有色金属熔炼与铸锭课件

有色金属熔炼与铸锭1.1熔炼与铸造在金属制品生产过程中的作用绪论矿石分选矿石——金属材料——零件的过程1.2熔炼的基本概念、目的和任务

熔炼：将金属材料在熔炼炉中熔化，通过添加元素调质、并通过添加精炼剂，静置、过滤等手段除去金属熔体中的“杂质”的过程。熔炼的目的和任务：（1）获得化学成分均匀的金属。（2）配制所需要的各种合金。（3）精炼消除金属中的各种“杂质”。（4）回收各种金属废料。1.3铸造的基本概念、目的和任务

铸造：熔炼完成的金属熔体在一定条件下凝固，获得一定形状和尺寸铸锭的过程。铸造的目的和任务：（1）铸造成一定形状和尺寸的铸锭。（2）制备成分、组织合格，无明显缺陷的铸锭。熔化熔炼铸造轧制变形挤压变形1.3铸造的基本概念、目的和任务

焊接挤压型材拼装组装1.3铸造的基本概念、目的和任务

苹果手机后壳为7000系铝合金6000系列铝合金1.3铸造的基本概念、目的和任务

工程材料指具有一定性能，在特定条件下，能够承担某种功能，被用来制取零件和元件的材料。工程材料的分类：⑴按使用功能分类

•结构材料（structuralmaterial）实现运动、传递运动，承担力、负荷为主（机械工程等）。

•功能材料（functionalmaterial）理化功能为主，力性为辅（导电材料、磁盘、光纤、散热器等）。1.5工程材料及分类1.5工程材料分类按成分分类----三大类或四大类材料1.6金属材料的分类通常金属材料分为黑色金属和有色金属两大类。黑色金属：以铁、锰、铬或以它们为主而形成的具有金属特性的物质，称为黑色金属。如碳素钢、合金钢、铸铁等。有色金属：除黑色金属以外的其它金属材料，称为有色金属，如铜、铝、镁以及它们的合金等。

1.7有色金属及合金材料有色金属（基本概念）：狭义的有色金属又称非铁金属，是铁、锰、铬以外的所有金属的统称。广义的有色金属还包括有色合金。有色合金是以一种有色金属为基体（通常大于50%），加入一种或几种其他元素而构成的合金。分类：有色金属可分为重金属(如铜、铅、锌)、轻金属(如铝、镁)、贵金属(如金、银、铂)及稀有金属(如钨、钼、锗、锂、镧、铀)。（1）轻金属：密度小于4500千克/立方米（0.53～4.5g/cm3），如铝、镁、钾、钠、钙、锶、钡等。（2）重金属：密度大于4500千克/立方米（4.5g/cm3），如铜、镍、钴、铅、锌、锡、锑、铋、镉、汞等。（3）贵金属：价格比一般常用金属昂贵，地壳丰度低，提纯困难，化学性质稳定，如金、银及铂族金属。（4）稀有金属：包括稀有轻金属，如锂、铷、铯等；稀有难熔金属，如钛、锆、钼、钨等；（5）稀有分散金属：如镓、铟、锗等；（6）稀土金属：如钪、钇、镧系金属；（7）放射性金属：如镭、钫、钋及阿系元素中的铀、钍等有色合金的强度和硬度一般比纯金属高，电阻比纯金属大、电阻温度系数小，具有良好的综合机械性能。常用的有色合金有铝合金、铜合金、镁合金、镍合金、锡合金、钽合金、钛合金、锌合金、钼合金、锆合金等。1.8有色金属及合金分类1.9有色合金的发展与应用

在历史上，生产工具所用的材料不断改进，它与人类社会发展的关系十分密切。因此历史学家曾用器物的材质来标志历史时期，如石器时代、青铜器时代、铁器时代等。到17世纪末被人类明确认识和应用的有色金属共8种。中华民族在这些有色金属的发现和生产方面有过重大的贡献。进入18世纪后，科学技术的迅速发展，促进了许多新的有色金属元素的发现。上述的64种有色金属除在17世纪前已被认识应用的8种外，在18世纪共发现13种。19世纪发现39种，进入20世纪,又发现4种。目前为止有色金属有64种。有色金属是国民经济发展的基础材料，航空、航天、汽车、机械制造、电力、通讯、建筑、家电等绝大部分行业都以有色金属材料为生产基础。随着现代化工、农业和科学技术的突飞猛进，有色金属在人类发展中的地位愈来愈重要。它不仅是世界上重要的战略物资，重要的生产资料，而且也是人类生活中不可缺少的消费资料的重要材料。1.10典型的有色金属及合金铝及铝合金铜及铜合金钛及钛合金镁及镁合金钛及钛合金工业纯钛钛及钛合金钛合金钛及钛合金镁及镁合金对化学成分的要求合金：是两种或两种以上的金属或金属元素与非金属元素熔合在一起所得到的具有金属特性的物质。组成合金的各元素称组元。它们交互作用形成多种相，即合金中具有同一化学成份、同一结构和原子聚集状态的均匀部分。不同相之间有明显的界线分开。相的结构可分为固溶体和化合物两大类。固溶体：是指溶质原子溶入溶剂晶格中而仍保持溶剂晶格类型的一种金属晶体。大多数溶质原子在溶剂晶格中溶解度是有一定限度的，过量会形成新相。金属化合物（中间相）：是合金元素间发生相互作用而生成的一种新相（溶质含量越过溶解度），当合金中出现金属化合物时，通常能提高合金的强度、硬度和耐磨性，但会降低塑性。晶体:物质内部结构中的质点（原子、离子或分子）按一定规则次序排列的固体叫晶体。特点：规则的外形，固定的熔点，各向异性。实际晶体由于结晶及其它加条件的影响，使得所得到的晶体在内部结构上产生很多缺陷，称真实晶体。2.1.2相关的基本概念烧损：熔炼过程中，熔体由于氧化而变成某些不能回收的金属化合物时，这种损失统称为烧损，其大小与炉型、炉料状态、生产工艺等有关。表面张力：作用在液体表面，并力图使表面自动收缩的力。与本身性质(对液态金属主要是成份和温度)、接触相的性质有关。是液态金属的重要物理特性之一。影响润湿、毛细、内吸附等现象的发生。润湿：液体在固体或液体表面铺展的性质。如接触面有扩大的趋势称润湿。如液体成球形，在固体或液体表面不能铺开，接触面有收缩趋势称不润湿。润湿角小于90度表示能润湿。相：合金中具有同一化学成份、同一聚集状态并以界面互相分开的各个均匀的组成部分。合金中所有的相可分为固溶体和金属化合物两大类。组元：组成合金的元素（或稳定化合物）称为组元。结晶：物质由液体状态转变为晶体状态物过程叫结晶。过冷：液体冷却到平衡结晶温度以下某一温度才开始有效结晶的现象叫过冷。而该温度（实际结晶温度）与平衡结晶温度之差称为过冷度。其大小影响结晶后晶粒的大小。（决定晶核生成数目和晶核长大速度，当过冷度很大时，生核数目很大，晶核生长不充分，得到了细小致密的晶体。）自发成核：只依靠液态金属本身在一定过冷度条件下形成晶核。非自发成核:依附于固态质点表面而形成晶核的过程（在晶体结构上与结晶金属相近的杂质，称活性杂质如铝合金中的TiAL3;称活化了的某些难溶杂质；结晶金属本身被离散的树枝晶尖端或未溶的晶格残余物，称固有晶核；在实际生产中故意制造人工晶核以细化组织为变质处理。2.1.3铝合金中主要合金元素、微量元素及杂质熔体成分控制、熔体质量控制熔炼设备、净化设备2.3.1备料炉料一般包括：一、新金属：电解Cu、电解Al等。品位↑，价格↑，成本↑。二、废料：①本厂废料—几何废料、工艺废料；②厂外废料：化学废料。三、中间合金使用目的：在于加入某些熔点高、难溶解、易氧化、易挥发的元素，以便准确控制成份，避免熔体过热，缩短熔炼时间，减少熔损。如：Al合金LF21—Mn的T熔=1246℃,Al的T熔=660℃,Al－(7～12%)Mn中间合金的T熔=780～800℃四、金属添加剂一般含合金成份高达70%～90%，回收率达90%，而中间合金仅10～20%。组成：添加元素的金属粉末：60%～90%（40～100目）；铝粉：2%～10%（80～100目）；熔剂：盐类。如Mn添加剂：75.8%的40目Mn粉；5%的80目Al粉；19.2%的钾冰晶石粉；混合压制成直径90mm厚25mm的圆饼。2.2熔体的成分控制

