郭 伟
（中国铝业股份有限公司贵州分公司，贵州贵阳 550000）
世界铝（包括再生铝）产量的85%以上被加工成板、带、条、箔、管、棒、型、线、铸件、压铸件、冲压件及其深加工件等铝及铝合金产品。无论何种铝及铝合金产品，其铸锭（件）的质量都直接关系到材料的使用性能[1]。铝及铝合金圆锭（亦称为圆棒）铸造，属于铝铸锭中的一种重要生产形式，国内普遍采用是半连续同水平热顶铸造工艺，即铝液通过圆锭铸造平台，经铸造平台表面流槽、分流盘、导管等耐火材料引流至结晶器，在结晶器内经一次弱初冷和二次强水冷后，再通过引锭头将凝固的圆锭向下自动牵引，从而制备成规定长度的铝及铝合金圆锭产品。
目前，同水平热顶铸造工艺因其自动化程度高，且生产的圆锭具有铸锭组织均匀、力学性能好、表面缺陷少等特点，在铝及铝合金圆锭铸造生产中得到了广泛推广引用[2]。而热顶铸造中的结晶器作为给圆锭提供结晶、成型重要的部件，对圆锭的表面外观（如裂纹、气孔、疏松、夹渣、偏析、冷隔等）及内部理化性能（如强度、延展性等）均有着重要影响。
由于安装及生产需要，圆锭铸造结晶器的结构通常设计为外方内圆结构，外方结构主要是便于在铸造平台上的安装固定，使得结晶器在平台上的布局更加紧凑[3]；
内圆结构则是为圆锭铸造提供圆形结构基础，并与下端的圆形引锭头配合完成圆锭铸造。圆锭铸造结晶器常用金属铝材质，一方面金属铝具有优良的热传导性能，可使结晶器具有良好的散热性能，辅助铝液在结晶器内快速冷却降温，另一方面金属铝具有加工性能好、强度高等特点，适合结晶器复杂的结构，有利于降低结晶器生产成本。结晶器的结构可分为分体式和一体式，二者在使用过程中各有优缺点。
1.1 分体式结晶器
分体式结晶器的结构示意图如图1 所示。图1表明，分体式结晶器包括结晶器上环和结晶器下环两部分，上环和下环通过对角设计的螺栓孔组合配套。其中，通过结晶器下环外侧均布的四个圆孔，将结晶器固定在铸造平台上，结晶器上环内部台阶设置石墨环放置处。分体式结晶器更换成本较低，可分别根据上环和下环损坏情况进行单独更换，并且还可任意组合使用，从而有效降低了结晶器使用成本。
图1 分体式结晶器结构示意图
分体式结晶器的生产工艺包括单独的上环和下环加工，然后再组装，组装配合完成后，再进行安装石墨环，其中石墨环安装在结晶器上环内部的阶梯圆孔内，分体式结晶器的具体生产工艺如图2 所示。
图2 分体式结晶器生产工艺流程图
1.2 一体式结晶器
一体式结晶器的结构示意图如图3 所示。图3表明，一体式结晶器将上环和下环组合为一体，并在内部设置一圈的多排冷却水孔，从而加强冷却，冷却水孔角度控制在30°～45°，保证冷却强度更高。在一体式结晶器冷却水孔外侧通常增加一条过滤网带，避免杂质堵住内部冷却水孔，影响冷却强度。另外，一体式结晶器的石墨环位于内部中间台阶处，与分体式位置差不多。一体式结晶器重量更轻、材料更节省、安装也更加便捷，且总高度也较同规格的分体式结晶器低10 mm～20 mm.但一体式结晶器出现损坏需要整个更换，更换成本较高。
图3 一体式结晶器结构示意图
一体式结晶器的生产工艺包括制作模具、毛坯浇注、机加工、调质处理和放石墨环，如图4 所示。其中模具大多采用石墨材质，并按规格大小制成类似结构的毛坯，可减少后期机加工余量，提高机加工效率。毛坯浇注采用6 系铝合金，熔融后浇入石墨模具，并经调质处理提高毛坯的致密性和强度。
图4 一体式结晶器生产工艺流程图
综上，从重量、安装效率、使用成本等进行分析对比，分体式结晶器和一体式结晶器的优缺点见表1 所示。值得注意的是，分体式结晶器虽然分为上环和下环两部分加工，但机加工难度较一体式结晶器更加简单，机加工成品率更高。
表1 分体式结晶器和一体式结晶器优缺点对比
2.1 结晶器内石墨环使用要求
