鋁合金扁錠鑄造冷卻水水質影響因素分析及控制措施

崔家雖 張能發

(青海橋頭鋁電股份有限公司， 青海 西寧 810100)

0 前言

由于國內鋁加工行業不斷在鋁合金產品壁厚、質量、綜合性能等方面攻堅克難，鋁合金產品質量有大幅度的提升，廣泛應用到交通、建筑、包裝、電子等領域。某公司鋁合金扁錠鑄造機設備先進，自動化程度高，鑄造工藝參數控制精準，為了發揮鑄造設備工裝精良優勢，不斷嘗試生產高精尖鋁合金扁錠。鋁合金扁錠鑄造參數主要有冷卻速度、鑄造速度、鑄造溫度、結晶器高度，其中影響冷卻速度的因素包含冷卻水的水質、水溫、水壓和流量等，其大小和匹配程度是決定鋁合金熔體凝固成形的關鍵參數之一，對扁錠內部組織結構、力學性能、表面質量有直接的影響[1]。在冷卻水壓和流量條件具備的情況下，冷卻水的水質尤為重要。影響冷卻水水質指標的因素較多，為保證鋁合金扁錠產品質量，針對冷卻水質較差、水質不穩定等問題，某公司采取了相應控制措施，取得了明顯的成效。

1 冷卻水水質影響因素

某公司扁錠鑄造濁循環水系統主要為大小兩條扁錠鑄造生產線的冷卻循環提供用水。在廠內設有濁循環水泵站，由冷、熱水池、循環水泵房、水處理設施及循環水管網等構成。設冷、熱水池各1座，有效容積為800 m3，冷水泵3臺(2用1備)、熱水泵3臺(2用1備)、冷卻塔2臺。另設自清洗過濾器1臺進行旁通過濾，濁循環水系統最大設計流量為870 m3/h。鋁合金扁錠冷卻循環水系統如圖1所示。

圖1 扁錠冷卻循環水系統示意圖

1.1 濁循環水系統運行方式

現使用的扁錠濁循環水系統為敞開式，運行狀況不佳，存在以下主要問題：1)夏季連續循環運行，冷卻塔年久失修，填充料內部結垢嚴重，冷卻塔內蒸發水與空氣接觸散發量大，水溫不能有效控制；2)濁循環水系統無軟化水系統，水的硬度不易控制；3)冷、熱水池內長期存放水，水容易變質，水垢、懸浮物、浮游生物等對設備有害的物質長期存在，并腐蝕水管及水處理設備，導致設備使用壽命縮短。

1.2 扁錠鑄造方式

扁錠鑄造方式有多種，包括鋁制油潤滑結晶器、石墨片結晶器、紫銅結晶器、熱頂結晶器等，每種鑄造方式有各自優缺點。從對循環冷卻水的水質影響來看，由于鋁制油潤滑結晶器鑄造使用的鑄造油較多，冷卻水沖刷鑄錠表面時，潤滑油混入冷卻水中，對冷卻水的水質產生不良影響。

原立式直接冷凝大扁錠鑄造機，采用低液位石墨片結晶器鑄造技術。該技術使用優質的鑄造油浸泡石墨片或在石墨片上均勻涂刷鑄造油，石墨片內部會滲入鑄造油[2]。在扁錠鑄造過程中，石墨片與高溫鋁液直接接觸，鑄造油會滲出，對鑄錠起到潤滑作用，可以防止鑄錠向下運動與石墨片產生摩擦粘連。由于滲出的鑄造油量很少，其對鑄造冷卻水的水質影響非常小。但由于國內加工的石墨片性能達不到要求，大部分依靠進口，價格昂貴，壽命短，生產成本高。為此，多數熔鑄企業為降低生產成本選擇了改造的鋁制油潤滑結晶器。

使用鋁制油潤滑結晶器進行扁錠鑄造時，鑄造油通過結晶器油眼流出，防止鑄錠與鋁制結晶器粘連，平均油用量為1.5 L/鑄次。鑄造油進入冷卻水中，無法溶解，即使采用多級水過濾器也無法過濾去除，長期存在冷卻水中，導致冷卻水含油量持續增加，最高達到了284.36 mg/L。冷卻水含油量變化見表1。

