鋁合金扁錠可調石墨結晶器加工工藝研究論文

　　摘要：:我國鋁合金扁錠可調石墨結晶器目前大部分依賴進口，國外採取技術封鎖使得可調石墨結晶器國產化進展緩慢。雖然國內部分企業在進行國產可調石墨結晶器的研發，但目前的成果還不是很理想。究其根源主要在於結晶器石墨板的選材、機加工工藝及結晶器石墨板的檢測存在誤區，針對這些問題探討如何製造出滿足生產鋁合金扁錠熔鑄要求的可調石墨結晶器。

　　關鍵詞：:鋁合金;石墨;可調石墨結晶器;機加工藝;貼合度

　　國產可調石墨結晶器的石墨板貼合問題是困擾我公司生產鋁合金扁錠過程中的難題，雖然可以透過其他方法控制，但取得的效果有限。根據我公司在2010年購買的國產可調石墨結晶器在使用、維修和維護實踐中遇到的一些問題進行分析研究，僅供鋁合金熔鑄行業人士參考，不妥之處敬請指教。可調石墨結晶器主要由石墨板和鋁製型腔等組成。結晶器石墨板作為鑄造鋁合金時的工作表面，應該具有耐高溫腐蝕、耐冷熱衝擊、氣孔率高、滲透性好等特點。鑄造過程中結晶器石墨板與高溫鋁液接觸，油脂自動滲出實現自潤滑功能。為保證結晶器石墨板能夠連續的實現自潤滑，應適當控制石墨板受熱極限溫度。結晶器石墨板溫度越高，板內油脂溢位速度越快，有效潤滑時間越短。結晶器石墨板溫度升高時，多溢位的油脂在液態鋁與石墨板接觸區形成碳化物(油脂高溫碳化)，並附著在石墨板上。附著的碳化物使石墨板工作面光潔度下降、增大摩擦阻力，造成鋁合金鑄錠表面拖拉痕或橫向撕裂等鑄造表面缺陷。結晶器石墨板產生熱聚集後典型的鑄錠缺陷有:鑄錠縱向通體裂紋，表面拖拉痕，橫向撕裂，鑄錠殼層厚度不均，可起鑄的工藝引數範圍窄，起鑄困難等等。為避免結晶器的石墨板局部發生大量熱聚集，在結晶器的設計、加工、裝配、使用等各個階段應採取必要的預防措施，儘可能使石墨板與結晶器型腔充分貼合。石墨板與結晶器型腔貼合度越高，石墨板的導熱效率就越高，鑄造鋁合金時石墨板的溫度就會降低，油脂溢位速度也降低。油脂溢位速度的`降低能夠有效減少油脂碳化現象，從而提高鑄造表面質量。可調石墨結晶器在鑄造鋁合金時石墨板非工作區域表面溫度應低於60℃。

　　1結晶器材料的選擇

　　正確的選擇材料是製得優質結晶器的基礎。選擇材料時應注意以下幾點:

　　1)選擇主體材料時應避免鋼、鋁混用，以免因兩種材料變形效能不同引起結晶器變形，增加鋁合金扁錠的鑄造工藝難度，尤其是掛板(上封板)或框架不能用鋼板製作;

　　2)所用的鋁合金主體材料都應經過熱處理;

　　3)引錠頭應使用同一種材料製作，避免鋼鋁混用，建議採用6061-T651鋁合金熱軋板;4)結晶器石墨板應選用熱等靜壓石墨板［1］，石墨純度不低於99．9%，密度介於1．6g/cm3～1．85g/cm3之間，石墨板的石墨平均粒徑小於25μm，氣孔率介於13%～15%之間，導熱係數介於80W/(mK)～130W/(mK)之間。目前國內的熱等靜壓石墨板的尺寸規格較小，無法滿足鋁合金扁錠結晶器的生產使用需求，基本依賴進口。

　　2可調石墨結晶器的設計加工

　　採用可調石墨結晶器，就是為了最大限度地降低結晶器的投資成本。實現同一結晶器一定寬幅內的任意調整，並能夠適合大多數鋁合金牌號生產的需求。科學合理的結晶器設計方案決定了結晶器的最終使用效能，因此在可調石墨結晶器設計階段應注意以下幾點:

　　1)該可調石墨結晶器將要生產的扁錠的鋁合金種類;

　　2)以哪個鋁合金牌號或者哪個鋁合金系作為結晶器的設計基準，以及其期望實現的鑄造速度;

　　3)可調石墨結晶器的內腔曲線設計;

　　4)可調石墨結晶器冷卻水的出水孔孔道長度、冷卻水孔間距、冷卻水水孔直徑以及結晶器冷卻水噴射角度;

　　5)可調石墨結晶器石墨板的固定方案設計;

