本方法涉及有色金属与合金及黑色金属与合金在火法冶金中的铸造工艺与装备及铸造过 程本身热能的传输与利用。

在液体金属或合金冷却的同时，进行激烈的搅拌，可以防止产生树枝状结晶，得到一种 固相质点均匀分布于液相之中的，既不是固态，也不是液态，而是具有流变性或触变性的金 属泥浆或软固体，称半固态。由于金属或合金经半固态过程后凝固所得到的铸锭(坯)和铸件 的组织与性能比传统的全液态在铸模(铸型或结晶器)中凝固的组织与性能优越，并能提高金 属的收得率，所以许多国家对有色和黑色的金属与合金的半固态金属加工技术进行试验研 究。当前，从火法冶金获得液态金属或合金后，主要采取以下方法来获得半固态金属浆料：

机械搅拌法：在液态金属或合金的冷却过程中，施以机械搅拌，使析出的固相不生成树 枝状结构，而以均匀分散的颗粒悬浮于液相金属之中，成为半固态。机械搅拌法常用耐火材 料制作搅拌器和搅拌室，对铝合金和比其温度更低的金属或合金，也有用钢铁材料制造搅拌 器和搅拌室的。机械搅拌法可以获得很高的剪切速率，有利于形成细小的球状微观结构。机 械搅拌法制取半固态时固相组分可达60％，但存在搅拌器寿命低及污染半固态浆料的问题， 目前没有用于工业化生产。

电磁搅拌法：在液态金属或合金的冷却过程中，用旋转磁场使金属流体产生搅拌，制取 半固态金属。电磁搅拌法免去了机械的搅拌器，结构紧凑，操作简化，与机械搅拌法比，随 固相百分数和表观粘度的增加，其剪切速率会下降，电磁搅拌法制取半固态金属时固相组分 一般都在30％以下，现已能生产直径达150mn的铝合金及镁合金的用于半固态加工的坯料 锭。

内水冷式回转辊的剪辊搅拌法：在可旋转的水冷辊的辊面旁边设有耐火材料的背板和侧 板与辊构成容纳熔融金属的沟槽，熔融金属在其中受到辊的冷却和剪切搅拌作用，形成半固 态，此方法可生产固相组分较高(40％-50％)的浆料。但目前也没有用于工业化生产。

观察半固态金属的组织，内水冷式回转辊的剪辊搅拌法最细小，其次是机械搅拌法，电 磁搅拌法最粗。但几种方法中，只有电磁搅拌法在供铝合金和镁合金半固态挤压铸造用的坯 料上获得了工业应用。半固态金属加工技术在美国、欧州和日本迅速发展，当前在大生产上 获得应用的主要是铝合金与镁合金汽车另部件的半固态加工制造，1997年美国生产的半固 态压铸件约达7000万件。在中国，研究者众多，正在向工业生产转化。虽然国内外有关半 固态金属的研究成果很多，但在大型或特大型有色和黑色的金属与合金的铸锭、铸件及大型 连铸机上还没有生产性的应用。

在现有的有色和黑色金属与合金的大型铸件、铸锭及连续铸坯的大工业生产中的凝固过 程，不存在因找不到固相界面而引起的为克服界面能出现的深过冷度，所以影响液态金属或 合金结晶的主要矛盾是结晶潜热的释放，而这些凝固过程，还不能人为的对凝固过程的传热 方式、结晶潜热释放的速度或效率、热流的方向、初次质点的大小和析出量及其分布、结晶 长大的方式等进行良好的控制。

虽然，对大型模铸锭(定向凝固及电渣重熔锭除外)的凝固过程采用计算机进行模拟和 计算，设计更加合理的锭模；对液态金属或合金进行真空精炼及真空浇铸；根据大型铸锭的 偏析规律采用多炉合浇；严格控制化学成分；尽量压低液态金属或合金的浇铸温度；使用电 加热冒口等，但是，由于巨大的结晶潜热的释放须要经过已凝固的坯壳及与模壁之间的气 隙，再传导给模壁去散热，使得大型铸锭全部凝固的时间拖的很长，如250T钢锭要47小时， 500T-600T钢锭需要4天才能完全凝固，所以，传统的模铸锭，始终摆脱不了由激冷层带、 水平生长的柱状晶带、粗大的中心等轴晶带共同组成的三带结晶的凝固规律，给传统的模铸 锭(特别是大型模铸锭)带来许多难于避免的缺陷，如：缩孔、空洞、疏松、气体与非金属夹 杂物集中、晶粒不均匀严重(并出现特别粗大的晶粒)、成分偏析严重等。这些先天性的缺 陷经压力加工及热处理仍不能彻底消除，使金属材料出现高低倍组织不均匀，如宏观偏析、 晶粒不均出现混晶、莱氏体钢一次碳化物粗大不均、过共析钢二次碳化物网状严重、亚共析 钢铁素体与珠光体带状严重、合金结构钢回火脆性增加、冲击和断裂韧性下降等问题。铸锭 中水平生长的粗大柱状晶还使压力加工时的热塑性变坏，容易出现裂纹，降低成材率。为消 除凝固过程形成的先天性缺陷，提高金属材料的性能，不得不采取：铸锭的氢气扩散退火； 铸锭正火或高温扩散处理；增加锻压比或多次墩拔；采用V型砧锻造及中心压实法等变形工 艺；为保证大型锻件的质量，增加切头切尾，甚至通过冲孔或钻孔去掉相当于铸锭心部的不 良部分；对压力加工后的毛坯，通过调整热处理工艺来提高性能。可见，传统的凝固过程所 形成的先天性缺陷，给后部的压力加工及热处理带来极大的负担，并影响到金属材料最终的 性能。

重力铸造的大型或特大型铸件，为提高铸件内部的质量，目前采取的措施有：真空精炼 或真空处理熔融金属，提高纯净度；用计算机运算和模拟凝固过程，指导顺序凝固工艺，设 计更加合理的浇注系统、冒口及外冷铁(如300T的轧机机架用140T外冷铁)；严格控制浇 铸温度；采用冒口补注及发热冒口或电加热冒口；实施严格的铸件热处理工艺，如：扩散去 氢、退火或正火。但是，仍因不能有效改变大型铸件凝固时结晶潜热的传输方向与传输效率； 不能有效控制初次固相质点(或游离晶)的大小、形状、数量与分布；铸件凝固时间很长，出 现的疏松、偏析、晶粒粗大不均匀等缺陷使铸件质量不能满足日益提高的技术条件要求。

当前，冶金工业应用的各种大型连铸机，例如钢的连铸机，均是令金属或合金以全液相 进入流水冷却的铜质结晶器，形成坯壳后拉出结晶器，再经直接的喷水冷却使其全部凝固。 为提高连铸坯质量和效率，采取了：精炼和真空处理，提高液态金属或合金的纯净度；尽量 降低注入结晶器的液态金属或合金的过热温度；精确控制结晶器中液态金属或合金的液面高 度；设计更合理的结晶器锥度和形状；使用有利于坯壳润滑与传热的优质保护渣；改进结晶 器振动装置，并提高振频，降低振幅；在结晶器和二冷区设置电磁搅拌，加强凝固过程中的 搅拌与对流换热；用计算机模拟凝固过程并控制二冷区喷水冷却强度及拉坯速度。但是，尽 管采取了上述措施，由于现有的凝固方式是：当液态金属或合金在结晶器中形成10-20mm的 坯壳后，将坯壳带着液芯拉出结晶器，未凝固的液芯(俗称：溏芯)主要靠强大的二次喷水冷 却来移走大量的结晶潜热，使铸坯全部凝固。当铸坯横截面大，拉速又快时，则坯壳薄，溏 芯很长(如连铸钢的200mm×200mm方坯时，溏芯可达10M长)。因此，极易发生方坯脱方 与板坯的鼓肚变形，并且由于大量的结晶潜热在二冷区以垂直铸坯轴线方向的迅速散热，导 致铸坯径向生长的柱状晶非常发达，铸坯极易出现中心裂纹、角部裂纹等内部及外部的纵横 裂纹，以及缩孔等缺陷。虽然，在结晶器和二冷区加电磁搅拌能减少上述缺陷，但不能改变 结晶潜热须经坯壳进行热传导的传热方式，同时，电磁搅拌的剪切作用有限，一些缺陷仍不 能完全幸免。此外，薄的坯壳和长的溏芯与激烈的二冷区喷水冷却，使得固液相线温度范围 很宽的及相变应力大的合金，如马氏体、莱氏体型钢很难适应，一些牌号的合金至今不能用 连铸机进行生产。

在特大断面连铸机方面，日本正在研究开发拟取代6-40T模铸钢锭的特大断面半连续 连铸机，试验的连铸坯横截面为：700mm×700mm和700mm×1400mm，采用完全垂直型半 连续铸锭机，机长4.2M，钢包容量20T，浇铸钢种为：含C＝0.45％的炭素钢，浇铸的过 热温度为：30-50℃，拉速0.05M-0.10M/min，浇铸后期在结晶器上部设发热冒口。试验 结果表明：与横截面和重量相当的模铸锭相比，在倒V型偏析、中心偏析、氧化物夹杂的大 小与数量及二次枝晶臂的间距上，均比模铸锭质量优越。但是，由于没有解决巨大的结晶潜 热如何更安全迅速的传输以及摆脱传统的连铸凝固规律，所以拉速相当慢，效率低，适应的 钢号少。

近十年来，国内外重视研究发展钢的薄板坯连铸，目的是省略板坯初轧机，甚至粗轧机， 实现高效节能的薄板坯连铸连轧，生产热轧薄板。薄板坯连铸的结晶器，有漏斗型和平板型 两种，均用铜板制造，流水冷却，为适应薄板坯连铸，改进了浸入式水口；改进了结晶器的 振动装置(提高振频，降低振幅)；在结晶器上按装能使注入的钢液流股速度减弱、使结晶器 内液面稳定的电磁制动装置；使用适合薄板坯连铸的空心的颗粒保护渣；为提高薄板坯内部 质量，还采取了带液芯压下等措施。现在结晶器出口的坯厚可达70mm，坯宽可达1600mm，生 产拉速可达4.5M/min。由于没有从根本上摆脱现有板坯连铸的凝固规律，在结晶潜热的导 出上没有创新，所以，连铸的薄板坯依然出现普通板坯连铸的一些质量缺陷，而且表面质量 不及现有板坯，一些质量要求高的汽车深冲板、搪瓷钢板及金属镀层钢板等均不能生产，品 种比现有板坯连铸约少一半。

在日本，八十年代就提出了将半固态凝固应用于钢的薄板坯连铸，但至今未能用于大生 产。分析其中的原因之一，是没有解决如何在有限的空间体积内，怎样安全迅速地传输出巨 大的结晶潜热；同时加以回收利用的关键问题。

总之，现有的连铸(包括：方坯、园坯、板坯、H异型坯；立式连铸机、立弯式连铸机、弧 型连铸机、水平连铸机等)由于没有从根本上改变一贯的凝固规律，没有解决好结晶潜热导 出的方式方法与结晶过程之间的矛盾对立统一关系，所以，使实现高效连铸及近终形连铸遇 到极大的困难。

虽然半固态金属加工技术把液态金属或合金的凝固过程，从传统的难于控制的必然的凝 固规律，推进到可以控制的阶段，并在铝合金和镁合金铸件的半固态挤压铸造生产中获得了 应用，但由于对更大量的有色金属与合金和比其温度更高的黑色金属与合金，在液态及半固 态下，如何在有限的空间体积内，以较小的换热面积，安全、迅速、高效地传递出有相变发 生的、单位体积热焓很高的热能；并加以回收利用上，缺少有效的方法，更没有将该热能的 传输与利用和火法冶金的可持续发展相联系，所以，在大型模铸锭和大型铸件以及大型连铸 机上未能获得应用。而研究解决的方法和装置就是本发明的目的和任务。

众所周知，凡液态金属或合金都具有：普朗特数小0.003-0.07；热传导系数高；在相当 大的温度范围内以液态存在；有适当的粘度和低的蒸气压力；对流给热系数大(如：Na为 131KW-325KW/m2*K.)等特点。是一种重要的比较特殊的传热流体，在金属浴热处理、精铸 件的定向凝固、浮法玻璃、核潜艇反应堆、快中子堆核电站等领域中有应用。本发明就是要 利用液态金属或合金的传热特性，使用由低熔点液态金属或合金做热传导剂，循环冷却用耐 热钢或耐热金属制造的搅拌器，采用机械搅拌法，通过强制的对流换热，导出被凝固(即铸 造)金属或合金中的液态显热和部分结晶潜热，使大量的液态有色和黑色的金属与合金经半 固态过程再凝固成铸锭、铸件或连铸坯，以增加其品种，提高质量和收得率以及生产效率， 同时回收导出的热能，以此发展高效连铸和近终形连铸，并为有色和黑色的金属与合金的半 固态金属加工供应大量的所需坯料(包括部分金属基复合材料)，使火法冶金节能降耗、减 少环境污染，符合可持续发展之方针。

本发明装置的主要结构特征是：由低熔点液态金属或合金热传导剂循环冷却的搅拌器 及其把持和升降系统、低熔点液态金属或合金热传导剂的循环泵、低熔点液态金属或合金热 传导剂与水(或蒸气，或空气等介质)进行热交换的间壁式热交换器及相应的循环管路、阀门、 仪表、搅拌室、流变段、铸模、底盘、铸型、外冷铁、结晶器、冷床等组成使液态被铸造的 有色或黑色的金属与合金经过半固态过程再全部凝固成模铸锭、连铸坯或铸件；并回收部分 热能的专门装置。应用于大型的铸锭、铸件及连铸的生产中，达到发明所述的目的。

用熔点低、沸点高，在工作温度下，遇空气不燃烧，遇水不产生激烈化学反应，非剧毒， 价廉且供应充足，可以在比压力水还高的工作温度下，以低的系统压力，高的对流传热系数， 进行循环的低熔点液态金属或合金做传热介质，通过循环泵令低熔点液态金属或合金热传导 剂循环冷却与被凝固金属或合金流体相接触的外壁表面喷涂有耐火材料涂层的金属搅拌器的 换热段的内壁，在利用搅拌器的换热段对液态被凝固金属或合金不断进行剪切搅拌和冷却的 制取半固态金属或合金浆料的过程中，液态的被凝固金属或合金受到搅拌与冷却，在放出显 热和部分结晶潜热的同时，从中析出固相质点(结晶)并均匀分散在金属或合金的液相中形 成半固态流体。这种在强烈搅拌与剪切作用下，通过搅拌器的换热段器壁发生的金属或合金 流体之间的激烈的、强化的、有相变发生的对流热交换(一侧为循环着的液态低熔点金属或 合金热传导剂，另一侧为有相变发生的被凝固金属或合金的流体)，具有较高的对流换热系 数，当两侧的温压也很大时，就能在单位时间内，在较小的有限的空间体积内，以较小的换 热面积，在把大量的液态有色或黑色的金属与合金变成半固态的同时，安全、顺利地传递出 大量的热能。被加热的低熔点液态金属或合金热传导剂经管道输送至间壁式对流换热器(如： 以低熔点液态金属或合金热传导剂为加热介质的管壳式蒸汽发生器)，与水或其它液体或气 体进行热交换，使携带的热能转化为便于利用的热能(如产生高压蒸气，可用于发电或供热)， 冷却后的低熔点液态金属或合金热传导剂经循环泵和管道再输送至搅拌器进行循环。

对低熔点液态金属或合金热传导剂的要求：选择熔点低；沸点高(在工作温度范围内蒸 气压低的)；化学性质不活泼，在空气中不易发生激烈氧化和燃烧；不选择稍有泄漏就与蒸 气发生器或换热器中的水蒸气或水发生激烈化学反应，甚至爆炸的低熔点液态金属或合金(如 K、Na)；不选择稍有泄漏就与被凝固金属(或合金)剧烈作用，有爆炸危险的低熔点液态金属 或合金；在没有可靠的、有效的保护环境的措施下，不选择在工作时容易对环境造成极大污 染的低熔点液态金属或合金(如Hg、Cd)；选择容易储存和运输，易灌装，不需特殊保护与 防护的(如需氩气，氦气保护)低熔点金属或合金；选择对设备没有强的腐蚀作用，或采取一 定措施就能防止其腐蚀设备，避免设备提前失效的低熔点液态金属或合金；选择不易使阀门 或滑动旋转的金属部件发生自焊、钎焊(或能采取有效措施防止的)的低熔点液态金属或合 金；选择单位体积或单位重量的比热容较高的有利于减小泵送功率的低熔点液态金属(或合 金)；选择常温下强度低、延展与塑性好、磨擦系数小、液态时表面张力较大，有利于密封 与润滑的低熔点液态金属或合金；选择商业供应充足，价廉易得的低熔点液态金属或合金。 本法选择Pb、Bi、Sn、Zn等组成低熔点合金作传热介质，用低熔点液态金属或合金热传导 剂循环泵，通过管路使其在半固态制作装置(如搅拌器)和蒸气发生器(或其它换热器)之间 不断循环流动，通过强化的对流换热，在较小的体积空间中，以较小的换热面积，安全可靠 的将被凝固金属(或合金)中的大量热能传递出来并便于回收利用，以适应金属或合金的大规 模铸造。

为防止本法所选择的低熔点液态金属或合金热传导剂对所流经的搅拌装置、管道、泵、 阀门、测量仪表、结晶器、铸模、底盘、外冷铁、冷床、蒸气发生器或其它换热器等钢制金 属结构产生化合溶解、质量迁移、热镀、侵蚀、钎焊、自焊作用，要采取以下措施：注意控 制低熔点液态金属或合金的工作温度，工作温度不大于500℃；在与低熔点液态金属或合金 热传导剂相接触的金属结构表面，采取蒸气处理的方法，生成致密的氧化膜，再在氧化膜上 涂覆(或浸渍)油脂(或液态蜡)，经加热焦化，在氧化膜上覆盖炭质膜层；如不采取蒸气处理 并覆盖碳质膜层，可在凡是能与低熔点液态金属或合金热传导剂相接触的钢质金属结构表面 上喷涂金属Mo、W或耐材进行防护；使用Mo、W或炭素材料制造与低熔点液态金属或合金热 传导剂相接触的零部件。

使用本法的低熔点液态金属或合金热传导剂的注意事项：在循环系统中始终保持液态， 最高温度不大于500℃，不工作时通过保温维持在熔点以上；配备液位、温度、流量等测量 仪表，监视和控制传热；因遇空气会产生氧化，生成的氧化物能影响传热，加快机械密封的 磨损与失效，堵塞循环流道，要采取气体保护及隔离空气等措施；要定期分析低熔点液态金 属或合金热传导剂中含氧量及铁、铬、镍、硅、锰等成分的变化，定期检查在低熔点液态金 属或合金热传导剂的循环系统中悬挂的与设备材质相同、表面处理方法一致的试片，与定期 检查设备是否产生热镀与腐蚀相配合，判断对设备的腐蚀情况。

用低熔点液态金属或合金热传导剂循环冷却的搅拌器的特征是：用耐热钢或耐热金属制 造，搅拌器上有不浸入被凝固金属或合金中的承担搅拌器运动的把持段和部分浸入被凝固金 属或合金中的不承担剪切搅拌及冷却作用的非换热段及全部浸入被凝固金属或合金中起剪切 搅拌及冷却作用的换热段，在非换热段的外部套有耐火材料袖砖，在换热段的外表面即与被 凝固金属或合金接触的一侧，喷涂有耐被凝固金属或合金流体侵蚀的优质耐材工作层，工作 层下是由耐材与喷涂金属按不同组分混合进行喷涂的过渡层，过渡层下是喷涂在换热段金属 壁上的含有Ni、Cr、AL、Y的能与其密切结合的金属底层。由于工作层与被凝固金属或合 金流体不湿润，又由于换热段表面涂层的热障作用和温度梯度功能，使换热段外表面的温度 和所发生的传热过程与被凝固金属或合金形成半固态流体的过程相适应，使在激烈搅拌中析 出的固相(结晶)，在剪切力与离心力的作用下，不能形成树枝晶，而被迅速游离，均匀分布 到流体之中，这种近似球状的固相质点被液相所包围，悬浮在液相中，形成具有非牛顿流体 特性(如：搅溶性；流变性；触变性；挤出胀大性；可纺性等)的半固态金属或合金。搅拌器 内有与其同心的中心管，低熔点液态金属或合金热传导剂经中心管直达搅拌器的换热段，与 被凝固金属或合金通过换热段的金属壁及耐火材料涂层进行强制的对流换热，被加热的低熔 点液态金属或合金热传导剂从中心管和搅拌器之间的间隙流过，离开搅拌器后，进入以低熔 点液态金属或合金热传导剂作为加热介质的间壁式热交换器(例如蒸汽发生器)，被冷却后， 经低熔点液态金属或合金热传导剂循环泵的输送，再进入搅拌器的中心管，继续对换热段进 行冷却，导出热能，并使搅拌器在工作条件下保持应有的刚度。搅拌器可以是旋转的；也可 以是不旋转而采取扭摆、摆动、往复运动或振动的；搅拌器在空间的位置，可以是垂直的、 水平的、或倾斜的；即能对被凝固金属或合金流体进行以剪切搅拌和冷却为主要作用的各种 形式与结构。

搅拌器换热段的换热面积S(m2)计算公式： $S=\frac{Q}{\alpha \times (t1-t2)}$

式中P-换热段每小时传递的热流量(KW)；

    α-换热段的总换热系数(KW/m2*℃)；

    t1-被凝固金属(或合金)流体平均温度(℃)；

    t2-低熔点液态金属或合金热传导剂的平均温度(℃)；

    (t1-t2)-即换热段器壁两侧流体之间的平均温压(℃)。

搅拌器换热段每小时传递的热流量Q(KW)的计算：

    Q＝D*(Cp*ΔT+Lf*g％)

式中D-小时被换热段冷却的被凝固金属或合金流体的重量(Kg/h)；

    Cp-被凝固金属或合金的液态平均热容(KJ/Kg*℃)；

    ΔT-液态被凝固金属或合金的过热温度(℃)；

    Lf-被凝固金属或合金的结晶潜热(KJ/kg)；

    g％-被凝固金属或合金半固态流体中固相组分百分数(％)。

被凝固金属或合金流体与低熔点液态金属或合金热传导剂之间，通过换热段壁面进行对 流热交换的总换热系数α(KW/m2*℃)为： $\alpha =\frac{1}{\frac{1}{{\alpha }_1}+\frac{1}{{\alpha }_2}+R}$

式中α1-被凝固的金属或合金流体的对流传热系数(KW/m2*℃)；

    α2-低熔点液态金属或合金热传导剂的对流传热系数(KW/m2*℃)；

    R-壁面总的热阻R＝R1+R2+R3+R4(m2*℃/KW)；

    R1-换热段金属器壁的热阻(m2*℃/KW)；

      R2-在低熔点液态金属或合金热传导剂一侧的换热段金属壁面上的经蒸气处理 制作的氧化膜层热阻(m2*℃/KW)；

      R3-在低熔点液态金属或合金热传导剂一侧的换热段金属壁面的氧化膜层之上 覆盖的碳质层热阻(m2*℃/KW)；

      R4-在被凝固金属(或合金)流体一侧的换热段金属壁面上的经等离子喷涂制作 的耐被凝固金属或合金流体侵蚀的涂层总热阻，即包括工作层、过渡层、金属底层的热阻(m2 *℃/KW)。

蒸气发生器总换热系数的计算公式： $H=\frac{1}{\frac{1}{h_1}+\frac{1}{h_2}+R}$

式中H-蒸气发生器总换热系数(KW/m2*℃)；

    h1-低熔点液态金属或合金热传导剂的对流传热系数(KW/m2*℃)；

    h2-压力水的对流传热系数(KW/m2*℃)；

    R-蒸气发生器换热管壁的总热阻R＝R1+R2+R3(m2*℃/KW)；

    R1-钢管壁的热阻(m2*℃/KW)；

    R2-在低熔点液态金属或合金热传导剂一侧的钢管壁表面上经蒸气处理制作的氧化 膜层热阻(m2*℃/KW)；

    R3-覆盖在低熔点液态金属或合金热传导剂一侧的钢管壁表面上经蒸气处理制作的 氧化膜上的炭质层热阻(m2*℃/KW)；

注：(a)精确计算总热阻时，再加上水侧钢管壁自生的氧化膜热阻及水垢的热阻。(b)精 确计算压力水的对流传热系数时，要分段计算，即预热段、蒸发段、过热段的对流传热系数。

