鋁及鋁合金圓錠鑄造結(jié)晶器的應(yīng)用研究

郭 偉

（中國鋁業(yè)股份有限公司貴州分公司，貴州貴陽 550000）

世界鋁（包括再生鋁）產(chǎn)量的85%以上被加工成板、帶、條、箔、管、棒、型、線、鑄件、壓鑄件、沖壓件及其深加工件等鋁及鋁合金產(chǎn)品。無論何種鋁及鋁合金產(chǎn)品，其鑄錠（件）的質(zhì)量都直接關(guān)系到材料的使用性能[1]。鋁及鋁合金圓錠（亦稱為圓棒）鑄造，屬于鋁鑄錠中的一種重要生產(chǎn)形式，國內(nèi)普遍采用是半連續(xù)同水平熱頂鑄造工藝，即鋁液通過圓錠鑄造平臺，經(jīng)鑄造平臺表面流槽、分流盤、導(dǎo)管等耐火材料引流至結(jié)晶器，在結(jié)晶器內(nèi)經(jīng)一次弱初冷和二次強水冷后，再通過引錠頭將凝固的圓錠向下自動牽引，從而制備成規(guī)定長度的鋁及鋁合金圓錠產(chǎn)品。

目前，同水平熱頂鑄造工藝因其自動化程度高，且生產(chǎn)的圓錠具有鑄錠組織均勻、力學(xué)性能好、表面缺陷少等特點，在鋁及鋁合金圓錠鑄造生產(chǎn)中得到了廣泛推廣引用[2]。而熱頂鑄造中的結(jié)晶器作為給圓錠提供結(jié)晶、成型重要的部件，對圓錠的表面外觀（如裂紋、氣孔、疏松、夾渣、偏析、冷隔等）及內(nèi)部理化性能（如強度、延展性等）均有著重要影響。

1 圓錠鑄造結(jié)晶器分類

由于安裝及生產(chǎn)需要，圓錠鑄造結(jié)晶器的結(jié)構(gòu)通常設(shè)計為外方內(nèi)圓結(jié)構(gòu)，外方結(jié)構(gòu)主要是便于在鑄造平臺上的安裝固定，使得結(jié)晶器在平臺上的布局更加緊湊[3]；內(nèi)圓結(jié)構(gòu)則是為圓錠鑄造提供圓形結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)，并與下端的圓形引錠頭配合完成圓錠鑄造。圓錠鑄造結(jié)晶器常用金屬鋁材質(zhì)，一方面金屬鋁具有優(yōu)良的熱傳導(dǎo)性能，可使結(jié)晶器具有良好的散熱性能，輔助鋁液在結(jié)晶器內(nèi)快速冷卻降溫，另一方面金屬鋁具有加工性能好、強度高等特點，適合結(jié)晶器復(fù)雜的結(jié)構(gòu)，有利于降低結(jié)晶器生產(chǎn)成本。結(jié)晶器的結(jié)構(gòu)可分為分體式和一體式，二者在使用過程中各有優(yōu)缺點。

1.1 分體式結(jié)晶器

分體式結(jié)晶器的結(jié)構(gòu)示意圖如圖1 所示。圖1表明，分體式結(jié)晶器包括結(jié)晶器上環(huán)和結(jié)晶器下環(huán)兩部分，上環(huán)和下環(huán)通過對角設(shè)計的螺栓孔組合配套。其中，通過結(jié)晶器下環(huán)外側(cè)均布的四個圓孔，將結(jié)晶器固定在鑄造平臺上，結(jié)晶器上環(huán)內(nèi)部臺階設(shè)置石墨環(huán)放置處。分體式結(jié)晶器更換成本較低，可分別根據(jù)上環(huán)和下環(huán)損壞情況進行單獨更換，并且還可任意組合使用，從而有效降低了結(jié)晶器使用成本。

圖1 分體式結(jié)晶器結(jié)構(gòu)示意圖

分體式結(jié)晶器的生產(chǎn)工藝包括單獨的上環(huán)和下環(huán)加工，然后再組裝，組裝配合完成后，再進行安裝石墨環(huán)，其中石墨環(huán)安裝在結(jié)晶器上環(huán)內(nèi)部的階梯圓孔內(nèi)，分體式結(jié)晶器的具體生產(chǎn)工藝如圖2 所示。

