目前最現(xiàn)代化的鋁熔鑄車間

1、目前最現(xiàn)代化的鋁熔鑄車間93-11美國(guó) G.J.Binczewski崔鳳岐 譯 范靖亞 校/、八1 前言世界鋁加工業(yè)中最現(xiàn)代化的熔鑄車間最近在美國(guó)阿拉巴馬州雷諾金屬公司 的李斯特海爾鋁薄板廠建成并投入運(yùn)行。 該車間并非是將原先設(shè)備修整或改造實(shí) 現(xiàn)現(xiàn)代化的，它完全是一個(gè)嶄新的車間，耗資 1.21 億美元。該車間的設(shè)計(jì)基于鋁加工業(yè)發(fā)展的經(jīng)驗(yàn)和教訓(xùn)， 集最新技術(shù)裝備之大成， 并 考慮了現(xiàn)在及將來(lái)市場(chǎng)的開發(fā)。新車間取代了已有 50 多年歷史的李斯特海爾熔 鑄車間，舊車間曾為雷諾金屬公司殷實(shí)服役了半個(gè)多世紀(jì)， 其間雖經(jīng)無(wú)數(shù)次的改 造和維修，但現(xiàn)在仍顯得過(guò)時(shí)了。新車間扁鑄錠的產(chǎn)能為 45500噸/月，產(chǎn)能

2、提高了 30%。從圖 1 可知，新熔 鑄車間中只有 5 臺(tái)熔煉爐，但其熔煉能力與舊車間 23 臺(tái)相當(dāng)； 5 臺(tái)鑄造機(jī)擔(dān)任 了原有 16臺(tái)的任務(wù)量；只有 6 臺(tái)靜置爐。圖1雷諾金屬公司鋁合金薄板廠熔鑄車間示意圖2 市場(chǎng)變化效應(yīng)鋁薄板市場(chǎng)變化是促使雷諾金屬公司淘汰李斯特海爾鋁薄板廠舊熔鑄車間 的主要原因。市場(chǎng)變化的效應(yīng)確實(shí)加快鋁合金薄板廠許多熔鑄車間更新進(jìn)程了嗎？答案是明確的。近20年來(lái)，在鋁板市場(chǎng)中，鋁飲料罐用板異軍突起。一些熔鑄車間 已面目全非，例如李斯特海爾鋁薄板廠的熔鑄車間裝備已從原先的配藥柜式擁擠排列” （2：臺(tái)熔煉爐、20臺(tái)靜置爐和16臺(tái)鑄造機(jī)生產(chǎn)出為數(shù)眾多的合金、不同 規(guī)格的鑄錠和系

3、列產(chǎn)品）更新到圖1的布局，以滿足市場(chǎng)對(duì)鋁飲料罐用板的需求。而在美國(guó)，鋁飲料罐用板已占國(guó)內(nèi)鋁板市場(chǎng)總占有量的一半以上，并主要集中在極少數(shù)幾家鋁薄板廠生產(chǎn)，而鋁飲料罐用板的產(chǎn)量要占其中每一廠家軋制產(chǎn)品總 量的2/3以上。對(duì)鋁薄板生產(chǎn)廠家來(lái)說(shuō)，市場(chǎng)對(duì)飲料罐用板已完全標(biāo)準(zhǔn)化了， 即用兩種鋁合 金冷軋出合格厚度和寬度的薄板雷諾金屬公司審時(shí)度勢(shì)， 將精力集中在制定技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)并從日益增長(zhǎng)的重復(fù)規(guī) 格定貨量出發(fā)， 對(duì)鑄錠規(guī)格標(biāo)準(zhǔn)化。 這種做法對(duì)雷諾金屬公司尤為重要， 因?yàn)樵?公司生產(chǎn)的 60%鋁飲料罐用板完全為自身所屬的制罐廠所用。3 經(jīng)營(yíng)設(shè)想新建這個(gè)熔鑄車間的目標(biāo)有 4個(gè)，提高熔鑄質(zhì)量；降低生產(chǎn)成本； 改善現(xiàn)

4、場(chǎng) 環(huán)境；提高生產(chǎn)能力。 與舊車間相比， 新車間產(chǎn)能將提高 30%；能耗會(huì)降低 40%； 操作工人也相應(yīng)減少；生產(chǎn)成本降低3040%。如此瞄準(zhǔn)的目標(biāo)需要生產(chǎn)經(jīng)營(yíng)者 們付出巨大的努力才能達(dá)到。4 鑄錠尺寸通常情況下，熔鑄車間生產(chǎn)的鑄錠尺寸由下一道工序即軋板廠的需要所決 定，新建的熔鑄車間在短期內(nèi)不會(huì)改變現(xiàn)有的狀況， 但它對(duì)將來(lái)更大尺寸鑄錠的 需求有適應(yīng)能力。目前，每臺(tái)鑄造機(jī)可一次澆鑄截面為 0.66米X1.68米、每塊重 量為 13.6噸的鑄錠 6塊，即總重量達(dá) 81 噸。5 電磁鑄造見圖1 所示，新車間的 5個(gè)鑄造機(jī)臺(tái)中，有 4個(gè)采用了電磁 “結(jié)晶?！辫T造， 占整個(gè)熔鑄車間鑄造能力的 80%以