半固态金属或合金流体的性能关系到金属或合金全部凝固后的质量，影响半固态金属或 合金流体性能的工艺参数有：

剪切率：反映剪切搅拌的强弱，影响固相质点的形貌、大小，能改变半固态流体的粘度 (即剪切变稀)，对金属或合金流体的对流换热系数有一定影响。对搅拌室作环状剪切的平均 剪切率，可按下式计算： $Y_{\mathrm{ave}}=\frac{{2\Omega }_0}{(1-k^2)}\times k$

     Yave----平均剪切率；

     k---换热段的旋转半径与搅拌室的半径之比；

    Ω0----角速度。

从关系式中可知，当换热段的旋转半径与搅拌室的半径之比确定之后，改变换热段的转 速可改变角速度，进而改变平均剪切率。

固相组分百分数：它表明释放了同等数量的结晶潜热。通过测量单位时间从单位重量的 被凝固金属或合金流体中导出的热量，扣除液态过热温度的显热，便可知导出的结晶潜热及 与之相应的固相组分百分数。当金属不是纯金属或共晶合金时，固相组分的百分数对应于该 合金液相线与固相线之间的一个特定温度，可用该合金液相线与固相线的温度差与固相组分 百分数之间的对应关系来计算，有利于通过对该合金半固态流体温度的测量和控制来达到预 期的固相组分百分数。固相组分百分数影响半固态流体的粘度，在剪切率不变的情况下，随 固相组分百分数的增加，流体的粘度加大。通过测量搅拌器扭矩的变化(或传动的直流马达 电流和功率的变化)，依据切应力与粘度的关系(切应力＝粘度*切变速度)来判断半固态流 体的粘度，根据粘度和固相百分数的关系曲线，可知相应的固相百分数。

冷却速度：金属或合金从液态被不断搅拌和冷却到含有一定固相组分百分数的半固态 流体，其冷却速度用平均冷却速率来表示。对普通合金按下式计算：

平均冷却速率＝合金的凝固温度范围/局部凝固时间(即从开始析出固相质点起，到预定 的固相组分百分数的时间) $V_{\mathrm{ave}}=\frac{{\mathrm{\Delta T}}_s}{t_f}$ 即： $V_{\mathrm{ave}}=\frac{{\mathrm{\Delta T}}_{s\left(\mathrm{gs}\right)}}{t_{f\left(\mathrm{gs}\right)}}$

  Vave-----平均冷却速率

  ΔTs-----合金的凝固温度范围(液相线温度-固相线温度)；

  tf-----局部凝固时间；

  gs----半固态流体中初次固相质点百分数；

  ΔTs(gs)----液相线温度与搅拌室出口处流体温度之差；

  tf(gs)----合金在搅拌室内的平均停留时间。

此公式只能用于有凝固温度范围的合金，不能用于只有固定熔点的纯金属与共晶合金， 而且不同合金的凝固范围不同，该平均冷却速率只能适合该合金。因为冷却速率直接关系到 从液体中析出固相质点的大小，所以本人认为，用单位时间，从单位重量液体中析出所需固 相白分数时导出的结晶潜热数量来表示冷却速率更为确切。

固相质点的颗粒大小：一般近似为园形，可用定量金相测定出当量直径。在固相百分数 相同的半固态流体中，当剪切率也相同的情况下，固相质点小的粘度较低；全部凝固后的铸 态组织也相应较细。影响固相质点颗粒大小的主要因素是平均冷却速率。

半固态流体的粘度：粘度直接关系到剪切搅拌的扭矩和传动功率；影响半固态流体的流 变性及充型能力。通过测量搅拌器的扭矩和传动直流马达的电流与功率，可知该剪切率下所 对应的固相组分百分数。国内外的研究表明，固相组分在25％(或30％)以下时，半固态流体 的流动性近似于全液态的金属或合金的流动性，即粘度与液态近似。当固相组分超过30％到 50％之间时，半固态流体的粘度，随固相组分的增加有明显的变化(增加)，呈粘的机油状。 当固相组分等于或大于60％以后，半固态金属或合金呈软固体状，类似固体可以搬运。所以， 在利用自重与势能进行半固态流变铸造(或连铸)时，固相组分不要大于50％。此外，粘度高 不利于气体和夹杂物的排除。

通过控制搅拌的剪切率和被凝固金属或合金流体与低熔点液态金属或合金热传导剂之 间的热交换强度及所传输热能的数量来控制被凝固金属或合金流体的固相质点百分数与固相 质点大小及粘度，得到所需特征的半固态流体，然后再令其凝固，达到控制结晶过程，改善 现有铸造组织的目的。

以下结合附图对本发明的实施例作进一步详细的描述。

图1是半固态流变连铸黑色或有色的金属与合金方坯、园坯及板坯的高效连铸机的示意 图；

图2是半固态流变铸造黑色或有色的金属与合金大型铸锭的示意图；

图3是全液相浇注黑色或有色的金属与合金后插入搅拌器使之经半固态过程凝固成大型 实心铸锭的示意图；

图4是沿图3中A-A线的剖视图；

图5是全液相浇注黑色或有色的金属与合金后插入做为芯子的搅拌器使之经半固态过程 凝固成大型空心铸锭的示意图；

图6是按图5方法制造大型空心铸锭脱模前的示意图；

图7是半固态流变铸造黑色或有色的金属与合金大型铸件的示意图；

图8是沿图7中A-A线的剖视图；

图9是全液相浇注黑色或有色的金属与合金后插入搅拌器使之经半固态过程凝固成大型 铸件的示意图；

图10是为说明图9移去搅拌装置的铸型顶视图；

图11是沿图9中A-A线的剖视图；

以下结合附图用实施例来说明本发明：

实施例1  半固态流变连铸黑色或有色的金属与合金方坯、园坯及板坯的高效连铸机

图1是半固态流变连铸黑色或有色的金属与合金方坯、园坯及板坯的高效连铸机的示意 图。采用低熔点液态金属或合金做热传导剂，循环冷却搅拌器，通过搅拌室，将大量连铸的 金属或合金制成半固态流体，在流体的势能和压力差及铸坯牵引力的作用下，从搅拌室下部 的滑动水口流出，经流变段进入结晶器，由于和现有全液态进入结晶器的连铸在凝固机理上 有本质不同，影响凝固的重要因素——释放大量的结晶潜热和形成众多分散的游离晶，已在 半固态制作过程中得到人为的控制，所以铸坯出结晶器后，没有现在连铸坯那样长的液芯(溏 芯)，不需要依靠大量喷水带走液芯中的结晶潜热来使铸坯完全凝固，也不需要在结晶器和 二冷区设大功率的电磁搅拌装置，可以连铸现在较难连铸的特殊钢，特别是固-液相线距离 大的合金，不但提高了铸坯质量，并且可以降低连铸机高度与长度，提高拉速，减少现有连 铸机的流数，节能并回收部分热能，可实现高效连铸和近终形连铸以及连铸连轧。能用于钢 和铸铁等黑色及有色金属与合金的连铸生产，除供应现有轧制与锻造用的坯料外，可以大量 供应用于触变成形(如半固态挤压铸造)的具有半固态特性的坯料，推动该行业新技术的发 展。以下结合图1详细说明该装置和方法。

主要设备结构及特点：

中间包15盛接从大包的浸入式水口14注入的被连铸的液态金属或合金17供给搅拌室18 制作半固态金属或合金。中间包15内储存液态金属或合金17可以减少液体的冲击和飞溅以 及搅拌引起的旋涡，有利于液态金属或合金17中气体和夹杂物的上浮，并给在搅拌室18中 制作的半固态金属或合金流体一定的压力，有利于流变连铸。在多流连铸机上，中间包15可 起分流作用。在多炉连浇时，中间包15可储存一定数量的液态金属或合金17以保证在更换 大包时不中断连铸。对中间包15内的液态金属或合金17可以采取气体保护或液态保护渣16 来防止氧化和吸气。

在半固态流变连铸车60的台面上，安装有中间包支承架24、中间包15、耐材制作的搅 拌室18、滑动水口27、耐材制作的流变段23、用低熔点液态金属或合金热传导剂37循环 冷却的钢制结晶器51及搅拌器主杆钢管11、把持搅拌器的横臂8和可升降旋转的立柱9及 使立柱升降旋转的液压缸10，它们能和半固态流变连铸车60的台面一起移动，半固态流变 连铸车行走马达25和半固态流变连铸车变速箱26带动半固态流变连铸车车轮28沿钢轨29 在与拉坯中心线相垂直的水平轨道上移动，在开浇前，半固态流变连铸车60载着装配好的 中间包15、搅拌室18、滑动水口27、流变段23、结晶器51、搅拌器主杆11、把持搅拌器 的横臂8、可升降旋转立柱9及使立柱升降旋转的液压缸10，开到由气--水混合冷却装置的 喷嘴52与气--水混合冷却装置的辊道53、拉矫机54、切割机55、输送辊道56及引锭58 组成的拉坯线前，对准拉坯中心线，并将引锭58送入结晶器51。拉矫机54要选择能进行拉 停推方式拉坯的拉矫机，气-水混合冷却装置的辊道53、输送辊道56及拉矫机54均装在 辊道与拉矫机的基础61上。

搅拌室18和中间包15是分体的，经组装联为一体。搅拌室18是半固态流变连铸机上 制作半固态流体的部位，因为要在搅拌室18内对金属或合金流体进行剪切搅拌和冷却，把 液态的金属或合金17制成所需的半固态流体，搅拌室18要承受高温的金属或合金流体浸蚀 与冲刷，由优质耐材制作。为了调节或保持搅拌室中连铸金属或合金流体的温度与热能，在 搅拌室18的外侧设置搅拌室感应圈的水冷铜管20及矽钢片制作的搅拌室磁轭19，用水冷电 缆与中频电源(包括电容器组)相连接，可根据需要调节晶闸管逆变电源的功率对搅拌室18 中的金属或合金17进行加热或保温。搅拌室18的内腔形状通常为园筒形，搅拌室18下部 需安装滑动水口27的，内腔下部作成漏斗形以便和滑动水口27对接。搅拌室18与搅拌器 的换热段13共同组成制备半固态金属或合金流体(即浆料)的工作部分。

搅拌器及传动装置，由搅拌器主杆钢管11、搅拌器的换热段13及搅拌器轴承组4、带 动搅拌器旋转的齿轮5、变速箱6、直流马达7、把持搅拌器的横臂8、可升降旋转的立柱9、 使立柱升降旋转的液压缸10、搅拌器的机械密封3、低熔点液态金属或合金热传导剂37的 进口管1和低熔点液态金属或合金热传导剂37的出口管2、低熔点液态金属或合金热传导 剂循环管路上的活动关节30、31等共同组成。搅拌器主杆钢管11上套有优质耐火材料袖砖 12。搅拌器的换热段13与连铸金属或合金17流体相接触的表面，有等离子喷涂的耐材工作 层。搅拌器主杆钢管11由直流马达7经变速箱6及齿轮5带动旋转；剪切搅拌金属或合金 17流体的力矩，随半固态的固相组分和半固态流体性质的变化而改变，由直流马达7的电 流(或功率)仪表反映和反馈。直流马达7用可控硅电源供电，通过控制系统按所需参数控制 或调整。搅拌器由把持搅拌器的横臂8带动升降，横臂8的升降与水平旋转靠可升降旋转的 立柱9来完成。图1中搅拌器的换热段13是在工作位置，不搅拌时提升超过中间包15的上 沿，还可再水平旋转到预备位置，以便进行维护检修或预热保温。搅拌器的中心管即低熔点 液态金属或合金热传导剂37的进口管1是不旋转的，低熔点液态金属或合金热传导剂37的 出口管2与搅拌器的机械密封3相联，机械密封3的磨擦副可用石墨对堆焊的司太立特硬质 合金或石墨对陶磁环。在横臂8作升降与水平旋转等移动时，由于低熔点液态金属或合金热 传导剂37的循环管路上设有活动关节30、31，不影响其运动，也不泄漏。活动关节30、31可 由简单的机械密封或波纹管组成。

本方法将连铸的液态金属或合金17在搅拌室18中制成固相组分不大于50％的半固态金 属或合金浆料，即粘度不会超过粘油状的半固态金属或合金流体，然后利用它的流动性或流 变性进入结晶器51，进行半固态流变铸造，为使从搅拌室18出来的半固态金属或合金流体 保持半固态的特性，以便顺利进入不同规格和形状的结晶器51进行连铸，在搅拌室18下面 (当搅拌室出口设有滑动水口时，在滑动水口27的下面)，设置耐火材料制作的流变段23， 并配备有流变段感应圈水冷铜管21和用矽钢片制作的流变段磁轭22，必要时通过中频电源 对流变段23内的金属或合金进行加热或保温，让半固态流体在势能与压力差及铸坯牵引力 的综合作用下，完成从搅拌室18出口到结晶器之间的顺利过渡(如：流道口径或横截面的扩 大与缩小；改变截面形状；拐弯或分流)，进入用低熔点液态金属或合金热传导剂37循环冷 却的钢制结晶器51，形成固态坯壳后，连铸坯57被拉矫机54牵引出结晶器51，再经过气- 水混合冷却装置的辊道53，受气-水混合冷却装置的喷嘴52的进一步冷却，使连铸坯57全 部凝固，穿过拉矫机54后连铸坯在辊道56上被切割机55切割，带有半固态遗传因素的切 割后的连铸坯58被送到冷床59上冷却，52、53、54、55、56均安装在辊道及拉矫机的基 础61上。流变段23根据使用条件选择优质耐材制作，形状与尺寸根据半固态金属或合金的 种类；固相组分百分数及固相质点大小；失去剪切搅拌后的粘度；流体在搅拌室所受静压力 及外力的大小(如换热段13对流体的推力)；搅拌室18(或滑动水口27)出口与结晶器51 入口横截面的变化程度及相对空间位置等综合设计。流变段23的耐材一端与搅拌室18(或 滑动水口27)出口对接，另一端与结晶器51入口对接，用螺栓或销子将靠钢结构固定的三 者组装在一起，并固定在半固态流变连铸车60的台面上。

配备感应加热的用途：连铸前，提出搅拌器，放入石墨芯或碳素块，对搅拌室18和流 变段23的耐材内腔壁面进行感应加热，避免开始连铸时因剧烈的热冲击使耐材受损，以及 避免因腔壁温度过低形成凝壳，影响顺利连铸。在未插入或提出搅拌器以后，可对搅拌室18 内的金属或合金进行加热或保温，甚至可将搅拌室18中已凝固的金属或合金熔化，也有利 于中间包15中液体的保温；有助于多炉连浇及处理中间包15和搅拌室18的故障。对流变 段23腔室内的金属或合金，根据半固态流变铸造的需要，可进行加热或保温，甚至可将流 变段23内已凝固的金属或合金熔化，有助于多炉连浇及处理在流变段23发生的故障。由于 在搅拌室18及流变段23配备了比功率大，有集肤效应的感应加热，使半固态流变连铸的操 作宽容度大，便于调整操作工艺。因为采用了半固态流变连铸，解决了远大于液态显热的结 晶潜热的释放问题，能进一步提高拉速，不必同现有连铸那样需严格的控制中间包中液态金 属或合金17的温度，可以省去现有连铸中间包的各种加热系统(如中间包感应加热；中间 包等离子加热等)。在搅拌室18和流变段23不进行感应加热时，该感应电源可通过设在低 熔点液态金属或合金热传导剂37循环管路上的感应线圈供电，对该载热介质进行加热或保 温，防止其凝固堵塞，有利于保持该循环系统的畅通。在搅拌器于非连铸状态的预备工位处， 可利用设置的感应线圈，对搅拌器的换热段13进行加热。例如，当其表面的耐材涂层被侵 蚀变薄后，将其浸挂耐材涂料，用感应加热使之干燥；还可通过套在换热段13外面的石墨(或 碳素)套，进行感应加热，使耐材涂料烧结(当然也可用火焰、等离子焰等方法加热烧结或喷 涂耐材)以利下次连铸。还可在半固态流变连铸机整机制造期间，当搅拌器和低熔点液态金 属或合金热传导剂37的循环系统基本完成后，利用选购的中频电源、感应器及耐材，组装 成感应炉，进行更有针对性的部分热试，验证设计的有关数据，为整机热试投产打下坚实的 基础。感应加热电源还可用于熔化配制低熔点合金，满足本铸机需要。使用感应加热电源(一 机多用)，用石墨坩锅熔化配好的固体渣料，将液态保护渣16直接供给半固态流变连铸的中 间包15使用，代替目前普遍使用的固态保护渣，因为中间包内液态金属或合金17受搅拌器 的影响比现有连铸有较大的运动，使用液态保护渣16或惰性气体保护可以避免因使用固态 保护渣产生的增碳(如钢的连铸)等污染。当搅拌室18与流变段23尺寸较大，不易采用烧 结好的成型耐材制品时，采用耐材打结，然后用感应加热炭质(或金属)芯(或填料块)将耐材 表而的工作层进行烧结后使用。感应加热的中频电源频率选择，如：有色金属的铝合金，可 选300-1000HZ。黑色金属，钢与铸铁可选1000-8000HZ(可调的最好，不可调的选 2500HZ-4000HZ)。从安全性出发，中频电源的输出电压选小于等于600V的(如：可控硅并联 电路)较好。中频电源的输出功率，根据搅拌室18、流变段23的内腔容纳金属或合金的种 类和重量、固相及液相的比热、溶解热、要求的升温速度；参照中频电炉的有关设计进行 计算和选择。中频电源和电容器组与感应线圈相匹配，感应圈外有矽钢片制作的磁轭，功率 因数高，加热功率集中。通过调整可控硅(晶闸管)的导通角，能灵活的调节加热功率。晶闸 管、电容器组、感应线圈及水冷电缆均配备有冷却水循环系统。搅拌室18与流变段23可各 配一个中频电源，中频电源可以一机多用。

半固态流变连铸，是使被连铸的液态金属或合金17在搅拌室18中释放全部液态显热及 可达50％的结晶潜热，以半固态流体的形式，在势能与压力差及拉坯牵引力等的综合作用下， 经过流变段23进入结晶器51，这与现有连铸的金属或合金以全液态进入结晶器有大的不同， 应该说，结晶器51已经不是担负金属或合金17凝固的被传统所称的一次冷却装置，使结晶 器51从连铸机的心脏地位，让位给了搅拌室18，结晶器51的热负荷大幅度减轻，与连铸 坯57不易粘连，结晶器壁也不易变形，结晶器51的寿命能比全液态注入时延长。半固态金 属或合金进入结晶器51后与器壁表面接触受到冷却，其中的液相部分凝固，沿结晶器壁形 成一层固态坯壳，与现有连铸相比，在结晶器及拉速均相同的条件下，出结晶器51时，坯 壳较厚，强度较高，坯壳内包容着失去剪切搅拌的半固态金属或合金，比现有连铸坯的溏心 短小，热焓少。由于半固态金属或合金的凝固收缩要比全液态凝固形成坯壳的收缩及变形要 小，结晶器51可不必设计倒锥度，有利于拉坯。由于结晶器51的热负荷大幅度减轻，结晶 器51可以不用铜或铜合金制造和用水来冷却，可用便于焊接的钢板制造，为了回收更多的 热能，采用与搅拌器共用低熔点液态金属或合金热传导剂37的循环系统来冷却结晶器51。 低熔点液态金属或合金热传导剂37在结晶器51上的进口是49，低熔点液态金属或合金热 传导剂37在结晶器51上的出口是50。为了提高结晶器51工作面的耐磨性及减少磨擦系数， 可喷涂耐磨层。对结晶器51内低熔点液态金属或合金热传导剂37的流道作蒸气氧化处理， 并覆以经焦化生成的碳质膜层，防止低熔点液态金属或合金热传导剂37对结晶器壁的侵蚀 破坏。结晶器51与流变段23衔接，经组装联成一体，并固定在半固态流变连铸车60的台 面上，使结晶器51与流变段23、搅拌室18、中间包15等一起能进行整体水平横向移动并 对准拉坯中心线，除采用图1的水平连铸机用的拉矫机的振动拉坯方式外，还可采取让流变 段23的出口含在结晶器51内几十毫米，并留有滑动间隙，令结晶器51沿拉坯轴线作往复 振动，由于金属或合金以半固态从流变段23出来，其粘度比过热的全液态高许多(有几个 数量级)，又受到结晶器51的冷却，只要滑动间隙适当，不会钻进缝隙阻碍拉坯，这种结 晶器振动；铸坯不振动的拉坯方式，其振动装置及拉坯机均较为简单，能节省投资。

低熔点液态金属或合金热传导剂37的循环系统承担从搅拌器换热段13导出连铸金属或 合金17的全部液态显热和与固相百分数相当的结晶潜热；从结晶器51导出连铸坯57继续 放出的一部分结晶潜热及部分固相显热；以及根据需要(如非热送有冷床)从冷床59导出铸 坯的一部分固相显热；通过间壁式热交换器(螺旋管、U形管或列管式)，如：壳侧是低熔点 液态金属或合金热传导剂37、管侧是水或蒸气的蒸汽发生器34，让低熔点液态金属或合金 热传导剂37与水(或蒸气)进行对流热交换，经预热段C、蒸发段B和过热段A将热能转化 为蒸气，加以回收利用。

由低熔点液态金属或合金热传导剂的循环泵马达40、轴承组41、机械密封42、液轮44 及轴38、泵进口47、泵出口48共同组成低熔点液态金属或合金热传导剂循环泵43。由循 环泵43送出的低熔点液态金属或合金热传导剂热传导剂37，一部分经低熔点液态金属或合 金热传导剂循环管路的活动关节30和搅拌器上的低熔点液态金属或合金热传导剂进口管1 冷却搅拌器的换热段13后，从进口管1与搅拌器主杆钢管11之间，经搅拌器顶端的机械密 封3，由低熔点液态金属或合金热传导剂出口管2经低熔点液态金属或合金热传导剂循环管 路的活动关节31及30再与冷却结晶器51的从出口50经活动关节31出来的另一部分低熔 点液态金属或合金热传导剂37在流向蒸气发生器34的三通32处汇合，再从蒸气发生器34 的低熔点液态金属或合金热传导剂入口39进入蒸气发生器34的壳侧，与管侧中的水(或蒸 气)进行对流热交换，将从软化水进口管36来的软化水变成蒸汽，从蒸气出口管35放出， 而被冷却的低熔点液态金属或合金热传导剂37由蒸发器壳侧的出口46流出，经低熔点液态 金属或合金热传导剂循环泵进口47再从泵出口48泵出，然后，一部分去冷却搅拌器换热段 13，另一部分经低熔点液态金属或合金热传导剂流量调节阀45和活动关节30从低熔点液态 金属或合金热传导剂在结晶器51上的进口49去冷却结晶器51。为提高回收热能的效率，防 止低熔点液态金属或合金热传导剂37因凝固造成堵塞，对暴露在室温下的循环系统须采取保 温措施(常规的方法很多，略)。在此可选择熔点为98℃的Pb-Bi低熔点合金或用Pb、Bi、Sn、 Zn等组成熔点更低的液态合金做热传导剂。与低熔点液态金属或合金热传导剂37相接触的 搅拌器、循环泵43、管道、活动关节30、31、流量调节阀45、仪表、结晶器51、蒸汽发生 器34等的有关部位最好选用奥氏体型铬镍耐热钢制造，为降低制造成本也可选择珠光体型耐 热钢来代替，前者允许的工作温度高，经蒸气处理的氧化膜层较牢固徵密，但奥氏体型铬镍 耐热钢导热系数较低，要综合考虑进行选择。机械密封3的摩擦副也要选择耐低熔点液态金 属或合金热传导剂37的材料制造。低熔点液态金属或合金热传导剂的循环泵43根据低熔点 液态金属或合金热传导剂37的成分、流速、流量、循环管路的压头损失、泵的工作温度与 连续运转条件、泵的效率，来选择泵的类型及材质。在钢铁生产的大型连铸机上应用，应选 择离心泵或轴流泵，而不选择电磁泵，可参照现有工业生产中输送液态金属使用的Pb泵(炼 锌生产中用)及核能使用的液态金属冷却剂循环泵进行选择、订购。搅拌器换热段13器壁的 外侧是连铸金属或合金17的流体，器壁的构造依次为：优质耐材工作层(如用等离子喷涂氧 化锆+8％氧化钇，或氧化铝)、优质耐材与金属按不同比例混合喷涂成有浓度梯度变化的过渡 层(如用等离子喷涂镍包氧化锆或镍包氧化铝)、等离子喷涂的金属底层(如主要为铁铬铝或 铁铬铝镱)、搅拌器金属壁(可为SUS304)、搅拌器金属壁表面上的在550℃时经蒸气处理形 成的氧化膜层、附着在氧化膜层上的经焦化形成的炭质层；在器壁的内侧，与炭质层相接触 的是循环着的低熔点液态金属或合金热传导剂37。连铸金属或合金17的流体在搅拌室18 内受到搅拌器换热段13的剪切搅拌，与换热段13器壁另一侧的循环着的低熔点液态金属或 合金热传剂37进行激烈的强制对流热交换，要在有限的空间内，在获得较高剪切率的同时， 为使搅拌室18有较多的过流面积，并使换热段13也有较大的换热面积，换热段13的器壁 外形可不采用简单的园柱形，而采用花键轴形状或狼牙棒形状，甚至采用蜗杆或螺旋形状(能 增加对高固相率下高粘度的半固态金属或合金从搅拌室18中排出的能力)。搅拌器换热段13 的形状尺寸和搅拌室18的间隙、搅拌器的转速、单位时间连铸金属或合金17通过搅拌室18 的流量、连铸金属或合金17被冷却的速度和从搅拌室18传递出结晶潜热的数量决定了半固 态流体的固相百分数和固相质点的形状与大小及半固态流体的粘度，它们影响半固态流体全 部凝固后的连铸坯57的组织及再感应加热形成半固态后进行触变成形的性能。而对经半固 态流变连铸只生产供常规轧锻用的连铸坯来说，则比生产半固态加工专用的坯料在工艺上要 宽松的多。

