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        300mm×1370mm整體蓋板的設(shè)計(jì)及鑄造工藝研究

        2014-09-03 10:54:12騰志貴張珺玲黃巖超王英軍謝彥文
        有色設(shè)備 2014年4期
        關(guān)鍵詞:鑄錠結(jié)晶器蓋板

        騰志貴,張珺玲,黃巖超,王英軍,謝彥文

        (東北輕合金有限責(zé)任公司, 黑龍江 哈爾濱 150060)

        300mm×1370mm整體蓋板的設(shè)計(jì)及鑄造工藝研究

        騰志貴,張珺玲,黃巖超,王英軍,謝彥文

        (東北輕合金有限責(zé)任公司, 黑龍江 哈爾濱 150060)

        本文分析了目前現(xiàn)場(chǎng)使用的鑄造水冷系統(tǒng)存在的問(wèn)題,設(shè)計(jì)了300 mm×1370 mm規(guī)格整體蓋板,并進(jìn)行了工藝研究,生產(chǎn)出了合格的鑄錠產(chǎn)品,另外改進(jìn)后的蓋板使工人勞動(dòng)強(qiáng)度得到了有效降低。

        水冷系統(tǒng); 整體蓋板; 鑄造工藝

        0 前言

        東北輕合金公司熔鑄廠從建廠到現(xiàn)在使用的是普通DC方錠鑄造工具,每個(gè)規(guī)格蓋板為兩扇,比較落后,在鑄造翻轉(zhuǎn)臺(tái)上還有墊高板,工具定位不夠準(zhǔn)確,因此鑄造精度達(dá)不到要求,鑄錠表面偏析較大,不但增加銑面量,造成金屬損失,并且鑄錠經(jīng)常出現(xiàn)彎曲、裂紋、拉裂等廢品,成品率受到很大影響。另外這種裝備工人每次更換水箱時(shí)操作非常不方便,需要下鑄造井頻繁更換井水接頭,勞動(dòng)強(qiáng)度非常大。所以進(jìn)行了方錠水冷系統(tǒng)的改進(jìn),取消墊高,增加過(guò)渡水框,蓋板直接吊放在過(guò)渡水框上面,每次更換工具時(shí)只需將整體蓋板直接吊走,使工人勞動(dòng)強(qiáng)度得到了有效降低,還保證了產(chǎn)品質(zhì)量。

        1 工具設(shè)計(jì)

        1.1 工具方案的確定

        根據(jù)生產(chǎn)需要及鑄造合金規(guī)格的多少,確定要重新設(shè)計(jì)的整體蓋板為300 mm×1370 mm規(guī)格,此整體蓋板為通用蓋板,可鑄造300 mm×1370 mm規(guī)格及其以下的規(guī)格鑄錠。

        1.2 工具總體的設(shè)計(jì)

        工具的總體設(shè)計(jì)主要包括上面板、水箱、過(guò)度水框幾個(gè)部分,整體水框總裝圖如圖1所示。

        1.上面板 2.過(guò)度水框 3.水箱圖1 整體水框總裝圖

        1.3 面板的設(shè)計(jì)

        上面板是與水箱配套使用的部件,水箱焊接在下端,結(jié)晶器放在其上端,主要起承重和支承作用,蓋板結(jié)構(gòu)圖見(jiàn)圖2。

        圖2 蓋板結(jié)構(gòu)圖

        上面板要有一定的強(qiáng)度、硬度,并能承受一定的壓力。另外上面板在現(xiàn)場(chǎng)使用過(guò)程中需經(jīng)常吊運(yùn)、發(fā)生碰撞,為了保證能夠長(zhǎng)期使用,減少變形,使鑄錠產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)定,上面板采用20~30 mm的整張A3鋼板加工而成,確保結(jié)晶器放在上面板上平穩(wěn)。

        1.4 水箱的設(shè)計(jì)