圖2 分體式結(jié)晶器生產(chǎn)工藝流程圖

1.2 一體式結(jié)晶器

一體式結(jié)晶器的結(jié)構(gòu)示意圖如圖3 所示。圖3表明，一體式結(jié)晶器將上環(huán)和下環(huán)組合為一體，并在內(nèi)部設(shè)置一圈的多排冷卻水孔，從而加強冷卻，冷卻水孔角度控制在30°～45°，保證冷卻強度更高。在一體式結(jié)晶器冷卻水孔外側(cè)通常增加一條過濾網(wǎng)帶，避免雜質(zhì)堵住內(nèi)部冷卻水孔，影響冷卻強度。另外，一體式結(jié)晶器的石墨環(huán)位于內(nèi)部中間臺階處，與分體式位置差不多。一體式結(jié)晶器重量更輕、材料更節(jié)省、安裝也更加便捷，且總高度也較同規(guī)格的分體式結(jié)晶器低10 mm～20 mm.但一體式結(jié)晶器出現(xiàn)損壞需要整個更換，更換成本較高。

圖3 一體式結(jié)晶器結(jié)構(gòu)示意圖

一體式結(jié)晶器的生產(chǎn)工藝包括制作模具、毛坯澆注、機加工、調(diào)質(zhì)處理和放石墨環(huán)，如圖4 所示。其中模具大多采用石墨材質(zhì)，并按規(guī)格大小制成類似結(jié)構(gòu)的毛坯，可減少后期機加工余量，提高機加工效率。毛坯澆注采用6 系鋁合金，熔融后澆入石墨模具，并經(jīng)調(diào)質(zhì)處理提高毛坯的致密性和強度。

圖4 一體式結(jié)晶器生產(chǎn)工藝流程圖

綜上，從重量、安裝效率、使用成本等進行分析對比，分體式結(jié)晶器和一體式結(jié)晶器的優(yōu)缺點見表1 所示。值得注意的是，分體式結(jié)晶器雖然分為上環(huán)和下環(huán)兩部分加工，但機加工難度較一體式結(jié)晶器更加簡單，機加工成品率更高。

表1 分體式結(jié)晶器和一體式結(jié)晶器優(yōu)缺點對比

2 結(jié)晶器內(nèi)石墨環(huán)使用要求及尺寸要求

2.1 結(jié)晶器內(nèi)石墨環(huán)使用要求

無論是分體式結(jié)晶器還是一體式結(jié)晶器，都需要在結(jié)晶器內(nèi)部安裝石墨環(huán)，石墨環(huán)結(jié)構(gòu)如圖5 所示。石墨環(huán)在結(jié)晶器內(nèi)的作用主要有兩個：第一是對鋁液進行初次弱冷卻，高溫鋁液在與石墨環(huán)接觸后便開始進入冷卻結(jié)晶，隨后結(jié)晶器內(nèi)部的循環(huán)冷卻水對鋁液進行二次強冷卻；第二是對圓錠起到潤滑作用，使得圓錠向下拉伸凝固更加順暢，同時保證圓錠表面更加光滑。

圖5 石墨環(huán)結(jié)構(gòu)示意圖

基于上述兩個作用，通常要求石墨環(huán)采用高純石墨，擁有良好的強度、致密度和潤滑功能，具體性能要求如表2 所示。另外，隨著鑄造技術(shù)的不斷提升，進口的油氣潤滑石墨由于其石墨環(huán)內(nèi)壁可以透氣透油，而不會滲鋁，從而起到增加圓錠的鑄造速度、降低鑄錠殼層及晶粒度細化的作用，同時提高后續(xù)深加工的優(yōu)良率，滿足高端鋁制品的使用性能要求[4]。除了材質(zhì)對石墨環(huán)的使用有影響外，石墨環(huán)的設(shè)計高度對石墨環(huán)是否滿足鑄造工藝要求，也具有非常重要的作用。通過采用不同高度設(shè)計的石墨環(huán)鑄造對比分析發(fā)現(xiàn)，高度較低的石墨環(huán)（≤30 mm）具有更好的鑄造效果[5]，一般多為20 mm.生產(chǎn)實踐證明，通過降低石墨環(huán)高度，一定程度上確實可減輕圓錠表層的偏析程度、提高鑄造速度、減少圓錠波浪和拉花缺陷。

