铝及铝合金熔铸新技术

何向问

(中色科技股份有限公司，河南 洛阳 471039)

近20年来铝合金熔铸技术发展迅猛，一些新的熔铸技术生根发芽快速成长，尤其是近10年来，随着人们对熔铸产品重视度的提高，各种熔铸技术遍地开花，以其各自不同的特点有针对性的服务于各个工序，以下将介绍一些近5～10年来具有代表性的熔铸技术，主要包括熔体处理技术、铸造技术、短流程铸造技术和自动化智能化集成技术。

1 熔体处理技术

1.1 除碱装置

采用电解铝液直接配料的熔铸车间，通常会面临电解铝液内碱金属含量高、氢含量高、渣含量高的问题。如果将未经处理的电解铝液直接转入熔炼炉内，炉内的精炼压力会增大，熔炼炉生产周期会加长；同时碱金属的去除需要加入盐类精炼剂或氯气，对炉子的内衬要求大大提高，同等条件下炉子的寿命也会相对降低。因此，如果将电解铝液净化这一工序提前控制在一个较小的铝液包范围内，无论其在造渣量(相对于熔炼炉内)方面、废气的有组织回收方面还是熔炼炉的使用率和内衬损耗方面均能产生较大的经济效益和环境效益。另外对于部分熔体质量要求不高的产品，可以不用经过炉前除碱处理，直接进行后续炉内精炼，而此时除碱装置可用于其他生产线上电解铝液的净化，生产的灵活性较高。

炉前电解铝液包内的除碱工作原理是：采用专用铝液车将电解铝液包运至除碱装置工作位，对正放好后，除碱装置的转子伸入包内进行旋转，喷入精炼气体或精炼剂颗粒，完成精炼后，包内产生的绝大部分铝渣会上浮或下沉与中间的电解铝液分离开，然后将干净的电解铝液转注到熔炼炉内，残渣留在包内定期清理。

除碱装置按转子数量分为单转子和双转子两种，按处理的铝液包形式分为敞口包的除碱和真空包的除碱，如图1所示。

1.2 炉侧旋转除气装置

熔炼炉、保温炉内一般都会对铝熔体进行精炼，现代化的工厂对精炼有以下要求：①降低操作工劳动强度。目前一些精炼方法由人工抛洒精炼剂，人工搅拌均匀，工人操作量大，劳动强度高。②改善操作工作业环境。人工炉前精炼的方法，人员作业环境恶劣，安全性较差；高温、有毒烟气、灰尘等均对工人的职业健康造成危害。③降低精炼过程能源消耗。一些精炼过程需要长时间开启炉门，热量损失严重，能源消耗量较大。④减少环境污染。一些加精炼剂和搅拌的操作中，炉门开启,部分有害烟气会由炉门排到车间，污染环境。⑤精炼装置结构简单易维护。部分炉内精炼方法在人工安全、节能和环保方面均能满足要求，但是机构相对复杂，不易维护。炉侧旋转除气的方式在炉内精炼中能较好的满足上述要求，具有很大优势。

(a)单转子敞口包除碱装置 (b)双转子真空包除碱装置 图1 除碱装置Fig.1 Alkali removal device

炉侧旋转除气装置的工作原理是：在炉侧或者炉门上预留一个供炉侧旋转除气装置转子进出的小炉门，在大炉门关闭的情况下，通过与炉子进行信号交换，打开小炉门，使炉侧旋转除气装置的转子伸入到炉池内，精炼剂和精炼气体通过旋转的转子喷入铝熔体内，同时起到了抛洒和搅拌的作用，无需人力介入。精炼完成后，转子伸出炉外待下一次作业。炉侧旋转除气装置按其工作方式分为固定式和移动式，如图2所示。

(a)固定式 (b)移动式 图2 炉侧旋转除气装置Fig.2 Rotary degassing device at furnace side

2 铸造技术

目前铸造技术的发展主要集中在铸造质量提升和铸造安全性提升两个方面。以下介绍的几种铸造技术是近5～10年在国内引进并逐步发展起来的，具有一定的代表性。

2.1 扁锭的可调节能变形结晶器技术(Adjustable Flexible Mould)

可调结晶器的推出，通过调整结晶器短边的间距，可实现一套结晶器完成多个厚度相同、宽度相近的扁锭铸造，有效降低了结晶器的单位产能成本。而可调节能变形结晶器技术(AFM)与其有相似的作用，在铸造之前可调整结晶器短边距离，与其不同的是其在结晶器长边上仍可以进行微调。可调节能变形结晶器技术(AFM)组成及原理见图3。

图3 可调节能变形结晶器技术(AFM)组成及原理图Fig.3 Composition and schematic diagram of adjustable flexible mould technology (AFM)

