鋁合金扁錠可調(diào)石墨結(jié)晶器加工工藝研究論文
摘要：:我國鋁合金扁錠可調(diào)石墨結(jié)晶器目前大部分依賴進(jìn)口，國外采取技術(shù)封鎖使得可調(diào)石墨結(jié)晶器國產(chǎn)化進(jìn)展緩慢。雖然國內(nèi)部分企業(yè)在進(jìn)行國產(chǎn)可調(diào)石墨結(jié)晶器的研發(fā)，但目前的成果還不是很理想。究其根源主要在于結(jié)晶器石墨板的選材、機(jī)加工工藝及結(jié)晶器石墨板的檢測存在誤區(qū)，針對這些問題探討如何制造出滿足生產(chǎn)鋁合金扁錠熔鑄要求的可調(diào)石墨結(jié)晶器。
關(guān)鍵詞：:鋁合金;石墨;可調(diào)石墨結(jié)晶器;機(jī)加工藝;貼合度
國產(chǎn)可調(diào)石墨結(jié)晶器的石墨板貼合問題是困擾我公司生產(chǎn)鋁合金扁錠過程中的難題，雖然可以通過其他方法控制，但取得的效果有限。根據(jù)我公司在2010年購買的國產(chǎn)可調(diào)石墨結(jié)晶器在使用、維修和維護(hù)實(shí)踐中遇到的一些問題進(jìn)行分析研究，僅供鋁合金熔鑄行業(yè)人士參考，不妥之處敬請指教。可調(diào)石墨結(jié)晶器主要由石墨板和鋁制型腔等組成。結(jié)晶器石墨板作為鑄造鋁合金時(shí)的工作表面，應(yīng)該具有耐高溫腐蝕、耐冷熱沖擊、氣孔率高、滲透性好等特點(diǎn)。鑄造過程中結(jié)晶器石墨板與高溫鋁液接觸，油脂自動滲出實(shí)現(xiàn)自潤滑功能。為保證結(jié)晶器石墨板能夠連續(xù)的實(shí)現(xiàn)自潤滑，應(yīng)適當(dāng)控制石墨板受熱極限溫度。結(jié)晶器石墨板溫度越高，板內(nèi)油脂溢出速度越快，有效潤滑時(shí)間越短。結(jié)晶器石墨板溫度升高時(shí)，多溢出的油脂在液態(tài)鋁與石墨板接觸區(qū)形成碳化物(油脂高溫碳化)，并附著在石墨板上。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(jié)晶器石墨板產(chǎn)生熱聚集后典型的鑄錠缺陷有: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，可起鑄的工藝參數(shù)范圍窄，起鑄困難等等。為避免結(jié)晶器的石墨板局部發(fā)生大量熱聚集，在結(jié)晶器的設(shè)計(jì)、加工、裝配、使用等各個(gè)階段應(yīng)采取必要的預(yù)防措施，盡可能使石墨板與結(jié)晶器型腔充分貼合。石墨板與結(jié)晶器型腔貼合度越高，石墨板的導(dǎo)熱效率就越高，鑄造鋁合金時(shí)石墨板的溫度就會降低，油脂溢出速度也降低。油脂溢出速度的降低能夠有效減少油脂碳化現(xiàn)象，從而提高鑄造表面質(zhì)量。可調(diào)石墨結(jié)晶器在鑄造鋁合金時(shí)石墨板非工作區(qū)域表面溫度應(yīng)低于60℃。
1結(jié)晶器材料的選擇
正確的選擇材料是制得優(yōu)質(zhì)結(jié)晶器的基礎(chǔ)。選擇材料時(shí)應(yīng)注意以下幾點(diǎn):
1)選擇主體材料時(shí)應(yīng)避免鋼、鋁混用，以免因兩種材料變形性能不同引起結(jié)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)或框架不能用鋼板制作;
2)所用的鋁合金主體材料都應(yīng)經(jīng)過熱處理;
3)引錠頭應(yīng)使用同一種材料制作，避免鋼鋁混用，建議采用6061-T651鋁合金熱軋板;4)結(jié)晶器石墨板應(yīng)選用熱等靜壓石墨板［1］，石墨純度不低于99．9%，密度介于1．6g/cm3～1．85g/cm3之間，石墨板的石墨平均粒徑小于25μm，氣孔率介于13%～15%之間，導(dǎo)熱系數(shù)介于80W/(mK)～130W/(mK)之間。目前國內(nèi)的熱等靜壓石墨板的尺寸規(guī)格較小，無法滿足鋁合金扁錠結(jié)晶器的生產(chǎn)使用需求，基本依賴進(jìn)口。
2可調(diào)石墨結(jié)晶器的設(shè)計(jì)加工
采用可調(diào)石墨結(jié)晶器，就是為了最大限度地降低結(jié)晶器的投資成本。實(shí)現(xiàn)同一結(jié)晶器一定寬幅內(nèi)的任意調(diào)整，并能夠適合大多數(shù)鋁合金牌號生產(chǎn)的需求。科學(xué)合理的結(jié)晶器設(shè)計(jì)方案決定了結(jié)晶器的最終使用性能，因此在可調(diào)石墨結(jié)晶器設(shè)計(jì)階段應(yīng)注意以下幾點(diǎn):
1)該可調(diào)石墨結(jié)晶器將要生產(chǎn)的扁錠的鋁合金種類;
2)以哪個(gè)鋁合金牌號或者哪個(gè)鋁合金系作為結(jié)晶器的設(shè)計(jì)基準(zhǔn)，以及其期望實(shí)現(xiàn)的鑄造速度;
3)可調(diào)石墨結(jié)晶器的內(nèi)腔曲線設(shè)計(jì);
4)可調(diào)石墨結(jié)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(jié)晶器冷卻水噴射角度;
5)可調(diào)石墨結(jié)晶器石墨板的固定方案設(shè)計(jì);
