李海仙，滕志貴，胥健秋，王英軍，賈 寧，郭 強(qiáng)

（東北輕合金有限責(zé)任公司，哈爾濱 150060）

鋁合金用φ405mm規(guī)格整體水箱的設(shè)計(jì)與工藝研究

李海仙，滕志貴，胥健秋，王英軍，賈 寧，郭 強(qiáng)

（東北輕合金有限責(zé)任公司，哈爾濱 150060）

介紹了鋁合金用φ405mm規(guī)格整體水箱的設(shè)計(jì)與加工，并將該成型工具應(yīng)用于6A02合金φ405mm鑄錠的鑄造，對(duì)鑄錠質(zhì)量進(jìn)行了分析，結(jié)果表明設(shè)計(jì)的整體水箱可以滿足鑄錠的使用要求。

φ405mm規(guī)格；整體水箱；6A02合金

0 前言

圓鑄錠主要采用老式結(jié)晶器直接水冷半連續(xù)鑄造的方式進(jìn)行生產(chǎn)。老式結(jié)晶器在生產(chǎn)中存在如下缺點(diǎn)：（1）傳統(tǒng)工具制作、使用復(fù)雜、維護(hù)繁瑣；（2）傳統(tǒng)工具二次水由出水孔噴出，在冷卻水雜質(zhì)較多的情況下，易導(dǎo)致出水孔堵塞、造成二次水冷不均、嚴(yán)重時(shí)會(huì)導(dǎo)致鑄錠裂紋、成層、拉裂等缺陷；（3）更換工具繁瑣，增加了工人勞動(dòng)強(qiáng)度，更換工具時(shí)間長(zhǎng)，降低生產(chǎn)效率。

為了降低勞動(dòng)強(qiáng)度、提高鑄錠質(zhì)量，設(shè)計(jì)制造了一體式φ405mm規(guī)格圓鑄錠整體水箱，并在6A02合金中進(jìn)行了應(yīng)用。

1 整體水箱的設(shè)計(jì)及加工工藝研究

整體水箱工具分為結(jié)晶器、整體蓋板和過(guò)渡水框三個(gè)部分，其總裝示意圖如圖1。

圖1 總裝圖示意圖

1.1 結(jié)晶器

結(jié)晶器起成形作用，是連續(xù)及半連續(xù)鑄造用的錠模，俗稱冷凝槽，它不僅決定鑄錠的形狀和尺寸，而且對(duì)鑄錠的組織、表面質(zhì)量、裂紋傾向有很大影響，是決定鑄錠質(zhì)量的關(guān)鍵部件。對(duì)結(jié)晶器的要求是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，便于安裝。

1.1.1 結(jié)晶器材料的選擇

（1）具有良好的導(dǎo)熱性。良好的導(dǎo)熱性可以提高結(jié)晶器與液體的熱換交換能力，提高鑄錠的一次冷卻強(qiáng)度。

（2）具有足夠的強(qiáng)度。結(jié)晶器應(yīng)具有高的強(qiáng)

度，以抵抗冷卻水壓力、熔體靜壓力及其內(nèi)外表面溫度不一致而造成的熱應(yīng)力。

（3）具有良好的耐磨性和一定的硬度，以防止表面粗糙的鑄錠將結(jié)晶器表面磨損。

（4）具有足夠的剛度，以保證鑄錠的正確形狀，并避免器壁扭曲變形。

（5）不為熔體所燒損，并與潤(rùn)滑油具有良好的磨合性能。

綜合上述要求，本設(shè)計(jì)采用Al-Si-Cu-Mg系鍛件作為結(jié)晶器材料。

1.1.2 結(jié)晶器關(guān)鍵參數(shù)的設(shè)計(jì)

