半连续铸造
工艺原理
- 金属熔体注入水冷结晶器后形成凝固坯壳，通过引锭机构控制凝固坯连续引出；
- 二冷区采用直接喷淋冷却或气冷装置促进完全凝固，最终获得定长铸锭；
- 区别于连续铸造的核心特征在于：铸锭达到规定长度后停止浇注并进行切割，而非在线连续切割。
设备组成
现代立式半连续铸造系统是一个集成化生产线，核心设备通常包括：
- 熔炼与保温设备：熔炼炉、保温炉
- 熔体处理与输送设备：流槽系统、除气装置、过滤装置
- 核心成型设备：结晶器、引锭机构、铸造井
- 冷却系统：一次/二次冷却装置
- 检测与控制系统：液位检测装置、速度闭环控制系统
结晶器技术特点
结晶器系统包含水眼式/水帘式等冷却结构，部分改进型设置双排异径喷水孔实现一冷梯度控制。此外：
- 连续润滑结晶器：内壁镶嵌有石墨内衬并设有独立油腔，铸造时能形成连续油膜以改善润滑和隔热；
- 油冷结晶器：采用油冷空腔与石墨环组合，旨在减少铸锭裂纹；
- 部分先进系统还采用了浅熔池技术。
自动化控制
液压传动装置按照引锭头由液压缸内部导向和外部导向分为外导式和内导式。配备比例阀、流量计和 PLC（可编程逻辑控制器）的闭环控制系统，铸造速度波动可控制在 ±0.2% 以内。
熔体净化
熔体处理与输送系统包括流槽（引导熔体流动）、在线除气装置和过滤装置（如陶瓷片过滤器），用于净化熔体、去除气体和夹杂物。液位检测装置是关键的安全与工艺控制部件，用于监控流槽或结晶器内熔体液位。
外场辅助
现代半连续铸造系统常集成外场发生装置，如电磁场（低频电磁场、脉冲磁场）、超声场或熔体强剪切装置。这些外场可有效调控铸造过程的流场与温度场，细化晶粒、减轻宏观偏析，从而提高铸锭质量。
工艺参数与控制
半连续铸造的关键工艺参数主要包括铸造速度、冷却强度、铸造温度和结晶器长度，它们相互制约、相互依存，共同影响铸锭的凝固组织、表面质量和内部缺陷。
铸造速度
铸造速度指单位时间内铸造形成的铸锭长度。
- 适当提高铸造速度可以细化晶粒、提高生产效率、改善表面质量；
- 速度过高会增大铸锭的温度梯度和内部拉应力，增加裂纹倾向；
- 铸造速度的设定取决于合金种类和铸锭规格，例如：
- 2124铝合金 440mm×1500mm 扁锭：合适速度为 50～60mm/min
- A356铝合金近液相线半连续铸造：最佳速度可达 145mm/min
- 对于大截面铸锭，通常需要降低铸造速度。
冷却强度
冷却强度主要指二次冷却水的冷却速度。
- 提高冷却强度可以加快凝固速度，增加晶核数目，从而细化晶粒、提高铸锭致密度、缩小过渡带；
- 冷却强度过大则会增大温度梯度，增加铸锭的内应力和裂纹倾向；
- 冷却水压通常在 0.03～0.15 MPa（30～150 kPa） 范围内调节。
铸造温度
铸造温度通常指结晶器内熔体的实际温度。
- 温度过高易导致晶粒粗大、氧化吸气，产生气孔、裂纹；
- 温度过低则熔体流动性差，易产生冷隔、夹渣、疏松等缺陷；
- 例如：T2紫铜的适宜浇铸温度为 1140～1160℃。
闭环控制
为提高铸锭质量的稳定性和一致性，现代半连续铸造机普遍采用电液闭环控制系统。该系统通常以 PLC 为主控单元，通过比例阀控制引锭头下降速度，并利用流量计等传感器进行实时监测，构成速度闭环。引入闭环控制后，能够有效抑制设备扰动，将铸造速度波动从原来的 ±20% 大幅降低至 ±0.2% 以内，从而显著改善铸锭表面质量，降低轧制过程中的断带率。
应用材料与产品
半连续铸造（尤其是立式半连续铸造）是生产铝、镁、铜等有色金属及其合金大规格铸锭的主要方法，具有产量大、成品率高、内部组织均匀等特点，广泛应用于航空航天、汽车、轨道交通、兵器工业等领域的高性能材料制备。
铝合金
该工艺是铸造铝合金大规格扁锭和大直径范围圆锭的主要方式，可生产各系列变形铝合金（如 2系、5系、7系高强铝合金）和铸造铝合金（如 A356）高品质铸锭。产品规格涵盖直径 80～300 毫米的圆锭，也可生产直径达 605 毫米、长度 6.5 米的圆锭及 275×1040 毫米、长度 6 米的扁锭。
镁合金
半连续铸造也是生产镁合金锭坯的常用方法，用于制备如 ZK61M、稀土镁合金等材料。常规半连续铸造的镁合金凝固组织粗大，后续加工困难，引入低压脉冲磁场等外场技术能够显著细化晶粒，使铸锭晶粒细化至约 100 微米，提高后续加工性能。
铜合金
在铜合金方面，立式半连续铸造特别适合 T2 紫铜等材料的大批量、大规格生产，具有成品率高、内部组织均匀的优点。
技术特点与优势
- 立式半连续铸造具有产量大、成品率高、内部组织均匀的特点，特别适合大批量、大规格铸锭的生产。
- 工艺灵活性强，允许在铸造过程中集成在线除气、过滤（如双级陶瓷片过滤）、晶粒细化（如在线播种 Al-5Ti-B 丝）等处理单元，并可定制不同成分、规格尺寸的产品。
- 现代半连续铸造可集成多种外场辅助技术，如电磁场（低频电磁场、脉冲磁场）、超声场、熔体强剪切等，以调控凝固过程的流场与温度场。这些技术能显著细化铸锭晶粒、减少宏观偏析、改善铸锭内外组织均匀性，并提高后续加工性能，为制备细晶、均质、大尺寸、高合金化铸锭提供了有效解决方案。
- 通过采用先进的结晶器技术（如连续润滑结晶器、低液面铸造）和精确的闭环速度控制，能够获得表面光洁、无冷隔、结疤、气泡等缺陷的高质量铸锭。
工艺变体与发展
除了传统的立式直接水冷铸造外，半连续铸造工艺发展出多种变体，并引入了外场辅助等技术，以细化组织、改善性能并拓展应用领域：
- 外场辅助技术：电磁场（包括低频电磁场和低压脉冲磁场）可有效细化晶粒、改善组织均匀性并减少表面缺陷。这些技术为制备细晶、均质的高性能铝、镁合金铸锭提供了解决方案。
- 水平半连续铸造：相较于立式铸造，具有投资小、工艺灵活、持续生产时间长等优势，常用于铝合金挤压及轧制坯料的生产。但需注意克服因重力差异导致的铸锭上下表面冷却不均和组织不均匀问题。
- 近液相线半连续铸造：针对特定合金（如 A356 铝合金）的一种工艺，通过精确控制熔体在近液相线温度进行铸造，配合优化的冷却强度、铸造速度等参数，可以有效细化铸锭晶粒。
- 梯度功能材料制备：半连续铸造工艺的应用边界不断拓展，已被探索用于制备梯度功能材料。例如，采用双流浇注半连续铸造方法，可以实现合金成分随铸件横截面连续梯度变化，从而获得组织和性能相应变化的构件。
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