半固态连铸技术经济分析与研究进展

1　半固态连铸的技术特征及经济分析     
    半固态连铸又称连续流变铸造，是根据材料流变学原理生产铸坯的新技术。其本质特征是进入结晶器的熔体为固相具有非枝晶特征的固液共存混合物。    
     1.1　半固态连铸与普通连铸的比较    
     1.2　半固态连铸的几个专业术语    
     文献中经常遇到的有关半固态连铸的术语有：浆料——含有一定比例固相的固液两相混合物。制浆室——用来制备半固态浆料的装置或容器。拉速——单位时间内拉出的坯料重量或长度。它是半固态连铸生产率的度量。非枝晶化——枝晶组织向非枝晶组织转化的过程。临界固相分数——在一定的切变条件下，浆料能够流动的最大固相分数。当固相分数超过该值时，半固态浆料就会像固体一样不能流动。    
     1.3　经济分析    
     采用相对比较法分析半固态连铸的经济性。表1为半固态连铸与普通连铸的费用比较。由于半固态连铸的浇注温度较低,其熔炼费用低于普通连铸;但半固态连铸投资大于普通连铸,设备折旧费较高;且须加热和搅拌制浆室中的熔体,浇注费用较高;其操作环节较多,生产率较低,工资及福利费用也较高。总体来看,半固态连铸的费用高于普通连铸。    
2　半固态连铸技术的现状    
      2.1 国内外半固态连铸设备的研究开发现状    
      半固态连铸的技术关键有三个：首先，浆料制备必须使枝晶转变为非枝晶，以保证半固态浆料在高固相分数条件下仍具有足够流动性；其次，半固态连铸须外加切应力作用，因此半固态浆料的流变充型是另一个不可忽视的技术关键；第三,必须避免出现拉漏或拉断现象，以保证半固态连铸生产过程稳定性。    
    围绕上述技术关键，人们进行了大量研究，开发了多种实用技术。仅半固态浆料制备技术就不下十余种。每种技术都有各自的优缺点。例如：目前最通用的非接触式电磁搅拌法具有不污染合金、便于自动控制等优点,但它难以制备高固相分数的浆料;接触式机械搅拌法具有设备简单、投资少、易上马等优点但存在搅拌棒损耗严重且污染合金熔体、搅拌不均匀、难用于黑色金属等缺点;超声波法也是一种非接触搅拌技术,但它需要配置大功率设备才能达到理想效果;振动法也存在要求功率大、设备复杂等缺点熔体热处理法(循环等温法)虽具有晶粒圆整度高均匀度好的优点,但生产率低,且难以用于大尺寸锭料;预变形法(应变诱发熔体激活法)能获得组织合格的坯料,但工艺流程长,生产成本高,只适用于塑性材料;机械剪断急冷法(ＳＣＲ)的优点是晶粒细小(60μｍ)、生产率高、易控制,但设备寿命短,氧化严重,铸坯困难;喷射沉积法在国内某些实验室已有应用,所得坯料晶粒细小(60μｍ)、质量稳定,但难以批量生产;由ＦｌｅｍｉｎｇｓＭ Ｃ 发明并申请了日本专利的电脉冲法适用于各种合金,所得坯料晶粒小于60μｍ,但该法要求高电压大电流放电操作,需要特殊的供电设备,目前还未见工业试验报道。可见,尽管半固态浆料制备方法很多,但目前只有电磁搅拌半固态连铸法具有较好的工业应用前景。    
    尽管半固态连铸与普通连铸差别不大，但普通连铸机是无法用于半固态连铸的。20世纪80年代以来,人们进行了大量研究来开发半固态连铸机。其中美国起步最早,Ａｌｕｍａｘ公司首先研制成既可用于生产半固态坯料，又可用于机械零件直接成形的有色金属半固态连铸机；接着美国ＩＳＣ(ＩｎｌａｎｄＳｔｅｅｌＣｏｍｐａｎｙ)公司进行了有色合金半固态圆坯连铸机的商业化开发，20世纪90年代,日本的藤川安生发明了半固态机械搅拌水平连铸机和电磁搅拌垂直连铸机，丰富了有色金属半固态连铸机的类型;法国Ｐｅｃｈｉｎｅｙ公司也于1996年实现了铝合金半固态连铸的产业化；1995,美国ＩＳＣ公司研制成第一台黑色金属半固态连铸机并进行了工业化试生产，使黑色金属半固态连铸机的研究取得突破性进展。我国对黑色金属半固态连铸技术的研究起步并不晚。1996年,北京科技大学胡汉起教授指导博士生邢书明开展了黑色金属半固态连铸机研制工作，并于1999年1月研制成功,通过了教育部组织的技术鉴定,填补了我国在这一领域的空白。    
    2.2　国内外半固态连铸机的主要机型    
    目前半固态连铸机的主要机型是垂直和水平两种形式，且以垂直形式为主。但这只是象普通连铸机发展过程中的初期机型一样，要真正实现产业化，将来必然会随着半固态连铸技术的逐步完善而向弧形连铸机发展。    
