預(yù)制塊鋁液溜槽的結(jié)構(gòu)設(shè)計、制作與應(yīng)用

楊建平， 李 賢， 李曉燕， 劉民章

(青海橋頭鋁電股份有限公司， 青海 西寧 810100)

預(yù)制塊鋁液溜槽的結(jié)構(gòu)設(shè)計、制作與應(yīng)用

楊建平， 李 賢， 李曉燕， 劉民章

(青海橋頭鋁電股份有限公司， 青海 西寧 810100)

本文簡述了鋁液溜槽在20 kg連續(xù)鑄造機組運行中的作用以及現(xiàn)行鋁液溜槽砌筑工藝的缺點，提出了用預(yù)制塊實現(xiàn)鋁液溜槽的砌筑工藝，并針對20 kg連續(xù)鑄造機組進行了鋁液溜槽的模具設(shè)計、預(yù)制塊的制作、養(yǎng)護、干燥及組裝，總結(jié)出了預(yù)制塊鋁液溜槽的優(yōu)點。

20 kg連續(xù)鑄造機組； 鋁液溜槽； 澆注料； 預(yù)制塊

1 鋁液溜槽在鋁錠連續(xù)鑄造機組中的作用

在鋁錠連續(xù)鑄造過程中，鋁液溜槽的主要作用是將混合爐中排放出的高溫鋁液轉(zhuǎn)運至船型澆包，并通過船型澆包將鋁液轉(zhuǎn)注到分配器中，再由分配器將鋁液分配進入鑄模中，最終實現(xiàn)鋁錠的澆注過程。

2 現(xiàn)用整體澆筑鋁液溜槽的制作以及存在的問題

目前，20 kg連續(xù)鑄造機組所使用的鋁液溜槽，是用3～5 mm厚的薄鋼板焊接成溜槽的外殼，再將澆注料與水按一定比例混合攪拌均勻，用人工的方法進行搗制，然后用抹刀將溜槽工作表面修平，在通風(fēng)干燥的環(huán)境中使其自然干燥或用天然氣加熱人工烘干，然后投入使用。

現(xiàn)用鋁液溜槽由于其砌筑方法的限制，使得其在使用過程中表現(xiàn)出以下幾個方面的缺點：

(1)由于溜槽是用手工手工搗制而成，澆注料的緊實度不均勻，出現(xiàn)溜槽工作面局部疏松，導(dǎo)致溜槽使用過程中鋁液的滲入。在每次澆注完成清理溜槽時，由于鋁液滲入澆注料顆粒之間并與澆注料發(fā)生粘合作用，因此在清理過程中往往會造成溜槽工作面的破損。

(2)由于溜槽的距離比較長，每臺機組平均溜槽長度均超過10 m，而溜槽的砌筑需一次澆筑完成。因此，每次需混制的澆注料數(shù)量較大，往往會由于澆注料的攪拌不均勻而影響溜槽的澆筑質(zhì)量。

(3)由于溜槽的長度較長，且溜槽的斷面厚度不均勻，甚至相差較大，一次整體澆注的溜槽往往由于干燥不均勻，造成溜槽內(nèi)襯內(nèi)出現(xiàn)干燥應(yīng)力，導(dǎo)致溜槽內(nèi)襯在使用過程中開裂，影響溜槽的使用壽命。

(4)由于溜槽為一次澆筑而成，在溜槽經(jīng)過一段時間的使用后，一旦局部出現(xiàn)破損，并隨著使用時間的延長以及高溫鋁液的反復(fù)沖刷，破損部位會越來越嚴重。即使用澆注料對破損部位進行及時修補，也會在較短的時間內(nèi)隨著高溫鋁液的流動而潰散。因此，一旦出現(xiàn)較為嚴重的破損，就必須對整個溜槽內(nèi)襯進行整體拆除，重新砌筑。否則，潰散澆注料中的氧化物、非金屬夾雜物將會混入鋁液中，造成鋁液的污染，嚴重影響鋁錠的品位，給企業(yè)造成更大的損失。

以上各項原因的綜合結(jié)果導(dǎo)致了鋁液溜槽平均使用壽命約為兩個月，具體到鋁液通過量月為6000 t?，F(xiàn)砌筑溜槽使用的耐火材料為RSK- Ⅱ型棕剛玉澆注料，其每噸價格為5000元，砌筑一米溜槽約需澆注料50 kg，若進行整體拆除、更換，每道溜槽一次需澆注料750 kg。每年需砌筑6次，需要澆注料4.5 t，僅澆注料一項單道溜槽砌筑的材料費用為2.25萬元。

