鋁合金用φ405mm規格整體水箱的設計與工藝研究

李海仙，滕志貴，胥健秋，王英軍，賈 寧，郭 強

（東北輕合金有限責任公司，哈爾濱 150060）

鋁合金用φ405mm規格整體水箱的設計與工藝研究

李海仙，滕志貴，胥健秋，王英軍，賈 寧，郭 強

（東北輕合金有限責任公司，哈爾濱 150060）

介紹了鋁合金用φ405mm規格整體水箱的設計與加工，并將該成型工具應用于6A02合金φ405mm鑄錠的鑄造，對鑄錠質量進行了分析，結果表明設計的整體水箱可以滿足鑄錠的使用要求。

φ405mm規格；整體水箱；6A02合金

0 前言

圓鑄錠主要采用老式結晶器直接水冷半連續鑄造的方式進行生產。老式結晶器在生產中存在如下缺點：（1）傳統工具制作、使用復雜、維護繁瑣；（2）傳統工具二次水由出水孔噴出，在冷卻水雜質較多的情況下，易導致出水孔堵塞、造成二次水冷不均、嚴重時會導致鑄錠裂紋、成層、拉裂等缺陷；（3）更換工具繁瑣，增加了工人勞動強度，更換工具時間長，降低生產效率。

為了降低勞動強度、提高鑄錠質量，設計制造了一體式φ405mm規格圓鑄錠整體水箱，并在6A02合金中進行了應用。

1 整體水箱的設計及加工工藝研究

整體水箱工具分為結晶器、整體蓋板和過渡水框三個部分，其總裝示意圖如圖1。

圖1 總裝圖示意圖

1.1 結晶器

結晶器起成形作用，是連續及半連續鑄造用的錠模，俗稱冷凝槽，它不僅決定鑄錠的形狀和尺寸，而且對鑄錠的組織、表面質量、裂紋傾向有很大影響，是決定鑄錠質量的關鍵部件。對結晶器的要求是結構簡單，便于安裝。

1.1.1 結晶器材料的選擇

（1）具有良好的導熱性。良好的導熱性可以提高結晶器與液體的熱換交換能力，提高鑄錠的一次冷卻強度。

（2）具有足夠的強度。結晶器應具有高的強

度，以抵抗冷卻水壓力、熔體靜壓力及其內外表面溫度不一致而造成的熱應力。

（3）具有良好的耐磨性和一定的硬度，以防止表面粗糙的鑄錠將結晶器表面磨損。

（4）具有足夠的剛度，以保證鑄錠的正確形狀，并避免器壁扭曲變形。

（5）不為熔體所燒損，并與潤滑油具有良好的磨合性能。

綜合上述要求，本設計采用Al-Si-Cu-Mg系鍛件作為結晶器材料。

1.1.2 結晶器關鍵參數的設計

結晶器的關鍵參數有結晶器高度、結晶器直徑和結晶器下緣倒角。結晶器的示意圖如圖2。

圖2 結晶器示意圖

（1）結晶器高度。結晶器的高度是連續鑄造中的重要工藝參數，結晶器過矮，鑄錠直接見水較早，鑄錠周邊的凝固層厚，容易在鑄錠中部出現曲率半徑較小的液穴，導致中心裂紋，同時還容易產生冷隔。結晶器過高時，鑄錠在結晶器內停留時間較長，鑄錠與結晶器壁間隙大，鑄錠被二次加熱的程度加劇，鑄錠表面偏析嚴重，見水時易產生表面淬火性裂紋，加大了機械加工量造成金屬浪費。通過綜合考慮，φ405mm規格結晶器設置高度為205mm。

（2）結晶器下緣直徑的確定。內套下緣直徑是得到指定鑄錠直徑的決定性參數，其計算公式如下[1]：

式中，D為內套下緣直徑，mm；d為鑄錠名義直徑，mm；δ為鑄錠車皮厚度，mm；ε為鑄錠線收縮率，%。

車皮厚度取決于鑄錠表面質量及用途，合金規格不同，對車皮的要求也不同。鑄錠的線收縮率與合金性質、鑄造工藝參數和鑄錠直徑有關，本設計計算時取2.5%。通過以上幾個參數的確定，結晶器內表面距離上部20㎜處有一個高為30㎜、錐度為1∶10的錐度區。錐度區的目的：金屬液面通常控制在錐度區，其目的是在結晶器壁和鑄錠之間優先形成空氣隙，降低鑄錠外層在液面處的冷卻強度，減少或消除鑄錠表面冷隔。

