朱慶豐，程 龍，王 睿，趙志浩，左玉波，崔建忠

(1.東北大學(xué) 材料電磁過程研究教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，遼寧 沈陽 110819；2.東北大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，遼寧 沈陽 110819； 3.東北大學(xué) 材料先進(jìn)制備技術(shù)教育部工程研究中心，遼寧 沈陽 110819)

鋁合金DC鑄造技術(shù)已在鋁加工行業(yè)廣泛應(yīng)用了80多年，在對(duì)成品率、生產(chǎn)效率和錠坯內(nèi)部冶金質(zhì)量等方面需求的驅(qū)動(dòng)下，DC鑄造技術(shù)不斷發(fā)展。近些年，仍有如低壓鑄造等新技術(shù)被開發(fā)并實(shí)現(xiàn)工業(yè)化應(yīng)用。在DC鑄造技術(shù)幾十年的發(fā)展過程中涌現(xiàn)出了一批知名DC鑄造技術(shù)制造供應(yīng)商，如Wagstaff，Hertwich Engineering，Hycast, Almex USA等。企業(yè)通過技術(shù)迭代不斷提高鋁合金DC鑄錠的表面質(zhì)量、成品率和冶金質(zhì)量，增加市場(chǎng)的競(jìng)爭力，并引領(lǐng)著DC鑄造技術(shù)的最新發(fā)展方向。一些企業(yè)已經(jīng)開始關(guān)注液穴固液前沿兩相區(qū)凝固條件對(duì)結(jié)晶相尺寸的影響，并提出了錠坯免均勻化處理的新理念。

我國2021年鋁加工材產(chǎn)量為4 470萬t，其中擠壓材和鍛件產(chǎn)量合計(jì)2 224萬t，這些擠壓材和鍛件所用的坯料多為鋁合金DC鑄造圓錠。熔鑄既是鋁合金生產(chǎn)的第一道工序又是鋁合金生產(chǎn)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，錠坯的冶金質(zhì)量和成品率直接關(guān)系著最終鋁材的質(zhì)量和成品率。我國鋁合金的DC鑄造技術(shù)發(fā)展比較滯后，鋁加工企業(yè)采用DC鑄造技術(shù)主要以引進(jìn)和仿制為主，圓錠的鑄造從熱頂鑄造、油氣滑鑄造、低壓鑄造到Hertwich Engineering水平連鑄都是國外企業(yè)率先開發(fā)并被國內(nèi)企業(yè)引進(jìn)的。經(jīng)過近十幾年的發(fā)展，國內(nèi)企業(yè)通過消化吸收和仿制基本能生產(chǎn)大部分裝備并滿足市場(chǎng)需求。但由于缺乏系統(tǒng)的基礎(chǔ)研究，我國在DC鑄造新技術(shù)開發(fā)和新理念方面落后于國外的，低壓鑄造、錠坯免均勻化處理等先進(jìn)技術(shù)和新理念仍由國外企業(yè)引領(lǐng)。

國內(nèi)相關(guān)文獻(xiàn)[1-3]對(duì)鋁合金圓錠DC鑄造新技術(shù)的發(fā)展進(jìn)行了分析和梳理，但有關(guān)近些年最新發(fā)展趨勢(shì)的報(bào)道還不夠系統(tǒng)。本文作者對(duì)鋁合金豎直圓錠DC鑄造發(fā)展歷程和新的發(fā)展動(dòng)態(tài)進(jìn)行了梳理。

1 鋁合金圓錠豎直DC鑄造技術(shù)的基本原理及鑄造裝備(結(jié)晶器)的發(fā)展歷程

1.1 鋁合金圓錠豎直DC鑄造技術(shù)的基本原理及特點(diǎn)

半連續(xù)豎直鑄造技術(shù)于20世紀(jì)30年代發(fā)明[4]。20世紀(jì)40年代美國鋁業(yè)公司和德國的Vereinigte Leichtmetall Werke(VLW)公司幾乎同時(shí)獨(dú)立開發(fā)了鋁合金半連續(xù)鑄造工藝[5]，并成為二戰(zhàn)時(shí)期生產(chǎn)變形鋁合金的主要手段。半連續(xù)鑄造過程如圖1所示[6]。其主要特點(diǎn)是將熔煉后的鋁熔體通過分流系統(tǒng)進(jìn)入結(jié)晶器，并在結(jié)晶器內(nèi)經(jīng)過冷卻形成初凝殼，被引錠裝置牽引出結(jié)晶器后在二次冷卻水的作用下進(jìn)一步凝固成鑄錠，當(dāng)結(jié)晶器內(nèi)熔體流入量與引錠裝置的下移速度達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡，且冷卻水帶走的熱量能夠使流入其中的熔體完成凝固時(shí)，便可實(shí)現(xiàn)鑄錠的連續(xù)制備，直至鑄造過程停止。這種鑄造方法比之前的模鑄方法具有可實(shí)現(xiàn)平穩(wěn)澆鑄(避免澆鑄過程中造渣裹氣)、動(dòng)態(tài)凝固過程中不斷補(bǔ)縮(避免過大的縮孔)、能制造更長鑄錠、容易實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化、生產(chǎn)效率高等特點(diǎn)。自DC鑄造技術(shù)開發(fā)以來被廣泛地應(yīng)用于鋁合金鑄錠的制備[7]。到20世紀(jì)50年代，半連續(xù)鑄造幾乎完全取代了傳統(tǒng)的模鑄技術(shù)，成為生產(chǎn)大尺寸變形鋁合金鑄錠的主流技術(shù)。