3 預(yù)制塊鋁液溜槽的設(shè)計與制作

鑒于整體澆注的鋁液溜槽在使用過程中存在上述問題，探索一種能夠預(yù)先制作、干燥、便于保存、能夠即時組裝的溜槽砌筑方法，對于及時處理溜槽破損、保證鑄造生產(chǎn)順利進行顯得非常重要。在對同行業(yè)鑄造設(shè)備進行充分調(diào)研的基礎(chǔ)上，結(jié)合40t預(yù)制塊混合爐砌筑、改進經(jīng)驗，設(shè)計并砌筑預(yù)制塊鋁液溜槽。

3.1 鋁液溜槽外殼的設(shè)計改進與制作

現(xiàn)用鋁液溜槽使用厚度為3～5 mm的Q235鋼板焊接而成，由于其厚度很薄，使其本身固有的強度與剛度較差；加之再重新砌筑后，要承負的澆注料重量很大。因此在砌筑完成后的吊運及安裝過程中，很難避免地造成溜槽的扭曲、變形與損壞，影響溜槽的使用性能。因此，在進行預(yù)制塊設(shè)計時必須考慮對溜槽鋼結(jié)構(gòu)進行改進。

將制作溜槽殼用的鋼板厚度由3～5 mm增加至10 mm,以增加溜槽殼的強度與剛度。為了使設(shè)計的溜槽預(yù)制塊標(biāo)準化以及具有通用性，防止溜槽殼的自身變形以及焊接變形，在溜槽殼制作時采取以下措施：

(1)對每塊鋼板按放大樣進行下料，以保證下料的尺寸精度。

(2)對切割后的鋼板進行較平與機械加工，以減小尺寸誤差。

(3)為了達到理想的焊接效果，對每塊鋼板加工坡口，尺寸為5×45°。

(4)在焊接工藝方面，選用普通低碳鋼焊條J422，先采用點焊將各部分鋼板組合在一起，然后采用斷續(xù)焊進行焊接，待焊縫冷卻后再分步進行補全焊接，以防止由于連續(xù)焊接產(chǎn)生的焊接應(yīng)力導(dǎo)致的焊接變形。

溜槽殼結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 溜槽鋼殼結(jié)構(gòu)圖

3.2 溜槽預(yù)制塊的設(shè)計

溜槽的結(jié)構(gòu)特點：溜槽呈長條狀，斷面形狀呈近似拋物線型，且斷面耐火材料厚度變化大，在干燥應(yīng)力的作用下容易產(chǎn)生收縮，使斷面變形。溜槽斷面結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 鋁液溜槽的斷面結(jié)構(gòu)及尺寸

根據(jù)對整體砌筑鋁液溜槽缺點的分析，鋁液溜槽設(shè)計的關(guān)鍵是在保證其具有較大鋁液通過量的前提下，依據(jù)溜槽的長度進行合理的分段，設(shè)計既要保證溜槽具有均勻的緊實度、致密的表層及良好的表面光潔度，又要能夠最大限度地減小預(yù)制塊的變形量。參考混合爐內(nèi)襯預(yù)制塊的設(shè)計要求，結(jié)合溜槽自身的結(jié)構(gòu)特點，對溜槽預(yù)制塊進行設(shè)計。

考慮到預(yù)制塊制作應(yīng)方便、變形量小、單塊重量適中便于吊運與組裝，以及為減少模具數(shù)量、降低模具制作費用而要求具有較強的通用性等，確定設(shè)計參數(shù)如下：

預(yù)制塊長度：1 m；單塊重量(干燥塊)50 kg；底部壁厚50 mm，上部最小壁厚35 mm，溜槽工作面形狀為近似的拋物線型。為保證設(shè)計尺寸，澆注料的線收縮率按2.7%計算(以澆注料供應(yīng)商提供的檢驗報告為依據(jù))，溜槽預(yù)制塊的斷面尺寸如圖2所示。