（3）結晶器下緣倒角的確定。合理的下緣倒角可以在保證鑄錠冷卻的同時，避免水花飛濺，降低了水資源的浪費，因此，結晶器下緣倒角確定為與水平成30°角 。

1.2 蓋板

1.2.1 蓋板設計

將蓋板和水箱設計成整體式，如圖3。

圖3 蓋板示意圖

蓋板由蓋板進水孔、水箱、出水孔、排污孔和結晶器支撐板等5個主要部分組成。蓋板的水冷系統由4個進水孔、水箱和6組出水孔（每組出水孔兩排水眼）組成。在設計進水口和出水孔時，一般要求出水口的總截面積小于進水孔的截面

積，該蓋板中上排出水口為74mm×φ3.5mm，下排出水孔為89mm×φ4.5mm，出水孔內徑規格為4mm×φ202mm。

蓋板設置排污孔的目的是水中雜質堵塞出水孔時，使雜質在出水孔處排除。結晶器支撐架對結晶器起到固定作用。

1.2.2 水箱及蓋板的材質

蓋板使用30mm厚的A3鋼板加工而成，焊接在水箱上面，起支承和防止變形作用；水箱是用1Cr18Ni9Ti不銹鋼板焊接而成，主要是為了防止鋼板生銹掉渣，臟物進入結晶器內，堵塞水孔，使鑄錠產生裂紋等缺陷。

1.3 過渡水框

過渡水框是放在翻轉平臺上固定不動的裝置，為水箱提供冷卻水，并且能夠保證鑄造工具定位準確，結構如圖4所示。

圖4 過渡水框結構圖

在過渡水框兩側各有8個進水方頭，冷卻水通過軟管與其連接，為水箱提供充足的冷卻水。

2 整體水箱的試驗

2.1 試驗方案

結合6A02鋁合金φ405mm規格鑄錠的生產進行試驗。選取φ405mm規格整體水箱生產的6A02合金的合格鑄錠切20～30mm厚試片，做低倍、高倍、化學成分及力學性能的檢查。

2.2 試驗結果及分析

2.2.1 鑄錠的組織

鑄錠現場成型情況良好，表面無拉裂、夾渣及冷隔等鑄造缺陷，符合標準要求。

依次在試片心部、1/4處及邊部切取3個試樣進行高倍組織檢測，檢測結果如圖5。

圖5 6A02鋁合金φ405mm規格整體水箱生產鑄錠的高倍組織

從圖中可以看出，鑄錠組織均勻，未見較大晶內及晶間偏析物存在。晶粒從鑄錠邊部至心部逐漸增大，符合結晶規律。

2.2.2 化學成分分析

依次在試片心部、1/4處及邊部切取3個試樣進行化學成分分析，檢測結果如表1。

表1 6A02合金化學成分（質量分數/%）

該合金各元素含量較低，因而偏析傾向性小，從表中數據也可以看出，鑄錠中各元素分布均勻，未見明顯偏差，符合成品要求。

2.2.3 力學性能檢測

分別在試片的中心厚度至邊部切取20mm×120mm試樣，編號1～4號，分別進行規定非比例伸長應力RP0.2（如圖6）、抗拉強度Rm（如圖7）及相對伸長率A測量（如圖8）。同時與普通結晶器所鑄鑄錠各項進行對比，具體情況如下：

圖6 規定非比例伸長應力RP0.2

圖7 抗拉強度Rm相對伸長率/A

圖8 相對伸長率A

從圖6中可以看出，總體來看整體水箱結晶器RP0.2值明顯高于普通結晶器所生產鑄錠，均勻性上也相對較好，在試片1/4處優越較大。

對比兩種工具生產鑄錠，可以看出，在靠近鑄錠中心部位，整體水箱結晶器生產鑄錠強度較高，雖然在1/4處及邊部強度存在一定的波動，但總體波動相對較小，說明鑄錠組織更加均勻致密，強度更加穩定。

由圖8可看出，兩種不同工具生產鑄錠相對伸長率基本相同，塑性基本一致，均符合要求。

3 結論

通過現場跟蹤及后期試片分析結果，可得出結論，工裝工具改進后，安裝簡便，在很大程度上降低了工人勞動強度，在一定程度上提高了生產效率。鑄錠現場成型良好，未見表面缺陷。從試片分析結果看，成分、組織及性能檢測結果均滿足工藝要求。

[1] 肖亞慶，謝永生，劉靜安，等. 鋁加工技術使用手冊[M].北京：冶金工業出版社，2005

（編輯：余東梅）

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LI Hai-xian，TENG Zhi-gui，XU Jian-qiu，WANG Ying-jun, JIA Ning, GUO Qiang
(Northeast Light Alloy Co., Ltd., Harbin 150060, China)

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φ 405 mm specifications；integrated water tank ；6A02 alloy

TG29

B

1005-4898（2016）03-0004-05

10.3969/j.issn.1005-4898.2016.03.01

李海仙（1978-），女，山西平遙人，高級工程師。

2015-12-23