预制块铝液溜槽的结构设计、制作与应用

杨建平， 李 贤， 李晓燕， 刘民章

(青海桥头铝电股份有限公司， 青海 西宁 810100)

预制块铝液溜槽的结构设计、制作与应用

杨建平， 李 贤， 李晓燕， 刘民章

(青海桥头铝电股份有限公司， 青海 西宁 810100)

本文简述了铝液溜槽在20 kg连续铸造机组运行中的作用以及现行铝液溜槽砌筑工艺的缺点，提出了用预制块实现铝液溜槽的砌筑工艺，并针对20 kg连续铸造机组进行了铝液溜槽的模具设计、预制块的制作、养护、干燥及组装，总结出了预制块铝液溜槽的优点。

20 kg连续铸造机组； 铝液溜槽； 浇注料； 预制块

1 铝液溜槽在铝锭连续铸造机组中的作用

在铝锭连续铸造过程中，铝液溜槽的主要作用是将混合炉中排放出的高温铝液转运至船型浇包，并通过船型浇包将铝液转注到分配器中，再由分配器将铝液分配进入铸模中，最终实现铝锭的浇注过程。

2 现用整体浇筑铝液溜槽的制作以及存在的问题

目前，20 kg连续铸造机组所使用的铝液溜槽，是用3～5 mm厚的薄钢板焊接成溜槽的外壳，再将浇注料与水按一定比例混合搅拌均匀，用人工的方法进行捣制，然后用抹刀将溜槽工作表面修平，在通风干燥的环境中使其自然干燥或用天然气加热人工烘干，然后投入使用。

现用铝液溜槽由于其砌筑方法的限制，使得其在使用过程中表现出以下几个方面的缺点：

(1)由于溜槽是用手工手工捣制而成，浇注料的紧实度不均匀，出现溜槽工作面局部疏松，导致溜槽使用过程中铝液的渗入。在每次浇注完成清理溜槽时，由于铝液渗入浇注料颗粒之间并与浇注料发生粘合作用，因此在清理过程中往往会造成溜槽工作面的破损。

(2)由于溜槽的距离比较长，每台机组平均溜槽长度均超过10 m，而溜槽的砌筑需一次浇筑完成。因此，每次需混制的浇注料数量较大，往往会由于浇注料的搅拌不均匀而影响溜槽的浇筑质量。

(3)由于溜槽的长度较长，且溜槽的断面厚度不均匀，甚至相差较大，一次整体浇注的溜槽往往由于干燥不均匀，造成溜槽内衬内出现干燥应力，导致溜槽内衬在使用过程中开裂，影响溜槽的使用寿命。

(4)由于溜槽为一次浇筑而成，在溜槽经过一段时间的使用后，一旦局部出现破损，并随着使用时间的延长以及高温铝液的反复冲刷，破损部位会越来越严重。即使用浇注料对破损部位进行及时修补，也会在较短的时间内随着高温铝液的流动而溃散。因此，一旦出现较为严重的破损，就必须对整个溜槽内衬进行整体拆除，重新砌筑。否则，溃散浇注料中的氧化物、非金属夹杂物将会混入铝液中，造成铝液的污染，严重影响铝锭的品位，给企业造成更大的损失。

以上各项原因的综合结果导致了铝液溜槽平均使用寿命约为两个月，具体到铝液通过量月为6000 t。现砌筑溜槽使用的耐火材料为RSK- Ⅱ型棕刚玉浇注料，其每吨价格为5000元，砌筑一米溜槽约需浇注料50 kg，若进行整体拆除、更换，每道溜槽一次需浇注料750 kg。每年需砌筑6次，需要浇注料4.5 t，仅浇注料一项单道溜槽砌筑的材料费用为2.25万元。

3 预制块铝液溜槽的设计与制作

鉴于整体浇注的铝液溜槽在使用过程中存在上述问题，探索一种能够预先制作、干燥、便于保存、能够即时组装的溜槽砌筑方法，对于及时处理溜槽破损、保证铸造生产顺利进行显得非常重要。在对同行业铸造设备进行充分调研的基础上，结合40t预制块混合炉砌筑、改进经验，设计并砌筑预制块铝液溜槽。

3.1 铝液溜槽外壳的设计改进与制作

现用铝液溜槽使用厚度为3～5 mm的Q235钢板焊接而成，由于其厚度很薄，使其本身固有的强度与刚度较差；加之再重新砌筑后，要承负的浇注料重量很大。因此在砌筑完成后的吊运及安装过程中，很难避免地造成溜槽的扭曲、变形与损坏，影响溜槽的使用性能。因此，在进行预制块设计时必须考虑对溜槽钢结构进行改进。

