杜志科 胡兆奇 王家峰

(1中色科技股份有限公司，河南 洛陽(yáng)471039)(2富威科技(吳江)有限公司，江蘇 蘇州215026)

制。如熔保爐熔體溫度和加熱體電源閉環(huán)，但是熔體溫度無(wú)法直接測(cè)量，且加熱響應(yīng)時(shí)間長(zhǎng)；由于鑄錠速度直接測(cè)量難度大，引錠機(jī)通常是引錠輥的線速度和驅(qū)動(dòng)電機(jī)閉環(huán)；結(jié)晶器的冷卻強(qiáng)度通常根據(jù)經(jīng)驗(yàn)設(shè)定，即使水量可以控制，控制曲線也是經(jīng)驗(yàn)繪制，而不是根據(jù)鑄造區(qū)工況調(diào)整。

其次是鑄造過(guò)程中，人工操作或者人工干預(yù)很少，操作對(duì)減少輔助時(shí)間影響不大。

另外，熔鑄設(shè)備的運(yùn)動(dòng)速度受合金鑄造性能限制，鑄造速度通常不可能太高，也可以說(shuō)是低速運(yùn)行，現(xiàn)代化設(shè)備的性能可以輕松達(dá)到鑄造速度要求，速度不是制約點(diǎn)。

因此鑄造設(shè)備的自動(dòng)化不能像其它設(shè)備一樣追求高速性能、操作的方便性、提高生產(chǎn)效率；而應(yīng)該是提高設(shè)備運(yùn)行的可靠性、可控性。

電氣自動(dòng)化裝置通過(guò)測(cè)量、反饋及時(shí)響應(yīng)調(diào)整達(dá)到鑄造工藝參數(shù)的要求，減少人工干預(yù)。當(dāng)實(shí)際運(yùn)行工況偏離設(shè)定值時(shí)，電氣系統(tǒng)自動(dòng)糾正，如果無(wú)法糾正說(shuō)明設(shè)備運(yùn)行異常，采取及時(shí)報(bào)警，均可有效提高設(shè)備可靠性，可控性。

2.4 熔鑄機(jī)組的核心是實(shí)現(xiàn)合金的穩(wěn)定鑄造，機(jī)組中的每臺(tái)設(shè)備都要圍繞鑄造運(yùn)行，后部設(shè)備應(yīng)盡量減少對(duì)鑄造的影響

熔鑄機(jī)組設(shè)備的組成較復(fù)雜，通常包括完成冶金功能的熔鑄保溫爐組，簡(jiǎn)稱(chēng)熔保爐。鑄造核心工藝設(shè)備結(jié)晶器(包括冷卻水系統(tǒng))，稱(chēng)作結(jié)晶器；為實(shí)現(xiàn)鑄造拉鑄工藝而設(shè)的牽引機(jī)或引錠機(jī)，統(tǒng)稱(chēng)為引錠機(jī)；為了滿足后道工序要求增設(shè)在線后續(xù)帶坯處理設(shè)備，如銑面機(jī)、剪切機(jī)或鋸切機(jī)、卷取機(jī)等后部設(shè)備。

由于鑄造過(guò)程工藝復(fù)雜影響因素多(如冷卻溫度、冷卻強(qiáng)度、結(jié)晶器入口壓力、拉鑄速度、帶坯出口溫度等)，而上述因素又無(wú)法直接測(cè)量，不能實(shí)現(xiàn)閉環(huán)控制，因此達(dá)到穩(wěn)定的鑄造工況并非易事。為了鑄造合格帶坯，機(jī)組中的熔保爐、結(jié)晶器、引錠機(jī)都必須穩(wěn)定可靠，滿足鑄造工藝的的要求。

機(jī)組在線后部設(shè)備完成附加功能，它是鑄造機(jī)組的附加設(shè)備，在運(yùn)行時(shí)，對(duì)鑄造的影響必須減少到最低。

2.5 結(jié)晶器結(jié)構(gòu)、冷卻方式及配套鑄造工藝

銅合金結(jié)晶器種類(lèi)繁多，結(jié)構(gòu)各異，冷卻水室及冷卻水系統(tǒng)也各有千秋。概括講結(jié)晶器應(yīng)熱傳導(dǎo)均勻，導(dǎo)熱系數(shù)要高。就具體結(jié)構(gòu)來(lái)說(shuō)結(jié)晶器總體強(qiáng)度要求高，尤其是在高溫環(huán)境下變形要小；傳熱導(dǎo)體的材料應(yīng)選擇熱膨脹系數(shù)小的，受熱時(shí)形狀穩(wěn)定，即使受熱不均勻時(shí)局部變形要小，不能影響熱傳導(dǎo)的分布。常用材料有鍛造高銅合金、銀銅、銅鉻鋯合金、高強(qiáng)石墨等。零件的接觸面要求接觸嚴(yán)實(shí)，不能有局部空隙，如石墨與冷卻銅套之間的平面度要在5級(jí)以上；冷卻水室內(nèi)部分布均勻，且在不影響強(qiáng)度的情況下，盡量靠近結(jié)晶區(qū)；冷卻水分配裝置應(yīng)控制冷卻水流在結(jié)晶器內(nèi)均勻，并且可以根據(jù)鑄造情況適當(dāng)調(diào)整。

