淺談連續(xù)鑄造行業(yè)熔煉澆注過程的自動化

衛(wèi)飛龍，黃小東，劉 軼

（共享智能鑄造產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新中心有限公司，寧夏銀川 750021）

連續(xù)鑄造是指高溫下呈液態(tài)的金屬溶液以一定形狀連續(xù)冷卻成固態(tài)的過程，金屬液可以是廢舊金屬熔化而來，也可以是各種金屬礦產(chǎn)熔煉而來。

在鑄鐵的連續(xù)鑄造過程中，為了保證產(chǎn)品的穩(wěn)定性，鐵水不能從熔煉爐直接轉(zhuǎn)運(yùn)到成型線進(jìn)行澆注，而是要把熔煉好的鐵水轉(zhuǎn)移到一個大的保溫爐進(jìn)行混合。

圖1 傳統(tǒng)連鑄行業(yè)布置方式

如圖1所示，為傳統(tǒng)連鑄行業(yè)布置方式。工位1表示若干個熔煉爐出鐵位置，工位2表示保溫爐出鐵位置，工位3表示若干個成型線的澆注工位。工位3處有一個結(jié)晶爐，下方有結(jié)晶器，液態(tài)的鐵水倒入結(jié)晶爐后，從下方的結(jié)晶器連續(xù)不斷的冷卻成固態(tài)的產(chǎn)品。保溫爐一般比熔煉爐大3～5倍，熔煉爐的鐵水間斷性的倒入保溫爐，與保溫爐原有鐵水進(jìn)行混合，保溫爐連續(xù)的出鐵水轉(zhuǎn)運(yùn)到成型線進(jìn)行澆注，這樣就能保證保溫爐中的鐵水一直處于動態(tài) 的平衡當(dāng)中。行車需要從工位1接鐵水轉(zhuǎn)運(yùn)到工位2，倒入到保溫爐，再從工位2接鐵水轉(zhuǎn)運(yùn)到工位3，倒入到成型線的結(jié)晶爐，整個過程需要人控制行車吊運(yùn)鐵水包來回轉(zhuǎn)運(yùn)鐵水，有如下問題無法解決：首先其危險性高，行車吊運(yùn)高溫鐵水，在車間來回轉(zhuǎn)運(yùn)，周邊有操作人員，容易引起安全事故；其次是勞動強(qiáng)度大，員工在高溫、高危險環(huán)境中工作，行車的操作是高空作業(yè)，使得工作崗位的從業(yè)愿望差；第三是自動化程度低造成產(chǎn)品質(zhì)量不穩(wěn)定，設(shè)備自動化水平底，需要高技能的操作人員，各個工序都是由人員操作來完成，沒有連鎖及控制，造成各批次產(chǎn)品質(zhì)量參差不齊；第四是能耗高，行車吊運(yùn)鐵水包來回轉(zhuǎn)運(yùn)，能源消耗大，環(huán)境污染嚴(yán)重；第五是效率低，行車吊運(yùn)著鐵水包來回轉(zhuǎn)運(yùn)，速度慢，效率低。

1 基于自流槽的連續(xù)澆注系統(tǒng)

鑄鋁連續(xù)鑄造工藝是將廢舊鋁在熔煉爐中熔化成鋁水，再轉(zhuǎn)運(yùn)到精煉爐進(jìn)行精煉，然后把精煉好的鋁水轉(zhuǎn)運(yùn)到成型線進(jìn)行澆注。鋁水的兩次轉(zhuǎn)運(yùn)都是通過自流槽轉(zhuǎn)運(yùn)，熔煉爐和精煉爐都是固定的，爐子下方有一個出水口，當(dāng)需要出鋁水時打開下方的插板閥鋁水就可以自動流出。

通過對鑄鋁連續(xù)鑄造的工藝流程進(jìn)行研究并結(jié)合在國外調(diào)研的情況，提出一種鑄鐵連續(xù)鑄造的工藝流程：熔煉爐和保溫爐高低錯位布置，二者之間設(shè)置自流槽，熔煉爐的鐵水能通過自流槽流入到保溫爐。圖2、圖3、圖4分別為熔煉爐兩側(cè)、同側(cè)、異形布置圖。

2 連續(xù)鑄造系統(tǒng)設(shè)計

圖2 熔煉爐兩側(cè)布置圖

圖3 熔煉爐同側(cè)布置圖

圖4 熔煉爐異形布置圖

與連續(xù)鑄鋁工藝不同的是，鑄鐵的熔煉爐和保溫爐是傾斜出鐵。熔煉爐和保溫爐在出鐵時需要整個爐體最大旋轉(zhuǎn)95°，以保證鐵水能全部倒出，這就需要熔煉爐一端的自流槽固定在出鐵口的下方，當(dāng)熔煉爐傾斜時，鐵水通過出鐵口倒入自流槽，從自流槽流入到保溫爐，保溫爐一端的自流槽需要做成可以旋轉(zhuǎn)的結(jié)構(gòu)。當(dāng)熔煉爐出鐵給保溫爐時，自流槽在保溫爐上方，如圖5所示；當(dāng)保溫爐出鐵給成型線時，自流槽需要旋轉(zhuǎn)90°避開保溫爐，如圖6所示。圖5和圖6分別為熔煉爐出鐵給保溫爐和保溫爐出鐵給成型線的示意圖。

通過自流槽的工藝，可以實(shí)現(xiàn)鐵水的自動化轉(zhuǎn)運(yùn)，提高轉(zhuǎn)運(yùn)效率，再配上前序的自動上料和加料系統(tǒng)，后續(xù)配以高空懸鏈轉(zhuǎn)運(yùn)系統(tǒng)或者地面小車轉(zhuǎn)運(yùn)系統(tǒng)，能夠有效提高熔煉澆注工序的自動化水平，為行業(yè)發(fā)展提供動力。

