随着电子工业和通讯技术的迅猛发展，超细､高 导高保真线材导线的用量不断增加，普通的多晶铜材 已难于满足这种要求，而单晶铜材由于消除了晶界，使 其具有良好的高保真性能，因而具有广阔的应用前景. 热型连铸是将连续铸造与定向凝固巧妙地结合 起来的一种新工艺^[1]，可用来生产长度不受限制的定 向凝固的单晶和准单晶的金属型材^[2]，它又称为大野 连铸法(Ohno Continuous Casting，简称OCC )，是由 日本千叶工业大学大野笃美于1978 年发明并于 1986 年首次发表^[3-5].技术核心是用加热的铸型代替 传统连铸法采用的冷铸型及与之分离的冷却系统，见图 1^[6].热铸型的作用在于使液态金属和凝固铸坯 间的固液界面位于型口附近，避免在铸型内部结晶 成核，并因铸型和冷却之间悬殊温差产生单向热流，有利于形成定向凝固条件，促进晶粒择优生长，实现 单晶铸造^[7].

1 热型连铸技术关键

在热型连铸技术中，其技术要点主要取决于固 液界面位置及其形状的确定，因而控制铸型温度是 技术关键.根据热型连铸的基本原理，控制铸型温度 的目的:一是避免金属液在型内结晶，这要求铸型温 度必须控制在合金的熔点以上；二是控制固液界面 在铸型出口的附近.影响铸型温度的主要工艺因素除 了冷却强度､连铸速度､熔体温度以外，引锭材质､铸 型加热炉的功率等设备因素也对其有较大的影响.国 内学者对此技术要点做过不少研究工作，也取得了 一定研究进展.如甘肃工业大学丁雨田等^[8]对热型连 铸单晶铜铸型温度的控制进行了相关研究；王海南^[9] 就熔体温度和铸型温度对固液界面及位置的影响做 过数值模拟研究；又如广东工业大学刘可如^[10]对其研 究的炉体材质做了较为详细的设计计算.但从目前来 看，各研究者在研究熔体温度和铸型温度主要集中 在其对固液界面的影响，而在为熔体和铸型提供温 度保障的材质选用方面未作较为系统的归纳总结.因 此针对目前的现状，并结合横引式单晶铜连铸实验 设备，如图 2 所示，将对设备熔体材质､引锭材质､铸 型材质等作一综述，以为今后进一步完善热型连铸 单晶铜生产工艺提供一定参考依据.

2 工艺设备关键材质的选择 2.1 熔体相关材料的选择

熔体主要承担着熔炼､保温､提纯净化等功能，一般包括熔炼炉､保温炉和铸型加热腔体.根据各研 究者实际情况的不同，其使用的炉体种类也不尽相 同，但在有色金属加工中，普遍用于紫铜及铜合金熔 炼的是感应炉，这与目前热型连铸研究中的熔炼炉 和保温炉大多使用感应炉相符. 在单晶铜生产中，熔 化电解铜料多采用工频有芯感应炉.工频有芯感应炉 由炉壳､炉衬､熔池､熔沟和感应器等组成.

(1) 炉壳材料.炉壳即熔体的外部结构框架，主要 起着支撑定位作用，要求承受高载荷､耐高温.根据实 际，炉体侧壁和炉顶一般选用钢种Q235，因连接需要 用到的边角部件，选用45# 即可，但在局部高温处，比 如与铸型相连的前端盖压板，因温度相对较高，需选 用耐热钢.

(2) 炉衬材料.砌炉衬材料按功能分为绝热材料 和耐火材料两类:①绝热层.炉衬的内层为耐火材料，外层为绝热材料.常用的绝热材料有石棉､硅藻土､蛙 石､珍珠岩及矿渣棉.其主要性能特点是气孔率高，体 积密度小､导热系数小.保温炉一般大多选用石棉作 为绝热材料，并多以石棉板的形式铺设在炉壳与耐 火层之间.相比其他绝热材料，其熔点高达1500 ℃，且可起保温和吸潮作用，其成本低，又容易铺设，石棉板的厚度，可据实际情况而定，一般为5~20 mm. ②耐火层.一般情况下，热处理炉对耐火材料应具有: 能承受高温，且在高温下不熔化，不软化；在高温下 长期使用而砌体仍不致发生变形和裂纹； 在承受炉 子载荷及其他机械负荷的作用时，不变形､不断裂､ 不倒塌；有抵抗金属及炉内气氛的侵蚀作用；当温度 急剧变化或受热不均时，砌体不致发生破裂和剥落. 常用的耐火材料主要有耐火粘土砖､高铝砖､轻质与 超轻质耐火粘土砖､刚玉制品､硅酸铝耐火纤维､耐 火混凝土等.

