉漏。拉铸速度的变化不会改变合金凝固前沿的温度梯度，因此不会改变固液两相区的长度，而只改变其位置，即随着拉铸速度的提高，固液两相区由型内向型外移动。

实际上，铸型出口温度、冷却距离和拉铸速度对固液界面位置或固液两相区的位置和长度的影响是互相关联的，综合调整这三个工艺变量，即可使固液界面或液固区保持在合适的位置，保证热型连铸过程稳定和获得优质连铸件。

（3）工艺变量对热型连铸件质量的影响

1）表面质量。在工艺变量控制合适的条件下，热型连铸件表面非常光洁，甚至犹如镜面。获得非常光洁的热型连铸件需满足的必要条件是：①凝固表面是自由表面，若凝固表面与型腔壁接触，则铸件表面粗糙度在正常情况下要比型腔壁粗1～2级；②凝固前沿能获得充分的轴向补缩。对轴向补缩不良的热型连铸件表面的SEM三维形貌观察表明，在粗糙表面上有突起物。其背射电子像表明该突起物是凸出在共晶组织基底上的树枝状初生晶的枝晶臂，其形成原因是凝固收缩时，铸件表面得不到充分的轴向补缩而凹陷，使先凝固的初生晶突起在共晶组织上。导致轴向补缩不良的原因是凝固前沿轴向温度梯度较小，不能形成良好的沿轴向单向凝固的条件，以及与铸型连通的坩埚内金属熔池液面高度较低，金属液温度较低，不能有效克服树枝状初生晶的阻力沿轴向对凝固前沿进行充分的补缩。铸型出口温度对热型连铸件表面粗糙度也有影响。随着铸型出口温度的降低，连铸件表面越来越粗糙，并继而出现逐渐严重的热裂纹。其原因在于固液界面位置随铸型出口温度的降低而逐渐向型内移动，使拉铸过程中铸件与型壁间的摩擦阻力越来越大，导致铸件表面质量逐渐下降，当摩擦阻力增大到一定程度时，便发生拉裂，在铸件表面形成热裂纹。铸型出口温度和冷却距离对凝固前沿温度梯度、固液界面位置、固液两相区的位置和长度都有很大影响，拉铸速度虽然不影响凝固前沿的温度梯度和固液两相区的长度，但它对固液两相区和固液界面的位置也有明显影响，因此它们对铸件的凝固方式和轴向补缩条件都有显著的影响。适当地调整这三个工艺变量的相互关系，达到适宜的凝固前沿温度梯度、固液界面或固液两相区的位置和沿轴向单向凝固的补缩条件，就能获得表面非常光洁的热型连铸件。

2）拉漏。拉漏是热型连铸过程中发生的一种故障，此时大量金属液从铸型出口处无控制地流出，操作被迫中断。拉漏发生的原因是铸型出口区金属液表面张力所产生的附加压力不能平衡金属液静压射冲头。由于金属的表面张力较大，若连铸件的截面尺寸较小，则表面曲率半径较小，所产生的附加压力就较大，足以平衡金属液的静压射冲头，就不易拉漏，甚至固液界面位置移至型外也不致拉漏。对于纯金属来说，一般以固液界面位置作为拉漏的判据，当固液界面位置移至型外时通常会发生拉漏。固液界面的位置直接与铸件在铸型出口处的温度有关。由于测温比测定固液界面位置容易，因此常以金属液的凝固温度代表固液界面位置。当拉铸ϕ8.5mm锡棒时，无论拉铸速度如何变化，固液界面位置均在铸棒上温度为232℃处，当铸棒在型外0.3mm处的温度达到该温度时就出现拉漏。对于合金，由于其无固液界面，且固液两相区与全液区和全固区的界面位置也都不能作为拉漏的判据，因此用铸棒在铸型出口处的温度作为拉漏判据更有实际意义。

3）结晶形态的控制。根据晶体生长规律，当凝固前沿液相温度梯度（GL）与固相生长速度（R）之比GL/R逐渐减小时，晶体生长形态就由胞状晶依次向枝状晶和等轴晶转变。热型连铸工艺变量的改变会引起GL或R的改变，导致铸材结晶形态的改变。Soda等人在热型连铸铜棒时发现：当拉铸速度＜50mm/min时可获得单晶组织，拉铸速度＞50mm/min时就会出现亚晶界，有时还会出现离散晶粒；拉铸速度低时晶体生长方向是随机的，拉铸速度高（达120mm/min）时，晶体以＜001＞晶向择优生长。拉铸开始时，由于引锭棒的激冷作用在其表面形成等轴晶层；随着拉铸的继续，在等轴晶基底上生长成单向凝固的多晶组织；由于各晶粒在不同晶向上的择优生长，使生长方向与热流方向不一致的晶粒逐渐被淘汰，最后获得单晶。这一过程一般要拉铸500～1000mm后才能完成。为了缩短这一过程，有人采用缩颈法来加快淘汰沿其他晶向生长的晶粒以获得单晶。该法先以正常速度拉铸一定长度后，突然提高拉铸速度使铸件直径缩小，再恢复正常拉铸速度，如此交替数次后，由于缩颈处晶粒数减少，生长方向减少，当减少到只剩一个晶向时，便形成单晶。热型连铸的单晶镁可压延成5μm厚的箔，用作耳机的振动膜；另外，用热型连铸的铝硅合金单晶可拉制成直径为25μm的细丝，用作集成电路的引线；热型连铸的单晶铜拉制成的细丝已用于高级视听器材的接线和扬声器线圈等。这些金属单晶材料具有极好的耐腐蚀、耐疲劳和抗高温蠕变性能，以及优异的磁学性能和电学性能，在传输信号时不会失真。

