铝合金扁锭先进半连续铸造技术研究现状

铝合金扁锭先进半连续铸造技术研究现状林师朋浏金炎;钟鼓;王际海涨保存 【摘要】综述了国内外先进扁锭铸造技术的研究现状和发展历程，讨论了各种铸造 方法的优缺点，着重介绍了 LHC先进扁锭铸造技术及其主要特点，展望了铝合金扁锭 先进铸造技术的发展前景.【期刊名称】轻合金加工技术 【年(卷)，期】2018(046)011 【总页数】7页(P1-7) 【关键词】铝合金扁锭;先进半连续铸造技术;LHC铸造;结晶器 【作者】林师朋浏金炎;钟鼓;王际海涨保存【作者单位】中铝材料应用研究院有限公司苏州分公司，江苏苏州215026;中铝材 料应用研究院有限公司苏州分公司,江苏苏州215026;中铝材料应用研究院有限公 司苏州分公司，江苏苏州I 215026;山东华宇合金材料有限公司,山东临沂276017;山 东华宇合金材料有限公司,山东临沂276017【正文语种】中文【中图分类】TG292各铝加工企业和研究机构对于铝合金扁锭铸造，除达到铸锭成形的基本目的之外，直致力于提高铸锭质量，即控制铸锭尺寸偏差尽可能小，铸锭表面尽可能平整、 光滑，减少或消除铸锭粗晶层、偏析瘤等表面缺陷，减少铸锭底部翘曲和肿胀，使 铸锭在热轧前尽可能减少铣面量，提高铸锭利用率1-2。国内一部分铝加工企业已从国外引进先进铸造设备与工艺用于铝合金扁锭铸造，例 如中国铝业公司青海分公司、贵阳分公司和兰州分公司先后引进了美国Wagstaff 公司的低液位复合(Low Head Composite(LHC)半连续铸造技术。先进的铸造技 术大大改善了铸锭质量，提高了铸锭成品率，但是引进费用高昂，同时后续的维护 费用也很高，特别是结晶器及相关配件的维护和后续的更换采购。另外，国内企业 虽然引进了这种先进铸造技术，多数只能用于生产低合金化的1xxx、3xxx、 5xxx系铝合金，应用范围受限，并且在硬铝合金及7xxx系铝合金铸造方面仍完 全依赖技术引进，缺乏自主开发的技术。本文综述了铝合金扁锭先进半连续铸造技术的研究现状，并对先进铝合金半连续铸 造技术在中铝集团内的发展前景进行了展望。1先进铝合金扁锭半连续铸造技术研究现状所有铝合金产品首先是通过铝液凝固铸造成坯锭，坯锭再加工成为半成品铝材。铝 合金铸造过程按照操作方法主要分为三类：模铸，如高压铸造、永久模铸造、砂 模铸造和消失模铸造等，可获得高力学性能和一定尺寸的铸件；半连续铸造，可 获得各种截面尺寸和长度的圆锭、扁锭、空心锭和异形锭，为铝材生产提供了主要 坯料；连续铸造，如辊式铸轧和带式铸轧等，可获得接近成品的铝材产品3。1.1直接水冷铸造(DC铸造)对于变形铝合金来说，90%的铸锭是通过直接水冷铸造(Direct Chill Casting , DC) 获得的4。传统DC铸造技术分别在1936年和1942年被W.Roth和W.T.Ennor独立发明，液态铝熔体被浇注到由结晶器和引锭头所围成的空间内， 当铝熔体与结晶器、引锭头发生接触，铝熔体就会被结晶器和引锭头冷却并且沿其 边界发生凝固。铝熔体在结晶器中达到一定高度且凝壳具有足够强度支撑铝熔体时， 引锭头将以设定的铸造速度向下运动。已凝固的铸锭将随着引锭头一起下降，当铸 锭从结晶器中被拉出时，冷却水通过结晶器的水孔直接喷到铸锭的表面，铸锭被迅 速的冷却。这样铝熔体将不断地被浇铸到结晶器内，而已凝固的铸锭也不断地被从 结晶器内拽出，构成了一个连续的铸造过程，如图1所示。但传统DC铸造受到 结晶器内壁与铝熔体凝壳收缩产生一定气隙的影响，铸锭表面会产生严重的偏析瘤 甚至出现裂纹5。1.2热顶铸造（HT铸造）为了改善DC铸造的铸锭质量不稳定、生产效率较低等缺点，20世纪70年代 G.Tr upied在传统DC铸造基础上发明了热顶铸造技术（Hot-Top，HT）。