熱頂鑄造中結晶器石墨環高度對鋁鑄錠質量的影響

沈國新，劉金輝，李鍵安，陳康康，張 迪

（廣東興發鋁業（河南）有限公司，焦作454500）

0 前言

在熱頂鑄造的金屬凝固過程中，鑄錠表層經歷一次冷卻和二次冷卻，導致晶界出現重熔，溶質流動重新分配，致使表層出現宏觀偏析層。熱頂鑄造法生產的6082 鋁合金圓鑄錠的表層存在宏觀偏析層，這是熱頂鑄造生產方式造成的。檢測發現，鑄錠偏析層0～1 mm 區域成分高出基體成分約2 倍；2～4 mm 區域則低于基體成分約16%；5 mm 之后逐漸接近基體成分，最終形成“勺子”形狀（先高后低再回升到基體成分）的宏觀偏析層[1]。6061 和6082合金存在類似表層偏析規律。石景巖對7×××系合金偏析的研究表明，通過工藝方法提高鑄造溫度或鑄造速度可以降低表層偏析[2]。國外有文獻研究表明在鑄造凝固過程中，通過施加低頻電磁場影響可以減少表層偏析層的厚度[3]。熱頂鑄造的核心部件是結晶器里的石墨環，它是影響鑄錠表層宏觀偏析的關鍵因素。由于鋁液在結晶凝固過程中與石墨環直接接觸，所以石墨環又會影響鑄造的工藝，從而影響鑄錠表面質量。

本文在相同的鑄造工藝條件下，從結晶器設計的角度，研究分析了采用不同高度的石墨環對6061 合金? 320 mm 規格圓鑄錠表面質量及表層偏析的影響。

1 實驗方法

將同一套模盤相鄰的3個結晶器里的石墨環設計為30 mm、32 mm 和35 mm 3 個高度，并在相同的鑄造工藝條件（鑄造速度、冷卻強度、鋁液溫度）下，對6061合金? 320 mm圓鑄錠進行熱頂鑄造。

在鑄錠相同高度位置取樣分析，對鋁餅進行逐層車削，逐層檢測。每層取1 mm厚度的鋁削樣品，采用化學分析方法檢驗各層樣品的主要合金成分。

2 實驗結果

2.1 石墨環高度對鑄錠表面偏析影響

對3種不同高度石墨環鑄造出來的6061合金鑄錠化學成分進行檢測，其結果見表1。從表1 的實驗結果可以看出，熱頂鑄造6061 合金圓鑄錠中的主要元素Si、Mg、Cu 在表層都存在嚴重偏析，且偏析規律基本一致，先高后低再回升到基體成分，偏析層總厚度約6 mm。這驗證了熱頂鑄造6061 和6082 合金圓鑄錠有著相似的表層宏觀偏析規律。雖然不同高度石墨環鑄造的鑄錠表層偏析規律一致，但偏析程度有所差異。隨石墨環高度減少，表層偏析程度減輕，各主要元素Si、Mg、Cu都有基本相同的情況，如圖1所示。

表1 6061合金鑄錠表層各層及基體主要元素含量（質量分數/%）

圖1（a）所示為Si 元素的偏析變化規律。 Si元素的最大值分別為1.121%、1.047%、1.005%，遠大于基體成分。隨著石墨環高度由35 mm 到32 mm 再到30 mm，偏析程度隨石墨高度減少而逐步下降。 Si 元素的最低值分別為0.481%、0.530%、0.541%，小于基體成分，所以Si 元素含量隨石墨高度減少而逐步上升，即偏析程度也隨石墨高度減少而逐步減少。從正反兩個方向比較可以得出結論：降低石墨環高度不能消除熱頂鑄造的表層偏析，但可以降低偏析的程度，隨著石墨環高度下降，成分偏析程度下降。Mg、Cu 元素的偏析變化曲線分別如圖1（b）、（c）所示，偏析變化規律和Si元素偏析規律基本一致。

圖1 在相同鑄造條件下不同高度的石墨環各主要元素表層偏析對比

圖2是鑄錠表層的50倍金相圖。從圖2（a）中可看出在鑄錠最表面約0～1 mm 區間存在一層晶粒非常細小的區域，區域內有大量豐富的樹枝晶網絡結構，呈骨骼樹枝狀生長。晶界間還含有大量空隙和較大的空洞。對應表1的結果看，此區域Si、Mg元素含量遠遠高出基體的含量；圖2（b）是過渡晶區，由細小的樹枝晶過渡到粗大的等軸晶，大小與正常晶粒一致，但晶界網絡明顯減少，晶界第二相等共晶組織明顯減少；圖2（c）是基體正常組織。