1、合金炉料的组成（1）新金属:购买的各种新原料，纯金属铸锭，电解厂直接纯铝液等。（2）废料：挤压、拉拔、轧制过程中产生的废料及机加废料不合格产品等。（3）中间合金：含有难容元素的合金铸锭（Al-Zr中间合金）。在于加入某些熔点高、难溶解、易氧化、易挥发的元素，以使准确控制成份，避免熔体过热，缩短熔炼时间，减少烧损。（4）金属添加剂和化工原料：含有难容元素的化学添加剂和除气剂精炼剂等。2、合金成分控制及配料计算（1）配料及计算：根据生产合金的目标成分及总重计算需添加原料的重量。（2）成分调整：根据炉前成分分析结果，对炉内的成分进行调整。3、炉料的加入方法和加入顺序通过加入顺序的控制，尽量提高各种原料的利用率和收得率。4、熔体成分的表征方法（1）直读光谱分析：工厂用的最广泛的分析设备，对固体试样进行成分分析。（2）icp-aes分析仪(atomicemissionspectrometer)

（3）化学分析纯镁锭纯铝锭电解铜板海绵钛中间合金中间合金Al-Si中间合金Al-Si中间合金Al-Ti-B添加剂除气剂压余锯切、车削铝屑废锭，锭头锭尾废锭，锭头锭尾成品的锯切头尾配料计算

配料计算有计算杂质和不计算杂质两种方法。当炉料全部是新金属和中间合金，或仅有少量一级废料，或单个杂质限量要求不严格，或杂质总限量较高时，可不计算杂质，如铜合金。重要用途或杂质控制比较严格的合金，或使用炉料级别低、杂质较多的废料，特别是杂质含量多寡对铸造工艺性能影响较大的合金，要计算杂质，如铝合金。第三步：计算各种成分总的装炉量或最大限量。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杂质限量Fe:9000×0.45%=40.5kgSi:9000×0.25%=22.5kg第四步：确定7A04合金一级废料中各成分的含量。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杂质Fe:3000×0.4%=12kgSi:3000×0.2%=6kg第五步：复化料用量及各种成分含量计算复化料总的用量：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杂质Fe:2700×0.4%=10.8kgSi:2700×0.2%=5.4kg第六步：各种中间合金及纯金属用量计算。Al-Cu中间合金：（144-32.4-46.5）÷40%=162.75kgAl-Mn中间合金：（31.5-8.1-9）÷10%=144kgAl-Cr中间合金：（14.4-2.7-4.5）÷4%=180kgMg锭：193.5-45.9-60=87.6kgZn锭：540-135-174=231kg熔炼炉的准备熔炼工艺流程小结：熔炼的目的熔炼的特点（温度低、时间长，成分偏析，氧化，吸气，组织粗大）冶金质量（控气、控杂、控碱金属）合金元素在铝合金中的作用成分控制（配料、成分调整）熔炼炉的准备（烘炉、洗炉、清炉）温度控制熔体与炉内气体的反应3.2.4熔炼温度控制

熔炼过程必须有足够高的温度以保证金属及合金元素充分熔化及溶解。加热温度过高，熔化速度增快，同时也会使金属与炉气、炉衬等相互有害作用的时间缩短。实践表明，快速加热以加速炉料的熔化，缩短融化时间，对提高生产效率和产品质量都是有利的。

但是另一方面，过高的温度容易发生过热现象，特别是在使用火焰反射炉加热时，火焰直接接触炉料，以强热加于熔融或半熔融状态的金属，容易引起气体侵入熔体。同时，温度越高，金属与炉气、炉衬等之间的互相作用的反应也进行得越快，因此会造成金属的损失及熔体质量的下降。过热不仅容易大量吸收气体，而且易使凝固后的铸锭的晶粒组织粗大，增加铸锭裂纹的倾向性，影响合金性能。因此，在熔炼时，应控制好熔炼温度，严防熔体过热。下图为熔体过热温度与晶粒度、裂纹倾向之间的关系。但是过低的熔炼温度在生产中是没有意义的。因此，生产中既要防止熔体过热，又要加速融化，缩短熔炼时间。熔炼温度的控制极为重要。目前，大多数工厂都是采用快速加料后高温快速溶化，使处于半固态、半液态状态时的金属较短时间暴露于强烈的炉气和火焰之下，降低金属的氧化、烧损和减少熔体的吸气。当炉料化平后出现一层液态金属时，为了较少熔体的局部过热，适当地降低熔炼温度，并在熔炼过程中加强搅拌以利于熔体的热传导。特别要控制好炉料即将全部熔化完的熔炼温度。因金属或合金有熔化潜热，当炉料全部熔化完后温度就会回升，此时如果温度控制过高就要造成整个熔池内的金属过热，在生产中，发生熔体过热大多数是在这种情况下温度控制不好所造成的。

实际熔化温度的选择，理论上应根据各种不同合金的熔点温度来确定。下表为几种铝合金的熔融温度。由表可见，多数合金的熔化温度区间是相当大的，当金属处于半固体、半液体状态时，如长时间暴露于炉气或火焰下，最易吸气。因此实际生产中多选择高于液相线温度50-60℃的温度为熔炼温度，以迅速避开半熔融状态的温度范围。主要铝合金的熔炼特点1XXX系铝合金的熔炼1XXX铝合金在熔炼时应注意保持其纯度。1XXX铝合金杂质含量低，因此在原材料选择上对品位高的合金制品使用原铝锭。在熔炼时，为避免晶粒粗大，要求熔炼温度不超过750℃，液体在熔炼炉（尤其火焰炉）停留超过2h。熔炼高精铝时，要对与熔体接触的工具喷上涂料，避免引起熔体铁含量增高。2XXX系铝合金熔炼特点Al-Cu-Mg系合金的熔炼（1）减少铜的烧损，避免成分偏析Al-Cu-Mg系合金的铜含量较高，熔炼时铜多以纯铜板形式直接加入。在熔炼时应注意以下问题：为减少铜的烧损，并保证其有充分的溶解时间，铜板应在炉料熔化下榻，且熔体能将铜板淹没时加入，保证铜板不露出液面。为保证成分均匀，同时防止铜产生严重偏析，铜板应均匀加入炉内，炉料完全熔化后在熔炼温度范围内搅拌，搅拌时先在炉底搅拌数分钟，然后彻底均匀地搅拌熔体。

淹没+搅拌（2）加强覆盖、精炼，减轻吸气倾向。2XXX系合金一般都含镁，尤其是2A12、2024合金镁含量较高，合金液态时氧化膜的致密性差，同时因为结晶温度范围宽，因此产生疏松的倾向性较大。为防止疏松缺陷的产生，熔炼时应加强对熔体的覆盖，并采用适当的精炼除气措施。Al-Cu-Mg-Fe-Ni系合金的熔炼Al-Cu-Mg-Fe-Ni系合金中因铁、镍元素在铝中的溶解度小，不易溶解，要适当提高熔炼温度。3.3XXX系铝合金的熔炼3XXX系铝合金的主要合金成分是锰。锰在铝中的溶解度很低，在正常熔炼温度下含锰10%的Al-Mn中间合金其溶解速度是很慢的，因此，装炉时Al-Mn中间合金应分布于炉料的最上层。当熔体温度达到720℃后，应多次搅拌熔体，以加速锰的溶解和扩散。应该注意的是一定要保证搅拌温度，否则如搅拌温度过低，取样分析后的锰含量往往要比实际含量低，按此分析补料可能会造成锰含量偏高。4.4XXX系铝合金的熔炼4XXX系铝合金硅含量较高，硅是以Al-Si中间合金形式加入的。为保证Al-Si中间合金中硅的充分溶解，一般将熔炼温度控制在750-800℃，并充分搅拌熔体。

