提高A356.2鋁合金方棒成品率的工藝措施*

楊吉斌，潘建國，李安艷，符慶選，許道中，趙廷軍

（云南云鋁潤鑫鋁業(yè)有限公司，云南 個舊 661000）

A356.2鋁合金具有良好的流動性，無熱裂傾向性、線收縮小、氣密性好等特性，具有良好的鑄造性能[1]，因此被廣泛應用于汽車、轎車、摩托車等車輪鑄件及發(fā)動機缸體缸蓋等制造領域[2]。某公司生產A356.2鋁合金方棒所用的主要原材料為電解原鋁液、工業(yè)硅、金屬鎂等，主要生產工藝采用豎井式半連續(xù)鑄造法。采用的主要鑄造設備有：35 t燃氣加熱式熔煉爐3臺，30 t靜置保溫爐2臺，30 t在線熔體處理系統(tǒng)2套，22 t鋼絲繩深井鑄造機2臺。在實際生產過程中存在澆鑄成品率低的問題，主要表現(xiàn)為冷死、拉漏、橘皮、拉痕、金屬瘤等外觀不符合客戶要求的問題，嚴重影響了生產效率，增加了員工勞動強度，同時回爐產品增多，增加了燒損和能耗，生產成本也大幅上升。因此，如何提高A356.2鋁合金方棒的成品率，降低企業(yè)生產成本，是批量生產方棒的關鍵所在。

1 方棒成品率現(xiàn)狀

該公司的鋼絲繩深井鑄造機于2019年開始投產運行，但生產過程中存在澆鑄成品率低的問題，嚴重影響了生產效率及各項經濟技術指標，導致生產成本高于同行業(yè)同類產品。統(tǒng)計了3月、4月的成品率，結果如表1所示。

表1 方棒成品統(tǒng)計表Tab.1 Statistical table for yield of square stick

從表1中可以看出方棒的成品率僅為89.67%。通過對近兩個月的方棒生產情況進行統(tǒng)計分析，發(fā)現(xiàn)影響成品率的主要因素為：外觀質量不符合標準和差額，具體如表2和圖1所示。

表2 方棒生產統(tǒng)計表Tab.2 Statistical table for production of square stick t

圖1 影響方棒成品率因素占比圖Fig.1 Factor ratio diagram for effect on yield of square stick

隨機抽取10個批次外觀質量不符合標準要求的方棒產品進行統(tǒng)計，確認導致方棒外觀質量不符合標準的主要原因有金屬瘤、冷隔和夾渣，具體統(tǒng)計結果如表3和圖2所示。

表3 外觀質量不符合標準的方棒產品統(tǒng)計表Tab.3 Statistical table for A356.2 aluminum alloy square tick that surface quality can not meet the standard t

圖2 外觀質量不符合標準的方棒產品統(tǒng)計折線圖Tab.2 Statistical broken line graph for A356.2 aluminum alloy square stick that surface quality can not meet the standard

從表3和圖2可以分析得出：外觀金屬溜是導致方棒外觀質量不符合標準的主要原因。

為進一步確認澆鑄過程對產品成品率的影響，隨機抽取10個批次在澆鑄時影響方棒產品成品率的因素進行統(tǒng)計，以確認澆鑄過程影響產品成品率的主要原因。統(tǒng)計結果如表4和圖3所示。

圖3 澆鑄過程對成品率影響因素分布圖Fig.3 Distribution diagram for influence factors of yield in casting process

表4 澆鑄過程對成品率影響因素統(tǒng)計表Tab.4 Statistical table for influence factors of yield in casting process 根

