黃巖超， 殷云霞， 騰志貴， 賀 俊， 薛 鵬， 張忠偉

(東北輕合金有限責(zé)任公司， 哈爾濱 150060)

LD10合金Φ720mm鑄錠雙根鑄造工具設(shè)計(jì)及工藝研究

黃巖超， 殷云霞， 騰志貴， 賀 俊， 薛 鵬， 張忠偉

(東北輕合金有限責(zé)任公司， 哈爾濱 150060)

本文介紹了生產(chǎn)LD10合金Φ720 mm規(guī)格鑄錠雙根結(jié)晶器的設(shè)計(jì)與制作工藝，并對(duì)新設(shè)計(jì)的結(jié)晶器生產(chǎn)同種的合金進(jìn)行鑄錠質(zhì)量全分析，根據(jù)各項(xiàng)分析數(shù)據(jù)得出了初步結(jié)論。

結(jié)晶器；設(shè)計(jì)；LD10合金；生產(chǎn)工藝

0 前言

LD10合金屬于Al- Cu- Mg- Si系鋁合金，LD10合金Φ720 mm規(guī)格鑄錠由于工具的局限，采用單根鑄造方式生產(chǎn)。單根鑄造的生產(chǎn)方式使鋁熔體在爐內(nèi)停留時(shí)間過長(zhǎng)，增加了鋁熔體氧化吸氣的傾向性，嚴(yán)重影響了熔體的質(zhì)量和生產(chǎn)效率。為解決上述不足，設(shè)計(jì)了LD10合金Φ720 mm規(guī)格雙根鑄造工具，并運(yùn)用在生產(chǎn)中，不僅鑄錠質(zhì)量得到改善、生產(chǎn)效率得到提高，而且產(chǎn)生了巨大的經(jīng)濟(jì)效益。

1 Φ720 mm規(guī)格兩根鑄造工具的設(shè)計(jì)及加工制作工藝

1.1 水冷系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

冷卻水量是保證鑄錠成型和鑄錠內(nèi)部質(zhì)量的主要參數(shù)之一，因此水冷系統(tǒng)是否合理是生產(chǎn)出優(yōu)質(zhì)鑄錠的前提條件。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)鑄錠尺寸及生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)，設(shè)計(jì)出Φ720 mm雙根鑄錠的水冷系統(tǒng)(如圖1所示)，該水冷系統(tǒng)采用三排冷卻水，水量的大小可以單獨(dú)控制，以確保不同合金對(duì)不同的水冷強(qiáng)度的需要。

圖1 結(jié)晶器及其水冷系統(tǒng)的示意圖

1.2 結(jié)晶器的設(shè)計(jì)

結(jié)晶器起成形作用，是連續(xù)及半連續(xù)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(duì)鑄錠的組織，表面質(zhì)量、裂紋傾向有很大影響，是決定鑄錠質(zhì)量的關(guān)鍵部件。對(duì)結(jié)晶器的要求是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，便于安裝。

1.2.1結(jié)晶器材料的選擇

選擇的結(jié)晶器材料應(yīng)具有以下優(yōu)點(diǎn)：

(1)具有良好的導(dǎo)熱性；

良好的導(dǎo)熱性可以提高結(jié)晶器與熔體的熱交換能力，提高鑄錠的一次冷卻強(qiáng)度。

(2)具有足夠的強(qiáng)度；

結(jié)晶器應(yīng)具有高的強(qiáng)度，以抵抗冷卻水壓力、熔體靜壓力及其內(nèi)外表面溫度不一致而造成的熱應(yīng)力。

(3)具有良好的耐磨性；

良好的耐磨性可以防止因鑄錠表面粗糙而將結(jié)晶器表面磨損。

(4)具有足夠的剛度；

結(jié)晶器足夠的剛度可以保證鑄錠的正確形狀，避免結(jié)晶器壁扭曲變形。

(5)不為熔體所燒損，并與潤(rùn)滑油具有良好的磨合性能。

綜合上述要求，本設(shè)計(jì)采用12 mm厚的紫銅板作為結(jié)晶器材料，因?yàn)樽香~板具有硬度高、耐磨性好、導(dǎo)熱性優(yōu)良等綜合特性。