过共晶Al-Si合金硅含量一般在16-20%之间，其熔炼温度需要更高。5.5XXX系铝合金的熔炼

特点：含镁量较高，氧化膜疏松，钠脆(1)α=0.78＜1,因此该系合金氧化膜疏松，氧化反应可继续向熔体内进行。含镁量越高，氧化膜致密性越差，抗氧化能力越低。

合金易烧损，镁更易烧损

吸气性增加

易形成氧化夹杂，导致铸锭裂纹

措施：2号熔剂覆盖，加铍（0.001-0.004%）铍粗化晶粒，加钛细化（2）正确的加镁方法（3）钠脆：指合金中混入一定量的金属钠后，在铸造和加工过程中裂纹倾向大大提高的现象。高镁铝合金钠脆性产生的原因是合金中镁和硅先形成Mg2Si，析出游离钠的缘故。钠只在合金中呈游离状态时，才会出现钠脆性。钠的这种影响是因为钠的熔点低，在铝和镁中均不溶解，在合金凝固过程中，被排斥在生长着的枝晶表面，凝固后分布在枝晶网络边界，削弱了晶间联系，使合金的高温和低温塑性都急剧降低。在晶界上形成低熔点的吸附层，降低晶界强度，影响铸造和加工性能，在铸造和加工时产生裂纹。2.3熔体与炉内气氛

铝合金的熔炼，一般情况下是在大气环境下的熔炼炉中进行，随温度的升高，金属表面与炉气或大气接触，会发生一系列的物理化学作用。由于温度、炉气和金属性质不同，金属表面可能产生气体的吸附和溶解或产生氧化物、氢化物、氮化物和碳化物。1.炉内气氛2.液态金属与气体的相互作用（1）氢的溶解氢是铝及铝合金最容易溶解的气体之一。按其溶解能力，其顺序为H2、CmHn、CO2、CO、N2。在所溶解的气体中，氢占90%左右。凡是与金属有一定结合力的气体，都能不同程度地溶解于金属中，而与金属没有结合力的气体，一般只能进行吸附，但不能溶解。气体与金属之间的结合能力不同，则气体在金属中溶解度也不同。金属的吸气由三个过程组成：吸附、扩散、溶解。吸附有物理吸附和化学吸附两种。物理吸附是不稳定的，单靠物理吸附的气体是不会溶解的。当金属与气体有一定结合力时，气体不仅能吸附在金属之上，而且还会离解为原子，其吸附速度随温度升高而增大，达到一定温度后才变慢，这就是化学吸附。只有离解为原子的化学吸附，才能进行扩散或溶解。当金属表面某一气体的分压大于该气体在金属内部的分压时，在压差及与金属结合力的作用下，气体原子开始向金属内部扩散，即溶解于金属中。扩散速度与温度、压力有关。（2）与氧的相互作用纯铝中氢的溶解度与温度的关系2.4熔体净化

铝合金在熔铸过程中易于吸气和氧化，因此在熔体中不同程度地存在气体和各种非金属夹杂物，使铸锭产生疏松、气孔、夹杂等缺陷，显著降低铝材的力学性能、加工性能、疲劳抗力、抗蚀性、阳极氧化性等性能，甚至造成产品报废。此外，受原辅材料的影响，在熔体中可能存在一些对熔体有害的其他金属，如Na、Ca等碱及碱土金属，部分碱金属对多数铝合金的性能有不良影响，如钠在含镁高的Al-Mg系合金中除易引起“钠脆性”外，还降低熔体流动性而影响合金的铸造性能。因此，在熔铸过程中需要采取专门的工艺措施，去除铝合金中的气体、非金属夹杂和其他有害金属，保证产品质量。精炼氯盐氯气惰性气体混合气体熔体净化：就是利用一定的物理化学原理和相应的工艺措施，去除铝合金熔体中的气体、夹杂物和有害元素的过程，它包括炉内精炼、炉外精炼及过滤等过程。熔体净化的要求一般制品氢含量：0.15-0.2ml/100g夹杂：单个颗粒小于10μm航空铝材双零铝箔等氢含量：小于0.1ml/100g夹杂：单个颗粒小于5μm

2.4.1熔体净化原理分压差脱气原理

1.脱气原理预凝固脱气原理

影响金属熔体中气体溶解度的因素除了气体分压力外，就是熔体的温度。大家都知道，气体溶解度随着金属熔体温度的降低而减小，特别是在熔点温度附近气体溶解度变化最大。根据这一原理，让熔体缓慢冷却到凝固，这样就可以使溶解在熔体中的大部分气体自行扩散析出。然后再快速重熔，即可获得气体含量较低的熔体。振动脱气原理用振动法除气的基本原理是液体分子在极高频率的振动下发生位移运动。在运动时一部分分子与另一部分分子之间的运动是不和谐的，所以在液体内部产生无数显微空穴，空穴都是真空的，金属中的气体很容易扩散到这些空穴中，结合成分子态，形成气泡而上升逸出。一般使用5000-20000Hz的频率。2.除渣原理澄清除渣原理密度差上升或下沉一般金属氧化物与金属本身之间总是存在密度差的。如果这种差异较大，再加上氧化物的颗粒也较大，在一定过热条件下，金属的悬混氧化物渣可以与金属分离，这种分离作用也叫澄清作用。可以用斯托克斯定律来说明，杂质颗粒在熔体中上升或下降的速度为：上升或下降的时间为：

根据斯托克斯定律可知，在一定条件下，可以通过介质的黏度、密度，以及悬浮颗粒的大小控制杂质颗粒的升降时间。通常温度高，介质黏度小，从而缩短了升降时间。因此，在熔炼过程中采用稍稍过热的温度，增加金属熔体的流动性，对于利用澄清法除渣是有利的。但实际上，在铝合金熔炼时氧化铝的状态十分复杂，形态也不都是球形的，通常多以片状或树枝状存在，难于采用斯托克斯公式计算。

澄清法除渣对许多金属，特别是轻合金不是主要有效的方法，还必须辅以其他方法。但是，根据物理学原理，它仍不失为一种基本方法。在铝合金精炼过程中，首先仍要用这一简单方法来将一部分固体杂质和金属分开。一般静置炉的应用就是为了这个目的，在静置炉内已熔炼好的金属熔体可通过澄清除渣作用来澄清分渣。吸附除渣原理吸附净化主要是利用精炼剂的表面作用，当气体精炼剂或熔剂精炼剂在熔体中与氧化物夹杂相遇时，杂质被精炼剂吸附在表面上，从而改变了杂质颗粒的物理性质，随着精炼剂一起被出去。若夹杂物能自动吸附到精炼剂上，根据热力学第二定律，熔体、杂质和精炼剂三者之间应满足以下关系：过滤除渣原理炉内除渣澄清除渣吸附除渣炉外除渣过滤除渣过滤装置种类很多，从过滤方式的除渣原理来看，大致可分为机械除渣和物理化学除渣两种。机械除渣作用主要是靠过滤介质的阻挡作用、摩擦力或流体的压力使杂质沉降或堵滞，从而净化熔体，物理化学作用主要是介质表面的吸附和范德华力的作用。不论是哪种作用，熔体通过一定厚度的过滤介质时，由于流速的变化、冲击或者反流作用，杂质较容易被分离掉。通常，过滤介质的空隙越小，厚度越大，金属熔体流速越低，过滤效果越好。当然，无论何种过滤装置，机械除渣和物理化学除渣两种都存在，只是哪种作用较大而已。2.4.2炉内净化处理根据净化机理，炉内处理可分为吸附净化和非吸附净化两大类。1、吸附净化

依靠精炼剂（气体、熔剂）产生的吸附作用达到去除氧化夹杂和气体的目的。（1）浮游法A惰性气体喷吹

这里惰性气体指与熔融铝及溶解的氢不起化学反应，又不溶解于铝中的气体。通常使用氮气或氩气。

根据吸附除渣原理，氮气被吹入铝液后，形成许多细小的气泡。气泡在熔体中通过的过程与熔体中氧化物夹杂相遇，夹杂被吸附在气泡表面并随气泡上浮到熔体表面。已被带至液面的氧化物不能自动脱离气相而重新溶入铝液中，停留于表面就可聚集除去，如图所示。一般采用扒渣工艺。浮游除渣原理由于吸附是发生在气泡与熔体接触的界面上，只能接触有限的熔体，除渣效果受到限制。为了提高净化效果，吹入精炼气体产生气泡量越多，气泡半径越小，分布越均匀，吹入时间越长效果越好。当然在实际操作时，往往通过一些装备与其它精炼剂同时吹入，精炼小车就是这样的装备。B活性气体吹洗