結(jié)晶器的關(guān)鍵參數(shù)有結(jié)晶器高度、結(jié)晶器直徑和結(jié)晶器下緣倒角。結(jié)晶器的示意圖如圖2。

圖2 結(jié)晶器示意圖

（1）結(jié)晶器高度。結(jié)晶器的高度是連續(xù)鑄造中的重要工藝參數(shù)，結(jié)晶器過(guò)矮，鑄錠直接見(jiàn)水較早，鑄錠周邊的凝固層厚，容易在鑄錠中部出現(xiàn)曲率半徑較小的液穴，導(dǎo)致中心裂紋，同時(shí)還容易產(chǎn)生冷隔。結(jié)晶器過(guò)高時(shí)，鑄錠在結(jié)晶器內(nèi)停留時(shí)間較長(zhǎng)，鑄錠與結(jié)晶器壁間隙大，鑄錠被二次加熱的程度加劇，鑄錠表面偏析嚴(yán)重，見(jiàn)水時(shí)易產(chǎn)生表面淬火性裂紋，加大了機(jī)械加工量造成金屬浪費(fèi)。通過(guò)綜合考慮，φ405mm規(guī)格結(jié)晶器設(shè)置高度為205mm。

（2）結(jié)晶器下緣直徑的確定。內(nèi)套下緣直徑是得到指定鑄錠直徑的決定性參數(shù)，其計(jì)算公式如下[1]：

式中，D為內(nèi)套下緣直徑，mm；d為鑄錠名義直徑，mm；δ為鑄錠車皮厚度，mm；ε為鑄錠線收縮率，%。

車皮厚度取決于鑄錠表面質(zhì)量及用途，合金規(guī)格不同，對(duì)車皮的要求也不同。鑄錠的線收縮率與合金性質(zhì)、鑄造工藝參數(shù)和鑄錠直徑有關(guān)，本設(shè)計(jì)計(jì)算時(shí)取2.5%。通過(guò)以上幾個(gè)參數(shù)的確定，結(jié)晶器內(nèi)表面距離上部20㎜處有一個(gè)高為30㎜、錐度為1∶10的錐度區(qū)。錐度區(qū)的目的：金屬液面通?？刂圃阱F度區(qū)，其目的是在結(jié)晶器壁和鑄錠之間優(yōu)先形成空氣隙，降低鑄錠外層在液面處的冷卻強(qiáng)度，減少或消除鑄錠表面冷隔。

（3）結(jié)晶器下緣倒角的確定。合理的下緣倒角可以在保證鑄錠冷卻的同時(shí)，避免水花飛濺，降低了水資源的浪費(fèi)，因此，結(jié)晶器下緣倒角確定為與水平成30°角 。

1.2 蓋板

1.2.1 蓋板設(shè)計(jì)

將蓋板和水箱設(shè)計(jì)成整體式，如圖3。

圖3 蓋板示意圖

蓋板由蓋板進(jìn)水孔、水箱、出水孔、排污孔和結(jié)晶器支撐板等5個(gè)主要部分組成。蓋板的水冷系統(tǒng)由4個(gè)進(jìn)水孔、水箱和6組出水孔（每組出水孔兩排水眼）組成。在設(shè)計(jì)進(jìn)水口和出水孔時(shí)，一般要求出水口的總截面積小于進(jìn)水孔的截面

積，該蓋板中上排出水口為74mm×φ3.5mm，下排出水孔為89mm×φ4.5mm，出水孔內(nèi)徑規(guī)格為4mm×φ202mm。

蓋板設(shè)置排污孔的目的是水中雜質(zhì)堵塞出水孔時(shí)，使雜質(zhì)在出水孔處排除。結(jié)晶器支撐架對(duì)結(jié)晶器起到固定作用。

1.2.2 水箱及蓋板的材質(zhì)

蓋板使用30mm厚的A3鋼板加工而成，焊接在水箱上面，起支承和防止變形作用；水箱是用1Cr18Ni9Ti不銹鋼板焊接而成，主要是為了防止鋼板生銹掉渣，臟物進(jìn)入結(jié)晶器內(nèi)，堵塞水孔，使鑄錠產(chǎn)生裂紋等缺陷。

1.3 過(guò)渡水框

過(guò)渡水框是放在翻轉(zhuǎn)平臺(tái)上固定不動(dòng)的裝置，為水箱提供冷卻水，并且能夠保證鑄造工具定位準(zhǔn)確，結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 過(guò)渡水框結(jié)構(gòu)圖

在過(guò)渡水框兩側(cè)各有8個(gè)進(jìn)水方頭，冷卻水通過(guò)軟管與其連接，為水箱提供充足的冷卻水。

2 整體水箱的試驗(yàn)

