В области обработки алюминиевых сплавов прямое холодное литье (DC casting) известно как «волшебная рука формовки металла». Когда расплав алюминиевого сплава при температуре около 700 °C впрыскивается в кристаллизатор, всего за несколько десятков минут жидкий металл превращается в цилиндрическую заготовку с правильным наружным диаметром и плотной внутренней структурой — движущей силой этого является вода. Точнее, это «магия водяного охлаждения», сочетающая первичное и вторичное охлаждение. Успех или неудача этой магии в основном отражаются в игре трех ключевых переменных: скорости литья, интенсивности охлаждения и толщины зоны поверхностной сегрегации. Любая потеря контроля над переменной оставит на поверхности слитка необратимые дефекты, такие как узлы сегрегации, холодные швы и растягивающие трещины, которые будут усилены до партийного брака в последующих процессах экструзии и прокатки.

1. Двухстадийный (фактически трехстадийный) механизм водяного охлаждения

Фаза 1: Одно охлаждение (охлаждение стенки кристаллизатора)

После того как высокотемпературная алюминиевая жидкость впрыскивается в кристаллизатор, она вступает в прямой контакт с внутренней стенкой (выложенной графитом), и поверхностный слой быстро охлаждается в течение нескольких секунд, образуя затвердевшую оболочку. Тепло на этой стадии отводится к воде через стенку кристаллизатора, что называется первичным охлаждением. Тепло, отводимое одним процессом охлаждения, составляет примерно10% -15% от общего теплосодержания слитка. Хотя оно не отводит много тепла, оно является ключом к «формовке» — затвердевшая оболочка должна иметь достаточную толщину, чтобы выдерживать статическое давление внутренней жидкой полости без утечки алюминия.

Фаза 2: Вторичное охлаждение (распылительное принудительное водяное охлаждение)

В момент отделения слитка от нижнего края кристаллизатора вода под высоким давлением распыляется из распылительного отверстия на горячую поверхность слитка. В этот момент происходит теплообмен между затвердевшей оболочкой слитка и водой, известный как вторичное охлаждение. Тепло, отводимое вторичным охлаждением, составляет около70% -80% от общего теплосодержания слитка и является основной силой для полного затвердевания слитка. Именно сильное воздействие вторичного охлаждения приводит к тому, что жидкая фаза внутри слитка затвердевает слой за слоем снаружи внутрь, образуя типичную «V»-образную жидкую полость.

Фаза 3: Три цикла охлаждения (естественное медленное охлаждение)
После полного извлечения слитка из зоны распыления он полагается на накопление воды и воздуха в фундаментной яме для медленного рассеивания тепла, постепенно снимая внутреннее напряжение отливки и снижая риск растрескивания. Скорость охлаждения на этой стадии относительно медленная и мало влияет на процесс кристаллизации слитка, но имеет большое значение для релаксации напряжений и предотвращения низкотемпературного растрескивания.