5、上；舊熔鑄車間 16個(gè)鑄造機(jī)臺(tái)中只有 2個(gè)采 用電磁“結(jié)晶模”鑄造，僅占 12.5%。這充分體現(xiàn)了雷諾金屬公司對(duì)新熔鑄車間賦 以現(xiàn)代化的電磁鑄造為主題的設(shè)想。6 歷史的回顧在鋁加工業(yè)的發(fā)展進(jìn)程中， 電磁鑄造方法的開發(fā)和推廣頗具戲劇性。 電磁鑄 造法由前蘇聯(lián)的ZNGctselev發(fā)明并于1969年獲得美國(guó)專利，專利日期截止于1986 年。它剛一問(wèn)世時(shí)，頗引人注目，但在試用中，未能達(dá)到人們所期望的完 全取代傳統(tǒng)直接水冷鑄造那樣的目的。 早期獲得這項(xiàng)專利許可的一些鋁業(yè)公司很 快就發(fā)現(xiàn)， 要推廣用于鑄造多種規(guī)格的鑄錠還需開發(fā)新的工藝及設(shè)備， 還有許多 工作待做， 它被“擱置”多年后才找到廣泛的應(yīng)用。

6、那些在直接水冷結(jié)晶模鑄造中 經(jīng)證實(shí)是不太重要的某些參數(shù)，在電磁結(jié)晶模鑄造中可能成為關(guān)鍵參數(shù)。使用直接水冷結(jié)晶模鑄造的鑄錠， 軋制前必須銑面， 而用電磁結(jié)晶模鑄造的 鑄錠，表面質(zhì)量有很大提高，不用銑面即可進(jìn)行軋制。人們還注意到，用電磁結(jié) 晶模鑄造的鑄錠， 熱軋時(shí)板材的邊部質(zhì)量也顯著地提高了， 這既減少了切除邊部 裂紋的廢料， 又降低了板帶軋制過(guò)程中斷頭次數(shù)。 由于電磁鑄造提高了鑄錠的表 面質(zhì)量，使得人們有可能對(duì)鑄錠選用那些為適應(yīng)隨后軋制過(guò)程變形特性而設(shè)計(jì)的 邊緣形狀， 而在直接水冷結(jié)晶模鑄造中， 鑄錠邊緣形狀是變化莫測(cè)的參數(shù)。 眾所 周知，進(jìn)一步提高暢銷制品的銷量是以每一塊鑄錠質(zhì)量作保證的。7

7、未全部用電磁鑄造的原因李斯特海爾鋁薄板廠新熔鑄車間的投產(chǎn)， 說(shuō)明雷諾金屬公司經(jīng)過(guò)許多年的開 發(fā)和生產(chǎn)實(shí)踐后，已對(duì)電磁鑄造有了充分信心。看一下圖 1 就會(huì)注意到，新熔鑄車間的 5 臺(tái)鑄造機(jī)中還有一臺(tái)采用傳統(tǒng)的直 接水冷結(jié)晶模鑄造。 這是為什么？實(shí)踐證明， 電磁鑄造工藝特別適用于標(biāo)準(zhǔn)合金、 統(tǒng)一規(guī)格的鑄錠和大批量的重復(fù)鑄造任務(wù)， 鋁飲料罐用板的鑄坯就滿足這樣的要 求。然而， 人們更熟悉的直接水冷結(jié)晶模鑄造工藝相比之下有更大的靈活性， 可 生產(chǎn)多種規(guī)格、 各種牌號(hào)合金鑄錠， 以滿足不同用戶的訂貨， 而電磁鑄造工藝這 方面則不能勝任。 另外，鑄造可熱處理強(qiáng)化合金的鑄錠時(shí)， 電磁鑄造工藝也不適 用，原因

