何向問

(中色科技股份有限公司，河南 洛陽 471039)

近20年來鋁合金熔鑄技術發(fā)展迅猛，一些新的熔鑄技術生根發(fā)芽快速成長，尤其是近10年來，隨著人們對熔鑄產(chǎn)品重視度的提高，各種熔鑄技術遍地開花，以其各自不同的特點有針對性的服務于各個工序，以下將介紹一些近5～10年來具有代表性的熔鑄技術，主要包括熔體處理技術、鑄造技術、短流程鑄造技術和自動化智能化集成技術。

1 熔體處理技術

1.1 除堿裝置

采用電解鋁液直接配料的熔鑄車間，通常會面臨電解鋁液內(nèi)堿金屬含量高、氫含量高、渣含量高的問題。如果將未經(jīng)處理的電解鋁液直接轉入熔煉爐內(nèi)，爐內(nèi)的精煉壓力會增大，熔煉爐生產(chǎn)周期會加長；同時堿金屬的去除需要加入鹽類精煉劑或氯氣，對爐子的內(nèi)襯要求大大提高，同等條件下爐子的壽命也會相對降低。因此，如果將電解鋁液凈化這一工序提前控制在一個較小的鋁液包范圍內(nèi)，無論其在造渣量(相對于熔煉爐內(nèi))方面、廢氣的有組織回收方面還是熔煉爐的使用率和內(nèi)襯損耗方面均能產(chǎn)生較大的經(jīng)濟效益和環(huán)境效益。另外對于部分熔體質量要求不高的產(chǎn)品，可以不用經(jīng)過爐前除堿處理，直接進行后續(xù)爐內(nèi)精煉，而此時除堿裝置可用于其他生產(chǎn)線上電解鋁液的凈化，生產(chǎn)的靈活性較高。

爐前電解鋁液包內(nèi)的除堿工作原理是：采用專用鋁液車將電解鋁液包運至除堿裝置工作位，對正放好后，除堿裝置的轉子伸入包內(nèi)進行旋轉，噴入精煉氣體或精煉劑顆粒，完成精煉后，包內(nèi)產(chǎn)生的絕大部分鋁渣會上浮或下沉與中間的電解鋁液分離開，然后將干凈的電解鋁液轉注到熔煉爐內(nèi)，殘渣留在包內(nèi)定期清理。

除堿裝置按轉子數(shù)量分為單轉子和雙轉子兩種，按處理的鋁液包形式分為敞口包的除堿和真空包的除堿，如圖1所示。

1.2 爐側旋轉除氣裝置

熔煉爐、保溫爐內(nèi)一般都會對鋁熔體進行精煉，現(xiàn)代化的工廠對精煉有以下要求：①降低操作工勞動強度。目前一些精煉方法由人工拋灑精煉劑，人工攪拌均勻，工人操作量大，勞動強度高。②改善操作工作業(yè)環(huán)境。人工爐前精煉的方法，人員作業(yè)環(huán)境惡劣，安全性較差；高溫、有毒煙氣、灰塵等均對工人的職業(yè)健康造成危害。③降低精煉過程能源消耗。一些精煉過程需要長時間開啟爐門，熱量損失嚴重，能源消耗量較大。④減少環(huán)境污染。一些加精煉劑和攪拌的操作中，爐門開啟,部分有害煙氣會由爐門排到車間，污染環(huán)境。⑤精煉裝置結構簡單易維護。部分爐內(nèi)精煉方法在人工安全、節(jié)能和環(huán)保方面均能滿足要求，但是機構相對復雜，不易維護。爐側旋轉除氣的方式在爐內(nèi)精煉中能較好的滿足上述要求，具有很大優(yōu)勢。

(a)單轉子敞口包除堿裝置 (b)雙轉子真空包除堿裝置 圖1 除堿裝置Fig.1 Alkali removal device

爐側旋轉除氣裝置的工作原理是：在爐側或者爐門上預留一個供爐側旋轉除氣裝置轉子進出的小爐門，在大爐門關閉的情況下，通過與爐子進行信號交換，打開小爐門，使爐側旋轉除氣裝置的轉子伸入到爐池內(nèi)，精煉劑和精煉氣體通過旋轉的轉子噴入鋁熔體內(nèi)，同時起到了拋灑和攪拌的作用，無需人力介入。精煉完成后，轉子伸出爐外待下一次作業(yè)。爐側旋轉除氣裝置按其工作方式分為固定式和移動式，如圖2所示。