圖1 半連續(xù)鑄造過程示意圖Fig.1 Schematic of DC casting process

盡管DC鑄造技術(shù)較模鑄技術(shù)具有諸多明顯優(yōu)點(diǎn)，但DC鑄造仍有其自身一些缺點(diǎn)，這是由DC鑄造技術(shù)的基本原理和鑄造過程的凝固特點(diǎn)決定的。經(jīng)過80多年的發(fā)展，該技術(shù)的基本原理和凝固特點(diǎn)并未發(fā)生根本改變。如圖2所示[6]，DC鑄造過程中熔體和凝固坯殼在結(jié)晶器內(nèi)下移過程中會(huì)經(jīng)過兩次明顯的冷卻作用，一次冷卻是指熔體與結(jié)晶器壁接觸時(shí)發(fā)生的冷卻，經(jīng)一次冷卻后會(huì)快速形成凝固坯殼，并因凝固收縮形成氣隙，冷卻速率降低；當(dāng)二次冷卻水直接噴到凝固坯殼后，鑄錠的冷卻速率會(huì)再次增加(發(fā)生二次冷卻)，熱量會(huì)不斷從錠坯的內(nèi)部傳遞到鑄錠表面，并形成一個(gè)V形液穴。在穩(wěn)定鑄造階段，V形液穴宏觀形貌基本保持不變。由于鑄錠坯殼在下移過程中會(huì)形成氣隙，DC鑄造錠坯凝固過程中橫向不同位置熔體結(jié)晶時(shí)的冷卻速率是不同的，錠坯表層的冷卻速率比較快，而受氣隙影響的次表層冷卻速率顯著降低，鑄錠在結(jié)晶器內(nèi)凝固的表層坯殼會(huì)被內(nèi)部熔體重新加熱并發(fā)生局部(晶界上的低熔點(diǎn)相)重熔，在內(nèi)部熔體靜液壓力作用下凝固殼前沿合金含量高的熔體流入這些重熔的微通道，并在二次冷卻作用下凝固，最終在表層形成枝晶臂粗大的組織，而次表層也會(huì)因冷卻速率低形成枝晶網(wǎng)格比較粗大的組織，如圖3所示[8]。這些表層的非正常凝固組織在后續(xù)的加工過程中會(huì)影響制品的質(zhì)量，需要去除。當(dāng)二次冷卻水開始發(fā)揮作用后，錠坯次表層以內(nèi)區(qū)域結(jié)晶時(shí)的冷卻速率隨與表面距離的增加不斷降低，這使得鑄錠心部和邊部的冷卻速率存在較大的差異，鑄錠(特別是大尺寸鑄錠)內(nèi)外的凝固組織有很大差異，心部往往為粗大的組織并容易形成疏松等鑄造缺陷。而宏觀凝固界面沿V形液穴推進(jìn)時(shí)，會(huì)造成熔體內(nèi)溶質(zhì)元素沿錠坯橫向分布不均勻，形成宏觀偏析。錠坯沿V形液穴凝固的特點(diǎn)還會(huì)引發(fā)錠坯內(nèi)外層金屬凝固收縮順序不同，導(dǎo)致豎直方向內(nèi)外層凝固金屬間存在較大的應(yīng)力，當(dāng)應(yīng)力值超過合金的承載能力時(shí)，就會(huì)發(fā)生開裂。此外，DC鑄造過程中開頭和收尾部分鑄錠冶金質(zhì)量不穩(wěn)定，需要去除，而鑄造井的深度又限制了鑄錠的最大長度，這些都在一定程度上降低了鋁合金豎直DC鑄造的成品率。

圖2 半連續(xù)鑄造冷卻過程示意圖Fig.2 Schematic of the cooling process of DC casting

圖3 鑄錠表層的非正常凝固組織Fig.3 Abnormally solidified structure in the surface zone of the ingot

為了降低鋁合金DC鑄造技術(shù)固有特點(diǎn)對(duì)鑄錠成品率和質(zhì)量的不利影響，在80多年的發(fā)展過程中，科研工作者和工程師不斷對(duì)鋁合金DC鑄造技術(shù)進(jìn)行改進(jìn)和升級(jí)，圍繞著提高錠坯的表面質(zhì)量和成品率、避免鑄錠內(nèi)部形成缺陷和改善內(nèi)部組織，不斷開發(fā)了很多新技術(shù)并獲得了實(shí)際應(yīng)用。

1.2 鋁合金圓錠豎直DC鑄造裝備(結(jié)晶器)的發(fā)展歷程

由于鋁合金DC鑄造過程中一次冷卻后形成的“氣隙”會(huì)使次表層出現(xiàn)粗大枝晶組織，凝固殼部分重熔，同時(shí)熔體與結(jié)晶器間彎月面的形成和凝固殼周期性收縮還會(huì)在鑄錠表面形成冷隔缺陷，使得鑄錠的表層組織無法直接用于加工，需要車皮或扒皮，這不僅降低了成品率、還增加了工序和成本。鋁合金圓錠DC鑄造技術(shù)得到實(shí)際應(yīng)用以來，圍繞著提高表面質(zhì)量，減小表面偏析層厚度開發(fā)出了大量的新技術(shù)和新工藝。這些技術(shù)通過改善澆注系統(tǒng)(控制液位高度)，調(diào)整一次冷卻強(qiáng)度(更換結(jié)晶器材質(zhì)，增加熱頂、采用油氣滑)，改善潤滑條件(采用油滑)，減少靜液壓力等多個(gè)方面不斷對(duì)結(jié)晶器結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)，有效地提高了鑄錠的表面質(zhì)量以及鑄錠的成品率。