8、是難度大，鑄錠很容易形成裂紋。為此，保留了一臺(tái)直接水冷鑄造機(jī)， 以便針對(duì)性的使用。 人們希望， 隨著更多的實(shí)踐， 電磁鑄造的這些缺點(diǎn)將能被克8 鑄造機(jī)臺(tái)來(lái)自傾斜式靜置爐熔池的鋁液量由安裝在流槽上的不與液面接觸的水平傳 感器的反饋，通過(guò)計(jì)算機(jī)來(lái)控制。 流槽上的一個(gè)自動(dòng)閉合裝置保證同時(shí)澆注的每 塊鑄錠的熔體供應(yīng)量相同， 每次鑄造時(shí)臨界初始條件一致。 鑄錠彼此之間金屬液 面水平的高低差最多是 1/2。鑄造機(jī)臺(tái)上設(shè)有觀察口， 操作人員定時(shí)監(jiān)視鑄造過(guò)程中是否有熔體泄漏、 鑄 錠表面有無(wú)條紋和裂紋等，如遇特殊情況，鑄造機(jī)可隨時(shí)緊急停車。與舊鑄造車間相比， 電磁鑄造的整個(gè)鑄造裝備中， 其零部件都有互換性，

9、從 而使備用零部件的庫(kù)存量大大地減少。由統(tǒng)計(jì)程序控制（SPC）和電腦一起自動(dòng)控制配料量，并省去了人工記錄。定位在鑄錠頭部的一個(gè)條形碼在其后過(guò)程中提供跟蹤及識(shí)別。 即使鑄錠經(jīng)過(guò) 均熱處理后， 條形碼仍是可讀的。 電磁結(jié)晶模的鑄造平臺(tái)比地面高出一膝， 操作 人員可在其上巡視。流槽的頂端又比鑄造平臺(tái)高出一膝。9 巨型熔煉爐雷諾金屬公司用圓形熔煉爐取代了舊的矩形熔煉爐，爐膛直徑為 9.75 米， 用蛤式裝料斗從爐頂裝料。熔池深 0.5 米左右，可容納 109噸的鋁液。在爐床底部特意安裝的多孔擴(kuò)散噴頭向爐膛內(nèi)噴射起精煉和助熔作用的氣 體，這就省去了常用的、勞動(dòng)強(qiáng)度大的外插式精煉桿。既保證了鋁液的對(duì)流，又

10、 降低了鋁液的溫度梯度，同樣，鋁液的成分也均勻了。爐膛內(nèi)裝有6個(gè)燃燒噴嘴，提供從一個(gè)蓄熱系統(tǒng)預(yù)熱后來(lái)的 537C的燃燒空 氣。每個(gè)噴頭的供熱能力為3.78 X 06千卡/小時(shí)。如果爐膛內(nèi)需要繼續(xù)添加固體爐料時(shí)， 可將已熔液態(tài)金屬通過(guò)一根虹吸管轉(zhuǎn) 注到備用 “池”內(nèi)，用虹吸管可避免由于暴露熔體的跌落和翻滾而形成的氧化物渣子。考慮到爐膛直徑達(dá) 9.75 米，故整個(gè)熔池內(nèi)去除浮渣的工作由一臺(tái)類似重型 履帶車的機(jī)械裝置來(lái)完成，該裝置帶有伸縮功能的機(jī)械臂，最大長(zhǎng)度為 9.75 米。 在熔煉爐的端面有一扇 3.66 米寬的爐門，便于爐膛內(nèi)的扒渣操作，扒出爐外的 渣子落入置于爐門下方的渣箱內(nèi)。通過(guò)兩個(gè)直徑為

11、 11.33 厘米的放流孔，將鋁液 轉(zhuǎn)注到靜置爐內(nèi)，額定流量為 4 噸/分，放流操作完全是自動(dòng)的。在這樣高的轉(zhuǎn) 注速度下連續(xù)輸送 20 分鐘就可使靜置爐內(nèi)襯熱蝕和磨損很嚴(yán)重。很顯然，雷諾 金屬公司已解決了這個(gè)使熔鑄車間較長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)感到很棘手的技術(shù)難題。10 靜置爐新熔鑄車間內(nèi) 6 臺(tái)容量為 120噸的矩形靜置爐，全被設(shè)計(jì)為如圖 2 所示的可 傾斜式 （圖略），這樣，在每一熔次鑄造操作時(shí)可傾斜爐體采用頂部澆注。熔池內(nèi) 鋁液深 1.22 米，其熔池橫截面不到熔煉爐的一半。與熔煉爐一樣，靜置爐爐膛 底部也有多孔擴(kuò)散噴頭噴射精煉氣體，同樣也省去了爐外用精煉桿精煉的操作。從靜置爐內(nèi)流出的熔體要通過(guò)裝有旋轉(zhuǎn)