        1.4.1鑄造凝固過(guò)程及對(duì)水箱的要求

        水是鑄造的重要要素之一。鑄造時(shí)金屬的凝固和冷卻是通過(guò)鑄造水箱噴出的冷卻水實(shí)現(xiàn)的。冷卻水的強(qiáng)度和分布不僅影響鑄錠的表面、內(nèi)部質(zhì)量,還影響鑄錠的熱應(yīng)力分布及鑄造的成敗。

        因此,對(duì)鑄造來(lái)說(shuō),為了確保鑄錠成型,且獲得良好的表面及內(nèi)部質(zhì)量,要求水箱的結(jié)構(gòu)能為鑄錠提供的均勻冷卻水和足夠的水冷強(qiáng)度。

        1.4.2水箱的整體尺寸確定

        (1)寬面冷卻區(qū)域長(zhǎng)度

        寬面冷卻區(qū)域長(zhǎng)度=結(jié)晶器內(nèi)腔寬面尺寸+兩倍的結(jié)晶其壁厚度+兩倍的結(jié)晶器與水箱安裝間隙,即L寬=1394+2×10+2×15=1444 mm。

        (2)厚度方向上冷卻區(qū)域長(zhǎng)度

        厚度冷卻區(qū)域長(zhǎng)度=結(jié)晶器內(nèi)腔側(cè)面尺寸+兩倍的結(jié)晶器厚度+兩倍的結(jié)晶器與水箱安裝間隙。

        寬面中心處沿厚度方向上冷卻區(qū)長(zhǎng)度b1=314+20+2×15=364 mm;寬面兩端沿厚度方向上冷卻區(qū)長(zhǎng)度b2=302+20+2×15=352 mm。

        在保證水箱內(nèi)腔有充足的水流量前提下,水箱總體尺寸確定為:2260 mm×1772 mm×131 mm。

        1.4.3水孔尺寸和間距的確定

        出水孔的大小和間距首先應(yīng)保證冷卻的均勻性和足夠的冷卻水量。在出水孔總面積和水壓一定的情況下,縮小出水孔截面,使孔間距縮小,有利于均勻冷卻,但若出水孔過(guò)小,在鑄造過(guò)程中,出水孔易被臟物堵塞,導(dǎo)致鑄錠裂紋。綜合考慮上述因素,并結(jié)合鑄錠鑄速快、鑄造小方錠所需冷卻強(qiáng)度等特點(diǎn),水箱共設(shè)計(jì)兩排水,第一排水水孔中心間距10 mm,水孔孔徑4 mm;第二排水水孔中心間距12 mm,水孔孔徑4.5 mm。

        1.4.4出水孔角度的確定

        出水孔的角度對(duì)鑄錠的冷卻影響較大,第一排水主要保護(hù)結(jié)晶器不被燒損,使鑄錠形成抵抗拉裂的凝殼,冷卻強(qiáng)度不易過(guò)大,以避免形成冷隔缺陷,因此其角度可設(shè)計(jì)為與鑄錠軸線呈60°角;

        第二排水即二次水冷,出水孔對(duì)鑄錠中心線的傾角決定了鑄錠見(jiàn)水位置,噴水孔角度直接影響鑄造質(zhì)量情況。角度過(guò)小,鑄錠見(jiàn)水晚,使冷卻強(qiáng)度降低;角度過(guò)大,冷卻水濺散,不能使冷卻水沿鑄錠均勻流下,亦降低冷卻效果,同時(shí)還有可能使水返到結(jié)晶器液面上造成事故。另外二次冷卻水的角度因合金和水箱的高度不同而不同,并且還要保證在結(jié)晶器下沿噴出,直接冷卻到鑄錠上,因此第二排水設(shè)計(jì)成45°,各排水濺水位置及擋水板位置見(jiàn)圖3。

        圖3 水冷系統(tǒng)濺水位置示意圖

        通過(guò)對(duì)以上因素的綜合考慮,設(shè)計(jì)出了300 mm×1370 mm規(guī)格的水箱,如圖4所示。

        圖4 水冷系統(tǒng)總裝圖

        此水冷系統(tǒng)還具有如下主要特點(diǎn):

