摘要：近年来，低液位铸造技术在铝合金扁锭生产中的应用问题得到了业内的广泛关注，研究其相关课题有着重要意义。本文首先介绍了低液位铸造技术，分析了低液位铸造的实现及对偏析层的影响，并结合相关实践经验，阐述了个人对此的几点看法与认识，望有助于相关工作的实践。
关键词：低液位铸造；铝合金扁锭；生产；应用
1前言
低液面（可调式）结晶器铸造技术通常采用全自动铸造技术，所谓低液面是指比传统的结晶器内金属液面低，其结晶器是在传统的直冷式结晶器内壁衬镶一层石墨环而成，石墨环采用连续渗透式润滑或在铸造前涂油脂，铸造过程由计算机自动控制铸造工艺参数，控制液面的波动在±1mm，并且实现了自动润滑。使用该技术生产的铸锭组织致密、表面光滑，与传统DC法相比，表面偏析层≤1.5mm，铸锭表面的铣面量可减少到6mm，润滑油的使用量大大减小，同时可使铸造速度大大提高，特别适用于大规格铝及铝合金扁铸锭的的生产。与电磁铸造技术（EMC）相比，低液面（可调式）结晶器铸造技术在实际生产中更加适用。作为铝合金扁锭生产中的一项重要方面，对低液位铸造技术的应用极为关键。该项课题的研究，将会更好地提升对低液位铸造技术的分析与掌控力度，从而通过合理化的措施与途径，进一步优化铝合金扁锭生产工作的最终整体效果。
2低液位铸造技术
2.1低液位铸造
低液位铸造是使用组合结晶器，控制结晶器内熔融金属液位达到理想的液位高度。在开始铸造后，结晶器内的液面高度会逐渐降低，当铸锭达到一定长度后结晶器内液位会保持在最低液面不变而完成铸造全过程。不同的合金有不同的液位高度，一般最低液位在35-70mm范围内。
2.2低液位铸造中的热传递
2.2.1通过引锭头的热传递：当熔体进入结晶器和引锭头的空腔，通过引锭头的热传递就开始了，引锭头的热导率取决于制造引锭头材料的类型。较高的热导率转移热量的速率也较快，引锭头热膨胀的速率也会增加。
2.2.2一次（间接）冷却-通过结晶器壁的热传递触
当引锭头填充且熔融金属接触结晶器壁，铸造便开始了。结晶器中金属液位高度对通过结晶器壁的热传导率起着主要作用。
2.2.3二次（直接）冷却-水淬
直冷铸造中的二次冷却是由于冷却水直接和扁锭发生接触，水淬冷带走热量的主要受下列因素的影响：冷却水温度、冷却水流量、水流分布的均匀性、冷却水的质量，包括化学质量和清洁度、水喷射角度、翘曲减少技术的应用
2.2.4低液位铸造的冷却及凝固过程
在直接冷却扁锭铸造过程中可分为4个不同的冷却过程，分别是膜沸腾、过渡段、泡核沸腾和对流／传导段，
1）膜沸腾
膜沸腾在铸锭的表面温度比冷却水的沸点高得多的时候出现。一般是发生在铸锭从结晶器出来时，冷却水首先冲击它的表面使冷却水蒸发，在铸锭表面形成一个连续的蒸汽膜或层。这个蒸汽屏障阻止了冷却水直接接触铸锭表面。冷却水和热铸锭之间失去接触，极大地降低了热传导率。引发膜沸腾被广泛地用在铸造开始的时候控制锭尾翘曲。
2）过渡段
随着扁锭表面温度的下降，冷却水开始不连续地和扁锭表面发生接触，在这个阶段，传热速率开始上升。由于传热机理已经发生改变，这个阶段被称为过渡区。水的化学质量决定着过渡点，在过渡点传热效率达到最高。过渡区的开始一般在分水阀开启时或启动水流量开始有明显升高时。
3）泡核沸腾
铸锭表面温度最后降到临界点，在这个临界点冷却水可以保持完全与铸锭表面的接触。在这种情况下，热传导率非常大（是膜沸腾中传导率的10-100倍）。蒸气泡在铸锭表面上形成并被冷却水流带走。泡核沸腾是基本的冷却机制，通过它在铸造运行中实现快速结晶。
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4）对流／传导段
当铸锭表面温度降到更低而不能进行泡核沸腾后，通过传导和对流实现热量传递。这时从铸锭到冷却水的热传导率相对低于对流的，铸锭内部的热量必须首先通过逐渐增厚的铸锭壳传导到表面，然后热量通过冷却水的对流从铸锭表面带走。
