铝型材表面与结晶器内壁之间的气隙对温度梯度的影响

当熔体与结晶器接触形成一层薄壁凝壳，其热传导路线是熔体--固溶体--结晶器--冷却水，将释放的热量导走。但当形成的凝壳一旦稳定，能够承受熔体向外的压力时，薄壳与其液穴内的熔体随之下降，又因温度降低而产生收缩，在铸锭与结晶器内壁之间脱离接触，产生了空隙（即气隙），后续凝固释放的热量，其热传导路线变成了熔体--固溶体--气隙--结晶器--冷却水。气隙的热阻远远大于铝与铝、铝与铜（结晶器材料一般为铝质或铜质）接触界面的热阻，使得热传导能力大大降低，从而显著降低了已结晶固体和结晶前沿熔体的温度梯度，这虽然有利于过冷区的形成，便这将导致在铝型材表面出现偏析瘤，降低铝型材的成材率。为此，有人将结晶器制造成倒锥形，即下面部分的内径小于上面部分的内径，使得其结晶器内径减小的程度与铝型材降温收缩的大小相等或接近相等，消除或减小气隙，降低热阻，以改善铝型材表面质量。但这种方法存在两个缺陷：（1）结晶器内径减小与铸件收缩刚好相等，在理论上可行，在实践中却很难做到。铸造参数稍有波动或因某些因素的偶然干扰，就有可能遭到破坏，铝型材悬挂在结晶器中，迫使铸造中止。（2）即使不产生悬挂现象，铸件与结晶器壁之间也不能完全消除气隙，气隙的热阻就严重地阻碍热的传导。在铸轧中三个区的导热系数很能说明这个问题：在冷却区熔体直接与辊面接触，其导热系数约为363W/（m·k）；在铸造区（结晶区）发生凝固，产生收缩，使板面与辊面之间形成微小气隙，导热系数降低至约10.5W/（m·k）；在轧制区，轧辊对板坯的压力增加，辊面与板面紧密接触，导热系数骤增至2005W/（m·k）。可见气隙严重阻碍着热量的传导。采用这种方法很明显会使温度梯度减小，有利组分过冷区的形成。



为了改善铝型材表面质量，科技工作者发明了热顶铸造。热顶铸造结晶器的高度比普通铸造的矮，上部为绝热保温材料，下部为结晶区。也有将结晶器制为一体，但在上部贴上绝热保温层，紧接保温层镶嵌一个起润滑作用的石墨环，下面为结晶带，结晶带长度随铸件直径的不同而有所不同。对?250mm及以下铸件，一般结晶带为12-15mm，浇注前均涂上润滑油脂。熔体注入结晶器后，在结晶带以上熔体温度维持在凝固点以上，基本上不存在温度梯度，不发生结晶，也就不存在气隙问题。在结晶带处，熔体与通水冷却（第一次水冷）；的结晶器壁接触，发生结晶，熔体凝固，但结晶带很短，形成凝固壳后即遭二次水冷；二次冷却水直接喷射到紧靠结晶界面前沿组分过冷区的铸件表面，从而提高了熔体与过冷区熔体的温度梯度，减小了组分过冷区，降低了形核几率，有可能形成粗大的柱状晶；但减少了偏析瘤的生成，改善了铸件的表面质量（善于偏析瘤问题将在后面进行讨论）。若要减小柱状晶，获得细小等轴晶组织，就要采用比普通结晶器更高的铸造速度，提高晶体的生长速率，减小G/v的比值，使其小于形成组分过冷条件的临界值。

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