热顶铸造中结晶器石墨环高度对铝铸锭质量的影响

沈国新，刘金辉，李键安，陈康康，张 迪

（广东兴发铝业（河南）有限公司，焦作454500）

0 前言

在热顶铸造的金属凝固过程中，铸锭表层经历一次冷却和二次冷却，导致晶界出现重熔，溶质流动重新分配，致使表层出现宏观偏析层。热顶铸造法生产的6082 铝合金圆铸锭的表层存在宏观偏析层，这是热顶铸造生产方式造成的。检测发现，铸锭偏析层0～1 mm 区域成分高出基体成分约2 倍；2～4 mm 区域则低于基体成分约16%；5 mm 之后逐渐接近基体成分，最终形成“勺子”形状（先高后低再回升到基体成分）的宏观偏析层[1]。6061 和6082合金存在类似表层偏析规律。石景岩对7×××系合金偏析的研究表明，通过工艺方法提高铸造温度或铸造速度可以降低表层偏析[2]。国外有文献研究表明在铸造凝固过程中，通过施加低频电磁场影响可以减少表层偏析层的厚度[3]。热顶铸造的核心部件是结晶器里的石墨环，它是影响铸锭表层宏观偏析的关键因素。由于铝液在结晶凝固过程中与石墨环直接接触，所以石墨环又会影响铸造的工艺，从而影响铸锭表面质量。

本文在相同的铸造工艺条件下，从结晶器设计的角度，研究分析了采用不同高度的石墨环对6061 合金ϕ 320 mm 规格圆铸锭表面质量及表层偏析的影响。

1 实验方法

将同一套模盘相邻的3个结晶器里的石墨环设计为30 mm、32 mm 和35 mm 3 个高度，并在相同的铸造工艺条件（铸造速度、冷却强度、铝液温度）下，对6061合金ϕ 320 mm圆铸锭进行热顶铸造。

在铸锭相同高度位置取样分析，对铝饼进行逐层车削，逐层检测。每层取1 mm厚度的铝削样品，采用化学分析方法检验各层样品的主要合金成分。

2 实验结果

2.1 石墨环高度对铸锭表面偏析影响

对3种不同高度石墨环铸造出来的6061合金铸锭化学成分进行检测，其结果见表1。从表1 的实验结果可以看出，热顶铸造6061 合金圆铸锭中的主要元素Si、Mg、Cu 在表层都存在严重偏析，且偏析规律基本一致，先高后低再回升到基体成分，偏析层总厚度约6 mm。这验证了热顶铸造6061 和6082 合金圆铸锭有着相似的表层宏观偏析规律。虽然不同高度石墨环铸造的铸锭表层偏析规律一致，但偏析程度有所差异。随石墨环高度减少，表层偏析程度减轻，各主要元素Si、Mg、Cu都有基本相同的情况，如图1所示。

表1 6061合金铸锭表层各层及基体主要元素含量（质量分数/%）

图1（a）所示为Si 元素的偏析变化规律。 Si元素的最大值分别为1.121%、1.047%、1.005%，远大于基体成分。随着石墨环高度由35 mm 到32 mm 再到30 mm，偏析程度随石墨高度减少而逐步下降。 Si 元素的最低值分别为0.481%、0.530%、0.541%，小于基体成分，所以Si 元素含量随石墨高度减少而逐步上升，即偏析程度也随石墨高度减少而逐步减少。从正反两个方向比较可以得出结论：降低石墨环高度不能消除热顶铸造的表层偏析，但可以降低偏析的程度，随着石墨环高度下降，成分偏析程度下降。Mg、Cu 元素的偏析变化曲线分别如图1（b）、（c）所示，偏析变化规律和Si元素偏析规律基本一致。

图1 在相同铸造条件下不同高度的石墨环各主要元素表层偏析对比

图2是铸锭表层的50倍金相图。从图2（a）中可看出在铸锭最表面约0～1 mm 区间存在一层晶粒非常细小的区域，区域内有大量丰富的树枝晶网络结构，呈骨骼树枝状生长。晶界间还含有大量空隙和较大的空洞。对应表1的结果看，此区域Si、Mg元素含量远远高出基体的含量；图2（b）是过渡晶区，由细小的树枝晶过渡到粗大的等轴晶，大小与正常晶粒一致，但晶界网络明显减少，晶界第二相等共晶组织明显减少；图2（c）是基体正常组织。