圖5 熔煉爐出鐵給保溫爐示意圖

圖6 保溫爐出鐵給成型線示意圖

3 技術(shù)難點(diǎn)

自流槽主體結(jié)構(gòu)由鋼板焊接而成，涂以硅砂等耐火材料，設(shè)計過程中考慮了兩種方案：一種是截面形狀設(shè)計成全密封的圓筒結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)的好處是減少鐵水在流動過程中的熱損失，缺點(diǎn)是耐火材料的修補(bǔ)困難；第二種是截面形狀設(shè)計成半封閉的半圓結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)的好處是耐火材料的修補(bǔ)方便，但鐵水流動過程中熱損失大。經(jīng)過權(quán)衡利弊及考慮現(xiàn)有技術(shù)條件，最終確定了第二種方案，截面為半封閉結(jié)構(gòu)，因?yàn)槟壳暗哪突鸩牧现饕枪枭?、寶珠砂等，使用壽命短，自流槽需要定期修補(bǔ)（少則一個月，多則三個月），根據(jù)以往的設(shè)計經(jīng)驗(yàn)，半封閉的自流槽，從熔煉爐到保溫爐之間的長度控制在8 m以內(nèi)，其鐵水的溫減是可以接受的。近些年有一種新的鑄造工藝，就是把高純度的寶珠砂（三氧化二鋁）加熱到2 200℃以上，使其熔化為液體，再澆注成形，據(jù)說這種工藝做的耐火材料可以使用8年以上，如果這種工藝得到廣泛應(yīng)用以后，可以澆注成自流槽的耐火層，自流槽截面設(shè)計成圓筒結(jié)構(gòu)，長度可以增加，連接更多的熔煉爐。

90°的旋轉(zhuǎn)流槽在保溫爐上方時，其下部也要承受高溫鐵水的烘烤，需要用耐高溫鋼板焊接而成。其長度設(shè)計時要充分考慮直接出鐵的需求，因?yàn)楸貭t每1～3個月（根據(jù)修爐所使用的耐火材料性能確定）需要進(jìn)行修爐，修爐期間保溫爐無法使用，為了不使車間生產(chǎn)停止，需要熔煉爐可以直接出鐵到成型線，雖然直接出鐵的鐵水質(zhì)量有所降低，但為了產(chǎn)量，這種情況是可以接受的。這就需要旋轉(zhuǎn)流槽既要在保溫爐上方時能夠給保溫爐加鐵水，旋轉(zhuǎn)90°以后又能給成型線直接出鐵，當(dāng)給成型線轉(zhuǎn)運(yùn)鐵水為人工轉(zhuǎn)運(yùn)時，旋轉(zhuǎn)后的流槽位置可以任意定義，只要人工把鐵水包放到流槽下方，就可以出鐵。當(dāng)給成型線轉(zhuǎn)運(yùn)鐵水為懸鏈或者軌道小車等自動轉(zhuǎn)運(yùn)設(shè)備，就需要流槽旋轉(zhuǎn)后的位置是固定的，最好是和保溫爐的出鐵口在同一水平位置且長度相等，以保證自動轉(zhuǎn)運(yùn)設(shè)備能夠順利的從自流槽接鐵水。

自流槽的結(jié)構(gòu)設(shè)計要充分考慮到鐵水的自重，尤其是旋轉(zhuǎn)流槽旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的強(qiáng)度和剛度，以半徑100 mm流槽為例，長度8 m的范圍內(nèi)鐵水的重量可以達(dá)到2 t左右，這對流槽的強(qiáng)度和剛度要求很高，需要設(shè)計者充分考慮。

自流槽在熔煉爐出鐵口和90°旋轉(zhuǎn)軸心兩個位置是鐵水沖刷區(qū)域，這兩個區(qū)域要重點(diǎn)考慮耐火材料的強(qiáng)度和鐵水濺射，結(jié)構(gòu)上設(shè)計盡可能使鐵水流動平滑并把流槽加寬加高。

4 結(jié)論

采用基于自流槽體的工藝流程，首先是安全性高，車間沒有行車，取消了高空作業(yè)工種，減少了安全事故的發(fā)生；其次是降低勞動強(qiáng)度，熔煉爐和保溫爐出鐵是操作按鈕的低勞動強(qiáng)度，有效減低了員工的勞動強(qiáng)度；第三是產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)定。設(shè)備自動化水平高，使各批次的產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)定；第四是降低能耗，鐵水以自流的方式從熔煉爐進(jìn)入保溫爐，沒有行車及鐵水包的來回倒運(yùn)，免去行車及鐵水包轉(zhuǎn)運(yùn)過程中的能源消耗；第五是效率高，自流槽的轉(zhuǎn)運(yùn)形式提高了鐵水的轉(zhuǎn)運(yùn)效率。

自流槽的鐵水轉(zhuǎn)運(yùn)系統(tǒng)通過熔煉爐與保溫爐高低錯位布置，實(shí)現(xiàn)了鐵水從熔煉爐到保溫爐以自流形式轉(zhuǎn)運(yùn)的功能。通過對國內(nèi)相關(guān)領(lǐng)域和國外調(diào)研資料進(jìn)行綜合分析，可以展望自流槽在連續(xù)鑄造行業(yè)中的應(yīng)用已經(jīng)成熟，前景廣闊，必將對鑄造行業(yè)尤其是連續(xù)鑄造行業(yè)自動化發(fā)展的瓶頸問題提供解決方案。