　　6)可調石墨結晶器的大面與小面過渡的Ｒ角(圓角)，需滿足結晶器生產不同鋁合金扁錠時更換不同角度石墨板的工藝需求，並能夠實現Ｒ角快速更換的使用要求。圖1為可調石墨結晶器3°石墨板所採用的Ｒ角示意圖。鋁合金扁錠的各向收縮量不同。在購買或設計可調石墨結晶器前，應明確主要生產的鋁合金種類、鑄造速度、結晶器石墨板的角度等。一般情況下生產1×××、8×××系鋁合金扁錠時，結晶器石墨板選用0°石墨板;生產3×××、6×××系鋁合金扁錠時，結晶器石墨板選用3°石墨板;生產5×××系鋁合金扁錠時結晶器石墨板選用5°石墨板。建議其內腔曲線不要採用簡單的幾段直線或一段弧線，避免曲線過渡不夠平滑引起石墨板與結晶器型腔產生間隙。圖2中所示圈中部分為可調石墨結晶器石墨板容易產生間隙的部位。為避免石墨板與結晶器型腔產生間隙影響熱傳導，在設計加工可調石墨結晶器型腔曲線時需注意以下幾點:

　　1)弧線部分儘可能採用多段直線或弧線(20～40段直線或弧線組成)，使線段間的銜接更加平滑。

　　2)直線調整段與弧線過渡銜接處應特別注意，不得有明顯的過渡銜接痕跡。而絕大多數石墨板與結晶器型腔的間隙就是因為直接過渡的鈍角引起的。過渡位置的加工工藝應透過反覆試驗，確保石墨板與結晶器型腔的貼合精度。

　　3)軋製面(大面)石墨板兩端與結晶器型腔兩端應預留足夠的間隙，並應設計石墨板定位工具。可調石墨結晶器石墨板的定位工具主要是為了在維修、維護結晶器時方便快速定位石墨板和保證石墨板的安裝精度。

　　4)結晶器小面的型腔曲線簡單，加工難度較小，加工精度也容易控制，故此建議小面石墨板採用熱裝方式安裝，有助於減小石墨板與結晶器型腔的間隙，增加導熱能力。

　　5)可調石墨結晶器石墨板的固定方式必須滿足提高石墨板貼合度的需求。

　　6)合理確定可調石墨結晶器的石墨板與結晶器型腔的加工順序:第一步，製作可調石墨結晶器石墨板加工的胎模，降低石墨板加工過程中變形;第二步，加工石墨板的背面(與鋁製腔體接觸的表面);第三步，檢驗石墨板與鋁製腔體的貼合度，並處理存在間隙部分，確保石墨板與鋁製腔體的貼合度達到95%以上，不能有連續的不貼合部分;第四步，將石墨板固定在可調石墨結晶器大面型腔上加工石墨板工作表面;第五步，加工可調石墨結晶器石墨板其他需要加工和配合的部分;第六步，組裝可調石墨結晶器，並檢查石墨板與型腔的貼合度，可採用敲擊的方式透過聲音辨別是否存在間隙。

　　7)可調石墨結晶器的石墨板在加工過程中由於其長、寬、厚的比值較大，增加了機械加工過程中的變形量，而石墨在被機械加工時是以顆粒狀被切削。因此合理最佳化石墨板的加工工藝顯得尤為重要，特別是要控制石墨板的微量機械加工精度，建議參考《微銑刀幾何引數對脆性微細等靜壓石墨件高速精銑削的影響研究》等相關文獻［2］。

　　8)加工完成的可調石墨結晶器石墨板需要逐塊進行氣孔率檢查，確保氣孔均勻。均勻的氣孔才能保證石墨板均勻的儲存、釋放油脂。氣孔分佈不均勻的石墨板會影響結晶器的自潤滑效能。

　　9)建議對可調石墨結晶器所用的石墨板進行一些提高使用效能的處理，例如在原材料焙燒階段或加工完成後進行適當的物理的、化學的或者其他的方法處理。

　　3結束語

　　可調石墨結晶器的其他各部分的加工在此不予贅述，相信各個結晶器製作廠家有自己獨到的見解。可調石墨結晶器除了加工設計之外，日常使用和維護保養也很重要。建議使用者經常檢查、維護石墨結晶器的水過濾網、水孔、石墨板工作表面/背面等部位。日常使用的潤滑油脂一定要保證質量可靠，不要採用植物油代替，有些植物油可能會導致石墨板的氣孔堵塞，降低石墨板的使用效能，氣孔堵塞的石墨板是無法恢復的。

　　參考文獻:

　　［1］黃四信，何永康，馬歷喬．等靜壓石墨的生產工藝、主要用途和國內市場分析［J］．炭素技術，2010(5):32－37．

　　［2］周莉，王成勇，李文紅，翟雨佳．微銑刀幾何引數對對脆性微細等靜壓石墨件高速精銑削的影響研究［J］．工具技術，2016，50(6):13－16．