为了节能、回收能源及冷却经过搅拌器换热段13及结晶器51等被加热的低熔点液态金 属或合金热传导剂37，可采取让其与气体或液体进行间壁式对流热交换的方法，用于工艺加 热或供暖。在本实施例中(图1)是采用低熔点液态金属或合金热传导剂37与软化水在管壳 式的蒸气发生器34中进行热交换，产生蒸气，再加以利用，如入蒸气管网；供真空处理；供 暖；发电等。蒸气发生器34中低熔点液态金属或合金热传导剂37的液面与大气压力持平， 为自由液面。让低熔点液态金属或合金热传导剂37的循环系统在较低的压力下运行，有利于 减少泄漏和减轻循环系统的输送功率。为防止低熔点液态金属或合金热传导剂37的氧化和 对大气的污染，从蒸气发生器34壳侧的低熔点液态金属或合金热传导剂37自由液面上方的 防氧化保护气体进口33通入惰性气体。

气水混合冷却装置：由于连铸金属或合金17的液态过热热量(液态显热)及与固相百 分数相当的、对凝固过程影响最大的一部分结晶潜热已在搅拌室18内释放，半固态金属或 合金流体在通过结晶器51时又受到结晶器壁的继续冷却产生具有一定强度和厚度的固态铸 坯壳后，连铸坯57被不断从结晶器51中拉出，其坯壳心部与现有连铸的液芯(溏芯)有所 不同，是含有很多固相质点的半固态金属或合金，再不是薄的高温坯壳(一般厚10-20mm)里 包容着液态金属(或合金)，需靠强大的喷水冷却来带走剩余的高达70％-80％的结晶潜热，其 热焓远比现有连铸坯低，所以和现有连铸坯的二次冷却相比，在拉速相同的情况下，半固态 流变连铸坯57出结晶器51后所需的冷却能力、冷却强度可大为降低，能采用相对较弱的气 水混合喷雾冷却，甚至可在空气中冷却，有利于连铸固-液相线距离很宽的合金，如高碳高 合金的莱氏体和马氏体钢及铸铁。采用半固态流变连铸生产的连铸坯57，不会形成与铸坯 轴线相垂直的柱状晶，有利于减少或防止现有连铸坯常出现的表面纵裂纹与横裂纹、中心裂 纹、角部裂纹以及缩孔疏松等缺陷，提高铸坯质量，增加现有连铸机不适合连铸的一些牌号。

采用半固态流变连铸并使用流变段23，结晶器51能水平放置。由于金属或合金以半固 态流体状进入结晶器51，可不用分离环。如又采取结晶器沿拉坯轴线振动的方式与结构就 不必采用现有水平连铸机拉-停-推的较为复杂的拉坯方式，可免去相应的液压伺服或永磁直 流伺服电机的机构，简化拉矫机并可消除水平连铸坯常见的冷隔与振痕缺陷。由于是半固态 流变连铸，出结晶器51后没有全液态的溏芯，也不会出现立式或弧形机连铸坯那样的鼓肚 与变形，可省去相应的对铸坯进行轻压下的装置，所以拉矫机可比现有弧形连铸机和水平连 铸机的简单，提高可靠性。可参照现有连铸机的拉矫机进行选购或制造，但注意连铸时的拉 速调整范围要加大，如可以比现有连铸机正常的平均工作拉速提高近一倍。

引锭58及存放装置(在图1中简化)可与现有连铸相同。

连铸坯57的切割设备可与现有连铸机相同，切割机55是火焰切割机，适用于钢铁的切 割，铝合金则采用飞锯切割。中小断面连铸坯也可采用机械或液压剪切装置。

铸坯收集装置可与现有连铸相同。冷床59可采用低熔点液态金属或合金热传导剂37循 环冷却的间壁式换热的钢结构，低熔点液态金属或合金热传导剂37可与结晶器51串联，共 用循环系统，回收需要冷却后才供应下步工序的铸坯余热。视需要，铸坯也可采用空冷或缓 冷方式。

由于半固态流变连铸的拉速可比现有连铸有较大提高，温降小，铸坯内外质量好，不必 冷却到常温后再精整，能实现高效连铸，有利于直接热送压力加工(锻轧或挤压)，比现有连 铸更容易与压力加工设备衔接和匹配，实现连铸连轧，经半固态流变连铸的高合金难变形钢 (或合金)可以和精锻机等配套，缩短成材周期，降低生产成本。

半固态流变连铸的仪表与控制系统中，主要的检测内容和相应的仪表： 序 号 检测内容 检测仪表 1 中间包内液态连铸金属或合金 的温度 热电偶及数字仪表 2 中间包中液态保护渣温度及液面高 度 红外或光电数字仪表 3 搅拌的有关参数 传动搅拌器的直流马达的电压、电流、功 率、转速，搅拌器的转速及扭矩等数字仪表 4 搅拌室中部和出口处金属或合金流 体的温度 热电偶及数字仪表 5 流变段中部和出口处金属或合金流 体的温度 热电偶及数字仪表 6 结晶器出口处铸坯表面温度 红外或光电测温数字仪表 7 低熔点液态金属或合金热传导剂在 循环系统中各点的温度和流量： a.搅拌器进出口温度和流量 b.结晶器进出口温度和流量 c.冷床进出口温度和流量 d.蒸发器进出口温度和流量 热电偶和温度数字仪表及数字流量计 8 低熔点液态金属或合金热传导 剂循环泵 泵马达的电压、电流、功率、转速的数字 仪表及泵的数字流量计 9 低熔点液态金属或合金热传导剂在 蒸发器中的液位 液位高度指示数字仪表 10 蒸气发生器蒸气出口处蒸气的温度 和压力 蒸气温度和压力数字仪表 11 蒸气发生器软化水进口的温度、压 力、流量 测量软化水的温度、压力、流量的数字仪 表 12 进入拉矫机前铸坯表面温度 红外或光电测温数字仪表   13   汽水混合冷却强度   压缩空气的压力、流量数字仪表   水的压力、流量数字仪表   14   拉矫机的工作状态   拉坯方式、拉坯行程及拉坯速度的数字仪   表   15   铸坯到冷床前的表面温度   红外或光电测温数字仪表   16   搅拌室感应加热工作状况   中频电压、电流、频率、功率因数及加热   功率的数字仪表   17   流变段感应加热工作状况   同上

半固态流变连铸机PLC的主要控制对象及控制功能   序号     控制对象 控制回路     控制功能     1     半同态流变连     铸车的运动 交流传动     行走，对准拉坯中心线或到预备位置     2     搅拌器的搅拌 直流马达传动     控制搅拌器的转速及根据扭矩或直流马     达电流的反馈调整连铸坯拉速     3     把持搅拌器的     横臂的运动 液压传动     控制使立柱升降、旋转的液压缸，将搅     拌器置于工作位置或预备位置     4     搅拌室的加热 控制加热搅拌室的中 频电源     控制感应加热的频率与功率     5     流变段的加热 控制加热流变段的中 频电源     控制感应加热的频率与功率     6     低熔点液态金     属或合金热传     导剂的循环系     统 a.低熔点液态金属或合   金热传导剂循环泵马   达的传动 b.低熔点液态金属或合   金热传导剂循环管路   上流量分配阀的执行   机构     控制与调整泵的转速与流量         调整流向搅拌器与结晶器(含冷床)之间     的液态金属或合金热传导剂的流量分配     比例     7     气水混合冷却 气雾冷却回路     控制与调整对连铸坯的冷却强度     8     拉矫机 拉矫机马达或液压马 达     控制与调整拉坯方式和拉坯的速度     9     切割机 切割机控制     控制切割与定尺     10     蒸气发生器 a.软化水系统控制   回路 b.蒸气系统控制回路     控制软化水压力和流量       控制蒸气温度、压力、及流量     12     半固态流变连     铸机主控室 网络     控制从准备至开浇及连铸中间的运行、     多炉连浇或结束 连铸前液态金属或合金的准备与精炼：

不论是钢铁还是以铝合金为代表的有色金属，半固态流变连铸与现有的连铸在对连铸前 的液态金属或合金的要求上，基本相同。具体的准备和精炼也基本相同。只不过由于采用了 半固态流变连铸，抓住了影响凝固的主要矛盾，从根本上改变和控制了连铸的凝固过程，解决 了现有大生产中连铸坯出现的许多质量难题，也就使得现有连铸机为解决这些质量难题，从 非主要矛盾方面提出的要求和采取的措施显得过于苛刻。

在对连铸的液态金属或合金的温度及温度的均匀与稳定性要求上；如现有钢的连铸，因 为对在结晶器中结晶潜热的释放和导出基本是任其自然(结晶器加电磁搅拌后只有部分改善 作用)，只能尽量压低液态金属或合金进入结晶器时的过热温度与波动范围，所以对大包和 中间包中液态金属或合金的过热温度与波动范围，限制的很窄，为此采取在钢包精炼时调温 和在中间包上采用感应加热或等离子加热等措施。比利时冶金研究中心(CRM)和阿贝德厂 (Arbed)还采用了装有水冷换热器的浸入式水口，使钢水进入结晶器的温度控制在液相线上 6-10℃的新技术(见：史震兴 主编.实用连铸冶金技术.P89-133.冶金工业出版社.1998.6)。 但，总之，真正影响现有金属或合金凝固的不是液态的显热，而是结晶潜热，降低浇铸温度 的作用是有限的。而对于本方法的半固态流变连铸来说，显热只是需要回收的一部分，不必 苛求压低浇铸温度来解决凝固产生的质量问题。

对连铸金属或合金化学成分的要求上，半固态流变连铸能适应比现有连铸具有更为广泛 化学成分的金属或合金，由于在半固态流变连铸中，半固态中的固相是以质点的形式被液相 所分割包围，均匀悬浮在液相中，金属或合金以半固态流体(浆料)的性质进入结晶器，和 现有连铸的液态金属或合金只在结晶器中形成薄的固态坯壳，拉出结晶器后，主要依靠大量 喷水的二次冷却来完成凝固过程不同，所以在现有连铸中有包晶反应的或固-液相线距离很 宽和冷却过程中相变应力大的钢或合金易出现裂纹的现象，在半固态流变连铸中不易出现。 半固态流变连铸特别适合连铸固-液相线距离大的牌号，因为它们比纯金属或共晶合金及固- 液相线距离小的合金在半固态流变连铸的工艺操作上更容易控制。即不仅从半固态流体粘度 对搅拌器扭矩的反应上，还可以从半固态流体的温度上判断所对应的固相百分数，以便调整 拉坯速度等工艺操作参数。半固态流变连铸除了提高现有品种规格牌号的连铸坯质量外，还 能连铸现有连铸大生产中不适合连铸的、质量要求苛刻的、特殊的金属或合金，象钢铁中的 高碳高合金的莱氏体钢及铸铁、高碳马氏体不锈钢及一些易出碳化物液析与一次碳化物不 均、固-液相线距离非常大的钢，例如，含2％C、12％Cr的模具钢、高速工具钢、440C不锈 钢，以及在现有连铸的二次喷水冷却条件下因应力大易出裂纹的钢种或牌号。对于有大量一 次碳化物(或莱氏体)析出的合金，使其经半固态过程后再全部凝固，可以避免产生发达的垂 直于连铸坯轴心线生长的柱状晶及粗大的鱼骨状分布的一次碳化物，能提高连铸坯在热压 力加工时的热塑性，降低一次碳化物分布的不均匀性。在对不利于现有连铸工艺的一些元素 控制上，半固态流变连铸由于在铸坯凝固机理上比现有连铸要优越，所以要求较为宽松，如 P(磷)、S(硫)，现有连铸的凝固过程使之容易集中在铸坯的心部，使偏析严重，为减少对铸 坯及加工后的成品质量造成的危害及降低连铸中对裂纹的敏感性，一般均要求越低越好，都 执行比交货技术条件更为严格的内控标准，而且控制Mn/S等于或大于20，当生产变压器用 钢和易切削钢时则需格外注意连铸的工艺操作，以防止裂纹等缺陷的发生。而经半固态流变 连铸的铸坯，P(磷)、S(硫)等元素偏析小，能显著降低铸坯的裂纹敏感性，增加可以连铸的 金属或合金的牌号，扩大连铸坯的化学成分范围。又如，含B(硼)很高的核电用钢，如控制 棒材料，现有的一般模铸锭或连铸坯因为硼相的严重偏析和聚集，难以进行热压力加工(锻 轧时极易出裂纹废品)，而采用半固态流变连铸则能减少B相的偏析和聚集，提高铸坯的热 塑性，降低裂纹敏感性，为后步的热压力加工与热处理创造先天性良好的条件。美国与日本 等国的实验研究表明，各种钢和生铁，从M2高速钢到高温合金，从SUS304奥氏体不锈钢 到440C马氏体不锈钢，以及铜合金和铝合金等有色金属，都可以进行半固态流变连铸，并 取得优于全液态铸造的质量，这些实验研究给本法提供了十分重要的数据(半固态金属加工 技术及其应用 谢水生 黄声宏 编著，冶金出版社 1999。)。本法将其在半固态金属或合金 试验研究中用耐材制作的搅拌棒改进为外表面有耐材涂层、内部用低熔点液态金属或合金做 热传导剂循环冷却的钢管结构的搅拌器，使机械搅拌法从小批量试验研究变成能高效率、大 规模制取各种牌号的半固态金属或合金，同时能回收利用热能的大工业生产方法，大量生产 经半固态过程再凝固的坯料，供给常规的压力加工及半固态触变加工使用，为进一步推广普 及半固态金属加工技术创造条件。

对连铸前的液态金属或合金中氢、氮、氧的要求及处理方法，半固态流变连铸可与现有 的黑色和有色的金属与合金连铸相同，但由于在搅拌室内控制形成含有30-50％固相质点的 半固态流体，使得从金属或合金中析出与此比例相应的、因溶解度下降而放出的氢气，并随 其一起能逸出少量氮气，它们一部分从流体中排出，一部分被分散在半固态流体中，但不会 象普通连铸那样出现集中的较大的气孔、孔洞或较严重的疏松，再经过与现有连铸坯相同锻 压比的压力加工后，可得到优于现有连铸工艺的高质量材料。如将半固态流变连铸提供的坯 料进行半固态触变加工，则可得到优于液态铸造质量的铸件。例如钢的半固态流变连铸与现 有连铸相比，能减少或杜绝白点废品以及因气体夹杂和有害元素偏析被集中在板坯厚度中心 而导致的板材分层缺陷。半固态流变连铸与现有连铸一样，不适合连铸沸腾钢与半镇静钢，但 可以连铸含Si很低的用Al脱氧的深冲用钢(用于搪瓷，弹壳，汽车)及冷墩钢，影响深冲性能 的主要原因之一是有大量的氧化铝夹杂物，由于半固态流变连铸时，在中间包使用保护气体 或液态保护渣能减少钢中的氧化铝夹杂物，在搅拌室中钢流体与换热段表面不断接触，并受 到冷却，流体中的一部分夹杂物能粘附在换热段表面的优质耐材涂层上及搅拌室的优质耐材 壁上而被减少，剩余的夹杂物在换热段的剪切搅拌的作用下，被均匀分散在半固态流体中， 有利于提高板材的深冲性能。同样，半固态流变连铸适合连铸要求含氧量低、高清洁度的钢， 如子午胎钢丝用钢，汽车阀门钢丝用钢以及强度很高对夹杂物非常敏感(易因应力集中造成 断裂)的钢。由于半固态流变连铸的铸坯比现有的连铸坯气体夹杂更少，晶粒更均匀细小，铸 态组织更徵密，可以接受比现有连铸坯更为严格的质量检验，如超声、涡流、X-射线、γ- 射线、硫印、金相、机械性能、等检查。在经过真空处理和精炼后，用半固态流变连铸代替 现有连铸，可以生产出质量更好、可靠性更高的、用途更重要的、牌号更多的黑色与有色金 属(或合金)材料。

半固态流变连铸机浇铸前的准备：

中间包15的准备：中间包15的工作衬，可采用二级高铝砖砌筑，因为半固态流变连铸 常生产高级优质特殊钢或合金，所以不采用现有的绝热板砌工作衬。中间包15重要的部位 是包底与搅拌室18的连接处，可采用包底座砖与搅拌室18的成型耐火砖套接的方法，搅拌 室18上口与包底齐平，由搅拌室15的优质耐材来承受剪切搅拌作用下金属流体的冲刷与侵 蚀。套接的装配工作在搅拌室15与流变段23的连接完成后再进行。当采用带底孔的坩埚式 成型耐材的搅拌室18底孔下部装滑动水口27时，则在完成滑动水口27和搅拌室18的砌筑 及与流变段23的连接后，再与中间包15内的座砖进行套接装配。采用在搅拌室18下加装 滑动水口27的方式，有利于启铸和多炉连浇，防止万一铸坯拉漏时对人身及设备的伤害。 中间包15在与搅拌室18、滑动水口27及流变段23的连接完成后要进行浇铸前的烘烤。中 间包15的烘烤可同现有连铸。

搅拌室18的准备(包括装搅拌室下的滑动水口)：搅拌室18的耐材要能承受连铸金属或 合金17流体的高温(如低碳钢可达1500℃)及剧烈冲刷与侵蚀，流体运动速度可达5M/S， 流体使耐材表层温度迅速与流体持平，对流使金属或合金17与耐材的接触面积加大并不断 更新，如耐材化学性质不稳定，非常容易与流体中的活泼元素反应，在流体不断的冲刷下耐 材会被严重侵蚀并污染金属或合金17，同时使搅拌室18耐材失效，为此要求耐材有高的耐 火度与荷重软化点，化学性质稳定，耐剧烈冲刷与侵蚀，耐急冷急热性好。应选择比中间包 15耐材高级的成型耐火材料，如电熔氧化镁或电熔镁铝尖晶石质的经等静压成型后烧结的 管形或有底孔的坩埚形状耐火砖做搅拌室18。搅拌室18的成型耐火砖装在感应圈20里，感 应圈20与磁轭19绝缘并固定在一起，磁轭19的支架上部与中间包15用螺栓联接，下部用 螺栓与滑动水口27的框架联接，磁轭19的支架可选用奥氏体不锈钢制作并注意防止结成感 应电流的回路，在感应圈20内侧垫石棉布，石棉布与搅拌室18耐材成型砖之间用镁砂捣紧。 滑动水口27的外部金属结构要用奥氏体钢制作，并注意不要形成闭合回路。滑动水口27是 三层砖的结构，与搅拌室18连接的水口砖一侧有企口固定不动，与流变段23耐材连接的水 口砖一侧也有企口并固定不动，企口间加耐火泥，缝隙小于1mm，滑板在固定的两砖之间滑 动，滑动水口27外部金属结构的上部与搅拌室18下部的金属结构用螺栓联接；下部与流变 段磁轭22的支架用螺栓联接。

流变段23的准备：流变段23的耐材选择，连铸金属或合金17在搅拌室形成含有25％- 50％固相的半固态流体后，在势能与压力差及铸坯牵引力的综合作用下经过滑动水口进入流 变段23耐材腔，与在搅拌室18相比，流体运动速度低，失去剪切搅拌后粘度增加，化学反 应的活性减弱，对耐材的冲刷侵蚀能力下降，所以流变段耐材除选与搅拌室相同的电熔氧化 镁质或铝镁尖晶石质经等静压成型后烧结的耐火砖外，还可选熔融石英质或锆英石质的成型 耐火砖，它们导热系数相对较低，耐急冷急热，并且不易带入高熔点的不易变形的夹杂物。 小的流变段23用整体异型砖，大的流变段23可用分块组合式异型砖。流变段23的内腔形 状很重要，要能满足在固相百分数较高的情况下，靠自重和上部流体的压力及拉坯牵引力的 共同作用下，顺利流向(或滑向)结晶器51的入口处，要设计适合软固体滑溜的流变段23内 腔形状，同时为使软固体无阻碍地进入结晶器51的入口处，不滞留、不粘挂在结晶器51入 口处，并减少拉坯阻力顺利拉坯，在流变段23出口附近，设计有一段(如50mm长)与结晶器 51内腔形状基本相同，而尺寸略小于结晶器51入口尺寸的部分(同时注意在与结晶器51衔 接的流变段23耐材上留有过渡倒角)。在流变段磁轭22内固定的感应圈21里铺石棉布，放 入流变段23耐火砖，在砖与感应圈21的石棉布之间填入镁砂并捣实。在流变段23上部的 企口上抹耐火泥，然后与滑动水口27下部的企口对正，再用螺栓将流变段23外部的金属结 构(奥氏体钢制)与滑动水口27的外部的金属结构联接牢固。搅拌室18与滑动水口27及流 变段23联接后，可用火焰烘烤或填入碳块用感应加热进行烘烤。

对于大截面的方坯、板坯或园坯连铸，为减轻拉矫机夹持铸坯做拉停推方式拉坯的负 荷及简化拉矫机，可将流变段出口含在结晶器入口内一部分，并留有滑动间隙，免去拉停推 方式的拉坯，只令结晶器含着流变段的出口作水平方向振动，由于此时的金属或合金与全液 态的物性有极大的不同，滑动间隙与操作得当，不会出现钻挂，可以顺利拉坯。

结晶器51的准备：结晶器51可以利用现有连铸的铜质水冷结晶器，但不能回收热能。 本实施例采用钢质结晶器51，结晶器51入口的一段表面喷涂耐材涂层，用以提高结晶器51 寿命并降低磨擦阻力。结晶器51用低熔点液态金属或合金热传导剂37循环冷却，这种结晶 器的内壁在浇铸前不会出现露水，并可回收利用热能，降低结晶器的成本。结晶器51与流 变段23之间没有相对运动的；用螺栓通过法兰将两部分联接，使中间包15、搅拌室18、滑 动水口27、流变段23、结晶器51成为一个牢固的整体，连铸前开动半固态流变连铸车使结 晶器51的纵轴线与拉坯的纵轴线重合。结晶器与流变段之间有相对运动的；即结晶器进口 含着流变段出口作往复运动(结晶器振动)的，注意滑动的套接部分要与拉坯轴线一致，滑动 间隙适当，结晶器滑动自如。

搅拌器的准备：搅拌器可以有多种运动形式，旋转、扭摆、上下往复、振动等。图1为 旋转式搅拌器，换热段13以上部分用耐材袖砖12保护，袖砖12装配在搅拌器主杆钢管11 上，与换热段13一起旋转，此种结构简单，容易制造和安装，缺点是袖砖12和搅拌器一起 旋转，袖砖12易受液态金属或合金17及保护渣16的冲刷与侵蚀，同时金属或合金17液面 易裸露，需使用液态保护渣16或惰性气体保护防止二次氧化。

搅拌器主杆11外部的耐材袖砖12浸在中间包15的液态金属或合金17中，要求耐急冷 急热和液态金属或合金17及保护渣16的侵蚀，袖砖12耐材要选用不低于现有连铸中间包 塞棒或浸入式水口的材质，并且容易维护和更换。有两种方法：一是使用优质成型的耐火砖 组合成袖砖12，相当于将两端有企口的园筒形袖砖纵向剖开，剖面上也有企口，在搅拌器 的换热段13与袖砖12装配的部位有喷涂耐材的凹形企口，袖砖12企口抹耐火泥从这里往 上装，上下相邻袖砖12间的纵向砖缝要错开，袖砖12依次向上装配直到高于中间包15，然 后在袖砖12和表面喷涂有耐材的搅拌器主杆钢管11之间的缝隙中填入细的干燥的耐火砂粒， 再将袖砖12上口扣上一个碗口朝下的耐热钢制的碗状零件，用垫圈压住，上面用螺母拧紧。 二是在喷涂有耐材涂层的搅拌器主杆钢管11外面包一层石棉布，然后装配打结可塑耐火材料 袖砖12的模具，在模具内腔与石棉布之间填入优质可塑耐火材料并捣实，拆去模具后，经800 ℃以上的烘烤后使用。

