崔家雖 張能發(fā)

(青海橋頭鋁電股份有限公司， 青海 西寧 810100)

0 前言

由于國內(nèi)鋁加工行業(yè)不斷在鋁合金產(chǎn)品壁厚、質(zhì)量、綜合性能等方面攻堅克難，鋁合金產(chǎn)品質(zhì)量有大幅度的提升，廣泛應(yīng)用到交通、建筑、包裝、電子等領(lǐng)域。某公司鋁合金扁錠鑄造機設(shè)備先進，自動化程度高，鑄造工藝參數(shù)控制精準，為了發(fā)揮鑄造設(shè)備工裝精良優(yōu)勢，不斷嘗試生產(chǎn)高精尖鋁合金扁錠。鋁合金扁錠鑄造參數(shù)主要有冷卻速度、鑄造速度、鑄造溫度、結(jié)晶器高度，其中影響冷卻速度的因素包含冷卻水的水質(zhì)、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(guān)鍵參數(shù)之一，對扁錠內(nèi)部組織結(jié)構(gòu)、力學(xué)性能、表面質(zhì)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(zhì)尤為重要。影響冷卻水水質(zhì)指標的因素較多，為保證鋁合金扁錠產(chǎn)品質(zhì)量，針對冷卻水質(zhì)較差、水質(zhì)不穩(wěn)定等問題，某公司采取了相應(yīng)控制措施，取得了明顯的成效。

1 冷卻水水質(zhì)影響因素

某公司扁錠鑄造濁循環(huán)水系統(tǒng)主要為大小兩條扁錠鑄造生產(chǎn)線的冷卻循環(huán)提供用水。在廠內(nèi)設(shè)有濁循環(huán)水泵站，由冷、熱水池、循環(huán)水泵房、水處理設(shè)施及循環(huán)水管網(wǎng)等構(gòu)成。設(shè)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(shè)自清洗過濾器1臺進行旁通過濾，濁循環(huán)水系統(tǒng)最大設(shè)計流量為870 m3/h。鋁合金扁錠冷卻循環(huán)水系統(tǒng)如圖1所示。

圖1 扁錠冷卻循環(huán)水系統(tǒng)示意圖

1.1 濁循環(huán)水系統(tǒng)運行方式

現(xiàn)使用的扁錠濁循環(huán)水系統(tǒng)為敞開式，運行狀況不佳，存在以下主要問題：1)夏季連續(xù)循環(huán)運行，冷卻塔年久失修，填充料內(nèi)部結(jié)垢嚴重，冷卻塔內(nèi)蒸發(fā)水與空氣接觸散發(fā)量大，水溫不能有效控制；2)濁循環(huán)水系統(tǒng)無軟化水系統(tǒng)，水的硬度不易控制；3)冷、熱水池內(nèi)長期存放水，水容易變質(zhì)，水垢、懸浮物、浮游生物等對設(shè)備有害的物質(zhì)長期存在，并腐蝕水管及水處理設(shè)備，導(dǎo)致設(shè)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(jié)晶器、石墨片結(jié)晶器、紫銅結(jié)晶器、熱頂結(jié)晶器等，每種鑄造方式有各自優(yōu)缺點。從對循環(huán)冷卻水的水質(zhì)影響來看，由于鋁制油潤滑結(jié)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(zhì)產(chǎn)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(jié)晶器鑄造技術(shù)。該技術(shù)使用優(yōu)質(zhì)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(nèi)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(chǎn)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(zhì)影響非常小。但由于國內(nèi)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(chǎn)成本高。為此，多數(shù)熔鑄企業(yè)為降低生產(chǎn)成本選擇了改造的鋁制油潤滑結(jié)晶器。

使用鋁制油潤滑結(jié)晶器進行扁錠鑄造時，鑄造油通過結(jié)晶器油眼流出，防止鑄錠與鋁制結(jié)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(dǎo)致冷卻水含油量持續(xù)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(jīng)過長時間生產(chǎn)，冷、熱水池、鑄井和管路內(nèi)產(chǎn)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(jié)晶器水流量參數(shù)平衡，從而導(dǎo)致產(chǎn)品質(zhì)量出現(xiàn)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(jié)晶器的過濾器堵塞，導(dǎo)致鑄造失敗。

鋁合金扁錠鑄造引錠頭與結(jié)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(jié)晶器的距離會越來越大。正常鑄造生產(chǎn)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(jié)晶器產(chǎn)生摩擦被卡住。一旦引錠頭與結(jié)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(zhì)指標。

1.3 扁錠鑄造生產(chǎn)量

鋁合金扁錠的生產(chǎn)為半連續(xù)式。生產(chǎn)飽和時，每天鑄造生產(chǎn)4～5鑄次，甚至更多；生產(chǎn)量少時，幾天、十幾天不生產(chǎn)。這也是影響水質(zhì)的因素之一。

鋁合金扁錠生產(chǎn)量變化頻繁，生產(chǎn)飽和時，扁錠冷卻水循環(huán)頻繁，循環(huán)過程中會造成大量水蒸發(fā)損失，鑄造過程中產(chǎn)生的油污及水中存留的雜質(zhì)、懸浮物含量也在循環(huán)系統(tǒng)中增加，導(dǎo)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(jié)晶器內(nèi)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(chǎn)生質(zhì)量缺陷，重則破壞鋁液成錠的熱平衡，導(dǎo)致鑄造失敗。

