第三讲 铜及铜合金铸造技术

第三讲铜及铜合金熔炼与铸造技术

第5章铜及铜合金熔炼工艺5.1紫铜熔炼5.1.1普通纯铜熔炼

普通纯铜分为:一种是低氧铜其氧含量0.002%～0.004%或者更低，另一种是含氧铜其氧含量0.01%以上。

熔炼普通纯铜普遍选用工频有铁芯感应电炉。木炭是在熔炼普通纯铜最常用的覆盖材料，也可采用炭黑、焦炭和石墨粉。熔池表面上的大约150～200mm厚的木炭覆盖层，防氧化和保温作用。熔炼含氧铜时，可在已熔化的铜液中直接通入空气或者含氧气体，使熔体中氧的含量达到一定值时停止，然后在熔体表面上覆以某种还原剂，或者采用加入其他种脱氧剂（Cu-P,Cu-Ca），的方法将多余的氧除去，使氧含量降低到所希望的范围。5.1.2磷脱氧铜熔炼磷脱氧铜几乎可以在所有的感应炉中熔炼。若用竖式炉或电弧炉熔炼时磷应该是在保温炉或流槽、中间浇注包等中间装置中加人。磷的熔点和沸点都远低于熔炼温度，而且熔体中的磷又可能被脱氧反应所消耗，因此磷含量的控制是个比较突出的工艺问题。另外，还必须考虑到连续铸造期间的消耗，例如考虑在铸造过程进行中定期向熔体补加一定数量的磷，或者从浇注一开始就连续不断地在流槽或中间包中不断地添加磷。球状的小颗粒Cu-P中间合金，更适合于浇注过程中连续加磷的精确控制。5.1.3无氧铜熔炼无氧铜应分为普通无氧铜和高纯无氧铜。普通无氧铜可以在工频有铁芯感应电炉中熔炼，非常重要的高纯无氧铜的熔炼最好在真空感应电炉中进行。熔炼无氧铜以优质阴极铜作原料，熔炼高纯无氧铜以高纯阴极铜作原料。阴极铜在进入炉膛之前，需经过干燥和预热，除去其表面可能吸附的水分或潮湿空气。熔炼无氧铜的感应电炉应该具有良好的密封性。为了不使熔体受到污染，无氧铜一般不加任何添加剂，熔池表面覆盖木炭（还原性气氛），覆盖的木炭层厚度应该比熔炼普通纯铜时加倍，并需要及时更新木炭。不仅对熔炼过程，包括炉料的干燥预热、转注流槽（使其具有精炼铜液的功能）、浇注室等都需要采用全面的保护。另外，在熔炼炉和浇注炉底部设置透气砖，通过透气砖向炉内输送CO或N2气体的方式，从而达到进一步脱氧的目的。真空熔炼使无氧铜使氧含量大大降低，同时也可以使氢以及某些其他杂质元素的含量亦同时大大降低。表5-1无氧铜真空熔炼与大气熔炼的质量比较精炼无氧铜有许多不同的方法，例如:(1)在真空下向熔体中吹惰性气体的铜精炼工艺。将铜水包置于真空室中，然后通过铜水包底部的管子向熔体中吹惰性气体。

(2)铜液经过一个具有较长路径的流槽，流槽置于真空室中，所有被浇注的铜液都须经过真空精炼。表5-2加工紫铜的熔炼技术条件5.2.1普通黄铜熔炼使用旧料熔炼黄铜时，对易烧损元素应进行补偿，锌的补偿量按炉料计为:

高锌黄铜（Zn>20%）1.2%～2.0%

中锌黄铜(Zn=10～20%)0.4%～0.7%

低锌黄铜(Zn<4%)0.2%其他元素补偿量锡：0.05%、铝：0.1%～0.15%、锰：0.1%～0.3%、铍：0%～0.01%、砷：0%～0.01%、锑0%～0.01%。

熔炼黄铜的设备，大多采用硅砂炉衬的工频有芯感应电炉。普通黄铜熔炼的技术见下表5-3。5.2黄铜熔炼表5-3普通黄铜的熔炼技术条件除用木炭作覆盖剂外，生产中还采用各种由盐类组成的熔剂覆盖剂，组成为60%NaCI,30%Na2CO3,10%Na3AlF6（冰晶石）的混合熔剂，当使用量为炉料的0.5%左右时，熔炼过程中随着除渣而损失的金属数量可减少一半。另外一种比较理想的熔剂组成为硅酸盐(mNa2O.nSiO2)50%、硼砂30%和冰晶石20%，使用量仅为炉料的0.2%～0.4%。优良的熔剂应该同时具有保护熔体和成渣的作用。锌的蒸发能有利于熔体中各种气体的排出，因此“喷火”已成为所有高锌黄铜除气精炼的主要工艺手段。

低温加锌，几乎是所有黄铜熔炼过程中都必须遵循的一项基本原则。低温加锌不仅可以减少锌的烧损，同时也有利于熔炼作业的安全进行。在工频有铁芯感应电炉中熔炼黄铜时，一般不必另外添加脱氧剂。只有当熔体质量较差时，才按投料量0.001%～0.01%比例的磷进行辅助脱氧，磷可以增加熔体的流动性。加入少量的磷还可以在熔池表面形成由2ZnO.P2O5组成的较有弹性的氧化膜。表5-4

