鋁合金低頻電磁鑄造過程中的熱量傳輸

宋浩林

摘要：現(xiàn)代的鋁加工業(yè)，已經(jīng)意識到要提高鋁合金產(chǎn)品質(zhì)量、降低生產(chǎn)成本，鑄造出高質(zhì)量的錠坯是其中的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。因此，為了生產(chǎn)高表面質(zhì)量和內(nèi)部冶金質(zhì)量的鑄錠，必須研究和探索新的鑄造工藝和鋁合金低頻電磁鑄造過程中的熱量傳輸。

關(guān)鍵詞：鋁合金；低頻電磁；鑄造過程；熱量傳輸

1 鋁及鋁合金的發(fā)展歷程

鋁是最重要的輕金屬，鋁元素在地殼中的含量僅次于氧和硅，居第三位，在金屬元素中，鋁是地殼中含量最豐富的金屬元素之一，約占地殼總質(zhì)量的8.2（如以A1203計，則為16.62% ），比鐵（約占5.1 % ）、鎂（約占2.1）和欽（約占0.6%）的總和還多。但由于鋁的氧化力強，不易被還原，因而它被發(fā)現(xiàn)的比較晚。其化學符號為A1在門捷列夫化學元素周期表IIIA族，相對原子量為26.981539，面心立方（F.C.C）結(jié)構(gòu)，原子半徑為1.43埃。每個晶胞含有4個金屬原子，常見化合價為+3價。

鋁是英國的H.達維于1807年用化學方法分離明礬石時發(fā)現(xiàn)的，他當時試圖從這種化合物中分離出所要尋找的金屬，但未獲得成功；1809年，他在電弧爐中煉出一種鋁鐵合金。1824年，丹麥科學家厄斯泰德將氧化鋁與木炭的混合物加強熱至白熾狀態(tài)，再通入氯氣，得到液態(tài)的氯化鋁，然后與鉀汞齊作用制成鋁汞齊，最后隔絕空氣蒸餾除去汞，得到一些灰色金屬粉末，它的顏色和光澤看起來像錫，后來證明他得到的是一些不純凈的鋁。他的實驗結(jié)果發(fā)表在丹麥一個不著名的刊物上，因此沒有引起科學界的重視。厄斯泰德是德國化學家維勒的朋友，1827年，維勒到丹麥首都拜訪厄斯泰德時，厄斯泰德把制備金屬鋁的過程和結(jié)果告訴維勒。維勒回國后立即重復(fù)厄斯泰德的實驗，發(fā)現(xiàn)鉀汞齊與氯化鋁反應(yīng)生成灰色的熔渣，除去汞后，得到的金屬加熱時還能產(chǎn)生鉀燃燒時的現(xiàn)象，他意識到這不是制備金屬鋁的好辦法。他重新設(shè)計實驗方案，用熱的碳酸鉀溶液與沸騰的明礬溶液作用，將所得到的氫氧化鋁經(jīng)過洗滌和干燥以后，與木炭、糖、油等混合，調(diào)成糊狀，然后放在密閉的堪竭中加熱，得到了氧化鋁和木炭的燒結(jié)物，將這些燒結(jié)物加熱到紅熱的程度，通入干燥的氯氣，就得到了無水氯化鋁。維勒將少量金屬鉀放在鉑增鍋中，然后在它的上面覆蓋一層過量的無水氯化鋁，并用柑禍蓋將反應(yīng)物蓋住。對增鍋加熱以后，很快就達到白熱的程度。

2 鋁合金傳統(tǒng)半連續(xù)鑄造工藝

連鑄原理由英國的Bessemer在1847年首先提出。100年后，原西德的Junghans建成了世界上第一臺用于鋼水連鑄的試驗鑄機。他在下端開放的振動式水冷結(jié)晶器、結(jié)晶器潤滑劑以及浸入式水口等方面的一系列發(fā)明，解決了連鑄技術(shù)長期不能用于正常生產(chǎn)的關(guān)鍵問題，開創(chuàng)了連鑄技術(shù)的新紀元，確立了現(xiàn)代連鑄技術(shù)的基木框架，因此Junghans被后人尊稱為“連鑄之父”。

