在由上海有色网信息科技股份有限公司（SMM）主办的SMM AICE 2026（第二十一届）铝业大会暨铝产业博览会-铝熔铸技术论坛上，重庆市学术技术带头人教授级高级工程师 唐剑围绕“熔铸车间铸锭质量控制”的话题作出分享。
一、铝材对铸锭质量要求不断提升
1. 对化学成分控制和分析的要求在不断提升
随着铝合金材料组织、性能均匀和一致性的要求提高，对成分的一致性要求越来越高。
► 合金主元素要求更加精准控制，熔次之间主元素一致性，铸锭不同部位成分偏析最小。
► 为了提高材料的综合性能，对合金中的杂质和微量元素进行优化配比与控制。
► 化学成分的分析的准确性更加精准，把分析偏差降到最低。
► 熔铸全过程最大限度降低对熔体合金元素的污染，特别防止增Fe、Si等。(耐材、涂料要求）。
2. 铸锭冶金质量的要求
铸锭的冶金缺陷必将对材料产生致命的影响,一般认为约70％缺陷是铸锭带来的，对材料后序加工过程和最终的产品性能有着决定性作用。为此铝熔体质量主要有以下三个方面要求：
（1）铸锭氢含量要求越来越低，根据不同材料要求，其氢含量控制有所不同，一般说来制品要求的产品氢含量控制在0.15～0.2ml/100gAl以下, 而对于特殊要求的航空、航空材料等高性能铝材产品氢含量要求控制在0.10ml/100gAl及以下，当然由于检测方法的不同，所测氢含量值会有所差异，但其趋势是一致的。
（2）夹杂物的要求
对于非金属夹杂物要求降低到最低限度，要求夹杂物数量要少、尺寸要小，其单个颗粒应小于10μm；而对于特殊要求的航天、航空材料、罐料、箔材等高性能制品非金属夹杂的单个颗粒应小于5μm。非金属夹杂一般通过铸锭低倍和铝材超声波探伤定性检测，或通过测渣仪定量检测。当今发展可以通过电子扫描等手段对非金属夹杂物组成进行分析和检测。
（3）碱金属控制，
碱金属（主要是金属钠）对材料的加工和性能造成一定危害，要求在熔铸过程要尽力降低其含量，因此碱金属钠（除高硅合金外）一般应控制在5ppm以下，甚至更低，达2ppm以下。
3. 铸锭组织的要求
铸锭组织对铝及铝合金材料性能有着直接的影响，
A、铸锭组织不能有光晶、白斑、花边、粗大化合物等组织缺陷，这些缺陷固然对材料性能造成相当大影响。
B、组织要求提升
一是铸锭晶粒组织更加细小和均匀，要求铸锭晶粒一级以下，甚至比一级小，使铸锭晶粒尺寸（直径）达到160μm及以下，仅为一级晶粒的一半以下，对于铸锭生产来说是很难达到；
其二对铸锭致密度提出更高的要求，不仅对宏观疏松进行控制，还对显微（微观）疏松进行控制。
其三是铸锭的化合物尺寸不仅要求小而弥散外，而且对化合物形貌、种类也提出不同要求；
此外，随着铝材质量和性能要求不断提高，后续加工对铸锭的组织提出更多更新更高的要求。
4. 铸锭几何尺寸和表面质量要求
一是铸锭厚差要小；二是表面平整光滑；三是减少或消除粗晶层；四是降低或不能有任何表面缺陷，如冷隔、拉裂、偏析瘤等；
五是减少底部翘曲和肿胀等，目的是铸锭热轧前尽可能少铣或不铣面。挤压等加工前减少车皮或不车皮，提高成材率。
二、需求促进铸锭质量控制提升