(a)固定式 (b)移動式 圖2 爐側旋轉除氣裝置Fig.2 Rotary degassing device at furnace side

2 鑄造技術

目前鑄造技術的發(fā)展主要集中在鑄造質量提升和鑄造安全性提升兩個方面。以下介紹的幾種鑄造技術是近5～10年在國內(nèi)引進并逐步發(fā)展起來的，具有一定的代表性。

2.1 扁錠的可調(diào)節(jié)能變形結晶器技術(Adjustable Flexible Mould)

可調(diào)結晶器的推出，通過調(diào)整結晶器短邊的間距，可實現(xiàn)一套結晶器完成多個厚度相同、寬度相近的扁錠鑄造，有效降低了結晶器的單位產(chǎn)能成本。而可調(diào)節(jié)能變形結晶器技術(AFM)與其有相似的作用，在鑄造之前可調(diào)整結晶器短邊距離，與其不同的是其在結晶器長邊上仍可以進行微調(diào)。可調(diào)節(jié)能變形結晶器技術(AFM)組成及原理見圖3。

圖3 可調(diào)節(jié)能變形結晶器技術(AFM)組成及原理圖Fig.3 Composition and schematic diagram of adjustable flexible mould technology (AFM)

針對不同合金結晶器長邊鑄錠的收縮率不同，提前可將大面的結晶器弧度進行微調(diào)，盡量減少錠尾膨脹和翹曲。另外在鑄造開始后，由于起鑄階段和平穩(wěn)鑄造時速度不同，大面的收縮發(fā)生變化，會引起錠尾膨脹和翹曲，此時可以在鑄造過程中微調(diào)結晶器的長邊達到一定的收縮補償，從而減小錠尾的膨脹。這種可調(diào)節(jié)能變形結晶器技術(AFM)在同等條件下，可進一步減少錠尾膨脹，提升成品率。

2.2 圓錠的低壓鑄造技術(Low Pressure Casting)

圓錠低壓鑄造技術主要用于改善鑄錠表面質量，其適用范圍為Φ127mm～Φ735mm。小規(guī)格、成分簡單的低合金圓鑄錠一般可通過氣滑鑄造技術來改善表面質量，而鑄造直徑較大、合金成分較復雜的硬質合金圓鑄錠時，可以考慮這種低壓鑄造技術改善其表面質量。

常規(guī)鑄造原理如圖4所示，鑄造時，在與結晶器接觸的固液帶上，液體凝固成固體時收縮，在固液帶內(nèi)部收縮面上受到了一個大氣壓+△P的壓力，而在收縮面外部只受到一個大氣壓的壓力，因此在這個收縮面上會多出一個△P的壓力。這個壓力會將固液帶內(nèi)尚未凝固的液體擠到收縮面邊緣，而收縮帶在收縮后與結晶器離開一段間隙，這時未凝固的液體就會將收縮帶表面二次熔化后析出，生成偏析瘤，使鑄錠表面質量變差。

為了解決這一問題，采用了如下方法(圖5)：封閉鑄造流盤上方，將流盤上方的空氣抽成近真空，在鑄造流盤下部開一個小的通氣管路，連接結晶器內(nèi)液面上方的空氣和外部大氣，使流槽內(nèi)液面上和結晶器內(nèi)液面上都只受到一個大氣壓，從而最大限度減少△P的大小；這樣收縮面上受到的壓差將大大減小，析出物也會減少或者消除，從而達到改善鑄錠表面質量的目的。

圖4圓錠常規(guī)鑄造原理圖 圖5圓錠低壓鑄造原理圖Fig.4 Schematic diagram of conventional casting of round ingot Fig.5 Schematic diagram of low pressure casting of round ingot

2.3 電磁攪拌鑄造技術

電磁鑄造技術不同于前面兩種鑄造技術的思路，它主要是通過增加外場，改善鑄造過程中鑄錠的內(nèi)部組織和表面質量，從而提高鑄錠性能。電磁鑄造技術國內(nèi)外已經(jīng)研究多年，但是市場上仍使用較少，主要是成本太高，除了國防軍工、航空航天等高端產(chǎn)品不計成本可能會使用外，其他產(chǎn)品應用上受限較大。相對于電磁鑄造技術，電磁攪拌鑄造技術的產(chǎn)生，一方面使成本得到了控制，另一方面延續(xù)了電磁鑄造的一些顯著的優(yōu)點。