搅拌器换热段13的准备：对换热段13表面进行喷砂(或喷丸)等处理，去除换热段13钢 质器壁表面的氧化皮及污垢，然后进行等离子喷涂，先喷涂含有Cr-Ni-Al-Y的金属底层，在 此层上用不同比例的镍包氧化铝(或镍包氧化锆)喷涂出过渡层，在过渡层上再喷涂氧化铝或 含有8％氧化镱的氧化锆形成工作层。涂层的检验可用量具测量或金相法、X-射线法、超声 法、磁性法、涡流法等检查涂层的厚度及缺陷。换热段13的涂层使用后，当工作层被侵蚀 减薄需加厚时，采用等离子喷涂或氧乙炔火焰喷涂的方法，再喷涂工作层耐材至所需厚度。 也可在搅拌器的预备工位处，将换热段13浸入含有工作层耐材的泥浆中进行浸挂，然后干 燥，经烘烤或火焰烧结后使用(也可采用刷涂或喷涂耐材泥浆代替浸挂)。工作层被侵蚀减薄 的主要原因，一是耐材材质不良需提高品质，二是金属或合金17中氧的活度较高，应做好 金属或合金17精炼时的脱氧及中间包15中液态连铸金属或合金17的防氧化保护，加强脱 氧情况的检查，采取必要的措施。当工作层表面因粘挂连铸金属或合金17流体中悬浮的非 金属夹杂物而变得过厚时，减薄的方法可采取磨料磨削或化学侵蚀法(在液态熔剂或熔渣中 浸涮)使之减薄，此外，要加强连铸金属或合金17的精炼操作使之洁静化(特别是减少熔点 较高的如三氧化二铝、二氧化钛等不易上浮的非金属夹杂物)并注意减少连铸时金属或合金 的二次氧化，对含有铝、钛等易氧化并生成熔点较高的非金属夹杂物的金属或合金17要采 取惰性气体保护或液态保护渣16保护，

低熔点液态金属或合金热传导剂37的循环载热系统及余热回收系统的准备：低熔点液 态金属或合金热传导剂37在半固态流变连铸机的设备安装完成以后，在灌注低熔点液态金 属或合金热传导剂37之前，要对所有低熔点液态金属或合金热传导剂37将流经或接触的设 备和部件进行预热，当使用熔点为98℃的Pb-Bi合金时，要预热至150℃以上，在蒸发器34 的外侧可用电阻丝加热(或其他加热方法)，蒸发器34中的蒸气管路接通外部蒸气管网，蒸 气压力不小于0.5Mpa。当预热温度达到要求后，向低熔点液态金属或合金热传导剂的循环 载热系统充入惰性气体，在气体保护下，从蒸发器34壳侧灌入熔化好的低熔点液态金属或 合金热传导剂37并达到指定的液位高度，然后开启低熔点液态金属或合金热传导剂循环泵 43，使系统循环畅通，各部位温度均衡，检查和处理故障后继续保温，等待连铸。蒸发器34 的水与蒸气系统，从灌注低熔点液态金属或合金热传导剂37之前的预热阶段开始，直到设 备检修放空低熔点液态金属或合金热传导剂37为止，始终保持蒸气压力不小于0.5Mpa，防 止低熔点液态金属或合金热传导剂37在循环系统中出现凝固堵塞。为防止低熔点液态金属 或合金热传导剂37的氧化及其循环系统内壁碳质保护层的氧化，对其在蒸发器34壳侧的液 面及泵轴38、阀门的阀杆、搅拌器主杆钢管11、机械密封3、活动关节30、31、等能旋转 的、有间隙的、能接触空气的部位，采取惰性气体保护或隔离空气中氧气等措施。要定期分 析低熔点液态金属或合金热传导剂37中氧含量及铁、铬、镍、硅、锰等成分的变化；定期 检查在低熔点液态金属或合金热传导剂的循环系统中悬挂的与设备材质相同、表面处理方法 一致的试片，并与定期检查设备是否产生热镀与腐蚀相配合判断对设备的腐蚀情况。

液态保护渣16的准备：当不具备惰性气体条件或需要通过液态保护渣16吸附与溶解液 态金属或合金17中的非金属夹杂物时，可选择熔化液体保护渣16的各种方法，对中间包15 内液态金属或合金17进行液渣保护。液体保护渣16的化学成分，根据连铸金属或合金17的 化学成分和中间包15中的温度、中间包15与搅拌器主杆钢管11上袖砖12的材质、液体保 护渣16在工作温度下的粘度等来选择，以不影响连铸金属或合金17交货技术条件的化学成 分，不增加非金属夹杂物为原则，优先选用价廉且供应充足的渣料进行配料与熔化。例如对 于不含作为合金成分的Al、Ti、B的钢号，可以使用价廉的白灰、耐火砖块、莹石、矽石 等配料，熔化出不含碳、低氧化铁、低碱度或偏酸性的主要由氧化钙、二氧化硅、三氧化二 铝和氟化钙组成的液态保护渣，这种渣能使钢中残余Al和残余Ti降低，失去一般认为可细 化晶粒的作用，但是，它会被半固态流变连铸所带来的使整个连铸坯57截面晶粒均匀细化的 效果所代替。熔化方法，一是采用类似熔化辉绿岩铸石的方法，使用水冷炉壳，碳质炉缸，焦 碳鼓风预热，临放渣前补吹氧气升温迅速熔化渣料的方法，其成本低，适合以白灰、耐火砖 块、莹石、矽石等配料熔化出由氧化钙、二氧化硅、三氧化二铝和氟化钙组成的液态保护渣， 但要配相应的排烟除尘装置。二是采用电渣炉化渣的方法，使用水冷炉壳或碳质炉衬，用碳 素(或石墨)电极来熔化渣料，优点是可熔化配制各种成分精确的液渣，并且可对熔渣进行精 炼，其成本较前者高。三是采用感应炉使用碳质炉衬熔化液渣的方法，充分利用半固态流变 连铸机配备的中频电源，既能用于搅拌室18及流变段23的感应加热，也能用于熔化保护渣 料，一机多用，此法可熔化配制各种成分精确的液态保护渣16，并可对熔渣进行精炼。由 于中间包15内液态保护渣16用量不大，损耗也小，以上方法只需配置小型的可设在中间包 15附近的化渣装置就可提供液态保护渣16。

半固态流变连铸机的操作过程：在大包将到之前，停止对中间包15、搅拌室18、滑动 水口27及流变段23的烘烤，关闭滑动水口27，将半固态流变连铸车60开到拉坯轴线位置， 使结晶器51与气-水混合冷却装置的辊道53及拉矫机54对正并将车固定，然后开动拉矫 机54向结晶器51内插入引锭58，提升搅拌器使其底端与中间包15上沿持平，将大包运至 中间包15附近的渣罐上方，打开大包的滑动水口14放出填料及少量液态金属或合金17后， 关闭大包滑动水口14，再将大包置于中间包15上方指定位置，向中间包15内送入惰性气 体(氮气或氩气)，然后向中间包15注入连铸金属或合金17，并同时对搅拌室18进行感应 加热。如中间包15不使用气体保护，则当连铸金属或合金17注入至中间包15深度的四分 之一时，向中间包15内放入液体保护渣16，当连铸金属或合金17注入至中间包深度的三 分之二时，大包滑动水口14收流，测温取样后，停止搅拌室18的感应加热，把搅拌器的低 熔点液态金属或合金热传导剂37的流量调到设定值后，将搅拌器的换热段13迅速插到搅拌 室18中指定位置，然后立即开始搅拌，并将搅拌器的转速调到预定值，当搅拌器的扭矩(或 直流马达的电流、功率)达到相当于含有25％-30％固相组分的半固态流体粘度的反映值时， 迅速打开搅拌室18下部的滑动水口27，同时对流变段23进行感应加热，补偿流变段23内 腔表面对刚进入的半固态流体的吸热，使之顺利流入结晶器51与引锭头衔接，然后开动拉 矫机54拉坯(使用结晶器水平振动装置的开动结晶器振动装置)，连铸中根据搅拌器扭矩(或 直流马达的电流、功率)的变化和测量计算低熔点液态金属或合金热传导剂37从搅拌器换 热段13携带出的热量，即根据连铸金属或合金17的粘度、温度、热焓等的物态变化，来调 整拉坯速度，使进入结晶器51时的半固态流体中固相组分控制在30％-50％之间，或预定的 期望值附近。铸坯拉出结晶器51后，进入气-水混合冷却区，根据低熔点液态金属或合金热 传导剂37从搅拌器换热段13和结晶器51所导出的热量(通过测量低熔点液态金属或合金热 传导剂37的流量与温升，计算出所携带的热量)、连铸时间与拉速、连铸坯57的表面温度及 计算出的连铸坯57中未凝固部分的重量，结合连铸金属或合金17的有关物理性质参数(如 液态与固态的比热、结晶潜热、导热系数)及凝固后在连续冷却过程中的金相组织变化来控 制对连铸坯57的气-水混合冷却强度，使连铸坯57在出拉矫机54后到切割位置前时心部全 部凝固，然后开始切割，切割后的连铸坯57按需要运到由低熔点液态金属或合金热传导剂37 冷却的冷床上继续冷却或去缓冷坑(箱)中缓冷，由于半固态流变连铸坯57与现有连铸坯相 比，内部和表面质量好，拉速也大幅度提高，为直接热送压力加工创造了有利条件，出拉矫 机54后，经补充加热，即可与板；管；棒及线材等轧机配套，进行连铸连轧，也可与精锻 机；辊锻机；摆锻机；模锻机等设备联合作业进行各种形式的锻造加工直至进行半固态金属 加工。

连铸时注意控制并保持蒸发器34的蒸气排放压力与软化水的供给，有利于控制与低熔 点液态金属或合金热传导剂37之间的对流热交换，蒸气的压力和流量与连铸金属或合金17 的化学成分、温度及连铸坯57的拉速、温度等相关。

当下一炉与本炉化学成分一致，允许连浇时，在盛本炉金属或合金的大包浇完撤走后， 将下一炉的大包运来顶替继续进行连铸。

当允许下一炉与本炉连浇但衔接不上时，在本炉大包浇完撤走后，中间包15中液体金 属或合金17逐渐减少旋涡加剧时，要适当降低搅拌器的转速，直至停转拔出搅拌器，并降 低拉速，对搅拌室18及流变段23进行感应加热实施保温，待将连铸坯57拉出结晶器51后， 关闭滑动水口27，停止感应加热，作连铸下一炉的准备。

半固态流变连铸时重要工艺参数的控制：

在半固态流变连铸中，为了在有限的空间内增加换热面积，以便达到更高的拉速，搅拌 器的换热段13不是简单的园柱形，例如设计成花键轴似的外形，以增加剪切搅拌和换热效 果，当搅拌室18内腔尺寸和搅拌器换热段13的形状与尺寸确定之后，只能靠调整搅拌器的 转速来改变剪切率，当为半固态金属加工技术提供连铸坯57时，则应选择较高的剪切率。

在半固态流体的固相组分百分数控制上，一些固-液相线温度距离大的合金，可通过 直接测量半固态合金流体的温度来得知与其对应的固相组分百分数。对于所有的半固态流体， 在剪切率不变的情况下，都可以从测量的搅拌器扭矩和传动直流马达的工作电流与功率的变 化上得知固相组分百分数的相应变化，当固相组分小于或等于25％时，因为和全液态时的粘 度相比变化不大，此时搅拌器的扭矩和传动直流马达的工作电流或功率也与全液态时的区别 很小，当固相组分达到30％时，半固态流体的粘度出现一个明显的变化，并随着固相组分的 增加而增加，当固相组分超过60％时，金属或合金会呈软固体状态，所以可根据搅拌器的扭 矩和传动直流马达的工作电流或功率的明显的变化来判断搅拌室18中流体固相组分百分数 所处的范围并进行控制，实践一段时期以后，总结出该设备的剪切率与流体的固相组分百分 数及粘度之间的关系曲线，再进行控制会更加准确。同时，根据测量计算出低熔点液态金属 或合金热传导剂37从搅拌室18载出连铸金属或合金17结晶潜热的百分数来判断搅拌室18 中流体的固相组分百分数。此外，通过测量流变段23中失去搅拌的半固态流体本身的软度， 也能协助判断固相组分百分数。

连铸金属或合金17析出初次固相质点的冷却速度，影响半固态流体中固相质点的颗粒 大小，对于固--液相线温度距离大的合金，通过直接测量中间包15连铸金属或合金17温度 和搅拌室18出口处半固态流体的温度，将二者温度差除以连铸金属或合金17在搅拌室18 中平均停留的时间，可得此时该固相组分百分数下的冷却速度。还可以通过测量计算在保持 拉坯速度与固相组分百分数不变的情况下，单位时间低熔点液态金属或合金热传导剂37从 搅拌室18载出连铸金属或合金17结晶潜热的数量来反映冷却速度。改变和调整连铸金属或 合金17冷却速度的措施，一是改变搅拌器的转速，它能改变连铸流体的雷诺准数及半固态 流体的粘度，进而影响对流给热系数，改变冷却速度。二是改变进出搅拌器的低熔点液态金 属或合金热传导剂37的温度，通过改变换热段13两侧对流热交换的温压来改变冷却速度。 三是改变拉坯速度。四是对搅拌室18进行感应加热或加强搅拌室18的散热来改变冷却速度。 提高剪切率和冷却速度可以使析出的固相颗粒细化。

半固态流体粘度的控制方法：一是在其它条件不变的情况下，改变拉坯速度使通过搅拌 室18的连铸金属或合金17流量发生变化，造成流体中固相组分百分数的增减来改变半固态 流体粘度。二是在其它条件不变的情况下，通过改变搅拌器的转速来改变剪切率，可以改变 流体的粘度。三是对固相组分百分数过高、粘度过大的情况采取提高拉坯速度及对流变段23 进行感应加热来调整。四是综合使用上述方法。在实际操作中，主要依据搅拌器的扭矩(或 传动的直流马达电流或功率)变化来判断半固态流体的粘度。

本实施例的铸坯质量水平：本实施例的半固态流变连铸在凝固过程的机理上与现有连铸 生产中的凝固过程有本质上的区别。改变了结晶潜热的传输方式，把主要依靠坯壳热传导的 方式变成强制对流热交换的方式，使析出的固相不是形成凝壳并在其上沿着结晶潜热的导出 方向生长成大量的柱状晶(当配有电磁搅拌时可有一定改善)的传统方式，而是在强烈搅拌和 冷却的条件下，使析出的固相象游离晶一样，均匀分散在液相中，成为半固态流体。由于能 控制结晶潜热释放与导出的数量、导出的速度(即冷却速率)及剪切率，就控制了半固态流体 中的固相组分百分数和固相颗粒直径以及流体的粘度。在搅拌室18内形成含有30％-50％固 相的半固态流体从滑动水口27流出，经流变段23进入结晶器51，在结晶器51中形成连铸 坯57的外形，拉出结晶器51后再经气-水混合冷却完成全部的凝固过程。在对凝固过程的 控制上比现有连铸有质的飞跃，如钢的半固态流变连铸，可避免现有连铸因溏心长导致的鼓 肚、脱方变形和内部裂纹(如中心裂纹，角部裂纹)及宏观偏析等常见缺陷，可以生产现有连 铸机不易生产的如固-液相线距离大、有大量一次碳化物、热塑性不好、凝固时相变应力大 的钢或合金。它比现有连铸机效率(拉速)更高，铸坯品种更多，质量更好。所以，半固态 流变连铸的铸坯，可以经受比现有连铸坯和模铸锭更为严格与苛刻的技术条件要求及质量检 验。

本实施例的安全与可靠性：

因为液态的连铸金属或合金17在搅拌室18经对流热交换释放了30％-50％的结晶潜热，以 半固态的性质和状态从流变段23进入结晶器51，出结晶器51后的连铸坯57与现有连铸坯 不同，不是只有10-20mm厚的高温薄坯壳包容着含有相当于80％铸坯重量与结晶潜热的等待 凝固的金属或合金液体，而是可以得到至少有10-20mm厚的较前者坚固的坯壳和包容着不到 铸坯50％重量和结晶潜热的高粘度的半固态流体(或软固体)。现有连铸拉速越高，坯壳越薄， 溏心越长，铸坯内部质量越差，品种越受限制，并且越容易出现漏钢事故，而半固态流变连 铸在提高质量与增加品种的同时，可以大幅度提高铸坯的拉速，并且不易出现漏钢事故。

选择Pb、Bi、Sn、Zn为主来组合低熔点液态金属或合金热传导剂37，代替化学性质活 泼的、在空气中或遇水就能引起燃烧的K、Na、Li等低熔点液态金属或合金作热传导剂，虽 然在传热和泵送功率上较其逊色，但使安全性大大增加。Pb沸点1750℃，Bi沸点1420℃， Sn沸点2690℃，Zn沸点907℃，用它们组成合金，各元素的蒸气压均会比单质时降低。低 的熔点，较高的沸点，较低的蒸气压，高的对流传热系数，有利于在常规压力下，以对流换 热方式，在有限的空间体积内，用较小的换热面积，高的温压，传递出被凝固金属或合金中 大量的热能(Hg的熔点虽然很低，但沸点低，蒸气剧毒，从安全出发，不予选择)。由于沸 腾水要在较高的压力下才能有与液态金属或合金接近的对流传热系数，如做搅拌器的冷却剂， 一旦出现泄漏与连铸的金属或合金流体相遇会引起剧烈爆炸，所以选择Pb、Bi、Sn、Zn为 主来组合低熔点液态金属或合金热传导剂37，并设有与大气压力相平衡的自由液面，而且 规定最高工作温度在500℃以下，是十分安全的。作为用于半固态流变连铸的低熔点液态金 属或合金热传导剂37，由于熔点低，在大生产条件下容易作到保温，可以减少因凝固而出 现的故障。

对本法使用的低熔点液态金属或合金热传导剂37所流经的搅拌器、管道、循环泵43、 流量调节阀45、蒸气发生器34或其它换热器等钢制金属结构，采取了防止发生化合溶解、 质量迁移、侵蚀、热镀及钎焊等措施，定期分析低熔点液态金属或合金热传导剂37中Fe、 Cr、Ni、Si、Mn等含量的变化，定期检查试片及金属结构有无热镀或腐蚀现象，来判断设 备的使用情况，决定是否检修，避免设备的故障与失效。

低熔点液态金属或合金热传导剂37在工作温度下能与空气中的氧发生氧化，生成的氧 化物影响传热以及能使循环系统堵塞，为此在蒸汽蒸发器34的低熔点液态金属或合金热传 导剂37自由液面上设有与大气压力相平衡的防止其氧化的保护气体，并在与大气相通的气 体排放口，还设有吸附过滤金属蒸气的装置，减少对环境的污染。在循环泵43、流量调节 阀45、管路的活动关节30、31及搅拌器的机械密封3处也采取了防止低熔点液态金属或合 金热传导剂与空气中氧接触的措施。另外，在低熔点液态金属或合金热传导剂37的循环系 统中，可增设净化合金的旁路，必要时对合金进行净化处理，减少设备故障。

在低熔点液态金属或合金热传导剂37的循环系统中，配备相应的温度、流量、泵转速、 泵功率等仪表，并与计算机相联，进行检测、报警及自动控制。

搅拌器是半固态流变连铸的关键部件，用珠光体或奥氏体耐热钢制造，在换热段13的 钢质器壁外表面，先喷涂以镍铬铝镱组成的金属底层，然后用镍包氧化铝或镍包氧化锆喷涂 过渡层，最后喷涂氧化铝或氧化锆(含8％三氧化二镱)的工作层。工作层的主要任务是耐 连铸金属或合金的侵蚀，底层和过渡层主要是提高涂层的抗热震性能，涂层的热阻使换热段 13的钢质器壁外表面低于该材料的允许工作温度。换热段13以上到把持器横臂8的这段搅 拌器主杆钢管11除也有同样的涂层外，同时在搅拌器主杆钢管11外面装有优质耐材袖砖12， 使搅拌器能在高温下可靠的工作。

在搅拌器的旋转部位为防止低熔点液态金属或合金热传导剂37泄漏采用机械密封和干 润滑方式，密封环可用堆焊的硬质合金对石墨或陶瓷对石墨，干润滑剂可用石墨粉加二硫化 钼。由于采用的低熔点液态金属或合金热传导剂37(如Pb-Bi合金等)是在低压下循环， 它们比水及液态K、Na及K-Na的表面张力大，而且不浸润密封环，在工作温度下不易泄漏。 在常温下，它们是低强度低磨擦系数材料，不容易对设备造成损害。

搅拌器的轴承组4采用能在350℃下工作的高温轴承，并采取措施防止中间包15液体 对其的热辐射，使搅拌器能长期可靠工作，并且不影响搅拌器换热段13剪切搅拌时扭矩检 测数据的可靠与稳定。

为解决因低熔点液态金属或合金热传导剂37传热迅速使金属结构产生热应力问题，将 搅拌器换热段13器壁的横截面作成曲折的轮廓，不但增加换热面积，强化搅拌作用，还有 利于释放应力。蒸汽发生器34可采用U型管或螺旋管束等措施以减少热应力。低熔点液态 金属或合金热传导剂37的循环系统有预热及保温措施，并设有膨胀段或波纹管，留出热胀 冷缩裕度，减少因温度的剧烈波动而产生的应力。

在半固态流变连铸中突然断电时，依靠搅拌器的把持器横臂8升降立柱9在液压缸10 的储能系统或机械升降的重锤作用下，把搅拌器提升至中间包液面以上，保护设备与人身安 全。

本实施例与现有连铸在技术经济上的区别及积极效果：在原理上，半固态流变连铸是在 现代结晶理论指导下，从改变现有连铸的凝固机理上进行突破，本法通过低熔点液态金属或 合金热传导剂37与连铸的液态金属或合金17之间在搅拌室18进行强制对流的热交换，使 之变成半固态的过程中，将液态显热与一部分结晶潜热导出，达到能较好的控制结晶过程，使 析出的固相不再是先形成凝壳并在其上沿着结晶潜热的导出方向生长出大量柱状晶的传统凝 固规律，而是在强烈的搅拌和冷却下，析出的固相象游离晶一样，均匀分散在液相中，成为 半固态流体。由于能控制结晶潜热释放和导出的数量、导出的速度(即冷却速率)及剪切率， 也就能控制半固态流体的固相组分百分数和固相颗粒直径以及流体的粘度，将在搅拌室18 中形成的含有30％-50％固相的半固态流体通过滑动水口27经流变段23进入结晶器51，在结 晶器51中形成连铸坯57外形，出结晶器51后再经气-水混合冷却完成全部的凝固过程。 在对凝固过程的控制上比现有连铸有质的飞跃，如钢的半固态流变连铸，可避免现有连铸因 溏心长导致的鼓肚、脱方变形和内部裂纹(如中心裂纹，角部裂纹)及宏观偏析等常见缺陷，可 以生产现有连铸机不易生产的如固-液相线距离大、有大量一次碳化物、热塑性不好、凝固 组织相变应力大的特殊钢及合金，可以经受比现有连铸坯和模铸锭更为严格与苛刻的技术条 件要求及质量检查。由于采用了国内外半固态金属加工技术的研究成果、液态金属传热学及 应用技术、机械密封技术、干润滑技术、等离子喷涂技术、感应加热技术和现代连铸新技术， 所以，本实施例的半固态流变连铸能增加连铸的品种、提高连铸坯质量、减少金属材料的损 失、提高连铸机效率、为发展半固态金属加工技术集中提供大批具有半固态特征的坯料，并 在连铸的同时，回收较多的热能，使火法冶金可持续发展，具有重要的经济和社会效益。

