300mm×1370mm整體蓋板的設計及鑄造工藝研究

騰志貴，張珺玲，黃巖超，王英軍，謝彥文

(東北輕合金有限責任公司， 黑龍江 哈爾濱 150060)

300mm×1370mm整體蓋板的設計及鑄造工藝研究

騰志貴，張珺玲，黃巖超，王英軍，謝彥文

(東北輕合金有限責任公司， 黑龍江 哈爾濱 150060)

本文分析了目前現場使用的鑄造水冷系統存在的問題，設計了300 mm×1370 mm規格整體蓋板，并進行了工藝研究，生產出了合格的鑄錠產品，另外改進后的蓋板使工人勞動強度得到了有效降低。

水冷系統； 整體蓋板； 鑄造工藝

0 前言

東北輕合金公司熔鑄廠從建廠到現在使用的是普通DC方錠鑄造工具，每個規格蓋板為兩扇，比較落后，在鑄造翻轉臺上還有墊高板，工具定位不夠準確，因此鑄造精度達不到要求，鑄錠表面偏析較大，不但增加銑面量，造成金屬損失，并且鑄錠經常出現彎曲、裂紋、拉裂等廢品，成品率受到很大影響。另外這種裝備工人每次更換水箱時操作非常不方便，需要下鑄造井頻繁更換井水接頭，勞動強度非常大。所以進行了方錠水冷系統的改進，取消墊高，增加過渡水框，蓋板直接吊放在過渡水框上面，每次更換工具時只需將整體蓋板直接吊走，使工人勞動強度得到了有效降低，還保證了產品質量。

1 工具設計

1.1 工具方案的確定

根據生產需要及鑄造合金規格的多少，確定要重新設計的整體蓋板為300 mm×1370 mm規格，此整體蓋板為通用蓋板，可鑄造300 mm×1370 mm規格及其以下的規格鑄錠。

1.2 工具總體的設計

工具的總體設計主要包括上面板、水箱、過度水框幾個部分，整體水框總裝圖如圖1所示。

1.上面板 2.過度水框 3.水箱圖1 整體水框總裝圖

1.3 面板的設計

上面板是與水箱配套使用的部件，水箱焊接在下端，結晶器放在其上端，主要起承重和支承作用，蓋板結構圖見圖2。

圖2 蓋板結構圖

上面板要有一定的強度、硬度，并能承受一定的壓力。另外上面板在現場使用過程中需經常吊運、發生碰撞，為了保證能夠長期使用，減少變形，使鑄錠產品質量穩定，上面板采用20～30 mm的整張A3鋼板加工而成,確保結晶器放在上面板上平穩。

1.4 水箱的設計

1.4.1鑄造凝固過程及對水箱的要求

水是鑄造的重要要素之一。鑄造時金屬的凝固和冷卻是通過鑄造水箱噴出的冷卻水實現的。冷卻水的強度和分布不僅影響鑄錠的表面、內部質量，還影響鑄錠的熱應力分布及鑄造的成敗。

因此，對鑄造來說，為了確保鑄錠成型，且獲得良好的表面及內部質量，要求水箱的結構能為鑄錠提供的均勻冷卻水和足夠的水冷強度。

1.4.2水箱的整體尺寸確定

(1)寬面冷卻區域長度

寬面冷卻區域長度=結晶器內腔寬面尺寸+兩倍的結晶其壁厚度+兩倍的結晶器與水箱安裝間隙，即L寬=1394+2×10+2×15=1444 mm。

(2)厚度方向上冷卻區域長度

厚度冷卻區域長度=結晶器內腔側面尺寸+兩倍的結晶器厚度+兩倍的結晶器與水箱安裝間隙。

寬面中心處沿厚度方向上冷卻區長度b1=314+20+2×15=364 mm；寬面兩端沿厚度方向上冷卻區長度b2=302+20+2×15=352 mm。

在保證水箱內腔有充足的水流量前提下，水箱總體尺寸確定為：2260 mm×1772 mm×131 mm。

1.4.3水孔尺寸和間距的確定

出水孔的大小和間距首先應保證冷卻的均勻性和足夠的冷卻水量。在出水孔總面積和水壓一定的情況下，縮小出水孔截面，使孔間距縮小，有利于均勻冷卻，但若出水孔過小，在鑄造過程中，出水孔易被臟物堵塞，導致鑄錠裂紋。綜合考慮上述因素，并結合鑄錠鑄速快、鑄造小方錠所需冷卻強度等特點，水箱共設計兩排水，第一排水水孔中心間距10 mm，水孔孔徑4 mm；第二排水水孔中心間距12 mm，水孔孔徑4.5 mm。

1.4.4出水孔角度的確定

出水孔的角度對鑄錠的冷卻影響較大，第一排水主要保護結晶器不被燒損，使鑄錠形成抵抗拉裂的凝殼，冷卻強度不易過大，以避免形成冷隔缺陷，因此其角度可設計為與鑄錠軸線呈60°角；