電磁攪拌鑄造技術的優(yōu)勢：①能夠顯著改善高合金鑄錠成分均勻性，晶粒尺寸顯著細化；②鑄錠中心等軸晶率增加明顯、中間裂紋基本消除，偏析大大減少，表面質量得到提升。

以圓錠生產(chǎn)為例，如圖6所示，其工作原理為：在鑄造流盤上結晶器邊的水箱區(qū)域，安裝有一圈多個電磁攪拌器；鑄造進行時，電磁攪拌器通過磁場在正在凝固的鑄錠中產(chǎn)生電磁力，電磁力作用于鋁熔體上，通過控制電流變化改變電磁力的大小，從而控制鋁熔體的流動狀態(tài)，進而達到改善鑄錠內(nèi)部組織、提升成分均勻度、減少偏析和提高表面質量的目的。電磁攪拌鑄造技術的結晶器及鑄造流盤分別如圖7和圖8所示。

圖6 電磁攪拌鑄造原理圖Fig.6 Schematic diagram of electromagnetic stirring and casting

圖7電磁攪拌技術結晶器 圖8 電磁攪拌技術鑄造流盤Fig.7 Electromagnetic stirring technology mould Fig.8 Electromagnetic stirring technology casting flow plate

3 短流程鑄造技術

短流程鑄造技術是相對于需要熱軋開坯的工藝技術路線而言的，由于其將熔煉鑄造和后序軋制緊密結合起來，直接做成接近鋁加工廠的最終產(chǎn)品，因此這些技術很適合大規(guī)模生產(chǎn)單一產(chǎn)品。能耗低、占地面積小、生產(chǎn)成本低、人員占用少，這些優(yōu)點使其在綜合競爭中占據(jù)優(yōu)勢。 以下是兩種比較有特色的短流程鑄造技術。

3.1 Micro mill技術

Micro mill技術將鑄造和軋制兩道工序結合起來，鑄造時采用雙輥高速冷卻，高速鑄軋為水平式雙輥鑄軋，解決了傳統(tǒng)鑄軋技術的中心偏析問題和生產(chǎn)速度受限問題。該技術適用于生產(chǎn)5xxx和6xxx部分合金，主要產(chǎn)品是汽車內(nèi)外板坯料，其最大優(yōu)勢就是可以替代目前以熱軋開坯方式生產(chǎn)的汽車板。該工藝具有以下特點：①工藝流程短，傳統(tǒng)扁錠熱軋需要約20d才能將鋁熔體轉化成鋁卷，而Micro mill完成此項工作僅需20min；②占地面積小，能耗低，占地面積和能耗分別是傳統(tǒng)熱軋生產(chǎn)線的1/4和1/2；③產(chǎn)品綜合性能優(yōu)，凝固速度高，顯微組織得到了極大改善，晶粗細小。比傳統(tǒng)汽車鋁板的成形性提高40%，強度提高30%，為客戶提供了更大的設計靈活性和更好的車輛性能。

3.2 哈茲列特連鑄連軋技術

哈茲列特連鑄連軋技術由連鑄和連軋兩部分組成，核心在連鑄上。鑄造成型時，鋁熔體通過鑄嘴進入完全張緊的兩張鋼帶和兩條根據(jù)寬度可調(diào)節(jié)的矩形金屬塊鏈形成的模腔內(nèi)，鋼帶和金屬塊鏈同時運動，冷卻水通過冷卻鋼帶使模腔內(nèi)的熔體冷卻，從而完成鑄造。這種方法鑄造成型速度快，和后面的連軋機進行匹配，可生產(chǎn)1xxx、3xxx、8xxx和部分4xxx、5xxx、6xxx產(chǎn)品?？焖俚哪淌蛊滂T造速度較大，按照寬度1650mm、厚度19mm、鑄造速度7m/min～9m/min進行計算，其生產(chǎn)能力可達35t/h～45t/h,因此在大規(guī)模生產(chǎn)單一產(chǎn)品時有很大優(yōu)勢，如鋁箔坯料、建筑維護板、交通用板等。