2.6 在熔鑄設(shè)備中降低單位產(chǎn)品的能耗，減少環(huán)境污染是永無(wú)止境的探索方向

熔鑄設(shè)備是有色金屬加工行業(yè)的耗能大戶(hù)，也是污染大戶(hù)，正說(shuō)明節(jié)能減排技術(shù)在熔鑄領(lǐng)域大有發(fā)展?jié)摿Α，F(xiàn)在有的科技人員正在通過(guò)綜合治理，探索減少爐組單位產(chǎn)品能耗的方法，實(shí)踐中有一定的效果，希望盡快推廣。

3 銅合金熔鑄設(shè)備技術(shù)發(fā)展方向

上述總結(jié)了熔鑄設(shè)備的技術(shù)要點(diǎn)，以此為出發(fā)點(diǎn)探索分析其技術(shù)發(fā)展的方向。

3.1 突破現(xiàn)有鑄造工藝限制，探索高速鑄造的工藝和裝備

高速鑄造在鋁合金鑄造中已是成熟技術(shù)，其鑄造速度是傳統(tǒng)鑄造速度的數(shù)倍，且鑄坯的金相組織明顯改善，可避免合金的偏析，如超薄高速鑄軋、高硅鋁半連續(xù)鑄造等。但銅合金鑄造技術(shù)在這方面探索較少，首先應(yīng)從結(jié)晶器內(nèi)部結(jié)構(gòu)出發(fā)，創(chuàng)建全新的鑄造工藝和設(shè)備。比如探索新型結(jié)晶器的冷卻水路結(jié)構(gòu)，提高冷卻強(qiáng)度和熱交換場(chǎng)的一致性，改善鑄坯的結(jié)晶組織，有效提高鑄造速度。國(guó)外試制的全石墨材料結(jié)晶器可提高鑄造速度兩倍，我們也應(yīng)多方面探索。

3.2 延長(zhǎng)鑄造周期，尤其是連續(xù)鑄造

要提高結(jié)晶器使用壽命，減少結(jié)晶器內(nèi)腔或石墨模的損耗，提高結(jié)晶器單周期使用壽命，同時(shí)要優(yōu)化與設(shè)備相適應(yīng)的鑄造工藝。

3.3 通過(guò)建立鑄造控制數(shù)學(xué)模型，實(shí)現(xiàn)鑄造工藝全自動(dòng)控制

由于現(xiàn)有設(shè)備只能實(shí)現(xiàn)機(jī)械設(shè)備自身的閉環(huán)控制，因此鑄造設(shè)備的自動(dòng)化大有可為，自動(dòng)化的研究可以從下面幾點(diǎn)突破。

首先要探索直接檢測(cè)測(cè)量的方法，檢測(cè)元件和檢測(cè)系統(tǒng)必須變間接測(cè)量為直接測(cè)量。如爐溫測(cè)量現(xiàn)采用熱電偶通過(guò)保護(hù)套測(cè)量，測(cè)量誤差大，需要周期性人工快速熱電偶矯正，如果有一種熱電偶可以長(zhǎng)期與熔體接觸，連續(xù)輸出測(cè)量溫度，才能真正實(shí)現(xiàn)爐溫控制；帶材出口溫度多為手動(dòng)測(cè)量，由于帶材表面氧化層不均勻，顏色變化大，激光測(cè)量也無(wú)法做到高精度測(cè)量，同樣需要直接測(cè)量帶溫的方法；再深入探討應(yīng)該解決在線檢測(cè)鑄造帶坯質(zhì)量的理論和方法，通過(guò)檢測(cè)帶材質(zhì)量參數(shù)即時(shí)調(diào)整工藝，目前這方面應(yīng)該說(shuō)是技術(shù)空白。