图2 铸锭表层金相图（明场）

图3 铸锭表层金相图（暗场）

图3 是显微镜采用暗场观察的50 倍金相图片。从图3（a）和图3（b）可以明显区别出表层、过渡区和基体的晶界组织的差异：表层细晶区有非常密集丰富的晶界网络；而过渡区的晶界则非常稀疏，晶界断续不成网络；基体晶界则非常均匀，形成晶界网络。由于晶界大量分布、聚集着Mg2Si 及其它杂质相，所以晶界网络的密度可表征溶质成分的差异。图2 金相形貌与表1化学成分分析结果即可互相印证。

由于显微镜放大倍数高、视场小，各不同高度石墨环铸出的铸锭的金相组织较难区分，因此采用体视镜做了对比观察，结果如图4所示。试样经抛光后通过碱液腐蚀可以很清晰地观察到圆铸锭偏析层各层之间的原貌，各试样腐蚀规律一致。0～1 mm 厚度处是密集的细晶区，合金成分高，腐蚀程度较浅；约2 mm 处为细晶区过渡区，所以合金成分下降，腐蚀加深；在2～4 mm 厚度层内，Si、Mg合金元素成分低于基体成分，腐蚀程度明显高于表层及正常基体；随着距离逐渐增加到6 mm 处，腐蚀程度逐渐减轻到与基体相同。

从图4（a）、（b）、（c）对比可以发现，图4（a）中0～1 mm细晶区颜色较（c）图暗淡，腐蚀程度较高，晶粒密度较小，说明（a）图细晶区溶质含量低于（c）图；在2～3 mm溶质贫乏区，（a）图的腐蚀程度又明显低于（b）、（c）图，说明（a）图溶质贫乏区的溶质含量高于（b）、（c）图。从图4中的金相结果可以看出，在相同的铸造条件下，降低石墨环高度有利减轻热顶铸造表层偏析。图4 金相结果与表1化学成分分析结果一致。

2.2 石墨环高度对表面质量的影响

通过不同石墨环高度对比实验后，这3种石墨环高度均能实现正常铸造生产，所以我们将ϕ320 mm模盘结晶器石墨环高度由原来的35 mm全部改造成30 mm，并通过大量生产实践检验这2种不同石墨环高度对铸锭表面质量的影响。实践结果表明，用30 mm石墨环铸造ϕ320 mm铸锭不仅可以实现稳定生产，而且对铸造速度及铸锭表面质量都有明显的提高。

图4 抛光后碱液腐蚀（20倍）

图5 ϕ 320 mm圆铸锭表面偏析瘤对比

（1）在相同的铸造工艺条件下，石墨环高度分别为30 mm、35 mm 铸造出的圆铸锭表面对比如图5所示。高30 mm石墨环生产出的铝棒表面普遍更光滑细腻，表面偏析瘤数量较少；而高35 mm石墨环生产出的铸锭表面粗糙，偏析瘤数量明显较多。偏析瘤数量多，意味着成分偏析更为严重，这和铸锭表层成分分析结果一致。

（2）模盘结晶器石墨环高为35 mm 时，提高铸造速度，铸造到中段很容易出现拉花缺陷，铸造速度难提高，生产效率低。拉花缺陷一旦出现，基本上无法消除，而且拉花的面积会越来越大，深度越来越深。为了避免拉花，只能将铸造速度降低到约65 mm/min。石墨环高度改为30 mm 后，拉花缺陷基本克服，即使铸造速度提高到约70 mm/min，也能生产出优质圆铸锭，铸造生产效率提高约10%。故在一定条件下，降低石墨环高度可以提高铸造速度，提高生产效率。

（3）模盘结晶器石墨环高为35 mm 时，铸造圆铸锭表面更容易出现波浪，特别是铝液温度偏高的时候。铸锭出现波浪后难以通过工艺调整控制，降低铸造速度可以在一定程度上减轻波浪，但不能根除，故波浪缺陷较为普遍。改为高30 mm石墨环后，在相同的铸造工艺条件下，铸锭波浪缺陷出现概率明显下降。所以降低石墨环高度可以减少出现铸锭波浪缺陷的倾向性。

