铝合金扁铸锭同水平热顶铸造装置专利背景

传统的直冷（DC）铸造工艺所用设备如图1所示，在装于模台上的结晶器4上部设有流盘1和分流漏斗3，结晶器下部设有装在引锭座上的引锭头，铸造前，把模台、引锭座安上铸造井，将引锭头升上来，使其伸入结晶器内形成完整的铸模，铸造时，金属铝液从分流漏斗流入结晶器，通冷却水冷却，引锭头以一定速度向铸造井下方移动，将结晶器内冷却成形的铝锭拉出，达到一定长度停止供铝液和冷却水，翻开模台吊出铸锭。这种工艺设备不足之处是不能很好地控制DC结晶器内金属液面的水平，液面过低会造成铸锭表面形成冷隔，严重时会产生漏铝，过高又会加重铸锭表面偏折瘤的深度，极易造成铸锭表面拉痕、拉裂。2000年9月之前，采用同水平热顶铸造工艺可以解决这类问题，热顶铸造工艺所用的铸造设备如图3所示：即在结晶器4上开口处设有用耐火绝热材料制成的热顶10，热顶上设有凹下的分流盘8，分流盘底部对应每个结晶器内腔中心部位设有一个分流孔11，有了热顶以后，结晶器内金属液面的水平就很容易控制，所以同水平热顶铸造工艺生产的铸锭内部质量好，整个铸锭组织均匀，机械性能好，铸锭表面光滑，而且由于热顶铸造取消了漏斗，从而一方面可铸造规格更为细小的铸锭，另一方面简化了工艺，提高了生产效率。但该工艺不能直接用于生产扁锭，因为扁锭的纵向长度大于横向宽度，在传统直冷铸造中，生产扁锭要在直冷结晶器里放一个能纵向均布液流的船形分流漏斗3，才能铸出没有裂纹的铸锭，而在同水平热顶铸造工艺装置里不能放置分流漏斗，所以2000年9月之前的铝合金扁锭铸造还是只能采用传统的直冷工艺。

铝合金扁铸锭同水平热顶铸造装置专利目的

《铝合金扁铸锭同水平热顶铸造装置》旨在提供一种不设分流漏斗也能对金属铝液有均流作用、从而可生产出合格扁锭的铝合金扁铸锭同水平热顶铸造装置。

铝合金扁铸锭同水平热顶铸造装置技术方案

《铝合金扁铸锭同水平热顶铸造装置》包括结晶器（4），结晶器下部对应设有装在引锭座上的引锭头，结晶器上方设有用耐火绝热材料制成兼起热顶作用的分流盘（8），分流盘底部设有与结晶器内腔相通的分流孔（11），其特征在于：所述的分流盘（8）底部对应每个结晶器内腔设有不少于两个的分流孔（11）。

铝合金扁铸锭同水平热顶铸造装置改善效果

《铝合金扁铸锭同水平热顶铸造装置》在兼起热顶作用的分流盘底部对应每个结晶器内腔设置两个或两个以上分流孔，改变了以往同水平热顶铸造工艺装置分流盘对应每个结晶器内腔只在中心部位设置一个中心分流孔的结构，这样可根据铸锭的几何形状均匀设置分流孔，达到平均分配金属液流的目的，《铝合金扁铸锭同水平热顶铸造装置》既利用了同水平热顶铸造工艺的优点，又解决了用该工艺生产铝合金扁铸锭的均流问题，采用该装置铸造铝合金扁锭时，结晶器内液穴不会很深，液穴形状好，铸出的扁锭既具有现有技术中同水平热顶铸造铸锭的所有优点，又不易出现裂纹，同时还可用于铸造其它几何形状复杂的铸锭。