表2 冷卻水硬度變化

不生產(chǎn)時，為不讓2 000多噸的冷卻水浪費，將水儲存在系統(tǒng)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(huán)境溫度條件下發(fā)生變化，水質(zhì)變差。隨著儲存時間延長，水質(zhì)會越來越差，冷卻水中的有機物、微生物增加，導(dǎo)致水中懸浮物含量超標。

1.4 補水量及水質(zhì)

鋁合金扁錠鑄造機鑄井、冷卻塔處于敞口狀態(tài)，鑄造用循環(huán)冷卻水在生產(chǎn)循環(huán)過程中與空氣接觸，大量水通過冷卻塔冷卻時不斷被蒸發(fā)損失，導(dǎo)致水中各種礦物質(zhì)和離子含量也不斷增加。為了維持各種礦物質(zhì)和離子含量穩(wěn)定在某一個定值，必須在系統(tǒng)冷、熱水池內(nèi)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(zhì)在適當(dāng)范圍。每天的補水量、新水水質(zhì)、硬度、pH值、堿度等指標均會影響冷卻水系統(tǒng)內(nèi)的水質(zhì)指標。

2 控制措施

2.1 改進設(shè)備運行方式

在原設(shè)計中，鋁合金扁錠鑄造循環(huán)冷卻水系統(tǒng)的管路上設(shè)有旁通過濾——在鑄造機旁設(shè)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(tǒng)中。但是當(dāng)扁錠生產(chǎn)量增加時，差水質(zhì)會對過濾系統(tǒng)進出口壓力的穩(wěn)定造成較大影響。為使冷卻水系統(tǒng)過濾器進、出口出水壓偏差控制在0.02 MPa以內(nèi)，對現(xiàn)行的設(shè)備運行方式進行優(yōu)化如下：1)利用每爐鑄造結(jié)束冷卻扁錠的時間，對扁錠濁循環(huán)水系統(tǒng)過濾器進行沖洗和排污，污水進入污水處理系統(tǒng)，處理達標后再補入水池中，實現(xiàn)循環(huán)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(dāng)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(chǎn)；3)每年至少清理兩次濁循環(huán)冷卻水系統(tǒng)的冷、熱水池，拆解清理管路上的過濾器，清理結(jié)束后，補入合適指標的冷卻水，對管路進行循環(huán)清理，并排污置換水。

2.2 優(yōu)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(dǎo)致水質(zhì)變差。為控制水質(zhì)指標，需優(yōu)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(fù)，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(jié)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(jié)束后，使用目數(shù)高的砂紙對結(jié)晶器表面進行打磨，以提高結(jié)晶器表面光滑度，減輕鑄錠表面與結(jié)晶器表面摩擦，避免鑄錠表面出現(xiàn)拉裂質(zhì)量缺陷，從而優(yōu)化扁錠鑄造工藝，減輕其對冷卻水水質(zhì)的影響。

2.3 連續(xù)穩(wěn)定生產(chǎn)

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

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(chǎn)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(jié)果見表3。補水指標監(jiān)測分析結(jié)果見表4。

表4 補水水質(zhì)分析

由表3數(shù)據(jù)可以看出，每天穩(wěn)定鑄造4～5爐次、產(chǎn)量240～280 t條件下，當(dāng)補水量平均為51 t/d時，扁錠濁循環(huán)水硬度上升較快；當(dāng)補水量平均為202 t/d時，扁錠濁循環(huán)水硬度趨于維持平穩(wěn)；當(dāng)補水量平均為297 t/d時，扁錠濁循環(huán)水質(zhì)硬度具有下降趨勢，效果明顯。因此，要保持良好的循環(huán)冷卻水水質(zhì)，平均補水量應(yīng)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(nèi)下降，平均補水量應(yīng)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(huán)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(yīng)用情況進行跟蹤，扁錠鑄造用冷卻水的硬度、pH、電導(dǎo)率、堿度、濁度、懸浮物、油量等水質(zhì)指標較之前有明顯的改善(表5)，均在鑄造用水內(nèi)控值范圍內(nèi)，對提升穩(wěn)定扁錠鑄造工藝參數(shù)和產(chǎn)品質(zhì)量起到了重要的作用。

表5 改善后冷卻水水質(zhì)指標

4 結(jié)束語

在鋁合金扁錠生產(chǎn)中，循環(huán)冷卻水水質(zhì)控制方法有很多，方法的時效性、快捷性、成本、可操作性、對環(huán)境的污染是需要考慮的因素。通過跟蹤分析多次試驗，根據(jù)不同季節(jié)、不同水質(zhì)情況，采用改進設(shè)備運行方式，優(yōu)化扁錠鑄造工藝，連續(xù)穩(wěn)定扁錠生產(chǎn)，選擇合適的補水量等措施，解決了水質(zhì)差、水溫高影響鑄造工藝條件的問題，扁錠濁循環(huán)水系統(tǒng)水質(zhì)得到了明顯的改善，水溫也滿足工藝參數(shù)要求，全年完成高端品質(zhì)的鋁合金扁錠產(chǎn)品5.68萬t，同時節(jié)省了水質(zhì)控制成本，減少了達標水排放量，取得了明顯的效果。