铝合金用φ405mm规格整体水箱的设计与工艺研究

李海仙，滕志贵，胥健秋，王英军，贾 宁，郭 强

（东北轻合金有限责任公司，哈尔滨 150060）

铝合金用φ405mm规格整体水箱的设计与工艺研究

李海仙，滕志贵，胥健秋，王英军，贾 宁，郭 强

（东北轻合金有限责任公司，哈尔滨 150060）

介绍了铝合金用φ405mm规格整体水箱的设计与加工，并将该成型工具应用于6A02合金φ405mm铸锭的铸造，对铸锭质量进行了分析，结果表明设计的整体水箱可以满足铸锭的使用要求。

φ405mm规格；整体水箱；6A02合金

0 前言

圆铸锭主要采用老式结晶器直接水冷半连续铸造的方式进行生产。老式结晶器在生产中存在如下缺点：（1）传统工具制作、使用复杂、维护繁琐；（2）传统工具二次水由出水孔喷出，在冷却水杂质较多的情况下，易导致出水孔堵塞、造成二次水冷不均、严重时会导致铸锭裂纹、成层、拉裂等缺陷；（3）更换工具繁琐，增加了工人劳动强度，更换工具时间长，降低生产效率。

为了降低劳动强度、提高铸锭质量，设计制造了一体式φ405mm规格圆铸锭整体水箱，并在6A02合金中进行了应用。

1 整体水箱的设计及加工工艺研究

整体水箱工具分为结晶器、整体盖板和过渡水框三个部分，其总装示意图如图1。

图1 总装图示意图

1.1 结晶器

结晶器起成形作用，是连续及半连续铸造用的锭模，俗称冷凝槽，它不仅决定铸锭的形状和尺寸，而且对铸锭的组织、表面质量、裂纹倾向有很大影响，是决定铸锭质量的关键部件。对结晶器的要求是结构简单，便于安装。

1.1.1 结晶器材料的选择

（1）具有良好的导热性。良好的导热性可以提高结晶器与液体的热换交换能力，提高铸锭的一次冷却强度。

（2）具有足够的强度。结晶器应具有高的强

度，以抵抗冷却水压力、熔体静压力及其内外表面温度不一致而造成的热应力。

（3）具有良好的耐磨性和一定的硬度，以防止表面粗糙的铸锭将结晶器表面磨损。

（4）具有足够的刚度，以保证铸锭的正确形状，并避免器壁扭曲变形。

（5）不为熔体所烧损，并与润滑油具有良好的磨合性能。

综合上述要求，本设计采用Al-Si-Cu-Mg系锻件作为结晶器材料。

1.1.2 结晶器关键参数的设计

结晶器的关键参数有结晶器高度、结晶器直径和结晶器下缘倒角。结晶器的示意图如图2。

图2 结晶器示意图

（1）结晶器高度。结晶器的高度是连续铸造中的重要工艺参数，结晶器过矮，铸锭直接见水较早，铸锭周边的凝固层厚，容易在铸锭中部出现曲率半径较小的液穴，导致中心裂纹，同时还容易产生冷隔。结晶器过高时，铸锭在结晶器内停留时间较长，铸锭与结晶器壁间隙大，铸锭被二次加热的程度加剧，铸锭表面偏析严重，见水时易产生表面淬火性裂纹，加大了机械加工量造成金属浪费。通过综合考虑，φ405mm规格结晶器设置高度为205mm。

（2）结晶器下缘直径的确定。内套下缘直径是得到指定铸锭直径的决定性参数，其计算公式如下[1]：

式中，D为内套下缘直径，mm；d为铸锭名义直径，mm；δ为铸锭车皮厚度，mm；ε为铸锭线收缩率，%。

车皮厚度取决于铸锭表面质量及用途，合金规格不同，对车皮的要求也不同。铸锭的线收缩率与合金性质、铸造工艺参数和铸锭直径有关，本设计计算时取2.5%。通过以上几个参数的确定，结晶器内表面距离上部20㎜处有一个高为30㎜、锥度为1∶10的锥度区。锥度区的目的：金属液面通常控制在锥度区，其目的是在结晶器壁和铸锭之间优先形成空气隙，降低铸锭外层在液面处的冷却强度，减少或消除铸锭表面冷隔。