再則建立機(jī)組數(shù)字化、系統(tǒng)化的控制理論?，F(xiàn)在機(jī)組各個(gè)控制點(diǎn)自成系統(tǒng)，參數(shù)單獨(dú)控制，如爐溫、冷卻水流量、拉鑄速度等均是單項(xiàng)控制，需要建立機(jī)組統(tǒng)一系統(tǒng)，根據(jù)鑄造情況系統(tǒng)控制。前提是數(shù)字化控制，這方面最迫切的是爐溫的檢查和控制。熔鑄控制系統(tǒng)不像軋制工藝響應(yīng)頻率越高越好，而要考慮鑄造響應(yīng)速度低的特點(diǎn)，即鑄造滯后時(shí)間長(zhǎng)，當(dāng)參數(shù)調(diào)整后其效果往往數(shù)分鐘，甚至十幾分鐘后才能顯現(xiàn)。因此控制系統(tǒng)必須考慮滯后現(xiàn)象。

最后建立與軋制類(lèi)似的自適應(yīng)二級(jí)系統(tǒng)。由于銅加工合金品種繁雜，類(lèi)似系統(tǒng)比鋁加工更有實(shí)際意義。首先要建立各個(gè)合金的模擬鑄造數(shù)學(xué)模型，通過(guò)不斷實(shí)踐矯正，優(yōu)化工藝參數(shù)，通過(guò)爐溫、冷卻水流量、拉鑄速度等系統(tǒng)控制提高鑄造質(zhì)量和效率。

3.4 輔助鑄造技術(shù)的應(yīng)用

如電磁輔助鑄造技術(shù)已在個(gè)別銅加工廠試驗(yàn)，取得了不少成功經(jīng)驗(yàn)，目前要做好推廣工作。爐組和結(jié)晶器氮?dú)獗Ｗo(hù)鑄造，可以減少氧化，降低含氧量，提高鑄坯質(zhì)量。

3.5 大力推廣節(jié)能減排技術(shù)

熔鑄生產(chǎn)是銅加工工業(yè)的能耗大戶(hù)、污染大戶(hù)，應(yīng)大力加強(qiáng)減排增效措施。如提高爐組的熱效率、科學(xué)加蓋熔體覆蓋劑減少金屬損耗、有效的煙塵收集系統(tǒng)、冷卻水閉式循環(huán)重復(fù)使用等，這些措施簡(jiǎn)單易行，效果明顯。

4 銅帶水平連鑄典型技術(shù)參數(shù)及說(shuō)明

銅帶水平連鑄機(jī)組見(jiàn)圖2。

某銅帶水平連鑄幾種典型技術(shù)參數(shù)：

合金：黃銅、青銅、錫磷青銅等銅合金帶坯卷材

同時(shí)生產(chǎn)兩條帶坯：每條寬450mm-330mm,厚14mm-16mm(未銑面)

成品卷規(guī)格

卷材內(nèi)徑： φ500-800mm

卷材外徑： φ1800mm

最大卷重： 6000kg

成品厚度及偏差

厚度： 14-16mm

圖2 銅帶水平連鑄機(jī)組

橫向公差： 0.10mm

縱向公差： 0.15mm

生產(chǎn)能力： 1-1.5t/h

熔化爐熔化能力：1.65t/h

保溫爐熔化能力：1t/h

保溫爐溫度控制范圍±10℃

最大推拉力： 50KN

推拉速度： 1.5-70mm/sec

平均最大鑄造速度： 300mm/min

最小行程范圍： 0.1mm

最短停歇時(shí)間： 0.01sec

帶坯上下面各銑削深度： max=1.5mm

銑刀的切削速度： 150、200、250mm/min 三種

該機(jī)組參數(shù)的確定充分體現(xiàn)了鑄造設(shè)備的技術(shù)要點(diǎn)。為了保證機(jī)組可靠運(yùn)行，正常鑄造最大推拉力在10KN左右，設(shè)計(jì)值達(dá)到50KN；引錠機(jī)最小行程范圍0.1mm和最短停歇時(shí)間0.01sec滿足了鑄造工藝精確要求；受工藝限制實(shí)際平均最大鑄造速度不可能達(dá)到200 mm/min，而設(shè)備確定為300mm/min；銑面機(jī)正常銑削深度0.5 mm，而設(shè)備能力選擇1.5mm且有三種速度選擇。熔煉爐綜合考慮熔煉能力和能耗，熔化能力選擇1.65t/h，是最大鑄造要求1.1 t/h的的1.5倍。保溫爐熔化能力1t/h體現(xiàn)了保溫爐要求控制熔體溫度，需要小功率連續(xù)加熱的特性。

[1] 肖文奎 李耀群《銅及銅合金熔煉與鑄造技術(shù)》冶金工業(yè)出版社 2007

[2] 杜志科《450mm鋅白銅帶坯水平連鑄機(jī)組技術(shù)特點(diǎn)》《有色金屬加工》2005年第06期

[3] 杜志科，趙明, 朱學(xué)北, 《銅板帶加工設(shè)備研發(fā)概述》《2005中國(guó)首屆國(guó)際銅板帶研討會(huì)文集》 冶金工業(yè)出版社 2005