6)可調(diào)石墨結(jié)晶器的大面與小面過渡的Ｒ角(圓角)，需滿足結(jié)晶器生產(chǎn)不同鋁合金扁錠時(shí)更換不同角度石墨板的工藝需求，并能夠?qū)崿F(xiàn)Ｒ角快速更換的使用要求。圖1為可調(diào)石墨結(jié)晶器3°石墨板所采用的Ｒ角示意圖。鋁合金扁錠的各向收縮量不同。在購買或設(shè)計(jì)可調(diào)石墨結(jié)晶器前，應(yīng)明確主要生產(chǎn)的鋁合金種類、鑄造速度、結(jié)晶器石墨板的角度等。一般情況下生產(chǎn)1×××、8×××系鋁合金扁錠時(shí)，結(jié)晶器石墨板選用0°石墨板;生產(chǎn)3×××、6×××系鋁合金扁錠時(shí)，結(jié)晶器石墨板選用3°石墨板;生產(chǎn)5×××系鋁合金扁錠時(shí)結(jié)晶器石墨板選用5°石墨板。建議其內(nèi)腔曲線不要采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(jié)晶器型腔產(chǎn)生間隙。圖2中所示圈中部分為可調(diào)石墨結(jié)晶器石墨板容易產(chǎn)生間隙的部位。為避免石墨板與結(jié)晶器型腔產(chǎn)生間隙影響熱傳導(dǎo)，在設(shè)計(jì)加工可調(diào)石墨結(jié)晶器型腔曲線時(shí)需注意以下幾點(diǎn):
1)弧線部分盡可能采用多段直線或弧線(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(diào)整段與弧線過渡銜接處應(yīng)特別注意，不得有明顯的過渡銜接痕跡。而絕大多數(shù)石墨板與結(jié)晶器型腔的間隙就是因?yàn)橹苯舆^渡的鈍角引起的。過渡位置的加工工藝應(yīng)通過反復(fù)試驗(yàn)，確保石墨板與結(jié)晶器型腔的貼合精度。
3)軋制面(大面)石墨板兩端與結(jié)晶器型腔兩端應(yīng)預(yù)留足夠的間隙，并應(yīng)設(shè)計(jì)石墨板定位工具。可調(diào)石墨結(jié)晶器石墨板的定位工具主要是為了在維修、維護(hù)結(jié)晶器時(shí)方便快速定位石墨板和保證石墨板的安裝精度。
4)結(jié)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采用熱裝方式安裝，有助于減小石墨板與結(jié)晶器型腔的間隙，增加導(dǎo)熱能力。
5)可調(diào)石墨結(jié)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(diào)石墨結(jié)晶器的石墨板與結(jié)晶器型腔的加工順序:第一步，制作可調(diào)石墨結(jié)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(與鋁制腔體接觸的表面);第三步，檢驗(yàn)石墨板與鋁制腔體的貼合度，并處理存在間隙部分，確保石墨板與鋁制腔體的貼合度達(dá)到95%以上，不能有連續(xù)的不貼合部分;第四步，將石墨板固定在可調(diào)石墨結(jié)晶器大面型腔上加工石墨板工作表面;第五步，加工可調(diào)石墨結(jié)晶器石墨板其他需要加工和配合的部分;第六步，組裝可調(diào)石墨結(jié)晶器，并檢查石墨板與型腔的貼合度，可采用敲擊的方式通過聲音辨別是否存在間隙。
7)可調(diào)石墨結(jié)晶器的石墨板在加工過程中由于其長、寬、厚的比值較大，增加了機(jī)械加工過程中的變形量，而石墨在被機(jī)械加工時(shí)是以顆粒狀被切削。因此合理優(yōu)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(jī)械加工精度，建議參考《微銑刀幾何參數(shù)對脆性微細(xì)等靜壓石墨件高速精銑削的影響研究》等相關(guān)文獻(xiàn)［2］。
8)加工完成的可調(diào)石墨結(jié)晶器石墨板需要逐塊進(jìn)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存儲、釋放油脂。氣孔分布不均勻的石墨板會影響結(jié)晶器的自潤滑性能。
9)建議對可調(diào)石墨結(jié)晶器所用的石墨板進(jìn)行一些提高使用性能的處理，例如在原材料焙燒階段或加工完成后進(jìn)行適當(dāng)?shù)奈锢淼摹⒒瘜W(xué)的或者其他的方法處理。
3結(jié)束語
可調(diào)石墨結(jié)晶器的其他各部分的加工在此不予贅述，相信各個(gè)結(jié)晶器制作廠家有自己獨(dú)到的見解。可調(diào)石墨結(jié)晶器除了加工設(shè)計(jì)之外，日常使用和維護(hù)保養(yǎng)也很重要。建議用戶經(jīng)常檢查、維護(hù)石墨結(jié)晶器的水過濾網(wǎng)、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(zhì)量可靠，不要采用植物油代替，有些植物油可能會導(dǎo)致石墨板的氣孔堵塞，降低石墨板的使用性能，氣孔堵塞的石墨板是無法恢復(fù)的。
參考文獻(xiàn):
［1］黃四信，何永康，馬歷喬．等靜壓石墨的生產(chǎn)工藝、主要用途和國內(nèi)市場分析［J］．炭素技術(shù)，2010(5):32－37．
［2］周莉，王成勇，李文紅，翟雨佳．微銑刀幾何參數(shù)對對脆性微細(xì)等靜壓石墨件高速精銑削的影響研究［J］．工具技術(shù)，2016，50(6):13－16．
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