鋁合金圓鑄錠豎直半連續(xù)鑄造技術的發(fā)展

朱慶豐，程 龍，王 睿，趙志浩，左玉波，崔建忠

(1.東北大學 材料電磁過程研究教育部重點實驗室，遼寧 沈陽 110819；2.東北大學 材料科學與工程學院，遼寧 沈陽 110819； 3.東北大學 材料先進制備技術教育部工程研究中心，遼寧 沈陽 110819)

鋁合金DC鑄造技術已在鋁加工行業(yè)廣泛應用了80多年，在對成品率、生產效率和錠坯內部冶金質量等方面需求的驅動下，DC鑄造技術不斷發(fā)展。近些年，仍有如低壓鑄造等新技術被開發(fā)并實現工業(yè)化應用。在DC鑄造技術幾十年的發(fā)展過程中涌現出了一批知名DC鑄造技術制造供應商，如Wagstaff，Hertwich Engineering，Hycast, Almex USA等。企業(yè)通過技術迭代不斷提高鋁合金DC鑄錠的表面質量、成品率和冶金質量，增加市場的競爭力，并引領著DC鑄造技術的最新發(fā)展方向。一些企業(yè)已經開始關注液穴固液前沿兩相區(qū)凝固條件對結晶相尺寸的影響，并提出了錠坯免均勻化處理的新理念。

我國2021年鋁加工材產量為4 470萬t，其中擠壓材和鍛件產量合計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的第一道工序又是鋁合金生產的關鍵環(huán)節(jié)，錠坯的冶金質量和成品率直接關系著最終鋁材的質量和成品率。我國鋁合金的DC鑄造技術發(fā)展比較滯后，鋁加工企業(yè)采用DC鑄造技術主要以引進和仿制為主，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)并被國內企業(yè)引進的。經過近十幾年的發(fā)展，國內企業(yè)通過消化吸收和仿制基本能生產大部分裝備并滿足市場需求。但由于缺乏系統(tǒng)的基礎研究，我國在DC鑄造新技術開發(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技術和新理念仍由國外企業(yè)引領。

國內相關文獻[1-3]對鋁合金圓錠DC鑄造新技術的發(fā)展進行了分析和梳理，但有關近些年最新發(fā)展趨勢的報道還不夠系統(tǒng)。本文作者對鋁合金豎直圓錠DC鑄造發(fā)展歷程和新的發(fā)展動態(tài)進行了梳理。

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

1.1 鋁合金圓錠豎直DC鑄造技術的基本原理及特點

半連續(xù)豎直鑄造技術于20世紀30年代發(fā)明[4]。20世紀40年代美國鋁業(yè)公司和德國的Vereinigte Leichtmetall Werke(VLW)公司幾乎同時獨立開發(fā)了鋁合金半連續(xù)鑄造工藝[5]，并成為二戰(zhàn)時期生產變形鋁合金的主要手段。半連續(xù)鑄造過程如圖1所示[6]。其主要特點是將熔煉后的鋁熔體通過分流系統(tǒng)進入結晶器，并在結晶器內經過冷卻形成初凝殼，被引錠裝置牽引出結晶器后在二次冷卻水的作用下進一步凝固成鑄錠，當結晶器內熔體流入量與引錠裝置的下移速度達到動態(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，便可實現鑄錠的連續(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現平穩(wěn)澆鑄(避免澆鑄過程中造渣裹氣)、動態(tài)凝固過程中不斷補縮(避免過大的縮孔)、能制造更長鑄錠、容易實現自動化、生產效率高等特點。自DC鑄造技術開發(fā)以來被廣泛地應用于鋁合金鑄錠的制備[7]。到20世紀50年代，半連續(xù)鑄造幾乎完全取代了傳統(tǒng)的模鑄技術，成為生產大尺寸變形鋁合金鑄錠的主流技術。