经美国铝 亚公司、加拿大铝业公司等进一步研究和应用，现已达到较高水平，多用于铝合金 圆锭铸造6-7，在扁锭铸造方面的应用还停留在试验阶段，工艺及控制尚不成熟， 易出现铸锭表面质量差等诸多问题8。HT铸造因其自动化程度高、工艺流程简单 且便于操作、铸锭质量优良等特点，成为铝合金铸造行业应用最为广泛的铸锭生产 方式，如图2所示。在此之后，HT铸造在全球范围内得到快速发展。日本昭和铝 业公司（SAl-Showa Aluminium）于 20世纪70年代末在传统HT铸造技术基础上 开发出了气压HT铸造技术，通过压入一定量气体在铝熔体与结晶器之间形成气隙、 避免二者直接接触，从而减少铸锭冷隔等缺陷，有效提高了铸锭的表面质量和冶金 质量，提高了铸锭成品率。美国Wagstaff公司于1980年和1982年相继开发出 了 MaxiCastTM铸造技术（同水平HT铸造）和AirslipTM铸造技术（气滑铸造），多 用于生产铝合金圆锭。二者均采用高纯石墨环作为结晶器内壁，前者通过润滑油供 给系统将一定量的润滑油压入结晶器本体与石墨环结合处，利用石墨的多孔通道润 滑油自动渗入到内壁，达到润滑效果；后者利用从石墨环渗出的润滑油与气体在铸 锭与石墨环之间形成油气隙，避免熔体凝壳与石墨直接接触，得到的铸锭表面质量 良好。图 1 半连续铸造示意图 Fig.1 Semi-continuous casting图2热顶半连续铸造冷却示意图Fig.2 Cooling of HT semi-continuous casting 1.3低液位复合铸造(LHC铸造)美国Wagstaff公司于1994年在传统的扁锭DC铸造基础上成功开发出了低液位 复合半连续铸造技术(Low Head Composite，LHC)用于铝合金扁锭铸造。通过后 期对LHC技术不断深入细化研究，针对多种牌号铝合金(主要是低成分含量的铝合 金)多种规格铸锭进行LHC结晶器开发工作，并在1998年开发出了 VariMoldTM 扁锭铸造技术，即铸锭轧制面尺寸可以在一定范围内调节的可调式LHC结晶器与 配套多规格厚度夹片可调式引锭头，实现了用一套结晶器铸造多种规格的铝合金扁 锭，大大减少了铸造不同规格扁锭时更换平台以及装配结晶器的时间，大大提高了 企业的生产效率。可调式结晶器最早应用于日本9，可调宽度200 mm ； ALCAN 公司于2000年前后开发出560 mmx(1 230 - 1 580)mm结晶器，可通过手工完 成全部调整，宽度连续可调10。近些年来Wagstaff公司进一步完善其LHC铸造技术，用于铸造硬铝合金铸锭， 先后于2002年和2003年开发出EpsilonTM扁锭铸造技术和NuMaxTM圆锭铸 造技术11。前者结晶器采用全铝壁工作带且与结晶器本体所用材料一致，避免了 传统HT铸造技术中石墨内衬与结晶器本体的配合等相关问题；通过增加润滑油控 制和辅助气体控制系统完成铸造过程中油和气的供给，控制铸锭的翘曲；铸造前须 对工作带进行仔细打磨，保证其表面光滑无明显划痕。该技术不仅进一步简化了工 人现场操作，而且保证了铸锭质量。后者结晶器利用DualJetTM增强冷却技术改 善铸锭表面质量；优化了传统HT铸造结晶器中冷却水腔与水孔的尺寸与分布；使 企业具备生产不同常规规格和大规格圆锭的能力，大大提高生产效率的同时减少设 备维护时间和成本。另外，针对硬铝合金和难成型铝合金扁锭铸造，国外于20世纪90年代开发出的 刮水技术，被广泛应用于7050、7055等铝合金铸造12； Corus TechnologyBV公司在2001年提出了适用于高合金化元素2xxx、5xxx、7xxx系铝合金 的铸造技术，特别适用于超大规格锭坯（450 mmx2 000 mm以上）13。