傳統(tǒng)DC鑄造過程中降低結(jié)晶器內(nèi)液面高度雖在減少鑄錠表皮偏析層厚度方面有一定效果，但在鑄造開始階段如果液面較低會(huì)使初凝殼較薄，后續(xù)凝固過程中在熔體靜液壓力的作用下很容易產(chǎn)生拉裂、漏鋁等現(xiàn)象，從而造成嚴(yán)重的生產(chǎn)事故。瑞士 Alusuisse公司發(fā)明的Isocast法在鑄造系統(tǒng)內(nèi)設(shè)計(jì)了可升降的鑄造臺(tái)，并在流盤下安裝了浮動(dòng)漏斗，通過控制正常啟車后鑄造平臺(tái)的上升，從而降低結(jié)晶器內(nèi)的液位高度。20世紀(jì)60年代Reynolds Metals 公司開發(fā)出了一種新型隔熱膜鑄造技術(shù)[9]，其結(jié)構(gòu)如圖4所示。該項(xiàng)技術(shù)主要通過在結(jié)晶器上方加一個(gè)由隔熱材料所制成的保溫套筒，減少了結(jié)晶器內(nèi)熔體的傳熱，在能更好地控制液面高度的同時(shí)，也降低了結(jié)晶器的有效冷卻高度，從而提高表面質(zhì)量，這就是鋁合金熱頂鑄造技術(shù)的雛形。在此基礎(chǔ)上Reynolds Metals 公司開發(fā)出了如圖5所示[6]的同水平澆鑄的熱頂+鋁套結(jié)晶器。這種結(jié)晶器實(shí)現(xiàn)了鋁熔體的同水平平穩(wěn)澆鑄，使得操作更加方便，也是目前鋁合金圓錠DC鑄造的主要澆鑄方式。

圖4 傳統(tǒng)熱頂DC鑄造示意圖Fig.4 Schematic of the traditional hot-top DC casting

圖5 熱頂水平澆鑄示意圖Fig.5 Schematic of horizontal hot top DC casting

熱頂?shù)囊腚m然降低了結(jié)晶器的有效冷卻高度，但由于鋁套制成的結(jié)晶器傳熱過快，且摩擦因數(shù)很大，使制備的鑄錠表面易出現(xiàn)較嚴(yán)重的拉痕和冷隔。為降低一次水冷區(qū)的傳熱，減小結(jié)晶器與鑄錠之間的摩擦力，1968年美國鋁業(yè)公司在鋁套熱頂結(jié)晶器的基礎(chǔ)上安裝了通油管道，如圖6a所示[10]，管道將潤滑油注入結(jié)晶器內(nèi)壁，不但起到潤滑作用，而且形成的油膜在一定程度上降低了一次冷卻強(qiáng)度，從而有效減輕了拉痕和冷隔等現(xiàn)象[11]。但熱頂鋁套結(jié)晶器內(nèi)壁連續(xù)通油潤滑存在滲油不均勻的問題，影響鑄錠的表面質(zhì)量。1979年日本昭和公司發(fā)明了一種通油氣的新型鑄造方法[12]，設(shè)備如圖6b所示。這種油氣滑技術(shù)在鑄造過程中通過連續(xù)地向鑄錠表面和結(jié)晶器內(nèi)壁通入潤滑油和氣體，使氣體約束鑄錠成型。這樣在鑄錠和結(jié)晶器壁之間形成一層油氣膜，降低了一次冷卻的傳熱，也降低了鑄錠和結(jié)晶器壁之間的摩擦。這種方法可以有效改善鑄錠表面質(zhì)量，但是也存在對(duì)鑄造過程中的平穩(wěn)性控制要求高，容易出現(xiàn)油氣供應(yīng)不連續(xù)，油氣混合比例平衡難掌握等問題。1987年德國波恩鋁業(yè)開發(fā)了一種VAW氣膜鑄造結(jié)晶器，其結(jié)構(gòu)如圖6c所示。油和氣從兩個(gè)通道供應(yīng)，在一個(gè)環(huán)形通道內(nèi)混合后再供應(yīng)到結(jié)晶器壁，這種混合物具有更好的隔熱效果。通過壓力傳感器測(cè)得的壓力變化實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)油氣的比例，從而達(dá)到最好的效果。這種方法生產(chǎn)出的鑄錠表面質(zhì)量得到了顯著改善，表皮偏析層厚度只有約0.3 mm[13]。

圖6 鋁套結(jié)晶器不同DC鑄造方式示意圖Fig.6 Schematic of different DC casting methods with aluminum molds[10]

1965年Reynolds Metals 公司的Gunther[14]等人從降低一次冷卻強(qiáng)度以及減少結(jié)晶器與初凝殼摩擦因數(shù)角度考慮，進(jìn)一步開發(fā)了在結(jié)晶器內(nèi)壁鑲嵌石墨環(huán)的工藝，如圖7a所示。由于石墨的導(dǎo)熱率低，潤滑性好，相較于鋁套結(jié)晶器壁，石墨環(huán)不但降低了一次冷卻強(qiáng)度，同時(shí)也減少了結(jié)晶器與初凝殼之間的摩擦力，使得鑄錠的表面質(zhì)量得到了進(jìn)一步的提高。在此基礎(chǔ)上通過優(yōu)化和改進(jìn)，形成了同水平澆鑄的熱頂+石墨環(huán)的結(jié)晶器(圖7b)。該裝置比鋁合金結(jié)晶器的一次冷卻強(qiáng)度更弱，而且石墨還有自潤滑效果。因此，石墨環(huán)材質(zhì)的同水平熱頂鑄造裝置在鋁合金豎直DC鑄造領(lǐng)域的應(yīng)用更為廣泛，目前很多表面質(zhì)量要求不高的DC鑄造鋁合金仍然采用這種方式生產(chǎn)。

熱頂+石墨環(huán)的結(jié)晶器雖能有效降低一次冷卻高度和冷卻強(qiáng)度，并且有一定的自潤滑作用，但所制備鑄錠表面依然存在一定厚度的偏析層。1983年初美國Wagstaff公司[15]開發(fā)了多孔石墨環(huán)油氣滑熱頂鑄造技術(shù)，其結(jié)構(gòu)如圖7c所示。這種技術(shù)將多孔石墨環(huán)鑲嵌于結(jié)晶器內(nèi)壁，鑄造過程中使油氣通過多孔石墨環(huán)滲出，從而降低一次冷卻實(shí)現(xiàn)均勻潤滑。這種技術(shù)易于控制油氣均勻供應(yīng)且錠坯表面質(zhì)量好，是目前高質(zhì)量鋁合金圓錠DC鑄造的主流方式。但對(duì)于大直徑的圓錠，目前尚無法實(shí)現(xiàn)油氣滑鑄造，只能實(shí)現(xiàn)油滑鑄造。并且大直徑鑄錠的鑄造速度較慢，鑄錠的表面質(zhì)量問題還比較嚴(yán)重。