（3）结晶器下缘倒角的确定。合理的下缘倒角可以在保证铸锭冷却的同时，避免水花飞溅，降低了水资源的浪费，因此，结晶器下缘倒角确定为与水平成30°角 。

1.2 盖板

1.2.1 盖板设计

将盖板和水箱设计成整体式，如图3。

图3 盖板示意图

盖板由盖板进水孔、水箱、出水孔、排污孔和结晶器支撑板等5个主要部分组成。盖板的水冷系统由4个进水孔、水箱和6组出水孔（每组出水孔两排水眼）组成。在设计进水口和出水孔时，一般要求出水口的总截面积小于进水孔的截面

积，该盖板中上排出水口为74mm×φ3.5mm，下排出水孔为89mm×φ4.5mm，出水孔内径规格为4mm×φ202mm。

盖板设置排污孔的目的是水中杂质堵塞出水孔时，使杂质在出水孔处排除。结晶器支撑架对结晶器起到固定作用。

1.2.2 水箱及盖板的材质

盖板使用30mm厚的A3钢板加工而成，焊接在水箱上面，起支承和防止变形作用；水箱是用1Cr18Ni9Ti不锈钢板焊接而成，主要是为了防止钢板生锈掉渣，脏物进入结晶器内，堵塞水孔，使铸锭产生裂纹等缺陷。

1.3 过渡水框

过渡水框是放在翻转平台上固定不动的装置，为水箱提供冷却水，并且能够保证铸造工具定位准确，结构如图4所示。

图4 过渡水框结构图

在过渡水框两侧各有8个进水方头，冷却水通过软管与其连接，为水箱提供充足的冷却水。

2 整体水箱的试验

2.1 试验方案

结合6A02铝合金φ405mm规格铸锭的生产进行试验。选取φ405mm规格整体水箱生产的6A02合金的合格铸锭切20～30mm厚试片，做低倍、高倍、化学成分及力学性能的检查。

2.2 试验结果及分析

2.2.1 铸锭的组织

铸锭现场成型情况良好，表面无拉裂、夹渣及冷隔等铸造缺陷，符合标准要求。

依次在试片心部、1/4处及边部切取3个试样进行高倍组织检测，检测结果如图5。

图5 6A02铝合金φ405mm规格整体水箱生产铸锭的高倍组织

从图中可以看出，铸锭组织均匀，未见较大晶内及晶间偏析物存在。晶粒从铸锭边部至心部逐渐增大，符合结晶规律。

2.2.2 化学成分分析

依次在试片心部、1/4处及边部切取3个试样进行化学成分分析，检测结果如表1。

表1 6A02合金化学成分（质量分数/%）

该合金各元素含量较低，因而偏析倾向性小，从表中数据也可以看出，铸锭中各元素分布均匀，未见明显偏差，符合成品要求。

2.2.3 力学性能检测

分别在试片的中心厚度至边部切取20mm×120mm试样，编号1～4号，分别进行规定非比例伸长应力RP0.2（如图6）、抗拉强度Rm（如图7）及相对伸长率A测量（如图8）。同时与普通结晶器所铸铸锭各项进行对比，具体情况如下：

图6 规定非比例伸长应力RP0.2

图7 抗拉强度Rm相对伸长率/A

图8 相对伸长率A

从图6中可以看出，总体来看整体水箱结晶器RP0.2值明显高于普通结晶器所生产铸锭，均匀性上也相对较好，在试片1/4处优越较大。

对比两种工具生产铸锭，可以看出，在靠近铸锭中心部位，整体水箱结晶器生产铸锭强度较高，虽然在1/4处及边部强度存在一定的波动，但总体波动相对较小，说明铸锭组织更加均匀致密，强度更加稳定。

由图8可看出，两种不同工具生产铸锭相对伸长率基本相同，塑性基本一致，均符合要求。

3 结论

通过现场跟踪及后期试片分析结果，可得出结论，工装工具改进后，安装简便，在很大程度上降低了工人劳动强度，在一定程度上提高了生产效率。铸锭现场成型良好，未见表面缺陷。从试片分析结果看，成分、组织及性能检测结果均满足工艺要求。

[1] 肖亚庆，谢永生，刘静安，等. 铝加工技术使用手册[M].北京：冶金工业出版社，2005

（编辑：余东梅）

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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，山西平遥人，高级工程师。

2015-12-23