目前更多采用Ar+3%Cl2C混合气体喷吹D氯盐净化（2）熔剂法铝合金净化所用熔剂主要为碱金属的氯盐和氟盐，常用覆盖剂和精炼剂如下表2.非吸附净化静态真空处理：将熔体置于1333.3-3999.9Pa的真空度下，保持一段时间。由于铝液表面有致密的氧化铝膜存在，往往使真空除气达不到理想的效果，因此在真空除气之前，必须清楚氧化膜的阻碍作用。如在熔体表面撒上一层熔剂，可使气体顺利通过氧化膜。在真空下铝液吸气的倾向趋于零，而溶解在铝液中的氢有强烈的析出倾向，生成的气泡在上浮过程中能将非金属夹杂吸附在表面，使铝液得到净化。静态真空处理加电磁搅拌：为提高净化效果，在熔体静态真空处理的同时，对熔体施加电磁搅拌。这样可提高熔体深处的除气速度。动态真空除气：是预先使真空处理达到一定的真空度（约1333.3Pa），然后通过喷嘴向真空炉内喷射熔体。熔体形成细小液滴。这样熔体与真空的接触面积增大，气体的扩散距离缩短，并且不受氧化膜的阻碍。所以气体得以迅速析出。与此同时钠被蒸发烧掉，氧化夹杂聚集在液面。真空处理后气体含量低于0.12ml/100gAl。真空处理炉有20吨、30吨、50吨三种级别，其装置示意图如左。该方法脱气速度快，净化效果好，且对环境没有任何污染，是一种很有前途的净化方法。但受条件限制，应用较少。2.4.3炉外的在线净化处理2.4有色金属及合金的熔体净化1、净化原理

（1）除气原理（2）除渣原理2、铝合金净化熔体的净化处理

（1）炉内处理（2）路外在线处理3、除气除渣效果评价方法（1）氧化膜检测（2）宏微观组织观察（3）在线测渣（4）在线测量气体含量，测量固态气体含量2.5熔体的转注与在线净化

1、熔体转注的基本概念和作用转注：是将保温炉内成分及熔体质量合格的熔体转移到结晶器的过程。其作用是是将熔体平稳的输送到结晶器内，为在结晶器中凝固做准备。铝合金的转注过程中多伴随着喂入Al-Ti-B丝和炉外在线净化过程。2、熔体转注过程中的传热、传质（1）转注过程中的热量散失（2）转注过程中与流道的物质交换3、转注过程中的在线净化过滤4、转注过程中应注意的问题，及采取的措施2.5熔体的转注与在线净化

钎子、毡套、渣刀、压罩、渣耙、搅拌装置有色金属熔炼设备及工具应用：形状复杂，受力简单的制件温州大学温州大学温州大学温州大学温州大学温州大学温州大学温州大学温州大学温州大学优点：形状复杂制件complexinshape液态金属流动性→复杂外形型芯→复杂内腔成本低廉cheapinproduction工艺灵活,适应范围广adaptabilityintechnology