挪威Hycast[16]公司在1997年開發(fā)了一種雙多孔石墨環(huán)油氣滑DC鑄造結(jié)晶器，其結(jié)構(gòu)如圖7d所示。通過兩片石墨環(huán)實(shí)現(xiàn)鑄造過程中分別供油和供氣體，從而提高鑄錠表面質(zhì)量。

基于圖7d所示油氣滑鑄造結(jié)構(gòu)，Hycast[17]于2013年前后開發(fā)了低壓鑄造技術(shù)，其原理和所用鑄造設(shè)備如圖8所示[18]。在延續(xù)兩片石墨環(huán)分別供油供氣的基礎(chǔ)上，在熔池上方增加密封蓋板，鑄造過程正常啟動(dòng)后通過封閉上部蓋板和提升鑄造平臺(tái)，在穩(wěn)定過程中通過形成倒U形流槽供應(yīng)鋁液使流槽內(nèi)的液位高度與結(jié)晶器內(nèi)的液位高度一致，降低熔體與石墨環(huán)處的靜液壓力，可以進(jìn)一步降低初凝殼厚度、提高表面質(zhì)量。傳統(tǒng)油氣滑鑄造與低壓鑄造直徑203 mm的6082鋁合金鑄錠的皮下組織對(duì)比如圖9所示[18]。可以看到低壓鑄造錠坯的皮下幾乎沒有偏析層。這種技術(shù)在提高鑄錠表面質(zhì)量方面有獨(dú)特優(yōu)勢(shì)，該報(bào)道指出所生產(chǎn)的AA2024和AA7075鋁合金鑄錠同樣具有極佳的表面質(zhì)量，這種技術(shù)可生產(chǎn)最大直徑為520 mm的鋁合金鑄錠。國內(nèi)的江蘇亞太輕合金科技股份有限公司、山東信發(fā)鋁電集團(tuán)有限公司、云南云鋁澤鑫鋁業(yè)有限公司和四川福蓉科技股份公司相繼引進(jìn)了低壓鑄造技術(shù)用于高端鋁合金圓鑄錠的生產(chǎn)。與傳統(tǒng)的油氣滑鑄造技術(shù)不同，低壓鑄造啟動(dòng)到穩(wěn)定階段動(dòng)作復(fù)雜，自動(dòng)化程度高，通過軟件控制一些關(guān)鍵參數(shù)，仿制和消化吸收起來更為困難。

圖7 鑲嵌石墨環(huán)的熱頂DC鑄造結(jié)晶器示意圖Fig.7 Schematic of hot-top DC casting molds mounted with graphite rings

圖8 低壓DC鑄造原理與設(shè)備示意圖[18]Fig.8 Schematic of the basic principle and equipment of low pressure DC casting[18]

圖9 油氣滑鑄造與低壓鑄造直徑203 mm的6082鋁合金鑄錠的皮下組織[18]Fig.9 Subsurface microstructure of 6082 aluminum alloy ingots (with the diameter of 203 mm) prepared by the traditional oil and gas slip casting and low pressure casting technologies[18]

除了上述傳統(tǒng)的DC鑄造技術(shù)，20世紀(jì)70年代，蘇聯(lián)發(fā)明了電磁鑄造(EMC)[19],其結(jié)構(gòu)如圖10所示。EMC技術(shù)通過在結(jié)晶器外部施加電磁場(chǎng)產(chǎn)生的洛倫茲力約束熔體，使熔體直接受二次冷卻水作用凝固，避免了熔體與結(jié)晶器壁的接觸和初凝殼的形成，生產(chǎn)出的鑄錠表面質(zhì)量很好。但是這種技術(shù)操作過程復(fù)雜，生產(chǎn)成本高，并未得到廣泛應(yīng)用[20]。

2 鋁合金圓錠豎直DC鑄造的刮水板技術(shù)

上述DC鑄造裝備的改進(jìn)主要從澆鑄系統(tǒng)和結(jié)晶器結(jié)構(gòu)方面實(shí)現(xiàn)了更方便操作、更平穩(wěn)澆鑄和更好的錠坯表面質(zhì)量，從而提高了鋁合金DC鑄造的成品率和效率。但高合金化大尺寸圓鑄錠容易開裂的問題僅通過上述技術(shù)無法徹底解決。1955年凱撒鋁業(yè)開發(fā)了刮水板技術(shù)[21]，用于解決高合金含量鋁合金扁錠DC鑄造過程容易開裂的問題，其基本原理如圖11所示[22]。通過在下移的鑄錠表面施加一個(gè)耐熱塑膠制成的刮水裝置，將沿鑄錠表面流下的二次冷卻水刮掉，使得凝固后鑄錠溫度升高，減少凝固鑄錠內(nèi)外層的溫度差，降低鑄錠內(nèi)外收縮應(yīng)力差，同時(shí)提高錠坯的塑性，避免熱裂紋和冷裂紋的產(chǎn)生。這種技術(shù)主要用于抑制高合金含量鑄錠在鑄造過程中的開裂。近年來，國外研究人員已經(jīng)開始考慮通過優(yōu)化工藝和刮水板作用位置實(shí)現(xiàn)鑄錠的自回火效應(yīng)[23]，進(jìn)而提出省去鑄錠均勻化處理工序的新思路。這種技術(shù)也可用于圓錠DC鑄造生產(chǎn)，可以在鑄錠不開裂的前提下，提高鑄造速度，改善鑄錠質(zhì)量。圖12為Hycast有關(guān)低壓鑄造宣傳資料中的設(shè)備實(shí)物照片。

圖11 刮水板技術(shù)示意圖Fig.11 Schematic of the wiper technology

圖12 施加刮水板的DC鑄造過程照片F(xiàn)ig.12 Photo of DC casting process with wiper equipment

3 豎直DC鑄造鋁合金圓錠的組織調(diào)控技術(shù)