先进的 铸造技术使铸锭裂纹倾向大幅度降低，大幅提高了大规格扁锭的成品率。2先进铝合金扁锭半连续铸造技术剖析LHC铸造工艺技术是Wagstaff公司专有技术，受到熔铸行业广泛关注，利用该技 术铸造1xxx、3xxx、5xxx系铝合金扁锭，锭坯表面平滑无偏析瘤，偏析深度 仅200 pm-500 pm,铸锭壳区厚度S1 mm（通常&0.5 mm）,枝晶臂间距约 20 pm,可减少扁锭大面的铣削量50%以上，减少热轧切边量达17% ;同时铸造 过程中凝固速率为3.7。057.4。05，大大提高了铸造速度14。相比于传统的 DC铸造，LHC铸造技术核心主要体现在液位控制技术、铸造自动控制技术、LHC 结晶器三个方面。2.1液位控制技术LHC铸造技术通过工艺控制将结晶器内铝熔体液面控制在较低水平，如图3所示。 传统DC铸造的液位控制在63.5 mm 88.9 mm , LHC铸造要求液位控制在31.8 mm44.5 mm。LHC铸造凝固过程可分为结晶器激冷区（IMC）、慢激冷区（SC）和 超前冷却区（AC）三个阶段15。结晶器内壁与铝合金熔体接触的一次冷却区（即 IMC）高度因石墨环较低的热传导率而减小；逆流导热距离（Upstream Conduction Distance,UCD，即靠二次冷却水产生的向上方向的冷却距离）顶端以 上的一冷区也减小，铸模单独冷却距离（MAL，即单靠结晶器壁在铸锭表面上产生 的向下冷却距离）减小；在稳定铸造时AC区由于直接被水冷却而凝固，大大缩短 了 SC区，铸锭表面质量大大提高16-17。热顶铸造过程中要想得到较好的表面 质量铸锭，MAL不得超过25.4 mm，最好不超过12.7 mm , LHC铸造技术同样 如此。图3传统DC铸造与LHC铸造结晶器内铝熔体液位及液穴对比示意图15Fig.3Comparison between the melting level and the liquid sump in mold of DC casting and LHC casting扁锭铸造过程中保持较低的液位是该技术工艺的核心。结晶器内液位过高易造成铸 锭表面偏析瘤严重；液位过低易造成漏铝，易出现安全事故。一般采用激光液位控 制设备对结晶器内的液位进行监测。液位控制装置属于精密仪器，其位置安排应不 仅保证其正常工作，还要顾及现场生产过程中能够便于工人操作。2.2铸造自动控制技术LHC铸造技术包含了铸造自动控制技术18。铸造自动控制技术嵌入了成熟的铸 造工艺参数，控制结构中连锁条件比较完善，采用人机对话方式的预检查功能保障 了铸造的成功率，提高了工作人员的操作安全性，并大量运用高精度、高可靠性的 设备，以及通过高级的控制手段有效地提高了铸锭的质量，减少了铸锭的后续加工 工作量，合理的设计理念及设备布局也减轻了日常的维护检修负担。控制系统中关 键工艺参数有铸造速度控制、冷却水流量控制和液位控制。传统DC铸造液位控制 并不精确，往往采用手动或自动浮漂漏斗来控制结晶器内部铝熔体液面，控制精度 不高，铸造过程中液位偏差较大，导致铸锭质量随区域不同而相差较大；LHC铸 造要求结晶器内铝熔体液位的精确控制（液位波动可控制在1 mm），采用高精度 的激光液位检测仪器配合相应的执行机构自动控制铝熔体流量，从而保证铸锭的表 面质量非常好且均匀一致。2.3 LHC结晶器LHC铸造技术的关键点是采用独特设计的LHC结晶器，如图4所示。与常规结晶 器相比LHC结晶器主要有两点变化：一是LHC结晶器是指将特定尺寸的石墨内衬 嵌于铝制结晶器本体作为工作带的结晶器，石墨是一种天然润滑物，它的润滑油消 耗仅是传统DC铸造的3%5%，开始铸造前在石墨内衬表面轻轻地刷一层润滑 油即可非常有效地满足铸造过程中的需要，同时石墨的相关惰性及耐熔融铝腐蚀性 等优良性能能够保证石墨内衬较长的使用寿命，延长了更换周期；二是LHC结晶 器采用独特的双层水腔和不同角度的双排冷却水孔设计，在铸造开始和稳定铸造两个阶段，通过调 整冷却强度使得铸锭得到最优的热量传输率。