3.3 溜槽預(yù)制塊模具的設(shè)計及制作

(1)模具設(shè)計

根據(jù)溜槽預(yù)制塊的設(shè)計尺寸及斷面形狀進行其模具設(shè)計。考慮到溜槽各部位的形狀結(jié)構(gòu)特點，將溜槽模具設(shè)計為兩部分：即通用塊與專用塊。通用塊就是指溜槽直段長度部分的預(yù)制塊，專用塊是指溜槽端部帶有導(dǎo)流管及端部過渡圓角等形狀的預(yù)制塊，見圖3預(yù)制塊溜槽模具組裝圖。

圖3 預(yù)制塊溜槽模具組裝圖

(2)模具制作

從長遠的角度考慮，溜槽預(yù)制塊模具的材質(zhì)以鋁合金、鑄鐵或碳鋼比較合適，因為其經(jīng)久耐用，變形量很小或不變形，通過機械加工可以達到較高的表面光潔度和尺寸精度，并且便于保存。但是考慮到模具重量、制作成本及加工周期等因素，模具制作采用木質(zhì)。選用東北一級紅松，通過人工干燥，控制含水率在8%～10%(與澆注料混制時的含水率相當(dāng))。

模具制作要求尺寸準確、表面光滑、圓角及曲面連接與過渡自然。

模具主要由模具框和胎具兩部分組成。模具框由橫板、堵頭、底板、支撐方木、定位塊及緊固螺桿五部分組成。胎具包括形成預(yù)制塊完整形狀的各部分木質(zhì)裝料。

模具制作按照鑄造用模型的結(jié)構(gòu)與尺寸精度要求的CT8級進行檢驗。

(3)與表面處理

模具制作完成后，需對其表面進行涂層處理。木質(zhì)模具的處理參照鑄造用模型的表面要求進行。凡是與濕態(tài)澆注料接觸的地方，均需用膩子刮平、晾干、反復(fù)打磨平整，用手觸摸無粗糙掛手的感覺，然后用硝基磁漆噴涂2～3遍，保持一定的漆膜厚度，自然晾干即可投入使用。

3.4 預(yù)制塊的制作

模具制作、處理完成并經(jīng)尺寸檢驗無誤后，進行預(yù)制塊的澆筑。

(1)澆注料的混制：將澆注料與清潔的自來水按照8∶1(質(zhì)量分數(shù))進行混合，經(jīng)充分攪拌后填充模具，并用風(fēng)動工具將模具內(nèi)的澆注料均勻搗實，直至澆注料中的漿液逸出為止，然后用抹刀將模具上口修平。

(2)預(yù)制塊的養(yǎng)護：由于預(yù)制塊的形狀為長條形，并且其斷面為凹陷的類似拋物線型，斷面各部位厚度差較為明顯，在濕態(tài)極易發(fā)生變形，使預(yù)制塊的尺寸發(fā)生改變，因此，在澆筑完成后不能立刻從模具中脫出，而是要在模具中進行養(yǎng)護。在正常的氣溫下(環(huán)境溫度為20 ℃)，預(yù)制塊在模具中靜置。為了防止養(yǎng)護過程中預(yù)制塊中的水分過快地蒸發(fā)，影響?zhàn)B護效果，因此養(yǎng)護期間用塑料薄膜對模具進行覆蓋。經(jīng)24～36小時后，澆注料已完全固化，濕態(tài)蠕變性能引起的變形已經(jīng)消除，這時可安全地進行脫模操作。

(3)脫模后，將預(yù)制塊置于排空鋁液的混合爐內(nèi)，無需加熱，利用混合爐內(nèi)的余熱進行干燥。由于溜槽預(yù)制塊的平均斷面厚度較薄，因此，在500～600 ℃干燥4～6小時，從爐中吊出放置于陰涼之處自然冷卻至室溫后即可進行組裝(切忌用壓縮空氣進行強制冷卻，以防冷卻速度過快預(yù)制塊內(nèi)部產(chǎn)生應(yīng)力引發(fā)變形，并在預(yù)制塊表面產(chǎn)生裂紋)。

3.5 預(yù)制塊溜槽的組裝

經(jīng)干燥的預(yù)制塊在組裝時應(yīng)注意以下幾個方面的問題：

(1)由于溜槽是為了保證鋁液順利通過并流向分配器的，因此，溜槽具有一定的坡度，一般來講，由于溜槽的長度尺寸較大，坡度保持在0.5°。因此，在組裝時，預(yù)制塊的下部需鋪設(shè)一層干式防滲料(厚度約為10～15 mm)。一方面是為了調(diào)整坡度，另一方面，由于預(yù)制塊之間存在間隙，預(yù)防可能出現(xiàn)的鋁液滲入。