随着铝材被广泛应用于航天、航空、建筑、交通、包装、印刷等众多国防和民用领域。铝加工技术得到了迅速发展和提高，我国企业开发出了制罐料、3C产品等技术含量较高的高性能铝材产品，铝材质量和技术含量取得了长足进步，不断填补了国内空白。然而我国铝加工业起步晚，技术源于发达国家，自主知识产权不多，至今少有合金牌号是中国自主申报的，高精尖技术和装备还有不少离不开如欧美发达国家。我们只是铝材生产大国，还不能算强国。在这种情况下，铝加工业要面对国内外激烈的竞争，就要求国内铝加工企业不断加大投入，推动铝加工技术迅速向前发展，提高技术装备水平，缩小与国外先进技术水平的差距，增强自主知识产权，在竞争中生存和发展。
熔铸是铝加工的第一道工序，为轧制、锻造、挤压等后续加工提供合格的锭坯，铸锭质量的高低直接与各种铝材的最终质量密切相关，国内熔铸技术得
到了迅速的发展和提高，不断追求“提质、降耗（降低能耗）、减损（减少烧损）和安全”。
但是我国熔铸行业（特别是再生铝行业，不少都是捡破烂起家）行业准入门槛低，普遍“规模小、装备差、能耗高、烧损大、质量差、安全隐患多，事故频发〞。存在低质竞争，恶性竞争。
1. 晶粒细化技术
⑴ 细化剂的种类：
晶粒细化剂可以明显改善铸锭的组织，晶粒细化的方法有多种：
► 应用最广泛的是三元合金Al-Ti-B，产品主要有Al-5Ti-1B、Al-5Ti-0.2B、Al-3Ti-1B等，绝大部分熔铸都采用高效的棒状细化剂。
► 其次有少量的Al-Ti-C，目前主要应用于7xxx系等特殊要求的产品或合金。
⑵ 细化剂影响因素
一是取决于细化剂成分；二是取决于细化剂的质点形貌、分布、数量、均匀弥散度和质点熔点等；三是合金中化学元素；四是取决于细化工艺等等。
⑶ 细化剂加入量的确定：
主要取决于合金产品种类、合金产品晶粒要求、细化剂的种类及其组织结构、原材料因素等，对于含Zr、Cr、V等元素对Al-Ti-B中间合金有“中毒”效应，其加入量应适当增加，同时在确保细化效果前提下应考虑TiAl3和TiB2化合物对铸锭组织的影响。
⑷ 晶粒细化技术的发展趋势
一是为了降低晶粒细化剂对铸锭组织的影响，追求晶粒细化剂的减量、高效、纯净度；
二是高能超声波、电磁振动、快凝技术应用到了晶粒细化剂的制备中；
三是不断研发新的三、四元素晶粒细化剂，如Al-Ti-B-Re，探索更加高效的细化效果，降低细化剂对铸锭组织恶化效应；
四是盐类细化剂开发，细小分散，时间长，有待验证。
2. 熔体净化
► 原材料不是很干净，存在油污、氧化物、夹渣物等；铝合金在熔铸过程中易于吸气和氧化，因此在熔体中不同程度存在气体和各种非金属夹杂物，使铸锭易产生疏松、气孔、夹渣等缺陷；
► 在熔体中可能存在一些对熔体有害的其它金属，如Na、Ca等碱及碱土金属，部分碱金属对多数铝合金的性能有不良影响；
► 因此，熔体净化是铝合金材料熔铸生产来说极其重要。高效的净化技术对于确保铝合金的冶金质量，确保产品的最终性能具有非常重要的意义。
熔体净化一般分为炉内处理和在线净化处理两种方式
（1）介质气体导入熔体方式
无论在线除气还是炉内除气，都借助某种方式将介质气体（如氩气、氮气、氯气或混合气体等）均匀、分散、细小导入金属熔体内部，使其与熔体充分混和，利用气体动力学（分压差）原理，对金属熔体进行除气除渣的熔体净化处理。因而导入方式及其原理对除气效果影响非常大，也非常关键，净化方式不同，其气体导入方式也不尽相同。目前导入气体方式主要有四种：
