铝合金扁锭半连续铸造机特点介绍

王建强 曹玉峰

1 背景介绍

随着国内铝加工业迅猛发展，对铝合金铸锭性能与质量的要求也越来越高。生产高品质的铸锭，不仅需要高超的工艺及控制能力，而且需要设计合理、制造精密的半连续铸造机。本文对比Novelis、Hycast和Wagstaff三家世界知名公司的铝合金扁锭半连续铸造机的液压缸、平台和结晶器，分别介绍其各自的特点。

2 整体结构

Novelis、Hycast和Wagstaff公司生产的半连续铸造机结构基本相同，包含：液压缸、引锭头底座、铸造平台、结晶器和引锭头、分配溜槽和悬臂吊、液位控制系统、控制台、电控柜、供辅设施。但设备的具体设计和制造等方面都具有各自的特色，下文就其中几点进行分析比较。

2.1 液压缸

三家供应商的铸造机都采用了单作用、内导式液压缸，工作原理相同，但液压缸的柱塞材质却有很大区别。Novelis和Hycast公司生产的柱塞采用碳钢材质，表面镀Cr或Ni，Wagstaff公司生产的液压缸柱塞材质是不锈钢。

碳钢柱塞表面镀Cr或Ni，既可以保证柱塞的硬度，又可以满足柱塞防腐的需要，并且造价相对不锈钢柱塞低很多。碳钢可以有效保证液压缸柱塞的精确度，但碳钢不耐腐蚀，一旦镀Cr或Ni层磨损，碳钢材质的柱塞极易被冷却水或铸造用润滑油腐蚀。因此，一旦发现柱塞镀Cr或Ni层破损，需尽快将柱塞从液压缸中取出并修补镀Cr或Ni层。这一过程不仅增加了设备日常点检工作量，也增加了设备使用过程中的维护工作步骤，并且柱塞防腐层在修补过程中会导致铸造机不能使用，从而影响生产线的正常运转。

锻造不锈钢材质的柱塞的造价相对较高。虽然不锈钢比碳钢硬度低、易被磨损，但锻造不锈钢柱塞被磨损后的新表面具有与原表面相同的防腐效果，因此，锻造不锈钢柱塞可以继续使用，而不必像被磨损的碳钢柱塞一样需要修补表面防腐层。这样的设计不仅减少了设备维护时间和费用，增加了可靠性，更提高了生产线使用率，使企业节约大量维护成本。

2.2 铸造平台

铸造平台位于铸井口，起到固定结晶器、分配溜槽等设备的作用。目前半连续铸造平台有两种运动形式，一种是倾翻形式，另一种是水平移动形式。

铸造平台采用倾翻运动的方式，铸造平台两侧安装倾翻臂，由液压等介质驱动倾翻臂并带动铸造平台翻转和复位。倾翻式铸造平台的优点是占地少、设备结构紧凑。但该种方式也存在着明显的不足：（1）结晶器内部的冷却水、部分润滑油可能在铸造平台倾翻后滴落到主铸井以外的区域，影响环境卫生；（2）对于铸锭宽度较大的结晶器，由于倾翻后的高度较大，不利于工人在现场检查、清理和维护大尺寸结晶器，需要额外购置升降装置，增加投资成本；（3）铸造平台倾翻后需要考虑铸造平台非控制复位的问题，需要增加自锁装置，增加了设备的复杂性。

水平移动形式的铸造平台，需要在地面安装轨道，铸造平台安装在轨道小车上，小车沿轨道带动铸造平带往返于铸井口和维护位。该方法有效避免了铸造平台倾翻式运动的不足之处，但其占地面积显著增大，不利于厂房空间的高效利用。

两种运动方式没有绝对的优劣，用户可根据现场条件和使用习惯选择适合本单位的结构设计。

2.3 结晶器

结晶器是半连续铸造过程中最重要的部件，直接关系铸锭的截面尺寸、铸锭质量、铸造工艺等关键因素。企业会根据不同产品采购不同的结晶器。根据结晶器尺寸划分，可以分为固定尺寸结晶器和可调尺寸结晶器。根据结晶器内衬划分，又可以分为铝制内衬结晶器和石墨内衬结晶器两种。根据结晶器内液位的高度划分，可以分为低液位结晶器和普通液位结晶器。

2.3.1 固定尺寸结晶器和可调尺寸结晶器

固定尺寸的结晶器，会根据目标合金和目标尺寸进行设计，通过考虑铸造过程中的变化因素，使最终铸锭的尺寸满足目标尺寸的要求。由于设计初期合金和尺寸已经确定，因此，固定尺寸结晶器的铸锭成型性非常好。不足之处是对于尺寸变化的适应性非常差，对于不符合设计尺寸的铸锭，可以选择采购新结晶器，但这会增加生产新产品的投入。另一种方法是铸造相近尺寸铸锭并后续加工去除多余的部分，这样会造成非常大的产能浪费。

可调尺寸的结晶器分为大面可调和小面可调两种。Hycast提供的大面可调结晶器可以由铸造机控制系统调整大面（铸锭轧制面）的结晶器大面的凹凸形状，从而起到减少锭尾膨胀量和减少后续机加过程中铣面量的作用[1]。Novelis提供的小面可调结晶器能够调整结晶器两个小面的距离，从而可以改变铸锭的宽度。在同一目标厚度的前提下，一个结晶器可以兼顾一定范围内的铸锭宽度要求，可以减少企业结晶器的储备数量，并提高结晶器的使用率。

2.3.2 铝制内衬结晶器和石墨内衬结晶器

Novelis和Hycast提供的铝制内衬结晶器是指由铝合金内衬直接与铝合金熔液和铸锭接触，内衬上需要油泵供应充足的润滑油。这是目前比较通用的结晶器，设计及制造技术成熟，储存、使用和维护相对简单。但不足之处是使用过程中需要不断补充润滑油，一旦润滑油泵送失败，将导致铸造过程失败。

Wagstaff提供的石墨内衬结晶器是用金属制作出的带有内衬槽的结晶器，将带有一定锥度的石墨条镶嵌于内衬槽中，主要以石墨构成结晶器与铝液接触的内腔。由于石墨条与结晶器的铝质部分是分离的，因此，石墨结晶器的内衬损坏以后仅更换石墨条即可，大大降低了结晶器的维护费用。同时石墨具有自润滑性能，只需要铸造前对石墨内衬充分涂刷润滑油即可进行铸造。降低了铸造过程中对油泵的依赖，同时减少了铸造过程中对润滑油的消耗。

2.3.3 普通液位结晶器和低液位结晶器（LHC结晶器）

结晶器内液位高度是指结晶器内液穴的液面高度。与普通的结晶器相比，LHC结晶器（Wagstaff公司提供）降低了液位高度，从而减少结晶器液穴内的铝液存量。在相同的铸造速度下，液位低的结晶器会得到更好的铸锭表面质量和宏观偏析质量。因此，LHC结晶器生产的铸锭可以有效降低铸锭表面铣削量、增加成品率。

3 结语

Wagstaff公司的半连续铸造机在设计和制造过程中充分考虑到减少后续维护工作，降低设备使用中的维护时间成本。易损件的模块化设计，使结晶器的石墨内衬可以部分更换，降低了使用成本。且LHC结晶器能够改善铸锭表面质量、提高成品率。因此，从实际生产角度考虑，Wagstaff公司提供的半连续铸造机更具有技术优势。

[1]Håkonsen A，Næss H，Iveland T，et al.Square Rolling Slabs from Start of Casting the Elimination of Butt Swell[Z].2012.