第二排水即二次水冷，出水孔對鑄錠中心線的傾角決定了鑄錠見水位置，噴水孔角度直接影響鑄造質量情況。角度過小，鑄錠見水晚，使冷卻強度降低；角度過大，冷卻水濺散，不能使冷卻水沿鑄錠均勻流下，亦降低冷卻效果，同時還有可能使水返到結晶器液面上造成事故。另外二次冷卻水的角度因合金和水箱的高度不同而不同，并且還要保證在結晶器下沿噴出，直接冷卻到鑄錠上，因此第二排水設計成45°，各排水濺水位置及擋水板位置見圖3。

圖3 水冷系統濺水位置示意圖

通過對以上因素的綜合考慮，設計出了300 mm×1370 mm規格的水箱，如圖4所示。

圖4 水冷系統總裝圖

此水冷系統還具有如下主要特點：

(1)水箱的四個角部加工了四個進水接頭，為水箱提供冷卻水。進水接頭直接座在過度水框上，既能減輕工人的勞動強度，又能保證水箱的定位準確。

(2)水箱最外側的兩個水腔尺寸比以前老式的水腔尺寸增大，使水腔內有充足的水流量，保證了鑄錠冷卻水的要求。(老式同時鑄造四根鑄錠的兩扇水箱，由于受井口尺寸的限制，最外側水腔的尺寸只能設計的非常窄，很難保證鑄錠冷卻水的要求)

(3)水箱兩側設計了臟物處理孔。水箱長期使用會在水箱內沉積較多的水垢及一些臟物，容易堵水箱出水孔，影響鑄造質量。此處理孔可隨時打開，對里面的臟物進行清理。

(4)水箱具有通用性。水箱兩側小面沒有加工出水孔，鑄造時使用小面單獨水箱，保證300 mm×1370 mm規格及其以下的規格都可以鑄造。

1.5 過度水框的設計

過渡水框主要是為水冷系統提供均勻的冷卻水，并取代了老式蓋板下面的墊高，可使蓋板的擺放位置準確，設計的過度水框結構如圖5所示。

過渡水框主要特點如下：

(1)四個角部設計四個出水管，為水箱提供冷卻水，并保證蓋板的擺放位置準確。另外還在出水管內加工了凹形槽，配合適當的橡皮墊圈，以保證密封好不漏水。

圖5 過度水框結構圖

(2)在過渡水框兩側設計了定位裝置。定位裝置主要是指過度水框與翻轉平臺的定位。鑄造工具擺放好位置后，將定位裝置與翻轉平臺焊接好，可保證每次更換工具時，工具位置都非常準確，減輕了工人的勞動力，而且還能避免因工具準備不好而造成的鑄錠彎曲、拉裂等廢品。

(3)過渡水框具有固定性。水框兩側各有6個進水方頭，在水管接好后，每次更換工具時，只需將蓋板吊走，水框固定不動。可避免工人重復進鑄造井內更換進水管，使鑄造工人的勞動強度得到明顯降低。

(4)過渡水框是采用槽鋼對焊而成，并對水腔內進行了防銹處理，防止長期使用產生銹渣，堵塞水孔。

2 試驗方案

本次試驗采用3005合金300 mm×1320 mm規格鑄造。

2.1 化學成分

3005合金的化學成分標準結果見表1。

表1 3005合金化學成分

3005鋁合金成分含量與3003鋁合金成分含量基本相同，在3003鋁合金基礎上增加了Mg為主要元素。有相關數據記載[1]Mg(≈0.3)能顯著地細化鋁-錳合金退火后的晶粒，并使其抗拉強度稍許提高。但同時也損害了退火材料的表面光澤度。

該合金為了鑄造成型避免鑄造過程中鑄錠產生裂紋，應嚴格控制Fe>Si，因為當Si大于Fe時，合金在574 ℃以共晶反應結束，而Fe大于Si時，由于Fe與Si和Mn優先形成三元相及四元相，大大降低了合金中游離硅的數量，從而使鑄錠的熱烈傾向降低。

因為Al-Mn合金中微量元素鐵能降低Mn在鋁中的溶解度。主要是Fe可溶于MnAl6中形成(FeMn)Al6化合物，但應保證鐵和錳之和不大于1.85%，否則形成大量(FeMn)Al6化合物的粗大片狀偏析聚集物，會顯著地降低合金的機械性能和工藝性能。

2.2 工藝流程

熔鑄工藝流程如下：原材料選擇→配料→煤氣爐熔煉→電爐調整成分→精煉→導爐→精煉→測氫→靜置→凈化處理→鑄造。

2.3 配料

2.3.1原材料的選擇

考慮到該合金Mn含量較高，Al-Mn中間合金中Mg含量的影響，Mn選用Mn添加劑加入，新鋁用量達到90%以上。

2.3.2爐料組成

爐料由原鋁錠、Fe劑、Mn劑、Mg錠組成。

2.4 熔煉及凈化工藝

合金的熔煉是在煤氣反射爐中進行的，為了保證其他雜質不超標，生產該合金前應連續生產10熔次以上純鋁。

保證元素的充分溶解，提高成分的均勻性，熔煉溫度控制在700～760 ℃。加入Mn添加劑時，熔體溫度要達到730 ℃以上，且添加劑分兩個爐門人工分散加入。為了減少Mg的燒損和控制Mg含量，加入Mg時，在電爐調整成分前加入，加入Mg后應立即撒入覆蓋劑再進行攪拌，取樣分析成分。為了提高熔體的純潔度，減少氫含量和渣含量，電爐出爐前采用Ar-Cl2混合氣體精煉10 min。