炉壳与炉膛之间是用耐火材料堆砌构建，一般 炉衬分两层，主体( 耐火层)选用莫来石轻质砖堆 砌，外层(绝热层)选用硅酸铝纤维.但有些稍大型的 炉体，炉体炉衬可分3 层，即由两层莫来石轻质砖 堆砌与其之间的石英砂捣打料一起构成炉衬主体. 由文献^[11]可知，参考耐火层的厚度取290 mm，绝 热层的厚度取20 mm.

莫来石轻质砖具有较高的气孔率，且分布均匀，因 而它不仅耐火而且绝热，其耐火度高达1100~1300 ℃. 但它的耐急冷急热性､高温结构强度和化学稳定性 比较差，宜用于炉侧墙和炉顶.用轻质砖所砌的炉子 重量轻､炉衬蓄热损失少，故而热效率高､升温快，这 对周期作业炉的意义很大.

此外，根据各研究的实际试验条件，在炉体中会 出现局部高温区，如为了提纯而设置的炉膛隔墙，以 及炉顶高温处.为了达到与炉顶和侧板更好的耐高温 和绝热效果，所采用的材料均为高铝砖.高铝砖的主 要成分为A12O₃，杂质较少，耐火度和荷重软化开始 点都较高，最高使用温度1500 ℃.高铝砖还有良好的 耐急冷急热性以及化学稳定性，但成本较高.

衬砖外层选用具有良好的耐火和绝热性能的硅 酸铝纤维，又称陶瓷纤维，与一般的耐火材料相比，其重量轻､导热系数小､比热小､抗热震性能好､化学 稳定性好､绝热性能好.

(3) 熔沟.据规模大小各异，熔池底部有一条或二 条环沟，其中充满和熔池联通的熔体，即为熔沟，开 始起着“点火"作用，之后起着电热转换的桥梁作用，其材质的选择与连铸材质相同.如连铸单晶铜，其材 料即为紫铜.

(4) 液位控制块与塞棒相关材质的选择.在热型 连铸工艺中，不管采用何种控制装置来控制炉膛内液 面高度，但最终均需通过执行部件──液位控制块来 直接执行规定动作.从研究和应用状况角度，综上所 述，其材质选用高铝砖较为合适，并收到良好效果^[12].

在连铸过程中，一般都是一炉多流，为确保在更 换铸型､维修或其他紧急情况时能停止供液，保证工 作环境安全､稳定､可靠，应使各流之间的工艺操作 保持独立.因此，一般做法是在靠近与保温炉膛炉相 连接的导流管端部，设置一截流控制装置，其执行部 件即为塞棒.由于其直接与高温金属液接触，并且处 在空气气氛中.综合考虑，选用的材质为高铝砖.

(5) 熔体加热元件的选择.电热元件分为非金属 和金属2 大类.选择电热元件材料应考虑是否具有高 温强度大､耐热性高､高的电阻系数､小的热膨胀系 数､小电阻温度系数､能抵抗不良气氛的侵蚀､成本 较低等性能特点.

工频有芯感应炉炉体下方是“电热器"，上方是 熔炼室(亦称熔池)，即炉子下部相当于一个铁芯变 压器，次级为熔沟.由“电热器"完成电热转换，实现熔 化和保温的功能，可见，在“电热器"满足磁感强度 大，磁漏少条件下，才能达到高的电效率.

由具有导磁率比空气大数十倍的优良导磁 体———硅钢片制成的铁芯，磁感增强，磁漏减少，有芯 感应炉的电效率高，功率因数大，所以炉体加热元件 一般选择硅钢片.感应线圈套在铁芯上，电效率高达 0.95~0.98，接近于电力变压器，远远优于无芯感应炉.

若作为实验室小型试验，保温炉亦可采用坩埚 型炉实验，此时采用广东工业大学刘可如^[10]设计中所 用的硅碳棒作为电热元件较为合适.

2.2 铸型系统相关材质的选择

铸型加热系统由导流管､结晶器､保护件及其加 热系统共同构成，据国内外众多研究者对热型连铸 法的不断深入研究表明，铸型加热系统是实现单晶 连铸的关键环节之一.

(1) 铸型相关材质选择.导流管是用于连接保温 炉与结晶器的部件，起保温和引流作用.从工艺角度 出发，要求导流管必须耐高温且具备良好的保温效 果，才能保证导流管内的金属液呈液态，避免在抽拉 过程中出现卡死或线材表面划伤的现象； 从结构强 度来看，因引流的金属液比重较大，因此要求其具备 合适的强度，才能保证生产安全､可靠､平稳.结晶器 是按照一定的配合关系安装在导流管的引杆端，起 定径结晶作用.为了减少引锭阻力，提高线材的表面 质量，要求铸型内腔尺寸均匀，表面光洁度高.