以钢为例与现有连铸相比增加的投资内容有：用低熔点液态金属或合金热传导剂冷却的 搅拌器及其旋转和升降系统、低熔点液态金属或合金热传导剂的循环泵和管路与阀门及对低 熔点液态金属或合金热传导剂的循环系统采取的相应保温措施、壳侧为低熔点液态金属或合 金热传导剂管侧为软化水和蒸气的蒸气发生器及软化水供水系统(现有连铸机配备的软化水 供水系统可以利用)、带感应加热的搅拌室(包括晶闸管逆变电源、感应线圈、磁轭、成型耐 火砖与散状耐材)、带感应加热的流变段(包括晶闸管逆变电源、感应线圈、磁轭、成型耐火 砖与散状耐材)、搅拌室与流变段之间的滑动水口装置、用低熔点液态金属或合金热传导剂 循环冷却的结晶器、新的结晶器振动装置或可执行拉-停-推方式的拉矫机、相应的仪表与 控制系统、充满低熔点液态金属或合金热传导剂的循环系统所需的低熔点金属或合金、中间 包的惰性气体(氩或氮)保护装置与保护气体(如使用液渣保护，则为小型化渣炉及渣料；当 现有连铸有惰性气体保护设施时则可充分利用)。

与现有立式、立弯式及弧型连铸机相比可简化或省略的投资内容有：中间包的感应加热 或等离子加热系统、中间包塞棒及水口砖或滑动水口装置、结晶器和二冷区的电磁搅拌系统、 插入结晶器的浸入式水口、现有水冷的铜质结晶器及其振动装置、结晶器液面的测控系统(如 射线或涡流等方法的测控系统)、中间包使用的固体保护渣、结晶器使用的固体保护渣或菜 子油、结晶器下部防坯壳变形或破裂的足辊或格栅、在与现有连铸机拉速相同时可缩短现有 二冷区并省略对铸坯进行轻压下的装置、用水平式的半固态流变连铸机代替或改造现有立 式、立弯式及弧型连铸机、降低连铸机高度和相应的厂房高度并可在不能安装立式、立弯式 及弧型连铸机的现有厂房内安装半固态流变连铸机降低投资。与现有水平连铸机相比，可省 去昂贵的氮化硼分离环，省去冷却铸坯的易磨损的石墨套，简化复杂的拉矫机系统。

本实施例用于半固态流变连铸黑色金属或合金的积极效果：提高现有连铸坯的质量，减 少废品，提高金属收得率，并节约和回收能源。可在提高质量的同时，提高拉速，并能杜绝现有 连铸机出现的拉漏，实现高效连铸，为发展连铸连轧(或与精锻机，辊锻，快锻等设备联合作业) 创造良好的条件。增加许多现有连铸机不易或不能生产的化学成分特殊、性能要求苛刻、用 途十分重要的高级优质特殊钢与合金，以及多种铸铁。可生产用于核电、火电、水电、化工、 石油、机械、汽车、航空、航天、武器、舰船、铁路、建筑等部门的金属材料。除现有连铸 机生产的规格外，能连铸薄的、厚的、细的、粗的、以及特大截面的铸坯，并使异型坯连铸 和近终型连铸获得发展。由于半固态流变连铸能真正突破特殊钢连铸技术难关，可以使现有 生产普钢和低合金钢的钢厂，在配备精炼炉并采用半固态流变连铸以后，也能生产高级优质 的特殊钢。本实施例还可以生产出专门用于半固态触变加工(即半固态挤压铸造等半固态金 属加工技术)的具有半固态基因的坯料，供应各地的压铸厂，实现半固态压铸钢及铸铁机械零 件的大批量生产，发展黑色金属的少切削或无切削加工。采用半固态流变连铸技术，能降低 铸机高度及铸机冶金长度，节省厂房投资，并且使水平式和倾斜式连铸机获得发展。在现有 连铸机上适当进行部分改进，加装本法的半固态流变装置，能节约投资、增加效益、获得新 的生命力。

本实施例用于有色金属或合金半固态流变连铸时的积极效果(以铝合金为例)：与现有连 铸相比，能提高铸坯质量、增加铸坯的品种规格、提高生产效率、节约并回收部分热能。可 以集中、大量的生产供铝合金半固态触变加工(半固态挤压铸造)用的坯料，为机械、汽车、 航空、航天、轻工等部门发展少切削无切削加工创造条件。在电解铝厂和再生铝的熔炼工厂， 集中冶炼各种牌号铝合金，经半固态流变连铸成专门用于半固态触变加工(半固态挤压铸造) 用的坯料，供给各挤压铸造厂，铸造厂用感应加热将坯料迅速加热至半固态触变加工所需的 软度，进行半固态挤压铸造成型。一方面提高了电解铝厂和再生铝熔炼厂的经济效益(节约 了纯铝，回收部分热能，把生产块锭改成可直接用于半固态触变加工用的标准化连铸坯，增 加了产品价值)。另一方面免去各铸造厂的配料、熔化、精炼等工序，减少材料与能源的消 耗，减少铸造厂的环境污染，改善铸造行业的劳动条件，稳定铸件的化学成分(可缩小其成 分范围)，把全液态压铸改为半固态挤压铸造后，能大幅度提高铸件质量与合格率，使铸件 能适应各种热处理工艺，提高其机械性能，还能提高压铸模具的寿命，降低铸件成本，加速 挤压铸造技术的发展，有利于传统铸造行业的改造。在本法半固态流变连铸的制浆过程中， 向搅拌室内加入非金属颗粒或短纤维，经半固态流变连铸后，可提供用于半固态挤压铸造金 属基复合材料零件的坯料。

实施例2  在铸造大型黑色或有色的金属与合金模铸锭上的应用

随着冶金、机械、化工、石油、电力(包括火电、水电、核电)、武器、舰船、航空航天、 汽车等各部门的发展，对大型优质能满足各种苛刻工作条件要求的黑色或有色的金属与合金 锻件需求增加，为了确保大型锻件的质量，提高金属利用率，除了采用先进的冶炼与锻造工 艺技术外，提高大型黑色或有色的金属与合金模铸锭的凝固质量，提供先天性良好的大型模 铸锭，具有重要的意义。下面以铸造大型优质钢锭为例进行说明。

用液态钢水上注或下注的普通模铸锭，由于巨大的结晶潜热受有限的散热面积、锭模重 量及传热效率的限制，普遍是钢锭越大；凝固时间越长；树枝晶越发达；内部的质量问题越 严重。主要问题有：锭中心存在孔洞；锭的各种偏析(锭下部有负偏析，上部有A型偏析和 V型偏析)严重；锭身有发达的垂直模壁生长的柱状晶；钢锭心部出现异常粗大并且聚积着 大量夹杂物的等轴晶。对于一些化学成分特殊的钢，如含B 1.3％的SUS304原子能用钢，普 通的模铸锭因为凝固时析出的硼化物相粗大而且集中，热加工时钢锭塑性非常差，易碎裂。 普通模铸锭由于偏析与疏松严重，不但切头切尾多，还需多次镦拔，有的需冲孔，除去心部 的不良部分，增加了火次，降低了生产效率；一些大型锻件晶粒不均严重，出现粗大的晶粒， 降低了锻件力学性能，一些锻件作超声波探伤等无损检验时，不能满足苛刻的技术条件要求； 钢锭的这些先天性缺陷，给热压力加工和热处理带来沉重的负担。

为了提高大型钢锭的质量，国内外在精炼时，采用诸如：钢包吹氩；钢包喷粉；钢包合 成渣洗；钢包真空处理(DH、RH、VD)；钢包精炼炉(LF、SKF、VOD、VAD)等方法精炼钢水， 均匀钢水化学成分和温度，去除有害元素，精确控制化学成分范围，脱氧，脱气，降低钢中 夹杂物。在铸锭时采用诸如：真空浇铸；保护浇铸(气体保护浇铸，液渣保护浇铸，固体渣 保护浇铸)；多炉调整化学成分合浇大型钢锭；用计算机模拟凝固过程，改进锭模；改进冒 口形状并采用冒口绝热、发热、感应加热、电弧加热或电渣加热；浇铸空心钢锭，并用压缩 空气或灌铸低熔点合金的方法冷却内芯；定向凝固等方法。此外还采用电渣重熔法生产重要 用途的大型钢锭。目前，浇铸的最大钢锭是日本室兰厂的用于核电沸水堆压力壳锻件的600T 钢锭。中国有世界上最大的电渣炉，能生产200T的电渣锭。

上述措施均能不同程度的提高大型钢锭的质量，但从凝固机理上变革传统的凝固过程， 只有定向凝固和电渣重熔。而生产电渣重熔锭，生产周期长、能耗高、效率低。应用定向凝 固生产大型钢锭还有一定局限性，现在不十分普遍。

为获得先天性良好的大型黑色或有色的金属与合金模铸锭；将控制凝固过程和热能的释 放与利用统一起来，特提出以下装置和方法并结合附图加以说明。

图2是半固态流变铸造黑色或有色的金属与合金大型铸锭的示意图，图2中，液态被 铸造的金属或合金17通过大包的浸入式水口14注入带有搅拌室18及滑动水口27的中间包 15中，在中间包15内用液态保护渣16防止液态被铸造的金属或合金17的二次氧化(或采 用气体保护措施)。搅拌室18里插有用低熔点液态金属或合金热传导剂37冷却的搅拌器换 热段13，搅拌器由搅拌器主杆钢管11和搅拌器的换热段13组成，搅拌器主杆钢管11的外 部套有耐材袖砖12，搅拌器主杆钢管11上装有搅拌器轴承组4及带动搅拌器旋转的齿轮5， 直流马达7通过变速箱6带动齿轮5使搅拌器旋转，搅拌器主杆钢管11内装有低熔点液态 金属或合金热传导剂37的进口管1，搅拌器主杆钢管11的顶端装有搅拌器机械密封3及低 熔点液态金属或合金热传导剂37的出口管2，搅拌器装在把持搅拌器的横臂8上，由可使 立柱9升降旋转的液压缸10通过横臂8将搅拌器插入搅拌室18或提出中间包15，并置于 预备工位。搅拌室18的外面装有用于搅拌室感应加热的水冷铜管线圈20及磁轭19，滑动 水口27的出口段79(即相当流变段)的外面装有用于流变段感应加热的水冷铜管线圈22 及磁轭21。从蒸气发生器34壳侧的低熔点液态金属或合金热传导剂37的出口46出来的低 熔点液态金属或合金热传导剂37，经低熔点液态金属或合金热传导剂循环泵43的进口47 进入低熔点液态金属或合金热传导剂的循环泵43(该泵43由马达40、泵轴38、轴承组41、 机械密封42、叶轮44、泵进口47、泵出口48构成)，在叶轮44的作用下，从泵出口48出 来的低熔点液态金属或合金热传导剂37，一部分经低熔点液态金属或合金热传导剂循环管 路上的活动关节30从低熔点液态金属或合金热传导剂37的进口管1到达搅拌器的换热段 13；一部分经低熔点液态金属或合金热传导剂37的流量调节阀45到达锭模底盘的低熔点液 态金属或合金热传导剂进口69，对底盘68进行冷却后，从底盘的低熔点液态金属或合金热 传导剂出口70出来，经锭模的低熔点液态金属或合金热传导剂进口66对锭模67进行冷却 后，经锭模的低熔点液态金属或合金热传导剂出口65顺管道至三通62，与冷却搅拌器换热 段13后经搅拌器机械密封3和低熔点液态金属或合金热传导剂出口管2及低熔点液态金属 或合金热传导剂循环管路上的活动关节31出来的那部分低熔点液态金属或合金热传导剂37 汇合，再从蒸气发生器34的低熔点液态金属或合金热传导剂入口39回到蒸气发生器34的 壳侧，将携带的热能与管侧中的水和蒸汽进行对流热交换，从软化水进口36进入管侧的水 经预热段C、蒸发段B和过热段A将热能转化为蒸气，由蒸气出口管道35放出再加以利用。 为防止低熔点液态金属或合金热传导剂37的氧化，在蒸汽发生器34设有保护气体进口33。 装有搅拌室18和滑动水口27的中间包15置于真空室或气体保护罩上，由波纹管71将其之 间密封，液态的铸造金属或合金17在搅拌室18中受到搅拌器换热段13的剪切搅拌与冷却， 通过换热段13的器壁和低熔点液态金属或合金热传导剂37进行强制的对流热交换，释放出 液态显热及部分结晶器热，析出的结晶被分散在剩余的液相中形成半固态的金属或合金流体 63，当搅拌器扭矩(或直流马达7的电流和功率)与全液态时相比出现明显变化时，打开搅 拌室18下部的滑动水口27，将真空室或气体保护罩上的铝膜熔化，注入置于真空室或气体 保护罩内的由底盘68、锭模67及保温冒口64组成的铸型中。锭模67可以是整体的，也可 以由许多个用低熔点液态金属或合金热传导剂37循环冷却的锭模块组合而成，还可使用一 贯沿用的铸铁锭模及底盘。冒口64可沿用现有的冒口，也可采用感应加热的冒口(充分利 用给搅拌室与流变段配备的感应加热电源)。当冒口64内的金属或合金流体63浇注够高后， 关闭大包滑动水口14移走大包；停止搅拌立即将搅拌器换热段13提出中间包15并旋至预 备工位保温；关闭滑动水口27将中间包15移至铸余锭模处(或回炉)放净包中剩余金属或 合金17和液态保护渣16后备用；对冒口64内未完全凝固的金属或合金17实施保温(可采 用现有工艺)，使用感应加热冒口的利用给搅拌室与流变段配备的感应加热电源加热保温； 在锭身全部凝固后再停止对冒口64保温，得到经半固态过程后再完全凝固的铸锭。与图1 相对照，均是半固态流变铸造，只不过图1是流变铸造连铸坯，图2是流变上铸钢锭，从两 幅图中可以看出，除滑动水口27以下部分不同外，其余相同。

中间包15由于受液态金属或合金17的冲刷要比普通浇注用的中间包严重，需使用优质 耐材砌筑。如铸钢时工作衬用二等高铝砖砌筑。

搅拌室18要承受金属或合金17的激烈冲刷，铸钢时最好采用电熔氧化镁或电熔镁铝尖 晶石质的经等静压成型后烧结的管形或有底孔的坩埚形状耐火砖做搅拌室18。搅拌室18与 感应圈20之间用散状耐材捣实。

滑动水口27在现有耐材中选择，滑动水口27的出口段79即相当于流变段。

搅拌室18和流变段(滑动水口的出口段)79感应加热的中频电源选择同实施例1。该 中频电源，可一机多用，在配备不同的感应器后，可用于熔化配制所需的低熔点液态金属或 合金热传导剂；对搅拌器换热段及低熔点液态金属或合金循环系统等进行加热和保温；熔化 液态保护渣；对打结的冒口耐材进行烧结：冒口内金属或合金的感应加热；对搅拌器换热段 补涂的耐材泥浆进行烘干和烧结；提供热态试验条件(为进一步改进提供方便)；在设备制 造与安装过程中提供加热条件(如管道的煨弯等)。可按需要选购中频电源、感应器及磁轭。

图4是搅拌器换热段13的横截面示意图。换热段13的表面工作层是优质耐材涂层，为 提高其抗热震性能，在搅拌器换热段的金属表面先喷涂金属底层，再喷涂过渡层，最外层喷 涂的是不与金属或合金流体浸润、耐侵蚀的优质耐材工作层。其喷涂方法、涂层结构、涂层 材料、涂层的维护方法均与实施例1的搅拌器换热段13相同。在搅拌器换热段13以上不需 要进行热交换的部位即搅拌器主杆11的外面装有耐材袖砖12，其材质与安装方法同实施例 1。

低熔点液态金属或合金热传导剂37循环冷却的锭模67、底盘68及循环管路，用珠光 体或奥氏体耐热钢钢板和钢管焊接制作，并可制作成组合式的锭模和底盘，既进一步缩短凝 固时间、回收热能；又可组合成不同的锭模、底盘；寿命长，利用率高。

低熔点液态金属或合金热传导剂37的选择、使用方法、注意事项及防止对金属结构和 部件腐蚀的措施；均与实施例1相同。

中间包15使用的低熔点液态保护渣16的化渣方法及配料均与施例1相同。

所用仪表：     序     号 检测内容   检测仪表     1 中间包内液态铸造金属或合金 的温度   热电偶及数字仪表     2 中间包内液态保护渣温度及液面高 度   红外或光电数字仪表     3 搅拌器旋转的工作状态   传动搅拌器的直流马达的电压、电流、功   率、转速，搅棒本身的转速及扭矩等数字   仪表     4 搅拌室中部和出口处金属或合金流 体的温度   热电偶及数字仪表     5 流变段中部(即滑动水口出口段) 金属或合金流体的温度   热电偶及数字仪表     6 低熔点液态金属或合金热传导剂在 循环系统中各点的温度和流量： a.搅拌器进出口温度和流量 b.锭模、底盘进出口温度和流量 c.蒸发器进出口温度和流量   热电偶和温度数字仪表及数字流量计     7 低熔点液态金属或合金热传导剂循 环泵工作状态   泵马达的电压、电流、功率、转速的数字   仪表及泵的数字流量计     8 低熔点液态金属或合金热传导剂在 蒸发器中的液位   液位高度指示数字仪表     9 蒸气发生器蒸气出口处蒸气的温度 和压力   蒸气温度和压力数字仪表     10 蒸气发生器软化水进口的温度、压 力、流量   测量软化水的温度、压力、流量的数字仪   表     11 搅拌室感应加热工作状况   中频电压、电流、频率、功率因数及加热   功率的数字仪表     12 流变段感应加热工作状况   同上

配备的控制系统： 序号 控制对象 控制回路 控制功能 1 搅拌器转速 直流电机传动 按设定的转速进行调整 2 搅拌器横臂的运动 液压传动 控制使立柱升降与旋转的液压缸将 搅拌器置于工作位置或预备位置 3 搅拌室下部的滑动 水口 电动或液压执行机构 水口开关及流量的控制 4 搅拌室与流变段的 感应加热 感应加热电源的功率调 节回路 调节搅拌室与流变段的感应加热功 率 5 低熔点液态金属或 合金热传导剂的循 环泵 直流或交流变频电机传 动 调整转速改变流量和压力 6 低熔点液态金属或 合金热传导剂分配 阀 电机或液压传动 调整搅拌器和锭模、底盘之间的低 熔点液态金属或合金热传导剂的流 量分配比例 7 蒸气发生器 阀门的电动执行机构 控制进水流量 控制蒸气出口温度、压力及流量 8 主控室 网络 半固态流体的剪切率、固相百分数、 冷却速率

浇铸前的准备：当搅拌器的旋转和横臂的升降、旋转正常；低熔点液态金属或合金热传 导剂的循环系统及余热回收系统处于保温备用状态，将换热段涂层完好并已安装好袖砖的搅 拌器旋至锭模一侧的预备工位。使用低熔点液态金属或合金热传导剂循环冷却的锭模和底盘 的，要在浇铸前组装齐全并开动循环，为提高锭模和底盘的寿命以及钢锭表面质量，可喷刷 涂料。也可使用现有铸铁的锭模和底盘。使用优质耐火砖砌筑或散状优质耐材打结后经烧结 的冒口。如采用感应加热的冒口(感应圈外有框架及磁轭)则接上水冷电缆，接通感应圈冷 却水。如使用电弧加热或电渣加热的，安装好电极，置于冒口旁预备位置，并检查好电极的 控制设备。使用气体保护浇铸的，安装保护罩并准备妥气源。使用液体保护渣保护浇铸的， 进行熔化、保温、备用。真空浇注的，在组装好锭模和冒口后合盖抽真空。

在钢水的准备与精炼上，与现有生产技术相比有以下特点：在钢水温度控制上较为宽松， 不必担心浇铸温度偏高或偏低给钢锭凝固组织造成的各种危害。不必为解决合金结构钢大锭 的化学成分偏析和严重的晶粒不均而采取控制Si、Mn均不大于0.02％；P、S均不大于0.002％ 的高纯度化方法，这对于生产含有作为合金元素Si和Mn的钢种及为改善切削性能含P、S较高的钢种有重要意义。不必为解决大型钢锭的偏析而采取多炉精炼不同化学成分的钢水进 行合浇的方法。本法能生产不适合浇铸大型模铸锭的品种，如固-液相线距离很宽的合金、 高碳高合金的莱氏体或马氏体钢、核能用的高硼钢种等。由于在搅拌室内进行搅拌冷却制取 半固态金属或合金流体(浆液)的过程中，有利于气体(氢、氮)的逸出，并减少和分散非金 属夹杂物，使用现有生产条件精炼的钢水，本法可以得到比现有模铸锭质量优越、品种更多 的大型钢锭，并为后部的压力加工及热处理创造良好的条件，提高成品性能。

在液态铝(或铝合金)的准备与精炼上，可同现有技术。但在温度控制上较为宽松，不 必担心浇铸温度偏高或偏低给铸锭凝固组织造成的各种危害(如粗大的树枝晶，严重的晶粒 不均，严重的宏观与微观偏析。较多的气孔等。)。使用现有生产条件精炼的液态铝(或铝合 金)，本法可以得到比现有模铸锭质量优越、品种更多的大型铸锭，并为后部的压力加工及 热处理创造良好的条件，提高成品性能。

在真空下半固态流变上铸的工艺操作要点：浇铸前，在真空室内装配妥锭模67和底盘 68及冒口64，可以是现有的，也可以使用低熔点液态金属或合金热传导剂37循环冷却的锭 模67和底盘68，并开动循环。冒口也可以选择感应加热或电弧、电渣加热的冒口。真空室 抽真空后充入保护气体，将烘烤好的带有搅拌室18及滑动水口27的中间包15置于真空浇 铸室的上方，滑动水口27对准真空室浇铸口的铝膜，滑动水口27的外侧与真空室之间用波 纹管71做好密封。将检查好的搅拌器从中间包15的外侧旋至中间包15的上方，对准搅拌 室18并开动低熔点液态金属或合金热传导剂37进行循环，关闭滑动水口27。由于中间包15 内液态金属或合金17受搅拌器的影响，产生一定的运动，不适合采用固体保护渣，对于钢 来说特别是不能用含碳的固体保护渣，需采用惰性气体保护或液体保护渣16保护，中间包 15使用气体保护的，备好充气罩及气源。中间包15使用液体保护渣16保护的，可根据条 件选择石墨坩锅的感应炉化渣、电弧或电渣炉化渣，或使用焦碳鼓风加氧气化渣等方法，准 备好液体保护渣16。使用气体保护的提前向中间包15通入保护气体。当大包通过滑动水口 14开始往中间包15放入液态金属或合金17时，向搅拌室18的感应圈20供电，在液态金 属或合金17到达中间包二分之一时，插入搅拌器，使搅拌器换热段13进入搅拌室18，同 时停止对感应圈20的供电，并开始旋转搅拌，采用液体保护渣16保护中间包15中液态金 属或合金17液面的，在插入搅拌器后，立即向中间包15内放入液体保护渣16进行保护。 当搅拌器扭矩(或直流马达的电流和功率)与全液态时相比出现明显变化时，打开搅拌室18 下部的滑动水口27，熔化开真空室上的密封铝膜进行上铸，在浇铸过程中，当搅拌器转速 不变即剪切率不变时，半固态浆液中的固相组分百分数与粘度的变化成正比，可根据搅拌器 扭矩的大小(或直流马达的电流和功率大小)调整滑动水口27的开口度，保持所需固相百 分数下的搅拌器扭矩(或直流马达的电流和功率)不变，对于固-液相线温度距离宽的合金， 还可根据搅拌室18中半固态流体温度在固-液相线间的位置和搅拌器的扭矩一起判断固相 组分百分数，并通过控制滑动水口27的开口度得到所需固相百分数范围的半固态浆料。倘 若滑动水口27的出口段79(即流变段)因流体粘度过高出现粘挂现象时，立即对出口段79 实施感应加热，并调整滑动水口27流量及换热段13对铸造金属或合金17的冷却强度，使 流变铸造顺利进行。在浇铸过程中大包不断向中间包15补充液态金属或合金17，在搅拌过 程中始终保持中间包15中的液态金属或合金17的液面不低于中间包15深度的二分之一， 直到半固态流体63铸满锭身，上升进到冒口64后，停止搅拌，提出搅拌器至中间包15外 的预备工位处，并将冒口64铸满，如容量合适，则可将中间包15内液态金属或合金17及 液体保护渣16全浇完，如有富裕，当冒口64铸满后，关闭滑动水口27，将中间包15移到 渣罐处，打开滑动水口27放净剩余液态金属或合金17及液体保护渣16。冒口64可采用绝 热冒口或感应加热、电渣加热、电弧加热的冒口。但注意不要使用发热冒口及常用的冒口发 热剂，以防止对铸锭的污染。当锭身全部凝固后，停止对冒口64的保温，根据该牌号正火 状态的金相组织和等温转变曲线，通过控制低熔点液态金属或合金热传导剂37对锭模67和 底盘68的冷却强度以及控制脱模时间和脱模后铸锭的冷却速度，达到控制铸锭组织、减少 应力、防止裂纹的目的。