在解決DC鑄造鋁合金鑄錠表面質(zhì)量和鑄造成型問題的同時(shí)，科研工作者也一直關(guān)注鋁合金錠坯的內(nèi)部組織。細(xì)小均勻且沒有缺陷的組織是鋁合金鑄錠的理想組織。鋁合金在凝固過程中多以枝晶的形式生長，凝固組織涉及晶粒大小、形貌，枝晶臂間距和結(jié)晶相等。與鑄造條件直接相關(guān)的缺陷主要有宏觀偏析、微觀偏析、疏松等缺陷。為了避免形成粗大柱狀晶、羽毛晶，獲得較細(xì)小的等軸晶，通常在鋁合金DC鑄造過程中在線添加晶粒細(xì)化劑。這雖然能夠獲得等軸晶，但對(duì)于受冷卻速率影響更大的枝晶網(wǎng)格和結(jié)晶相的影響有限。鋁合金DC鑄造過程形成的V形液穴，不同位置固液前沿的凝固條件不同，不同位置的兩相區(qū)寬度、冷卻速率、熔體中晶粒的形核長大條件都存在較大的差異。這種差異使得鑄錠的內(nèi)部組織也存在著較大的差異，并沿鑄錠直徑方向形成宏觀偏析。液穴固液前沿兩相區(qū)的寬度以及兩相區(qū)內(nèi)的傳熱、傳質(zhì)等條件是影響鑄錠內(nèi)部組織的主要因素。在鑄錠尺寸一定的條件下，固液前沿的凝固條件更多地受熔體分流方式、澆鑄溫度和鑄造速度等參數(shù)的影響。而在結(jié)晶器結(jié)構(gòu)和分流方式一定的情況下，鑄造速度又成了影響固液前沿兩相區(qū)寬度及凝固條件的主要因素。除了鑄造速度等工藝參數(shù)的作用，通過施加外場(chǎng)影響液穴熔體的流動(dòng)，進(jìn)而影響液穴凝固前沿的凝固條件也是改善鋁合金錠坯微觀組織有效方法。

3.1 鑄造速度對(duì)組織的影響

鑄造速度是影響DC鑄造液穴形貌和深度的主要因素。液穴形貌和深度的變化會(huì)對(duì)液穴不同位置的凝固條件產(chǎn)生影響，進(jìn)而影響凝固組織。鑄造速度Vcast與凝固速率Vsol的關(guān)系可由公式(1)給出[24-25]：

Vcast=Vsolcosφ

(1)

式中：

φ—鑄錠軸線與液穴某處凝固前沿法線之間的夾角。

當(dāng)液穴固液前沿的兩相區(qū)很窄時(shí)(此時(shí)晶粒主要不在兩相區(qū)形核長大)，可以近似的認(rèn)為液穴的凝固速度決定晶粒的凝固時(shí)間，根據(jù)二次枝晶臂間距λ2與凝固時(shí)間tf的關(guān)系公式(2)可知[26]：隨著鑄錠鑄造速度的增加，凝固速率增加，凝固時(shí)間相應(yīng)減少，因此可以使二次枝晶臂在一定程度上得到細(xì)化。

λ2= 5.5(Mtf)1/3

(2)

式中：

M—取決于合金成分的系數(shù)。

而液穴固液前沿的兩相區(qū)很寬時(shí)，晶粒在兩相區(qū)的形核長大過程就成了影響晶粒尺寸和枝晶網(wǎng)格的主要因素。因此，隨著鑄造速度的增加，DC鑄錠晶粒形貌會(huì)呈現(xiàn)不同的變化趨勢(shì)。如Eskin等人[24]發(fā)現(xiàn)鑄造直徑為200 mm的Al- 4.5Cu合金圓錠時(shí)，鑄造速度由120 mm/min提高至200 mm/min后，鑄錠中心晶粒的平均直徑由250 μm減少至約200 μm，二次枝晶臂間距也由30 μm減小至約25 μm。他們還發(fā)現(xiàn)[25]鑄造直徑為200 mm的Al-2.8Cu合金圓錠時(shí)，鑄造速度由100 mm/min提高至200 mm/min后，鑄錠從邊部到中心具有雙重組織特征的浮游晶粒占比增多。Liu等人[27]發(fā)現(xiàn)鑄造直徑300 mm不含晶粒細(xì)化劑的2024鋁合金圓錠時(shí)，當(dāng)鑄造速度由50 mm/min提高至65 mm/min后，鑄錠中心位置平均晶粒尺寸由1100 μm減小至約700 μm。Liu等人[28]也發(fā)現(xiàn)DC鑄造直徑300 mm的2024鋁合金圓錠時(shí)，隨著鑄造速度的升高，鑄錠中心浮游晶的數(shù)量增加?？梢婅T造速度對(duì)鑄錠的凝固組織有明顯的影響，合理的速度匹配不僅關(guān)系著鑄錠的成形性和表面質(zhì)量，還直接關(guān)系著鑄錠內(nèi)部組織。

3.2 施加外場(chǎng)對(duì)組織的影響

DC鑄造過程中液穴熔池內(nèi)熔體的流動(dòng)會(huì)影響熔池內(nèi)的傳熱、傳質(zhì)，乃至固液前沿兩相區(qū)的寬度和凝固條件，這些直接影響鋁合金鑄錠的凝固組織。傳統(tǒng)鑄造過程中，液穴熔池內(nèi)的流動(dòng)主要受自然對(duì)流的影響。為了進(jìn)一步改善熔池內(nèi)熔體的流動(dòng)以及傳熱條件，科研工作者將外場(chǎng)施加于鋁合金熔池內(nèi)。典型的外場(chǎng)有電磁場(chǎng)、超聲場(chǎng)、內(nèi)冷場(chǎng)、熔體強(qiáng)剪切等。引入超聲場(chǎng)、內(nèi)冷場(chǎng)和熔體強(qiáng)剪切來影響熔池內(nèi)的流場(chǎng)和溫度場(chǎng)，進(jìn)而影響鑄錠內(nèi)部組織，是與熔體有接觸的外場(chǎng)施加方式；電磁場(chǎng)則是通過布置在結(jié)晶器壁外面的感應(yīng)線圈形成的感生磁場(chǎng)來影響熔池內(nèi)的流場(chǎng)和溫度場(chǎng)，進(jìn)而影響鑄錠內(nèi)部組織，是與熔體無接觸的外場(chǎng)施加方式。