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

盡管DC鑄造技術較模鑄技術具有諸多明顯優(yōu)點，但DC鑄造仍有其自身一些缺點，這是由DC鑄造技術的基本原理和鑄造過程的凝固特點決定的。經過80多年的發(fā)展，該技術的基本原理和凝固特點并未發(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晶器內下移過程中會經過兩次明顯的冷卻作用，一次冷卻是指熔體與結晶器壁接觸時發(fā)生的冷卻，經一次冷卻后會快速形成凝固坯殼，并因凝固收縮形成氣隙，冷卻速率降低；當二次冷卻水直接噴到凝固坯殼后，鑄錠的冷卻速率會再次增加(發(fā)生二次冷卻)，熱量會不斷從錠坯的內部傳遞到鑄錠表面，并形成一個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形成氣隙，DC鑄造錠坯凝固過程中橫向不同位置熔體結晶時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，鑄錠在結晶器內凝固的表層坯殼會被內部熔體重新加熱并發(fā)生局部(晶界上的低熔點相)重熔，在內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，而次表層也會因冷卻速率低形成枝晶網格比較粗大的組織，如圖3所示[8]。這些表層的非正常凝固組織在后續(xù)的加工過程中會影響制品的質量，需要去除。當二次冷卻水開始發(fā)揮作用后，錠坯次表層以內區(qū)域結晶時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形液穴推進時，會造成熔體內溶質元素沿錠坯橫向分布不均勻，形成宏觀偏析。錠坯沿V形液穴凝固的特點還會引發(fā)錠坯內外層金屬凝固收縮順序不同，導致豎直方向內外層凝固金屬間存在較大的應力，當應力值超過合金的承載能力時，就會發(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鑄造技術固有特點對鑄錠成品率和質量的不利影響，在80多年的發(fā)展過程中，科研工作者和工程師不斷對鋁合金DC鑄造技術進行改進和升級，圍繞著提高錠坯的表面質量和成品率、避免鑄錠內部形成缺陷和改善內部組織，不斷開發(fā)了很多新技術并獲得了實際應用。

1.2 鋁合金圓錠豎直DC鑄造裝備(結晶器)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”會使次表層出現粗大枝晶組織，凝固殼部分重熔，同時熔體與結晶器間彎月面的形成和凝固殼周期性收縮還會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鑄造技術得到實際應用以來，圍繞著提高表面質量，減小表面偏析層厚度開發(fā)出了大量的新技術和新工藝。這些技術通過改善澆注系統(tǒng)(控制液位高度)，調整一次冷卻強度(更換結晶器材質，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方面不斷對結晶器結構進行改進，有效地提高了鑄錠的表面質量以及鑄錠的成品率。

傳統(tǒng)DC鑄造過程中降低結晶器內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生拉裂、漏鋁等現象，從而造成嚴重的生產事故。瑞士 Alusuisse公司發(fā)明的Isocast法在鑄造系統(tǒng)內設計了可升降的鑄造臺，并在流盤下安裝了浮動漏斗，通過控制正常啟車后鑄造平臺的上升，從而降低結晶器內的液位高度。20世紀60年代Reynolds Metals 公司開發(fā)出了一種新型隔熱膜鑄造技術[9]，其結構如圖4所示。該項技術主要通過在結晶器上方加一個由隔熱材料所制成的保溫套筒，減少了結晶器內熔體的傳熱，在能更好地控制液面高度的同時，也降低了結晶器的有效冷卻高度，從而提高表面質量，這就是鋁合金熱頂鑄造技術的雛形。在此基礎上Reynolds Metals 公司開發(fā)出了如圖5所示[6]的同水平澆鑄的熱頂+鋁套結晶器。這種結晶器實現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

熱頂的引入雖然降低了結晶器的有效冷卻高度，但由于鋁套制成的結晶器傳熱過快，且摩擦因數很大，使制備的鑄錠表面易出現較嚴重的拉痕和冷隔。為降低一次水冷區(qū)的傳熱，減小結晶器與鑄錠之間的摩擦力，1968年美國鋁業(yè)公司在鋁套熱頂結晶器的基礎上安裝了通油管道，如圖6a所示[10]，管道將潤滑油注入結晶器內壁，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度，從而有效減輕了拉痕和冷隔等現象[11]。但熱頂鋁套結晶器內壁連續(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]，設備如圖6b所示。這種油氣滑技術在鑄造過程中通過連續(xù)地向鑄錠表面和結晶器內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，也降低了鑄錠和結晶器壁之間的摩擦。這種方法可以有效改善鑄錠表面質量，但是也存在對鑄造過程中的平穩(wěn)性控制要求高，容易出現油氣供應不連續(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氣膜鑄造結晶器，其結構如圖6c所示。油和氣從兩個通道供應，在一個環(huán)形通道內混合后再供應到結晶器壁，這種混合物具有更好的隔熱效果。通過壓力傳感器測得的壓力變化實時調節(jié)油氣的比例，從而達到最好的效果。這種方法生產出的鑄錠表面質量得到了顯著改善，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度以及減少結晶器與初凝殼摩擦因數角度考慮，進一步開發(fā)了在結晶器內壁鑲嵌石墨環(huán)的工藝，如圖7a所示。由于石墨的導熱率低，潤滑性好，相較于鋁套結晶器壁，石墨環(huán)不但降低了一次冷卻強度，同時也減少了結晶器與初凝殼之間的摩擦力，使得鑄錠的表面質量得到了進一步的提高。在此基礎上通過優(yōu)化和改進，形成了同水平澆鑄的熱頂+石墨環(huán)的結晶器(圖7b)。該裝置比鋁合金結晶器的一次冷卻強度更弱，而且石墨還有自潤滑效果。因此，石墨環(huán)材質的同水平熱頂鑄造裝置在鋁合金豎直DC鑄造領域的應用更為廣泛，目前很多表面質量要求不高的DC鑄造鋁合金仍然采用這種方式生產。