該合金導入靜置爐后用加入一定量鋁鈦中間合金細化晶粒，保護熔體質量，另外采用Ar-Cl2混合氣體精煉15 min，然后靜置30 min，并采用40 ppi陶瓷片過濾器進行過濾凈化。

2.5 鑄造

鑄造工藝參數見表2。

表2 3005合金鑄造參數

鑄造時采用110 mm寬的隔熱膜進行鑄造，保證鑄錠表面質量。

3 試驗結果與分析

3.1 鑄錠表面質量

采用以上工藝生產出的鑄錠表面沒有拉裂、夾渣、裂紋等表面缺陷，鑄錠表面偏析瘤較小，滿足使用要求。

3.2 鑄錠質量全分析

選取一塊成品鑄錠切1塊20～30 mm厚的試片，做化學成分、力學性能、低倍及高倍組織檢查，鑄錠各項檢測用試樣的位置見圖6。

A-01檢查低倍 B-01～06分析成分 C-01～14測機械性能 D-01～05檢查高倍圖6 試片取樣位置圖

3.2.1鑄錠化學成分

分析3005鋁合金中主要元素和微量元素，是否符合規定的化學成分，成分見表3。

在表3可以看出，從鑄錠中心到邊部Mn的含量都符合規定的化學成分(表1)，最高1.20%，最

低1.18%的差值不大，Mg含量均為0.34%，其他雜質含量均未出現超標現象，單個化學成分無偏析現象，生產出的3005合金成分符合國家標準要求。另外從中心到邊部的Fe含量均大于Si含量，并且Fe+Mn<1.85%，可以證明制定熔煉3005鋁合金工藝是合理的。

表3 3005合金鑄錠化學成分

注：B- 01～B- 06為鑄錠從中心到邊部

3.2.2鑄錠力學性能

從抗拉強度、屈服強度和延伸率角度分析該合金的力學性能，判定鑄造工藝是否合理，力學性能值見表4。

表4 3005合金鑄錠力學性能

從表4中分析，平均抗拉強度為163.919 MPa，該合金與其他系鋁合金相比強度不是很高。從單個試樣來看，處于鑄錠中心部位抗拉強度與屈服強度要低于邊部，這說明邊部受到冷卻速度比中心部分快，符合鑄造結晶規律。

3.3 鑄錠低倍組織

從圖7切取的低倍組織照片可以看出，鑄造過程中無夾雜物、氣孔、疏松，成層和裂紋、粗大金屬間化合物等冶金缺陷。

圖7 3005鋁合金低倍組織

3.4 鑄錠高倍組織

從圖8可以看出，從鑄錠的中心到邊部，晶粒的尺寸、枝晶間距逐漸變小，這說明邊部冷卻強度大，符合結晶規律。而且從夾雜物和疏松程度上觀察，中心部到邊部基本相同，說明所制定鑄造參數是合理的，不會造成中心部與邊部的金屬純凈度有很大差異。

4 結論

(1)新設計的整體水框完全可滿足使用要求。

(2)針對3005鋁合金制定熔鑄工藝參數是可行的。

圖8 3005合金鑄錠顯微組織與偏光照片

[1] 周家榮.鋁合金熔鑄生產技術問答[M].北京：冶金工業出版社，2008：195-208.

DesignandCastingProcessResearchfor300mm×1370mmWholeCoverPlate

TENG Zhi-gui, ZHANG Jun-ling, HUANG Yan-chao, WANG Ying-jun, XIE Yan-wen
(Northeast Light Alloy Co., Ltd. Harbin 150060, China)

The paper analyses problems of water cooling system in casting process, designs 300 mm×1370 mm whole cover plate, makes process research, gets qualified product, and effectively reduces labor intensity.

water cooling system； whole cover plate； casting process

2014-01-29

騰志貴(1977-)，男，黑龍江青岡人，工程師，大學本科，主要從事鋁合金鑄造模具的設計和新合金工藝研究等工作，現任東北輕合金有限責任公司熔鑄廠技術開發室主任。

張珺玲(1977-)，女，黑龍江望奎人，工程師，大學本科，主要從事設備備件及材料采購等工作，現任東北輕合金有限責任公司機電公司供銷部副科長。

TG146.21

B

1003-8884(2014)04-0037-06

黃巖超(1981-)，男，黑龍江克東人，工程師，大學本科，主要從事設備日常維護的管理工作，現任東北輕合金有限責任公司軋板廠機械作業區主任。