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(nèi)各大銅加工廠澆鑄用結(jié)晶器多為直流冷卻型，即經(jīng)過結(jié)晶器水室后的全部冷卻水都直接轉(zhuǎn)換成噴射向鑄錠表面的二次冷卻水。這種結(jié)晶器的優(yōu)點是設(shè)計簡單，加工裝卸方便，對大多數(shù)導(dǎo)熱性能和高溫強度較好的純銅及銅-鋅二元合金而言，產(chǎn)品質(zhì)量基本得到保證，該結(jié)構(gòu)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(jié)晶器生產(chǎn)，在鑄錠內(nèi)部及表面產(chǎn)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(jié)晶器常由鑄鐵或鋼外殼和銅內(nèi)套組合而成。結(jié)晶器內(nèi)水室的冷卻水稱之為一次冷卻水，在結(jié)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(jié)晶器外殼內(nèi)側(cè)或銅套外側(cè)加工出若干道螺旋槽，讓溫度較低的水和已經(jīng)被加熱的水分別按工藝要求在不同區(qū)域流動。通過調(diào)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(jié)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(jīng)濟角度分析，直接水冷鑄造可提高鑄造速度，提升生產(chǎn)效率，適用于某些導(dǎo)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(xué)成分復(fù)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(fù)雜錳黃銅、復(fù)雜鋁黃銅等)時，常會出現(xiàn)中心裂紋、內(nèi)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(jié)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(jié)晶器后，靠近內(nèi)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(jié)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(nèi)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(yīng)力容易集中在鑄錠最后凝固區(qū)域，并在那里產(chǎn)生裂紋。

綜上所述，對于材料化學(xué)成分復(fù)雜、有效結(jié)晶溫度范圍寬、線收縮量大、熱裂傾向較強的銅合金，結(jié)晶器結(jié)構(gòu)的合理設(shè)計，即形成適合的一、二次冷卻水強度分配，是產(chǎn)品鑄造成功的關(guān)鍵。

2 設(shè)計改進

結(jié)晶器改進的設(shè)計思路是對冷卻強度進行合理分配，減小結(jié)晶過程中的內(nèi)應(yīng)力[3]。設(shè)計中要通過銅合金實際線收縮率與結(jié)晶器熱交換能力的關(guān)系，核算熱交換量大小，并將理論計算值和生產(chǎn)實際相互驗證，最終確定進、出水管內(nèi)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(jié)晶器結(jié)構(gòu)設(shè)計中，針對傳統(tǒng)結(jié)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(jié)晶的優(yōu)越性。設(shè)計中依據(jù)生產(chǎn)實際取結(jié)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(shè)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(yīng)力。傳統(tǒng)結(jié)晶器結(jié)構(gòu)如圖3所示，新型結(jié)晶器結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖3 傳統(tǒng)結(jié)晶器結(jié)構(gòu)Fig.3 Traditional crystallizer structure diagram

圖4 新型結(jié)晶器結(jié)構(gòu)Fig.4 New crystallizer structure diagram

使用新型結(jié)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(nèi)部固相線附近的收縮應(yīng)力，減輕了鑄錠內(nèi)外不均勻收縮的程度，避免了內(nèi)應(yīng)力聚中，扼制了熱裂的產(chǎn)生。二次冷卻強度降低，而結(jié)晶器內(nèi)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(nèi)部及表面缺陷的出現(xiàn)。用新型結(jié)晶器已生產(chǎn)HMn57-2-2-0.5錳黃銅鑄錠近千噸，產(chǎn)品一次交驗合格率穩(wěn)定在90%以上。

3 結(jié)語

1)噴射水流孔徑和噴射角的大小應(yīng)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(jié)晶器“水-氣”混合冷卻系統(tǒng)，能有效降低銅合金鑄造熱應(yīng)力，避免裂紋、疏松等缺陷出現(xiàn)。

3)復(fù)雜銅合金鑄造工藝參數(shù)與結(jié)晶器結(jié)構(gòu)緊密相關(guān)。結(jié)晶器結(jié)構(gòu)的合理設(shè)計及鑄造工藝參數(shù)的正確擬定是復(fù)雜銅合金鑄造成功的關(guān)鍵。

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

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

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