超聲場(chǎng)[29-31]的施加是從上方將超聲桿置入鋁合金熔體中，通過與熔體接觸的超聲桿發(fā)出的超聲波在熔體中形成超聲場(chǎng)。超聲波及其在熔體中的空化作用可改變?nèi)鄢貎?nèi)合金熔體的傳熱和傳質(zhì)，進(jìn)而起到影響鑄錠凝固組織的作用。由于超聲桿與鋁合金熔體接觸，在高頻振動(dòng)作用下容易溶蝕，既污染鋁合金熔體又縮短超聲桿的使用壽命。一些特殊合金制成的超聲桿雖能減少溶蝕但價(jià)格很高。此外，超聲波在鋁合金熔體中的快速衰減也使得超聲波在鋁合金熔體中的作用區(qū)域有限。中南大學(xué)李曉謙[32-34]教授團(tuán)隊(duì)將多個(gè)超聲頭置入大尺寸2219鋁合金鑄錠DC鑄造過程中取得了很好的晶粒細(xì)化效果(超聲場(chǎng)裝置如圖13所示)。有關(guān)超聲場(chǎng)作用下鋁合金DC鑄造的相關(guān)研究多處于實(shí)驗(yàn)室研究階段，鮮有工業(yè)化實(shí)際應(yīng)用的報(bào)道。

圖13 超聲場(chǎng)裝置示意圖[34]Fig.13 Schematic of ultrasonic field device[34]

電磁場(chǎng)作為一種可以實(shí)現(xiàn)無接觸對(duì)熔體產(chǎn)生攪拌作用的方法，除利用高頻電磁場(chǎng)開發(fā)的EMC鑄造技術(shù)，還有利用更低頻率的電磁場(chǎng)開發(fā)的電磁攪拌技術(shù)。早在20世紀(jì)70年代，蘇聯(lián)科研工作者[35]已經(jīng)將低頻磁場(chǎng)用于制備直徑850 mm的鋁合金鑄錠，發(fā)現(xiàn)雖然電磁攪拌會(huì)對(duì)鑄錠造成一定的污染(應(yīng)該是增加了夾雜)，但鑄錠晶粒細(xì)小均勻，鍛造后裂紋廢品率下降了50%。Charles Vives[36]研究了施加工頻感應(yīng)磁場(chǎng)對(duì)直徑320 mm的2214鋁合金鑄錠組織的影響，發(fā)現(xiàn)工頻磁場(chǎng)可以顯著降低鑄錠的晶粒尺寸。值得注意的是這些磁場(chǎng)施加時(shí)所用的結(jié)晶器均不是熱頂結(jié)晶器，鑄造過程會(huì)造成液面的波動(dòng)。2000年前后崔建忠教授團(tuán)隊(duì)[37]將低頻電磁場(chǎng)引入到鋁合金DC鑄造過程中，利用更低頻率磁場(chǎng)的高滲透性提高熔池心部攪拌能力，并開發(fā)了LFEC鋁合金鑄造技術(shù)。經(jīng)過多年持續(xù)研究,崔建忠教授團(tuán)隊(duì)[38-39]在LFEC鋁合金鑄造技術(shù)裝備改進(jìn)、相關(guān)工藝的優(yōu)化以及相關(guān)磁場(chǎng)的作用機(jī)制方面取得了大的研究進(jìn)展。研究發(fā)現(xiàn)一定條件下適當(dāng)?shù)牡皖l磁場(chǎng)可以增加滲透深度、均勻鑄錠內(nèi)部的溫度場(chǎng)、細(xì)化晶粒、抑制裂紋、減少宏觀偏析，并提出了磁致過冷晶粒細(xì)化理論；同時(shí)發(fā)現(xiàn)電磁場(chǎng)作用不當(dāng)時(shí)也會(huì)引起鑄錠網(wǎng)格粗化，疏松數(shù)量增加等問題。崔建忠教授團(tuán)隊(duì)通過在熱頂鑄造結(jié)晶器上施加低頻磁場(chǎng)(如圖14所示)，可以實(shí)現(xiàn)在熔池內(nèi)形成強(qiáng)制對(duì)流的同時(shí)避免液面波動(dòng)，從而避免了因液面波動(dòng)可能對(duì)鑄錠造成的“污染”。并結(jié)合生產(chǎn)實(shí)際成功開發(fā)了多根低頻電磁DC鑄造平臺(tái)，在捷安特輕合金公司和云鋁公司等企業(yè)實(shí)現(xiàn)了工業(yè)化應(yīng)用；同時(shí)開發(fā)了大尺寸鑄錠的低頻電磁與油滑熱頂鑄造，較好地解決了大尺寸鑄錠晶粒尺寸均勻性和表面質(zhì)量的問題。該技術(shù)對(duì)于解決大尺寸鋁合金鑄錠內(nèi)部組織粗大問題具有較好的應(yīng)用前景。

圖14 電磁鑄造示意圖Fig.14 Schematic of electromagnetic casting

施加內(nèi)冷場(chǎng)是指通過在DC鑄造熔池心部施加冷卻裝置或冷料，進(jìn)而增加鑄錠心部冷卻并改善鑄錠內(nèi)部組織的方法。北京有研集團(tuán)張志峰教授團(tuán)隊(duì)[40]開發(fā)了內(nèi)冷場(chǎng)DC鑄造技術(shù)(如圖15所示)，主要是通過在熔池內(nèi)插入帶水冷的金屬管增加心部的冷卻、改善鑄錠心部的組織。這是一個(gè)很新穎的技術(shù)思路，但需要解決鋁在內(nèi)冷裝置上結(jié)晶和粘附的問題，為了解決這一問題張志峰教授團(tuán)隊(duì)也將電磁攪拌引入到內(nèi)冷場(chǎng)DC鑄造過程中，并在實(shí)驗(yàn)室條件下制備了大尺寸鋁合金鑄錠。朱成等人[41]提出了向DC熱頂鑄造熔池內(nèi)插入同質(zhì)冷料的雙冷場(chǎng)鑄造技術(shù)，并在實(shí)驗(yàn)室條件下做了大量的嘗試性研究工作。但這些技術(shù)都尚未獲得工業(yè)化的應(yīng)用。