表1 冷卻水含油量變化

經過長時間生產，冷、熱水池、鑄井和管路內產生大量鑄造油，鑄造油與水中的雜物混合形成厚油泥，程度較輕時，影響鑄造結晶器水流量參數平衡，從而導致產品質量出現缺陷；程度嚴重時，水池底部沉積大量的油泥，水面漂浮的油污較多，造成結晶器的過濾器堵塞，導致鑄造失敗。

鋁合金扁錠鑄造引錠頭與結晶器嚙合距離為2～3 mm，隨著使用時間的延長，引錠頭進入結晶器的距離會越來越大。正常鑄造生產時，該間隙不能過大或過小，如果間隙過大，鑄造開始時金屬會流出；如果間隙過小，引錠頭受熱膨脹后會與結晶器產生摩擦被卡住。一旦引錠頭與結晶器間隙過大，通常會在間隙中塞入報紙或硅酸纖維紙、繩等，而這些材料進入鑄井冷卻水中，也會造成冷卻水污染，影響水質指標。

1.3 扁錠鑄造生產量

鋁合金扁錠的生產為半連續式。生產飽和時，每天鑄造生產4～5鑄次，甚至更多；生產量少時，幾天、十幾天不生產。這也是影響水質的因素之一。

鋁合金扁錠生產量變化頻繁，生產飽和時，扁錠冷卻水循環頻繁，循環過程中會造成大量水蒸發損失，鑄造過程中產生的油污及水中存留的雜質、懸浮物含量也在循環系統中增加，導致冷卻水的硬度上升，最高達到10.72 mmol/L(表2)。高硬度水直接接觸高溫鑄造扁錠表面時，在熱交換過程中，水中的Ca2+、Mg2+等離子在結晶器內和引錠頭表面形成一定厚度的水垢，影響鑄造冷卻強度，輕則產生質量缺陷，重則破壞鋁液成錠的熱平衡，導致鑄造失敗。

表2 冷卻水硬度變化

不生產時，為不讓2 000多噸的冷卻水浪費，將水儲存在系統的冷、熱水池中， 長期半密封儲存的冷卻水與空氣中的氧氣接觸，在一定的環境溫度條件下發生變化，水質變差。隨著儲存時間延長，水質會越來越差，冷卻水中的有機物、微生物增加，導致水中懸浮物含量超標。

1.4 補水量及水質

鋁合金扁錠鑄造機鑄井、冷卻塔處于敞口狀態，鑄造用循環冷卻水在生產循環過程中與空氣接觸，大量水通過冷卻塔冷卻時不斷被蒸發損失，導致水中各種礦物質和離子含量也不斷增加。為了維持各種礦物質和離子含量穩定在某一個定值，必須在系統冷、熱水池內補充一定量的新水，同時排出一定量的污水[3]。簡單地通過排、補水無法有效控制水質在適當范圍。每天的補水量、新水水質、硬度、pH值、堿度等指標均會影響冷卻水系統內的水質指標。

2 控制措施

2.1 改進設備運行方式

在原設計中，鋁合金扁錠鑄造循環冷卻水系統的管路上設有旁通過濾——在鑄造機旁設1臺自清洗過濾器進行全過濾，以防止冷卻水中的雜物進入扁錠鑄造冷卻水分配系統中。但是當扁錠生產量增加時，差水質會對過濾系統進出口壓力的穩定造成較大影響。為使冷卻水系統過濾器進、出口出水壓偏差控制在0.02 MPa以內，對現行的設備運行方式進行優化如下：1)利用每爐鑄造結束冷卻扁錠的時間，對扁錠濁循環水系統過濾器進行沖洗和排污，污水進入污水處理系統，處理達標后再補入水池中，實現循環利用；2)扁錠鑄造前啟動鑄造機的過濾器進行沖洗和排污，當進出口水壓波動小于0.02 MPa，水流量小于2 m3/h時，方可啟動鑄造生產；3)每年至少清理兩次濁循環冷卻水系統的冷、熱水池，拆解清理管路上的過濾器，清理結束后，補入合適指標的冷卻水，對管路進行循環清理，并排污置換水。