精炼管吹气法、高速喷嘴、透气砖（塞）、旋转喷头。其中精炼管吹气法是最简单、最方便、最经济、最常用就是采用精炼管精炼，常用于炉内精炼；高速喷嘴最早用于MINT装置的除气装置的喷气方式，缺点是存在造渣（上升管马粪渣多），除气率不高等；而透气砖（塞）具有良好除气效果，一般来说，由于保温炉炉底面积大，透气塞比较适合保温炉炉底炉内除气；旋转喷头精炼法就是利用旋转喷头将精炼气体碎末化并导人熔体中的一种在线处理铝熔体的净化工艺方法。旋转喷头的结构形式不一，其碎末化程度和除气效果也不一样。目前已公布的比较典型的有直管喷头、多孔喷头、剪切式(SNIF法)、下吸离心式( Alpur法)、上吸离心式(RDU法)、Hycast下入式等。
（2） 炉内处理：炉内熔体处理主要有气体精炼，熔剂精炼和喷粉精炼等方式。炉内处理技术的发展较慢，国内只有90年代中期出现的喷粉精炼，其除气除渣效果较气体精炼和熔剂精炼稍好，但精炼杆靠人工移动，精炼效果波动较大。先进的炉内净化处理采用自动控制，较有代表性的有三种：
一是从炉顶或炉墙向炉内熔体中插入多根喷枪进行喷粉或气体精炼，由于该技术存在喷枪易碎和密封困难的缺点未广泛应用。
二是在炉底均匀安装多个可更换的透气塞，由计算机控制精炼气流和精炼时间，该法是比较有效的炉内处理方法，除气效果好，除气率可以达到40%，最大问题是造渣多，烧损大，增加近1%的烧损，耗气量大，能耗增加，有一定安全隐患。
三是在炉墙或炉门插入旋转喷头除气，如HD2000等，这种比较有效的，操作也比较方便简单，综合看是最理想的炉内处理方法，除气率可达30-40%。
（2）在线净化：炉内处理对铝合金熔体的净化效果是有限的，要进一步提高熔体纯洁度，尤其是进一步降低氢含量和去除非金属夹渣物，必须采用高效的在线净化技术。
① 在线除气：
在线除气除气效果的好坏在于：
一是采用介质气体的种类和纯度；（Ar、Ar-Cl2、N2、N2-Cl2）
二是管道、阀门是否有泄露；三是除气喷头结构和方式，关键是气泡要小而弥散分布到熔体中（碎末化作用），不产生旋涡，液面平稳，没有死角；四是旋转喷头的转速；五是反应室的结构和密封性，要使熔体处于保护状态；六是是处理工艺、温度、时间等；七是处理过程中造渣量少，八是处理时间要充分，一般来说5到10分钟；九是来料熔体的纯净度较高，渣少，氢含量低等等（采用双极、多转子等）。
E、常见的几种在线除气在线除气装置：SINF等；
② 熔体过滤：
过滤是去除铝熔体中非金属夹杂物最有效和最可靠的手段，从原理上讲有饼过滤和深过滤之分。过滤方式有多种，使用最广泛是泡沫陶瓷过滤板，效果最好的是管式过滤。
A 、床式过滤器：
床式过滤体积大，安装和更换过滤介质费时费力，仅适用于大批量比较单一合金的生产，因而使用的厂家不是很多。最大问题由于过滤介质不稳定，易造成沟流现象，难以发现，可能造成大批量废品。
B、管式过滤器：
管式过滤过滤效率高，但价格较昂贵、使用不方便，在日本应用较多。管式过滤最小的过滤精度可以达到5μm，最大问题高合金生产易把细化剂拦截，降低了细化剂的细化效果。管式过滤装置国内几乎都靠进口或外资或合资企业提供，对于生产铝箔料、罐体料、手机壳体料、高表面材料等有很好过滤效果。
C、 泡沫陶瓷过滤：
在这一环节，唐工详细介绍了泡沫陶瓷过滤的原理，包含表面拦截过滤（蛋糕式过滤）以及深层过滤，无论是表面拦截过滤（蛋糕式过滤），还是深层过滤，其过滤量都是有限的，不能无限量过滤。(原则上只过滤一铸次）另外，其还提到了泡沫陶瓷过滤板使用主要要注意的事项等。
3. 铸造技术