圖15 內(nèi)冷場(chǎng)DC鑄造示意圖Fig.15 Schematic of DC casting with internal cooling field

熔體強(qiáng)剪切鑄造技術(shù)，指在半連續(xù)鑄造過程中施加熔體強(qiáng)剪切處理，是由Fan等人[42-44]近年來提出的一項(xiàng)新技術(shù)。該技術(shù)主要通過向常規(guī)DC鑄造的熔池內(nèi)施加一個(gè)帶有轉(zhuǎn)子和定子的強(qiáng)剪切裝置來調(diào)整熔池內(nèi)流場(chǎng)和溫度場(chǎng)，其結(jié)構(gòu)如圖16所示[28]。其特點(diǎn)在于通過旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)子將熔體(或半固態(tài)熔體)從裝置底部吸入，然后由周邊定子所開的小孔流出，當(dāng)熔體或半固態(tài)熔體流過轉(zhuǎn)子與定子的間隙和定子的小孔時(shí)產(chǎn)生強(qiáng)剪切作用；同時(shí)在裝置周邊形成強(qiáng)制對(duì)流。這種裝置的特點(diǎn)是在產(chǎn)生強(qiáng)制對(duì)流和剪切作用的同時(shí)不會(huì)造成熔體表面波動(dòng)，通過控制剪切裝置置入深度和轉(zhuǎn)速還可以較精準(zhǔn)的控制熔池底部局部區(qū)域的流場(chǎng)和溫度場(chǎng)，進(jìn)而改善鑄錠的凝固組織。在國內(nèi)外前期研究的基礎(chǔ)上[45-46]，作者所在的研究團(tuán)隊(duì)系統(tǒng)研究了熔體強(qiáng)剪切對(duì)直徑300 mm的2024鋁合金鑄錠DC鑄造過程的影響，發(fā)現(xiàn)不同的強(qiáng)剪切條件可以獲得不同特點(diǎn)的凝固組織。當(dāng)剪切裝置置入位置較深且轉(zhuǎn)速快時(shí)可以獲得心部晶粒更細(xì)小的鑄錠，不添加晶粒細(xì)化劑條件下的細(xì)化效果可以達(dá)到添加細(xì)化劑的普通鑄錠的細(xì)化效果。強(qiáng)剪切和磁場(chǎng)同時(shí)施加時(shí)還可以獲得更高的鑄造速度，在鑄造速度150 mm/min條件下鑄錠未發(fā)生開裂。同時(shí)發(fā)現(xiàn)適當(dāng)?shù)膹?qiáng)剪切工藝可以有效影響液穴底部糊狀區(qū)、漿料區(qū)的寬度和凝固條件，減少粗大枝晶網(wǎng)格、光亮晶和大尺寸疏松的形成，并使結(jié)晶相細(xì)化?，F(xiàn)有研究表明鑄造工藝參數(shù)與剪切參數(shù)的合理匹配可以有效改善鑄錠心部的凝固組織，但對(duì)于不同規(guī)格不同鑄造工藝條件的鑄錠需要通過實(shí)驗(yàn)獲得合理的參數(shù)匹配。熔體強(qiáng)剪切鑄造技術(shù)作為一種方便施加且有很好應(yīng)用前景的新技術(shù)，還需要大量的基礎(chǔ)研究工作。作者認(rèn)為該技術(shù)在解決大尺寸鑄錠鑄造過程中速度慢、易開裂、鑄錠心部組織粗大和缺陷多等問題具有較好的應(yīng)用前景。

圖16 熔體強(qiáng)剪切裝置示意圖Fig.16 Schematic of the intensive melt shearing device

4 結(jié)束語

經(jīng)過80多年的應(yīng)用和發(fā)展，鋁合金圓錠豎直DC鑄造技術(shù)不斷改進(jìn)和升級(jí)，以提高成品率、鑄錠質(zhì)量、生產(chǎn)效率和控制成本。擠壓和鍛造產(chǎn)品種類多的特點(diǎn)也使得鋁合金圓錠的生產(chǎn)呈現(xiàn)多品種、多規(guī)格、小批量的特點(diǎn)。多數(shù)鋁合金圓錠DC鑄造所配置的爐子的噸位在25 t以下。而鋁合金圓錠的直徑從幾十毫米到1 m左右不等，牌號(hào)涵蓋了鋁合金的所有系列。企業(yè)對(duì)不同尺寸的鋁合金圓鑄錠質(zhì)量的關(guān)注點(diǎn)不同。對(duì)于直徑較小、心部冷卻速率較高的錠坯，一般更關(guān)注鑄錠的表面質(zhì)量和成品率；而對(duì)于直徑大、心部冷卻速率緩慢的錠坯，錠坯內(nèi)部組織和宏觀偏析的控制顯得更為重要。國外的科研院所及企業(yè)從分流方式、結(jié)晶器結(jié)構(gòu)、冷卻方式、刮水板作用等方面對(duì)鋁合金DC鑄造的基本原理和技術(shù)進(jìn)行了大量的基礎(chǔ)研究。國外裝備開發(fā)制造企業(yè)擁有自己中試基地，可以進(jìn)行大量的基礎(chǔ)研究并對(duì)新開發(fā)的裝備進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，引領(lǐng)著先進(jìn)DC鑄造技術(shù)的發(fā)展方向。2013年Hycast開發(fā)出先進(jìn)的低壓鑄造技術(shù)已被一些國內(nèi)企業(yè)高價(jià)引入。通過DC技術(shù)改進(jìn)實(shí)現(xiàn)鑄錠免均勻化處理的新理念已被提出，并申請(qǐng)了相關(guān)專利。生產(chǎn)效率、成品率和安全性(無需儲(chǔ)水的深井)更高的鋁合金水平連鑄技術(shù)已經(jīng)被Hertwich Engineering開發(fā)出來，并應(yīng)用于直徑350 mm以內(nèi)的鋁合金錠坯生產(chǎn)，相關(guān)報(bào)道指出這種生產(chǎn)方式可連續(xù)鑄造3 d～5 d，一條線一年可以生產(chǎn)4萬t鑄錠[47]。