    2.3　半固态连铸工艺和合金的研究现状    
    目前对半固态连铸工艺的研究还不够系统。研究较多的是美国的ＩＳＣ公司。他们首先研究了半固态连铸过程的凝固行为及拉漏、拉断的机理，据此提出了“拉 送 停 拉”的拉坯模式。尽管这种拉坯模式可以在一定程度上防止拉漏和拉断，但在工业上应用难度较大，问题并没有真正得到解决。    
    我国以黑色金属为例进行了半固态连铸过程稳定性及工艺参数对其影响规律的研究，揭示了拉漏、拉断的本质原因是滞留层的形成、发展和裂口区的扩展下移，并初步提出了半固态连铸的工艺设计准则。    
    总的来说，目前对半固态连铸工艺的研究还很不充分，尚存在大量问题有待于进一步研究和解决。    
    对半固态连铸合金的主要限制是合金的结晶温度范围。这是因为枝晶组织向非枝晶组织转变过程需要经历一定的时间，因此，合金的结晶温度范围越小，半固态连铸的难度就越大。目前真正投入大批量工业应用的仍然是低熔点有色合金，尤其是对铝合金半固态连铸的研究和应用较多。由于黑色金属熔点高，操作难度大，目前的研究和应用都较少。事实上,黑色金属由于固态变形抗力大，对其进行半固态成形的必要性更加明显。因此可以展望,随着半固态连铸及其成形技术的不断发展和完善，其在黑色金属方面的应用会逐渐增多。    
    3　目前的任务及研究趋势    
    半固态连铸可理解为现代连铸技术与材料流变成形技术结合的产物。现代连铸技术已取得长足发展,但半固态合金流变成形技术还处于研究开发阶段。因此,在今后一段时间内,半固态连铸技术的主要研究方向仍将集中在半固态合金流变性能的研究及流变成形技术与现代连铸技术的结合这两个方面。    
    3.1　半固态合金充型性能的研究    
    虽然半固态合金的流变性能一直是这一领域的研究热点，并取得了许多研究成果。但是,以往的研究都着眼于合金的流变性能及流变力学方面，而对流变行为的控制与调整则重视不够，尤其是将流变性能的实验数据与其充型性能定量联系起来的研究尚未见报道。事实上，只有将流变学研究成果与实际条件下的充型性能联系起来，才能有效地控制半固态合金的成形过程。这方面的研究课题大致包括如下几个：    
    (1)半固态浆料组织结构与充型性能之间定量联系的研究；    
    (2)半固态合金充型理论的研究；    
    (3)半固态合金充型性能的定量描述；    
    (4)铸型特性对半固态合金充型性能影响规律的研究；    
    (5)充型工艺参数对半固态合金充型性能影响规律的定量研究。    
    这些研究不仅有利于半固态连铸技术的推广应用，而且有利于半固态成形技术的整体发展。    
    3.2　半固态连铸工艺过程稳定性的研究    
    半固态连铸过程的稳定性是半固态连铸技术发展和应用的关键问题。半固态连铸过程不出现拉漏和拉断是半固态连铸的起码要求。由于半固态浆料与纯液态金属存在很大差异，现代连铸的稳定性理论并不完全适用于半固态连铸，必须建立半固态连铸自己的稳定性理论。这方面的研究课题大致包括：半固态连铸过程失稳现象及其机理的研究；半固态连铸过程的稳定性判据；半固态连铸过程的稳定性控制；工艺参数对坯料质量和连铸过程的影响规律。    
    3.3　半固态连铸坯料性能特点的研究    
    由于半固态连铸技术的研究历史还很短，半固态连铸坯的组织特征、宏观质量、成形性能等都不太清楚，有必要抓紧研究，以便尽快形成可供生产应用的技术标准。    
    3.4　半固态连铸设备的研究    
    半固态连铸设备的研究重点是如何在现代连铸机的基础上进行改造，而不是全部重新设计。主要内容包括：制浆室与普通连铸机兼容性的研究；连续冷却条件下半固态浆料的制备技术；半固态弧形连铸机的研究开发；半固态连铸生产线最优配置的研究等。    
    4　结论    
    (1)半固态连铸技术是一种铸造金属坯料的新技术，目前国内尚处于应用开发阶段，国外已开始批量生产。    
    (2)半固态连铸作为一个工业项目具有很强的获利能力和较强的还贷能力，其经济性对产品销售价格是敏感的，但只要未来价格不比预期值低22 6%，该投资项目是可以接受的。    
    (3)今后的主要研究任务是：合金半固态连铸性能的研究；半固态连铸工艺稳定性的理论研究；坯料质量及连铸过程的控制；半固态连铸生产线的最优配置及弧形连铸机的研制等。