第一篇：铝合金扁锭可调石墨结晶器加工工艺研究论文
摘要：:我国铝合金扁锭可调石墨结晶器目前大部分依赖进口，国外采取技术封锁使得可调石墨结晶器国产化进展缓慢。虽然国内部分企业在进行国产可调石墨结晶器的研发，但目前的成果还不是很理想。究其根源主要在于结晶器石墨板的选材、机加工工艺及结晶器石墨板的检测存在误区，针对这些问题探讨如何制造出满足生产铝合金扁锭熔铸要求的可调石墨结晶器。
关键词：:铝合金;石墨;可调石墨结晶器;机加工艺;贴合度
国产可调石墨结晶器的石墨板贴合问题是困扰我公司生产铝合金扁锭过程中的难题，虽然可以通过其他方法控制，但取得的效果有限。根据我公司在2010年购买的国产可调石墨结晶器在使用、维修和维护实践中遇到的一些问题进行分析研究，仅供铝合金熔铸行业人士参考，不妥之处敬请指教。可调石墨结晶器主要由石墨板和铝制型腔等组成。结晶器石墨板作为铸造铝合金时的工作表面，应该具有耐高温腐蚀、耐冷热冲击、气孔率高、渗透性好等特点。铸造过程中结晶器石墨板与高温铝液接触，油脂自动渗出实现自润滑功能。为保证结晶器石墨板能够连续的实现自润滑，应适当控制石墨板受热极限温度。结晶器石墨板温度越高，板内油脂溢出速度越快，有效润滑时间越短。结晶器石墨板温度升高时，多溢出的油脂在液态铝与石墨板接触区形成碳化物(油脂高温碳化)，并附着在石墨板上。附着的碳化物使石墨板工作面光洁度下降、增大摩擦阻力，造成铝合金铸锭表面拖拉痕或横向撕裂等铸造表面缺陷。结晶器石墨板产生热聚集后典型的铸锭缺陷有:铸锭纵向通体裂纹，表面拖拉痕，横向撕裂，铸锭壳层厚度不均，可起铸的工艺参数范围窄，起铸困难等等。为避免结晶器的石墨板局部发生大量热聚集，在结晶器的设计、加工、装配、使用等各个阶段应采取必要的预防措施，尽可能使石墨板与结晶器型腔充分贴合。石墨板与结晶器型腔贴合度越高，石墨板的导热效率就越高，铸造铝合金时石墨板的温度就会降低，油脂溢出速度也降低。油脂溢出速度的降低能够有效减少油脂碳化现象，从而提高铸造表面质量。可调石墨结晶器在铸造铝合金时石墨板非工作区域表面温度应低于60℃。
1结晶器材料的选择
正确的选择材料是制得优质结晶器的基础。选择材料时应注意以下几点:
1)选择主体材料时应避免钢、铝混用，以免因两种材料变形性能不同引起结晶器变形，增加铝合金扁锭的铸造工艺难度，尤其是挂板(上封板)或框架不能用钢板制作;
2)所用的铝合金主体材料都应经过热处理;
3)引锭头应使用同一种材料制作，避免钢铝混用，建议采用6061-T651铝合金热轧板;4)结晶器石墨板应选用热等静压石墨板［1］，石墨纯度不低于99．9%，密度介于1．6g/cm3～1．85g/cm3之间，石墨板的石墨平均粒径小于25μm，气孔率介于13%～15%之间，导热系数介于80W/(mK)～130W/(mK)之间。目前国内的热等静压石墨板的尺寸规格较小，无法满足铝合金扁锭结晶器的生产使用需求，基本依赖进口。
2可调石墨结晶器的设计加工
采用可调石墨结晶器，就是为了最大限度地降低结晶器的投资成本。实现同一结晶器一定宽幅内的任意调整，并能够适合大多数铝合金牌号生产的需求。科学合理的结晶器设计方案决定了结晶器的最终使用性能，因此在可调石墨结晶器设计阶段应注意以下几点:
1)该可调石墨结晶器将要生产的扁锭的铝合金种类;
2)以哪个铝合金牌号或者哪个铝合金系作为结晶器的设计基准，以及其期望实现的铸造速度;
3)可调石墨结晶器的内腔曲线设计;
4)可调石墨结晶器冷却水的出水孔孔道长度、冷却水孔间距、冷却水水孔直径以及结晶器冷却水喷射角度;
5)可调石墨结晶器石墨板的固定方案设计;