熱頂+石墨環(huán)的結晶器雖能有效降低一次冷卻高度和冷卻強度，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，其結構如圖7c所示。這種技術將多孔石墨環(huán)鑲嵌于結晶器內壁，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現均勻潤滑。這種技術易于控制油氣均勻供應且錠坯表面質量好，是目前高質量鋁合金圓錠DC鑄造的主流方式。但對于大直徑的圓錠，目前尚無法實現油氣滑鑄造，只能實現油滑鑄造。并且大直徑鑄錠的鑄造速度較慢，鑄錠的表面質量問題還比較嚴重。

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鑄造結晶器，其結構如圖7d所示。通過兩片石墨環(huán)實現鑄造過程中分別供油和供氣體，從而提高鑄錠表面質量。

基于圖7d所示油氣滑鑄造結構，Hycast[17]于2013年前后開發(fā)了低壓鑄造技術，其原理和所用鑄造設備如圖8所示[18]。在延續(xù)兩片石墨環(huán)分別供油供氣的基礎上，在熔池上方增加密封蓋板，鑄造過程正常啟動后通過封閉上部蓋板和提升鑄造平臺，在穩(wěn)定過程中通過形成倒U形流槽供應鋁液使流槽內的液位高度與結晶器內的液位高度一致，降低熔體與石墨環(huán)處的靜液壓力，可以進一步降低初凝殼厚度、提高表面質量。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比如圖9所示[18]?？梢钥吹降蛪鸿T造錠坯的皮下幾乎沒有偏析層。這種技術在提高鑄錠表面質量方面有獨特優(yōu)勢，該報道指出所生產的AA2024和AA7075鋁合金鑄錠同樣具有極佳的表面質量，這種技術可生產最大直徑為520 mm的鋁合金鑄錠。國內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了低壓鑄造技術用于高端鋁合金圓鑄錠的生產。與傳統(tǒng)的油氣滑鑄造技術不同，低壓鑄造啟動到穩(wěn)定階段動作復雜，自動化程度高，通過軟件控制一些關鍵參數，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，20世紀70年代，蘇聯(lián)發(fā)明了電磁鑄造(EMC)[19],其結構如圖10所示。EMC技術通過在結晶器外部施加電磁場產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，避免了熔體與結晶器壁的接觸和初凝殼的形成，生產出的鑄錠表面質量很好。但是這種技術操作過程復雜，生產成本高，并未得到廣泛應用[20]。

2 鋁合金圓錠豎直DC鑄造的刮水板技術

上述DC鑄造裝備的改進主要從澆鑄系統(tǒng)和結晶器結構方面實現了更方便操作、更平穩(wěn)澆鑄和更好的錠坯表面質量，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無法徹底解決。1955年凱撒鋁業(yè)開發(fā)了刮水板技術[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，減少凝固鑄錠內外層的溫度差，降低鑄錠內外收縮應力差，同時提高錠坯的塑性，避免熱裂紋和冷裂紋的產生。這種技術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，國外研究人員已經開始考慮通過優(yōu)化工藝和刮水板作用位置實現鑄錠的自回火效應[23]，進而提出省去鑄錠均勻化處理工序的新思路。這種技術也可用于圓錠DC鑄造生產，可以在鑄錠不開裂的前提下，提高鑄造速度，改善鑄錠質量。圖12為Hycast有關低壓鑄造宣傳資料中的設備實物照片。