1.2.2結(jié)晶器內(nèi)腔形狀的確定

大直徑的圓鑄錠，內(nèi)套表面有一個(gè)高為30 mm、錐度為1∶10的錐度區(qū)。設(shè)計(jì)錐度區(qū)的目的是在結(jié)晶器壁和鑄錠之間優(yōu)先形成空氣隙，降低鑄錠外層在液面處的冷卻強(qiáng)度，減少或消除鑄錠表面冷隔。

1.3 結(jié)晶器高度的確定

結(jié)晶器的高度是連續(xù)鑄造中的重要工藝參數(shù)，結(jié)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(xiàn)曲率半徑較小的液穴，導(dǎo)致中心裂紋,同時(shí)還容易產(chǎn)生冷隔；結(jié)晶器過高時(shí)，鑄錠在結(jié)晶器內(nèi)停留時(shí)間較長(zhǎng)，鑄錠與結(jié)晶器壁間隙大，鑄錠被二次加熱的程度加劇，因此在脫離結(jié)晶器直接見水時(shí)易產(chǎn)生表面淬火性裂紋，并且鑄錠質(zhì)量有降低趨勢(shì)，綜合考慮，Φ720 mm規(guī)格結(jié)晶器高度確定為200 mm。

1.4 內(nèi)套下緣直徑

內(nèi)套下緣直徑是得到指定鑄錠直徑的決定性參數(shù)，其計(jì)算公式如下：

D=(d+2δ)×(1+ε)

(1)

式中D—內(nèi)套下緣直徑，mm；d—鑄錠名義直徑，mm；δ—鑄錠車皮厚度，mm；ε—鑄錠線收縮率，%。

車皮厚度取決于鑄錠表面質(zhì)量及用途，合金規(guī)格不同，對(duì)車皮的要求也不同。鑄錠的線收縮率與合金性質(zhì)、鑄造工藝參數(shù)和鑄錠直徑有關(guān)，通常在1.6～3.1%之間，本設(shè)計(jì)計(jì)算時(shí)取2.5%。

通過對(duì)以上幾個(gè)參數(shù)的確定，Φ720 mm規(guī)格結(jié)晶器形狀如圖2所示。

圖2 結(jié)晶器形狀示意圖

1.5 引錠頭及支架的設(shè)計(jì)

底座在鑄造開始時(shí)起成形和牽引作用，在鑄造過程中起支撐作用。為了避免鑄造時(shí)因熱膨脹而將底座卡在結(jié)晶器內(nèi)，底座所有橫斷面尺寸都應(yīng)比結(jié)晶器下緣相應(yīng)尺寸小1～2%。底座上面都開有小的燕尾槽，以防止鑄錠懸掛。燕尾槽以深度15 mm，寬度2～3 mm為宜，寬度過小起不到引錠作用；過大則鑄造終了時(shí)鑄錠可能取不下來，Φ720 mm規(guī)格結(jié)晶器引錠頭如圖3所示。

圖3 引錠頭及底座示意圖

2 試驗(yàn)過程

設(shè)計(jì)出的Φ720 mm規(guī)格雙根鑄造結(jié)晶器在LD10合金中進(jìn)行試驗(yàn)，為了保證試驗(yàn)和生產(chǎn)的順利進(jìn)行，工藝過程是決定材料性能的重要因素，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況，在現(xiàn)有條件下擬定比較合理的工藝，熔鑄工藝流程如下：

配料→電爐熔化及調(diào)整成分→靜置爐精煉、靜置→鑄造。

3 試驗(yàn)結(jié)果

3.1 表面質(zhì)量

通過雙根鑄造結(jié)晶器生產(chǎn)的鑄錠表面存在輕微偏析瘤，但與單根鑄造結(jié)晶器生產(chǎn)的鑄錠表面進(jìn)行對(duì)比，未見明顯差異。

3.2 低倍組織

使用Φ720 mm規(guī)格雙根鑄造結(jié)晶器生產(chǎn)的LD10合金鑄錠在其底部切取一片厚20～30 mm的試片，在試片上切取120 mm×120 mm的試樣進(jìn)行的低倍組織觀察，其低倍照片見圖4。

從圖4低倍組織照片可以看出，鑄錠無夾雜物、氣孔、疏松，裂紋等缺陷，晶粒細(xì)化良好，晶粒度1級(jí)。

圖4 LD10合金的低倍組織

3.3 化學(xué)成分

在鑄錠試片直徑方向上，由中心向邊部取6個(gè)20 mm×20 mm的試樣進(jìn)行化學(xué)成分分析，取樣位置及化學(xué)成分分析見表1。

表1 LD10合金化學(xué)成分

由表1可以看出，鑄錠不同點(diǎn)的成分在一定范圍內(nèi)有波動(dòng)，其中作為主元素的Cu，其含量由鑄錠中心到邊部有升高的趨勢(shì)，這也符合成分偏析規(guī)律 ，總體來說，該鑄錠成分均符合標(biāo)準(zhǔn)要求。

