铝合金低频电磁铸造过程中的热量传输

宋浩林

摘要：现代的铝加工业，已经意识到要提高铝合金产品质量、降低生产成本，铸造出高质量的锭坯是其中的关键环节。因此，为了生产高表面质量和内部冶金质量的铸锭，必须研究和探索新的铸造工艺和铝合金低频电磁铸造过程中的热量传输。

关键词：铝合金；低频电磁；铸造过程；热量传输

1 铝及铝合金的发展历程

铝是最重要的轻金属，铝元素在地壳中的含量仅次于氧和硅，居第三位，在金属元素中，铝是地壳中含量最丰富的金属元素之一，约占地壳总质量的8.2（如以A1203计，则为16.62% ），比铁（约占5.1 % ）、镁（约占2.1）和钦（约占0.6%）的总和还多。但由于铝的氧化力强，不易被还原，因而它被发现的比较晚。其化学符号为A1在门捷列夫化学元素周期表IIIA族，相对原子量为26.981539，面心立方（F.C.C）结构，原子半径为1.43埃。每个晶胞含有4个金属原子，常见化合价为+3价。

铝是英国的H.达维于1807年用化学方法分离明矾石时发现的，他当时试图从这种化合物中分离出所要寻找的金属，但未获得成功；1809年，他在电弧炉中炼出一种铝铁合金。1824年，丹麦科学家厄斯泰德将氧化铝与木炭的混合物加强热至白炽状态，再通入氯气，得到液态的氯化铝，然后与钾汞齐作用制成铝汞齐，最后隔绝空气蒸馏除去汞，得到一些灰色金属粉末，它的颜色和光泽看起来像锡，后来证明他得到的是一些不纯净的铝。他的实验结果发表在丹麦一个不著名的刊物上，因此没有引起科学界的重视。厄斯泰德是德国化学家维勒的朋友，1827年，维勒到丹麦首都拜访厄斯泰德时，厄斯泰德把制备金属铝的过程和结果告诉维勒。维勒回国后立即重复厄斯泰德的实验，发现钾汞齐与氯化铝反应生成灰色的熔渣，除去汞后，得到的金属加热时还能产生钾燃烧时的现象，他意识到这不是制备金属铝的好办法。他重新设计实验方案，用热的碳酸钾溶液与沸腾的明矾溶液作用，将所得到的氢氧化铝经过洗涤和干燥以后，与木炭、糖、油等混合，调成糊状，然后放在密閉的堪竭中加热，得到了氧化铝和木炭的烧结物，将这些烧结物加热到红热的程度，通入干燥的氯气，就得到了无水氯化铝。维勒将少量金属钾放在铂增锅中，然后在它的上面覆盖一层过量的无水氯化铝，并用柑祸盖将反应物盖住。对增锅加热以后，很快就达到白热的程度。

2 铝合金传统半连续铸造工艺

连铸原理由英国的Bessemer在1847年首先提出。100年后，原西德的Junghans建成了世界上第一台用于钢水连铸的试验铸机。他在下端开放的振动式水冷结晶器、结晶器润滑剂以及浸入式水口等方面的一系列发明，解决了连铸技术长期不能用于正常生产的关键问题，开创了连铸技术的新纪元，确立了现代连铸技术的基木框架，因此Junghans被后人尊称为“连铸之父”。

2.1 传统铸造工艺

伴随着19世纪中期的其他金属的竖直连铸技术的发展，1936年第一台适用于铝合金半连续铸造机在德国诞生[9]。自1953年美国Alcoa铝业公司成功开发铝合金直接水冷铸造法（Direct Chilling，即DC铸造）以来，由于铝的导热性能好、熔体金属容易处理和优良的使用性能等特点，在近五十年里，铝合金的连续铸造技术得到了很大的发展。传统直接水冷半连续铸造（Direct Chilling，即DC铸造）是最早用于铝合金连续铸造的方法，如图1所示。结晶器有效冷却高度较大，因而结晶器的传热面积很大。

低液位铸造是指降低结晶器有效冷却高度（至25mm}-40mm），减少结晶器一冷的导热，可以改善铸锭的表面及内部组织。瑞士Alusuisse公司发明的Isocast法与传统直冷铸造不同之处在于，安装结晶器的铸造平台可以垂直升降，分流盘下面有浮动漏斗，铸造浇注开始时，铸造平台位置降低，液面高金属液体充满结晶器，启车后，铸造平台位置升高，结晶器内液面降低，进入正常连铸阶段。从而避免了因结晶器有效冷却高度低，浇注开始时金属液溢出结晶器，发生飞溅和漏铝的危险。低液位铸造有效降低了结晶器有效冷却高度，减少了结晶器导热，因而铸锭的表面及内部质量有了很大改善。

2.2 热顶铸造工艺

在传统铝合金半连续铸造基础上，为了提高铸锭的表面质量，在20世纪7080年代成功开发出热顶（Hot-Top）铸造方法，使铸锭表面质量和生产效率大为提高，热顶铸造装置示意图如图2所示。

在传统DC法的结晶器内衬石墨环，同时结晶器上面加上耐火材料套（热顶），降低结晶器的有效冷却高度，减少了结晶器的冷却强度，而且在规模工业生产中采用同水平浇注，在浇注系统上安装液面控制器，能够精确控制分流盘内铝合金液面高度，铝合金熔体流动平稳，避免了浇注时扰动引起的裹气，得到的铸锭的质量稳定。但是，在没调整到最佳工艺参数时，铸锭表面可能出现隐藏式冷隔，铸锭的表面容易出现拉痕，严重时有可能导致拉漏。结晶器内部镶石墨环，在浇铸过程中不间断地使用润滑油，从而能进一步减小结晶器的冷却强度并能起到润滑的作用，从而可以降低隐藏式冷隔和拉痕出现的可能性。

3 结论

由于铝及合金具有一系列优良的特性，已广泛应用于国民经济的各个领域，如航空航天、交通运输、电子通讯、轻工建材、包装容器、石油化工、五金电器等多方面领域。近年来，我国的铝加工业发展十分迅速，出现了许多新的材料、新技术、新工艺及新设备，我国已经发展成为名副其实的铝业大国。同时，我们也应该看到我国的铝合金行业同国外工业发达国家相比还存在许多问题，尤其在生产高档铝合金产品方面差距还很大，许多生产设备及工艺需要从国外成套进口。因此，为了提高我国的铝工业的整体水平.

参考文献：

[1]王向杰. 铝合金低频电磁铸造过程中的热量传输[D]. 东北大学， 2009.

[2]张勤， 崔建忠， 张北江. 铝合金低频电磁铸造过程中裂纹的抑制[J]. 金属学报， 2003， 39（12）：1259-1263.

（作者单位：鸡西永益煤矿机械制造有限公司）