新型半連續(xù)鑄造復雜銅合金用結晶器

姜煥成，李和美，劉楠，王志堅，劉巍巍，付武英

(黑龍江北方華安工業(yè)集團有限公司，黑龍江 齊齊哈爾 161046)

1 工藝分析

國內各大銅加工廠澆鑄用結晶器多為直流冷卻型，即經過結晶器水室后的全部冷卻水都直接轉換成噴射向鑄錠表面的二次冷卻水。這種結晶器的優(yōu)點是設計簡單，加工裝卸方便，對大多數(shù)導熱性能和高溫強度較好的純銅及銅-鋅二元合金而言，產品質量基本得到保證，該結構一直被工廠廣泛采用。

黑龍江北方華安工業(yè)集團有限公司在HMn57-2-2-0.5錳黃銅試制期間，沿用傳統(tǒng)結晶器生產，在鑄錠內部及表面產生嚴重缺陷，造成大量廢品。采取改進工藝參數(shù)，降低澆鑄速度，減弱冷卻強度等措施都收效甚微。

工廠廣泛使用的結晶器常由鑄鐵或鋼外殼和銅內套組合而成。結晶器內水室的冷卻水稱之為一次冷卻水，在結晶器出口處噴射到銅合金鑄錠表面的水稱為二次冷卻水[1]。有時為了控制水流方向，即強化一次冷卻效果，在結晶器外殼內側或銅套外側加工出若干道螺旋槽，讓溫度較低的水和已經被加熱的水分別按工藝要求在不同區(qū)域流動。通過調節(jié)進水口水流量間接控制冷卻水壓力大小，使銅合金鑄錠形成自下而上的方向性結晶，以利于液穴中氣體和某些夾雜異物的排出及凝固收縮時熔體的補充。

從經濟角度分析，直接水冷鑄造可提高鑄造速度，提升生產效率，適用于某些導熱性能好且無裂紋傾向的銅合金鑄造。直接水冷鑄造的主要缺點是鑄造化學成分復雜、熱裂傾向較強的銅合金，尤其是凝固過程中有硬脆相生成的銅合金(如復雜錳黃銅、復雜鋁黃銅等)時，常會出現(xiàn)中心裂紋、內部縮孔、分散疏松等缺陷[2]，如圖1、圖2所示。

圖1 HMn57-2-2-0.5錳黃銅中心裂紋Fig.1 Center crack of Mn-brass alloy HMn57-2-2-0.5

圖2 HMn57-2-2-0.5錳黃銅分散疏松(×10)Fig.2 Scattered and loose Mn-brass alloy HMn57-2-2-0.5

半連續(xù)鑄造過程中，通過結晶器水室間接進行的熱交換量只有約30%，70%左右的熱交換主要在直接水冷即二次冷卻區(qū)進行。鑄造過程中，銅合金熔體注入結晶器后，靠近內壁處首先形成凝固殼，液穴中熔體的冷卻和凝固在凝殼中進行。澆鑄速度與冷卻水壓力匹配不當時，凝固收縮引起的體積縮小不能及時得到外來熔體的補充，在鑄錠中非常容易形成集中縮孔或分散疏松。

銅合金鑄錠離開結晶器后，由于受到強烈的二次水的直接冷卻，凝殼迅速增厚并開始急劇收縮。表層冷卻速度快、溫度低、收縮量大，內部冷卻慢、溫度高、收縮量小。當鑄錠截面溫度梯度較陡時，鑄造應力容易集中在鑄錠最后凝固區(qū)域，并在那里產生裂紋。

綜上所述，對于材料化學成分復雜、有效結晶溫度范圍寬、線收縮量大、熱裂傾向較強的銅合金，結晶器結構的合理設計，即形成適合的一、二次冷卻水強度分配，是產品鑄造成功的關鍵。

2 設計改進

結晶器改進的設計思路是對冷卻強度進行合理分配，減小結晶過程中的內應力[3]。設計中要通過銅合金實際線收縮率與結晶器熱交換能力的關系，核算熱交換量大小，并將理論計算值和生產實際相互驗證，最終確定進、出水管內徑，保證銅合金澆鑄過程中冷卻水溫升控制在40℃以下。此次新結晶器結構設計中，針對傳統(tǒng)結晶器做出如下改進。

1)在保證一次冷卻強度即銅鑄錠凝殼厚度的前提下，適當降低一次冷卻區(qū)高度，充分發(fā)揮鑄錠自下而上方向性結晶的優(yōu)越性。設計中依據生產實際取結晶器一次冷卻區(qū)高度為180 mm。

2)合理確定二次冷卻水噴射角度，減小噴濺。保證部分冷卻水能夠平穩(wěn)地包圍鑄錠表面流下，對鑄錠連續(xù)冷卻。設計中取θ=25°。

3)參照噴霧器工作原理，新增獨立的“水-氣”混合冷卻系統(tǒng)，使銅鑄錠冷卻更加緩和、柔弱，降低鑄造熱應力。傳統(tǒng)結晶器結構如圖3所示，新型結晶器結構如圖4所示。

圖3 傳統(tǒng)結晶器結構Fig.3 Traditional crystallizer structure diagram

圖4 新型結晶器結構Fig.4 New crystallizer structure diagram

使用新型結晶器進行澆鑄，鑄造過程中銅鑄錠通根保持紅錠狀態(tài)，降低了金屬內部固相線附近的收縮應力，減輕了鑄錠內外不均勻收縮的程度，避免了內應力聚中，扼制了熱裂的產生。二次冷卻強度降低，而結晶器內金屬液的流動性降低不多，使液態(tài)金屬與半凝固態(tài)金屬滲透焊合較好，避免了縮孔、冷隔等內部及表面缺陷的出現(xiàn)。用新型結晶器已生產HMn57-2-2-0.5錳黃銅鑄錠近千噸，產品一次交驗合格率穩(wěn)定在90%以上。

3 結語

1)噴射水流孔徑和噴射角的大小應保證水流不能在與鑄錠表面接觸的瞬間全部射出，至少有部分水流能夠平穩(wěn)地包圍鑄錠表面流下。

2)新增的獨立控制的直接水冷結晶器“水-氣”混合冷卻系統(tǒng)，能有效降低銅合金鑄造熱應力，避免裂紋、疏松等缺陷出現(xiàn)。

3)復雜銅合金鑄造工藝參數(shù)與結晶器結構緊密相關。結晶器結構的合理設計及鑄造工藝參數(shù)的正確擬定是復雜銅合金鑄造成功的關鍵。

[1]章四琪，黃勁松.有色金屬熔煉與鑄錠[M].北京:化學工業(yè)出版社，2007:151－160.

[2]王濤.新型耐磨復雜黃銅生產技術[J].有色金屬加工，2005(12):1 －9.

[3]鐘衛(wèi)佳.銅加工技術使用手冊[M].北京:冶金工業(yè)出版社，2007:452－458.