图1是传统直冷（CD）扁锭铸造装置结晶器上部结构示意图。

图2是图1的A向视图。

图3是2000年的技术同水平热顶铸造装置结晶器上部结构示意图。

图4是图3的B向视图。

图5是《铝合金扁铸锭同水平热顶铸造装置》实施例结晶器上部结构示意图（下部的引锭头部分略去）。

图6是图5的C向视图。

主要元件符号说明：1流盘、2喇叭嘴、3分流漏斗、4晶器、5冷却水、6金属铝液、7铸锭、8分流盘、9石墨环衬里、10热顶、11分流孔、12冷却水缝。

《铝合金扁铸锭同水平热顶铸造装置》属一种用于铸造铝合金扁铸锭的热顶铸造装置，也适用于铸造其它几何形状复杂的铸锭。

1、《铝合金扁铸锭同水平热顶铸造装置》包括结晶器（4），结晶器下部对应设有装在引锭座上的引锭头，结晶器上方设有用耐火绝热材料制成、可兼起热顶作用 的分流盘（8），分流盘底部设有与结晶器内腔相通的分流孔（11），其特征在于： 所述的分流盘（8）底部对应每个结晶器内腔设有不少于两个的分流孔（11）。

2、根据权利要求1所述的铝合金扁铸锭同水平热顶铸造装置，其特征在于： 所述结晶器的横截面为扁形，分流盘底部在对应每个扁形结晶器纵向长度方向均匀设置两个分流孔（11）。

3、根据权利要求2所述的铝合金扁铸锭同水平热顶铸造装置，其特征在于： 所述扁形结晶器上的冷却水缝（12）为纵向冷却水缝宽度大于横向冷却水缝宽度。

4、根据权利要求1、2或3所述的铝合金扁铸锭同水平热顶铸造装置，其特征在于：所述结晶器内壁上开口处设有环形石墨环衬里（9）。

5、根据权利要求1、2或3所述的铝合金扁铸锭同水平热顶铸造装置，其特征在于：所述分流孔（11）为上小下大的喇叭形孔。

6、根据权利要求4所述的铝合金扁铸锭同水平热顶铸造装置，其特征在于： 所述分流孔（11）为上小下大的喇叭形孔。

实施时，将12支结晶器排列设在同一模台上模台下方对应每一结晶器设有装在引锭座上的引锭头，每一结晶器上部设有用耐火绝热材料制成并带有凹下的分流盘8的热顶10，结晶器的横截面为扁形，热顶分流盘底部在对应每个扁形结晶器纵向长度方向均匀设置两个分流孔11，分流孔为上小下大的喇叭形，这种形状更利于分流。该例扁形结晶器上的冷却水缝12为纵向冷却水缝宽度大于横向冷却水缝宽度，其宽度比为4/3，这是因为扁锭纵向侧壁长于横向侧壁，如果纵、横向冷却水缝宽度一样宽，扁锭纵向侧壁冷却速度就会小于横向侧壁的冷却速度，影响铸锭质量，所以在纵向外壁上提供更多的冷却水可使扁锭横截面周边上各处的冷却速度趋于一致。在结晶器内壁上开口处设有环形石墨环衬里9，可进一步提高铸锭表面质量。《铝合金扁铸锭同水平热顶铸造装置》也可根据结晶器横截面的形状在对应每个结晶器的分流盘底部设置3个以上的分流孔。

2017年12月11日，《铝合金扁铸锭同水平热顶铸造装置》获得第十九届中国专利优秀奖。

《水平连铸与同水平铸造》是由冶金工业出版社出版的。

连续铸锭工艺应用于工业生产，始于20世纪30年代的有色金属工业，迄今已有80-余年。水平连铸应用于工业生产则始于1950年，到现在已有近60年的历史。至今连续铸锭生产已广泛应用于整个冶金工业企业。

1960年，我在中南矿冶学院（今中南大学）学习期间，陈存中教授为我们讲授“有色合金熔铸”课程，初次接受连续铸锭知识。1962年毕业，分配到冶金工业部沈阳铝镁设计研究院工作。1964年，开始从事水平连铸铝锭的试验研究。为了做好工作，广泛收集了各种金属的连续铸锭资料，为编写本书打下基础。20世纪70年代初，曾有友人向我建议，将水平连铸资料汇集成册。80年代以来，水平连续铸钢工艺和同水平铸造在我国得到广泛发展，更激起了我提笔的兴趣。彼时因忙于完成工作任务，总是未能如愿。今日得空闲，将工作和学习中积累的资料汇集整理，编著成此书。