（4）热型连铸铸件的性能 热型连铸可获得单晶或定向凝固组织，具有一系列与多晶材料不同的性能。

1）良好的塑性加工性能。共晶成分的Sn₂Zn合金是公认的塑性加工性能差的材料。普通铸造方法Sn₂Zn合金在压缩率30%时就出现裂纹，而热型连铸的这种合金在压缩率100%时仍不出裂纹。连铸ϕ4mmSn₂Zn的线材，可以直接拉伸成ϕ0.1mm的丝而无须中间退火。

2）耐蚀性。99.98%的镁分别用金属型和热型连铸后，放入5%盐水溶液中做腐蚀试验，结果很明显，热型连铸单晶材料的抗腐蚀性比多晶材料的优越得多。

3）抗疲劳性能。Al-4%Cu合金分别用金属型和热型连铸铸成ϕ6mm的线材，做90°循环弯曲试验，结果金属型铸线材弯曲3～5次就断，热型连铸的则可弯曲到30次，且弯曲后硬度比普通材料的高。

4）减少偏析。由于热型连铸时铸件冷却快，凝固界面基本上以平面推进，可以大大减轻晶内偏析、晶界偏析及宏观偏析，有利于提高合金的性能。此外，这种凝固方式也有利于消除气孔、缩孔及夹杂等缺陷。

3.半连续铸造

用半连续铸造法生产变形镁合金铸锭，就是将液态金属镁通过分配漏斗注入结晶器，液态金属与结晶器内壁接触，部分热量通过内壁传递给一次冷却水而凝固。此后通过喷射到铸锭表面的二次冷却水进一步降低铸锭温度。变形镁合金铸锭的质量可用力学性能和铸锭缺陷（冷隔、气孔、疏松、裂纹、夹杂、偏析）来评定。

目前国内一般生产厂家对变形镁合金圆铸锭的力学性能不做具体要求，而是通过随后的均热、挤压、矫直、热处理等生产工艺来确保制品的力学性能。在铸造生产中仅以铸锭几何尺寸、合金成分及铸锭有无冶金缺陷（冷隔、气孔、疏松、裂纹、夹杂、偏析）为主要检验指标。但某些特殊生产厂家对变形镁合金圆铸锭的力学性能有严格要求，目前的生产工艺很难满足，尤其是小规格变形镁合金铸锭。

半连续铸造AZ91D镁合金在不同铸造速度下的微观组织如图4-13所示。由图可见，铸造速度较低（14.5cm/min）时，得到的枝晶组织绝大部分熔断，解离成为球状和蔷薇状的小晶粒，铸锭中心处的组织虽也大部分熔断，但仍存在个别枝晶和较大的蔷薇状晶粒；当速度升高到16.5cm/min时，边部组织与低速相比变化不大，熔断仍然十分显著，但铸锭中心处的枝晶比低速时有所增多；速度进一步增大到19cm/min，边部组织中开始出现较大的枝晶节与大蔷薇状枝晶共存的组织，但边部的枝晶比中心处略少。值得强调的是，即使当铸造速度高达19cm/min时，铸锭并未出现热裂现象。

图4-13 AZ91D镁合金近液相线半连续铸造组织

铸造速度：a）、b）14.5cm/min c）、d）16.5cm/min e）、f）19cm/min

取样位置：a）、c）、e）铸锭边部 b）、d）、f）铸锭心部

比较三种速度下边部与中心处的组织差异，可以看出，在低速和高速情况下，差异均较小，不同的是低速下为蔷薇状与球状晶粒共存的组织，而高速下为枝晶与大蔷薇晶粒共存的组织。对于中等速度条件下，边部与中心的组织差别较大。也即，随着铸造速度的变化，中心组织与边部组织差异的变化规律是由小到大，再由大到小。

铸造速度对组织的影响是通过改变铸锭横截面的温度分布以及液穴的深度造成的。铸造速度低时，冷却能够深入到铸锭的中心部位，边部和中心的温度相差不大，形成的液穴很浅，整个铸锭断面的温度场相对均匀，几乎同时大量形核，枝晶的生长得以抑制，所以边部和中心的组织相差不大，均为细小的球状晶和蔷薇晶；铸造速度增加，相同冷却水流量下，边部冷却仍很快，温度迅速下降，但冷却不足以到达中心，使中心温度高，断面温度梯度相对较大，从而形成较深液穴，组织相应为边部球状晶和蔷薇晶，中心枝晶开始生长，边部和中心组织差异变大；铸造速度进一步增加，冷却只能在铸锭表面极有限范围内进行，该范围外，断面的温度梯度再次趋向均衡，但此时温度较铸造速度低时高，形核有所减少，致使枝晶在一定程度上得以生长。但相对于常规铸造来说，由于铸造是在近液相线下进行的，仍保留有许多小的球状晶和蔷薇晶。