        (1)水箱的四個(gè)角部加工了四個(gè)進(jìn)水接頭,為水箱提供冷卻水。進(jìn)水接頭直接座在過(guò)度水框上,既能減輕工人的勞動(dòng)強(qiáng)度,又能保證水箱的定位準(zhǔn)確。

        (2)水箱最外側(cè)的兩個(gè)水腔尺寸比以前老式的水腔尺寸增大,使水腔內(nèi)有充足的水流量,保證了鑄錠冷卻水的要求。(老式同時(shí)鑄造四根鑄錠的兩扇水箱,由于受井口尺寸的限制,最外側(cè)水腔的尺寸只能設(shè)計(jì)的非常窄,很難保證鑄錠冷卻水的要求)

        (3)水箱兩側(cè)設(shè)計(jì)了臟物處理孔。水箱長(zhǎng)期使用會(huì)在水箱內(nèi)沉積較多的水垢及一些臟物,容易堵水箱出水孔,影響鑄造質(zhì)量。此處理孔可隨時(shí)打開(kāi),對(duì)里面的臟物進(jìn)行清理。

        (4)水箱具有通用性。水箱兩側(cè)小面沒(méi)有加工出水孔,鑄造時(shí)使用小面單獨(dú)水箱,保證300 mm×1370 mm規(guī)格及其以下的規(guī)格都可以鑄造。

        1.5 過(guò)度水框的設(shè)計(jì)

        過(guò)渡水框主要是為水冷系統(tǒng)提供均勻的冷卻水,并取代了老式蓋板下面的墊高,可使蓋板的擺放位置準(zhǔn)確,設(shè)計(jì)的過(guò)度水框結(jié)構(gòu)如圖5所示。

        過(guò)渡水框主要特點(diǎn)如下:

        (1)四個(gè)角部設(shè)計(jì)四個(gè)出水管,為水箱提供冷卻水,并保證蓋板的擺放位置準(zhǔn)確。另外還在出水管內(nèi)加工了凹形槽,配合適當(dāng)?shù)南鹌|圈,以保證密封好不漏水。

        圖5 過(guò)度水框結(jié)構(gòu)圖

        (2)在過(guò)渡水框兩側(cè)設(shè)計(jì)了定位裝置。定位裝置主要是指過(guò)度水框與翻轉(zhuǎn)平臺(tái)的定位。鑄造工具擺放好位置后,將定位裝置與翻轉(zhuǎn)平臺(tái)焊接好,可保證每次更換工具時(shí),工具位置都非常準(zhǔn)確,減輕了工人的勞動(dòng)力,而且還能避免因工具準(zhǔn)備不好而造成的鑄錠彎曲、拉裂等廢品。

        (3)過(guò)渡水框具有固定性。水框兩側(cè)各有6個(gè)進(jìn)水方頭,在水管接好后,每次更換工具時(shí),只需將蓋板吊走,水框固定不動(dòng)??杀苊夤と酥貜?fù)進(jìn)鑄造井內(nèi)更換進(jìn)水管,使鑄造工人的勞動(dòng)強(qiáng)度得到明顯降低。

        (4)過(guò)渡水框是采用槽鋼對(duì)焊而成,并對(duì)水腔內(nèi)進(jìn)行了防銹處理,防止長(zhǎng)期使用產(chǎn)生銹渣,堵塞水孔。

        2 試驗(yàn)方案

        本次試驗(yàn)采用3005合金300 mm×1320 mm規(guī)格鑄造。

        2.1 化學(xué)成分

        3005合金的化學(xué)成分標(biāo)準(zhǔn)結(jié)果見(jiàn)表1。

        表1 3005合金化學(xué)成分

        3005鋁合金成分含量與3003鋁合金成分含量基本相同,在3003鋁合金基礎(chǔ)上增加了Mg為主要元素。有相關(guān)數(shù)據(jù)記載[1]Mg(≈0.3)能顯著地細(xì)化鋁-錳合金退火后的晶粒,并使其抗拉強(qiáng)度稍許提高。但同時(shí)也損害了退火材料的表面光澤度。