3.4 鑄錠微觀組織

在鑄錠試片直徑方向上，由中心向邊部取6個(gè)20 mm×20 mm的試樣進(jìn)行高倍組織分析，發(fā)現(xiàn)該鑄錠中心到邊部，晶粒的尺寸、枝晶間距逐漸變小，這說明邊部冷卻強(qiáng)度大，符合結(jié)晶規(guī)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(shù)是合理的，不會(huì)造成中心部與邊部的金屬純凈度有很大差異。

4 分析與討論

4.1 LD10合金中各合金元素的作用

Cu元素：Cu是變形鋁合金中重要的合金元素，有一定的固溶時(shí)效作用，此外時(shí)效時(shí)析出的CuAl2相有明顯的時(shí)效強(qiáng)化效果；

Si和Mg元素：Si和Mg同時(shí)加入熔體中，可以形成Mg2Si相，起到強(qiáng)化作用；

Mn元素：Al- Mn合金的共晶溫度為658℃。在合金中形成MnAl6相，提高再結(jié)晶溫度，并能顯著細(xì)化再結(jié)晶晶粒。

Ti元素：Ti做為一種合金元素，在電爐出爐前以Al- Ti- B絲的形式加入到熔體中，Ti與Al形成TiAl2相，起到細(xì)化鑄造組織的作用。但Ti的細(xì)化效果會(huì)隨著Ti加入時(shí)間的延長(zhǎng)而變?nèi)?，所以Ti不能在熔體中熔體停留過長(zhǎng)，以免失效。

4.2 熔體質(zhì)量

熔體的質(zhì)量包括熔體的純凈度、氣體含量、成分的均勻性等方面。熔體的質(zhì)量與熔煉方式、爐料結(jié)構(gòu)、液體金屬停留時(shí)間，是否采用在線除氣凈化等方面有關(guān)。采用雙根鑄造方式生產(chǎn)LD10合金Φ720 mm×4000 mm規(guī)格鑄錠時(shí)，靜置爐熔體停留時(shí)間會(huì)縮短至4 h以上，可以減輕熔體吸氣的傾向性，同時(shí)可以減輕因熔體停留時(shí)間過長(zhǎng)引起的比重偏析、熔體的氧化燒損等現(xiàn)象。

4.3 鑄造溫度

當(dāng)采用雙根方式生產(chǎn)LD10合金Φ720 mm規(guī)格鑄錠時(shí)，可以適當(dāng)降低鑄造除氣箱、過濾箱的溫度。

5 結(jié)論

(1)使用Φ720 mm規(guī)格雙根鑄造結(jié)晶器生產(chǎn)的LD10合金，其外觀、成分、組織均符合標(biāo)準(zhǔn)；

(2)雙根鑄造結(jié)晶器鑄造的LD10合金Φ720 mm規(guī)格鑄錠與單根鑄造對(duì)比，減少了鑄造時(shí)間，減輕了熔體吸氣、氧化的傾向性，有利于提高熔體的質(zhì)量；

(3)采用雙根鑄造LD10合金Φ720 mm規(guī)格鑄錠可以產(chǎn)生巨大的經(jīng)濟(jì)效益。

[1] 肖亞慶，謝水生，劉靜安.鋁加工技術(shù)使用手冊(cè)[M].北京：冶金工業(yè)出版社，2005.

DesignandProcessResearchofDoubleRootCastingToolofLD10AlloyΦ720mmIngot

HUANG Yan-chao， YIN Yun-xia， TENG Zhi-gui， HE Jun， XUE Peng， ZHANG Zhong-wei
(Northeast Light Alloy Co., Ltd. Harbin 150060, China)

This paper introduces design and production process of double root crystallizer for LD10 alloyΦ720 mm ingot, and analyses the alloy ingot quality, and gets the preliminary conclusions according to the analysis data.

crystallizer；design；LD10 alloy；production process

2014-10-26

黃巖超(1981-)，男，黑龍江克東人，工程師，大學(xué)本科，主要從事鋁加工設(shè)備研究。

TG27

A

1003-8884(2014)06-0022-04