H80熔铸卡片（适用范围：有芯工频电炉）

5.3.1.1铝黄铜熔炼铝黄铜在熔炼过程中容易起“沫”，以及容易被铝或其他的金属氧化物夹杂所沾污。熔体表面上若存在铝的氧化物薄膜，可对熔体有一定保护作用，熔化时可不用加覆盖剂。理论上分析:在有Al2O3膜保护的熔池内加人锌时可以减少锌的挥发损失。由于锌的沸腾可能使氧化膜遭到破坏，因此加入合适的熔剂（如冰晶石）能避免或减少锌的烧损。5.3.1复杂黄铜熔炼铝黄铜熔体决不允许过热，以防熔体大量氧化和吸气。如果熔体中气体含量比较多，可以选择熔剂覆盖进行精炼，或者采用惰性气体精炼，包括在浇注前更新熔剂并进行重复精炼，以及采用钟罩将氯盐压入熔体中进行熔体精炼的方式。复杂铝黄铜中的铁、锰、硅等高熔点合金元素，应该以Cu-Fe,Cu-Mn等中间合金形式使用。采用纯金属作炉料时，应该在它们熔化之后先用磷进行脱氧，接着加入锰(Cu-Mn)、铁(Cu-Fe)，然后加铝，最后加锌。铜和铝的熔合可以放出大量的热，可加速熔化，但激烈的放热反应使熔池局部温度过高，锌激烈挥发可能会造成火焰喷出。应尽可能的采用较低的熔炼温度，通常以1000～1050℃为宜。5.4.1锡青铜熔炼锡青铜中最有害的杂质是铝、硅和镁，当它们的含量超过0.005%时，产生的SiO2,MgO和Al2O3氧化物夹杂可以污染熔体，并且降低合金某些方面的性能。5.4青铜熔炼图5-5锡青铜组元及某些杂质对铸造性能和组织结构的影响评价青铜中易损耗元素有磷、铍、锰、铝、钛、锌、锆、镉、铬、硅、镁等，这些元素在配料时，应取标准成分的上限;不易损耗元素有铜、镍、铁、锡、铅等，配料比可取标准成分的中限或下限。表5-6锡青铜的配料比表5-7锡青铜的熔炼技术条件熔炼含有磷的锡青铜多采用木炭，或石油焦等碳质材料覆盖熔体。当熔体被某些杂质污染时，可通过吹入空气或借助加入氧化剂例如氧化铜将其氧化清除。严重污染时，可以通过采用熔剂或惰性气体精炼。表5-8

QSn-4-3熔铸卡片（适用范围：中、工频电炉）5.4.2.1铝青铜熔炼从表5-9可以看出:从有利于改善铸造性能方面考虑，铁、砷、镁、锌和锡等都属于有不利影响的元素。表5-9铝青铜组元及某些杂质元素对铸造性能和组织结构的影响评价5.4.2铝青铜和硅青铜熔炼表5-10铝青铜的配料比表5-11铝青铜熔炼的技术条件按照合金元素的难熔程度顺序控制加料和熔化顺序:铁、锰、镍、铜、铝。由于铝和铜熔合时伴随着放热效应，可被利用于熔化预先留下部分铜，此预先被留下的部分铜俗称“冷却料”。由于锰能促进铁的溶解，先加入锰，再加铁。为避免熔体中产生NiO和NiO.Cu2O等夹杂物，应注意避免熔体的氧化，必要时亦可在铜熔化后先进行脱氧。表5-12精炼铝青铜用的某些溶剂组成及消耗量精炼铝青铜，亦可采用混合型熔剂，例如采用木炭与冰晶石比例为2:1的混合型熔剂。有些工厂采用易挥发的氯盐精炼铝青铜熔体，用石墨制钟罩将其压人到熔体中。挥发性氯盐例如AlCl3升华时，形成的氯气泡可以将熔体中悬浮着的氧化夹杂物带到熔体表面。精炼期间，如果能够静置5～10min，则更有利于提高精炼效果。在燃气炉中熔炼铝青铜时，常常在浇注开始之前对熔体进行吹氮气甚至氩气处理，以去除熔体在熔炼过程中所吸收的氢。氮吹入量视熔体质量而定，例如氮的吹入量为20L/100kg熔体。表5-13

QAl9-4熔铸卡片（适用范围：中、工频电炉）表5-14QAl9-4熔铸卡片（适用范围：中、工频电炉）5.4.2.2硅青铜的熔炼硅青铜的熔炼特性与铝青铜相似，硅具有自脱氧作用，其熔体的吸气性比较强。采用感应电炉熔炼时可以不用覆盖剂。熔池表面上的SiO2膜可以保护内部熔体免受进一步氧化。若采用木炭覆盖，则木炭必须是已经经过了干馏处理。硅青铜中的硅、锰和镍等合金元素，在中频无芯感应炉中都可以直接进行熔化。然而，如果预先将它们制成Cu-Si、Cu-Mn和Cu-Ni等中间合金，则可大大降低熔炼温度、减少吸气并缩短熔化时间。熔炼硅青铜所用的原料必须干燥。细碎的或者潮湿的炉料，一般不能直接投炉使用。5.5白铜熔炼白铜中易损耗元素有锰、锌、铝等，这些元素的配料比应取标准成分的上限。白铜中不易损耗元素有铜、镍、铁、铅等，这些元素的配料比应取标准成分的中限或下限。工厂中制定的白铜炉料和脱氧剂的配料比实例如表5-15。熔炼过程中，由于氧化而产生的NiO和Cu2O都属于碱性氧化物，若炉衬材料选用的是以SiO2为主要成分的石英砂材料，NiO和Cu2O都可以与SiO2发生化学反应，结果炉衬被侵蚀。镍的含量越高，熔体对炉衬耐火材料的侵蚀越严重。表5-15炉料和脱氧剂的配料比注：表中带斜线的数字，上面为新料配料比，下面为旧料补偿，无斜线的数字是新料配料比。表5-16白铜熔炼的主要技术条件为了获得氢和碳含量都比较低的熔体，必要时可以采用氧化-还原精炼工艺。例如:开始在木炭覆盖下进行熔炼，当熔体达到1250℃时迅速清除木炭并在无任何覆盖情况下，使熔体直接暴露在空气中3～5min，或者直接把氧化镍加在熔池表面上，然后在出炉前再进行脱氧。熔炼锌白铜时，可使用适量的冰晶石进行清渣。熔炼白铜容易吸氢，白铜中氢的含量随着含镍量的增加而增大。采用木炭作覆盖剂熔炼白铜时，熔炼温度不宜超过1350℃。熔炼镍含量较高的白铜时，当熔体与木炭的接触时间超过20min时，往往会使熔体中碳的含量超过标准限量。表5-17