圖11 刮水板技術示意圖Fig.11 Schematic of the wiper technology

圖12 施加刮水板的DC鑄造過程照片Fig.12 Photo of DC casting process with wiper equipment

3 豎直DC鑄造鋁合金圓錠的組織調控技術

在解決DC鑄造鋁合金鑄錠表面質量和鑄造成型問題的同時，科研工作者也一直關注鋁合金錠坯的內部組織。細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，枝晶臂間距和結晶相等。與鑄造條件直接相關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，獲得較細小的等軸晶，通常在鋁合金DC鑄造過程中在線添加晶粒細化劑。這雖然能夠獲得等軸晶，但對于受冷卻速率影響更大的枝晶網格和結晶相的影響有限。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)內的傳熱、傳質等條件是影響鑄錠內部組織的主要因素。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的影響。而在結晶器結構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的作用，通過施加外場影響液穴熔體的流動，進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對液穴不同位置的凝固條件產生影響，進而影響凝固組織。鑄造速度Vcast與凝固速率Vsol的關系可由公式(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。

當液穴固液前沿的兩相區(qū)很窄時(此時晶粒主要不在兩相區(qū)形核長大)，可以近似的認為液穴的凝固速度決定晶粒的凝固時間，根據二次枝晶臂間距λ2與凝固時間tf的關系公式(2)可知[26]：隨著鑄錠鑄造速度的增加，凝固速率增加，凝固時間相應減少，因此可以使二次枝晶臂在一定程度上得到細化。

λ2= 5.5(Mtf)1/3

(2)

式中：

M—取決于合金成分的系數。

而液穴固液前沿的兩相區(qū)很寬時，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鑄錠晶粒形貌會呈現不同的變化趨勢。如Eskin等人[24]發(fā)現鑄造直徑為200 mm的Al- 4.5Cu合金圓錠時，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[25]鑄造直徑為200 mm的Al-2.8Cu合金圓錠時，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)現鑄造直徑300 mm不含晶粒細化劑的2024鋁合金圓錠時，當鑄造速度由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DC鑄造直徑300 mm的2024鋁合金圓錠時，隨著鑄造速度的升高，鑄錠中心浮游晶的數量增加?？梢婅T造速度對鑄錠的凝固組織有明顯的影響，合理的速度匹配不僅關系著鑄錠的成形性和表面質量，還直接關系著鑄錠內部組織。

3.2 施加外場對組織的影響

DC鑄造過程中液穴熔池內熔體的流動會影響熔池內的傳熱、傳質，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，液穴熔池內的流動主要受自然對流的影響。為了進一步改善熔池內熔體的流動以及傳熱條件，科研工作者將外場施加于鋁合金熔池內。典型的外場有電磁場、超聲場、內冷場、熔體強剪切等。引入超聲場、內冷場和熔體強剪切來影響熔池內的流場和溫度場，進而影響鑄錠內部組織，是與熔體有接觸的外場施加方式；電磁場則是通過布置在結晶器壁外面的感應線圈形成的感生磁場來影響熔池內的流場和溫度場，進而影響鑄錠內部組織，是與熔體無接觸的外場施加方式。

超聲場[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。超聲波及其在熔體中的空化作用可改變熔池內合金熔體的傳熱和傳質，進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。中南大學李曉謙[32-34]教授團隊將多個超聲頭置入大尺寸2219鋁合金鑄錠DC鑄造過程中取得了很好的晶粒細化效果(超聲場裝置如圖13所示)。有關超聲場作用下鋁合金DC鑄造的相關研究多處于實驗室研究階段，鮮有工業(yè)化實際應用的報道。

