水平連鑄與同水平鑄造

前言

連續(xù)鑄錠工藝應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)，始于20世紀(jì)30年代的有色金屬工業(yè)，迄今已有80-余年。水平連鑄應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)則始于1950年，到現(xiàn)在已有近60年的歷史。至今連續(xù)鑄錠生產(chǎn)已廣泛應(yīng)用于整個(gè)冶金工業(yè)企業(yè)。1960年，我在中南礦冶學(xué)院（今中南大學(xué)）學(xué)習(xí)期間，陳存中教授為我們講授“有色合金熔鑄”課程，初次接受連續(xù)鑄錠知識(shí)。1962年畢業(yè)，分配到冶金工業(yè)部沈陽(yáng)鋁鎂設(shè)計(jì)研究院工作。1964年，開(kāi)始從事水平連鑄鋁錠的試驗(yàn)研究。為了做好工作，廣泛收集了各種金屬的連續(xù)鑄錠資料，為編寫(xiě)本書(shū)打下基礎(chǔ)。20世紀(jì)70年代初，曾有友人向我建議，將水平連鑄資料匯集成冊(cè)。80年代以來(lái)，水平連續(xù)鑄鋼工藝和同水平鑄造在我國(guó)得到廣泛發(fā)展，更激起了我提筆的興趣。彼時(shí)因忙于完成工作任務(wù)，總是未能如愿。今日得空閑，將工作和學(xué)習(xí)中積累的資料匯集整理，編著成此書(shū)。在連續(xù)鑄錠生產(chǎn)中，凝固與傳熱過(guò)程是最根本的技術(shù)內(nèi)容，一直是研究者深入探討盼課題。A·A.CKBOpKOB和A.AKrIMeHKO的著作Tertaonepeeiia N 3aTB印且eBaHHeCTarnk B  YCTaHOBKaX HenpepbmHOPaanHBKH，是早期的專(zhuān)著，該書(shū)主要根據(jù)水熱模擬法和試驗(yàn)研究結(jié)果寫(xiě)成，其試驗(yàn)研究結(jié)果對(duì)連鑄生產(chǎn)和研究還是有借鑒意義的。當(dāng)今，計(jì)算機(jī)技術(shù)廣泛應(yīng)用于各個(gè)領(lǐng)域，為連鑄中的凝固與傳熱過(guò)程實(shí)現(xiàn)數(shù)值模擬創(chuàng)造了有利條件，是當(dāng)今許多研究者的熱點(diǎn)課題，也是本書(shū)探討的重要內(nèi)容。連續(xù)鑄錠包括立式、水平式和傾斜式。立式連續(xù)鑄錠包括敞露液面連鑄和熱頂鑄造。敞露液面的立式連鑄和水平連鑄，已廣泛應(yīng)用于各種金屬的連續(xù)鑄錠生產(chǎn)中；熱頂鑄造發(fā)展為同水平鑄造，目前僅應(yīng)用于鋁及鋁合金錠生產(chǎn)中。傾斜式連鑄見(jiàn)諸早期研究過(guò)程中，實(shí)際生產(chǎn)中已不多見(jiàn)。在連續(xù)鑄錠技術(shù)的發(fā)展過(guò)程中，它們之間相互影響和交融。它們有著各自的特點(diǎn)，也有共性?xún)?nèi)容。水平連鑄與同水平鑄造的共性?xún)?nèi)容更多一些，將其合卷編寫(xiě)，目的是想通過(guò)個(gè)性?xún)?nèi)容探討共同的規(guī)律；根據(jù)共同規(guī)律再去分析個(gè)性?xún)?nèi)容的特點(diǎn)，以期促進(jìn)連鑄技術(shù)的發(fā)展。作為一種專(zhuān)門(mén)的生產(chǎn)方法來(lái)進(jìn)行探討，不囿于某種金屬，會(huì)了解得更全面些。經(jīng)過(guò)分析比較，明確了彎月面的作用和凝固殼的波動(dòng)性作用在連續(xù)鑄錠過(guò)程中的意義；在此基礎(chǔ)上提出了周邊細(xì)等軸晶區(qū)的凝固殼波動(dòng)性成因和結(jié)晶器內(nèi)熱交換四階段模型的看法。表面張力成形法不用激冷的結(jié)晶器，依靠液態(tài)金屬的表面張力而成形，直接噴水冷卻鑄坯。從連鑄概念考慮，它是水平連鑄的特例。這種方法的存在表明表面張力在連鑄過(guò)程中的重要作用。因此，在連鑄原理中作了較為詳細(xì)的介紹，目的在于探討表面張力在水平連鑄與同水平鑄造申的意義。