        該合金為了鑄造成型避免鑄造過(guò)程中鑄錠產(chǎn)生裂紋,應(yīng)嚴(yán)格控制Fe>Si,因?yàn)楫?dāng)Si大于Fe時(shí),合金在574 ℃以共晶反應(yīng)結(jié)束,而Fe大于Si時(shí),由于Fe與Si和Mn優(yōu)先形成三元相及四元相,大大降低了合金中游離硅的數(shù)量,從而使鑄錠的熱烈傾向降低。

        因?yàn)锳l-Mn合金中微量元素鐵能降低Mn在鋁中的溶解度。主要是Fe可溶于MnAl6中形成(FeMn)Al6化合物,但應(yīng)保證鐵和錳之和不大于1.85%,否則形成大量(FeMn)Al6化合物的粗大片狀偏析聚集物,會(huì)顯著地降低合金的機(jī)械性能和工藝性能。

        2.2 工藝流程

        熔鑄工藝流程如下:原材料選擇→配料→煤氣爐熔煉→電爐調(diào)整成分→精煉→導(dǎo)爐→精煉→測(cè)氫→靜置→凈化處理→鑄造。

        2.3 配料

        2.3.1原材料的選擇

        考慮到該合金Mn含量較高,Al-Mn中間合金中Mg含量的影響,Mn選用Mn添加劑加入,新鋁用量達(dá)到90%以上。

        2.3.2爐料組成

        爐料由原鋁錠、Fe劑、Mn劑、Mg錠組成。

        2.4 熔煉及凈化工藝

        合金的熔煉是在煤氣反射爐中進(jìn)行的,為了保證其他雜質(zhì)不超標(biāo),生產(chǎn)該合金前應(yīng)連續(xù)生產(chǎn)10熔次以上純鋁。

        保證元素的充分溶解,提高成分的均勻性,熔煉溫度控制在700~760 ℃。加入Mn添加劑時(shí),熔體溫度要達(dá)到730 ℃以上,且添加劑分兩個(gè)爐門人工分散加入。為了減少M(fèi)g的燒損和控制Mg含量,加入Mg時(shí),在電爐調(diào)整成分前加入,加入Mg后應(yīng)立即撒入覆蓋劑再進(jìn)行攪拌,取樣分析成分。為了提高熔體的純潔度,減少氫含量和渣含量,電爐出爐前采用Ar-Cl2混合氣體精煉10 min。

        該合金導(dǎo)入靜置爐后用加入一定量鋁鈦中間合金細(xì)化晶粒,保護(hù)熔體質(zhì)量,另外采用Ar-Cl2混合氣體精煉15 min,然后靜置30 min,并采用40 ppi陶瓷片過(guò)濾器進(jìn)行過(guò)濾凈化。

        2.5 鑄造

        鑄造工藝參數(shù)見(jiàn)表2。

        表2 3005合金鑄造參數(shù)

        鑄造時(shí)采用110 mm寬的隔熱膜進(jìn)行鑄造,保證鑄錠表面質(zhì)量。

        3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

        3.1 鑄錠表面質(zhì)量

        采用以上工藝生產(chǎn)出的鑄錠表面沒(méi)有拉裂、夾渣、裂紋等表面缺陷,鑄錠表面偏析瘤較小,滿足使用要求。

        3.2 鑄錠質(zhì)量全分析

        選取一塊成品鑄錠切1塊20~30 mm厚的試片,做化學(xué)成分、力學(xué)性能、低倍及高倍組織檢查,鑄錠各項(xiàng)檢測(cè)用試樣的位置見(jiàn)圖6。