從表4和圖3中我們可以看出澆鑄時冷死是導致方棒出現(xiàn)差額的主要原因。因此可以分析得出導致方棒成品率低的主要原因為澆鑄時冷死。

2 影響方棒成品率的原因分析及控制措施

2.1 結晶器冷卻水眼角度過小

冷卻水在方棒鑄造過程中起決定性的冷卻作用，結晶器冷卻水眼角度決定了方棒在凝固成型過程中鑄棒的冷卻強度和均勻程度，因此合理的結晶器冷卻水眼角度是生產外觀質量和內部組織質量優(yōu)良方棒的保證。如果結晶器冷卻水眼角度過小，則冷卻水偏下，則冷卻效果差，在方棒鑄造過程中導致冷卻結晶帶下移，容易造成鑄棒彎曲、金屬瘤、拉痕等表面質量缺陷的產生，水眼角度如圖4。半連續(xù)鑄造過程中，在鑄錠表面形成的不均勻的凸起，產生瘤狀偏析物，稱為金屬瘤[3]。由于冷卻強度不夠，更容易拉漏；結晶器冷卻水眼角度增大，則冷卻水增強，冷卻強度提升，則鑄棒結晶速度增快，晶內結構更加細化，致密性更高；隨著冷卻強度增強，結晶帶上移，鑄錠液穴變淺；過渡帶尺寸縮小，使金屬補縮條件得到改善，減少或消除了鑄棒內部組織中的疏松、氣孔等缺陷[4]。

圖4 改造前結晶器水眼角度Fig.4 Nozzle angle of crystallizer before improvement

針對結晶器冷卻水眼角度過小，擬通過以下兩個解決方案，并依據(jù)現(xiàn)場的實際情況進行了綜合評價對比，見表5所示。

表5 解決方案對比Tab.5 Comparison of solutions

通過對比分析得出：重新制作符合要求的結晶器，能夠較好的滿足生產需求，有效地解決結晶器冷卻水眼角度小的問題，提高方棒鑄造過程中的冷卻強度，減少了鑄棒彎曲、金屬瘤和拉痕現(xiàn)象的產生。經過改造后的方棒結晶器水眼排布情況如圖5所示。

圖5 改造后結晶器水眼角度Fig.5 Nozzle angle of crystallizer after improvement

2.2 冷卻水眼堵塞影響外觀質量

在鋁合金方棒鑄造過程中，經過投料、熔煉、精煉、靜置和在線處理后得到成分及溫度合格的合金熔體，熔體通過溜槽和分流盤后進入鋁合金鑄造結晶器內，通過結晶器冷卻后，由引錠頭拉出，形成合金棒[5]。在石墨環(huán)上，經過一次冷卻形成凝固外殼后被引錠頭拉出結晶器，然后冷卻水從設置于結晶器下方的水眼內噴射出，對鋁合金鑄棒進行二次冷卻[6]。在二次冷卻過程中，冷卻水眼的堵塞會造成冷卻水不能均勻的噴灑于鋁合金鑄棒表面或者冷卻水無法噴出，造成鋁合金鑄棒表面冷卻不均勻，從而在表面形成拉痕、拉裂等缺陷[7]。對此，隨機選取20個結晶器進行檢查驗證，其結果如表6和圖6所示。

表6 鋁合金鑄造結晶器檢查驗證統(tǒng)計表Tab.6 Statistical table for check and verify of crystallizer of aluminum alloy casting machine 個

圖6 結晶器水眼數(shù)量與堵塞數(shù)量占比圖Tab.6 Ratio diagram of water passage quantity and blocking quantity of crystallizer

通過表6統(tǒng)計數(shù)據(jù)與圖7可以得出，方棒生產過程中水眼堵塞占比達到29%，嚴重影響水流量，致使冷卻效果差，嚴重影響產品外觀質量。

針對結晶器冷卻水水眼堵塞的問題，可以通過在結晶板上安裝結晶器外過濾網、在結晶器上安裝均壓環(huán)、在冷卻水閥架上加裝細過濾網和對冷卻循環(huán)水池進行清洗、換水等方案進行解決，如圖7、圖8所示。

圖7 結晶器外安裝過濾網Fig.7 Exterior filter of crystallizer

圖8 在冷卻水閥架上加裝過濾網Fig.8 Filter installation on cooling water shelf

2.3 引錠頭圓柱面無錐度影響外觀質量

經過對方棒生產線引錠頭圓柱面進行測量，發(fā)現(xiàn)合金方棒鑄造使用的引錠頭圓柱面無錐度，從而導致生產時引錠頭在鑄造過程中無法給予鋁合金方棒向下足夠的拉力，方棒結晶后與引錠頭脫離，致使鋁合金方棒在結晶器內凝固成型后不能及時拉出，導致鑄棒冷死，部分方棒還增加了鋁合金方棒與結晶器壁之間的接觸時間，合金方棒在結晶器內冷卻加大，形成冷隔等表面缺陷。通過對引錠頭圓柱面進行加工處理，增加錐度（1～2）mm，可有效減少鑄棒表面冷隔現(xiàn)象的產生，減少鑄造冷死的合金棒數(shù)量，提高了合金方棒的成品率，引錠頭圓柱面錐度改進前后對比見圖9和圖10。