內(nèi)容概要

本書(shū)以國(guó)內(nèi)外水平連鑄與同水平鑄造的試驗(yàn)研究成果及生產(chǎn)實(shí)踐為基礎(chǔ)，通過(guò)研究各種金屬水平連鑄及鋁合金同水平鑄造實(shí)踐結(jié)果，探討共同規(guī)律，據(jù)此再分析其個(gè)性特點(diǎn)。經(jīng)過(guò)分析比較，明確了彎月面的作用和凝固殼波動(dòng)性作用在連續(xù)鑄錠過(guò)程中的意義；在此基礎(chǔ)上提出有關(guān)鑄錠周邊細(xì)等軸晶區(qū)的波動(dòng)性成因和結(jié)晶器內(nèi)熱交換四階段模型的看法。    本書(shū)共分6章。第1章簡(jiǎn)要敘述了與連鑄有關(guān)的金屬材料知識(shí)；第2章概要?dú)w納了多種金屬水平連鑄及同水平鑄造的基本原理；第3章介紹了多種金屬連鑄時(shí)傳熱過(guò)程的研究概況；第4章介紹多種金屬連鑄凝固過(guò)程的研究概況；第5章從生產(chǎn)工藝角度評(píng)述了相關(guān)生產(chǎn)設(shè)備結(jié)構(gòu)的合理性；第6章匯集了國(guó)內(nèi)外多種金屬水平連鑄及同水平鑄造的部分研究成果和生產(chǎn)實(shí)例。    本書(shū)可供從事冶金、鑄造生產(chǎn)和應(yīng)用的科研、生產(chǎn)技術(shù)人員及高等院校相關(guān)專(zhuān)業(yè)師生參考。