针对不同合金结晶器长边铸锭的收缩率不同，提前可将大面的结晶器弧度进行微调，尽量减少锭尾膨胀和翘曲。另外在铸造开始后，由于起铸阶段和平稳铸造时速度不同，大面的收缩发生变化，会引起锭尾膨胀和翘曲，此时可以在铸造过程中微调结晶器的长边达到一定的收缩补偿，从而减小锭尾的膨胀。这种可调节能变形结晶器技术(AFM)在同等条件下，可进一步减少锭尾膨胀，提升成品率。

2.2 圆锭的低压铸造技术(Low Pressure Casting)

圆锭低压铸造技术主要用于改善铸锭表面质量，其适用范围为Φ127mm～Φ735mm。小规格、成分简单的低合金圆铸锭一般可通过气滑铸造技术来改善表面质量，而铸造直径较大、合金成分较复杂的硬质合金圆铸锭时，可以考虑这种低压铸造技术改善其表面质量。

常规铸造原理如图4所示，铸造时，在与结晶器接触的固液带上，液体凝固成固体时收缩，在固液带内部收缩面上受到了一个大气压+△P的压力，而在收缩面外部只受到一个大气压的压力，因此在这个收缩面上会多出一个△P的压力。这个压力会将固液带内尚未凝固的液体挤到收缩面边缘，而收缩带在收缩后与结晶器离开一段间隙，这时未凝固的液体就会将收缩带表面二次熔化后析出，生成偏析瘤，使铸锭表面质量变差。

为了解决这一问题，采用了如下方法(图5)：封闭铸造流盘上方，将流盘上方的空气抽成近真空，在铸造流盘下部开一个小的通气管路，连接结晶器内液面上方的空气和外部大气，使流槽内液面上和结晶器内液面上都只受到一个大气压，从而最大限度减少△P的大小；这样收缩面上受到的压差将大大减小，析出物也会减少或者消除，从而达到改善铸锭表面质量的目的。

图4圆锭常规铸造原理图 图5圆锭低压铸造原理图Fig.4 Schematic diagram of conventional casting of round ingot Fig.5 Schematic diagram of low pressure casting of round ingot

2.3 电磁搅拌铸造技术

电磁铸造技术不同于前面两种铸造技术的思路，它主要是通过增加外场，改善铸造过程中铸锭的内部组织和表面质量，从而提高铸锭性能。电磁铸造技术国内外已经研究多年，但是市场上仍使用较少，主要是成本太高，除了国防军工、航空航天等高端产品不计成本可能会使用外，其他产品应用上受限较大。相对于电磁铸造技术，电磁搅拌铸造技术的产生，一方面使成本得到了控制，另一方面延续了电磁铸造的一些显著的优点。

电磁搅拌铸造技术的优势：①能够显著改善高合金铸锭成分均匀性，晶粒尺寸显著细化；②铸锭中心等轴晶率增加明显、中间裂纹基本消除，偏析大大减少，表面质量得到提升。

以圆锭生产为例，如图6所示，其工作原理为：在铸造流盘上结晶器边的水箱区域，安装有一圈多个电磁搅拌器；铸造进行时，电磁搅拌器通过磁场在正在凝固的铸锭中产生电磁力，电磁力作用于铝熔体上，通过控制电流变化改变电磁力的大小，从而控制铝熔体的流动状态，进而达到改善铸锭内部组织、提升成分均匀度、减少偏析和提高表面质量的目的。电磁搅拌铸造技术的结晶器及铸造流盘分别如图7和图8所示。

图6 电磁搅拌铸造原理图Fig.6 Schematic diagram of electromagnetic stirring and casting

图7电磁搅拌技术结晶器 图8 电磁搅拌技术铸造流盘Fig.7 Electromagnetic stirring technology mould Fig.8 Electromagnetic stirring technology casting flow plate

3 短流程铸造技术

短流程铸造技术是相对于需要热轧开坯的工艺技术路线而言的，由于其将熔炼铸造和后序轧制紧密结合起来，直接做成接近铝加工厂的最终产品，因此这些技术很适合大规模生产单一产品。能耗低、占地面积小、生产成本低、人员占用少，这些优点使其在综合竞争中占据优势。 以下是两种比较有特色的短流程铸造技术。