在连续铸锭生产中，凝固与传热过程是最根本的技术内容，一直是研究者深入探讨盼课题。A·A.CKBOpKOB和A.AKrIMeHKO的著作Tertaonepeeiia N 3aTB印且eBaHHeCTarnk B YCTaHOBKaX HenpepbmHOPaanHBKH，是早期的专著，该书主要根据水热模拟法和试验研究结果写成，其试验研究结果对连铸生产和研究还是有借鉴意义的。当今，计算机技术广泛应用于各个领域，为连铸中的凝固与传热过程实现数值模拟创造了有利条件，是当今许多研究者的热点课题，也是本书探讨的重要内容。

连续铸锭包括立式、水平式和倾斜式。立式连续铸锭包括敞露液面连铸和热顶铸造。敞露液面的立式连铸和水平连铸，已广泛应用于各种金属的连续铸锭生产中；热顶铸造发展为同水平铸造，目前仅应用于铝及铝合金锭生产中。倾斜式连铸见诸早期研究过程中，实际生产中已不多见。在连续铸锭技术的发展过程中，它们之间相互影响和交融。它们有着各自的特点，也有共性内容。水平连铸与同水平铸造的共性内容更多一些，将其合卷编写，目的是想通过个性内容探讨共同的规律；根据共同规律再去分析个性内容的特点，以期促进连铸技术的发展。作为一种专门的生产方法来进行探讨，不囿于某种金属，会了解得更全面些。经过分析比较，明确了弯月面的作用和凝固壳的波动性作用在连续铸锭过程中的意义；在此基础上提出了周边细等轴晶区的凝固壳波动性成因和结晶器内热交换四阶段模型的看法。

表面张力成形法不用激冷的结晶器，依靠液态金属的表面张力而成形，直接喷水冷却铸坯。从连铸概念考虑，它是水平连铸的特例。这种方法的存在表明表面张力在连铸过程中的重要作用。因此，在连铸原理中作了较为详细的介绍，目的在于探讨表面张力在水平连铸与同水平铸造申的意义。