表2 石墨環(huán)理化指標(biāo)要求

2.2 結(jié)晶器內(nèi)石墨環(huán)尺寸要求

石墨環(huán)與結(jié)晶器內(nèi)部的臺階尺寸必須配合緊密，因為石墨環(huán)上端有導(dǎo)管壓住，下端有臺階頂住，使得石墨環(huán)在引流半熔高溫鋁液時不會產(chǎn)生移位。另外，石墨環(huán)裝進結(jié)晶器內(nèi)部后，常溫在外力作用下須保證不會脫落。為此，在設(shè)計石墨環(huán)直徑尺寸的時候，通常將其設(shè)計比結(jié)晶器內(nèi)部放置石墨環(huán)的直徑小0.3 mm～0.5 mm，放置石墨環(huán)前需加熱結(jié)晶器使其體積膨脹，加熱溫度一般控制在400 ℃以上。另外，對于圓錠直徑而言，石墨環(huán)的內(nèi)徑尺寸通?？刹捎靡韵鹿潭ü剑?/p>

φ內(nèi)徑=φ圓錠×1.025.

表3 羅列我公司生產(chǎn)的幾款常規(guī)圓錠直徑、石墨環(huán)內(nèi)徑尺寸和結(jié)晶器放置石墨環(huán)尺寸的對照表，石墨環(huán)壁厚一般設(shè)計為5 mm～10 mm.從表3 可以看出，隨著圓錠直徑的增加（大于φ300 mm），結(jié)晶器多采用一體式結(jié)構(gòu)，因為一體式結(jié)晶器高度更低、冷卻強度大、重量輕、安裝更加方便，且大直徑圓錠每個鑄造平臺生產(chǎn)數(shù)量較少（4～10 根），相比于數(shù)量在100 根以上的小直徑圓錠生產(chǎn)，大直徑圓錠結(jié)晶器損壞概率低，使用更換成本相對不會太高。

表3 圓錠直徑、石墨環(huán)內(nèi)徑尺寸和結(jié)晶器放置石墨環(huán)尺寸對照表

為此，從生產(chǎn)實踐得出，分體式結(jié)晶器適用于圓錠直徑≤300 mm 的熱頂鑄造工藝，一體式結(jié)晶器適用于圓錠直徑＞300 mm 的熱頂鑄造工藝。另外，分體式結(jié)晶器和一體式結(jié)晶器使用過程中的損壞形式基本相同，主要包括正常裝配磨損、熱處理損傷、外力機械損傷以及事故處理變形破壞等損壞形式。

3 結(jié)語

1）同水平熱頂圓錠鑄造工藝中，常用的結(jié)晶器可分為分體式和一體式結(jié)構(gòu)，由于分體式結(jié)晶器使用成本低、同規(guī)格上下環(huán)可任意組合使用，多用于小直徑（小于300 mm）圓錠鑄造平臺；一體式結(jié)晶器冷卻強度高、材料節(jié)省、重量輕、安裝方便，多用于大直徑（300 mm 以上）圓錠鑄造平臺。

2）分體式結(jié)晶器和一體式結(jié)晶器的生產(chǎn)工藝均采用6 系鋁合金澆注成型毛坯，再經(jīng)機加工制備而成，分體式包括結(jié)晶器上環(huán)和下環(huán)分開制作，裝配后安裝石墨環(huán)；一體式結(jié)晶器由于使用要求較高，增加調(diào)質(zhì)處理工藝用以增強增韌。

3）無論分體式結(jié)晶器還是一體式結(jié)晶器，內(nèi)部石墨環(huán)要求純度高（含碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)≥99%）、顆粒細（≤0.05 mm）、強度高（≥30 MPa）；石墨環(huán)高度則控制越低越好（H≤30 mm），一般多為20 mm，使圓錠實現(xiàn)矮結(jié)晶，有利于提升圓錠力學(xué)性能，提高鑄造成品率。

4）石墨環(huán)內(nèi)徑尺寸設(shè)計為圓錠直徑的1.025倍，且結(jié)晶器放置石墨環(huán)臺階外徑比石墨環(huán)外徑尺寸小0.3 mm～0.5 mm，石墨環(huán)放置時采用加熱結(jié)晶器加熱到400 ℃以上時放入。