3低液位铸造的实现及对偏析层的影响
3.1低液位铸造的实现
在传统的DC铸造结晶器内采用低液位铸造的目的，是要在铸锭表面生成薄的偏析区（壳区）。它要求利用结晶器里非常低的金属液面来进行铸造，从而获得低液位状态。在传统的DC铸造结晶器中，由于直接水冷淬火的低冲击角，结晶器中的超前冷却不足以高到在一个安全和可接受的金属液面上生成薄的壳层。在这种低液位情况下，铝液泄漏出现之前金属液面变化的余地非常小，如果没有精确自动的金属液面控制，低液位铸造是难实现的。
3.2传统DC铸造技术和低液位铸造技术生产的铸锭质量比较
在传统的DC铸造中，在铸锭表面的偏析区（壳区）的结晶结构和成分与铸锭的其他部分的不同。而用LHC结晶器铸造的铸锭的显微结构比传统铸造的更均匀，并接近用电磁（EM）铸造可能得到的结果；铸锭表面的偏析区（壳区）比传统DC铸锭的薄得多；并减少熔融金属泄漏的次数，防止重熔金属溢出到铸锭表面。
4低液位铸造技术在铝合金大扁锭生产中的应用
4.1低液位铸造设备及平面布置
利用低液位铸造技术生产铝及铝合金大扁锭，采用45t倾动式保温炉、在线精炼设备、炉内精炼系统、立式内导铸造机、带激光液位监测流量控制的分配流槽、组合结晶器、引锭头以及自动化控制系统，自动化操作系统等。
4.2低液位铸造控制设备及技术
要实现低液位铸造，首先要实现熔融金属在结晶器内的液位高度控制。在铸造时保持很低的金属液位，从而达到低温浇注、高效率冷却、快速凝固。
4.2.1流槽金属液位控制
激光流槽液位监测器用来监测流槽液位高度，并在流槽上安装有两个挡板，在挡板处各安装一个限位开关，当ACD流槽金属液位达到一定高度后，第一个挡板打开，熔融金属快速填充过滤箱，当过滤箱液位达到设定高度时，CFF挡板自动打开，流槽中的金属快速填充分配流槽。
4.2.2分配流槽金属分配
低液位铸造中结晶器金属液位高度，主要靠安装在分配流槽内的激光液位检测器和导流销执行器来控制每个导流口的金属流量，从而保证每个结晶器内的金属液位高度相等。如果某个结晶器内金属液位“低”或“高”，激光监测器就会发出信号给导流销执行器，执行器就会“升高”或“降低”导流销来调节金属流量。
4.2.3导流销间隙预设定
导流销间隙预设定是在低液位铸造前，确定第一个到最后一个导流销和分流口之间的合理间隙，以保证金属从分配流槽流进结晶器时，每个结晶器流入相同的金属流量。
4.2.4流槽、结晶器金属液位监控
使用激光模拟液面高度传感器来监测流槽内的金属液位，在液位高或低时发出信号，由控制保温炉的液压缸的液压比例阀来调整保温炉的角度，从而调整流槽中的液面高度。
用结晶器微分激光传感器来测量结晶器内的熔融金属液面高度，维持稳定的金属流量，使铸造过程处在安全可靠的电子控制之下，实现铸造时间和速度的精确控制，使扁锭底部在进入冷却水之前就已经凝固，减少铸锭底部翘曲。当金属液面达到规定液面时自动开始铸造，在铸出底部翘曲后，结晶器中的金属液面自动降低到最佳铸造液面，可以获得最佳铸锭表面质量，并减少翘曲。
5结束语
综上所述，加强对低液位铸造技术在铝合金扁锭生产中应用的研究分析，对于其良好实践效果的取得有着十分重要的意义，因此在今后的铝合金扁锭生产过程中，应该加强对低液位铸造技术关键环节与重点要素的重视程度，并注重其具体实施措施与方法的科学性。
参考文献：
[1]孙静.超高强铝合金铸造技术及装备控制系统的发展[J].南方金属.2016
论文作者:张家礼
论文发表刊物:《基层建设》2017年第20期
论文发表时间:2017/11/1
标签：铸锭论文; 液位论文; 金属论文; 冷却水论文; 结晶器论文; 液面论文; 技术论文; 《基层建设》2017年第20期论文;