绪论

1 连续铸锭发展概况

2 连续铸锭在冶金工业中的意义

3 封闭式连铸

参考文献

1 连续铸锭生产的基础知识

1.1 液态金属的性质

1.1.1 熔点与沸点

1.1.2 质量热容

1.1.3 密度

1.1.4 凝固时的体积变化

1.1.5 体胀率

1.1.6 电阻率

1.1.7 热导率

1.1.8 黏度

1.1.9 气体的溶解度

1.1.10 液态金属的表面张力

1.2 固态金属的性质

1.2.1 密度

1.2.2 线胀系数

1.2.3 热容

1.2.4 热传导

1.3 热扩散率

1.4 金属的高温力学性能

1.5 金属的摩擦系数

参考文献

2 连续铸锭原理

2.1 恒动式水平连续铸锭

2.2 波动式水平连续铸锭

2.2.1 Terssmann式

2.2.2 Hunter式

2.2.3 YHHHM式

2.2.4 TG式

2.3 热顶铸造

2.4 表面张力成形法

2.5 弯月面在连铸生产中的意义

2.6 运动状态在连铸生产中的意义

参考文献

3 连续铸锭的传热过程

3.1 接触区的波动性

3.2 接触区传热的不对称性

3.3 熔体静压力沿液相穴深度上的等值性

3.4 导流区的热传导

3.5 水平连续铸锭结晶器的传热特性

3.5.1 多级结晶器的传热特征

3.5.2 单级结晶器的传热特征

3.5.3 平均热流密度

3.6 热顶铸造的传热过程

3.6.1 热顶铸造的传热特征

3.6.2 逆流导热距离的计算

3.6.3 影响逆流导热距离的因素

3.7 弯月面区域的凝固传热

3.7.1 弯月面的成因

3.7.2 弯月面区域凝固传热的数值模拟

3.7.3 影响弯月面稳定性的因素

3.8 连续铸锭凝固传热过程的数值模拟

3.8.1 水平连铸多级式结晶器的传热数学模型

3.8.2 水平连铸单级式结晶器的传热数学模型

3.8.3 水平连铸数值模拟的准确性

3.8.4 水平电磁连续铸造凝固传热过程的数值模拟

3.9 影响凝固传热过程的因素

3.9.1 影响结晶器内凝固传热的因素

3.9.2 影响二次冷却区散热的因素

参考文献

4 连续铸锭的凝固过程

4.1 凝固区

4.2 金属凝固时的体积变化

4.3 凝固方式与晶体的形态

4.4 合金元素的偏析

4.5 金属凝固过程中的声发射特点

4.6 连续铸锭的正常晶粒组织

4.6.1 表面等轴晶区的形成

4.6.2 柱状晶区的形成

4.6.3 中心等轴晶区的形成

4.6.4 柱状结晶与等轴晶的过渡条件

4.7 立式连续铸锭凝固过程的研究

4.8 同水平铸造的凝固过程

4.8.1 热顶铸造的凝固过程

4.8.2 油气润滑模热顶铸造

4.8.3 同水平铸造

4.9 水平连铸的凝固过程

4.9.1 水平连续铸钢的凝固过程

4.9.2 水平连铸铜合金锭的凝固过程

4.9.3 铝及铝合金水平连铸的凝固过程

4.9.4 水平连续铸锭的组织特点

4.10 连续铸锭凝固过程中的应力状态

4.11 弯月面在连续铸锭过程中的作用

4.11.1 弯月面在封闭式连续铸锭过程中形成过渡区

4.11.2 弯月面为封闭式连续铸锭提供润滑空间

4.11.3 弯月面对铸锭表面质量的影响

4.12 气隙对封闭式连续铸锭过程的作用

4.13 结晶器激冷对连续铸锭的作用

4.13.1 结晶器激冷可促进凝固壳与结晶器接触的波动性

4.13.2 激冷对铸锭周边细等轴晶区的影响

4.13.3 激冷对气隙区散热的影响

4.13.4 冷却水对结晶器激冷效果的影响

4.13.5 液态金属与结晶器内壁界面的传热系数

4.13.6 结晶器壁温度场的数值模拟

4.14 液态金属静压力的作用

4.15 封闭式连铸过程中的润滑作用

4.16 铸锭凝固壳与结晶器壁的相对运动

4.17 凝固壳的失稳特征

4.18 凝固系数

4.19 电磁场在连续铸锭过程中的作用

参考文献

5 连续铸锭生产设备的工艺特性

5.1 储液槽

5.1.1 中间包

5.1.2 热顶

5.2 导流区结构

5.2.1 分离环温度应力的计算

5.2.2 分离环机械应力的计算

5.3 结晶器

5.3.1 结晶器材料

5.3.2 结晶器壁厚

5.3.3 结晶器长度

5.3.4 结晶器的锥度

5.3.5 结晶器的冷却结构

5.3.6 结晶器的润滑结构

5.3.7 结晶器工作壁表面镀层

5.3.8 水平连铸铝及铝合金锭用结晶器

5.3.9 水平连铸铜及铜合金锭用结晶器

5.3.10 水平连铸钢锭用结晶器

5.3.11 热顶铸造用结晶器

5.4 引锭装置

5.5 铸锭二次冷却装置

5.5.1 锥帘式喷射冷却结构

5.5.2 喷洒式冷却结构

5.6 牵引装置

5.6.1 辊式牵引装置

5.6.2 链板式牵引装置

5.6.3 拖曳式牵引装置

5.6.4 水平连铸机牵引能力的计算

5.6.5 热顶铸造的传动装置

5.7 铸锭切断装置

5.7.1 冶金长度的计算

5.7.2 同步锯

5.7.3 同步气割装置

5.7.4 同步剪

5.7.5 飞剪

……

6 生产实践

参考文献