缺点：力学性能低于同种材质的锻件lowermechanical

properties←铸造组织粗大，有缺陷工作条件较差worseworkcondition废品率较高unstablequality←铸造工序繁多不连续铸造的特点温州大学铝合金铸轧技术（辊模铸造）动模连续铸造技术温州大学铝合金铸轧技术（辊模铸造）温州大学近几年，国外铸轧技术的发展并不快，在铸轧产品厚度上，理论计算最薄可达到2.5mm，实际工业生产在3.0mm以上；在轧制速度上，理论计算可达到12m/min以上，实际工业生产在7～8m/min，产量最大的是8×××系及纯铝，3×××系合金及低镁5×××系少量生产，据资料介绍，国外3004合金罐体料正在研究攻关。意大利法塔亨特公司在铸轧技术上的研究比较深入，装机水平也比较先进，可大量供应幅宽达2300mm超型铸轧机。与此同时，我国的铸轧生产发展速度非常快，铝板带材深加工生产线绝大部分采用铸轧坯料，其产能力可达500kt/a，占可用于现代化冷轧机供坯产能的51.6%。铸轧板厚度一般为6～10mm，大多数在7～8mm，轧制速度一般在1.5m/min以下，幅宽2000mm轧机已在使用，板型控制技术大有提高，表面质量也有一定进步。大量生产的合金是纯铝、8×××系以及3×××系合金。中档双零箔坯料及中低档PS版基料产量较大，但高档产品产量少，且质量不够稳定。动模连续铸造技术铝合金轮模铸造铸技术温州大学铝合金轮模铸造技术Hazellet动模连续铸造技术温州大学铝合金铸挤成形技术动模连续铸造技术温州大学动模连续铸造技术的特点优点：铸造速度快、生产效率高能够直接与轧机相连接实现连铸连轧铸锭头尾少，成品率高缺点：设备结构复杂，投资大产品的尺寸规格一般较小，能生产的合金种类有限。结晶模具使用寿命短温州大学低压铸造法的雏形可以追溯到上世纪初。适用于铝合金是1917年在法国，1924年在德国提出的申请，但并没有形成大规模的工业生产。为商业的目的而开始生产是在二战以后的1945年，由英国的路易斯先生创立了阿鲁马斯库公司，开始生产雨水管道、啤酒容器等。在那以后的五十年代里，奥地利和德国开始生产气缸头。1958年美国的泽讷拉路默它斯在小型汽车的发动机零件上（气缸头、箱体、齿轮箱）大量运用了铝合金铸件，并采用了低压铸造法。这件事对至今仍广泛采用的低压铸造法而言是不可或缺的推动，特别是在全世界的汽车工业界引起了极大的反响。低压铸造技术特点（1）浇注时的压力和速度可以调节，故可适用于各种不同铸型（如金属型、砂型等），铸造各种合金及各种大小的铸件。（2）采用底注式充型，金属液充型平稳，无飞溅现象，可避免卷入气体及对型壁和型芯的冲刷，提高了铸件的合格率。（3）铸件在压力下结晶，铸件组织致密、轮廓清晰、表面光洁，力学性能较高，对于大薄壁件的铸造尤为有利。（4）省去补缩冒口，金属利用率提高到90～98%。（5）劳动强度低，劳动条件好，设备简易，易实现机械化和自动化。在密闭的保持炉的熔体表面上施加比大气压大0.01~0.05Mpa的空气压力或惰性气体压力，熔汤通过浸放在熔体里的给汤管(升液管)上升，被压进与炉子连接着的上方的模具内。熔汤是从型腔的下部慢慢开始充填，保持一段时间的压力后凝固。凝固是从产品上部开始向浇口方向转移，浇口部分凝固的时刻就是加压结束的时间。于是就凭借浇口的方向性凝固和从浇口开始的冒口压力效果得到了完美的铸件。最后当铸件冷却至固相温度以下便可从模具中取出产品。压铸压铸（英文：diecasting，全称：压力铸造）是一种金属铸造工艺，是指将熔融合金在高压、高速条件下填充模具型腔，并在高压下冷却成型的铸造方法，是铸造工艺中应用最广、发展速度最快的金属热加工成形工艺方法之一。大多数压铸铸件都是不含铁的，例如锌、铜、铝、镁、铅、锡以及铅锡合金以及它们的合金。制造压铸的零部件相对来说比较容易，这一般只需要四个主要步骤，单项成本增量很低。压铸特别适合制造大量的中小型铸件，因此压铸是各种铸造工艺中使用最广泛的一种。同其他铸造技术相比，压铸的表面更为平整，拥有更高的尺寸一致性。压铸作为一种先进的有色合金精密零部件成形技术，适应了现代制造业中产品复杂化、精密化、轻量化、节能化、绿色化的要求，应用领域不断拓宽。随着压铸设备和工艺技术水平不断提高，压铸产品的应用范围在现有基础上仍将不断扩大。特别是汽车工业的迅速发展，带动了我国压铸行业以前所未有的速度向前发展。A、优秀的尺寸精度：典型的数值为最初2.5厘米尺寸时误差0.1毫米，每增加1厘米误差增加0.002毫米。相比其它铸造工艺，它的铸件表面光滑，圆角半径大约为1-2.5微米。相对于沙箱或者永久模铸造来说可以制造壁厚大约0.75毫米的铸件。B、可以直接铸造内部结构：比如丝套、加热元件、高强度承载面。C、减少或避免二次机械加工，生产速度快。压铸最大的缺点为成本很高。铸造设备以及模具、模具相关组件相对其它铸造方法来说都很贵。因此制造压铸件时生产大量产品才比较经济。只适用于流动性较高的金属。不能进行任何热处理或者焊接。目前,工业上应用的压铸铝合金主要有以下几大系列:Al-Si、Al-Mg、Al-Si-Cu、Al-Si-Mg等。压铸铝合金具有较高的比强度、抗蚀性能和良好的铸造性能、加工性能和可再生性,以及优良的导电导热性能,广泛应用于汽车、航空航天和电器工业等领域。随着汽车等工业的发展,铝合金压铸件的产量每年以将近13%的速率增长,其产量占所有压铸件产量的75%以上。且铝合金压铸件向着高强度、高质量方向发展,这必将对铝合金压铸技术的进一步发展起到积极的推动作用。压铸铝合金的开发及应用传统压铸铝合金件不宜进行热处理,这制约了压铸铝合金力学性能的提高。目前,压铸铝合金已广泛应用于汽车结构件的生产,但对于车体等对力学性能要求高的压铸件,仅靠现有压铸铝合金尚难满足需要。为提高压铸铝合金的力学性能,扩大压铸铝合金的应用范围,国内外研究人员一直在进行新型压铸铝合金的开发,主要包括两个方面:一是通过合金成分优化或添加合金元素的方法对现有合金系优化;二是新型压铸铝合金系的开发。挤压铸造挤压铸造又称液态模锻，是使熔融态金属或半固态合金，直接注入敞口模具中，随后闭合模具，以产生充填流动，到达制件外部形状，接着施以高压，使已凝固的金属（外壳）产生塑性变形，未凝固金属承受等静压，同时发生高压凝固，最后获得制件或毛坯的方法，以上为直接挤压铸造；还有间接挤压铸造指将熔融态金属或半固态合金通过冲头施加的高压，在密闭的模具型腔内结晶凝固成型，最后获得制件或毛坯的方法。由于高压凝固和塑性变形同时存在，制件无缩孔、缩松等缺陷，组织细密，力学性能高于铸造方法，接近或相当锻造方法；无需冒口补缩和最后清理，因而液态金属或合金利用率高，工序简化，为一具有潜在应用前景的新型金属加工工艺。挤压铸造是使液态或半固态金属在高压下凝固、流动成形，直接获得制件或毛坯的方法。它具有液态金属利用率高、工序简化和质量稳定等优点，是一种节能型的、具有潜在应用前景的金属成形技术。在我国挤压铸造技术已成功地用于汽、摩托车制造业,航空及兵工领域,在仪表、五金工具、建筑等行业中也已大量应用。对于结构复杂的零件难以用挤压铸造技术生产出来，限制了挤压铸造工艺的广泛应用。在国外，挤压铸造工艺始于1937年的前苏联，上世纪五、六十年代，先后传入我国和世界各国。八十年代，日本宇部公司开发成功HVSC和VSC系列挤压铸造机，使此工艺在日本及欧美各国得到了迅速的发展。目前，宇部挤压铸造机已销售307台，最大设备合模力达3500吨，日本丰田公司的轮毂生产厂拥有14台VSC1500—VSC1800挤压铸造设备，已形成年产400万只高档汽车铝轮的生产能力。此外，丰田公司还拥有年产120万只复合材料活塞的生产能力，并已在23种车辆得到使用。在挤压铸造中由于高压凝固和塑性变形同时存在，制件无缩孔、缩松等缺陷，组织细密，力学性能高于铸造方法，接近或相当锻造方法；无需冒口补缩和最后清理，因而液态金属或合金利用率高，工序简化。无模连续铸造技术（EMC)温州大学无模连续铸造技术的特点上世纪60年代，前苏联铝合金专家Getselev在铝合金DC连续铸造的基础上开发了EMC(ElectromagneticCasting)工艺，通过交变电磁场产生的Lorentz力约束金属熔体，并维持一定的液柱高度，替代了结晶器的支撑作用，实现了无模铸造。电磁铸造出现后，迅速在捷克斯洛伐克，匈牙利，东德等国率先普及，日本三菱化成公司1972年10月引进了该技术。美国Kaiser、Alusuisse、Alcoa、Reynolds和Pechiney等公司的大型铝厂也都相继在同时期引进了该项专利，其中Kaiser和Alusuisse两家公司，在引进前苏联专利的基础上，实现了多块铸造和大断面(500×1300mm)连续铸造铝合金的技术要求。目前，在美国和欧洲，每年大约120万吨铝合金采用Alusuisse公司的电磁连铸技术进行生产。但是，EMC以改善铸锭表面为目标，采用中、高频电磁场来实现无模铸造，对设备控制系统要求较高，非常容易出现拉漏现象。且耗能较大。国内并未得到广泛应用。温州大学静模（DC)连续铸造技术直接水冷连续铸造技术简称DC铸造技术（Directchillcasting）由德国人Junghaus在1933年首先研制成功，其装置如图1.2.所示。这项技术的基本原理是将熔体注入一个有水冷却的铸模中，熔体在铸模中开始凝固并凝成一个固态坯壳（一冷），然后将凝固的坯壳牵引出铸模，在坯壳上直接喷水进行冷却（二冷），最终得到所需形状和尺寸的锭坯。温州大学静模（DC)连续铸造技术根据锭坯牵引方向的不同，DC连续铸造技术可分为立式连续铸造技术（verticaldirectchillcasting）和水平连续铸造技术（horizontaldirectchillcasting）。温州大学1935年，立式连续铸造技术（verticaldirectchillcasting）被Alcoa公司及VLW公司应用到铝合金的铸造过程中，是现代铝合金连续铸造的开端。经过几代科研工作者的努力，该项技术在结晶器设计，二冷水喷水方式的选择和金属液体的输送等方面不断完善和发展