12、噴嘴系統(tǒng)的外置精煉除氣室。接著， 可鑄造 6 塊鑄錠的 90 噸鋁液再流過(guò)一個(gè)多孔泡沫陶瓷過(guò)濾器。該過(guò)濾器先用電 加熱，以保證其在鑄造開始時(shí)能順利地過(guò)濾熔體。在逐次鑄造的空隙期間， 除氣精煉室起備用靜置爐的作用， 它將每一次剛開 始鑄造時(shí)的溫度精確控制得幾乎一樣。 每次初始鑄造時(shí)鋁液溫度的一致性對(duì)于自 動(dòng)鑄造過(guò)程中程序控制參數(shù)的確定是非常重要的。若有需要，可用一根虹吸管將熔煉爐內(nèi)金屬液轉(zhuǎn)注到靜置爐內(nèi)。11 對(duì)電磁攪拌器的爭(zhēng)論新熔鑄車間的 5 個(gè)熔煉爐內(nèi)，盡管已為每個(gè)爐膛都設(shè)計(jì)了一個(gè)電磁攪拌器， 但現(xiàn)在只有一個(gè)熔煉爐膛安裝了電磁攪拌器。 雷諾金屬公司的設(shè)想是， 比較一下 都固定在爐床底下的電磁攪

13、拌器和多孔擴(kuò)散噴頭，看看哪個(gè)使用效果更好。眾所周知，自從電磁鑄造法問(wèn)世以來(lái)， 鋁加工業(yè)界對(duì)爐底下的電磁攪拌器的 功過(guò)一直爭(zhēng)論不休。 贊同電磁攪拌的認(rèn)為， 電磁攪拌消除了爐內(nèi)鋁液的溫度梯度 和濃度梯度； 使熔煉爐內(nèi)鋁液在較短時(shí)間內(nèi)達(dá)到溫度一致， 降低了能耗； 由于金 屬表面層不過(guò)熱，使浮渣量大為降低 （盡管由于電磁攪拌的作用，不斷形成新液 面，但在爐內(nèi)不存在激烈氧化的氣氛 ）。電磁攪拌的贊同者或反對(duì)者通常都以爐內(nèi)配料的類型為理由證明各自的觀 點(diǎn)是正確的，贊同者認(rèn)為，電磁攪拌在爐內(nèi)合金化方面有優(yōu)點(diǎn)，如合金含Si、Cu、Zn、Mg 等各種合金化元素時(shí)，既可以純金屬加入，也可以中間合金形式加 入；反對(duì)

14、者則強(qiáng)調(diào)，當(dāng)固體爐料都是一種合金 （如廢飲料罐料 ）或者液體爐料時(shí)， 電磁攪拌則無(wú)長(zhǎng)處。 或許，雷諾金屬公司的做法在今后能為我們提供其實(shí)踐的結(jié) 果。12 鑄造現(xiàn)場(chǎng)可不在線配置熔煉爐圖 1 左邊的鑄造機(jī)由兩臺(tái)靜置爐供料， 但未在線配置熔煉爐。 鋁液來(lái)自鄰近 的雷諾金屬公司所屬的兩個(gè)鋁廢料回收重熔廠， 再生重熔廠為李斯特海爾鋁薄板 廠的新熔鑄車間， 每天運(yùn)送 454噸液態(tài)合金。 作者以為，雷諾金屬公司利用回收 再生金屬?gòu)S直接熔煉的液態(tài)合金， 故在熔鑄車間內(nèi)省去了熔煉爐， 此舉的確值得 推廣，作者很早就贊同改變鋁加工工業(yè)傳統(tǒng)的二重爐模式，即熔煉爐加靜置爐， 不將熔煉爐設(shè)置在熔鑄現(xiàn)場(chǎng)。13 金屬供應(yīng)的捷徑利用再生的重熔金屬對(duì)李斯特海爾鋁薄板廠來(lái)說(shuō)意義深遠(yuǎn)， 也頗受稱贊。 當(dāng) 半個(gè)多世紀(jì)前建成綜合規(guī)模時(shí)，其現(xiàn)場(chǎng)的電能供應(yīng)影響了鋁廠。 1980 年，這家 鋁廠鼎盛時(shí)期產(chǎn)量達(dá)到 20 萬(wàn)噸/年的額定值。以后，產(chǎn)量逐年遞減，到 80 年代 中期，由于成本太高的原因，這家鋁廠不得不關(guān)閉。在這一時(shí)期，美國(guó)很多鋁廠 也都處于限產(chǎn)和關(guān)閉的窘境。 失去如此巨大的原鋁來(lái)源的李斯特海爾鋁合金薄板 廠若不是從再生重熔鋁廠獲得 18 萬(wàn)噸/年的鋁液做補(bǔ)充，其處境將不可想象。但 是，在美國(guó)這并不是唯一體現(xiàn)金屬回收再生重要意義的例子。14 人的因素人的