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

電磁場作為一種可以實現無接觸對熔體產生攪拌作用的方法，除利用高頻電磁場開發(fā)的EMC鑄造技術，還有利用更低頻率的電磁場開發(fā)的電磁攪拌技術。早在20世紀70年代，蘇聯(lián)科研工作者[35]已經將低頻磁場用于制備直徑850 mm的鋁合金鑄錠，發(fā)現雖然電磁攪拌會對鑄錠造成一定的污染(應該是增加了夾雜)，但鑄錠晶粒細小均勻，鍛造后裂紋廢品率下降了50%。Charles Vives[36]研究了施加工頻感應磁場對直徑320 mm的2214鋁合金鑄錠組織的影響，發(fā)現工頻磁場可以顯著降低鑄錠的晶粒尺寸。值得注意的是這些磁場施加時所用的結晶器均不是熱頂結晶器，鑄造過程會造成液面的波動。2000年前后崔建忠教授團隊[37]將低頻電磁場引入到鋁合金DC鑄造過程中，利用更低頻率磁場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。經過多年持續(xù)研究,崔建忠教授團隊[38-39]在LFEC鋁合金鑄造技術裝備改進、相關工藝的優(yōu)化以及相關磁場的作用機制方面取得了大的研究進展。研究發(fā)現一定條件下適當的低頻磁場可以增加滲透深度、均勻鑄錠內部的溫度場、細化晶粒、抑制裂紋、減少宏觀偏析，并提出了磁致過冷晶粒細化理論；同時發(fā)現電磁場作用不當時也會引起鑄錠網格粗化，疏松數量增加等問題。崔建忠教授團隊通過在熱頂鑄造結晶器上施加低頻磁場(如圖14所示)，可以實現在熔池內形成強制對流的同時避免液面波動，從而避免了因液面波動可能對鑄錠造成的“污染”。并結合生產實際成功開發(fā)了多根低頻電磁DC鑄造平臺，在捷安特輕合金公司和云鋁公司等企業(yè)實現了工業(yè)化應用；同時開發(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量的問題。該技術對于解決大尺寸鋁合金鑄錠內部組織粗大問題具有較好的應用前景。

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

施加內冷場是指通過在DC鑄造熔池心部施加冷卻裝置或冷料，進而增加鑄錠心部冷卻并改善鑄錠內部組織的方法。北京有研集團張志峰教授團隊[40]開發(fā)了內冷場DC鑄造技術(如圖15所示)，主要是通過在熔池內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。這是一個很新穎的技術思路，但需要解決鋁在內冷裝置上結晶和粘附的問題，為了解決這一問題張志峰教授團隊也將電磁攪拌引入到內冷場DC鑄造過程中，并在實驗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熱頂鑄造熔池內插入同質冷料的雙冷場鑄造技術，并在實驗室條件下做了大量的嘗試性研究工作。但這些技術都尚未獲得工業(yè)化的應用。

圖15 內冷場DC鑄造示意圖Fig.15 Schematic of DC casting with internal cooling field

熔體強剪切鑄造技術，指在半連續(xù)鑄造過程中施加熔體強剪切處理，是由Fan等人[42-44]近年來提出的一項新技術。該技術主要通過向常規(guī)DC鑄造的熔池內施加一個帶有轉子和定子的強剪切裝置來調整熔池內流場和溫度場，其結構如圖16所示[28]。其特點在于通過旋轉的轉子將熔體(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，當熔體或半固態(tài)熔體流過轉子與定子的間隙和定子的小孔時產生強剪切作用；同時在裝置周邊形成強制對流。這種裝置的特點是在產生強制對流和剪切作用的同時不會造成熔體表面波動，通過控制剪切裝置置入深度和轉速還可以較精準的控制熔池底部局部區(qū)域的流場和溫度場，進而改善鑄錠的凝固組織。在國內外前期研究的基礎上[45-46]，作者所在的研究團隊系統(tǒng)研究了熔體強剪切對直徑300 mm的2024鋁合金鑄錠DC鑄造過程的影響，發(fā)現不同的強剪切條件可以獲得不同特點的凝固組織。當剪切裝置置入位置較深且轉速快時可以獲得心部晶粒更細小的鑄錠，不添加晶粒細化劑條件下的細化效果可以達到添加細化劑的普通鑄錠的細化效果。強剪切和磁場同時施加時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。同時發(fā)現適當的強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，減少粗大枝晶網格、光亮晶和大尺寸疏松的形成，并使結晶相細化?，F有研究表明鑄造工藝參數與剪切參數的合理匹配可以有效改善鑄錠心部的凝固組織，但對于不同規(guī)格不同鑄造工藝條件的鑄錠需要通過實驗獲得合理的參數匹配。熔體強剪切鑄造技術作為一種方便施加且有很好應用前景的新技術，還需要大量的基礎研究工作。作者認為該技術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用前景。