        A-01檢查低倍 B-01~06分析成分 C-01~14測(cè)機(jī)械性能 D-01~05檢查高倍圖6 試片取樣位置圖

        3.2.1鑄錠化學(xué)成分

        分析3005鋁合金中主要元素和微量元素,是否符合規(guī)定的化學(xué)成分,成分見(jiàn)表3。

        在表3可以看出,從鑄錠中心到邊部Mn的含量都符合規(guī)定的化學(xué)成分(表1),最高1.20%,最

        低1.18%的差值不大,Mg含量均為0.34%,其他雜質(zhì)含量均未出現(xiàn)超標(biāo)現(xiàn)象,單個(gè)化學(xué)成分無(wú)偏析現(xiàn)象,生產(chǎn)出的3005合金成分符合國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)要求。另外從中心到邊部的Fe含量均大于Si含量,并且Fe+Mn<1.85%,可以證明制定熔煉3005鋁合金工藝是合理的。

        表3 3005合金鑄錠化學(xué)成分

        注:B- 01~B- 06為鑄錠從中心到邊部

        3.2.2鑄錠力學(xué)性能

        從抗拉強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度和延伸率角度分析該合金的力學(xué)性能,判定鑄造工藝是否合理,力學(xué)性能值見(jiàn)表4。

        表4 3005合金鑄錠力學(xué)性能

        從表4中分析,平均抗拉強(qiáng)度為163.919 MPa,該合金與其他系鋁合金相比強(qiáng)度不是很高。從單個(gè)試樣來(lái)看,處于鑄錠中心部位抗拉強(qiáng)度與屈服強(qiáng)度要低于邊部,這說(shuō)明邊部受到冷卻速度比中心部分快,符合鑄造結(jié)晶規(guī)律。

        3.3 鑄錠低倍組織

        從圖7切取的低倍組織照片可以看出,鑄造過(guò)程中無(wú)夾雜物、氣孔、疏松,成層和裂紋、粗大金屬間化合物等冶金缺陷。

        圖7 3005鋁合金低倍組織

        3.4 鑄錠高倍組織

        從圖8可以看出,從鑄錠的中心到邊部,晶粒的尺寸、枝晶間距逐漸變小,這說(shuō)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(shuō)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 結(jié)論

        (1)新設(shè)計(jì)的整體水框完全可滿足使用要求。

        (2)針對(duì)3005鋁合金制定熔鑄工藝參數(shù)是可行的。

        圖8 3005合金鑄錠顯微組織與偏光照片

        [1] 周家榮.鋁合金熔鑄生產(chǎn)技術(shù)問(wèn)答[M].北京:冶金工業(yè)出版社,2008:195-208.

        DesignandCastingProcessResearchfor300mm×1370mmWholeCoverPlate

        TENG Zhi-gui, ZHANG Jun-ling, HUANG Yan-chao, WANG Ying-jun, XIE Yan-wen
        (Northeast Light Alloy Co., Ltd. Harbin 150060, China)

        The paper analyses problems of water cooling system in casting process, designs 300 mm×1370 mm whole cover plate, makes process research, gets qualified product, and effectively reduces labor intensity.

        water cooling system; whole cover plate; casting process

        2014-01-29

        騰志貴(1977-),男,黑龍江青岡人,工程師,大學(xué)本科,主要從事鋁合金鑄造模具的設(shè)計(jì)和新合金工藝研究等工作,現(xiàn)任東北輕合金有限責(zé)任公司熔鑄廠技術(shù)開(kāi)發(fā)室主任。

        張珺玲(1977-),女,黑龍江望奎人,工程師,大學(xué)本科,主要從事設(shè)備備件及材料采購(gòu)等工作,現(xiàn)任東北輕合金有限責(zé)任公司機(jī)電公司供銷部副科長(zhǎng)。

        TG146.21

        B

        1003-8884(2014)04-0037-06

        黃巖超(1981-),男,黑龍江克東人,工程師,大學(xué)本科,主要從事設(shè)備日常維護(hù)的管理工作,現(xiàn)任東北輕合金有限責(zé)任公司軋板廠機(jī)械作業(yè)區(qū)主任。

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