3.1 Micro mill技术

Micro mill技术将铸造和轧制两道工序结合起来，铸造时采用双辊高速冷却，高速铸轧为水平式双辊铸轧，解决了传统铸轧技术的中心偏析问题和生产速度受限问题。该技术适用于生产5xxx和6xxx部分合金，主要产品是汽车内外板坯料，其最大优势就是可以替代目前以热轧开坯方式生产的汽车板。该工艺具有以下特点：①工艺流程短，传统扁锭热轧需要约20d才能将铝熔体转化成铝卷，而Micro mill完成此项工作仅需20min；②占地面积小，能耗低，占地面积和能耗分别是传统热轧生产线的1/4和1/2；③产品综合性能优，凝固速度高，显微组织得到了极大改善，晶粗细小。比传统汽车铝板的成形性提高40%，强度提高30%，为客户提供了更大的设计灵活性和更好的车辆性能。

3.2 哈兹列特连铸连轧技术

哈兹列特连铸连轧技术由连铸和连轧两部分组成，核心在连铸上。铸造成型时，铝熔体通过铸嘴进入完全张紧的两张钢带和两条根据宽度可调节的矩形金属块链形成的模腔内，钢带和金属块链同时运动，冷却水通过冷却钢带使模腔内的熔体冷却，从而完成铸造。这种方法铸造成型速度快，和后面的连轧机进行匹配，可生产1xxx、3xxx、8xxx和部分4xxx、5xxx、6xxx产品。快速的凝固使其铸造速度较大，按照宽度1650mm、厚度19mm、铸造速度7m/min～9m/min进行计算，其生产能力可达35t/h～45t/h,因此在大规模生产单一产品时有很大优势，如铝箔坯料、建筑维护板、交通用板等。

4 自动化和智能化技术

4.1 超声测液位技术

目前铸造机前流槽内液位的探测大多采用激光形式，但这种方式在使用过程中成本较高。激光发生器采用高压压缩空气冷却(一般要求大于0.7MPa)，而工厂里一般需要的压缩空气为0.4MPa～0.6MPa，因此为保证此处激光发生器的安全需要额外对普通压缩空气加压或在站房内增加高压空压机，造成公辅成本增加；另外，激光发生器本身价格较高，而且冷却不好易损坏，运行维护成本较高。超声测液位技术中所用的超声发生器，不仅能够满足测量液位的精度要求，而且耐高温、易维护，无需额外的配套设施。因此，这种新的超声测液位技术以其较低的投入和运行成本将逐步替代激光测液位技术。目前该技术已经有多家国外知名铸造机厂家开始投入使用。

4.2 铸造安全检测及处理技术

铸造过程中的安全一直是熔铸技术中不可回避的一个重要问题，而起铸阶段人工对结晶器内漏铝的查看和及时处理是其中一个重要方面。传统的人工查看可能会因为铸造速度过快、人工堵漏反应不及时或漏铝未发现而导致严重的漏铝事件，甚至因漏铝过多而导致爆炸事故，给人员和设备安全造成严重隐患。

以更易漏铝的圆铸锭生产为例，目前一些铸造设备厂家正致力于研发一种能够自动识别漏铝和自动堵漏的自动化系统。如采用热成像仪在铸造铝棒间巡回检测，发现漏铝的结晶器及时定位并报警，给操作人员足够的反应时间，或者采用机械臂根据定位的信息直接自动堵漏。这一系统如能研发并实验成功，将大大提高铸造生产时漏铝检测的安全性和可靠性，同时可以相应的减少铸造时的操作人员，降低人工成本。此技术目前尚不成熟，处在研发阶段，部分设备厂家仍在积极尝试。

4.3 自动化集成技术

熔铸车间的设备比较集中，工序衔接较多，按照传统的布局方式，设备间需要预留很多在制品周转区，否则可能会难以组织生产。现在随着各种单体设备自动化程度的提高，车间各级管理系统的完善，高度集成的自动化系统得以发展。通过自动化集成，车间各工序周转时间可以大大缩短，操作工人显著减少，生产的安全性和可靠性也大大提高。因铸造成型阶段危险性较大，工况比较复杂，各设备厂家正积极研发可靠的自动化智能化系统，而目前的自动化和智能化集成主要集中在铸造工序之后的均热、锯切、探伤等工序，采用辊道、小车、机械臂、智能天车等实现具体操作。

这种技术目前在国内一些知名企业已经逐步使用，后期随着人力资源成本的增加和人们对安全和效率的追求，自动化集成技术将逐步在各企业中普及。

5 结束语

熔铸技术的发展一方面是提高产品的内外部质量，另一方面是提高产品的生产效率，同时还应考虑生产的稳定性、安全性和可靠性，保障生产在环保、节能方面的先进性。熔铸新技术的推出正是在不断的靠近和满足上述需求，以自动化和智能化为手段，最终为下游加工产品提供高质量合格的坯料。各种熔铸新技术有不同的技术特点，只有在充分了解和认清其特点的情况下才能选择更为合适的技术，本文通过对各种熔铸新技术的介绍，为读者在熔铸设备的选择及更新换代上提供参考。