在大气下进行半固态流变上铸的工艺操作要点：因为半固态的金属或合金流体63中含 有固相质点，也没有液态时的显热，在浇铸过程中如遇空气则易产生依附氧化膜的粘性壳， 铸锭容易出现冷隔和翻皮缺陷，所以要采用气体保护浇铸或气体保护的同时在锭模67内加 少量净化剂(如硼酐)的方法进行浇铸，也可采用在锭模67中加入低熔点的液体保护渣进行 上注。将烘烤好的带有搅拌室18及滑动水口27的中间包15置于锭模冒口64上方，中间包 15使用气体保护的，装好气体保护罩，准备好气源。中间包15和锭模67内采用液渣保护 的，化好液渣并保温待用。锭模与底盘可使用现有锭模与底盘，也可采用低熔点液态金属或 合金热传导剂37循环冷却的锭模67与底盘68，并开动循环预热锭模67与底盘68。模内采 用气体保护并加少量净化剂的，向底盘68撒入少量净化剂(如硼酐)。检查搅拌器的低熔点 液态金属或合金热传导剂37循环系统和搅拌器旋转及搅拌器升降是否正常，将搅拌器从中 间包15外侧旋至中间包15上方，对准搅拌室18，但不插入中间包15，关闭好滑动水口27。 中间包15和锭模67使用保护气体的，通入惰性气体，打开大包滑动水口14向中间包15注 入液态金属或合金17，同时向搅拌室18的感应圈20供电，当液态金属或合金17达到中间 包1/2时，插入搅拌器，使搅拌器换热段13进入搅拌室18，同时停止对感应圈20的供电， 并开始旋转搅拌，采用液渣保护中间包15液态金属或合金17液面的，在插入搅拌器后，立 即向中间包15放入液体保护渣16进行保护。当搅拌器的扭矩(或直流马达的电流与功率) 与全液态时相比出现明显变化时，打开搅拌室18下部的滑动水口27进行上注。锭模67中 使用液渣保护浇铸的，在开始向中间包15注入液态金属或合金17的同时，从锭模67下部 侧壁上的放渣孔向模中注入低熔点液态保护渣，然后堵好该孔，浇铸过程中，大包不断向中 间包15注入液态金属或合金17，保持不少于中间包深度的1/2，根据搅拌器的扭矩或直流 马达的电流和功率的变化(如固-液相线温度范围宽的，可同时参考搅拌室18内流体的温 度)调整搅拌室18下部滑动水口27的开口度，控制半固态流体63中固相组分百分数在所 需范围内进行流变上铸。在流变上铸过程中，倘若滑动水口27的出口段79(即流变段)因 流体粘度过高出现粘挂现象时，立即对出口段79实施感应加热，并调整滑动水口27的流量 及换热段13对铸造金属或合金17的冷却强度，使流变铸造顺利进行。当半固态流体63浇 满锭身开始进入冒口64后，停止搅拌并将搅拌器提出中间包15，当冒口64浇满后，关闭 滑动水口27，使用气体保护的停供保护气体。冒口64可采用绝热冒口、感应加热冒口、电 渣加热冒口、电弧加热冒口。但注意不要使用发热冒口及常用的冒口发热剂，以防止对钢锭 的污染。当锭身全部凝固后，停止对冒口64的保温，根据该牌号正火状态的金相组织和等 温转变曲线，通过控制低熔点液态金属或合金热传导剂37对锭模67和底盘68的冷却强度 以及控制脱模时间和脱模后铸锭的冷却速度，达到控制铸锭组织、减少应力、防止裂纹的目 的。

半固态流变上铸时控制铸锭质量的方法与手段：改变通过搅拌室18下部滑动水口27的 流量，在剪切率和冷却条件不变的情况下，能控制半固态流体的固相组分百分数。通过搅拌 器扭矩(或直流马达的电流与功率)的变化，可知在一定的剪切率下半固态中的固相百分数 的变化，调节滑动水口27的开度，使搅拌器扭矩(或直流马达的电流与功率)保持在预定 范围，即可得到所需的半固态流体63。对于非共晶合金，总有液相线与固相线存在，特别 是两者距离大的牌号，可从搅拌室18内或流出滑动水口27的半固态流体63的温度上判断 半固态中的固相组分百分数。通过测量单位时间浇入锭模67内半固态流体63的重量和单位 时间冷却搅拌器的低熔点液态金属或合金热传导剂37的流量与温度的变化，迅速计算得知 半固态流体63的固相百分数。改变搅拌室18的尺寸及搅拌器换热段13的尺寸与形状；调 整搅拌器的转速；均可改变剪切率、影响对流换热系数和换热强度、影响半固态流体63粘 度及固相质点大小与均匀程度。通过调整搅拌器的转速、调整通过搅拌室18下部的滑动水 口27的流量、调整进出搅拌器的低熔点液态金属或合金热传导剂37的流量和温度、调整出 口段79(流变段)的感应加热功率，可以控制半固态流体63出搅拌室18时的固相百分数、 粘度、冷却速率及固相质点的大小与形貌，再与调整进出锭模67和底盘68的低熔点液态金 属或合金37的流量和温度相配合，可以影响或控制铸锭的凝固组织。操作者可以根据仪表 综合判断后进行手动操作，也可以由计算机对仪表提供的数据按编好的程序进行处理，自动 执行有关操作。

图3是全液相向锭模内浇注黑色或有色的金属与合金后插入搅拌器使之经半固态过程凝 固成大型实心铸锭的示意图。所示的装置和方法是按现行的上注或下注法，向锭模中浇注液 态黑色或有色的金属与合金，在浇铸至冒口一定高度后，向锭模中插入用低熔点液态金属或 合金作热传导剂循环冷却的搅拌器，在气体或液渣的保护下，通过表面有耐材涂层的搅拌器 换热段，对末凝固的黑色或有色的金属与合金进行剪切搅拌和冷却，经过强制的对流热交换， 导出黑色或有色的金属与合金的液态显热及部分结晶潜热，析出的固相由于剪切搅拌作用， 不能生成树枝晶，而游离在液相中，随着不断的剪切搅拌和冷却，生成大量的近似球状的固 相质点，悬浮分散在流体中，除在开始浇铸时受金属模壁急冷，在锭表面形成细等轴晶的激 冷层外，均呈半固态的性质和特征，当其固相百分数或流体粘度达到预定要求后，停止搅拌， 提出搅拌器，对冒口进行保温或感应加热(也可电弧、电渣加热)，在锭身全凝固以后，停 止对冒口的保温，得到优质大型铸锭。这种在锭模内通过被铸造金属或合金的流体与低熔点 液态金属或合金热传导剂之间的强制对流热交换，把被铸造的液态金属或合金制成半固态浆 液后再凝固的方法，改变了已往铸造普通模铸锭只能依靠模壁和底盘散热所形成的凝固规 律。通过控制半固态流体的剪切率、冷却速率及固相组分百分数，达到控制半固态性质、影 响或控制铸锭的凝固过程。由于改变了凝固过程的传热、传质和结晶生长的条件，实现对结 晶潜热导出方式、导出数量、导出速度和析出固相的数量与分布，及固相颗粒大小的有效控 制，改变了一般模铸锭普遍存在的三带结晶的凝固组织，避免了现有大型钢锭存在的严重缺 陷。由于没有严重的偏析，可省略铸锭的高温扩散热处理工艺；因为没有垂直于模壁的粗大 柱状晶，铸锭的热塑性提高，能减少锻造时的裂纹；又由于心部致密，没有普通模铸锭的特 大晶粒，可减少镦拔次数与火次，为压力加工及热处理创造先天性良好的条件。由于使用了 低熔点液态金属或合金作热传导剂的循环系统，将缩短铸锭凝固时间、提高铸锭质量与回收 利用热能有机的结合起来。这种方法锭重可不受限制，例如可以铸造比600T更重的特大型 钢锭。

图3中，用低熔点液态金属或合金热传导剂37循环冷却的搅拌器由珠光体或奥氏体的 耐热钢制造的搅拌器主杆钢管11和搅拌器的换热段13组成。搅拌器主杆钢管11的外部套 有耐材袖砖12，在搅拌器主杆钢管11上装有搅拌器轴承组4及带动搅拌器旋转的齿轮5， 直流马达7通过变速箱6带动搅拌器旋转齿轮5使搅拌器旋转，搅拌器主杆钢管11内装有 低熔点液态金属或合金热传导剂37的进口管1，搅拌器主杆钢管11的顶端装有搅拌器机械 密封3及低熔点液态金属或合金热传导剂37的出口管2，搅拌器装在把持搅拌器的横臂8 上，由横臂8的运动机构86控制横臂8在立柱87上做升降、旋转与伸缩，使搅拌器换热段 13能顺利插入或拔出锭身并移出冒口64上部的空间以及能悬在锭身中的任何空间位置，如 锭模67内虚线所示搅拌器的位置90。模铸锭的铸型由底盘68、锭模67及保温冒口64组成。 从低熔点液态金属或合金热传导剂循环泵43送来的一部分低熔点液态金属或合金热传导剂 37从底盘68的低熔点液态金属或合金热传导剂进口69进入，对底盘68进行冷却后，从底 盘的低熔点液态金属或合金热传导剂出口70出来，进入锭模67的低熔点液态金属或合金热 传导剂进口66对锭模67进行冷却，从锭模67的低熔点液态金属或合金热传导剂出口65出 来，再和从搅拌器顶端低熔点液态金属或合金热传导剂出口管2出来的被加热的低熔点液态 金属或合金热传导剂37汇合后，去管壳式蒸汽发生器34，释放所携带的热能后，经低熔点 液态金属或合金热传导剂循环泵43、低熔点液态金属或合金热传导剂流量调节阀45、低熔 点液态金属或合金热传导剂37的循环管路上的活动关节30、31、管道上的三通62等再返 回去冷却搅拌器换热段13、底盘68及锭模67(低熔点液态金属或合金热传导剂循环泵43、 低熔点液态金属或合金热传导剂流量调节阀45、蒸汽发生器34、低熔点液态金属或合金热 传导剂循环管路上的活动关节30、31、管道上的三通62等见图2；图3中略去)。在向锭身 内插入搅拌器换热段13之前与现行的全液相浇注黑色或有色的金属与合金大型模铸锭的方 法与浇注工艺基本相同，可采用上注法或下注法，下注时液态的黑色或有色的金属与合金从 底盘68上的汤道尾砖孔进入锭模，汤道尾砖孔的中心线91表示采用两个汤道尾砖时的位置。 在采用上注时，为减少液态金属或合金的飞溅，底盘68正中应设有凹坑92，在铸锭脱模后， 此多余部分将被切除。锭模67可以是整体的，也可以由许多个用低熔点液态金属或合金热 传导剂37循环冷却的锭模块组合而成，还可使用一贯沿用的铸铁锭模及底盘。不论上注或 下注均不要使用现有的固体保护渣，特别是含碳的固体保护渣，防止因搅拌器的搅拌作用污 染铸锭。图3表示全液态浇注后向锭模67中插入搅拌器的情景，冒口64中的金属或合金89 上面是液态保护渣88。冒口64内的金属或合金89靠冒口64本身耐火材料及施加覆盖剂保 温(搅拌器移走后也可选择采用感应加热、电弧加热或电渣加热冒口)。本法也适用于真空浇 注的铸锭，在浇注后及时破空(如真空室空间大搅拌装置安装在真空室内，浇注后就插入搅 拌器，在真空或保护气氛下搅拌)打开罐盖迅速向锭模67内插入搅拌器进行搅拌，同时采 取放入液态保护渣88或保护气体防止铸锭的二次氧化。

图4是搅拌器换热段13的横截面示意图。换热段13的表面工作层是优质耐材涂层，为 提高其抗热震性能，在搅拌器换热段13的金属表面先喷涂金属底层，再喷涂过渡层，最外 层喷涂的是不与金属或合金流体浸润、耐侵蚀的优质耐材工作层。其喷涂方法、涂层结构、 涂层材料、涂层的维护方法均与实施例1的搅拌器换热段13相同。搅拌器换热段13可制作 成各种形状；它可以是旋转的，也可以是不旋转而采用扭摆、摆动、往复运动或振动的；搅 拌时搅拌器可以是垂直或倾斜状态；以适应在锭身内进行的半固态过程对剪切率、冷却速率、 固相百分数、固相颗粒大小及粘度的需要。在搅拌器换热段13以上不需要进行热交换的部 位即搅拌器主杆钢管11的外面装有耐材袖砖12，其材质与安装方法同实施例1。

低熔点液态金属或合金热传导剂37循环冷却的锭模67和底盘68及循环管路，用珠光 体或奥氏体耐热钢钢板和钢管焊接制作，并可制作成组合式的锭模和底盘，既进一步缩短凝 固时间、回收热能又可组合成不同的锭模、底盘，且寿命长，利用率高。

低熔点液态金属或合金热传导剂37的选择、使用方法、注意事项及防止对金属结构和 部件腐蚀的措施；均与实施例1相同。

使用低熔点液态保护渣浇注的化渣方法及配料均与施例1相同。

如配备感应加热的中频电源，可一机多用，在配备不同的感应器后，可用于熔化配制所 需的低熔点液态金属或合金热传导剂；对搅拌器换热段及低熔点液态金属或合金循环系统等 进行加热和保温；熔化液态保护渣；对打结的冒口耐材进行烧结；冒口内金属或合金的感应 加热；对搅拌器换热段补涂的耐材泥浆进行烘干和烧结；提供热态模拟试验条件(为进一步 改进提供方便)；在设备制造与安装过程中提供加热条件(如管道的煨弯等)。可按需要选购 中频电源、感应器及磁轭。当然也可选择其他的加热方法。

与现有模铸相比，增加的检测仪表：低熔点液态金属或合金热传导剂在搅拌器的进出口 温度及流量；低熔点液态金属或合金热传导剂在锭模的进出口温度及流量；低熔点液态金属 或合金热传导剂在锭模底盘的进出口温度及流量；低熔点液态金属或合金热传导剂在蒸气发 生器壳侧的进出口温度及流量；低熔点液态金属或合金热传导剂循环泵的转速与功率；搅拌 器的转速及扭矩(或其传动直流电机的转速、电流、功率)；低熔点液态金属或合金热传导剂 分配阀的分配比例：蒸气发生器壳侧的低熔点液态金属或合金热传导剂的液位指示；蒸气发 生器管侧的进水温度及流量；蒸气发生器管侧的蒸气出口温度、压力及流量等仪表。 增加的控制系统：   序   号   控制对象   控制回路   控制功能   1   搅拌器转速   直流电机传动   可按设定的转速进行控制和调整   2   搅拌器横臂的运   动机构   电机或液压传动   搅拌器横臂的伸缩、升降与旋转   3   低熔点液态金属   或合金热传导剂   的循环泵   直流电机传动或交流   变频   调整转速改变流量和压力   4   低熔点液态金属   或合金热传导剂   分配阀   阀门的电动或液压执   行机构   调整换热段与锭模、底盘之间的低   熔点液态金属或合金热传导剂流量   分配比例   5   蒸气发生器   阀门的电动执行机构   控制进水流量   控制蒸气出口温度、压力及流量   6   主控室   网络   半固态流体的剪切率、固相百分   数、冷却速率等，

浇铸前的准备：当搅拌器的旋转和横臂的伸缩、升降及旋转正常；低熔点液态金属或合 金热传导剂的循环系统及余热回收系统处于保温备用状态，将换热段涂层完好并已安装好袖 砖的搅拌器旋至锭模一侧的预备工位。使用低熔点液态金属或合金热传导剂循环冷却的锭模 和底盘的，要在浇铸前组装齐全并开动循环，为提高锭模和底盘的寿命以及钢锭表面质量， 可喷刷涂料。使用优质耐火砖砌筑或散状优质耐材打结后经烧结的冒口。如采用感应加热的 冒口(感应圈外有框架及磁轭)则接上水冷电缆，接通感应圈冷却水。如使用电弧加热或电 渣加热的，安装好电极，置于冒口旁预备位置，并检查好电极的控制设备。使用气体保护浇 铸的，安装保护罩并准备妥气源。使用液体保护渣保护浇铸的，进行熔化、保温、备用。真 空浇注的，在组装好锭模和冒口后合盖抽真空。

在钢水的准备与精炼上，与现有生产技术相比有以下特点：在钢水温度控制上较为宽松， 不必担心浇铸温度偏高或偏低给钢锭凝固组织造成的各种危害。不必为解决合金结构钢大锭 的化学成分偏析和严重的晶粒不均而采取控制Si、Mn均不大于0.02％；P、S均不大于0.002％ 的高纯度化方法，这对于生产含有作为合金元素Si和Mn的钢种及为改善切削性能含P、S较高的钢种有重要意义。不必为解决大型钢锭的偏析而采取多炉精炼不同化学成分的钢水合 浇。本法能生产不适合浇铸大型模铸锭的品种，如固-液相线距离很宽的合金、高碳高合金 的莱氏体钢、核能用的高硼钢种。由于在铸模内进行搅拌冷却制取半固态金属(或合金)浆 液的过程中，有利于气体(氢、氮)的逸出并减少和分散非金属夹杂物，使用现有生产条件精 炼的钢水，本法可以得到比现有模铸锭质量优越、品种更多的大型钢锭。

在液态铝(或铝合金)的准备与精炼上，可同现有技术。但在温度控制上较为宽松，不 必担心浇铸温度偏高或偏低给铸锭凝固组织造成的各种危害(如粗大的树枝晶，严重的晶粒 不均，严重的宏观与微观偏析。较多的气孔。)。使用现有生产条件精炼的液态铝(或铝合金)， 本法可以得到比现有模铸锭质量优越、品种更多的大型铸锭，并为后部的压力加工及热处理 创造良好的条件，提高成品性能。

浇注工艺要点：搅拌器要等换热段13完全插入锭模67内的液态金属或合金中后再开始 旋转，搅拌器即换热段13的转速视冒口64内流体运动的情况及剪切率的需要进行调整。在 旋转搅拌时，还可通过横臂8的运动机构86控制横臂8在立柱87上做升降、旋转与伸缩， 使搅拌器换热段13按所需轨迹在锭身内移动，加强剪切搅拌和对流换热的冷却作用，导出 铸造金属与合金的液态显热和部分结晶潜热，并使析出的固相难于形成树枝晶，成为众多分 散在液相中的固相质点，锭身除表层是激冷晶构成的凝固壳外，余为半固态流体。搅拌过程 中，要注意控制低熔点液态金属或合金热传导剂37在搅拌器、锭模67及底盘68的各出口 温度不大于500℃；各进口的最低温度要保持在低熔点液态金属或合金热传导剂37液相线 温度30℃以上。通过选择搅拌器换热段13的尺寸与形状；改变换热段13的转速和在锭身 中的运动轨迹，可改变对锭身中流体的剪切率。通过选择换热段13的耐材涂层材质与涂层 厚度；控制冷却搅拌器换热段13的低熔点液态金属或合金热传导剂37的进出口温度和流量； 控制冷却锭模67和底盘68的低熔点液态金属或合金热传导剂37的进出口温度和流量；达 到控制铸造金属或合金流体冷却速率的目的。通过测量锭身中半固态合金流体的温度，从其 所处固-液相线之间的位置得知此时的固相组分百分数；通过测量低熔点液态金属或合金热 传导剂37各进出口的温度和流量，计算导出的结晶潜热，得知固相组分百分数；通过搅拌 器的直流电机的电流(或功率)或搅拌器的扭矩出现明显变化并逐渐稳定增加，判断锭身内半 固态流体的固相组分百分数(约在30％至50％之间)；根据经验总结的搅拌器直流电机电流、 功率(或搅拌器扭矩)与固相组分百分数的关系曲线判断固相组分百分数；当搅拌冷却至预 定的固相组分百分数或流体粘度时，停止搅拌提出搅拌器换热段13，对冒口64实施保温， 并继续保持低熔点液态金属或合金热传导剂37对锭模67和底盘68的循环冷却。当锭身全 部凝固后，停止对冒口的保温，根据该牌号正火状态的金相组织和等温转变曲线，通过控制 低熔点液态金属或合金热传导剂37对锭模67和底盘68的冷却强度以及控制脱模时间和脱 模后铸锭的冷却速度，达到控制铸锭组织、减少应力、防止裂纹的目的。

图3与图2的方法不同，图2方法适合上注，图3方法上注和下注均可。图3的方法不 设带感应加热的搅拌室，是在锭模中实施搅拌与冷却来产生半固态过程，在剪切率、固相百 分数、冷却速率和固相质点大小与形状以及在铸锭凝固组织的控制上，不如图2方法。图2 方法在装备和工艺操作上比图3方法要复杂一些。

图5是在全液相浇注黑色或有色的金属与合金后，向锭模内插入用低熔点液态金属或合 金热传导剂循环冷却的做为空心锭芯子的搅拌器，对被铸造的液态金属或合金进行剪切搅拌 与冷却，使之经过半固态过程再凝固成大型空心铸锭的示意图。图5中，用低熔点液态金属 或合金热传导剂循环冷却的搅拌器，由用珠光体或奥氏体耐热钢制造的搅拌器主杆钢管11 和倒置的锥台形状的搅拌器换热段13组成。搅拌器主杆钢管11的外部套有耐材袖砖12， 搅拌器主杆钢管11装有轴承组4及带动搅拌器旋转的齿轮5，直流马达7通过变速箱6带 动齿轮5使搅拌器旋转，搅拌器主杆钢管11内装有低熔点液态金属或合金热传导剂进口管 1，搅拌器主杆钢管11的顶端装有搅拌器的机械密封3及低熔点液态金属或合金热传导剂出 口管2，搅拌器装在把持搅拌器的横臂8上，可由横臂8的运动机构86控制横臂8在立柱87 上做升降、旋转与伸缩，使搅拌器换热段13能顺利插入或拔出锭身，并移出冒口64上部的 空间；以及能悬在锭身中的任何空间位置，如图5中锭模67内用虚线所表示的一个搅拌器 的位置90。模铸锭的铸型由底盘68、锭模67及冒口64组成。从低熔点液态金属或合金热 传导剂循环泵送来的一部分低熔点液态金属或合金热传导剂从底盘68的低熔点液态金属或 合金热传导剂进口69进入，对底盘68进行冷却后，从底盘的低熔点液态金属或合金热传导 剂出口70出来，再经锭模67的低熔点液态金属或合金热传导剂进口66对锭模67进行冷却， 从锭模67的低熔点液态金属或合金热传导剂出口65出来的低熔点液态金属或合金热传导剂 与从搅拌器顶端低熔点液态金属或合金热传导剂出口管2出来的低熔点液态金属或合金热传 导剂汇合后流入管壳式蒸汽发生器，释放所携带的热能后再返回去冷却搅拌器换热段13、 底盘68及锭模67(此处的低熔点液态金属或合金热传导剂循环泵43、低熔点液态金属或合 金热传导剂流量调节阀45、蒸汽发生器34、低熔点液态金属或合金热传导剂循环管路上的 活动关节30、31、管道上的三通62等均与图2相同，略)。在向锭身中插入搅拌器之前， 与现行的全液相浇注黑色或有色的金属与合金大型实心模铸锭的方法相同，可采用上注或下 注，下注时液态的黑色或有色的金属与合金从底盘上的汤道尾砖孔进入铸型，汤道尾砖孔的 中心线91表示采用两个汤道尾砖时的位置。在采用上注时，为减少液态金属或合金的飞溅， 底盘68的正中设有凹坑92，在铸锭凝固后，此多余部分将被切除。锭模67可以是整体的， 也可以由许多个用低熔点液态金属或合金热传导剂循环冷却的锭模组合而成，还可以使用浇 注实心锭时一贯沿用的铸铁锭模及底盘。不论上注或下注均不要使用现有的固体保护渣，特 别是含碳的固体保护渣，防止因搅拌器的搅拌作用污染铸锭。图5的实线部分表示全液态浇 注后向锭模中插入搅拌器的情景，冒口64中的金属或合金流体89上面是液态保护渣88， 通过浸没在金属或合金流体89中的搅拌器换热段13对锭模中的金属或合金流体89不断进 行剪切搅拌和冷却，换热段13的外形就是空心锭的型芯形状，可设计成有把柄的圆的或多 棱的倒置的锥台形状(把柄即装有耐材袖砖12的搅拌器主杆钢管11)，以便铸锭整体凝固 后将其拔出，在搅拌时注意换热段13的底部与底盘68表面的距离不小于50mm、上部不露 在金属或合金流体89的表面，换热段13除在锭模轴心处旋转搅拌外，还可通过横臂8的运 动机构86控制横臂8使换热段13离开锭模轴心处，按所需运动轨迹进行旋转搅拌，提高搅 拌与冷却的效果。当铸型中金属或合金流体89的固相组分逐渐增加，形成的半固态浆料的 粘度随着加大，在直流马达7的电流(或功率)与近似全液相时相比出现明显的变化，即搅拌 器的扭矩有明显增加时，停止搅拌器的旋转，把搅拌器换热段13悬停在铸锭轴心线上的指 定位置(即将锥台横截面的最大部位露在金属或合金流体89之上，如图6所示)并固定， 冒口64内的金属或合金流体89靠冒口64本身耐火材料及施加的覆盖剂保温直到锭身全部 凝固。图6是按图5方法制造的大型空心铸锭脱模前的示意图。在铸锭全部凝固后拔出搅 拌器换热段13，脱模后用火焰等切割方法将铸锭底部的盲孔改成通孔(或在锻造时进行处 置)。本法也适用于真空浇注的铸锭，在浇注后及时破空打开罐盖，迅速向锭模内插入搅拌 器换热段13进行搅拌，同时放入液态保护渣88或使用保护气体防止铸锭的二次氧化。如真 空室空间大，搅拌装置安装在真空室内，浇注后插入搅拌器，在真空或保护气氛下进行搅拌。