書(shū)籍目錄

1 連續(xù)鑄錠生產(chǎn)的基礎(chǔ)知識(shí)  1.1 液態(tài)金屬的性質(zhì)    1.1.1 熔點(diǎn)與沸點(diǎn)    1.1.2 質(zhì)量熱容    1.1.3 密度    1.1.4 凝固時(shí)的體積變化    1.1.5 體膨率    1.1.6 電阻率    1.1.7 熱導(dǎo)率    1.1.8 黏度    1.1.9 氣體的溶解度    1.1.10 液態(tài)金屬的表面張力  1.2 固態(tài)金屬的性質(zhì)    1.2.1 密度    1.2.2 線脹系數(shù)    1.2.3 熱容    1.2.4 熱傳導(dǎo)  1.3 熱擴(kuò)散率  1.4 金屬的高溫力學(xué)性能  1.5 金屬的摩擦系數(shù)  參考文獻(xiàn)2 連續(xù)鑄錠原理  2.1 恒動(dòng)式水平連續(xù)鑄錠  2.2 波動(dòng)式水平連續(xù)鑄錠    2.2.1 Terssmann式    2.2.2 Hunter式    2.2.3 YHHHM式    2.2.4 TG式  2.3 熱頂鑄造  2.4 表面張力成形法  2.5 彎月面在連鑄生產(chǎn)中的意義  2.6 運(yùn)動(dòng)狀態(tài)在連鑄生產(chǎn)中的意義  參考文獻(xiàn)3 連續(xù)鑄錠的傳熱過(guò)程  3.1 接觸區(qū)的波動(dòng)性  3.2 接觸區(qū)傳熱的不對(duì)稱(chēng)性  3.3 熔體靜壓力沿液相穴深度上的等值性  3.4 導(dǎo)流區(qū)的熱傳導(dǎo)  3.5 水平連續(xù)鑄錠結(jié)晶器的傳熱特性    3.5.1 多級(jí)結(jié)晶器的傳熱特征    3.5.2 單級(jí)結(jié)晶器的傳熱特征    3.5.3 平均熱流密度  3.6 熱頂鑄造的傳熱過(guò)程    3.6.1 熱頂鑄造的傳熱特征    3.6.2 逆流導(dǎo)熱距離的計(jì)算    3.6.3 影響逆流導(dǎo)熱距離的因素  3.7 彎月面區(qū)域的凝固傳熱    3.7.1 彎月面的成因    3.7.2 彎月面區(qū)域凝固傳熱的數(shù)值模擬    3.7.3 影響彎月面穩(wěn)定性的因素  3.8 連續(xù)鑄錠凝固傳熱過(guò)程的數(shù)值模擬    3.8.1 水平連鑄多級(jí)式結(jié)晶器的傳熱數(shù)學(xué)模型    3.8.2 水平連鑄單級(jí)式結(jié)晶器的傳熱數(shù)學(xué)模型    3.8.3 水平連鑄數(shù)值模擬的準(zhǔn)確性    3.8.4 水平電磁連續(xù)鑄造凝固傳熱過(guò)程數(shù)值模擬  3.9 影響凝固傳熱過(guò)程的因素    3.9.1 影響結(jié)晶器內(nèi)凝固傳熱的因素    3.9.2 影響二次冷卻區(qū)散熱的因素  參考文獻(xiàn)4 連續(xù)鑄錠的凝固過(guò)程  4.1 凝固區(qū)  4.2 金屬凝固時(shí)的體積變化  4.3 凝固方式與晶體的形態(tài)  4.4 合金元素的偏析  4.5 金屬凝固過(guò)程中的聲發(fā)特點(diǎn)  4.6 連續(xù)鑄錠的正常晶粒組織    4.6.1 表面等軸晶區(qū)的形成    4.6.2 柱狀晶區(qū)的形成    4.6.3 中心等軸晶區(qū)的形成    4.6.4 柱狀晶區(qū)與等軸晶區(qū)的過(guò)渡條件  4.7 立式連續(xù)鑄錠凝固過(guò)程的研究  4.8 同水平鑄造的凝固過(guò)程    4.8.1 熱頂鑄造的凝固過(guò)程    4.8.2 油氣潤(rùn)滑模熱頂鑄造    4.8.3 同水平鑄造  4.9 水平連鑄的凝固過(guò)程    4.9.1 水平連續(xù)鑄鋼的凝固過(guò)程    4.9.2 水平連鑄銅合金錠的凝固過(guò)程    4.9.3 水平連鑄鋁及鋁合金錠的凝固過(guò)程    4.9.4 水平連續(xù)鑄錠的組織特點(diǎn)  4.10 連續(xù)鑄錠凝固過(guò)程中的應(yīng)力狀態(tài)  4.11 彎月面在連續(xù)鑄錠過(guò)程中的作用    4.11.1 彎月面在封閉式連續(xù)鑄錠過(guò)程中形成過(guò)渡區(qū)    4.11.2 彎月面為封閉式連續(xù)鑄錠提供潤(rùn)滑空間    4.11.3 彎月面對(duì)鑄錠表面質(zhì)量的影響  4.12 氣隙對(duì)封閉式連續(xù)鑄錠過(guò)程的作用  4.13 結(jié)晶器激冷對(duì)連續(xù)鑄錠的作用    