半连续铸造是世界上应用最普遍，历史最悠久的铝合金铸造技术，我国从50年代初从前苏联引进了此技术。对于铝合金铸造，除达到铸锭成形的基本目的之外，各铝加工企业和研究机构，一直致力于提高铸锭表面质量，即使铸锭表面尽可能平整光滑，减少或消除粗晶层偏析瘤等表面缺陷，减少铸锭厚差及底部翘曲和肿胀等等，使铸锭在热轧前尽可能少铣或不铣面，提高成材率。
铸造技术的新进展和有前途的技术有：气滑铸造、低液位铸造（LHC）、大规格园锭热顶油润滑铸造、负压铸造 等，这些技术对于提高表面质量都很有帮助。
其二注重铸造技术在铸锭组织方面的控制，使铸锭组织致密，化合物满足材料性能要求做了大量工作，这方面国内外一直都在努力做，其主要工作有：
一是合理铸造工艺，主要是铸造工艺参数的比配，尤其是铸造温度；二是化学成分的控制，如铁、硅、铜等的控制；三是铸造过程中增加外力，如超声波，电磁场等，但目前来看，应用不多，效果不太理想，都在研究中；四是最短的供流距离，减少降温，对化合物、光晶等；五是提高熔体纯净度；
其二注重铸造技术在铸锭组织方面的控制，使铸锭组织致密，化合物满足材料性能要求做了大量工作，这方面国内外一直都在努力做，其主要工作有：
六是排列的影响，密排比等距更重要，尤其是热顶；七是供流布局的影响，直线最优，尽量少采用转弯，也是对化合物、光晶、氧化膜等的影响；八是流槽结构的影响，如放流槽的影响；九是流速的影响，确保平稳供流，供流坡度一般控制5～10‰。
4. 降低熔体二次污染
熔体在净化后和铸造过程中，二次污染防止技术对铝合金铸造来说非常重要。否则，前功尽弃，二次污染对铝合金来说比净化还要重要，二次污染一旦产生就直接进入铸锭，再没有任何拦截净化措施，直接造成铸锭冶金组织缺陷。因此防止熔体二次污染非常重要，目前有效防止二次污染主要从以下几个方面采取措施：
一是供流系统结构合理，耐火材料品质好，包括保温性能好、不粘铝、不掉粉、不开裂、不掉渣、不污染熔体、强度高、密度要小于铝合金熔体（最好小于2.0克/立方厘米）、表面光滑等。
二是最短的熔体输送供流距离，采用直线输送，避免直角弯道。
三是高品质涂料，包括涂料与耐火材料粘合度、耐高温性能、耐用不掉粉（特别是粗颗粒）、质轻、不粘铝、不污染熔体等，目前应用最广泛是氮化硼涂料。
四是供流流槽结构合理、保温性能好，散热少，降低温降损失。
五是供流流槽的烘烤温度、干燥程度和清洁度。
六是合理的铸造温度，温度不能低。
七是最佳的供流方式，是否同水平，减少落差等；
八是控流分配方式，确保分流均匀，液位平稳，波动小，更不能有翻滚，主要分流控制方式有浮漂分配漏斗、机械液位、自动液位控制，同水平控制（园锭）等，最好的方式是自动液位控制和同水平（园锭）分流控制方式。
九是结晶器内玻布分流袋要分流均匀平稳、无冲击无翻滚、耐高温，不污染熔体、几何尺寸和结构合理，耐冲刷、不易破损、硬化剂不脱落等。
5. 提高铸锭表面质量
一是结晶器设计要合理角度，不仅有利于脱模，防止漏铝和悬挂。
二是结晶器材质和表面加工，防止拉裂、冷隔等。
三是合理润滑，润滑方式和润滑油的选择非常重要。
四是合理工艺参数，满足成型的前提下，提高铸造速度。现在已有先进工艺，大规格（厚度5 0 0 m m 左右） 扁锭速度到120mm/min， 这么高度速度铸锭组织一定很大改善，效率大幅提升，能耗也大幅降低。
五是耐材的影响。
六是热顶密排性。
三、铸锭质量检测控制