我國鋁加工企業(yè)最初采用的先進(jìn)鋁合金DC鑄造技術(shù)多以引進(jìn)為主，經(jīng)多年的發(fā)展，國內(nèi)的結(jié)晶器制造企業(yè)已可對(duì)國外大部分裝備在消化吸收的基礎(chǔ)上進(jìn)行仿制(除了低壓鑄造技術(shù))。鋁合金圓鑄錠需求量大、品種規(guī)格多的特點(diǎn)也使得目前國內(nèi)企業(yè)采用的圓鑄錠DC鑄造技術(shù)種類眾多，國內(nèi)企業(yè)既有傳統(tǒng)的熱頂石墨環(huán)鑄造法，又有先進(jìn)的Wagstaff油氣滑鑄造法和Hycast低壓鑄造法，還有老式浮漂分流的DC鑄造技術(shù)。Wagstaff油氣滑鑄造法生產(chǎn)鑄錠的直徑多在350 mm以內(nèi)，而Hycast低壓鑄造法則可以生產(chǎn)直徑為520 mm的鑄錠。隨著我國大噸位擠壓機(jī)數(shù)量的增加和一些裝備對(duì)大尺寸鍛件需求的增加，鋁合金大尺寸圓鑄錠的需求也越來越多，但極慢的鑄造速度和心部極低的冷卻速率容易導(dǎo)致鑄錠心部的組織粗大、疏松等缺陷增加，這是大尺寸鋁合金鑄錠DC鑄造存在的主要問題。目前，國內(nèi)也引進(jìn)了一些大尺寸鑄錠(直徑800 mm、600 mm)油滑DC鑄造技術(shù)和直徑520 mm鑄錠的低壓鑄造技術(shù)。但一些更大尺寸的鑄造結(jié)晶器需要國內(nèi)企業(yè)自主開發(fā)。刮水板技術(shù)為提高大尺寸鑄錠的鑄造速度、改善內(nèi)部組織提供了新的技術(shù)思路。無接觸的低頻電磁鑄造技術(shù)和方便施加的熔體強(qiáng)剪切技術(shù)為大尺寸鑄錠內(nèi)部組織的改善提供了新的技術(shù)解決方案。但這些技術(shù)的成熟應(yīng)用仍需要大量的實(shí)驗(yàn)研究，需要在具有一定裝備水平的企業(yè)配合進(jìn)行工業(yè)化試驗(yàn)。

對(duì)表面質(zhì)量、成品率、生產(chǎn)效率和鑄錠質(zhì)量的改進(jìn)是鋁加工企業(yè)不斷進(jìn)行技術(shù)改進(jìn)的動(dòng)力。但先進(jìn)的DC鑄造技術(shù)幾乎全是國外企業(yè)在多年積累的基礎(chǔ)上摸索出來的。國內(nèi)的DC鑄造基礎(chǔ)研究相對(duì)落后，國外相關(guān)文獻(xiàn)資料也未完全系統(tǒng)地漢化，無法形成有效的技術(shù)資料支撐。我國相關(guān)企業(yè)通過消化吸收和仿制雖已能夠制備熱頂鑄造和油氣滑鑄造裝備，但這些國內(nèi)企業(yè)多沒有熔鑄實(shí)驗(yàn)線，缺少基礎(chǔ)的數(shù)據(jù)積累。企業(yè)在完成仿制后，對(duì)于如何繼續(xù)進(jìn)行技術(shù)升級(jí)難以提出明確技術(shù)方向，這使得我國在DC鑄造領(lǐng)域的創(chuàng)新能力不足。

總之，我國雖已經(jīng)成為變形鋁合金產(chǎn)量最大的國家，但我國在鋁合金DC鑄造技術(shù)方面的基礎(chǔ)研究和創(chuàng)新能力落后于國外先進(jìn)企業(yè)的。主要表現(xiàn)在基本數(shù)據(jù)收集和基礎(chǔ)研究不足，國內(nèi)結(jié)晶器制造商多以仿制為主，沒有自主的研發(fā)能力，缺少技術(shù)開發(fā)的中試基地。在鋁加工行業(yè)競(jìng)爭日益加劇的背景下，鋁加工企業(yè)更加關(guān)注鋁合金DC鑄造過程中的成本和效率，而我國DC鑄造技術(shù)領(lǐng)域基礎(chǔ)研究和技術(shù)創(chuàng)新能力落后的現(xiàn)狀影響了鋁加工企業(yè)的國際競(jìng)爭力，一些關(guān)鍵鋁合金產(chǎn)品DC鑄造技術(shù)甚至還成了制約我國關(guān)鍵裝備制造的“卡脖子”技術(shù)。國家和鋁加工企業(yè)應(yīng)該在DC鑄造技術(shù)研發(fā)方面加大投入，不斷增加我國DC鑄造技術(shù)領(lǐng)域的創(chuàng)新能力，使我國在鋁合金鑄造技術(shù)乃至鋁加工領(lǐng)域完成從跟跑到領(lǐng)跑的超越。

致謝

本文在撰寫過程中，一些企業(yè)的專家提供了寶貴的信息并提出了合理的建議，在此特別感謝重慶庭澳冶金新材料有限公司的黃春總經(jīng)理和云南云鋁澤鑫鋁業(yè)有限公司的王征部長。