B30熔铸卡片（适用范围：中、工频电炉）第6章

铸造技术

6.1铸造方法分类

按铸锭（Ingot）形状和铸锭相对铸模的位置及运动特征，可将铸锭生产方法分类如下：

第一类:古老而简单的生铁模和水冷模铸造；第二类：近代传统的静模铸锭中的半连续、连续和水平铸造；第三类：现代近终形连铸新技术，主要包括动模铸造、无模铸造及静模铸造中的立弯、上引、浸渍和带坯、线坯的水平连铸新技术、新方法、新设备。6.2加工铜合金铸锭的连续铸造工艺概述在结晶器（水冷结晶器）的一端连续浇入金属液，金属在结晶器型腔内连续向另一端移动和凝固成型，在结晶器另一端连续拉出铸件的铸造方法称为连续铸造法。当拉出铸件达到一定长度后，停止连续铸造过程，取走铸件后，再重新开始的连续铸造法称为半连续铸造法，亦属于连续铸造。半连续铸造和连续铸造过程，两者并无本质区别。差别仅在于前者浇铸的铸件长度一定（3～8m)，而后者原则上可浇铸任意长度。连续铸造法可分为立式连续铸造法和卧室（水平）连续铸造法及立式半连续铸造法。6.2.1半连续和连续铸造定义6.2.2铸锭的凝固结晶器是滑动铸模，铸锭与结晶器装置之间的热交换过程比较复杂。铸造过程中铸造金属所释放的总热量与结晶器包括二次冷却区所吸收的总热量基本平衡。铸锭凝固方向是径向方向和垂轴向方向两矢量之和。由于二次冷却的强度一般都大于一次冷却，因此凝固线成为一个倒锥状。铸锭浇口部呈倒锥形的液相区称为液穴。与一次冷却强度相比，二次冷却强度愈大，液穴愈浅。下面的公式定性地表示出了与液穴深度有关的若干因素:实际的液穴的形状与金属及合金导热及凝固收缩等物理性质，以及所用的结晶器结构和冷却方式有关。图6-1

HPb59-1φ195mm铸锭的液穴

图6-1是通过向铅黄铜HPb59-1φ195mm圆锭液穴中直接灌入熔融铅，然后将铸锭纵向剖开并用金相方法进行检查而得到的液穴形状照片。6.2.2.1冷却方式对液穴形状的影响图6-2

T2φ185mm铸锭的液穴

图6-2是铸造紫铜T2φ185mm圆锭时从铸锭浇口部切取的纵剖面的低倍照片，可以看到一轮廓清晰的“V”形液穴形状和结晶组织。6.2.2.2紫铜圆锭“V”形液穴形状图6-3黄铜φ180mm铸锭的液穴

图6-3所示的圆断面铸锭凝固过程是根据某种黄铜铸造过程中实测的数据绘出的，铸锭断面φ180mm，结晶器高度275mm，铸造速度12m/h。6.2.2.3黄铜圆锭的液穴分布特性图6-4纯铜和黄铜φ180mm铸锭的液穴形状

采用铜质结晶器分别铸造φ180mm纯铜和黄铜铸锭时，铸造速度和冷却强度基本相同，液穴形状有较大的差别。铸造纯铜时结晶器与铸锭之间因收缩而形成的并被空气充满的间隙非常小，凝壳形成以后一直不断加厚，液穴可能在离开结晶器下沿时便基本消失了，液穴较浅。铸造黄铜则不同，由于黄铜自身的散热性能差使得结晶器和凝壳之间形成了较大的空气间隙，凝壳增长速度减慢甚至使液穴延伸到了结晶器下缘100mm以外的位置。

6.2.2.4铸造合金导热与凝固收缩特性对液穴形状的影响分别以纯铜和黄铜H90作为结晶器冷却壁材料试验时，在其他工艺参数都基本相同情况下，同样铸造黄铜H62铸锭其液穴形状却有很大不同(图6-5)。图6-5

H62φ180mm铸锭的液穴形状6.2.2.5结晶器材质对铸锭液穴形状的影响较深的液穴可能在底部形成凝桥，不利于凝固收缩时熔体的补充，有可能造成缩孔或缩松缺陷。对结晶组织而言，液穴比较深时，铸锭最后结晶部分往往呈径向发展的趋势，不利于自下而上的轴向结晶。较深的液穴，过渡带也比较大，不利于排气。液穴较深时，如果铸锭离开结晶器后突然遭到强烈的二次冷却，铸锭内外温差急剧增大，易引起铸锭中心裂纹。浅、平的液穴形状是最希望得到的。表6-1和表6-2分别给出的是铸造铜和磷脱氧铜时液穴深度的探测数据。表6-1铸造紫铜时冷却强度及铸造速度对液穴形状和深度的影响表6-2铸造磷脱氧铜时冷却强度及铸造速度对液穴形状和深度的影响图6-6液穴深度与冷却强度之间的关系

图6-6为铸造纯铜160mmx620mm铸锭液穴深度与冷却强度之间的关系。6.2.2.6冷却强度对液穴深度的影响图6-7液穴深度与结晶器高度和铸造速度之间的关系图6-7为铸造纯铜160mm×620mm铸锭液穴深度与铸造速度和结晶器高度之间的关系。6.2.2.7结晶器高度和铸造速度对液穴深度的影响6.2.3.1树枝状结晶铜合金铸造结晶时，晶体通常是按照树枝状结构长大，由晶核发展长大的树枝状晶轴，一次结晶、二次结晶，…，分枝晶轴