图5中，搅拌器换热段13的表面工作层是优质耐材涂层，为提高其抗热震性能，在搅 拌器换热段13的金属表面先喷涂金属底层，再喷涂过渡层，最外层喷涂的是不与金属或合 金流体浸润、耐侵蚀的优质耐材工作层。其喷涂方法、涂层结构、涂层材料、涂层的维护方 法均与实施例1的搅拌器换热段13相同。在搅拌器换热段13以上，不需要进行热交换的部 位，即搅拌器主杆钢管11的外面装有耐材袖砖12，其材质与安装方法同实施例1。

低熔点液态金属或合金热传导剂循环冷却的锭模67和底盘68以及循环管路，用珠光体 或奥氏体耐热钢钢板和钢管焊接制作，并可制作成组合式的锭模和底盘，既进一步缩短凝固 时间、回收热能又可组合成不同的锭模、底盘，且寿命长，利用率高。

低熔点液态金属或合金热传导剂的选择、使用方法、注意事项及防止对金属结构和部件 腐蚀的措施；均与实施例1相同。

使用低熔点液态保护渣浇注的化渣方法及配料均与施例1相同。

如配备感应加热的中频电源，可一机多用，在配备不同的感应器后，可用于熔化配制所 需的低熔点液态金属或合金热传导剂；对搅拌器换热段及低熔点液态金属或合金循环系统等 进行加热和保温；熔化液态保护渣；对打结的冒口耐材进行烧结；对搅拌器换热段补涂的耐 材泥浆进行烘干和烧结；提供热态模拟试验条件(为进一步改进提供方便)；在设备制造与 安装过程中提供加热条件(如管道的煨弯等)。可按需要选购中频电源、感应器及磁轭。当 然也可选择其他的加热方法。

与现有模铸相比，增加的检测仪表：低熔点液态金属或合金热传导剂在搅拌器的进出口 温度及流量；低熔点液态金属或合金热传导剂在锭模的进出口温度及流量；低熔点液态金属 或合金热传导剂在底盘的进出口温度及流量；低熔点液态金属或合金热传导剂在蒸气发生器 壳侧的进出口温度及流量；低熔点液态金属或合金热传导剂循环泵的转速与功率；搅拌器的 转速及扭矩(或其传动直流电机的转速、电流、电压、功率)；低熔点液态金属或合金热传导 剂分配阀的分配比例；蒸气发生器壳侧的低熔点液态金属或合金热传导剂的液位指示；蒸气 发生器管侧的进水温度及流量；蒸气发生器管侧的蒸气出口温度、压力及流量等仪表。

增加的控制系统：   序   号   控制对象   控制回路   控制功能   1   搅拌器转速   直流电机传动   可按设定的转速进行控制和调整   2   搅拌器横臂的运   动机构   电机或液压传动   搅拌器横臂的伸缩、升降与旋转   3   低熔点液态金属   或合金热传导剂   的循环泵   直流电机传动或交流   变频   调整转速改变流量和压力   4   低熔点液态金属   或合金热传导剂   分配阀   阀门的电动或液压执   行机构   调整换热段与锭模、底盘之间的低   熔点液态金属或合金热传导剂流量   分配比例   5   蒸气发生器   阀门的电动执行机构   控制进水流量   控制蒸气出口温度、压力及流量   6   主控室   网络   半固态流体的剪切率、固相百分   数、冷却速率等，

浇铸前的准备：当搅拌器的旋转和横臂的伸缩、升降及旋转正常；低熔点液态金属或合 金热传导剂的循环系统及余热回收系统处于保温备用状态，将换热段涂层完好并已安装好袖 砖的搅拌器旋至锭模一侧的预备工位。使用低熔点液态金属或合金热传导剂循环冷却的锭模 和底盘的，要在浇铸前组装齐全并开动循环，为提高锭模和底盘的寿命以及钢锭表面质量， 可喷刷涂料。使用优质耐火砖砌筑或散状优质耐材打结后经烧结的冒口。使用气体保护浇铸 的，安装保护罩并准备妥气源。使用液态保护渣保护浇铸的，进行熔化、保温、备用。真空 浇注的，在组装好锭模和冒口后合盖抽真空。

在钢水的准备与精炼上，与现有生产技术相比有以下特点：在钢水温度控制上较为宽松， 不必担心浇铸温度偏高给钢锭凝固组织造成的各种危害；不必为解决合金结构钢大锭的化学 成分偏析和严重的晶粒不均而采取控制Si、Mn均不大于0.02％；P、S均不大于0.002％的 高纯度化方法，这对于生产含有作为合金元素的Si、Mn的钢种及为改善切削性能含P、S较 高的钢种有重要意义；不必为解决大型钢锭的偏析而采取多炉精炼不同化学成分的钢水进行 合浇的方法；能生产不适合浇铸大型模铸空心锭的品种，如固-液相线距离很宽的合金、高 碳高合金的马氏体钢、核能用的高硼钢种；在制取半固态金属或合金浆液的过程中，有利于 钢中气体(氢、氮)的放出及非金属夹杂物的减少与分散，减少锻件的白点缺陷、降低总含氧 量与夹杂物的级别；使用现有生产条件精炼的钢水，本法可以得到比现有模铸空心锭质量优 越、品种更多的大型空心钢锭。

在液态铝(或铝合金)的准备与精炼上，可同现有技术。但在温度控制上较为宽松，不 必担心浇铸温度偏高或偏低给铸锭凝固组织造成的各种危害(如粗大的树枝晶，严重的晶粒 不均，严重的宏观与微观偏析。较多的气孔。)。使用现有生产条件精炼的液态铝(或铝合金)， 本法可以得到比现有模铸锭质量优越、品种更多的大型空心铸锭，并为后部的压力加工及热 处理创造良好的条件，提高成品性能。

浇注工艺要点：搅拌器要等换热段13完全插入锭模67内的液态金属或合金中后再开始 旋转，搅拌器即换热段13的转速视冒口64内流体运动的情况及剪切率的需要进行调整。在 旋转搅拌时，换热段13除在锭模67的轴心处旋转搅拌外，还可通过横臂8的运动机构86 控制横臂8在立柱87上做升降、旋转与伸缩，使搅拌器换热段13按所需轨迹在锭身内移动， 加强剪切搅拌和对流换热的冷却作用，导出金属与合金的液态显热和部分结晶潜热，并使析 出的固相难于形成树枝晶，成为众多分散在液相中的固相质点，锭身除表层是激冷晶构成的 凝固壳外，余为半固态流体。在搅拌时注意换热段13的底部与底盘表面的距离不小于50mm、 上部不露在金属或合金流体89的表面，搅拌过程中，要注意控制低熔点液态金属或合金热 传导剂在搅拌器、锭模67及底盘68的各出口温度不大于500℃；各进口的最低温度要保持 在低熔点液态金属或合金热传导剂液相线温度30℃以上。通过选择搅拌器换热段13的尺寸 与形状；改变换热段13的转速和在锭身中的运动轨迹，可改变对锭身中流体的剪切率。通 过选择换热段13的耐材涂层材质与涂层厚度；控制冷却搅拌器换热段13的低熔点液态金属 或合金热传导剂的进出口温度和流量；控制冷却锭模67和底盘68的低熔点液态金属或合金 热传导剂的进出口温度和流量；达到控制金属或合金流体89冷却速率的目的。通过测量半 固态合金流体的温度，从其所处固-液相线之间的位置得知此时的固相组分百分数；通过测 量低熔点液态金属或合金热传导剂各进出口的温度和流量，计算导出的结晶潜热，得知固相 组分百分数；通过搅拌器的直流电机的电流(或功率)或搅拌器的扭矩出现明显变化并逐渐稳 定增加，判断半固态流体的固相组分百分数(约在30％至50％之间)；根据经验总结的搅拌器 直流电机电流(或搅拌器扭矩)与固相组分百分数的关系曲线，判断固相组分百分数；当搅 拌冷却至预定的固相组分百分数或流体粘度时，停止搅拌器的旋转，把搅拌器换热段13悬 停在铸锭轴心线上的指定位置(即将锥台横截面的最大部位露出在金属或合金流体89之上， 如图6所示)固定，并继续保持低熔点液态金属或合金热传导剂对锭模67和底盘68的循环 冷却。冒口64内的金属或合金89靠冒口本身的耐火材料及施加的覆盖剂保温直到锭身全部 凝固。根据该牌号正火状态的金相组织和等温转变曲线，通过控制低熔点液态金属或合金热 传导剂对换热段13、锭模67和底盘68的冷却强度与控制脱模时间及脱模后铸锭的冷却速 度，达到控制铸锭组织、减少应力、防止裂纹的目的。

实施例[3]  在铸造大型黑色或有色的金属与合金铸件上的应用

图7是半固态流变铸造黑色或有色的金属与合金大型铸件的示意图，以铸造毛重140T的 模锻锤砧座铸钢件为例，对该方法与装置进行说明。图7与图2(半固态流变铸造黑色或有 色的金属与合金大型铸锭的示意图)在制造半固态浆液进行浇注的方法和装置完全相同；中 间包、中间包中金属或合金液面的保护方法、搅拌室、搅拌室的感应加热、滑动水口、流变 段(或水口的出口段)、流变段的感应加热、搅拌器横臂的升降与旋转系统、搅拌器的旋转 传动机构、搅拌器的构造、由搅拌器换热段与蒸汽发生器和低熔点液态金属或合金热传导剂 的循环泵及相应的管路阀门与活动关节组成的低熔点液态金属或合金热传导剂的循环系统、 仪表与控制系统等完全相同，这些装置在图7与图2上的附图标记相同。图7与图2的区别 在于，图2是半固态流变铸造大型模铸锭；图7是半固态流变铸造大型铸件；图2使用了低 熔点液态金属或合金热传导剂冷却的锭模与底盘；图7使用了低熔点液态金属或合金热传导 剂冷却的外冷铁(或铸型)。

图7中，液态被铸造的金属或合金17通过大包的浸入式水口14注入带有搅拌室18及 滑动水口27的中间包15中，中间包15内用液态保护渣16防止液态被铸造的金属或合金17 的二次氧化(或采用气体保护措施)。搅拌室18里插有用低熔点液态金属或合金热传导剂37 冷却的搅拌器换热段13，搅拌器由搅拌器主杆钢管11和搅拌器的换热段13组成，搅拌器 主杆钢管11的外部套有耐材袖砖12，在搅拌器主杆钢管11上装有轴承组4及带动搅拌器 旋转的齿轮5，直流马达7通过变速箱6带动齿轮5使搅拌器旋转，搅拌器主杆钢管11内 装有低熔点液态金属或合金热传导剂进口管1，搅拌器主杆钢管11的顶端装有搅拌器机械 密封3及低熔点液态金属或合金热传导剂出口管2，搅拌器装在把持搅拌器的横臂8上，由 可使立柱9升降旋转的液压缸10通过横臂8将搅拌器插入搅拌室18或提出中间包15，并 置于预备工位。搅拌室18的外面装有用于搅拌室感应加热的水冷铜管线圈20及磁轭19， 滑动水口27的出口段79(即相当流变段)的外面装有用于出口段79(即相当流变段)感应 加热的水冷铜管线圈22及磁轭21。从蒸气发生器34壳侧的低熔点液态金属或合金热传导 剂出口46出来的低熔点液态金属或合金热传导剂37，经低熔点液态金属或合金热传导剂循 环泵43的进口47进入低熔点液态金属或合金热传导剂的循环泵43(该泵43由马达40、泵 轴38、轴承组41、机械密封42、叶轮44、泵进口47、泵出口48构成)，在叶轮44的作用 下，从泵出口48出来的低熔点液态金属或合金热传导剂37，一部分经低熔点液态金属或合 金热传导剂37的循环管路上的活动关节30从低熔点液态金属或合金热传导剂进口管1到达 搅拌器的换热段13；一部分经低熔点液态金属或合金热传导剂流量调节阀45送到铸型外冷 铁76的低熔点液态金属或合金热传导剂进口77，对外冷铁76进行冷却，然后再经外冷铁76 的低熔点液态金属或合金热传导剂出口78顺管道至三通62，与冷却搅拌器换热段13后经 搅拌器机械密封3和低熔点液态金属或合金热传导剂出口管2及低熔点液态金属或合金热传 导剂循环管路上的活动关节31出来的那部分低熔点液态金属或合金热传导剂37汇合，再从 蒸气发生器34的低熔点液态金属或合金热传导剂入口39回到蒸气发生器的壳侧，将携带的 热能与管侧中的水和蒸汽进行对流热交换，从软化水进口36进入管侧的水经预热段C、蒸 发段B和过热段A将热能转化为蒸气，由蒸气出口管道35放出，再加以利用。为防止低熔 点液态金属或合金热传导剂37的氧化，在蒸汽发生器34设有保护气体进口33。装有搅拌 室18和滑动水口27的中间包15置于铸型81上部采用感应加热的冒口72的上方，液态的 铸造金属或合金17在搅拌室18中受到搅拌器换热段13的剪切搅拌与冷却，通过换热段13 的器壁和低熔点液态金属或合金热传导剂37进行强制的对流热交换，释放出液态显热及部 分结晶器热，析出的结晶被分散在剩余的液相中，当搅拌器扭矩(或直流马达7的电流和功 率)与全液态时相比出现明显变化时，打开搅拌室18下部的滑动水口27，将形成的适合浇 注铸件的半固态金属或合金流体75浇入铸型81，为减少金属或合金飞溅产生的铸件缺陷， 在铸型81下部注流冲击的部位设有底部为半球型的凹坑80。在铸型上使用了11块用低熔 点液态金属或合金热传导剂37循环冷却的外冷铁76，它们之间采用并联的方式分别与从低 熔点液态金属或合金热传导剂流量调节阀45来的管道及流向三通62的管道相连接，以便进 一步控制铸件的冷却和回收更多的热能。采用感应加热的冒口72(充分利用给搅拌室与流 变段配备的感应加热电源)。能减少冒口72内的金属或合金重量，可通过冒口感应线圈的铜 管74与磁轭73对冒口72内的金属或合金进行加热。当冒口72内浇注的金属或合金流体75 够高后，关闭大包滑动水口14移走大包，停止搅拌，立即将搅拌器换热段13提出中间包15， 并旋至预备工位保温，然后关闭滑动水口27，将中间包15移至铸余锭模处放净包中剩余金 属或合金17及液体保护渣16后备用(或将其回炉)，对冒口72内的未完全凝固的金属或合 金实施加热保温(也可采用现有的绝热冒口)，在铸件本体全部凝固后再停止对冒口72的保 温，并根据该牌号正火状态的金相组织和等温转变曲线，通过控制低熔点液态金属或合金热 传导剂37对外冷铁76的冷却强度控制铸件的冷却速度，达到控制铸件组织、减少应力、防 止裂纹的目的，得到经半固态过程后再完全凝固的铸件。图8是沿图7中A-A线的剖视图。

中间包15由于受液态金属或合金17的冲刷要比普通浇注用的中间包严重，需使用优质 耐材砌筑。如铸钢时工作衬用二等高铝砖砌筑。

搅拌室18要承受金属或合金17的激烈冲刷，铸钢时最好采用电熔氧化镁或电熔镁铝尖 晶石质的经等静压成型后烧结的管形或有底孔的坩埚形状耐火砖做搅拌室。搅拌室18与感 应圈20之间用散状耐材捣实。

滑动水口27在现有耐材中选择，出口段79即相当于流变段。

搅拌室18和滑动水口27的出口段79(即相当于流变段)感应加热的中频电源选择同 实施例1。该中频电源，可一机多用，在配备不同的感应器后，可用于熔化配制所需的低熔 点液态金属或合金热传导剂；对搅拌器换热段及低熔点液态金属或合金循环系统等进行加热 和保温；熔化液态保护渣；对打结的冒口耐材进行烧结；冒口内金属或合金的感应加热；对 搅拌器换热段补涂的耐材泥浆进行烘干和烧结；提供热态模拟试验条件(为进一步改进提供 方便)；在设备制造与安装过程中提供加热条件(如管道的煨弯等)。可按需要选购中频电源、 感应器及磁轭。

采用图4所示的搅拌器换热段13的横截面。换热段13的表面工作层是优质耐材涂层，为 提高其抗热震性能，在搅拌器换热段的金属表面先喷涂金属底层，再喷涂过渡层，最外层喷 涂的是不与金属或合金流体浸润、耐侵蚀的优质耐材工作层。其喷涂方法、涂层结构、涂层 材料、涂层的维护方法均与实施例1的搅拌器换热段13相同。在搅拌器换热段13以上不需 要进行热交换的部位即搅拌器主杆钢管11的外面装有耐材袖砖12，其材质与安装方法同实 施例1。

低熔点液态金属或合金热传导剂循环冷却的外冷铁76及循环管路，用珠光体或奥氏体 耐热钢钢板和钢管焊接制作，用它代替普通实心的外冷铁，虽有不便，但有利于铸型的干燥 与保温，并能进一步缩短铸件凝固时间、回收更多的热能。

低熔点液态金属或合金热传导剂37的选择、使用方法、注意事项及防止对金属结构和 部件腐蚀的措施；均与实施例1相同。

中间包15使用的低熔点液体保护渣16的化渣方法及配料均与施例1相同(也可采用气 体保护)。

使用的仪表：   序   号     检测内容 检测仪表   1     中间包内液态铸造金属或合金的     温度 热电偶及数字仪表   2   中间包内液态保护渣温度及液面高度     红外或光电数字仪表   3   搅拌器旋转的工作状态     传动搅拌器的直流马达的电压、电流、     功率、转速，搅拌器本身的转速及扭矩     等数字仪表   4   搅拌室中部和出口处金属或合金流体   的温度     热电偶及数字仪表   5   流变段中部(即滑动水口出口段)金   属或合金流体的温度     热电偶及数字仪表   6   低熔点液态金属或合金热传导剂在循   环系统中各点的温度和流量：   a.搅拌器进出口温度和流量   b.外冷铁进出口温度和流量   c.蒸发器进出口温度和流量     热电偶和温度数字仪表及数字流量计   7   低熔点液态金属或合金热传导剂循环   泵工作状态   泵马达的电压、电流、功率、转速的数   字仪表及泵的数字流量计   8   低熔点液态金属或合金热传导剂在蒸   发器中的液位   液位高度指示数字仪表   9   蒸气发生器蒸气出口处蒸气的温度和   压力   蒸气温度和压力数字仪表   10   蒸气发生器软化水进口的温度、压   力、流量   测量软化水的温度、压力、流量的数字   仪表   11   搅拌室感应加热工作状况   中频电压、电流、频率、功率因数及加   热功率的数字仪表   12   流变段感应加热工作状况   同上

配备的控制系统： 序号 控制对象 控制回路 控制功能 1 搅拌器转速 直流电机传动 按设定的转速进行调整 2 搅拌器横臂的运动 液压传动 控制使立柱升降与旋转的液压缸将 搅拌器置于工作位置或预备位置 3 搅拌室下部的滑动水 口 电动或液压执行机构 水口开关及流量的控制 4 搅拌室与流变段的感 立加热 感应加热电源的功率 调节回路 调节搅拌室与流变段的感应加热功 率 5 低熔点液态金属或合 金热传导剂的循环泵 直流或交流变频电机 传动 调整转速改变流量和压力 6 低熔点液态金属或合 金热传导剂分配阀 电机或液压传动 调整搅拌器和外冷铁之间的低熔点 液态金属或合金热传导剂的流量分 配比例 7 蒸气发生器 阀门的电动执行机构 控制进水流量 控制蒸气出口温度、压力及流量 8 主控室 网络 半固态流体的剪切率、固相百分数、 冷却速率

浇铸前的准备：当搅拌器的旋转和横臂的升降、旋转正常；低熔点液态金属或合金热传 导剂的循环系统及余热回收系统处于保温备用状态，将换热段涂层完好并已安装好袖砖的搅 拌器旋至中间包一侧的预备工位。中间包搅拌室下部的滑动水口对准铸型的浇注位置。使用 低熔点液态金属或合金热传导剂循环冷却的外冷铁的，要在浇铸前组装齐全并开动循环(也 可使用现有的外冷铁)。使用优质耐火砖砌筑或散状优质耐材打结的冒口。采用感应加热冒 口的则接上水冷电缆，接通感应圈冷却水。如使用电弧加热或电渣加热冒口的，安装好电极， 置于冒口旁预备位置，并检查好电极的控制设备。铸型和中间包使用气体保护的，安装保护 罩并准备妥气源。中间包使用液体保护渣保护浇铸的，进行熔化、保温、备用。

在钢水的准备与精炼上，与现有生产技术相比有以下特点：在钢水温度控制上较为宽松， 不必担心浇铸温度偏高给铸件凝固组织造成的各种危害。不必为解决大型结构钢铸件的化学 成分偏析和严重的晶粒不均而采取低Si、Mn；低P、S的高纯度化方法，这对生产含Si和 Mn的钢种及为改善切削性能含P、S较高的钢种有重要意义。不必为解决大型铸件的偏析而 采取多炉精炼不同化学成分的钢水合浇。本法能生产一些不适合浇铸大型铸件的品种，如固 -液相线距离很宽的合金、高碳高合金的马氏体钢、核能用的高硼钢种。由于在搅拌室内进 行搅拌冷却制取半固态金属或合金流体(浆液)的过程中，有利于气体(氢、氮)的逸出，并 减少和分散非金属夹杂物，使用现有生产条件精炼的钢水，本法可以得到比现有质量优越、品 种更多的大型铸钢件，并为铸件的切削加工和热处理创造良好的条件，提高成品的性能。此 外，使用现有生产条件熔炼的各种铸铁水，本法能铸造出大型优质的铸铁件，特别是因为极 大的缩短了大型铸铁件的凝固时间；以及由于本法的搅拌作用，减少了球化与孕育的衰退现 象。

在液态铝(或铝合金)的准备与精炼上，可同现有技术。但在温度控制上较为宽松，不 必担心浇铸温度偏高或偏低给铸件凝固组织造成的各种危害(如粗大的树枝晶，严重的晶粒 不均，严重的宏观与微观偏析。较多的气孔等。)。使用现有生产条件精炼的液态铝(或铝合 金)，本法可以得到比现有质量优越、品种更多的大型铸件，并为后部的切削加工及热处理 创造良好的条件，提高成品性能。