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

4 結束語

經過80多年的應用和發(fā)展，鋁合金圓錠豎直DC鑄造技術不斷改進和升級，以提高成品率、鑄錠質量、生產效率和控制成本。擠壓和鍛造產品種類多的特點也使得鋁合金圓錠的生產呈現多品種、多規(guī)格、小批量的特點。多數鋁合金圓錠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，牌號涵蓋了鋁合金的所有系列。企業(yè)對不同尺寸的鋁合金圓鑄錠質量的關注點不同。對于直徑較小、心部冷卻速率較高的錠坯，一般更關注鑄錠的表面質量和成品率；而對于直徑大、心部冷卻速率緩慢的錠坯，錠坯內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、結晶器結構、冷卻方式、刮水板作用等方面對鋁合金DC鑄造的基本原理和技術進行了大量的基礎研究。國外裝備開發(fā)制造企業(yè)擁有自己中試基地，可以進行大量的基礎研究并對新開發(fā)的裝備進行實驗驗證，引領著先進DC鑄造技術的發(fā)展方向。2013年Hycast開發(fā)出先進的低壓鑄造技術已被一些國內企業(yè)高價引入。通過DC技術改進實現鑄錠免均勻化處理的新理念已被提出，并申請了相關專利。生產效率、成品率和安全性(無需儲水的深井)更高的鋁合金水平連鑄技術已經被Hertwich Engineering開發(fā)出來，并應用于直徑350 mm以內的鋁合金錠坯生產，相關報道指出這種生產方式可連續(xù)鑄造3 d～5 d，一條線一年可以生產4萬t鑄錠[47]。

我國鋁加工企業(yè)最初采用的先進鋁合金DC鑄造技術多以引進為主，經多年的發(fā)展，國內的結晶器制造企業(yè)已可對國外大部分裝備在消化吸收的基礎上進行仿制(除了低壓鑄造技術)。鋁合金圓鑄錠需求量大、品種規(guī)格多的特點也使得目前國內企業(yè)采用的圓鑄錠DC鑄造技術種類眾多，國內企業(yè)既有傳統(tǒng)的熱頂石墨環(huán)鑄造法，又有先進的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。Wagstaff油氣滑鑄造法生產鑄錠的直徑多在350 mm以內，而Hycast低壓鑄造法則可以生產直徑為520 mm的鑄錠。隨著我國大噸位擠壓機數量的增加和一些裝備對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，國內也引進了一些大尺寸鑄錠(直徑800 mm、600 mm)油滑DC鑄造技術和直徑520 mm鑄錠的低壓鑄造技術。但一些更大尺寸的鑄造結晶器需要國內企業(yè)自主開發(fā)。刮水板技術為提高大尺寸鑄錠的鑄造速度、改善內部組織提供了新的技術思路。無接觸的低頻電磁鑄造技術和方便施加的熔體強剪切技術為大尺寸鑄錠內部組織的改善提供了新的技術解決方案。但這些技術的成熟應用仍需要大量的實驗研究，需要在具有一定裝備水平的企業(yè)配合進行工業(yè)化試驗。

對表面質量、成品率、生產效率和鑄錠質量的改進是鋁加工企業(yè)不斷進行技術改進的動力。但先進的DC鑄造技術幾乎全是國外企業(yè)在多年積累的基礎上摸索出來的。國內的DC鑄造基礎研究相對落后，國外相關文獻資料也未完全系統(tǒng)地漢化，無法形成有效的技術資料支撐。我國相關企業(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，但這些國內企業(yè)多沒有熔鑄實驗線，缺少基礎的數據積累。企業(yè)在完成仿制后，對于如何繼續(xù)進行技術升級難以提出明確技術方向，這使得我國在DC鑄造領域的創(chuàng)新能力不足。

總之，我國雖已經成為變形鋁合金產量最大的國家，但我國在鋁合金DC鑄造技術方面的基礎研究和創(chuàng)新能力落后于國外先進企業(yè)的。主要表現在基本數據收集和基礎研究不足，國內結晶器制造商多以仿制為主，沒有自主的研發(fā)能力，缺少技術開發(fā)的中試基地。在鋁加工行業(yè)競爭日益加劇的背景下，鋁加工企業(yè)更加關注鋁合金DC鑄造過程中的成本和效率，而我國DC鑄造技術領域基礎研究和技術創(chuàng)新能力落后的現狀影響了鋁加工企業(yè)的國際競爭力，一些關鍵鋁合金產品DC鑄造技術甚至還成了制約我國關鍵裝備制造的“卡脖子”技術。國家和鋁加工企業(yè)應該在DC鑄造技術研發(fā)方面加大投入，不斷增加我國DC鑄造技術領域的創(chuàng)新能力，使我國在鋁合金鑄造技術乃至鋁加工領域完成從跟跑到領跑的超越。

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理和云南云鋁澤鑫鋁業(yè)有限公司的王征部長。