圖2 鑄錠表層金相圖（明場）

圖3 鑄錠表層金相圖（暗場）

圖3 是顯微鏡采用暗場觀察的50 倍金相圖片。從圖3（a）和圖3（b）可以明顯區別出表層、過渡區和基體的晶界組織的差異：表層細晶區有非常密集豐富的晶界網絡；而過渡區的晶界則非常稀疏，晶界斷續不成網絡；基體晶界則非常均勻，形成晶界網絡。由于晶界大量分布、聚集著Mg2Si 及其它雜質相，所以晶界網絡的密度可表征溶質成分的差異。圖2 金相形貌與表1化學成分分析結果即可互相印證。

由于顯微鏡放大倍數高、視場小，各不同高度石墨環鑄出的鑄錠的金相組織較難區分，因此采用體視鏡做了對比觀察，結果如圖4所示。試樣經拋光后通過堿液腐蝕可以很清晰地觀察到圓鑄錠偏析層各層之間的原貌，各試樣腐蝕規律一致。0～1 mm 厚度處是密集的細晶區，合金成分高，腐蝕程度較淺；約2 mm 處為細晶區過渡區，所以合金成分下降，腐蝕加深；在2～4 mm 厚度層內，Si、Mg合金元素成分低于基體成分，腐蝕程度明顯高于表層及正常基體；隨著距離逐漸增加到6 mm 處，腐蝕程度逐漸減輕到與基體相同。

從圖4（a）、（b）、（c）對比可以發現，圖4（a）中0～1 mm細晶區顏色較（c）圖暗淡，腐蝕程度較高，晶粒密度較小，說明（a）圖細晶區溶質含量低于（c）圖；在2～3 mm溶質貧乏區，（a）圖的腐蝕程度又明顯低于（b）、（c）圖，說明（a）圖溶質貧乏區的溶質含量高于（b）、（c）圖。從圖4中的金相結果可以看出，在相同的鑄造條件下，降低石墨環高度有利減輕熱頂鑄造表層偏析。圖4 金相結果與表1化學成分分析結果一致。

2.2 石墨環高度對表面質量的影響

通過不同石墨環高度對比實驗后，這3種石墨環高度均能實現正常鑄造生產，所以我們將?320 mm模盤結晶器石墨環高度由原來的35 mm全部改造成30 mm，并通過大量生產實踐檢驗這2種不同石墨環高度對鑄錠表面質量的影響。實踐結果表明，用30 mm石墨環鑄造?320 mm鑄錠不僅可以實現穩定生產，而且對鑄造速度及鑄錠表面質量都有明顯的提高。

圖4 拋光后堿液腐蝕（20倍）

圖5 ? 320 mm圓鑄錠表面偏析瘤對比

（1）在相同的鑄造工藝條件下，石墨環高度分別為30 mm、35 mm 鑄造出的圓鑄錠表面對比如圖5所示。高30 mm石墨環生產出的鋁棒表面普遍更光滑細膩，表面偏析瘤數量較少；而高35 mm石墨環生產出的鑄錠表面粗糙，偏析瘤數量明顯較多。偏析瘤數量多，意味著成分偏析更為嚴重，這和鑄錠表層成分分析結果一致。

（2）模盤結晶器石墨環高為35 mm 時，提高鑄造速度，鑄造到中段很容易出現拉花缺陷，鑄造速度難提高，生產效率低。拉花缺陷一旦出現，基本上無法消除，而且拉花的面積會越來越大，深度越來越深。為了避免拉花，只能將鑄造速度降低到約65 mm/min。石墨環高度改為30 mm 后，拉花缺陷基本克服，即使鑄造速度提高到約70 mm/min，也能生產出優質圓鑄錠，鑄造生產效率提高約10%。故在一定條件下，降低石墨環高度可以提高鑄造速度，提高生產效率。

（3）模盤結晶器石墨環高為35 mm 時，鑄造圓鑄錠表面更容易出現波浪，特別是鋁液溫度偏高的時候。鑄錠出現波浪后難以通過工藝調整控制，降低鑄造速度可以在一定程度上減輕波浪，但不能根除，故波浪缺陷較為普遍。改為高30 mm石墨環后，在相同的鑄造工藝條件下，鑄錠波浪缺陷出現概率明顯下降。所以降低石墨環高度可以減少出現鑄錠波浪缺陷的傾向性。

3 分析討論

圖6為熱頂鑄造示意圖。UCD為冷卻水上流導熱距離；h結為結晶器有效高度；h水為結晶器到水冷距離。UCD 可以通過工藝調節，而h結、h水這兩個為設計參數，工藝上不可調節。