无论是分体式结晶器还是一体式结晶器，都需要在结晶器内部安装石墨环，石墨环结构如图5 所示。石墨环在结晶器内的作用主要有两个：第一是对铝液进行初次弱冷却，高温铝液在与石墨环接触后便开始进入冷却结晶，随后结晶器内部的循环冷却水对铝液进行二次强冷却；
第二是对圆锭起到润滑作用，使得圆锭向下拉伸凝固更加顺畅，同时保证圆锭表面更加光滑。
图5 石墨环结构示意图
基于上述两个作用，通常要求石墨环采用高纯石墨，拥有良好的强度、致密度和润滑功能，具体性能要求如表2 所示。另外，随着铸造技术的不断提升，进口的油气润滑石墨由于其石墨环内壁可以透气透油，而不会渗铝，从而起到增加圆锭的铸造速度、降低铸锭壳层及晶粒度细化的作用，同时提高后续深加工的优良率，满足高端铝制品的使用性能要求[4]。除了材质对石墨环的使用有影响外，石墨环的设计高度对石墨环是否满足铸造工艺要求，也具有非常重要的作用。通过采用不同高度设计的石墨环铸造对比分析发现，高度较低的石墨环（≤30 mm）具有更好的铸造效果[5]，一般多为20 mm.生产实践证明，通过降低石墨环高度，一定程度上确实可减轻圆锭表层的偏析程度、提高铸造速度、减少圆锭波浪和拉花缺陷。
表2 石墨环理化指标要求
2.2 结晶器内石墨环尺寸要求
石墨环与结晶器内部的台阶尺寸必须配合紧密，因为石墨环上端有导管压住，下端有台阶顶住，使得石墨环在引流半熔高温铝液时不会产生移位。另外，石墨环装进结晶器内部后，常温在外力作用下须保证不会脱落。为此，在设计石墨环直径尺寸的时候，通常将其设计比结晶器内部放置石墨环的直径小0.3 mm～0.5 mm，放置石墨环前需加热结晶器使其体积膨胀，加热温度一般控制在400 ℃以上。另外，对于圆锭直径而言，石墨环的内径尺寸通常可采用以下固定公式：
φ内径=φ圆锭×1.025.
表3 罗列我公司生产的几款常规圆锭直径、石墨环内径尺寸和结晶器放置石墨环尺寸的对照表，石墨环壁厚一般设计为5 mm～10 mm.从表3 可以看出，随着圆锭直径的增加（大于φ300 mm），结晶器多采用一体式结构，因为一体式结晶器高度更低、冷却强度大、重量轻、安装更加方便，且大直径圆锭每个铸造平台生产数量较少（4～10 根），相比于数量在100 根以上的小直径圆锭生产，大直径圆锭结晶器损坏概率低，使用更换成本相对不会太高。
表3 圆锭直径、石墨环内径尺寸和结晶器放置石墨环尺寸对照表
为此，从生产实践得出，分体式结晶器适用于圆锭直径≤300 mm 的热顶铸造工艺，一体式结晶器适用于圆锭直径＞300 mm 的热顶铸造工艺。另外，分体式结晶器和一体式结晶器使用过程中的损坏形式基本相同，主要包括正常装配磨损、热处理损伤、外力机械损伤以及事故处理变形破坏等损坏形式。
1）同水平热顶圆锭铸造工艺中，常用的结晶器可分为分体式和一体式结构，由于分体式结晶器使用成本低、同规格上下环可任意组合使用，多用于小直径（小于300 mm）圆锭铸造平台；
一体式结晶器冷却强度高、材料节省、重量轻、安装方便，多用于大直径（300 mm 以上）圆锭铸造平台。
2）分体式结晶器和一体式结晶器的生产工艺均采用6 系铝合金浇注成型毛坯，再经机加工制备而成，分体式包括结晶器上环和下环分开制作，装配后安装石墨环；
一体式结晶器由于使用要求较高，增加调质处理工艺用以增强增韧。
3）无论分体式结晶器还是一体式结晶器，内部石墨环要求纯度高（含碳质量分数≥99%）、颗粒细（≤0.05 mm）、强度高（≥30 MPa）；
石墨环高度则控制越低越好（H≤30 mm），一般多为20 mm，使圆锭实现矮结晶，有利于提升圆锭力学性能，提高铸造成品率。
4）石墨环内径尺寸设计为圆锭直径的1.025倍，且结晶器放置石墨环台阶外径比石墨环外径尺寸小0.3 mm～0.5 mm，石墨环放置时采用加热结晶器加热到400 ℃以上时放入。
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