将制作溜槽壳用的钢板厚度由3～5 mm增加至10 mm,以增加溜槽壳的强度与刚度。为了使设计的溜槽预制块标准化以及具有通用性，防止溜槽壳的自身变形以及焊接变形，在溜槽壳制作时采取以下措施：

(1)对每块钢板按放大样进行下料，以保证下料的尺寸精度。

(2)对切割后的钢板进行较平与机械加工，以减小尺寸误差。

(3)为了达到理想的焊接效果，对每块钢板加工坡口，尺寸为5×45°。

(4)在焊接工艺方面，选用普通低碳钢焊条J422，先采用点焊将各部分钢板组合在一起，然后采用断续焊进行焊接，待焊缝冷却后再分步进行补全焊接，以防止由于连续焊接产生的焊接应力导致的焊接变形。

溜槽壳结构如图1所示。

图1 溜槽钢壳结构图

3.2 溜槽预制块的设计

溜槽的结构特点：溜槽呈长条状，断面形状呈近似抛物线型，且断面耐火材料厚度变化大，在干燥应力的作用下容易产生收缩，使断面变形。溜槽断面结构如图2所示。

图2 铝液溜槽的断面结构及尺寸

根据对整体砌筑铝液溜槽缺点的分析，铝液溜槽设计的关键是在保证其具有较大铝液通过量的前提下，依据溜槽的长度进行合理的分段，设计既要保证溜槽具有均匀的紧实度、致密的表层及良好的表面光洁度，又要能够最大限度地减小预制块的变形量。参考混合炉内衬预制块的设计要求，结合溜槽自身的结构特点，对溜槽预制块进行设计。

考虑到预制块制作应方便、变形量小、单块重量适中便于吊运与组装，以及为减少模具数量、降低模具制作费用而要求具有较强的通用性等，确定设计参数如下：

预制块长度：1 m；单块重量(干燥块)50 kg；底部壁厚50 mm，上部最小壁厚35 mm，溜槽工作面形状为近似的抛物线型。为保证设计尺寸，浇注料的线收缩率按2.7%计算(以浇注料供应商提供的检验报告为依据)，溜槽预制块的断面尺寸如图2所示。

3.3 溜槽预制块模具的设计及制作

(1)模具设计

根据溜槽预制块的设计尺寸及断面形状进行其模具设计。考虑到溜槽各部位的形状结构特点，将溜槽模具设计为两部分：即通用块与专用块。通用块就是指溜槽直段长度部分的预制块，专用块是指溜槽端部带有导流管及端部过渡圆角等形状的预制块，见图3预制块溜槽模具组装图。

图3 预制块溜槽模具组装图

(2)模具制作

从长远的角度考虑，溜槽预制块模具的材质以铝合金、铸铁或碳钢比较合适，因为其经久耐用，变形量很小或不变形，通过机械加工可以达到较高的表面光洁度和尺寸精度，并且便于保存。但是考虑到模具重量、制作成本及加工周期等因素，模具制作采用木质。选用东北一级红松，通过人工干燥，控制含水率在8%～10%(与浇注料混制时的含水率相当)。

模具制作要求尺寸准确、表面光滑、圆角及曲面连接与过渡自然。

模具主要由模具框和胎具两部分组成。模具框由横板、堵头、底板、支撑方木、定位块及紧固螺杆五部分组成。胎具包括形成预制块完整形状的各部分木质装料。

模具制作按照铸造用模型的结构与尺寸精度要求的CT8级进行检验。

(3)与表面处理

模具制作完成后，需对其表面进行涂层处理。木质模具的处理参照铸造用模型的表面要求进行。凡是与湿态浇注料接触的地方，均需用腻子刮平、晾干、反复打磨平整，用手触摸无粗糙挂手的感觉，然后用硝基磁漆喷涂2～3遍，保持一定的漆膜厚度，自然晾干即可投入使用。

3.4 预制块的制作

模具制作、处理完成并经尺寸检验无误后，进行预制块的浇筑。

(1)浇注料的混制：将浇注料与清洁的自来水按照8∶1(质量分数)进行混合，经充分搅拌后填充模具，并用风动工具将模具内的浇注料均匀捣实，直至浇注料中的浆液逸出为止，然后用抹刀将模具上口修平。

(2)预制块的养护：由于预制块的形状为长条形，并且其断面为凹陷的类似抛物线型，断面各部位厚度差较为明显，在湿态极易发生变形，使预制块的尺寸发生改变，因此，在浇筑完成后不能立刻从模具中脱出，而是要在模具中进行养护。在正常的气温下(环境温度为20 ℃)，预制块在模具中静置。为了防止养护过程中预制块中的水分过快地蒸发，影响养护效果，因此养护期间用塑料薄膜对模具进行覆盖。经24～36小时后，浇注料已完全固化，湿态蠕变性能引起的变形已经消除，这时可安全地进行脱模操作。