4.13.1 結(jié)晶器激冷可促進(jìn)凝固殼與結(jié)晶器接觸的波動(dòng)性    4.13.2 激冷對(duì)鑄錠周邊細(xì)等軸晶區(qū)的影響    4.13.3 激冷對(duì)氣隙區(qū)散熱的影響    4.13.4 冷卻水對(duì)結(jié)晶器激冷效果的影響    4.13.5 液態(tài)金屬與結(jié)晶器內(nèi)壁接觸的導(dǎo)熱系數(shù)    4.13.6 結(jié)晶器壁溫度場(chǎng)的數(shù)值模擬  4.14 液態(tài)金屬靜壓力的作用  4.15 封閉式連鑄過(guò)程中的潤(rùn)滑作用  4.16 鑄錠凝固殼與結(jié)晶器壁的相對(duì)運(yùn)動(dòng)  4.17 凝固殼的失穩(wěn)特征  4.18 凝固系數(shù)  4.19 電磁場(chǎng)在連續(xù)鑄錠過(guò)程中的作用5 生產(chǎn)設(shè)備的工藝特性  5.1 儲(chǔ)液槽    5.1.1 中間包    5.1.2 熱頂  5.2 導(dǎo)流區(qū)結(jié)構(gòu)  5.3 結(jié)晶器    5.3.1 結(jié)晶器材料    5.3.2 結(jié)晶器壁厚    5.3.3 結(jié)晶器長(zhǎng)度    5.3.4 結(jié)晶器的錐度    5.3.5 結(jié)晶器的冷卻結(jié)構(gòu)    5.3.6 結(jié)晶器的潤(rùn)滑結(jié)構(gòu)    5.3.7 結(jié)晶器工作壁表面鍍層    5.3.8 水平連鑄鋁及鋁合金錠用結(jié)晶器    5.3.9 水平連鑄銅及銅合金錠用結(jié)晶器    5.3.10 水平連鑄鋼錠用結(jié)晶器    5.3.11 熱頂鑄造用結(jié)晶器  5.4 引錠裝置  5.5 鑄錠二次冷卻裝置    5.5.1 錐簾式噴射冷卻結(jié)構(gòu)    5.5.2 噴灑式冷卻結(jié)構(gòu)  5.6 牽引裝置    5.6.1 輥式牽引裝置    5.6.2 鏈板式牽引裝置    5.6.3 拖曳式牽引裝置    5.6.4 水平連鑄機(jī)牽引能力的計(jì)算    5.6.5 熱頂鑄造的傳動(dòng)裝置  5.7 鑄錠切斷裝置    5.7.1 冶金長(zhǎng)度的計(jì)算    5.7.2 同步鋸    5.7.3 同步氣割裝置    5.7.4 同步剪    5.7.5 飛剪  5.8 冷卻介質(zhì)  5.9 多流同時(shí)連鑄設(shè)備  參考文獻(xiàn)6 生產(chǎn)實(shí)踐  6.1 鋁及鋁合金水平連鑄    6.1.1 設(shè)備結(jié)構(gòu)    6.1.2 生產(chǎn)過(guò)程    6.1.3 金屬液位高度    6.1.4 鑄造溫度    6.1.5 鑄造速度    6.1.6 冷卻速度    6.1.7 連續(xù)鑄錠工藝制度    6.1.8 水平連鑄鋁母線    6.1.9 水平連鑄鋁桿  6.2 鎂及鎂合金水平連鑄  6.3 銅及銅合金水平連鑄    6.3.1 生產(chǎn)設(shè)備    6.3.2 生產(chǎn)過(guò)程    6.3.3 水平連鑄工藝制度    6.3.4 工藝參數(shù)對(duì)鑄坯力學(xué)性能的影響    6.3.5 水平連鑄工藝參數(shù)的優(yōu)化    6.3.6 生產(chǎn)應(yīng)用實(shí)例    6.3.7 鑄坯牽引制度在水平連鑄中的意義  6.4 易熔合金的水平連鑄  6.5 錫鋅合金水平連鑄  6.6 鋼鐵水平連鑄    6.6.1 水平連鑄鋼錠生產(chǎn)設(shè)備    6.6.2 水平連續(xù)鑄鋼工藝參數(shù)選擇    6.6.3 水平連續(xù)鑄鋼工藝制度    6.6.4 凝固殼厚度的監(jiān)視    6.6.5 水平連鑄鋼錠應(yīng)用實(shí)例  6.7 水平連鑄鎳基合金錠  6.8 智能控制系統(tǒng)在水平連鑄生產(chǎn)中的意義  6.9 同水平鑄造    6.9.1 同水平鑄造設(shè)備    6.9.2 油氣潤(rùn)滑的作用    6.9.3 同水平鑄造工藝參數(shù)    6.9.4 同水平鑄造應(yīng)用實(shí)例  6.10 水平連鑄與同水平鑄造的鑄錠缺陷    6.10.1 冷隔    6.10.2 裂紋    6.10.3 縮松、縮孔    6.10.4 光亮晶粒及金屬間化合物一次晶    6.10.5 偏析瘤    6.10.6 橢圓度    6.10.7 外周偏析組織  參考文獻(xiàn)