先后开发出了隔热模铸造技术，热顶(Hot-top)铸造技术，并在热顶铸造技术的基础上开发出了铸锭与结晶器壁间喷注润滑油和气体润滑技术，如美国WagStaff公司的“空气滑动法(AirSlip)”、德国VAW公司的“空气幕法(AirVeil)”，以及日本昭和铝公司的“空气缓冷法(AirCushion)”[。这些技术的采用有效的提高了立式连续铸造铸锭的质量和成材率。目前立式连续铸造技术已经成为各种变形铝合金锭坯生产所广泛采用的方法。立式连续铸造技术的发展与应用温州大学水平连续铸造又称卧式连续铸造或横向连续铸造，其与立式连续铸造最显著的不同点为锭坯是沿水平方向进行牵引的。水平连铸的研究可以追溯到1913年，当时只想用于生产低熔点金属。1940年，第一份关于水平连铸的专利公布于世。1958年，瑞士ALFREDWERTLI有限公司研制出了第一套水平连铸设备并投入生产。迄今为止至少有130条用于有色和黑色金属的生产线销售到世界各地。1963年，德国TECHNICA-GUSS公司成立，这是又一家设计、制造水平连铸机的专业公司。TECHNICA连铸机采用了最新设计的铣床和高精度的西门子铸造计算机控制，生产过程的自动化程度和产品的质量都比较高。除TWERTLI和TECHNICA以外，奥地利的METATERM,英国RAUTOMEAD公司也都在不断改进和推销自已的水平连铸机列。早期的水平连铸主要用于铜合金及铸铁的生产，但经过了几十年的发展，该技术已经广泛应用于各种有色及黑色金属的连铸生产，尤其是在以铝合金为代表的轻合金连铸领域占据着越来越重要的地位。水平连续铸造技术的发展与应用温州大学水平连续铸造与竖直连续铸造铝合金水平连铸铝合金竖直连铸温州大学铝合金竖直连铸温州大学铝合金竖直连续铸造铸锭铝合金圆铸锭和管坯温州大学3.2DC连续铸造系统铝合金熔铸系统传统的DC连铸设备由静置炉、流道、在线除气装置、过滤装置、金属液分流系统、结晶器系统、以及引锭系统组成。浇铸系统由金属液分流系统、结晶器系统、以及引锭系统组扁锭浇铸系统圆锭浇铸系统1、金属液的分配与液面控制金属液分流系统。是指将金属液平稳、均匀的分配到结晶器的系统。在工业生产中，为了提高生产率，常进行一机多流浇注，这时金属液的分流系统就决定着连铸生产能否顺利进行。金属液的分流系统在DC铸造过程中起到两方面的作用，首先，由于DC铸造过程中金属液位较低，分流系统可以有效控制连铸过程的金属液位高度，起到均流作用；其次，分流系统在结晶器内按照一定控制的方式水平分配金属液，能够有效均匀结晶器内的温度场，以便得到组织和性能均同的铸锭。直接浇铸浮漂分流同水平浇铸分流圆锭铝合金铸造的分流方式圆锭用浮漂分流扁锭用浮漂分流空心锭用浮漂分流圆锭铝合金铸造同水平分流方式同水平分流方式扁锭铝合金铸造的分流方式接触式铝液控制装置同水平铸造控制液面分流袋2、铝合金DC铸造用结晶器结晶器结晶器是连铸工艺的核心部分。传统连铸工艺的结晶器的主要材质有铝合金、铜合金、不锈钢、石墨等，当结晶器中镶嵌石墨环时，由于石墨的自润滑作用，可以提高铸坯的表面质量。结晶器首要作用是对铸坯的初始冷却作用，它能够保证连铸坯在结晶器内得到合适厚度的初始凝固壳，保证连铸坯在随后的冷却凝固过程中得到理想的铸态组织。结晶器的设计原则：（1）对铸锭的冷却均匀，在结晶器中所产生冷却强度必须满足形成足够强度凝壳的要求；（2）脱模容易，能生产表面质量良好的铸锭；（3）结构简单，安装方便，有一定强度、刚性和抗冲击性；（4）确定铸锭的收缩率，合金不同，规格不同，收缩率也不相同。一般来说，圆锭1.6-3.1%；扁锭横截面宽度方向1.5-2.0%，厚度方向，在两端处为2.8-4.35%，在中心处为5.5-8.5%；（5）确定结晶器高度，扁锭小面的形状。传统的冷却工艺中，通过结晶器的冷却作用，金属液在结晶器内形成初凝壳，有足够的强度维持中心的液态金属。在一冷的作用下，液体金属凝固收缩，凝固坯壳与结晶器内壁分开，然后被拉出结晶器外，受到二冷水的快速冷却。结晶器的冷却和结晶器外的二次冷却对铸坯的质量的影响非常显著，可以用冷却区的概念来描述连铸坯在凝固过程中收到的冷却效果。一般来说，当铸造速度较低或者铸造启车阶段，结晶器的冷却效果可以延伸到结晶器外，在这段区域，结晶器对连铸坯起着主要的冷却作用；同样，对于直接喷水冷却，喷水的冷却有一个逆向传热高度，在上传距离内，喷水冷却起着一定的冷却作用。结晶器的冷却和喷水的冷却有可能部分重合也可能分开。因此，根据热流分布特点，铸坯受到的冷却作用可粗略地分为两个区。一冷区，即金属液与结晶器壁接触区。熔融金属一旦跟冷却壁接触，立即形成一个半固态的凝固坯壳。该区内，刚结晶的外壳在液穴内金属液静压力的作用下，紧贴在结晶器内壁上，初凝壳受到热和机械的作用，拉坯时凝壳与结晶器内壁有摩擦阻力。因此，当初始凝壳较薄时有可能被拉裂形成表面裂纹，甚至拉断。同时，在摩擦力的作用下，表层的氧化膜也有可能被破坏，高温熔体在静压力的作用下会被挤出铸锭表面形成偏析瘤。从冷却速度上来看，一冷区内任意截面上的冷却速度都是从外向中心逐渐减小，外层收缩最大，低熔点成分通常被挤到中心。二冷区，即二次水冷区。从喷淋点上某一位置到铸坯完全凝固为止。二冷区和一冷区相似，从铸坯外壳到铸坯中心的任意截面上的冷却速度都是逐渐降低的。由于铸坯表层具有最大冷却速度，因此，金属液不会再被挤向表层，而是挤向铸坯中心。传统结晶器整体式组合式结构紧凑，结晶器的有效冷却长度较短，有利于提高结晶器的冷却效果，能够得到理想的内部组织。结晶器的一次冷却强度受到二次冷却水的影响，铸锭在凝固过程中容易出现隐藏式冷隔，表面质量很难控制。拆卸方便，一冷区和二冷区分开，结晶器一次冷却强度不受二次冷却水的影响，有利于灵活控制结晶器的冷却。结晶器的有效冷却长度较长，连铸坯容易出现表面偏析瘤、表面重熔以及拉漏、拉裂等缺陷。传统DC结晶器传统DC结晶器传统DC结晶器传统DC结晶器的熔铸过程传统DC结晶器热顶结晶器热顶铸造：有效结晶区高度过大，铸锭表面出现偏析瘤，影响铸锭表面质量和结晶组织，失去隔热模的意义。有效结晶区高度过小，则易使结晶凝壳壁延伸进隔热模内造成铸锭拉裂，严重时会损坏保温材料。MAL：单靠结晶器壁在铸锭表面上产生的向下的冷却距离，叫做铸模单独冷却距离。UCD：上流导热距离，表示铸锭由见进水线开始，单纯依靠二次冷却水的冷却作用在铸锭表面上产生的向上的冷却距离。热顶结晶器热顶结晶器隔热模铸造用结晶器是在普通结晶器内壁上部衬一层保温耐火材料，从而使结晶器上部熔体不与器壁发生热交换，缩短了熔体到达二次水冷的距离，使凝壳水冷，减少冷隔、气隙和偏析瘤的形成倾向。结晶器下部为有效结晶区。3铝合金DC铸造引锭系统引锭系统包括引锭头和牵引装置。引锭头可以根据拉坯方向安装在结晶器的下部或者侧面，引锭头对铸造开始进入结晶器的液体进行冷却，形成凝固坯壳，然后在牵引装置的牵引下向下或者侧面移动。铸坯随引锭头离开结晶器后，受到二冷水的直接喷淋冷却，最后完全凝固。引锭（底座）在铸造开始时起成形和牵引作用，在铸造过程中起支撑作用。为避免铸造时因受热膨胀而将引锭卡在结晶器内，引锭所有横截面尺寸都应比结晶器下缘相应尺寸小1%-2%。

扁锭引锭扁锭引锭圆锭引锭圆锭引锭4、液流转注金属液从静置炉输送到结晶器中的全过程叫转注，合理的转注方法是要使在氧化膜覆盖下平稳地流动，转注的距离要尽可能合理，严禁有敞露的落差和液流冲击。传统的转注方法如图所示。由于流槽与流盘间、流盘与结晶器间存在落差，金属翻滚严重，容易使已净化的熔体被二次污染。为避免熔体污染，要尽量减少转注频次，缩短转注距离，减少落差，在静置炉和流盘间实现水平供流。铸造机牵引装置