(3)脱模后，将预制块置于排空铝液的混合炉内，无需加热，利用混合炉内的余热进行干燥。由于溜槽预制块的平均断面厚度较薄，因此，在500～600 ℃干燥4～6小时，从炉中吊出放置于阴凉之处自然冷却至室温后即可进行组装(切忌用压缩空气进行强制冷却，以防冷却速度过快预制块内部产生应力引发变形，并在预制块表面产生裂纹)。

3.5 预制块溜槽的组装

经干燥的预制块在组装时应注意以下几个方面的问题：

(1)由于溜槽是为了保证铝液顺利通过并流向分配器的，因此，溜槽具有一定的坡度，一般来讲，由于溜槽的长度尺寸较大，坡度保持在0.5°。因此，在组装时，预制块的下部需铺设一层干式防渗料(厚度约为10～15 mm)。一方面是为了调整坡度，另一方面，由于预制块之间存在间隙，预防可能出现的铝液渗入。

(2)由于预制块因干燥而产生长度尺寸的收缩，因此组装时块与块之间的间隙须用硅钙板或石棉绒进行封堵，以防铝液渗入。

(3)由于预制块因干燥而产生宽度方向尺寸收缩，因此，在预制块摆放整齐后，须对预制块两侧的缝隙用干式防渗料进行填充并捣实，与预制块上部保持平齐。

(4)为了防止溜槽使用后预制块因热震而产生变形翘曲，在组装完成后须在溜槽侧部钢壳上安装预制块压板，用M12螺栓与溜槽侧壁10 mm钢板紧固在一起，如图1所示。

(5)组装好的溜槽应保证其应有的直线度、表面光洁度以及结合部位填充物的紧实度，以保证预制块溜槽的使用效果。

组装后的溜槽如图4所示。

图4 预制块铝液溜槽组装图

4 预制块溜槽的应用效果

预制块溜槽经过6个月的使用，除了导流管端部圆角处出现轻微挂渣，其余部位仍保持较好的表面光洁度，也未出现预制块上抬的现象，说明预制块的底部尚未出现铝液的渗入。已经实现预制块溜槽18000 t的铝液通过量(按每天通过100 t铝液，连续使用180天计算)。

预制块溜槽与整体浇筑溜槽使用效果对比，见表1。

表1 预制块溜槽与整体浇筑溜槽使用效果对比

5 结语

通过与整体浇筑铝液溜槽的浇注料用量、砌筑时间、砌筑成本以及使用效果等方面的比较，预制块铝液溜槽具有以下几个方面的优点：

(1)使用寿命长、铝液通过量大。

(2)表面致密、耐铝液冲刷、不易产生粘铝、能有效防止铝液渗入以及对铝液污染小。

(3)维修方便、灵活、维修周期短。

(4)省时、节约人力。

(5)砌筑成本低、经济效果好。

StructuralDesign,FabricationandApplicationofPrecastBlockAluminiumMeltLaunder

YANG Jian-ping, LI Xian, LI Xiao-yan，LIU Min-zhang
(Qinghai Qiaotou aluminium & power Co., Ltd. Xining 810100, China)

The paper briefly describes effect of aluminium liquid launder for 20 kg continuous casting unit and the disadvantages of the building technology of launder at present, puts forward using the prefabricated block building technology, the pattern is designed, prefabricated block is made, dried maintained and assembled aiming at 20 kg continuous casting unit, summarizes the advantages of prefabricated block launder.

20 kg continuous casting unit； aluminium liquid launder； refractory castable； prefabricated block

2014-09-06

杨建平(1981-)，男，甘肃正宁人，助理工程师，大学专科，主要从事安全管理工作，现任青海桥头铝电股份有限公司安全环保部安全主管。

李 贤(1980-)，男，青海民和人，工程师，大学本科，主要从事铝电解研发工作，现任青海桥头铝电股份有限公司技术中心铝电解研发工程师。

TF821

B

1003-8884(2014)06-0046-04

李晓燕(1975-)，女，青海西宁人，助理工程师，大学专科，主要从事环境管理工作，现任青海桥头铝电股份有限公司安全环保部专工。

刘民章(1961-)，男，陕西大荔人，高级工程师，大学本科，主要从事铝加工研发工作，现任青海桥头铝电股份有限公司技术中心铝加工研发工程师。