6.2.3结晶及结晶组织越来越细小。生长速度最快的主轴决定了晶体的成长方式和晶体最终的形状。

一次轴、二次轴的化学成分不完全相同，二次轴、三次轴往往包含了较多的低熔点组元，轴间剩余的母液则包含有更多的低熔点组元或者低熔点杂质元素。图6-8枝状晶形成过程的示意图a-球形晶核；b-界面开始闻不到；c-初级枝晶的形成；d-次级和三级枝晶的形成图6-9H65黄铜的树枝状结晶体群（1）

铸锭典型组织典型的半连续铸造的铸锭结晶组织如图6-10所示。从表至里结晶组织明显地分成三个区带:表层细等轴晶带，中心区域的粗大等轴晶带和位于二者之间的柱状晶带。6.2.3.2结晶组织图6-10

T2扁锭的横向结晶组织在实际生产中，由于铸造条件不同，三个晶带不一定都同时存在，也有只出现一个或两个晶带的情况，如图6-11（d）及图6-11（e）。图6-11连续铸锭的结晶组织（2）影响铸锭组织的因素1）金属或合金的性质：化学成分、晶型、比热容、熔解热、导热性及结晶温度范围，一般合金的结晶温度范围越大，等轴晶越显著；比热容大、熔解热大，可使结晶速度减慢，不利于获得细晶粒。2）变质剂的影响。3）铸造条件的影响：连续铸造时，选用短结晶器，采用极限铸造速度、尽可能低的铸造温度、强烈水冷等，均有利于细化晶粒。4）杂质影响，金属品位越低，合金成分越复杂，组织越细。5）采用电磁搅拌、机械振动和超声波振动均可细化晶粒。（3）

斜生柱状晶柱状晶，顾名思义晶粒形状宛如柱状，图6-12为表层细等轴晶发展为柱状晶的示意图。斜生柱状晶，是一次冷却和二次冷却两个方向矢量之和造成的晶体倾斜方向生长的结果。随着远离浇口，液穴中液体对流强度的减弱，表层的激冷作用也逐渐减弱。图6-12由表层细等轴晶发展为柱状晶图6-13

QSn4-3扁铸锭纵向结晶组织

图6-13所示为直接水冷铸造的QSn4-3140mmx640mm铸锭浇口部的纵向结晶组织照片。该组织中柱状晶非常发达，甚至充满了整个铸锭断面。如果结晶前沿始终保持窄小的成分过冷和较大的温度梯度，晶粒以枝晶状单方向延伸生长，其中以主散热方向对应的一次晶轴优先长大。这个主散热方向显然是一次和二次冷却方向的矢量和，主散热方向决定了柱状晶斜生的角度。（4）粗大等轴晶铸锭中心区的粗大等轴晶基本是在远离一次冷却和二次冷却的情况下体积结晶的结果。中心部区域熔体的成分过冷和温度过冷都比较小，先期熔体对流时从结晶前沿冲刷下来的悬浮在液穴中的枝晶，以及从液面上产生的晶核长成的小晶粒的沉降，都成为后来的晶粒成长中心。由于此区已基本上不存在晶粒择向长大的冷却条件，各次晶轴发展已基本没有倾向性，结果都长成了等轴晶。等轴晶粒的大小只取决于结晶核心的多少，合金中含有高熔点溶质元素愈少，冷却速度愈缓慢，等轴晶粒长的愈大。图6-14结晶过程以及结晶与结晶温度范围的关系图的右侧是铸锭相区图，存在液相、固相区和两相区，铸锭的结晶过程在两相区完成的。图的左侧是与之对应的合金相图，同样存在三相区。在两相区范围内，固相的数量从液相线向固相线逐渐增加。随着固相数量的不断增加，彼此接连的固相形成了一个面，这个面与液相构成分界，与形成这一固定界面温度相应的等温面称为结晶前沿。结晶前沿与结晶结束面之间的区域称为过渡带，即图中的BD区间。6.2.4合金的结晶过程下面公式表述了估计过渡带尺寸B与有关因素的关系:B=(t1-t2)/G式中t1—合金液相线温度，℃;t2—合金固相线温度，℃;G—过渡带内平均温度梯度，℃/mm。过渡带的上部可称为液-固区，过渡带下部可称为固-液区。偏析往往容易在液-固区发生，而固-液区不仅对偏析、同时对热裂纹的产生和发展都是机会。整个过渡带的尺寸和形状决定着铸锭中心区域的偏析、疏松和热应力的特性和程度。过渡带大小与合金结晶温度范围、导热系数以及铸造过程中的冷却强度等许多因素有关。和液穴一样，铸造过程希望过渡带越小越好。结晶温度范围小的合金如某些黄铜、铝青铜等凝固时过渡带比较小，过渡带小时固相在两相区移动甚小，易长成柱状。而对一些结晶温度范围较大的合金如锡青铜，由于其过渡带大，起始形成的晶核或者尚未长大的晶体有充分的时间自由生长，而不是很快彼此相遇，因此易长成等轴晶。降低结晶器高度、加大冷却强度等都会在某种程度上减小过渡带。图6-15结晶线速度与铸造速度的关系6.2.5结晶速度

图6-15为结晶线速度与铸造速度关系的示意图。结晶前沿上任一点沿其法线方向移动的速度，称为该点的结晶线速度。结晶前沿各点在单位时间内沿各自的法线方向移动的平均距离，称为铸锭的平均结晶速度。半连续铸造过程中，结晶面上各点的结晶线速度是不相同的。圆铸锭的结晶线速度从铸锭边缘至0.37R处逐渐减小，从0.37R处至铸锭中心又逐渐增大。

结晶面上任一点i的结晶线速度为:

Ui=U铸sinφ式中—Ui铸锭的浇注速度;φ—铸锭垂直中轴线与i点处结晶前沿的切线之间的夹角可以看出，铸锭断面上任一点的结晶线速度都小于铸造速度。公式和图6-14表明了平均的结晶速度与铸造速度之间的关系:当液穴较深、φ角较小时，平均的结晶方向更趋于垂直于铸锭中轴线的方向;而φ角较大，液穴较平浅时，平均的结晶方向更趋于平行于铸锭中轴线的方向。平均结晶的方向实际上是晶粒长大的主方向。晶粒的长大是沿着各个方向同时进行，但晶粒长大是以主晶轴成长方向为主方向的。6.2.6偏析在铜合金中，锡磷青铜中的锡反偏析现象是非常典型的，严重时可能影响到铸锭质量和压力加工生产。反偏析与正偏析正好相反，铸锭表面或者铸锭表层的低熔点元素含量高于铸锭内部的低熔点元素含量。

图6-16

QSn6.5-0.1φ195mm铸锭中锡的分布

图6-16所示为直接水冷半连续铸造的QSn6.5-0.1φ195mm锭断面上锡的分析结果。铸锭中锡的平均含量W(Sn)为6.5%时，铸锭表面和表层中锡的最高含量已经达到了9.5%以上。图6-17QSn6.5-0.1φ195mm铸锭偏析组织铸锭规格:140mmX640mma-铸锭最表层;b-铸锭次表层;c-铸锭内部

图6-17为直接水冷半连续铸造QSn6.5-0.1φ195mm铸锭高倍组织照片。从高倍组织上看:内部组织以a固溶体为基，其间少有(a十δ)共析体。表层严重反偏析处则是(α+δ)的共析体占了主导，硬脆相δ的比例甚高。有关反偏析的形成机理有不同理论。有的认为在凝固过程中形成粗大的树枝状晶时，富低熔点的母液或半凝固体物相在以下条件下可能于枝晶间的毛细管道内移动:有枝晶发生了急剧收缩;结晶过程中析出的气体压力不断增高;液穴中液体金属静压力的作用。实际经验已经表明，只要最初形成的铸锭表层结晶组织致密，并且在随后的凝固过程中，不再被重新加热至枝晶间富锡母液的液相线温度，富锡物相就没有机会溢出，铸锭表面就不会发生严重的反偏析现象。铜合金连续铸造主要采用直接水冷式铸造，即铸锭除了受到结晶器内水室的间接冷却外，在结晶器的出口处直接受到二次冷却水的强烈冷却。通过结晶器水室中水对铸造金属的冷却称为一次冷却。直接水冷铸造时一次冷却所进行的热交换只占30%左右，其主要目的是形成铸锭凝壳，其余70%左右的热交换需要在二次冷却区完成。6.2.6连续铸造主要冷却方式图6-18直接水冷半连续铸造示意图图6-19水平连续铸造示意图6.2.7连续铸造的特点1）铸件整个长度上的各部位都在相同的冷却条件下凝固成型，故可获得在长度方向上性能一致的铸件；2）可连续稳定地浇入熔体，可采用较低的浇铸温度铸造，减少熔体过热，防止铸件的气孔和疏松等缺陷；3）冷却强度可控制，冷却速度快，始终保持顺序结晶；4）适用于多根铸造，即所谓的多流铸造；5）无冒口系统，切头切尾损失小，成品率高；6）较易实现生产自动化，劳动强度小，生产率高。6.3铜合金的立式半连续铸锭工艺6.3.1半连续铸造的原理半连续铸造,即立式半连续直接水冷铸锭，简称DC铸锭，其基本原理：将金属熔体均匀地导入通水冷却的结晶器中，熔体在结晶器内受到器壁和底座的冷却作用，迅速凝固结晶，形成一层较坚固的凝固壳。当凝固成铸件的部分脱落结晶器时，立即受到来自结晶器下沿处的二次冷却水的直接冷却，铸件的凝固层也随之连续地向中心区域推进，并完全凝固结晶，如图6-20所示。图6-20直接水冷半连续铸造示意图半连续铸造的工艺参数包括铸造速度、结晶器长度（包括金属液面高度）、冷却强度和铸造温度。（1）铸造速度1）金属和合金本性：有无热脆性，有则慢；有无低熔点相沿晶粒边界析出；过渡带大小；导热性高低；流动性好坏。2）熔体吸气的敏感度和结晶器的长短。3）冷却方式：直接强力水冷、间接水冷、拉“红锭”。如HPb59-1φ360mm铸锭拉“红锭”时，铸锭速度可达到6m/h;4）金属或合金有杂质含量。6.3.2工艺参数的选择在铸造温度、铸造速度、水压相同的情况下，增加结晶器的长度，使铸锭周边部分的过渡带扩大，液穴加深，冷却强度减弱，从而削弱了自下而上的方向结晶，如图6-21所示。长结晶器能减少中心裂纹，但易使铸锭产生中心疏松和某些合金铸锭产生纵向表面淬火裂纹。短结晶器使铸锭结晶器组织细小、致密、均匀，能有效防止反偏析；有利于排气、补缩、消除纵向表面淬火裂纹。（2）结晶器的长度图6-21结晶器长短与液穴深度和过渡带的关系（3）冷却强度冷却强度大，则铸锭晶粒细，力学性能高。（4）铸造温度铸造温度高，铜合金液易氧化，合金元素烧损大，铸锭易出现渗漏、气孔、裂纹、晶粒粗大等缺陷。铸造温度过低，铜合金液流动性差，易使铸锭中产生夹渣、冷隔、疏松等缺陷。确定铸造温度的依据：1）金属合金本性，如结晶温度范围小、热脆性大着，宜采用低温铸造。2）保证有足够的流动性，特别是对易产生疏松和夹渣的合金，应适当提高铸造温度。3）铸造速度快，则铸造温度可适当的低一些。

6.3.3工频有芯感应半连续铸锭工艺表6-3工频有芯感应电炉半连续铸锭工艺6.3.4中频感应电炉半连续铸造工艺表6-4中频感应电炉半连续铸造工艺6.4半连续铸造机（1）钢丝绳式半连续铸造机图6-22钢丝绳式半连续铸造机之一图6-23钢丝绳式半连续铸造机之二（2）丝杆式半连续铸造机（3）油压式半连续铸造机图6-24丝杆式半连续铸造机图6-25油压式半连续铸造机6.5立式半连续铸锭用的结晶器