铸造过程中铝液重量基本压在引锭座上，对结晶器壁的侧向压力较小，凝壳与结晶器壁之间的摩擦阻力较小，且比较均匀。牵引力稳定可保持铸造速度稳定，铸锭的冷却均匀度容易控制。立式半连续铸造机液压油缸式钢丝绳式丝杠式液压铸造机牵引力稳定，可按照工艺要求设定各种不同的牵引速度模式，速度控制精度高，铸造井深度比其他形式铸造机大。有内导式和外导式，内导式应用较多。钢丝绳式铸造机结构简单，但因钢丝绳磨损快，易被拉长变形，从而导致引锭平台牵引力和铸造速度稳定性差，影响铸锭质量。丝杠式铸造机由于其悬臂传动和支撑结构特点，不适合于同时铸造多根铸锭。水平式连续铸造机与立式铸造机比较：不需要深的铸造井和高大的厂房，可减少基建投资；生产小截面铸锭时容易操作；设备结构简单，安装维护方便；容易把铸造、锯切、检查、堆垛、打包和称重等工序连在一起，形成自动化连续作业线。铝液在重力作用下，对结晶器壁下半部压力较大，凝壳与结晶器壁下半部之间的摩擦阻力较大，影响铸锭下半部表面质量。同时，冷却过程中收缩的凝壳与结晶器壁的上半部产生间隙，造成上下表面冷却不均匀，影响铸锭内部组织的均匀性。铸造大规格的合金锭容易产生化学成分偏析。水平式连续铸造机包括铝液分配箱，结晶器、铸锭牵引机构、锯切机和自动控装置，可以与检查装置、堆垛机、打包机、称重装置和铸锭输送辊道装置连在一起，形成自动化连续作业线。3.3铝合DC连续铸造的基本原理及主要工艺参数1、DC铸造的基本原理表面细等轴晶区细等轴晶区是在结晶器壁的强烈冷却和液体金属的对流双重作用下产生的。当液体金属浇入低温的结晶器内时，与结晶器壁接触的液体受到强烈的冷却，并在结晶器壁附近的过冷液体中产生大量的晶核，为细等轴晶区的形成创造了热力学条件；同时由于浇注时，液流引起的对流及液体内外温差引起的温度起伏，使结晶器壁表面晶体脱落和重熔，增加了凝固区的晶核数目，因而形成了表面细等轴晶区。其宽窄与浇注温度、结晶器壁温度及导热能力、合金成分等有关。柱状晶区随着液体对流的减弱，结晶器壁与凝固层上晶体脱落减少，加上结晶潜热的析出使界面前沿熔体温度升高，细等轴晶区不能扩展。这时结晶器壁与铸锭之间形成气隙，降低了导热速度，使结晶前沿过冷度减小，结晶只能靠细等轴晶的长大来进行。这时那些一次晶生成的方向与凝固方向一致的晶体，由于具有良好的散热条件而优先长大，其析出的潜热又使其它支晶前沿的温度升高，从而抑制其它晶体的长大，使自己向内延伸成柱状晶。中心等轴晶区中心区域的热力学条件满足等轴晶形成与长大的条件，其晶核来源有三：液面的晶体组织柱状晶支晶的熔断和游离表面游离晶非平衡组织晶界与枝晶界存在不平衡结晶以4.2%Cu的Al-Cu二元合金为例，在平衡凝固时，合金到b点完全凝固，b-d组织为均匀的α固溶体，d点以下固溶体分解为Al+CuAl2。而非平衡条件下，晶体的实际成份也不能按平衡固相线变化。受溶质再分配影响，在晶界和枝晶上存在一定数量的不平衡共晶组织。枝晶偏析枝晶偏析的形成与不平衡共晶的形成相似。由于溶质元素来不及析出，在晶粒内部造成成分不均匀现象，即枝晶偏析。在共晶型的合金中，枝晶中心的元素含量低，从中心至边缘逐渐增多。枝晶内过饱和的难熔元素由于冷速很大，在熔体中处于溶解状态的难熔合金元素，如Mn、Ti、Cr、Zr等，由于来不及析出而形成过饱和固溶体。冷去速度越大，合金元素含量越高，固溶体过饱和程度越严重。晶粒细化理想的铸锭组织是整个截面上具有均匀细小的等轴晶，这是因为等轴晶各向异性小，加工时变形均匀、性能优异、塑性好，利于铸造及随后的塑性加工。要得到这种组织，晶粒细化是最佳手段，需对熔体进行处理。过冷度过冷度增加，形核率与长大速度都增加，但两者的增加速度不同，形核率的增长率大于长大速度的增长率。在一般金属结晶时的过冷范围内，过冷度越大，晶粒越细小。铝合金铸锭生产中增加过冷度的主要方法：降低铸造速度，提高液态金属的冷却强度、降低浇注温度。动态晶粒细化振动或搅拌机械搅拌电磁搅拌超声振动机械振动电磁振荡晶粒细化剂增加形核率，非自发TiZrBC铝硅合金变质剂2DC铸造的主要工艺参数当DC铸造过程中的金属液分流系统、结晶器系统、以及引锭系统，以及铸锭的合金成分规格尺寸确定以后。铸造过程中还有一些主要的工艺参数。他们分别是浇铸温度、铸造速度，以及冷却强度，液位高度。铸造温度：浇铸过程中铝容易流入结晶器是的温度。铸造速度：铸造过程中牵引机的牵引速度一般用每分钟多少米表示。冷却强度：即冷却水的强度，一冷水腔内水的流速、以及二冷水的流量。液位高度（结晶器高度）：浇铸过程中液面在结晶器内的位置。冷却强度对铸锭质量的影响组织力学性能裂纹倾向表面质量随冷却强度提高，结晶速度提高；过冷度大，晶核增多，晶粒细小；致密度高，疏松减小；减小区域偏析。一般说来，铸锭的力学性能随冷却强度的增大而提高。强度和均匀性弱，偏析瘤；过强，冷隔。铸造速度在一定范围内，随着铸造速度的提高，铸锭凝固组织细小。但过高的铸造速度会使液穴变深，两相区变宽，凝固组织粗化，中心疏松倾向增大，区域偏析加剧。随着铸造速度的提高，铸锭的平均力学性能增大。随铸造速度提高，冷裂倾向降低，热裂倾向升高。因已凝固部分温度升高，塑性好，冷裂倾向就低；但两相区变大，温度更加不均匀，脆性区变大，热裂倾向升高。随铸造速度提高，液穴变深，结晶壳壁变薄。过高，产生金属瘤、漏铝和拉裂；过低，易形成冷隔，严重造成冷裂。合理范围内，提高表面质量。在满足技术标准的前提下，尽可能提高铸造速度（1）扁锭铸造速度的选择以不形成裂纹为前提。对冷裂倾向大的合金，随铸锭宽厚比增大，应提高铸造速度，对冷裂倾向小的软合金，随铸锭宽厚比增大适当降低铸造速度。在铸锭厚度和宽度比一定时，随合金热裂倾向的增加，铸造速度应适当降低。（2）实心圆铸锭：对同种合金，随直径增大，铸造速度逐渐减小；对同规格不同合金，铸造速度应按照软合金→锻造铝合金→高镁合金→硬合金→超硬合金的顺序递减。（3）空心锭：同种合金，内径或外径相同，随壁厚增加而降低。其他条件相同，软合金空心锭比同外径实心锭速度提高约30%，硬合金提高50%-100%。（4）对同种合金、同规格铸锭，采用隔热模、热顶、横向铸造时，其铸造速度高于普通铸造。铸造温度提高铸造温度，使铸锭晶粒粗化倾向增加。降低铸造温度，熔体黏度增加，补缩条件变差，疏松、氧化膜缺陷增多。在一定范围内，温度提高，硬合金力学性能相应提高，软合金降低。提高铸造温度，液穴变深，温度梯度增大，合金热脆性增加，裂纹倾向变大。温度提高，凝固壳变薄，易形成拉痕、拉裂等，但冷隔趋势变小。铸造温度选择液位高度（结晶器高度）铸造速度对表面质量的影响(a)(c)(d

120mm/min;

130mm/min;

160-180mm/min;

150mm/min;

铸造速度对铸锭皮下偏析层的影响

120mm/min;

140mm/min;

160mm/min;

180mm/min;

铸造速度对液穴形貌的影响

120mm/min;

160mm/min;

180mm/min;

