鋁型材表面與結(jié)晶器內(nèi)壁之間的氣隙對(duì)溫度梯度的影響

當(dāng)熔體與結(jié)晶器接觸形成一層薄壁凝殼，其熱傳導(dǎo)路線(xiàn)是熔體--固溶體--結(jié)晶器--冷卻水，將釋放的熱量導(dǎo)走。但當(dāng)形成的凝殼一旦穩(wěn)定，能夠承受熔體向外的壓力時(shí)，薄殼與其液穴內(nèi)的熔體隨之下降，又因溫度降低而產(chǎn)生收縮，在鑄錠與結(jié)晶器內(nèi)壁之間脫離接觸，產(chǎn)生了空隙（即氣隙），后續(xù)凝固釋放的熱量，其熱傳導(dǎo)路線(xiàn)變成了熔體--固溶體--氣隙--結(jié)晶器--冷卻水。氣隙的熱阻遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于鋁與鋁、鋁與銅（結(jié)晶器材料一般為鋁質(zhì)或銅質(zhì)）接觸界面的熱阻，使得熱傳導(dǎo)能力大大降低，從而顯著降低了已結(jié)晶固體和結(jié)晶前沿熔體的溫度梯度，這雖然有利于過(guò)冷區(qū)的形成，便這將導(dǎo)致在鋁型材表面出現(xiàn)偏析瘤，降低鋁型材的成材率。為此，有人將結(jié)晶器制造成倒錐形，即下面部分的內(nèi)徑小于上面部分的內(nèi)徑，使得其結(jié)晶器內(nèi)徑減小的程度與鋁型材降溫收縮的大小相等或接近相等，消除或減小氣隙，降低熱阻，以改善鋁型材表面質(zhì)量。但這種方法存在兩個(gè)缺陷：（1）結(jié)晶器內(nèi)徑減小與鑄件收縮剛好相等，在理論上可行，在實(shí)踐中卻很難做到。鑄造參數(shù)稍有波動(dòng)或因某些因素的偶然干擾，就有可能遭到破壞，鋁型材懸掛在結(jié)晶器中，迫使鑄造中止。（2）即使不產(chǎn)生懸掛現(xiàn)象，鑄件與結(jié)晶器壁之間也不能完全消除氣隙，氣隙的熱阻就嚴(yán)重地阻礙熱的傳導(dǎo)。在鑄軋中三個(gè)區(qū)的導(dǎo)熱系數(shù)很能說(shuō)明這個(gè)問(wèn)題：在冷卻區(qū)熔體直接與輥面接觸，其導(dǎo)熱系數(shù)約為363W/（m·k）；在鑄造區(qū)（結(jié)晶區(qū)）發(fā)生凝固，產(chǎn)生收縮，使板面與輥面之間形成微小氣隙，導(dǎo)熱系數(shù)降低至約10.5W/（m·k）；在軋制區(qū)，軋輥對(duì)板坯的壓力增加，輥面與板面緊密接觸，導(dǎo)熱系數(shù)驟增至2005W/（m·k）。可見(jiàn)氣隙嚴(yán)重阻礙著熱量的傳導(dǎo)。采用這種方法很明顯會(huì)使溫度梯度減小，有利組分過(guò)冷區(qū)的形成。



為了改善鋁型材表面質(zhì)量，科技工作者發(fā)明了熱頂鑄造。熱頂鑄造結(jié)晶器的高度比普通鑄造的矮，上部為絕熱保溫材料，下部為結(jié)晶區(qū)。也有將結(jié)晶器制為一體，但在上部貼上絕熱保溫層，緊接保溫層鑲嵌一個(gè)起潤(rùn)滑作用的石墨環(huán)，下面為結(jié)晶帶，結(jié)晶帶長(zhǎng)度隨鑄件直徑的不同而有所不同。對(duì)?250mm及以下鑄件，一般結(jié)晶帶為12-15mm，澆注前均涂上潤(rùn)滑油脂。熔體注入結(jié)晶器后，在結(jié)晶帶以上熔體溫度維持在凝固點(diǎn)以上，基本上不存在溫度梯度，不發(fā)生結(jié)晶，也就不存在氣隙問(wèn)題。在結(jié)晶帶處，熔體與通水冷卻（第一次水冷）；的結(jié)晶器壁接觸，發(fā)生結(jié)晶，熔體凝固，但結(jié)晶帶很短，形成凝固殼后即遭二次水冷；二次冷卻水直接噴射到緊靠結(jié)晶界面前沿組分過(guò)冷區(qū)的鑄件表面，從而提高了熔體與過(guò)冷區(qū)熔體的溫度梯度，減小了組分過(guò)冷區(qū)，降低了形核幾率，有可能形成粗大的柱狀晶；但減少了偏析瘤的生成，改善了鑄件的表面質(zhì)量（善于偏析瘤問(wèn)題將在后面進(jìn)行討論）。若要減小柱狀晶，獲得細(xì)小等軸晶組織，就要采用比普通結(jié)晶器更高的鑄造速度，提高晶體的生長(zhǎng)速率，減小G/v的比值，使其小于形成組分過(guò)冷條件的臨界值。

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