在大气下进行半固态流变顶注的工艺操作要点：因为半固态的金属或合金流体75中含 有固相质点，也没有液态时的显热，在浇铸过程中如遇空气则易产生依附氧化膜的粘性壳， 铸件容易出现冷隔和翻皮缺陷，所以要采用气体保护浇铸或气体保护的同时在铸型81内加 少量净化剂(如硼酐)的方法进行浇铸。如是金属的铸型还可采用在铸型中加入低熔点的液体 保护渣进行上注。将烘烤好的带有搅拌室18及滑动水口27的中间包15置于铸型冒口72的 上方，中间包15使用气体保护的，装好气体保护罩，准备好气源。中间包15和铸型(金属 型)内采用液渣保护的，化好液渣并保温待用。外冷铁可使用现有的外冷铁，如采用低熔点 液态金属或合金热传导剂37循环冷却的外冷铁76，则开动循环。铸型81内采用气体保护 并加少量净化剂的，向铸型底部撒入少量净化剂(如硼酐)。检查搅拌器低熔点液态金属或 合金热传导剂37的循环系统和搅拌器旋转及搅拌器升降是否正常，将搅拌器从中间包15外 侧旋至中间包15上方，对准搅拌室18，但不插入中间包15，关闭好滑动水口27。中间包15 和铸型81使用保护气体的，通入惰性气体，打开大包滑动水口14向中间包15注入液态金 属或合金17，同时向搅拌室18的感应圈20供电，当液态金属或合金17达到中间包1/2时， 插入搅拌器，使搅拌器换热段13进入搅拌室18，同时停止对感应圈20的供电，并开始旋 转搅拌，采用液态保护渣16保护中间包15内液态金属或合金17液面的，在插入搅拌器后， 立即向中间包15放入液体保护渣16进行保护。当搅拌器的扭矩(或直流马达7的电流和功 率)与全液态时相比出现明显变化时，打开搅拌室18下部的滑动水口27进行顶注。金属型 中使用液渣保护浇铸的，在开始向中间包15注入液态金属或合金17的同时，金属模中注入 低熔点液态保护渣。浇注过程中，大包不断向中间包15注入液态金属或合金17，保持不少 于中间包15深度的1/2，根据搅拌器的扭矩(或直流马达7的电流和功率)的变化(如固 -液相线温度范围宽的，可同时参考搅拌室18内流体的温度)调整搅拌室18下部滑动水口 27的开口度，控制半固态中固相组分百分数在所需范围内进行半固态流变顶注。在流变铸 造过程中，倘若滑动水口27的出口段79(即流变段)因流体粘度过高出现粘挂现象时，立 即对出口段79(即流变段)实施感应加热，并调整通过滑动水口27的流量及换热段13对 铸造金属或合金17的冷却强度，使流变铸造顺利进行。当半固态流体75浇满铸型81本体， 开始进入冒口72后，停止搅拌，并将搅拌器换热段13提出中间包15。当冒口72浇满后， 关闭滑动水口27，使用气体保护的停供保护气体。向感应圈74供电，对冒口72内的金属 或合金加热保温，也可采用绝热冒口、电渣加热冒口、电弧加热冒口。但注意不要使用发热 冒口及常用的冒口发热剂，以防止对铸件的污染。当铸件本体凝固后，停止对冒口72的保 温，并根据该牌号正火状态的金相组织和等温转变曲线，通过控制低熔点液态金属或合金热 传导剂37对外冷铁76的冷却强度来控制铸件的冷却速度，达到控制铸件组织、减少应力、 防止裂纹的目的。

向真空室内的铸型进行半固态流变顶注的工艺操作要点：浇铸前，在真空室内装配妥铸 型及冒口，使用低熔点液态金属或合金热传导剂循环冷却的外冷铁的，开动循环。真空室抽 真空后充入保护气体，将烘烤好的带有搅拌室及滑动水口的中间包置于真空浇铸室的上方， 水口对准真空室浇铸口的铝膜，水口外侧与真空室之间用波纹管做好密封。将检查好的搅拌 器从中间包外侧旋至中间包的上方，对准搅拌室并开动低熔点液态金属或合金热传导剂循环， 关闭滑动水口。由于中间包内液态金属或合金受搅拌器的影响，产生一定的运动，不适合采 用固体保护渣，对于钢来说特别是不能用含碳的固体保护渣，需采用惰性气体保护或液体渣 保护，中间包使用气体保护的，备好充气罩及气源。中间包使用液体渣保护的，可根据条件 选择石墨坩锅的感应炉化渣、电弧或电渣炉化渣，或使用焦碳鼓风加氧气化渣等方法，准备 好液体保护渣。使用气体保护的提前向中间包通入保护气体。当大包开始往中间包放入液态 金属或合金时，向搅拌室感应圈供电，在液态金属或合金到达中间包二分之一时，插入搅拌 器，使搅拌器换热段进入搅拌室，同时停止对搅拌室感应圈的供电，并开始旋转搅拌，采用 液渣保护中间包液态金属或合金液面的，在插入搅拌器后，立即向中间包放入液体保护渣进 行保护。当搅拌器扭矩(或直流马达的电流和功率)与全液态时相比出现明显变化时，打开 搅拌室下部的滑动水口，熔化开真空室上的密封铝膜进行顶注，在浇铸过程中，当搅拌器转 速不变即剪切率不变时，半固态浆液中的固相组分百分数与粘度的变化成正比，可根据搅拌 器扭矩的大小(或直流马达的电流和功率变化)调整滑动水口的开口度，保持所需固相百分 数下的搅拌器扭矩(或直流马达的电流和功率)不变，对于固-液相线温度距离宽的合金， 还可根据搅拌室中半固态流体温度在固-液相线间的位置和搅拌器的扭矩(或直流马达的电 流和功率)一起判断固相组分百分数，并通过控制滑动水口的开口度得到所需固相百分数范 围的半固态浆料。倘若滑动水口的出口段(即流变段)因流体粘度过高出现粘挂现象时，立 即对流变段实施感应加热，并调整滑动水口流量及换热段对铸造金属或合金的冷却强度，使 流变铸造顺利进行。在浇铸过程中大包不断向中间包补充液态金属或合金，在搅拌过程中始 终保持中间包中的液态金属或合金液面不低于中间包深度的二分之一，直到半固态流体铸满 铸型本体，上升进到冒口后，停止搅拌，提出搅拌器至中间包外的预备工位处，并将冒口铸 满，如容量合适，则可将中间包内液态金属或合金及渣全浇完，如有富裕，当冒口铸满后， 关闭滑动水口，将中间包移到渣罐处，打开滑动水口放净剩余液态金属或合金及渣。冒口可 采用绝热冒口或感应加热、电渣加热、电弧加热的冒口。但注意不要使用发热冒口及常用的 冒口发热剂，以防止对铸件的污染。当铸件本体凝固后，停止冒口的加热，并根据该牌号正 火状态的金相组织和等温转变曲线，通过控制低熔点液态金属或合金热传导剂对外冷铁的冷 却强度来控制铸件的冷却速度，达到控制铸件组织、减少应力、防止裂纹的目的。

半固态流变顶铸时控制铸件质量的方法与手段：改变通过搅拌室18下部滑动水口27的 流量，在剪切率和冷却条件不变的情况下，能控制半固态流体75的固相组分百分数。通过 搅拌器扭矩(或直流马达7的电流和功率)的变化，可知在一定的剪切率下半固态中的固相 百分数的变化，调节滑动水口27的开度，使扭矩(或直流马达7的电流和功率)保持在预 定范围，即可得到所需的半固态流体75。对于非共晶合金，总有液相线与固相线存在，特 别是两者距离大的牌号，可从搅拌室18内或流出滑动水口27的半固态流体75的温度上判 断半固态中的固相组分百分数。通过测量单位时间浇入铸型81内半固态流体75的重量和单 位时间冷却搅拌器的低熔点液态金属或合金热传导剂37的流量与温度的变化，迅速计算得 知半固态流体75的固相百分数。改变搅拌室18的尺寸及换热段13的尺寸与形状；调整搅 拌器的转速；均可改变剪切率、影响对流换热系数和换热强度、影响半固态流体75的粘度 及固相质点大小与均匀程度。总之，在操作中，通过调整搅拌器转速、调整通过搅拌室18 下部的滑动水口27的流量、调整进出搅拌器的低熔点液态金属或合金热传导剂37的流量和 温度、调整出口段79(既流变段)的感应加热功率，可以控制半固态流体75出搅拌室18 时的固相百分数、粘度、冷却速率及固相质点的大小与形貌，再与调整进出外冷铁76的低 熔点液态金属或合金热传导剂37的流量、温度相配合，可以影响或控制铸件的凝固组织。 操作者可以根据仪表综合判断后进行手动操作，也可以由计算机对仪表提供的数据按编好的 程序进行处理，自动执行有关操作。

图9是全液相向铸型内浇注黑色或有色的金属与合金后插入搅拌器使之经半固态过程凝 固成大型铸件的示意图。它以铸造毛重140T的模锻锤砧座铸钢件为例，对该方法和有关装 置进行说明，图9所示的方法是按现行的浇注方法，向铸型中浇注液态黑色或有色的金属与 合金，在浇铸至冒口一定高度后，从冒口上部空间向铸型内插入用低熔点液态金属或合金作 热传导剂循环冷却的搅拌器，在气体或液渣的保护下，通过表面有耐材涂层的搅拌器换热 段，对未凝固的黑色或有色的金属与合金进行剪切搅拌和冷却，经过强制的对流热交换，导 出黑色或有色的金属与合金的液态显热及部分结晶潜热，析出的固相由于剪切搅拌作用，不 能生成树枝晶，而游离在液相中，随着不断的剪切搅拌和冷却，生成大量的近似球状的固相 质点，悬浮分散在流体中，除在开始浇铸时受铸型壁急冷，在铸件表面形成细等轴晶的激冷 层外，在搅拌器换热段所处的铸件宽厚部位和其他能受到搅拌产生的流体扰动影响的型腔 内，均呈现半固态的性质和特征，当其固相百分数或流体粘度达到预定要求后，停止搅拌， 提出搅拌器换热段，对冒口进行保温或感应加热(也可电弧、电渣加热)，在铸件本体凝固 后，停止对冒口的保温，得到优质大型铸件。这种在铸型内通过被铸造金属或合金的流体与 低熔点液态金属或合金热传导剂之间的强制对流热交换，把被铸造的液态金属或合金制成半 固态浆液后再凝固的方法，改变了已往铸造重要的大型铸件只能依靠型壁和外冷铁散热所形 成的凝固规律。通过控制铸型内半固态流体的剪切率、冷却速率及固相组分百分数，达到控 制半固态性质、影响或控制铸件的凝固过程。由于改变了凝固过程的传热、传质和结晶生长 的条件，实现对结晶潜热导出方式、导出数量、导出速度和析出固相的数量与分布及固相颗 粒大小的有效控制，改变了一般铸件普遍存在的三带结晶的凝固组织，避免了现有大型铸件 存在的一些严重缺陷。由于铸件没有严重的偏析，晶粒比普通铸件细小均匀，没有普通铸件 的粗大晶粒，为铸件热处理和提高铸件性能创造先天良好的条件。由于使用了低熔点液态金 属或合金作热传导剂的循环系统，除了冷却搅拌器换热段，还可用于循环冷却外冷铁，把缩 短大型铸件的凝固时间、提高大型铸件的质量与回收利用热能有机的结合起来。采用这种方 法，可以铸造比现有铸件更重、更厚的特大型铸件。

图9的大型铸件使用了两个搅拌器，并以此为例，介绍了两种不同运动方式的搅拌器(在 以后的应用中可根据具体情况选择搅拌器的数量和运动方式)，右侧的搅拌器是旋转式搅拌 器，左侧的搅拌器是振动式搅拌器。两个搅拌器都是用低熔点液态金属或合金热传导剂循环 冷却的搅拌器，均是由珠光体或奥氏体耐热钢制造的搅拌器主杆钢管11和换热段13组成， 在搅拌器主杆钢管11的外部均套有耐材袖砖12，在换热段13的外表面均有耐材涂层。右 侧的旋转式搅拌器，在搅拌器主杆钢管11上装有轴承组4及带动搅拌器旋转的齿轮5，直 流马达7通过变速箱6带动齿轮5使搅拌器旋转，搅拌器主杆钢管11内装有低熔点液态金 属或合金热传导剂进口管1，搅拌器主杆钢管11的顶端装有搅拌器机械密封3及低熔点液 态金属或合金热传导剂出口管2，搅拌器装在把持搅拌器的横臂8上，通过能使立柱9升降 旋转的液压缸10和把持搅拌器的横臂8来升降搅拌器，并将其转到预备位置或工作位置， 它们能使搅拌器换热段13顺利插入并悬在铸型内所需位置对铸造的金属或合金流体81进行 剪切搅拌和冷却，或将换热段13提出铸型并移出冒口82上部的空间。左侧的不旋转的振动 式搅拌器，通过能使立柱9升降旋转的液压缸10及横臂8来升降搅拌器并将其转到预备位 置或工作位置，它们能使搅拌器换热段13顺利插入并悬在铸型内所需位置对铸造的金属或 合金流体81进行剪切搅拌和冷却，或将换热段13提出铸型并移出冒口82上部的空间。在 搅拌器主杆钢管11内装有低熔点液态金属或合金热传导剂进口管1，搅拌器主杆钢管11的 顶端装有低熔点液态金属或合金热传导剂出口管2，振动式搅拌器由装在横臂8上的搅拌器 主杆钢管11在横臂8的运动机构86的带动下，随横臂8做上下的振动，使浸在铸型内金属 或合金流体81中的搅拌器换热段13对其进行剪切搅拌和冷却。两个冒口82内都有低熔点 的液体保护渣83防止金属或合金流体的氧化(也可使用气体保护)。本例还使用了10块由 低熔点液态金属或合金作热传导剂循环冷却的外冷铁76，它们之间以串联或并联方式用低 熔点液态金属或合金热传导剂冷却。从低熔点液态金属或合金热传导剂循环泵43经低熔点 液态金属或合金热传导剂流量调节阀45送来的一部分低熔点液态金属或合金热传导剂37， 从外冷铁76上的进口77进入，吸收被铸造金属或合金中的热量后，从外冷铁76上的出口 78出来，再和从搅拌器顶端低熔点液态金属或合金热传导剂出口管2经活动关节31出来的 另一部分被加热的低熔点液态金属或合金热传导剂37在三通62处汇合，然后从蒸汽发生器 34的低熔点液态金属或合金热传导剂进口39进入蒸汽发生器34的壳侧，与管侧的水进行 热交换，释放所携带的热能后，从蒸汽发生器34的低熔点液态金属或合金热传导剂出口46 流出，经低熔点液态金属或合金热传导剂循环泵43泵送，一部分经低熔点液态金属或合金 热传导剂流量调节阀45再返回去冷却外冷铁76，另一部分经低熔点液态金属或合金热传导 剂循环管路上的活动关节30和低熔点液态金属或合金热传导剂进口管1再返回去冷却搅拌 器换热段13。(低熔点液态金属或合金热传导剂循环泵43、低熔点液态金属或合金热传导剂 流量调节阀45、蒸汽发生器34、低熔点液态金属或合金热传导剂37与循环管路上的活动关 节30、31、管道上的三通62等见附图7；图9中略)。在向铸型内插入搅拌器换热段13之 前，与现行的全液相向铸型内浇注黑色或有色的金属与合金大型铸件的方法相同，造型时可 选择用低熔点液态金属或合金热传导剂循环冷却的外冷铁76代替现有的普通外冷铁，图9 中液态的黑色或有色的金属与合金从直浇口84和内浇口85进入铸型，在浇铸到冒口82一 定高度后，从冒口82上部空间向铸型内插入用低熔点液态金属或合金作热传导剂循环冷却 的搅拌器换热段13，并放入液体保护渣83(或保护气体)防止金属二次氧化，开动搅拌机 构，对未凝固的黑色或有色的金属与合金81进行剪切搅拌和冷却，当所形成的半固态流体 中固相百分数或流体粘度达到预定要求后，停止搅拌，提出搅拌器换热段13，对冒口82进 行保温或感应加热(也可电弧、电渣加热)，在铸件本体凝固后，停止对冒口82的保温，得 到优质大型铸件。

图10是为说明图9中的铸型而略去搅拌装置的铸型顶视图，图11是沿图9中A-A线的 剖视图，以铸造毛重140T的模锻锤砧座铸钢件为例，用图9、图10、图11对本法加以说 明。

换热段13的表面工作层是优质耐材涂层，为提高其抗热震性能，在搅拌器换热段13的 金属表面先喷涂金属底层，再喷涂过渡层，最外层喷涂的是不与金属或合金流体浸润、耐侵 蚀的优质耐材工作层。其喷涂方法、涂层结构、涂层材料、涂层的维护方法均与实施例1的 搅拌器换热段13相同。在搅拌器换热段13以上不需要进行热交换的部位即搅拌器主杆11 的外面装耐材袖砖12，其材质与安装方法同实施例1。换热段13的形状与尺寸，按搅拌器 的运动方式(旋转还是振动)和铸型型腔的具体情况选择。

低熔点液态金属或合金热传导剂循环冷却的外冷铁76及循环管路，用珠光体或奥氏体 耐热钢钢板和钢管焊接制作，用它代替普通实心的外冷铁，虽有不便，但有利于铸型的干燥 与保温，并能进一步缩短铸件凝固时间、回收更多的热能。

低熔点液态金属或合金热传导剂的选择、使用方法、注意事项及防止对金属结构和部件 腐蚀的措施；均与实施例1相同。

由于搅拌器的搅拌作用能引起冒口中铸造金属或合金流体的运动，为保证铸件的质量， 特别是铸钢件，不要采用固体保护渣(特别是含碳的固体保护渣)及发热剂，在冒口采用液 体保护渣或保护气体来防止金属的二次氧化。如配备感应加热的中频电源可一机多用，在配 备不同的感应器后，用于熔化配制所需的低熔点液态金属或合金热传导剂、对低熔点液态金 属或合金热传导剂循环系统进行加热和保温、熔化液态保护渣、对打结的冒口耐材进行焙烧、 冒口内金属或合金的感应加热、对搅拌器换热段补涂的耐材泥浆进行烘干和烧结、提供热态 模拟试验条件(为进一步改进提供方便)、在设备制造与安装过程中提供加热条件(如管道 的煨弯)等。可按需要选购中频电源、感应器及磁轭。当然也可选择其他的加热与熔化方法。

与现有铸造方法相比，增加的检测仪表：低熔点液态金属或合金热传导剂在搅拌器的进 出口温度及流量；低熔点液态金属或合金热传导剂在外冷铁进出口的温度及流量；低熔点液 态金属或合金热传导剂在蒸气发生器壳侧的进出口温度及流量；低熔点液态金属或合金热传 导剂循环泵的转速与功率；使用旋转式搅拌器时的转速及扭矩(或其传动直流电机的转速、 电流、电压、功率)；使用振动式搅拌器时振动的振幅与振频及传动直流电机的转速、电流、 电压、功率；低熔点液态金属或合金热传导剂分配阀的分配比例；蒸气发生器壳侧的低熔点 液态金属或合金热传导剂的液位指示：蒸气发生器管侧的进水温度及流量；蒸气发生器管侧 的蒸气出口温度、压力及流量等仪表。增加的控制系统：   序   号   控制对象   控制回路   控制功能   1   搅拌器转速   直流电机传动   可按设定的转速进行控制和调整   2   横臂的运动机构   直流电机传动   横臂的伸缩、上下振动的振幅与振   频   3   使立柱升降旋转   的液压缸   液压传动   控制立柱升降旋转   4   低熔点液态金属   或合金热传导剂   的循环泵   直流电机传动或交流   变频   调整转速改变流量和压力   5   低熔点液态金属   或合金热传导剂   分配阀   阀门的电动或液压执   行机构   调整换热段与外冷铁之间的低熔点   液态金属或合金热传导剂流量的分   配比例   6   蒸气发生器   阀门的电动执行机构   控制进水流量   控制蒸气出口温度、压力及流量   7   主控室   网络   半固态流体的剪切率、固相百分   数、冷却速率等，

浇铸前的准备：搅拌器的旋转(或上下振动)与横臂的伸缩、升降及旋转正常，并调试 插入铸型后换热段的位置在冒口下部与铸件的热节附近；低熔点液态金属或合金热传导剂的 循环系统及余热回收系统处于保温备用状态；将换热段涂层完好并已安装好袖砖的搅拌器旋 至铸型旁的预备工位。使用低熔点液态金属或合金热传导剂循环冷却的外冷铁的，组装齐全 后开动循环。使用散状耐材打结后经焙烧的冒口，如采用感应加热的冒口(感应圈外有框架 及磁轭)则接上水冷电缆，打开冷却水。如使用电弧加热或电渣加热的，安装好电极，置于 冒口旁预备位置，并检查好电极的控制设备。使用气体保护浇铸的，安装保护罩并准备妥气 源。冒口处使用液体保护渣保护的，进行熔化、保温、备用。低熔点液体保护渣的配料和化 渣方法，均与施例1相同。

在钢水的准备与精炼上，与现有生产技术相比有以下特点：在钢水温度控制上较为宽松， 不必担心浇铸温度偏高给铸件凝固组织造成的各种危害。不必为解决大型结构钢铸件的化学 成分偏析和严重的晶粒不均而采取低Si、Mn；低P、S的高纯度化方法，这对生产含Si和 Mn的钢种及为改善切削性能含P、S较高的钢种有重要意义。不必为解决大型铸件的偏析而 采取多炉精炼不同化学成分的钢水合浇。本法能生产一些不适合浇铸大型铸件的品种，如固 -液相线距离很宽的合金、高碳高合金的马氏体钢、核能用的高硼钢种。由于在铸型内进行 搅拌冷却制取半固态金属(或合金)浆液的过程中，有利于气体(氢、氮)的逸出并减少和分 散非金属夹杂物，使用现有生产条件精炼的钢水，本法可以得到比现有质量优越、品种更多 的大型铸钢件。此外，用现有生产条件熔炼的各种铸铁水，本法能铸造出大型优质铸铁件， 特别是因为极大的缩短了大型铸铁件的凝固时间；以及由于本法的搅拌作用，减少了球化与 孕育的衰退现象。

在液态铝(或铝合金)的准备与精炼上，可同现有技术。但在温度控制上较为宽松，不 必担心浇铸温度偏高给铸件凝固组织造成的各种危害(如粗大的树枝晶，严重的晶粒不均， 严重的宏观与微观偏析。较多的气孔。)。使用现有生产条件精炼的液态铝(或铝合金)，本 法可以得到比现有质量优越、品种更多的大型铸件，并为后部的热处理创造良好的条件，提 高成品性能。

浇注工艺要点：要等换热段13插入型腔81宽厚处的液态金属或合金中，并放入低熔点 液体保护渣83或通入保护气体时，再开始剪切搅拌，换热段13的搅拌强度(如搅拌器转速 或振频、振幅)视冒口82内流体运动的情况及剪切率的需要进行调整。在搅拌时，还可通 过横臂8和立柱9的运动，使搅拌器换热段13按所需轨迹在型腔81内移动，加强剪切搅拌 和对流换热的冷却作用，导出金属与合金的液态显热和部分结晶潜热，并使析出的固相难于 形成树枝晶，成为众多分散在液相中的固相质点，使换热段13所影响的型腔81范围内，铸 件除表层是激冷晶构成的凝固壳外，余为半固态流体。搅拌过程中，要注意控制低熔点液态 金属或合金热传导剂在搅拌器、外冷铁76的各出口温度不大于500℃；各进口的最低温度 要保持在低熔点液态金属或合金热传导剂液相线温度30℃以上。通过选择搅拌器换热段13 的尺寸与形状、改变换热段13的剪切搅拌强度和在型腔81中的运动轨迹；可改变对型腔81 中金属或合金流体的剪切率。通过选择换热段13的耐材涂层材质与涂层厚度、控制冷却搅 拌器换热段13的低熔点液态金属或合金热传导剂的进出口温度和流量、控制冷却外冷铁76 的低熔点液态金属或合金热传导剂的进出口温度和流量；达到控制铸造金属或合金流体冷却 速率的目的。通过测量半固态合金流体的温度，从其所处固-液相线之间的位置得知此时的 固相组分百分数；通过测量低熔点液态金属或合金热传导剂各进出口的温度和流量，计算导 出的结晶潜热，得知固相组分百分数；通过测量搅拌用的直流电机的电流(或功率)或搅拌器 的扭矩，与全液相时相比，出现明显变化并逐渐增加时，判断半固态流体的固相组分百分数 (约在30％至50％之间)；根据经验总结的搅拌用的直流电机电流(或搅拌器扭矩)与固相组 分百分数的关系曲线判断固相组分百分数。当剪切搅拌、冷却到预定的固相组分百分数或流 体粘度时，停止搅拌，提出搅拌器换热段13，对冒口82实施保温，并继续保持低熔点液态 金属或合金热传导剂对外冷铁76的循环冷却。当铸件本体凝固后，停止对冒口82的保温， 并根据该牌号正火状态的金相组织和等温转变曲线，通过控制低熔点液态金属或合金热传导 剂对外冷铁76的冷却强度控制铸件的冷却速度，达到控制铸件组织、减少应力、防止裂纹 的目的。

图9与图7的方法不同，图9的方法不设带感应加热的搅拌室，是在铸型中实施剪切搅 拌与冷却来产生半固态过程，在剪切率、固相百分数、冷却速率和固相质点大小与形状以及 在铸件凝固组织的控制上，不如图7方法。图7方法在装备和工艺操作上比图9方法要复杂 一些。