圖6 熱頂鑄造示意圖

圖6中各參數間的關系如下：

（1）h結+h水-UCD＜0，這種狀態會在鑄錠表面出現搭接式冷隔。

（2）h結+h水-UCD=0～15 mm，表示鑄錠表面質量較好，沒有或只有微弱的偏析瘤和冷隔。

（3）h結+h水-UCD＞25 mm，則表示石墨環單獨冷卻收縮而形成的凝殼薄而長，從而引起鑄錠表面軟熔波浪或偏析浮出物增加[4]。

在生產實踐中，為了獲得良好的鑄錠表面質量，往往通過控制冷卻水量、鑄造速度和鋁液溫度來調節UCD。在鑄造過程中這些工藝參數是可以調節的，但都存在一定的局限性。當這些工藝參數經調整后仍無法獲得良好質量的鑄錠時，則要考慮結晶器石墨環高度的設計。

3.1 石墨環高度對鑄錠表層偏析的影響

如圖7所示，鋁液進入結晶器后，與石墨環接觸，經歷一次冷卻成形，冷卻成形后開始收縮形成氣隙。石墨環內徑329.3 mm，鑄錠直徑320 mm，完成冷卻收縮后兩邊氣隙達4.65 mm。經一次冷卻形成氣隙后，鑄錠冷卻強度急劇下降，鋁液開始重新加熱鑄錠。鑄錠表層晶界中的共晶組織富集，因其熔點低，故首先出現重熔。在金屬液穴金屬靜壓力和表層孔隙的作用下，富含溶質的鋁液沿著枝晶間和晶粒間隙流到鑄錠表面，形成偏析層。鑄錠從結晶器出來，噴水進行二次冷卻時，熱交換又劇烈進行，鑄錠迅速凝固，偏析層就固定下來。

縮短石墨環高度會減少鑄錠收縮形成氣隙后到噴水二次冷卻的鑄造時間，從而減少鋁液重新加熱鑄錠的時間。石墨環高度由35 mm降低到30 mm，則鑄錠從收縮形成氣隙后到噴水二次冷卻的距離減少了5 mm。按照65 mm/min的鑄造速度計算，鑄錠經過這段距離需要4.6 s，所以在這階段鑄錠表層被鋁液加熱重熔時間就減少了4.6 s。結果導致晶界重熔的共晶富集區減少，溶質通過枝晶網絡流動到鑄錠表層的濃度也會減少，從而減輕鑄錠表層偏析程度。

縮短石墨環高度就是降低結晶器有效高度h結，由結晶器石墨環單獨冷卻成形的冷凝殼也縮短了。從實驗結果看，冷卻水上流導熱距離UCD符合h結+h水-UCD=0～15 mm這種條件時，鑄錠沒有或只有微弱的偏析瘤，偏析減少。

圖7 ? 320 mm結晶器局部圖

3.2 石墨高度對鑄錠表面質量的影響

當鑄錠表面容易出現拉花及波浪的時候，結晶器冷卻水上流導熱距離UCD 更接近符合h結+h水-UCD＞25 mm這種條件。

當通過調節冷卻水量、鑄造速度及鋁液溫度來調節UCD 都無法獲得良好的表面質量時，可以通過縮短石墨環來降低結晶器的有效高度h結，使UCD更符合h結+h水-UCD=0～15 mm。降低結晶器有效高度相當于降低鑄錠一次冷卻強度，結果導致結晶器石墨環單獨冷卻成形的冷凝殼縮短，從而降低鑄錠拉花的傾向性，減少偏析瘤，減少波浪缺陷。從實踐結果可以證實，通過縮短石墨環來降低結晶器的有效高度可獲得良好的鑄錠表面，提高鑄錠質量。

4 結論

（1）在熱頂鑄造中，6061合金大直徑規格圓鑄錠表層存在宏觀偏析層，偏析層總厚度約6 mm。主要合金元素Si、Mg、Cu 都存在嚴重的偏析，偏析規律基本一致，先高后低再回升到基體成分。

（2）通過降低結晶器石墨環高度可以減輕鑄錠表層偏析的偏析程度，但不能消除偏析層。

（3）在熱頂鑄造中，適當降低結晶器石墨環高度可以提高大直徑規格圓鑄錠的鑄造速度，從而提高鑄造生產效率。

（4）在熱頂鑄造中，適當降低結晶器石墨環高度可以減少圓鑄錠波浪和拉花缺陷的傾向性，提高大直徑規格鑄錠的表面質量。