2.2 優化鑄造工藝

在鋁合金扁錠鑄造過程中，由于工藝使用的鑄造油、硅酸鋁纖維氈等物體進入鑄井冷卻水中，導致水質變差。為控制水質指標，需優化扁錠鑄造工藝條件，控制措施有：1)定期打磨扁錠引錠頭，有破損處進行補焊修復，盡量減少或不使用硅酸鋁纖維氈等物體填縫；2)采用可降解且能溶解于冷卻水的鑄造油，控制鑄造油量，以及采用在結晶器表面涂油貼膜等鑄造方式，減輕鑄造油對冷卻水的影響；3)每爐鑄造結束后，使用目數高的砂紙對結晶器表面進行打磨，以提高結晶器表面光滑度，減輕鑄錠表面與結晶器表面摩擦，避免鑄錠表面出現拉裂質量缺陷，從而優化扁錠鑄造工藝，減輕其對冷卻水水質的影響。

2.3 連續穩定生產

扁錠生產與冷卻水管控之間是相輔相成的關系，扁錠生產連續穩定有益于冷卻水水質指標控制，如可減少冷卻水循環頻次、水蒸發量和鑄造過程中產生的油污雜物等；冷卻水水質控制得當有助于扁錠連續生產、工藝參數穩定以及質量缺陷減少，以及減少因扁錠鑄造失敗而導致生產中斷的次數。確保生產連續，提高水質管控，可從以下幾方面改進：1)固定扁錠產品銷售渠道；2)每月生產的產品合金規格相對不變，每天固定4～5鑄次，保證相對長時間的穩定生產；3)人員操作要求基本固化，工藝參數條件相對穩定；4)新產品開發、設備改造減少；5)生產設備運行健康，嚴格按照設備管理制度要求開展設備檢修維護工作；6)生產計劃安排合理，避免長時間停產。

2.4 選擇合適的補水量

為能摸索出相對合適的補水量，在2020年扁錠生產量基本固定的情況下，通過多次試驗，逐步增加補水量，分析檢測所補入冷卻水水量對濁水指標的影響，結果見表3。補水指標監測分析結果見表4。

表4 補水水質分析

由表3數據可以看出，每天穩定鑄造4～5爐次、產量240～280 t條件下，當補水量平均為51 t/d時，扁錠濁循環水硬度上升較快；當補水量平均為202 t/d時，扁錠濁循環水硬度趨于維持平穩；當補水量平均為297 t/d時，扁錠濁循環水質硬度具有下降趨勢，效果明顯。因此，要保持良好的循環冷卻水水質，平均補水量應選擇為200 t/d左右。如果要使較高的冷卻水硬度在短時間內下降，平均補水量應選擇為300 t/d左右。補水的硬度需要滿足2.5～3.5 mmol/L。

表3 補水量對扁錠濁循環水硬度的影響

3 效果分析

通過采取上述控制措施，并對實際應用情況進行跟蹤，扁錠鑄造用冷卻水的硬度、pH、電導率、堿度、濁度、懸浮物、油量等水質指標較之前有明顯的改善(表5)，均在鑄造用水內控值范圍內，對提升穩定扁錠鑄造工藝參數和產品質量起到了重要的作用。

表5 改善后冷卻水水質指標

4 結束語

在鋁合金扁錠生產中，循環冷卻水水質控制方法有很多，方法的時效性、快捷性、成本、可操作性、對環境的污染是需要考慮的因素。通過跟蹤分析多次試驗，根據不同季節、不同水質情況，采用改進設備運行方式，優化扁錠鑄造工藝，連續穩定扁錠生產，選擇合適的補水量等措施，解決了水質差、水溫高影響鑄造工藝條件的問題，扁錠濁循環水系統水質得到了明顯的改善，水溫也滿足工藝參數要求，全年完成高端品質的鋁合金扁錠產品5.68萬t，同時節省了水質控制成本，減少了達標水排放量，取得了明顯的效果。