2.1 傳統(tǒng)鑄造工藝

伴隨著19世紀中期的其他金屬的豎直連鑄技術(shù)的發(fā)展，1936年第一臺適用于鋁合金半連續(xù)鑄造機在德國誕生[9]。自1953年美國Alcoa鋁業(yè)公司成功開發(fā)鋁合金直接水冷鑄造法（Direct Chilling，即DC鑄造）以來，由于鋁的導(dǎo)熱性能好、熔體金屬容易處理和優(yōu)良的使用性能等特點，在近五十年里，鋁合金的連續(xù)鑄造技術(shù)得到了很大的發(fā)展。傳統(tǒng)直接水冷半連續(xù)鑄造（Direct Chilling，即DC鑄造）是最早用于鋁合金連續(xù)鑄造的方法，如圖1所示。結(jié)晶器有效冷卻高度較大，因而結(jié)晶器的傳熱面積很大。

低液位鑄造是指降低結(jié)晶器有效冷卻高度（至25mm}-40mm），減少結(jié)晶器一冷的導(dǎo)熱，可以改善鑄錠的表面及內(nèi)部組織。瑞士Alusuisse公司發(fā)明的Isocast法與傳統(tǒng)直冷鑄造不同之處在于，安裝結(jié)晶器的鑄造平臺可以垂直升降，分流盤下面有浮動漏斗，鑄造澆注開始時，鑄造平臺位置降低，液面高金屬液體充滿結(jié)晶器，啟車后，鑄造平臺位置升高，結(jié)晶器內(nèi)液面降低，進入正常連鑄階段。從而避免了因結(jié)晶器有效冷卻高度低，澆注開始時金屬液溢出結(jié)晶器，發(fā)生飛濺和漏鋁的危險。低液位鑄造有效降低了結(jié)晶器有效冷卻高度，減少了結(jié)晶器導(dǎo)熱，因而鑄錠的表面及內(nèi)部質(zhì)量有了很大改善。

2.2 熱頂鑄造工藝

在傳統(tǒng)鋁合金半連續(xù)鑄造基礎(chǔ)上，為了提高鑄錠的表面質(zhì)量，在20世紀7080年代成功開發(fā)出熱頂（Hot-Top）鑄造方法，使鑄錠表面質(zhì)量和生產(chǎn)效率大為提高，熱頂鑄造裝置示意圖如圖2所示。

在傳統(tǒng)DC法的結(jié)晶器內(nèi)襯石墨環(huán)，同時結(jié)晶器上面加上耐火材料套（熱頂），降低結(jié)晶器的有效冷卻高度，減少了結(jié)晶器的冷卻強度，而且在規(guī)模工業(yè)生產(chǎn)中采用同水平澆注，在澆注系統(tǒng)上安裝液面控制器，能夠精確控制分流盤內(nèi)鋁合金液面高度，鋁合金熔體流動平穩(wěn)，避免了澆注時擾動引起的裹氣，得到的鑄錠的質(zhì)量穩(wěn)定。但是，在沒調(diào)整到最佳工藝參數(shù)時，鑄錠表面可能出現(xiàn)隱藏式冷隔，鑄錠的表面容易出現(xiàn)拉痕，嚴重時有可能導(dǎo)致拉漏。結(jié)晶器內(nèi)部鑲石墨環(huán)，在澆鑄過程中不間斷地使用潤滑油，從而能進一步減小結(jié)晶器的冷卻強度并能起到潤滑的作用，從而可以降低隱藏式冷隔和拉痕出現(xiàn)的可能性。

3 結(jié)論

由于鋁及合金具有一系列優(yōu)良的特性，已廣泛應(yīng)用于國民經(jīng)濟的各個領(lǐng)域，如航空航天、交通運輸、電子通訊、輕工建材、包裝容器、石油化工、五金電器等多方面領(lǐng)域。近年來，我國的鋁加工業(yè)發(fā)展十分迅速，出現(xiàn)了許多新的材料、新技術(shù)、新工藝及新設(shè)備，我國已經(jīng)發(fā)展成為名副其實的鋁業(yè)大國。同時，我們也應(yīng)該看到我國的鋁合金行業(yè)同國外工業(yè)發(fā)達國家相比還存在許多問題，尤其在生產(chǎn)高檔鋁合金產(chǎn)品方面差距還很大，許多生產(chǎn)設(shè)備及工藝需要從國外成套進口。因此，為了提高我國的鋁工業(yè)的整體水平.

參考文獻：

[1]王向杰. 鋁合金低頻電磁鑄造過程中的熱量傳輸[D]. 東北大學， 2009.

[2]張勤， 崔建忠， 張北江. 鋁合金低頻電磁鑄造過程中裂紋的抑制[J]. 金屬學報， 2003， 39（12）：1259-1263.

（作者單位：雞西永益煤礦機械制造有限公司）