6.5.1结晶器的基本要求1）良好的导热性，结晶器材质以铜或铜合金和石墨为佳。表6-5结晶器内壁材料及导热系数2）为了减少结晶器内壁的磨损，结晶器内壁有较高的粗糙度及耐磨性。铜质结晶器内壁的粗糙度一般为Ra1.6μm,并镀以0.05～0.12mm的铬层，以提高耐磨性，也有采用石墨作内套的。3）为避免结晶器变形，要求结晶器壁要有足够的厚度，铜质结晶器内壁一般为5～25mm。6.5.2半连续铸造结晶器设计结晶器设计主要包括两个部分，即结晶器热交换能力计算和结晶器结构设计。冷却及凝固过程中所放出的大部分热量，都需要通过结晶器及其附属装置传递给冷却水。通常设计大都采用大于理论计算所需要的冷却水量。这是因为除了热交换过程以外，同时还必须考虑到铸造金属之冷却、凝固、结晶速度等方面因素与铸锭质量之间的许多复杂的关系，包括水不可能完全都得到充分利用等因素，因此冷却水在结晶器水室中的分配以及二次冷却水的水孔形状和喷射角度等方面的结构设计，常常都是根据理论计算与实际需要相结合进行确定。

6.5.2.1结晶器的类别

圆锭结晶器扁锭结晶器实心锭结晶器的结构不仅决定了铸锭的形状与尺寸，还影响铸锭组织、表面质量及裂纹等，图6-26所示为铜合金半连续铸锭使用的结晶器的几种构造型式。按形状空心锭图6-26几种铜合金立式半连续铸造用结晶器构造圆锭结晶器一般采用装配式结构，其如图6-27所示。它由外壳、内套和盖板三部分组成:外壳用铸铁制成，内壁带有双纹螺旋筋，以提高结晶器的刚度，同时作为冷却水的导向槽，使结品器内水冷均匀;内套多用导热性良好的紫铜加工而成，壁厚一般为10mm左右，靠上部一段加工成逐渐变厚的缓冷带，用于加强内套刚度和减缓对结晶器内金属熔体的冷却作用，内表面镀0.1mm厚的铬层或镶嵌上一层石墨。结晶器的喷水孔开在外壳底部内缘上，与结晶器垂线呈20°～30°。图6-27立式半连续铸造圆锭结晶器（1）圆锭结晶器表6-6圆锭结晶的类别、特点及用途某公司结晶器设计实例（1）此结晶器设计的缺点1)进水口只有一个，各处的水压大小不一，因而进入一次冷却水腔的水量也不同，造成一次冷却强度不一，冷却不均匀。2)由于从入水孔进入的水量大小不一，而本身结构没有对冷却水进行导流，加剧了冷却不匀的现象。3)二次冷却水角度固定，当熔炼的工艺技术条件改变或由于天气等原因需要改变二次冷却强度的时候，无法对喷射角度进行改变调整，如此只能更换新的结晶器，降低了生产效率、增加了生产成本。图6-28某公司未改进前结晶器设计结构示意图结晶器设计不当所引起的问题1）拉漏2）表面横向裂纹：石墨套内表面粗糙或粘有金属，润滑不良或铸锭产生了悬挂。3）内部裂纹：由于其结晶器冷却结构设计的不当，一次冷却、二次冷却都是不均匀的。金属冷却收缩不一致产生了内应力，当应力超过材料的强度极限，产生如图6-30所示的裂纹。图6-30紫铜铸锭内部裂纹缺陷(SEM)图6-29紫铜铸锭边部横向裂纹（SEM）图6-31结晶器结构改进图经过改进后的结晶器，两个入水口将使进入外水套的水源变的均匀，且各处水压相差不大；一次冷却水在导流槽的引导下，在结晶器外套和内壁之间的水套中做涡流状流动，均匀了冷却强度，减少了拉漏现象的发生；而法兰和内套的改进则灵活改变二次冷水的角度，从而改变了二次冷却的强度，使之更适用于各种变化情况，并且可有效降低热应力。扁锭结晶器通常是整体式的，即结晶器的外壳和内套为一个整体，这种结晶器的冷却水路是由模体内纵横相连的钻孔构成的。一般情况下，出水孔槽开在模体下面的托板上。结晶器的工作表面同样要求粗糙度不大于Ra0.8μm表面镀铬。为了加强模体刚度和扩大散热面积，可将外部表面刨成槽形。