2.1 試驗(yàn)方案

結(jié)合6A02鋁合金φ405mm規(guī)格鑄錠的生產(chǎn)進(jìn)行試驗(yàn)。選取φ405mm規(guī)格整體水箱生產(chǎn)的6A02合金的合格鑄錠切20～30mm厚試片，做低倍、高倍、化學(xué)成分及力學(xué)性能的檢查。

2.2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.2.1 鑄錠的組織

鑄錠現(xiàn)場(chǎng)成型情況良好，表面無(wú)拉裂、夾渣及冷隔等鑄造缺陷，符合標(biāo)準(zhǔn)要求。

依次在試片心部、1/4處及邊部切取3個(gè)試樣進(jìn)行高倍組織檢測(cè)，檢測(cè)結(jié)果如圖5。

圖5 6A02鋁合金φ405mm規(guī)格整體水箱生產(chǎn)鑄錠的高倍組織

從圖中可以看出，鑄錠組織均勻，未見(jiàn)較大晶內(nèi)及晶間偏析物存在。晶粒從鑄錠邊部至心部逐漸增大，符合結(jié)晶規(guī)律。

2.2.2 化學(xué)成分分析

依次在試片心部、1/4處及邊部切取3個(gè)試樣進(jìn)行化學(xué)成分分析，檢測(cè)結(jié)果如表1。

表1 6A02合金化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)/%）

該合金各元素含量較低，因而偏析傾向性小，從表中數(shù)據(jù)也可以看出，鑄錠中各元素分布均勻，未見(jiàn)明顯偏差，符合成品要求。

2.2.3 力學(xué)性能檢測(cè)

分別在試片的中心厚度至邊部切取20mm×120mm試樣，編號(hào)1～4號(hào)，分別進(jìn)行規(guī)定非比例伸長(zhǎng)應(yīng)力RP0.2（如圖6）、抗拉強(qiáng)度Rm（如圖7）及相對(duì)伸長(zhǎng)率A測(cè)量（如圖8）。同時(shí)與普通結(jié)晶器所鑄鑄錠各項(xiàng)進(jìn)行對(duì)比，具體情況如下：

圖6 規(guī)定非比例伸長(zhǎng)應(yīng)力RP0.2

圖7 抗拉強(qiáng)度Rm相對(duì)伸長(zhǎng)率/A

圖8 相對(duì)伸長(zhǎng)率A

從圖6中可以看出，總體來(lái)看整體水箱結(jié)晶器RP0.2值明顯高于普通結(jié)晶器所生產(chǎn)鑄錠，均勻性上也相對(duì)較好，在試片1/4處優(yōu)越較大。

對(duì)比兩種工具生產(chǎn)鑄錠，可以看出，在靠近鑄錠中心部位，整體水箱結(jié)晶器生產(chǎn)鑄錠強(qiáng)度較高，雖然在1/4處及邊部強(qiáng)度存在一定的波動(dòng)，但總體波動(dòng)相對(duì)較小，說(shuō)明鑄錠組織更加均勻致密，強(qiáng)度更加穩(wěn)定。

由圖8可看出，兩種不同工具生產(chǎn)鑄錠相對(duì)伸長(zhǎng)率基本相同，塑性基本一致，均符合要求。

3 結(jié)論

通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)跟蹤及后期試片分析結(jié)果，可得出結(jié)論，工裝工具改進(jìn)后，安裝簡(jiǎn)便，在很大程度上降低了工人勞動(dòng)強(qiáng)度，在一定程度上提高了生產(chǎn)效率。鑄錠現(xiàn)場(chǎng)成型良好，未見(jiàn)表面缺陷。從試片分析結(jié)果看，成分、組織及性能檢測(cè)結(jié)果均滿足工藝要求。

[1] 肖亞慶，謝永生，劉靜安，等. 鋁加工技術(shù)使用手冊(cè)[M].北京：冶金工業(yè)出版社，2005

（編輯：余東梅）

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LI Hai-xian，TENG Zhi-gui，XU Jian-qiu，WANG Ying-jun, JIA Ning, GUO Qiang
(Northeast Light Alloy Co., Ltd., Harbin 150060, China)

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φ 405 mm specifications；integrated water tank ；6A02 alloy

TG29

B

1005-4898（2016）03-0004-05

10.3969/j.issn.1005-4898.2016.03.01

李海仙（1978-），女，山西平遙人，高級(jí)工程師。

2015-12-23