6)可调石墨结晶器的大面与小面过渡的Ｒ角(圆角)，需满足结晶器生产不同铝合金扁锭时更换不同角度石墨板的工艺需求，并能够实现Ｒ角快速更换的使用要求。图1为可调石墨结晶器3°石墨板所采用的Ｒ角示意图。铝合金扁锭的各向收缩量不同。在购买或设计可调石墨结晶器前，应明确主要生产的铝合金种类、铸造速度、结晶器石墨板的角度等。一般情况下生产1×××、8×××系铝合金扁锭时，结晶器石墨板选用0°石墨板;生产3×××、6×××系铝合金扁锭时，结晶器石墨板选用3°石墨板;生产5×××系铝合金扁锭时结晶器石墨板选用5°石墨板。建议其内腔曲线不要采用简单的几段直线或一段弧线，避免曲线过渡不够平滑引起石墨板与结晶器型腔产生间隙。图2中所示圈中部分为可调石墨结晶器石墨板容易产生间隙的部位。为避免石墨板与结晶器型腔产生间隙影响热传导，在设计加工可调石墨结晶器型腔曲线时需注意以下几点:
1)弧线部分尽可能采用多段直线或弧线(20～40段直线或弧线组成)，使线段间的衔接更加平滑。
2)直线调整段与弧线过渡衔接处应特别注意，不得有明显的过渡衔接痕迹。而绝大多数石墨板与结晶器型腔的间隙就是因为直接过渡的钝角引起的。过渡位置的加工工艺应通过反复试验，确保石墨板与结晶器型腔的贴合精度。
3)轧制面(大面)石墨板两端与结晶器型腔两端应预留足够的间隙，并应设计石墨板定位工具。可调石墨结晶器石墨板的定位工具主要是为了在维修、维护结晶器时方便快速定位石墨板和保证石墨板的安装精度。
4)结晶器小面的型腔曲线简单，加工难度较小，加工精度也容易控制，故此建议小面石墨板采用热装方式安装，有助于减小石墨板与结晶器型腔的间隙，增加导热能力。
5)可调石墨结晶器石墨板的固定方式必须满足提高石墨板贴合度的需求。
6)合理确定可调石墨结晶器的石墨板与结晶器型腔的加工顺序:第一步，制作可调石墨结晶器石墨板加工的胎模，降低石墨板加工过程中变形;第二步，加工石墨板的背面(与铝制腔体接触的表面);第三步，检验石墨板与铝制腔体的贴合度，并处理存在间隙部分，确保石墨板与铝制腔体的贴合度达到95%以上，不能有连续的不贴合部分;第四步，将石墨板固定在可调石墨结晶器大面型腔上加工石墨板工作表面;第五步，加工可调石墨结晶器石墨板其他需要加工和配合的部分;第六步，组装可调石墨结晶器，并检查石墨板与型腔的贴合度，可采用敲击的方式通过声音辨别是否存在间隙。
7)可调石墨结晶器的石墨板在加工过程中由于其长、宽、厚的比值较大，增加了机械加工过程中的变形量，而石墨在被机械加工时是以颗粒状被切削。因此合理优化石墨板的加工工艺显得尤为重要，特别是要控制石墨板的微量机械加工精度，建议参考《微铣刀几何参数对脆性微细等静压石墨件高速精铣削的影响研究》等相关文献［2］。
8)加工完成的可调石墨结晶器石墨板需要逐块进行气孔率检查，确保气孔均匀。均匀的气孔才能保证石墨板均匀的存储、释放油脂。气孔分布不均匀的石墨板会影响结晶器的自润滑性能。
9)建议对可调石墨结晶器所用的石墨板进行一些提高使用性能的处理，例如在原材料焙烧阶段或加工完成后进行适当的物理的、化学的或者其他的方法处理。
3结束语
可调石墨结晶器的其他各部分的加工在此不予赘述，相信各个结晶器制作厂家有自己独到的见解。可调石墨结晶器除了加工设计之外，日常使用和维护保养也很重要。建议用户经常检查、维护石墨结晶器的水过滤网、水孔、石墨板工作表面/背面等部位。日常使用的润滑油脂一定要保证质量可靠，不要采用植物油代替，有些植物油可能会导致石墨板的气孔堵塞，降低石墨板的使用性能，气孔堵塞的石墨板是无法恢复的。
参考文献:
［1］黄四信，何永康，马历乔．等静压石墨的生产工艺、主要用途和国内市场分析［J］．炭素技术，2010(5):32－37．
［2］周莉，王成勇，李文红，翟雨佳．微铣刀几何参数对对脆性微细等静压石墨件高速精铣削的影响研究［J］．工具技术，2016，50(6):13－16．
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