检测是工业的眼睛，非常重要，是铸锭质量控制必不可少，通过检测发现缺陷，提供合格铸锭，同时为工艺控制改进指明方向。铸锭的检测主要有化学成分、氢含量、铸锭夹杂物的检测，以及铸锭组织检测。
1. 氢含量的检测
目前世界上使用的测氢技术有二十多种，如减压凝固法，热真空抽提法，载气熔融法等，但应用最广泛的是以Telegas和Alscan为代表的闭路循环法，该法数据可靠，是目前唯一适合铸造车间使用的在线检测方法。目前被公认作为评判熔体或铸锭质量普遍采用Alscan的氢含量检测数据。
2. 夹杂物的检测
在我国，对铝合金夹杂物检测的研究较少，使用的方法仅限于铸锭的低倍和氧化膜检查两种，对铝熔体的非金属夹杂物检测除一些还不太成熟仿造外，几乎是空白，现在而国外对铝熔体的夹杂物检测研究很多，比较成熟的方法有POPFA、LAIS和LiMCA。其中前两种都是以过滤定量金属后，过滤片上的夹杂物面积除以过滤的金属量作为指标，不能连续测量，但可以判断出夹杂物的种类和大小，检测技术难度大，要求专业很强技术人员进行检测。
LiMCA是一种定量测量方法，其第二代产品LiMCAⅡ（应该还有第三、第四代产品LiMCA Ⅲ等，更新的），可同时测量过滤前后的夹杂物含量，过滤前使用硅酸铝取样头，过滤后使用带伸长管的硼硅玻璃取样头，伸长管可减少除气装置产生的悬浮气泡对测量结果的影响， LiMCA可连续检测熔体中
的 20—300μm的夹杂物，是目前最先进的，测量速度最快，测量结果最直观的夹杂物检测仪，但只能接触夹杂物数量和大小，不知夹杂物为何物。
3. 铸锭组织检测
ⅰ、低部组织检测：
低倍组织检测是一种宏观观察，主要包括:
► 低倍组织检测；
► 断口组织检测；
► 宏观晶粒度评价；
► 氧化膜检测等。
具体检验方法和评定标准可参考GB/T3246.2《变形铝及铝合金制品组织检验方法第２部分：低倍组织检验方法》
Ⅱ、显微组织检测：
铸锭显微组织检测，主要包括:
► 过烧组织评判
► 晶粒尺寸测量
► 显微疏松尺寸测量
► 铸态组织观察等
4. 化学成分检测
化学成分分析应用的技术是分析化学。分析化学是测量物质的组成和结构，研究物质化学组成的分析方法及相关理论的科学。根据分析原理、分析手段的不同，分析化学方法分为化学分析法和仪器分析法两大类。具体类别见图所示，铝合金化学成分分析常用的只是其中滴定分析法、原子光谱分析法、可见及紫外吸收光谱法等几种方法。
发展的方向如何利用光谱法取代化学分法对高合金对高合金元素的分析，这样既能提高生产效率，又能降低生产成本，还能减少环境污染。目前最关键是标样制备和制样均匀性、代表性是技术难点，确保分析的准确性。
化学成分方法都比较专业，可以参考相关书籍等，这里就不在赘述。
5. 铸锭探伤检测
铸锭探伤技术的应用，铸锭探伤目前基本处于在研究探索中，应用还不多，主要是判断的标准还不够完善，不能完全准确判断缺陷，以及缺陷与后续加工的关系。相信通过不断研究探索，完善相应的标准，今后一定会广泛应用到铸锭缺陷检测，避免有缺陷铸锭进入后续加工工序，减少后续加工损失，同时还可以检测结果决定该铸锭可以生产什么品质的铝材产品，物尽其用。
目前，铸锭探伤大致分为两类，一类主要是探伤铸锭裂纹缺陷，另一类主要探铸锭冶金组织缺陷。
四 结束语
铝合金熔铸生产过程控制：“提质、降耗、减损、安全。”8个字是贯穿铝熔铸的生产全过程。
铸锭质量控制：“控源头、强净化、铸造温度不能低、杜绝二次污染”这是铸锭质量控制的保障。
