鋁型材表面與結晶器內壁之間的氣隙對溫度梯度的影響

當熔體與結晶器接觸形成一層薄壁凝殼，其熱傳導路線是熔體--固溶體--結晶器--冷卻水，將釋放的熱量導走。但當形成的凝殼一旦穩定，能夠承受熔體向外的壓力時，薄殼與其液穴內的熔體隨之下降，又因溫度降低而產生收縮，在鑄錠與結晶器內壁之間脫離接觸，產生了空隙（即氣隙），后續凝固釋放的熱量，其熱傳導路線變成了熔體--固溶體--氣隙--結晶器--冷卻水。氣隙的熱阻遠遠大于鋁與鋁、鋁與銅（結晶器材料一般為鋁質或銅質）接觸界面的熱阻，使得熱傳導能力大大降低，從而顯著降低了已結晶固體和結晶前沿熔體的溫度梯度，這雖然有利于過冷區的形成，便這將導致在鋁型材表面出現偏析瘤，降低鋁型材的成材率。為此，有人將結晶器制造成倒錐形，即下面部分的內徑小于上面部分的內徑，使得其結晶器內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量。但這種方法存在兩個缺陷：（1）結晶器內徑減小與鑄件收縮剛好相等，在理論上可行，在實踐中卻很難做到。鑄造參數稍有波動或因某些因素的偶然干擾，就有可能遭到破壞，鋁型材懸掛在結晶器中，迫使鑄造中止。（2）即使不產生懸掛現象，鑄件與結晶器壁之間也不能完全消除氣隙，氣隙的熱阻就嚴重地阻礙熱的傳導。在鑄軋中三個區的導熱系數很能說明這個問題：在冷卻區熔體直接與輥面接觸，其導熱系數約為363W/（m·k）；在鑄造區（結晶區）發生凝固，產生收縮，使板面與輥面之間形成微小氣隙，導熱系數降低至約10.5W/（m·k）；在軋制區，軋輥對板坯的壓力增加，輥面與板面緊密接觸，導熱系數驟增至2005W/（m·k）。可見氣隙嚴重阻礙著熱量的傳導。采用這種方法很明顯會使溫度梯度減小，有利組分過冷區的形成。



為了改善鋁型材表面質量，科技工作者發明了熱頂鑄造。熱頂鑄造結晶器的高度比普通鑄造的矮，上部為絕熱保溫材料，下部為結晶區。也有將結晶器制為一體，但在上部貼上絕熱保溫層，緊接保溫層鑲嵌一個起潤滑作用的石墨環，下面為結晶帶，結晶帶長度隨鑄件直徑的不同而有所不同。對?250mm及以下鑄件，一般結晶帶為12-15mm，澆注前均涂上潤滑油脂。熔體注入結晶器后，在結晶帶以上熔體溫度維持在凝固點以上，基本上不存在溫度梯度，不發生結晶，也就不存在氣隙問題。在結晶帶處，熔體與通水冷卻（第一次水冷）；的結晶器壁接觸，發生結晶，熔體凝固，但結晶帶很短，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晶界面前沿組分過冷區的鑄件表面，從而提高了熔體與過冷區熔體的溫度梯度，減小了組分過冷區，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量（善于偏析瘤問題將在后面進行討論）。若要減小柱狀晶，獲得細小等軸晶組織，就要采用比普通結晶器更高的鑄造速度，提高晶體的生長速率，減小G/v的比值，使其小于形成組分過冷條件的臨界值。

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