(2)由于預(yù)制塊因干燥而產(chǎn)生長度尺寸的收縮，因此組裝時塊與塊之間的間隙須用硅鈣板或石棉絨進行封堵，以防鋁液滲入。

(3)由于預(yù)制塊因干燥而產(chǎn)生寬度方向尺寸收縮，因此，在預(yù)制塊擺放整齊后，須對預(yù)制塊兩側(cè)的縫隙用干式防滲料進行填充并搗實，與預(yù)制塊上部保持平齊。

(4)為了防止溜槽使用后預(yù)制塊因熱震而產(chǎn)生變形翹曲，在組裝完成后須在溜槽側(cè)部鋼殼上安裝預(yù)制塊壓板，用M12螺栓與溜槽側(cè)壁10 mm鋼板緊固在一起，如圖1所示。

(5)組裝好的溜槽應(yīng)保證其應(yīng)有的直線度、表面光潔度以及結(jié)合部位填充物的緊實度，以保證預(yù)制塊溜槽的使用效果。

組裝后的溜槽如圖4所示。

圖4 預(yù)制塊鋁液溜槽組裝圖

4 預(yù)制塊溜槽的應(yīng)用效果

預(yù)制塊溜槽經(jīng)過6個月的使用，除了導(dǎo)流管端部圓角處出現(xiàn)輕微掛渣，其余部位仍保持較好的表面光潔度，也未出現(xiàn)預(yù)制塊上抬的現(xiàn)象，說明預(yù)制塊的底部尚未出現(xiàn)鋁液的滲入。已經(jīng)實現(xiàn)預(yù)制塊溜槽18000 t的鋁液通過量(按每天通過100 t鋁液，連續(xù)使用180天計算)。

預(yù)制塊溜槽與整體澆筑溜槽使用效果對比，見表1。

表1 預(yù)制塊溜槽與整體澆筑溜槽使用效果對比

5 結(jié)語

通過與整體澆筑鋁液溜槽的澆注料用量、砌筑時間、砌筑成本以及使用效果等方面的比較，預(yù)制塊鋁液溜槽具有以下幾個方面的優(yōu)點：

(1)使用壽命長、鋁液通過量大。

(2)表面致密、耐鋁液沖刷、不易產(chǎn)生粘鋁、能有效防止鋁液滲入以及對鋁液污染小。

(3)維修方便、靈活、維修周期短。

(4)省時、節(jié)約人力。

(5)砌筑成本低、經(jīng)濟效果好。

StructuralDesign,FabricationandApplicationofPrecastBlockAluminiumMeltLaunder

YANG Jian-ping, LI Xian, LI Xiao-yan，LIU Min-zhang
(Qinghai Qiaotou aluminium & power Co., Ltd. Xining 810100, China)

The paper briefly describes effect of aluminium liquid launder for 20 kg continuous casting unit and the disadvantages of the building technology of launder at present, puts forward using the prefabricated block building technology, the pattern is designed, prefabricated block is made, dried maintained and assembled aiming at 20 kg continuous casting unit, summarizes the advantages of prefabricated block launder.

20 kg continuous casting unit； aluminium liquid launder； refractory castable； prefabricated block

2014-09-06

楊建平(1981-)，男，甘肅正寧人，助理工程師，大學(xué)專科，主要從事安全管理工作，現(xiàn)任青海橋頭鋁電股份有限公司安全環(huán)保部安全主管。

李 賢(1980-)，男，青海民和人，工程師，大學(xué)本科，主要從事鋁電解研發(fā)工作，現(xiàn)任青海橋頭鋁電股份有限公司技術(shù)中心鋁電解研發(fā)工程師。

TF821

B

1003-8884(2014)06-0046-04

李曉燕(1975-)，女，青海西寧人，助理工程師，大學(xué)專科，主要從事環(huán)境管理工作，現(xiàn)任青海橋頭鋁電股份有限公司安全環(huán)保部專工。

劉民章(1961-)，男，陜西大荔人，高級工程師，大學(xué)本科，主要從事鋁加工研發(fā)工作，現(xiàn)任青海橋頭鋁電股份有限公司技術(shù)中心鋁加工研發(fā)工程師。