3 分析讨论

图6为热顶铸造示意图。UCD为冷却水上流导热距离；h结为结晶器有效高度；h水为结晶器到水冷距离。UCD 可以通过工艺调节，而h结、h水这两个为设计参数，工艺上不可调节。

图6 热顶铸造示意图

图6中各参数间的关系如下：

（1）h结+h水-UCD＜0，这种状态会在铸锭表面出现搭接式冷隔。

（2）h结+h水-UCD=0～15 mm，表示铸锭表面质量较好，没有或只有微弱的偏析瘤和冷隔。

（3）h结+h水-UCD＞25 mm，则表示石墨环单独冷却收缩而形成的凝壳薄而长，从而引起铸锭表面软熔波浪或偏析浮出物增加[4]。

在生产实践中，为了获得良好的铸锭表面质量，往往通过控制冷却水量、铸造速度和铝液温度来调节UCD。在铸造过程中这些工艺参数是可以调节的，但都存在一定的局限性。当这些工艺参数经调整后仍无法获得良好质量的铸锭时，则要考虑结晶器石墨环高度的设计。

3.1 石墨环高度对铸锭表层偏析的影响

如图7所示，铝液进入结晶器后，与石墨环接触，经历一次冷却成形，冷却成形后开始收缩形成气隙。石墨环内径329.3 mm，铸锭直径320 mm，完成冷却收缩后两边气隙达4.65 mm。经一次冷却形成气隙后，铸锭冷却强度急剧下降，铝液开始重新加热铸锭。铸锭表层晶界中的共晶组织富集，因其熔点低，故首先出现重熔。在金属液穴金属静压力和表层孔隙的作用下，富含溶质的铝液沿着枝晶间和晶粒间隙流到铸锭表面，形成偏析层。铸锭从结晶器出来，喷水进行二次冷却时，热交换又剧烈进行，铸锭迅速凝固，偏析层就固定下来。

缩短石墨环高度会减少铸锭收缩形成气隙后到喷水二次冷却的铸造时间，从而减少铝液重新加热铸锭的时间。石墨环高度由35 mm降低到30 mm，则铸锭从收缩形成气隙后到喷水二次冷却的距离减少了5 mm。按照65 mm/min的铸造速度计算，铸锭经过这段距离需要4.6 s，所以在这阶段铸锭表层被铝液加热重熔时间就减少了4.6 s。结果导致晶界重熔的共晶富集区减少，溶质通过枝晶网络流动到铸锭表层的浓度也会减少，从而减轻铸锭表层偏析程度。

缩短石墨环高度就是降低结晶器有效高度h结，由结晶器石墨环单独冷却成形的冷凝壳也缩短了。从实验结果看，冷却水上流导热距离UCD符合h结+h水-UCD=0～15 mm这种条件时，铸锭没有或只有微弱的偏析瘤，偏析减少。

图7 ϕ 320 mm结晶器局部图

3.2 石墨高度对铸锭表面质量的影响

当铸锭表面容易出现拉花及波浪的时候，结晶器冷却水上流导热距离UCD 更接近符合h结+h水-UCD＞25 mm这种条件。

当通过调节冷却水量、铸造速度及铝液温度来调节UCD 都无法获得良好的表面质量时，可以通过缩短石墨环来降低结晶器的有效高度h结，使UCD更符合h结+h水-UCD=0～15 mm。降低结晶器有效高度相当于降低铸锭一次冷却强度，结果导致结晶器石墨环单独冷却成形的冷凝壳缩短，从而降低铸锭拉花的倾向性，减少偏析瘤，减少波浪缺陷。从实践结果可以证实，通过缩短石墨环来降低结晶器的有效高度可获得良好的铸锭表面，提高铸锭质量。

4 结论

（1）在热顶铸造中，6061合金大直径规格圆铸锭表层存在宏观偏析层，偏析层总厚度约6 mm。主要合金元素Si、Mg、Cu 都存在严重的偏析，偏析规律基本一致，先高后低再回升到基体成分。

（2）通过降低结晶器石墨环高度可以减轻铸锭表层偏析的偏析程度，但不能消除偏析层。

（3）在热顶铸造中，适当降低结晶器石墨环高度可以提高大直径规格圆铸锭的铸造速度，从而提高铸造生产效率。

（4）在热顶铸造中，适当降低结晶器石墨环高度可以减少圆铸锭波浪和拉花缺陷的倾向性，提高大直径规格铸锭的表面质量。