图4 LHC结晶器示意图Fig.4 LHC moldLHC结晶器主要包括结晶器本体、顶盖和底盖、石墨内衬工作带、引锭头、冷却 水控制阀、冷却水过滤装置以及自动对准气缸等组件。2.3.1结晶器本体LHC结晶器本体包括全螺纹嵌件、双重水密封垫、对称的上/下水腔和机加工挡水 板，该机加工挡水板可提供优异的冷却水分配特性和水流均匀性。该结晶器能够独 立控制两级冷却水喷水水流，允许优化铸造开始和运行阶段的铸造条件。此设计在 稳定铸造状态下能产生较高的冷却效率，并且可形成光滑的铸锭表面和良好的冶金 质量。常规结晶器分水板是独立的一个部件，靠上下定位卡槽固定，结晶器在本体上设计 台阶，铣出一个水槽，端头用密封条密封，台阶上面钻孔，将分水板集成到结晶器 本体上。与常规分水板相比，LHC结晶器分水板集成于本体，具有结构简单，性 能可靠的优点，如图5所示。图5传统结晶器与LHC铸造结晶器冷却系统Fig.5 Cooling system of DC mold and LHC moldLHC结晶器采用SplitJetTM增强冷却技术独立控制两级冷却喷水水流，允许优化 铸造开始和运行阶段的铸造条件，冷却水流如图6所示。此设计在稳定铸造状态 下不仅能有效消除铸锭的成层区，而且利用水流冲击中间喷泉效应”增加水流的 湍流效果，产生较高的冷却效率，且可使铸锭形成光滑的表面和良好的冶金质量。 图6 LHC铸造结晶器内的冷却水流Fig.6 Cooling water in LHC mold2.3.2顶盖与底盖LHC顶盖与底盖设有锁定台阶，从而增强结晶器的整体刚度与坚固性。顶盖稳固 夹紧与结晶器内壁紧贴的石墨内衬条。底盖内部设有密封气道，用于连接压缩空气 管路与自动对准汽缸及结晶器双水腔冷却水分水气阀，自动对准气缸底座、压缩空 气接头与冷却水进水接头也安装在结晶器底盖上。2.3.3石墨内衬LHC结晶器石墨内衬包含四片石墨条，四角斜接。石墨内衬在铸造时为结晶器内 壁提供非沾湿性铝熔体接触表面。石墨内衬为多孔结构，可存贮和自渗透铸造润滑 油，同时石墨本身也是良好的金属润滑载体，从而为铝合金铸锭表面提供双重润滑 作用。用于1xxx系铝合金扁锭铸造的LHC结晶器石墨内衬为上下对称设计，使 其在某一侧的铸造工作表面损坏后，可翻转安装继续使用，从而使石墨内衬的使用 寿命增加一倍。石墨内衬的加工精度要求很高，须与结晶器本体贴合均匀、紧密，否则会导致铸锭 产品表面周向不均匀，在铸造后期会出现拉裂等严重缺陷；另外，石墨内衬所允许 的工作温度控制要求高，当石墨温度超过一定值后，其冷却效果急剧下降导致铸锭 凝固的壳层强度变差，同时润滑效果急剧下降造成石墨表面粘铝，最终引起铸锭表 面开裂。2.3.4引锭头LHC引锭头采用平面-凹座设计，凹座上表面带有中心凸起，边缘平面设计有自排 水孔并安装排水塞，排水孔数量根据铸锭尺寸的变化而改变。通过排水塞将冷却水 从引锭头末端排出，避免铸锭尾部弹跳。LHC引锭头示意于图7。图 7 LHC 引锭头示意图 Fig.7 LHC starting head2.3.5冷却水控制阀（分水气阀/气动水阀）LHC结晶器的双水腔各有一圈喷水孔，且倾角不同，由冷却水控制阀（分水气阀/气 动水阀）控制单/双排冷却水的工作19。铸造开始时，分水气阀依靠压缩空气气动 锁闭，阻断两水腔的联通，LHC结晶器采用单水腔单排水孔喷水冷却铸锭；随着 铸造过程的进行，调节水阀气动控制，打开结晶器内部水阀，两水腔联通并同时供 水，实现双排水孔喷水冷却。