章節(jié)摘錄

插圖：在冶金工業(yè)生產(chǎn)中，隨著金屬材料加工技術(shù)的發(fā)展，連續(xù)鑄錠工藝相繼產(chǎn)生并不斷發(fā)展。目前，連續(xù)鑄錠工藝在全世界的冶金工業(yè)中已得到廣泛的應(yīng)用和發(fā)展。例如，在鋁材和銅材的生產(chǎn)中，已全部采用連鑄生產(chǎn)工藝；在鋼鐵生產(chǎn)中，目前全世界連鑄比高于97％的國(guó)家有25個(gè)，高于99％的國(guó)家有15個(gè)，其中全部采用連鑄工藝生產(chǎn)的國(guó)家有7個(gè)。2008年。我國(guó)鋼產(chǎn)量達(dá)4.892億t，連鑄比已達(dá)98.86％。1連續(xù)鑄錠發(fā)展概況在19世紀(jì)，G.E.Sellers第一個(gè)獲得了水平連鑄鉛管裝置的專(zhuān)利。1843年，John Laing獲得了改進(jìn)水平連鑄澆鑄鉛管的專(zhuān)利；他設(shè)計(jì)了做旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的芯棒，防止金屬凝固收縮時(shí)把芯棒粘住。1846年，貝塞麥提出了對(duì)輥式連續(xù)鑄鋼機(jī)，首先應(yīng)用于玻璃工業(yè)，也用于錫箔和其他金屬生產(chǎn)；后來(lái)他又做了進(jìn)一步改進(jìn)，1857年已澆成了合格的鐵板，并提出了用油或石墨來(lái)防止連鑄坯與結(jié)晶器壁黏結(jié)的問(wèn)題。1872年，W.Wilkinson和E.Jaylor提出用活動(dòng)鑄模連續(xù)鑄鋼。1886年，B.Atha發(fā)表了垂直鑄鋼的基本原理。1889年，M.Datlen設(shè)計(jì)了一臺(tái)立式鑄鋼機(jī)雛形，其基本結(jié)構(gòu)形式為后來(lái)的連續(xù)鑄鋼機(jī)所采用。1907年，oyreyp設(shè)計(jì)了水平連續(xù)鑄造鋼板的設(shè)備，結(jié)晶器與凈化爐相聯(lián)，凈化爐的下部與貯鐵水爐相通；此前將結(jié)晶器置于貯鐵水爐的下部，當(dāng)凝固殼被拉斷時(shí)，鋼水完全從貯鐵水爐內(nèi)流出來(lái)。1912年A.H.Pehrson 提出了水平式連續(xù)鑄鋼的結(jié)晶器振動(dòng)法；結(jié)晶器向前運(yùn)動(dòng)時(shí)，鑄坯與結(jié)晶器同時(shí)移動(dòng)，當(dāng)結(jié)晶器返回運(yùn)動(dòng)時(shí)，鑄坯不動(dòng)。該法可避免鑄坯與結(jié)晶器壁黏結(jié)，并可在結(jié)晶器與鑄坯之間加入潤(rùn)滑劑。1921年，c.w.Van Ranst提出立式連鑄的結(jié)晶器作諧波振動(dòng)。德國(guó)人S.Junghans考慮到連續(xù)相對(duì)運(yùn)動(dòng)會(huì)降低鑄坯和結(jié)晶器的熱傳導(dǎo)，致使?jié)茶T速度減慢，1933年他建議使結(jié)晶器做非諧波振動(dòng)，當(dāng)結(jié)晶器向下運(yùn)動(dòng)時(shí)與鑄坯同速，而向上運(yùn)動(dòng)時(shí)為向下速度的三倍。為了克服鑄坯與結(jié)晶器壁黏結(jié)，I.M.D.Halliday建議使結(jié)晶器做“負(fù)滑脫”振動(dòng)，結(jié)晶器向下運(yùn)動(dòng)的速度高于拉坯速度；這種短的相對(duì)運(yùn)動(dòng)可以減少黏結(jié)的危險(xiǎn)，而不會(huì)明顯地減少鑄坯與結(jié)晶器之間的熱傳導(dǎo)。第一個(gè)采用直接冷卻連續(xù)澆鑄的，可能是：Ennor法心。w.T.Ennor設(shè)計(jì)的直接冷卻連續(xù)鑄錠裝置。結(jié)晶器外表面及鑄錠出結(jié)晶器后分別用一個(gè)環(huán)狀水管?chē)娚涑鰜?lái)的冷水直接冷卻；結(jié)晶器內(nèi)壁涂以潤(rùn)滑油或石蠟等以防止鑄坯黏模，結(jié)晶器高度100 mm。Ennor法最初就被用來(lái)澆鑄大斷面的鋁錠，可以認(rèn)為是近代連續(xù)直接冷卻法的雛形。經(jīng)過(guò)近百年來(lái)的研究探索，自20世紀(jì)30年代以來(lái)，立式連續(xù)鑄錠工藝首先在鋁等有色金屬工業(yè)中得到實(shí)際應(yīng)用。由于結(jié)構(gòu)因素所限，多為半連續(xù)式。立式半連續(xù)直接冷卻鑄錠法是目前有色金屬加工廠廣泛采用的鑄錠方法，通稱(chēng)立式半連續(xù)鑄錠法（DC）。

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《水平連鑄與同水平鑄造》是由冶金工業(yè)出版社出版的。

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