根据以上各功能要求，并结合国内外研究者的 实践^[8]，建议导流管和结晶器选用高纯高强石墨较佳. 石墨的熔点为3850±50 ℃，沸点为4250 ℃，即使经超 高温电弧灼烧，重量的损失很小，热膨胀系数也很 小，具有良好的导热性､高温强度，并且其机械加工 性能优良.更为突出的是与铜液之间不润湿(1150 ℃ 时润湿角为140 °)，不会污染铜液(1500 ℃时石墨在 铜中的熔解度仅为0.003 wt%)，故而选用高纯石墨作为结晶器材质相对较为合理^[13].

为了提高铸型系统的使用寿命，在实际生产中，均 需做耐高温抗氧化涂层处理.抗氧化涂层是在石墨外表 面加添涂一层石墨抗氧化涂料，形成一层几乎与石墨 件成一体的涂层，隔断石墨件与空气的接触，防止石墨 件在高温下氧化，延长其使用寿命，节省生产成本.同时 为了进一步增加系统的结构强度和保温效果，在石 墨导流管外面用保护套进行保护.一般保护套材质选 用高温结构陶瓷.它在热和机械性能方面，有耐高温､ 隔热､高硬度､耐磨耗等优点，甚至在空气中可以耐 受1980 ℃的高温.

(2) 铸型加热元件相关材质选择.铸型加热腔体 主要目的是使其内部的金属液(由保温炉流出)温度 高于铜的熔点并保持相对恒定，以防在金属液引流 过程中热损失过大，因此该腔体的加热元件要求能 抗氧化､耐高温，且寿命长､安装维修方便及化学稳 定性良好等特点，因此，结合单晶铜热型连铸设备的 要求，并根据受热原理的不同，导流管的电热元件可 选择硅碳棒或是电炉丝.但其安装和电控设备存在较 大差异，选用前者作为电热元件时，根据炉体实际结 构，可选择标准U 型､枪型､W 型等或非标准型号的 硅碳棒.

硅碳棒是非金属高温电热元件，即使在氧化性 气氛中正常使用温度仍可达1450 ℃，使用寿命高达 2000 h.选用硅碳棒作为加热元件时，可根据生产工 艺需要，配备自动化电控系统配套，可实现曲线自动 调温，从而得到精确的恒定温度.综合来看，使用硅碳 棒加热既安全又方便可靠. 现已广泛应用于陶瓷､电 子､粉末冶金､陶瓷､半导体､分析化验､科学研究等 高温领域，已成为真空炉､冶炼炉以及各类加热设备 的电加热元件.

2.3 引锭材质选择

引锭的作用是使铜液在引锭头凝固并与之结 合，在牵引外力作用下将铸锭引出.这要求引锭与所 熔金属有相近的导热能力，以免在连铸过程开始，当 接头通过冷却水时造成导热能力突变.

为了合理地选择引锭材质，丁雨田等^[8]分别采用 不锈钢管和紫铜管进行模拟引锭试验，对比结果表明 选用紫铜可保证铸型温度满足热型连铸的要求，制 备出表面良好的单晶铜杆，这从广东工业大学､兰州 理工大学､西安理工大学等众多研究者通过采用紫 铜锭作为引锭的实验得到了良好的佐证.

2.4 其他

在试验或生产工艺过程中，为获得优良性能的 产品，应尽可能降低杂质对产品的影响.从熔炼阶段 来看，在炉膛内连续吹高纯氮气，并且在金属液表面 覆盖一层木炭粉可防止铜液被氧化，有效保护铜液； 由于硅碳棒在空气中开始氧化的温度在650 ℃左 右，特别是与水蒸汽有着强烈氧化的特性，且与氢接 触会变脆，因此在铸型出口吹高纯氮气，可有效防止 铸型尤其是型口的氧化，为制得没有氧化皮的高表 面质量的铜铸锭提供保障.

3 结束语

随着热型连铸理论的不断成熟及该工艺的不断 深入研究发展，如在工艺控制中为熔体温度及铸型 温度提供保障的材质，有利于促进人们进一步掌握 铸型温度控制的技术关键，相信会从目前研究比较 集中的单一纯金属，如单晶铜，向各类合金系列材料 及界面形状复杂的近终形产品趋势发展，最终使单 晶材料能实现工业化应用.