圖9 引錠頭圓柱面錐度改進前Fig.9 Conical degree of cylindrical surface on dummy bar head before improvement

圖10 引錠頭圓柱面錐度改進后Fig.10 Conical degree of cylindrical surface on dummy bar head after improvement

2.4 轉接管與石墨環(huán)之間的密封性不好

為了進一步確認造成方棒鑄造冷死的原因，隨機抽取20個造成鑄棒冷死的結晶器進行統(tǒng)計分析，統(tǒng)計結果如表7和圖11所示。

表7 鑄棒冷死的結晶器統(tǒng)計表Tab.7 Statistical table for crystallizer of freezing casting rod 個

圖11 鑄棒冷死原因分布圖Fig.11 Reasons distribution diagram of freezing casting rod

通過統(tǒng)計分析發(fā)現(xiàn)，造成結晶器鑄造冷死的主要原因是轉接板與石墨環(huán)之間存在縫隙，導致鑄造過程中，大量鋁液通過縫隙進入轉接板與石墨環(huán)之間，造成局部過冷，熔體無法及時進入結晶器內，導致熔體凝固或者無流動性，造成熔體在轉接套管內冷死，無法鑄造成形，從而成品率下降[8]。通過在轉接套管與石墨環(huán)接觸邊緣上涂密封性油泥，可以有效對轉接板與石墨環(huán)之間的縫隙進行有效的密封，有效地阻止熔體進入縫隙內，避免結晶器鑄造冷死。轉接板與石墨環(huán)密封前后對比見圖12和圖13。

圖12 轉接管與石墨環(huán)密封前Fig.12 Aadapter hoses and graphite rings before sealing

圖13 轉接管與石墨環(huán)密封后Fig.13 Aadapter hoses and graphite rings after sealing

3 措施及效果

采取措施及效果如下：①重新制作符合要求的結晶器，能夠較好滿足生產需求，解決結晶器冷卻水眼角度小的問題，提升對A356.2鋁合金方棒鑄造過程的冷卻強度；②在結晶板上安裝結晶器外過濾網、在冷卻水閥架上加裝細過濾網和對冷卻循環(huán)水池進行清洗、換水；③對引錠頭圓柱面進行加工處理，增加錐度（1～2）mm；④對轉接套管與石墨環(huán)接觸邊緣上涂密封性油泥等措施，有效減少鑄棒金屬瘤、拉痕和冷隔的產生，減少了差額占比數(shù)量，提升了鋁合金鑄棒外觀質量及成品率。后期每月對鋁合金方棒成品率進行跟蹤統(tǒng)計，情況如表8所示。

表8 措施實施后成品率統(tǒng)計表Tab.8 Yield statistical table after implementation of measures %

4 結語

1）通過采用在結晶器上改變水眼角度的措施，能夠有效解決結晶器冷卻水眼角度小的問題，提升二次冷卻水對A356.2鋁合金方棒鑄造過程的冷卻強度的5%，減少了鑄棒彎曲、金屬瘤和拉漏現(xiàn)象的產生；

2）通過在結晶板上安裝結晶器外過濾網、在冷卻水閥架上加裝細過濾網和對冷卻循環(huán)水池進行清洗、換水等措施，可以有效改善方棒表面質量，提高其成品率7.12%；

3）通過對引錠頭圓柱面進行加工處理，增加錐度（1～2） mm，可有效減少鑄錠表面冷隔的產生，提升鋁合金鑄錠外觀質量；

4）通過對轉接套管與石墨環(huán)接觸邊緣上涂密封性油泥，可以對轉接板與石墨環(huán)之間的縫隙進行有效的密封，減少鑄造冷死的現(xiàn)象產生。