浅议热顶铸造技术在铝合金空心圆铸锭生产的应用与发展

闫磊

[摘要]本文论述了热顶铸造技术在铝合金空心圆铸锭生产的应用与发展，为热顶铸造技术在铝合金空心圆铸锭生产的应用走持续、稳定及健康的发展道路提供了一定的见解。

[关键词]热顶铸造技术 铝合金空心圆铸锭 生产 应用 发展

1、引言

随着铝加工业的不断发展，市场对铝加工产品的质量要求越来越高。作为铝产品加工的源头，铸锭品质是影响铝加工终端产品质量、成材率、综合成本与效益的重要因素。随着科学技术的发展对铝材产品质量的要求越来越高。而铸锭质量对铝材产品的质量则起着重要的作用。

2、对热顶铸造技术在铝合金空心圆铸锭生产的认识与分析

2.1、对热顶铸造的工作原理、工艺参数、铸锭质量等问题的研究。

a）、工作原理与结晶器装置

1）、工作原理。借助于水冷铸模下所用的冷却液的作用，确保已凝固的金属不在铸锭表面上局部地重熔，使整个铸锭获得所要求的凝固前沿的形状。即通常所指的凝固发生在铸锭的上流导热距离UCD之内。UCD系指由铸锭直接喷水线向上的冷却至铸锭表面上凝固线问的距离。

2）、结晶器装置。结晶器由两部分组成：一部分是较短的，未被隔热的，为铸锭借助于成型的冷却部分，一部分是被隔热的，起保温作用的“热顶”部分。

b）、工艺参数的选择及对质量的影响

1）、有效冷却高度。其值等于由铸锭直接喷水线向上至硅酸铝纤维毡下缘的距离减去喷水线向上至结晶器下缘的距离。从UCD关系式可以看出，UCD与铸造速度成反比关系。

2）、液柱静压力。熔体静压力大小与通向热顶的流槽高度和操作者控制流槽内液面高度等有关。要使熔体静压力始终保持一个恒定值是不易做到的。有资料表明：结晶器内的熔体液柱高为50mm或更小一些时，才能生产出表面相当光滑的铸锭。超过这个数值，无论怎样调整铸速或其他可变因素，都程度不同地会出现冷隔。然而，这个数值对于有效地使用热顶系统来说实在太低了。其将会造成实际操作上的困难。但其可通过将有效冷却高度和铸造速度控制在一个恒定数值上，使熔体的静压力相对保持在某一范围内波动。

3）、铸造速度。在其他参数确定后，随铸速的提高，上流导热距离下移铸锭不出现冷隔，但会有偏析浮出物。当铸速提高到裂纹扩展速度时，铸锭内部会产生裂纹。此时若立刻降低速度，则上流导热距离的顶端上移，铸锭内部裂纹便能愈合。再进一步降低铸速，则将会导致冷隔出现，直至表面有拉痕、拉裂现象。其次在铸造过程中，都希望UCD伸展到距“热顶”底端面约12mm-15mm以内，这是铸造速度的一个重要参数。这可通过改变水湿线的距离加以解决。而满足前者的措施最好是采用无级调速铸造机。选用恒定的加速度，连续逐段地把铸速从开头低于裂纹扩展速度，逐渐提高到裂纹扩展速度与裂纹起始速度之间，并保持之，一直到铸造终了。

2.2、铝合金热顶铸造空心锭出现品质问题

a1、热顶铸造空心铸锭的内孔偏心问题。随着机械加工精度的不断提高，对作为零件加工毛坯的铝合金无缝管的精度的要求也随之提高。由于均匀的壁厚是铝合金无缝管的重要几何参数之一，因此挤压出的铝合金无缝管偏心量不能大，而且每批管材的尺寸要求均匀一致。

b）、热顶铸造空心铸锭内孔拉裂、漏铝。由于热顶铸造空心铸锭使用的结晶器及结晶芯子的工作带较短，因此拉裂和漏铝主要是由空心铸锭内孔冷却速度过大造成的。冷却速度过大，使铸锭内壁部位提前凝固，塑性较差，在结晶芯子下部工作带的摩擦力作用下，将较薄的凝壳拉开而漏铝。这种现象在某些铝加工企业有一定的规律性。其均在空心铸锭浇注到1.5 m左右部位时，出现拉裂、漏铝、返水现象，严重时引起铝水爆炸。

3、依靠技术进步，以促进热顶铸造技术在铝合金空心圆铸锭生产应用的可持续发展

热顶铸造空心锭缺陷的解决措施

根据以上分析，对于违反工艺制度而出现的品质缺陷，只要严格按照工艺操作规程操作，品质缺陷都可以消除。针对铸锭内孔偏心、内孔拉裂、漏铝的问题，提出如下解决力一案。

a1、铸造模具结构改进。铝合金热顶铸造空心铸锭产生内孔偏心的主要原因是铸造模具结构设计不合理。针对结晶器、结晶芯子与空心底座中心線重合困难，同心度难以保证，结晶芯子悬臂较长，铸造时在铝水冲刷下易引起相对于空心底座内孔偏移的问题，对热顶铸造空心铸锭所使用的铸造模具结构进行了改进。

b）、热顶铸造空心铸锭内孔漏铝问题的解决。铝合金热顶铸造拉裂、漏铝现象是一个综合性强连锁反应的问题。一般情况下，铸锭内孔冷却强度不要过大，芯子喷水角设计为小于300，结晶器喷水角设计为200-250，芯子水压不要调的太高，约为0.02MPa。而且其要观察铸锭凝固收缩线位置，使凝固收缩线位置控制在离内孔壁1/3处最佳，以保证结晶器热帽与结晶器配合无缝隙，结晶器与热帽联接处圆滑过渡，而且要避免存在900角。结晶芯子与保温套之间配合要紧密，不能存在微小的缝隙。否则其极易夹铝而导致先期凝固而引起拉裂漏铝的现象发生。

4、结束语：热顶法能实现同水平铸造，便于使用熔体净化处理装置，而且能控制铸造时熔体的再污染。铸造过程中熔体表面的氧化物也不易被卷入熔体之中，而滞留在浇口部上面。由于不使用浮漂漏斗，所以与浮漂漏斗相对应处也不易产生羽毛晶。这些优点，对于象兵器、宇航等重要工业部门，要求提供含气量少、无氧化夹杂、组织性能高的模、锻件制品，都将能达到满意要求。随着热顶铸造工艺的稳定，其不仅提高了铸造机的生产效率和铸造成品率，而且对加工车间而言，由于铸锭均匀化时间缩短，无边部偏析、横截面上枝晶网络细小，因此其大大提高了挤压速度及成品率，使其能获得更大的经济效益。