图6-32和图6-33所示为铸造青铜、白铜使用的扁结晶器的构造和主要尺寸。（2）扁锭结晶器图6-32青铜、白铜用142mm×625mm扁结晶器图6-33青铜、白铜用142mm×625mm扁结晶器腔体的主要尺寸6.6铜合金立式连续铸锭工艺6.6.1铸锭工艺及操作要点铜合金的立式连续铸锭加工工艺与DC（半连续铸锭）工艺相同。（1）熔体的转注及流量的控制熔体由熔炼炉或保温炉放出，到流入结晶器的这段过程称为转注过程。铜合金铸造温度高，易氧化，熔体不能敞开转注，而应该在密封或有保护的条件下迅速进入结晶器。敞开式和密闭式半连续铸造过程分别如图6-34和6-35所示。表6-6铜合金立式半连续铸锭工艺图6-34铜合金敞开式半连续铸锭过程图6-35铜合金封闭式半连续铸锭过程6.6.2立式连续铸造机图6-36立式连铸无氧铜设备示意图图6-37黄铜圆锭立式连铸设备示意图6.7熔体的保护和润滑大多数铜合金熔体表面没有氧化膜保护，特别是高锌黄铜，其转注和浇注过程需要保护。a.气体保护剂：气体保护剂在熔体表面形成还原性或中性气氛，防止熔体与空气接触而被氧化。铸造一般黄铜可用工业煤气，而铸造无氧铜、紫铜和某些复杂黄铜，最好是用氮气或木炭生产炉煤气。b.固体保护剂：主要是炭黑（亦称烟灰）和石墨粉，其覆盖在熔体表面上，兼有保温、防止氧化和避免吸气等作用。c.液体（溶剂）保护剂：铝黄铜使用84%NaCl+8%KCl+8%Na3AlF6，铝青铜使用Na3AlF6+Na3B2O7及硼砂等。d.润滑剂：铜及铜合金连续铸锭生产中常采用炭黑和石墨粉作润滑剂。图6-38熔体保护与铸锭润滑6.8QAl10-4-4铝青铜半连续铸造覆盖剂车皮前车皮后某公司采用半连续铸造工艺生产QAl-10-4-4铝青铜铸锭，由于在结晶器中使用的覆盖剂不当，铸锭表层经常存在较多的夹渣、夹灰，且夹入较深。如图6-39所示，铸锭在车掉较厚的表层后还存在夹渣，因此不仅成材率较低，而且严重降低挤压管、棒制品质量。图6-39QAl-10-4-4铝青铜铸锭车前和车后表层的Al2O3夹渣6.8.1QAl-10-4-4铝青铜铸锭Al2O3夹渣产生原因（1）熔炼覆盖不当该公司熔炼铝青铜过程中未加覆盖剂，仅在炉前化验后加入木炭作为浇注前及浇注过程中炉膛的覆盖，因此可考虑在加料之前在炉底加入适量覆盖剂。（2）铸造覆盖不良或未加覆盖剂。

当结晶器中熔体表面形成的Al2O3薄膜均匀且完整时，能阻止熔体接触空气氧化。随着熔体的运动和结晶器的震动，Al2O3薄膜不断更新且难以保持完整。部分裂开的Al2O3薄膜在结晶器边沿冷却并结成块，和残留在熔炼炉中并流入结晶器的块状Al2O3以及石墨浇管氧化脱落的粉末一起，运动到熔体表面的边缘聚集，如图6-40（a）所示，并被不断运动的熔体压入结晶器内侧，从而形成夹渣，如图6-40（b）所示。块状Al2O3熔体表面运动的熔体结晶器浇管Al2O3夹渣图6-40结晶器中铸锭表层夹渣的形成6.8.2QAl-10-4-4未加覆盖剂时夹渣产生机理（a）（b）6.8.3冰晶石覆盖保护作用

和木炭灰相比，用冰晶石作为铸造过程的覆盖剂，其不仅可以防止熔体与空气的接触，而且熔融的冰晶石能溶解氧化铝，将已形成的块状Al2O3熔化，阻止其流入结晶器内表面。因此，使用冰晶石作为覆盖剂更能减少Al2O3夹渣，但是当加入较多的冰晶石时，其中未和熔体直接接触的部分容易成为杂质被卷入结晶器与铸锭的间隙，造成夹渣，影响铸锭表层质量。

图6-41铸锭表层Al2O3夹杂（从左至右：未加覆盖剂、中间连接段、加较多的冰晶石）

图6-42铸锭车前和车后表层都没有明显的Al2O3夹渣

均匀地加少量冰晶石作为覆盖剂，铸锭的表面质量非常好，未见有明显的夹渣，经车皮后，其内部质量很好，如图6-42所示。车皮前车皮后未加冰晶石和加较多的冰晶石铸锭表面均会产生较多的夹渣，如图6-41。6.8.4冰晶石覆盖剂正确加入量和方法

冰晶石的加入量及加入方法说明：在结晶器熔体表面均匀地撒入0.5-1mm厚的冰晶石粉末（无需添加其它物质），粉末只要能覆盖即可，切不可堆砌。浇注过程中如果发现有成块的夹渣出现，立即在相应部位添加少量冰晶石。若在结晶器的内边缘有大块的夹渣出现，立即用工具将之扒出，避免其夹入铸锭表层。6.9铜合金水平连铸

金属熔体在与地面平行安装的铸锭机上连续从结晶器中被拉出的铸造工艺。图6-43水平连续铸造示意图水平连铸与立式连铸相比，其特点：1）设备简单，投资少，上马快，占地面积小，不需要高大的厂房与深井。2）铸造系统密封性好，液流平稳无冲击，基本消除了金属液的二次氧化生渣和气体混入，直接水冷，表面偏析少；3）易将熔炼、铸造、轧制、热处理等工序组成连铸连轧生产线，能实现自动化生产，生产效率高；4）工艺流程短，节能、生产效率高；水平连续铸造存在的问题：1）结晶器使用寿命短，结晶器内套材料(石墨)耗量大;2）润滑不良时表面质量差;3）由于受重力收缩的影响，铜合金铸锭上表面会下陷，下表面则与结晶器壁紧密接触，铸锭断面温度不均。组织不太均匀，锭坯横断面的结晶组织上下不一致，下部晶粒较细，上部晶粒较粗;4）铸造速度不平稳时易泄漏，工艺不当易出现横向裂纹等缺陷。水平连续铸造的全过程是；将保温炉中的金属熔体通水液流控制装置直接导入通入冷却的结晶器中，凝固成具有一定强度的凝壳后，借助引锭杆和牵引辊将已凝固的铸锭连续地拉出结晶器，当达到所需要的长度时，被同步自动锯据断。6.9.1水平连续铸造原理图6-44水平连铸液穴形态和散热方向