铸造过程开始阶段铺底和假铺底平稳阶段控制液面、打渣、润滑、观察、最终成分分析、控制铸造温度结束阶段自回火：对需要回火的铸锭，在铸锭未脱离结晶器下缘前停车、停水，将铸锭浇口部位依靠液态金属的余热加热到350℃以上。目的是提高浇口部位的塑性，防止浇口部位冷裂纹。铸造技术的发展趋势电磁铸造技术EMC低频电磁铸造技术LFEC东北大学崔建忠等人开发了轻合金的低频电磁半连续铸造法（LFEC）。LFEC工艺与EMC法相比较，电磁场的施加方式与CREM法相似，因而，同样具有实现“软接触”，提高铸锭表面质量，细化晶粒的作用；同时，由于外加的电磁场频率更低，集肤效应更小，可以使处于结晶前沿的熔体获得更为均匀的温度场和应力场，从而达到更有效地细化晶粒、提高溶质的固溶度、抑制裂纹产生的作用。目前，LFEC法在高强度铝合金2XXX系、超高强铝合金7XXX系的半连续铸造中得到了很好的应用。电磁振荡铸造技术EVC在铝合金制备过程中同时施加稳恒磁场和交流电流以及同时施加稳恒磁场和周期性交流磁场用以在熔体中产生振荡的方法，由于具有1）细化晶粒；2）弥散溶质元素；3）除气，降低孔积率；4）增加金属熔体流动性，提充型能力等方面的优势，也得到开发和利用。这种通过使凝固熔体产生受迫振荡，从而抑制枝晶生长，细化晶粒的方法。脉冲水在铸造开始阶段，采用脉冲水冷却，降低直接水冷强度，可减少铸锭底部翘曲和缩颈，目前脉冲水采用自动化控制和最新的旋转脉冲阀。加气铸造加气铸造与脉冲水铸造具有同样的效果，即在铸造开始阶段，在冷却水中加入二氧化碳或空气、氮气，将这种加气冷却水喷到铸锭表面上形成一层气体隔热膜，从而减缓冷却强度，之后再逐步减少气体量，不断增加冷却效率。气滑铸造气滑铸造是在热顶铸造的基础上增加油气润滑系统而成，优点是铸造速度快、铸锭表面光滑。Wagstaff的VariMold™可调式扁锭铸造工艺是在一个可调的结晶器里采用LHC平台。一个VariMold，可以铸造达20个不同尺寸，减少了为生产一系列的轧制扁锭尺寸所需的结晶器装置数量。扁锭用结晶器可调结晶器一套结晶器可生产多种宽度的扁锭

传统铸造和低液位铸造液穴高度与热量传递比较 低液位铸造过程低液位组合结晶器结构特点低液位铸造的实现低液位与传统DC铸锭质量比较空气滑动法(AirSlip)”LHC低液位扁锭结晶器扁锭用结晶器LHC™低液位合成铸造技术是Wagstaff的旗舰扁锭铸造产品，并被发展把扁锭质量和铸井回收提升到最高。LHC扁锭铸造技术的好处：不需要结晶器润滑油系统减低结晶器冷却水处理成本优质的扁锭表面长久的结晶器寿命

SplitJet锭尾翘曲减少技术减低锭尾翘曲，导致泄漏减少，创做一个更安全的铸造环境大部份的普通合金可以通过相同的结晶器铸造减低铣面

铸锭表面质量大铸锭生产的主要问题及措施裂纹问题

对于高强度铝合金裂纹问题特别显著

解决措施：使用气刀抑制裂纹的产生偏析问题

大尺寸不可避免的问题

解决措施：使用电磁场配合合理的分流方式减小偏析的产生气刀半连续铸造高强铝合金DC铸造过程中的裂纹

裂纹的种类高强铝合金铸锭的生产方法目前主要有两种方法：1.前苏联体系的生产方法：主要是通过带豁口铜结晶器，分开的大小面冷却水配合三次冷却水。优点：首先让小面先见水，这样使小侧面的体积比长侧面中腰部分体积更提前开始凝固，小侧面部分在收缩时所遇到的阻力就可以大大地减少。此时的长侧面部分温度很高，塑性好，从而避免了侧裂的发生；大小面冷却水分开可以更好的控制小面的三面冷却所带来下面冷却过强，导导致表面缺陷（冷隔）的出现，另外还会致小面沿铸造方向温度梯度过大，使其沿这个方向的铸造应力过大，这两个缺点都会大大增加冷裂纹的出现，因此，小面水必须下调；三次冷却水的使用，主要目的是将铸锭中心液穴根部位置向上移动，这样减少了内外温度差，从而减少了中心热裂纹的产生。缺点：a)小面豁口加工难度增加，并且只适合小面为圆弧或近圆弧形的结晶器，但是随着现代轧制技术的发展，要求铸锭形状是小面要求为直边；

b)由于使用的是铜结晶器，冷却大，容易造成表面严重的冷隔，成为冷裂纹的起源；

c)三次冷却水对于铸锭厚度较小的铸锭是一种非常有效的手段，但是随着工业的需要和轧机能力的增加，对于铸锭厚度要求越来越大，因此使用三次冷却水来控制裂纹的效果随着铸锭厚度的增加也会越来越差。2.欧美体系的生产方法：铝质结晶器，脉冲水和卡水板的使用。优点：这种方法主要是通过脉冲水分散释放和消除铸锭底部应力，减弱冷却强度。可防止铸锭底部翘曲时产生冷隔而导致小面侧裂。因此它与槽型底座相配合取代了老式铸造中铺纯铝底的繁杂工艺。脉冲水的作用主要在铸造开始阶段，所以必须把握脉冲冷却水的时限件，及时转换为正常冷却水铸造；图2显示了卡水板的使用，当金属液体在强冷成形凝固后，卡水板将铸锭周边卡。住使冷却水不再接触铸锭，从而提高了铸锭表面温度，即用铸锭门身余热进行低温回火，增加铸锭的塑性，防止铸锭冷裂纹的产生。缺点：a）在于卡水板在铸造开始阶段受到‘butt

swell’的影响比较大，很容易出现挂锭的危险；

b）由于铸锭表面就有很多表面缺陷，如偏析瘤，冷隔，这些缺陷在通过卡水板时，会产出漏水现象，导致铸锭在该处产生裂纹,另外卡水板所使用的胶皮是易损件。

为了解决这个局限性，更好的开发出适合工业生产的设备和方法。这里我们为了更好地实现高强铝合金的生产我们引入了一个新的设备，即气刀。气刀的应用实例气刀半连续铸造气刀半连续铸造示意图气刀半连续铸造气刀对半连续铸造过程温度场的影响气刀半连续铸造TemperatureKa)b)c)a无气刀；b气刀位于结晶器下350mm；c气刀位于结晶器下250mm液穴的变化550×1600AA7B50气刀对半连续铸造过程应力场的影响气刀半连续铸造从图中可以看出施加气刀后铸造应力明显减小。550×1600AA7B50气刀半连续铸造实验结果气刀半连续铸造a)b)7050合金铸锭

低倍组织

金相组织电磁-气刀半连续铸造电磁-气刀半连续铸造示意图电磁-气刀半连续铸造电磁场对熔体流动的影响电磁-气刀半连续铸造熔体流动速度的矢量图(a)(c)DC过程(c)(d)LFEC过程(a)(b)(c)(d)BCABCA电磁场对温度的影响电磁-气刀半连续铸造气刀施加后流场，温度场的变化电磁-气刀半连续铸造气刀施加后应力应变场的变化电磁-气刀半连续铸造电磁场和气刀对裂纹的影响电磁-气刀半连续铸造DC铸锭电磁-气刀铸锭电磁场和气刀对微观组织的影响电磁-气刀半连续铸造DC铸造电磁-气刀铸造电磁铸造气刀铸造电磁场和气刀对宏观偏析的影响电磁-气刀半连续铸造结论使用气刀代替卡水板，减少了设备的维护，并能够起到比卡水板更好的抑制铸造裂纹的效果；低频电磁场的施加能够显著的细化晶粒和减少宏观偏析；低频电磁场和气刀同时施加，电磁场对晶粒细化的效果并没有减弱；无论是气刀半连续铸造还是电磁-气刀半连续铸造都被证明是一种有效生产大尺寸铸锭的新方法。

4.1铝合铸锭的质量铝合金铸锭的质量主要包括以下几个部分1、合金成分2、尺寸偏差3、表面质量4、内部组织5、铸锭内部缺陷4.1.1合金成分铸锭的合金成分应该严格控制的一定范围之内，如果超出这个范围后产品的最终性能将受到很大影响。铝合金按其主要的成分不同可以分成若干个系列，美国校准将其分到1-7系列。铝合金的成分可分为：“名义化学成分”，“内控成分”，“铸锭实际成分”。名义化学成分：某种铝合金金的化学成分控制范围。内控成分：工厂内部控制的成分范围铸锭的实际成分：对铸锭进行成分分析后得到的实际成分。名义化学成分铝合金合金牌号分类（按成分分）合金成分表的备注内控成分与实际成分企业某些合金牌号中的主元素成分及杂质成分所提出的更严格的控制标准-内控成分制成铸锭后进行化学成分分析为铸锭的真是成分，对应的各元素为真实值化学成分铸锭的内的分布-宏观偏析宏观偏析产生的原因化学成分铸锭的内的分布