结晶器内置气动水阀位于结晶器本体四个角部附近， 通常处于常闭状态。气阀组件包括一个容易更换的单体式不锈钢插装阀，阀门柱塞为可更换部件，易于 拆装。气动水阀中设有滑动式密封件和机械联动的磨损件，气动控制系统提供精确 与可重复性的阀门定位以及多阀门打开的同步操作。分水气阀示意于图8。2.3.6冷却水过滤装置过滤网由上下接头连接安装在结晶器内，贯穿双水腔，用于过滤掉影响冷却水纯度 及干扰水分布的杂质，保证冷却水质量。冷却水过滤网容易拆装，可定期拆下清理。 标准过滤装置如图9所示。2.3.7自动对准气缸LHC结晶器与引锭头的自动对准是LHC结晶器配备的标准功能，采用安装在结晶 器底盖上的八组气缸及其底座，自动对正结晶器与引锭头，并避免损坏结晶器内孔。 气缸底座固定在底盖下部，自动对准气缸被精确定位在气缸底座上，并用暗销锁定。 结晶器与引锭头对正后，各气缸活塞杆被调整到刚好接触引锭头的位置。自动对准 气缸如图10所示。图 8 气动水阀示意图 Fig.8 Compressed-air water valve图9冷却水过滤装置示意图Fig.9 Filter device for cooling water在结晶器与引锭头对正过程中，首先松开结晶器气动固定夹，通压缩空气启动对准 气缸，气缸活塞杆伸出，并接触到引锭头侧壁，随后结晶器移动，直到对准引锭头 为止。结晶器与引锭头对正后，气动固定夹重新压紧结晶器，对准气缸活塞杆自动 退回。结晶器与引锭头自动对准过程如图11所示。3发展前景展望高性能铝合金材料在国民经济各部门都有广泛的应用需求，尤其在国防工业和航空 航天领域的应用更多。高质量的铝合金产品需要以高质量的铝合金铸锭作为基础， 而高质量的铸锭需要更加先进的铸造技术和装备作支撑。国内现有技术与装备与国 外发达国家相比仍有一定差距。大力开发国内拥有自主知识产权的铝合金铸造技术、 研发先进的铸造装备、生产高性能和高附加值的铝合金产品，是我国铝合金加工行 业的艰巨任务。图 10 自动对准气缸示意图 Fig.10 Automatic alignment cylinder图11结晶器与引锭头自动对准过程示意图Fig.11 Automatic alignment process of mold and starting head目前国内在铝合金扁锭铸造技术方面仍有以下难题亟待攻克：对LHC铸造技术的 理解有待进一步深入；铝合金扁锭铸造工艺有待进一步优化，尽可能降低炉料中的 重熔铝锭比例，提高配料时电解铝液比例，达到节能和环保的双重效益；铝合金扁 锭产品种类较为单一，硬铝合金尤其是7xxx系铝合金铸锭的铸造稳定性有待进步提高等等。【相关文献】1 袁冰梅，沈海鸥.低液位铸造法生产大规格铝合金扁锭的关键技术J.轻合金加工技 术2010,38 (3) :25-28.2 唐剑,黄平，牟大强,段玉波.铝合金熔铸技术的现状及发展趋势J.铝加工,2001,24(4):5-9.3 王祝堂，田荣璋，等.铝合金及其加工手册M.长沙：中南大学出版社,2000.4 刘少宇.轧制用大规格铝合金扁锭熔炼铸造技术研究A .中国有色金属加工工业协会轻金属分会.2008年全国铝合金熔铸技术交流会论文集C.中国有色金属加工工业协会轻金属分会,2008:12.5 ESKIN D G,KATGERMAN L.Structure observations related to hot tearing of Al-Cu billets produced by direct-chill castingJ.Materials Science and Engineering A,2006, 420(1): 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