6.9.2水平连续铸造设备铜合金水平连续铸造设备主要由熔炼炉、保温炉、结晶器、引锭机和同步自动锯等组成。熔炼炉一般采用有铁芯式和无铁芯式感应电炉。结晶器通常由外壳、铜套和石墨套组装而成。图6-45水平连续铸锭用结晶器铜合金水平连续铸造平面布置图图6-46水平连续铸造平面布置图目前，铜及铜合金水平连续铸造，是金属在工频有芯感应熔炼炉熔炼好以后，然后采用倾倒方式将铜水倒入保温炉，精炼和静置后开始铸造。图6-47和图6-48是某公司原水平连铸黄铜实心锭和空心锭设备装置实物图。这种传统工艺存在一下缺点：①保温炉顶是敞开的，显著增加熔体降温速度，造成大量能耗；②敞露熔体中的合金元素（如锌）更易烧损；③在铜水倾倒过程中，铜水对保温炉内的炉衬材料冲刷严重，降低保温炉的寿命，非金属夹杂物及气体含量增加。6.9.3水平连续铸造阶梯式潜流炉图6-47某公司水平连铸黄铜实心锭设备实物图熔炼炉保温炉水冷结晶器图6-48某公司水平连铸黄铜空心锭设备实物图锯切设备引锭机为了降低熔炼与铸造中能量的损耗、元素的氧化、烧损以及铸锭夹渣和气孔缺陷。可以采用潜流转炉或连体炉技术，将原来的熔炼炉铜液通过流槽转注到密封的保温炉，或将铸造炉更新为连体炉，通过导管实现潜流转炉。该公司是在原有设备上进行改装，保留原来的阶梯摆放方式，两炉通过潜流口装置连接而成，保温炉则改装成顶部密封的结构。其结构示意图如图6-49所示。图6-49阶梯式潜流炉结构示意图潜流口的控制是该项技术的关键。采用的是一种无机械阀门控流技术。在高温液体潜流至转炉导管中，利用金属凝固堵塞通道和金属熔化开启通道的原理，在导流管外设置一个可以迅速制冷和急速升温的装置，从而取代机械阀门，实现熔体由熔炼炉向保温炉的传送和闭合。导管材料选用一种耐高温且具有优良导热性能的钼合金。图6-50水平连铸圆铸锭结晶器的主要尺寸6.9.4水平连铸结晶器表6-7水平连续圆铸锭结晶器的主要结构尺寸水平连铸空心锭结晶器结构型式图6-51φ68/28mm空心铸锭结晶器石墨内套的尺寸6.9.5水平连续铸锭工艺水平连续铸锭的操作程序是：结晶器时送一次冷却水放流送润滑油开始引锭送二次冷却水当铸锭快出开始炉体振/停、拉铸造当铸锭速度调至正常时锯切工艺参数选择1）炉口温度炉口（液体金属流入结晶器的孔道)部位是整个炉膛升温最慢而且保温条件与其他部位相比最差，为了保证铸锭能顺利拉出，必须使炉口的液体金属和石墨座都要达到铸造要求的温度，甚至可以高于铸造温度；2）振动和停位链条振动对改善水平连铸小规格铸锭(特别是线坯）的表面质量是一个行之有效的方法，因为这种振动方向不是往返而是单向的。振动的效果取决于振幅和频率，不同的合金应采用不同的振幅和频率。振动有两种方式一种是炉子振动;另一种是链条振动。

≥HSn70-1、HAl77-2、QSi3-1、QZn15-20等合金的氧化物和金属渗出物极易黏附在结晶器壁上，必须采用间断拉锭的方法。停、拉时间的长短应与拉速和节距密切配合，例如上述合金的铸锭，一般采用T拉<T停，否则易裂;对于不易拉裂的合金如H62、QSn6.5-0.1等的铸锭，则可用T拉≥T停。近年来又增加了一个反推的动作，称为拉、停、反推的过程，表6-8、表6-9和表6-10列出部分铜合金水平连铸在炉子振动、停拉工艺和拉-停-反推下的工艺。

3)拉速一般说来，拉速快，铸锭表面光洁;拉速慢，则表面粗糙，甚至出现裂纹、皱折和结疤。

4)结晶器的长短一般说来，短结晶器比长结晶器好。

5)冷却强度一次水压的大小，直接影响水平式连铸的结晶取件和铸锭冷却强度。通常将一次水开到50～200kPa，二次水视出口处的铸锭情况而定；为使结晶器上、下部冷却强度趋于均匀，可将结晶器的石墨套加工成如图6-52所示的形状；6)的润滑在铸造时要根据材料的性能加入适量的润滑油。图6-52下部供流的结晶器石墨套表6-8水平连铸（炉子振动棒坯、管坯生产工艺）表6-9水平连铸（停、拉）棒坯、管坯生产工艺）合金牌号铸锭规格牵引速度

(Hz)铸造温度(℃)

（熔炼炉）铸造温度(℃)

（保温炉）保温电压(V)

（保温炉）结晶器冷却水压(Mpa)熔炼炉仪器测温频度保温炉仪器测温频度H90Φ1805～61180～12201080～11502100.08～0.111次/炉1次/炉H85Φ1805～61180～12201080～11502100.08～0.111次/炉1次/炉H80Φ1805～61160～12001060～11302100.08～0.111次/炉1次/炉H70Φ1805～6喷火或

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

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

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

1060～11001010～10501500.14～0.20―――1次/周Φ12310～14注：铸造控制器程序根据具体设定,参考设定为：“进程1.30S、停止1.01S、返程0.40S、停止1.01S”表6-11某公司水平连铸普通黄铜（拉-停-反推）棒坯、管坯生产工艺）6.9.6水平连铸铸锭组织图6-53水平连铸H80锭坯宏观组织a-空心锭；b-实心锭（a）（b）图6-54水平连铸H65锭坯宏观组织a-空心锭；b-实心锭（a）（b）图6-55水平连铸HAl77-2锭坯宏观组织a-空心锭；b-实心锭（a）（b）第7章振动铸造与间歇铸造7.1.1结晶器垂直振动

A机械振动方式结晶器垂直振动方式已经得到了比较广泛的应用，通常按往复式移动机械原理进行设计，铸造过程中，结晶器沿铸锭滑动方向以一定的振幅和频率往复运动。简单的结晶器往复振动装置原理如图7-1所示。7.1振动铸造图7-1结晶器振动装置原理示意图