4 自動化和智能化技術

4.1 超聲測液位技術

目前鑄造機前流槽內(nèi)液位的探測大多采用激光形式，但這種方式在使用過程中成本較高。激光發(fā)生器采用高壓壓縮空氣冷卻(一般要求大于0.7MPa)，而工廠里一般需要的壓縮空氣為0.4MPa～0.6MPa，因此為保證此處激光發(fā)生器的安全需要額外對普通壓縮空氣加壓或在站房內(nèi)增加高壓空壓機，造成公輔成本增加；另外，激光發(fā)生器本身價格較高，而且冷卻不好易損壞，運行維護成本較高。超聲測液位技術中所用的超聲發(fā)生器，不僅能夠滿足測量液位的精度要求，而且耐高溫、易維護，無需額外的配套設施。因此，這種新的超聲測液位技術以其較低的投入和運行成本將逐步替代激光測液位技術。目前該技術已經(jīng)有多家國外知名鑄造機廠家開始投入使用。

4.2 鑄造安全檢測及處理技術

鑄造過程中的安全一直是熔鑄技術中不可回避的一個重要問題，而起鑄階段人工對結晶器內(nèi)漏鋁的查看和及時處理是其中一個重要方面。傳統(tǒng)的人工查看可能會因為鑄造速度過快、人工堵漏反應不及時或漏鋁未發(fā)現(xiàn)而導致嚴重的漏鋁事件，甚至因漏鋁過多而導致爆炸事故，給人員和設備安全造成嚴重隱患。

以更易漏鋁的圓鑄錠生產(chǎn)為例，目前一些鑄造設備廠家正致力于研發(fā)一種能夠自動識別漏鋁和自動堵漏的自動化系統(tǒng)。如采用熱成像儀在鑄造鋁棒間巡回檢測，發(fā)現(xiàn)漏鋁的結晶器及時定位并報警，給操作人員足夠的反應時間，或者采用機械臂根據(jù)定位的信息直接自動堵漏。這一系統(tǒng)如能研發(fā)并實驗成功，將大大提高鑄造生產(chǎn)時漏鋁檢測的安全性和可靠性，同時可以相應的減少鑄造時的操作人員，降低人工成本。此技術目前尚不成熟，處在研發(fā)階段，部分設備廠家仍在積極嘗試。

4.3 自動化集成技術

熔鑄車間的設備比較集中，工序銜接較多，按照傳統(tǒng)的布局方式，設備間需要預留很多在制品周轉區(qū)，否則可能會難以組織生產(chǎn)。現(xiàn)在隨著各種單體設備自動化程度的提高，車間各級管理系統(tǒng)的完善，高度集成的自動化系統(tǒng)得以發(fā)展。通過自動化集成，車間各工序周轉時間可以大大縮短，操作工人顯著減少，生產(chǎn)的安全性和可靠性也大大提高。因鑄造成型階段危險性較大，工況比較復雜，各設備廠家正積極研發(fā)可靠的自動化智能化系統(tǒng)，而目前的自動化和智能化集成主要集中在鑄造工序之后的均熱、鋸切、探傷等工序，采用輥道、小車、機械臂、智能天車等實現(xiàn)具體操作。

這種技術目前在國內(nèi)一些知名企業(yè)已經(jīng)逐步使用，后期隨著人力資源成本的增加和人們對安全和效率的追求，自動化集成技術將逐步在各企業(yè)中普及。

5 結束語

熔鑄技術的發(fā)展一方面是提高產(chǎn)品的內(nèi)外部質量，另一方面是提高產(chǎn)品的生產(chǎn)效率，同時還應考慮生產(chǎn)的穩(wěn)定性、安全性和可靠性，保障生產(chǎn)在環(huán)保、節(jié)能方面的先進性。熔鑄新技術的推出正是在不斷的靠近和滿足上述需求，以自動化和智能化為手段，最終為下游加工產(chǎn)品提供高質量合格的坯料。各種熔鑄新技術有不同的技術特點，只有在充分了解和認清其特點的情況下才能選擇更為合適的技術，本文通過對各種熔鑄新技術的介紹，為讀者在熔鑄設備的選擇及更新?lián)Q代上提供參考。