铸造工艺及设备

1、第一部份 基础知识第四章 铸造工艺及设备本章主要叙述铝及铝合金生产的基本原理，生产工艺（包括不同的生产方式），主要设备的基本结构及工作原理。第一节 铝及铝合金第一单元 铝及铝合金的性能与结晶组织铝及铝合金的性质及用途铝是一种银白色金属，其原子序数为13，原子量为27，纯铝的熔点为660度，铝的化学性质十分活泼，在自然界中主要以化合物的形态存在，且分布极广，地壳中的铝的含量约为8%，仅次于氧和硅，居第三位。因铝在地壳中丰富的蕴藏量及其独特的优良特性。铝工业迅速发展，铝在各个领域得到广泛应用。1 密度纯铝在室温时密度为/cm2，约为铜或铁铜或铁的三分之一。由于密度小于使铝在航天航空，交通运输等领域

2、得到了广泛应用。不同纯度的铝在不同温度下密度略有不同。2 导热性铝的导热率高，在金属中仅次于银、金、铜居第四位，是铁的3倍，铜的55%，纯铝在0度时的导热率为0.50cal/cm.s.k。等重量的铝的导热量是铁的12倍，铜的2倍，因此，铝材是制造热交换器，发热动机部件与家庭手暖设施的良好材料。3 热膨长系数铝的热膨胀系数大，纯铝的体膨长系数为68.1*10-6m3/m3.k，为不锈钢、铜、黄铜的15倍，是其应用的一项缺点。4 导电性铝导电性仅次于银、铜和金而居第四位，纯铝在20度时的导电率为37.6*10-4-1.cm-1,等重量铝导线的导电量超过铜的2倍，因此铝被广泛应用于电线电缆工业中，铝

3、箔大量用于制造电容器。5 耐蚀性铝及其合金表面，易生成一层致密，牢固的氧化铝保护膜，只有在卤素离子或碱离子的激烈作用下才会遭到破坏，因此，铝有很好的耐大气腐蚀和水腐蚀的能力，能抗多数酸及有机物腐蚀。6 反射率铝表面对红外线、紫外线、可见光线、激光、电波等有高的反射率，因此铝广泛用于制作光、热反射材料。7 磁学性能铝属弱磁材料，几乎不受电磁场影响，亦无磁性，因此在通讯、电子、超导材料及计算机领域是不可缺少的材料。8 力学性能铝合金的基本特征之一，是其常规力学性能随合金种类与状态不同，变化范围极宽，抗拉强度为50mpa-800mpa属服强度为10mpa，伸长率为2%-50%。铝材的正弹性模量变化范

4、围窄，为（7-8）*104mpa，刚性大致与密度成比例，与合金成分及状态的关系不大，相同刚性的铝零件比钢件轻50%。铝及铝合金的疲劳强度较低，是其应用上的一个障碍。根据不同种类合金的力学性能的特点，铝合金可用用来制作机械零件，建筑材料等。9 超塑性能铝合金具有良好的超塑性，铝锂系与铝镁钪系合金是理想的航天航空材料。10其它性能当铝合金的成份，组成，状态不同时，铝合金具有不同的高温性能，低温性能，工艺性能（成形性能，切削性能，焊接性能，锻造性能），在铝合金使用选材时应考虑这些因素的影响。金属材料的一般特性金属材料从冶炼到作为成件使用以前，需要经过铸造，压力加工，热处理以及铆焊等一系列的工艺过程，

5、它能否适应这些工艺过程中的要求，以及适应的程度如何，是决定它能否进行生产，或如何进行生产的重要因素。金属材料所具有的那种能够适应实际生产工艺要求的能力统称为工艺性能，例如铸造性、煅造性、弯曲性、切削性、焊接性等。金属材料制作成工件后，在使用过程中，则要求它能适应或抵抗到它上面的各种外界作用，如力学、化学、辐射、电磁场以及冷热温度的作用等。金属材料满足抵抗这些外界作用的能力统称使用性能，分别称力学性能，抗腐蚀性能（或化学性能）、电磁性能、耐热性能等。工艺性能和使用性能是既有联系又不相同的两类性能，尽管它们都是金属材料本身蕴藏着的，但由于目的不同，它这两类性能上的好与坏或高与低，有时是一致的，有时

6、都是互相矛盾的，金属材料性能方面具有多样性，多变性和特殊性，化学成分，原子集合体的结构及内部组织是决定金属材料性能的内在基本因素，金属材料性能方面的多变性，也正是通过这三个内在因素的多变性而表现出来的。金属及合金的结晶金属和合金由液态转变为固态的过程称为凝固。凝固过程主要是晶体或晶粒的生成和长大过程，所以也称结晶，这个过程决定了金属和合金的铸态结构、组织和性能。1 成份、组织、结构成份是组成金属材料的各类元素的量，各金属材料之间性能的相对差别，即是由这量上的差异引起的。结构是指原子集合体中各原子的具体组合状态。一个完整的晶粒是由同类的原子或不同比例的异类原子，按一定规律结合在一起，并可用严格的

7、几何图案来表达出来。组织是指用肉眼或借助于各种不同放大倍数显微镜所观察到金属材料内部的情景。组织一词的含义包括着晶粒的大小、形状、种类以及各种晶粒之间的相对数量和相对分布。晶粒是组成组织的类似生物学上的细胞的小单元，组织形态的复杂性是由这些小单元的形状、大小、相对数量和相对分布不同而产生的。2 结晶的基本类型金属在结晶过程中，要发生结构的变化，对于合金来说，同时还可能发生化学成份的变化。根据这个特点，理论上可将结晶分为两大类。1） 同分结晶，其特点是结晶过程中只发生结构的改组而无成分的变化。2） 异分结晶，其特点是在结晶过程中，成分和结构同时都发生变化，也称选分结晶，绝大部分合金属这一类。根据

8、结晶后的组织特点，将结晶分为以下两类1） 均晶结晶。其特点是结晶过程中只产生一种晶粒，结晶后的组织应由单一均匀晶粒组成。2） 非均晶结晶。其特点是结晶中时由液体中同时或先后形成两种或两种以上的成分和结构都不相同的晶粒。3 结晶过程结晶过程的宏观现象主要表现在：一是液体必须具有一定的过冷高，过冷是指实际结晶温度与其熔点的差值。二是结晶过程中伴随着潜热的释放，这种潜热等于或小于以一定速度冷却而散发到周围环境中去的热量时，温度或保持恒定，或不断下降，结晶才可以继续进行，直到完全凝固，或达到新的平衡。结晶过程的微观过程是一个由生核和长大两个过程交错重叠组合而成的过程。液态金属是由许多类似晶体结构的原子

9、小集团组成，其中尺寸最大的集团，就是晶体产生的胚，称为晶胚，在过冷液体中，热运动会使一些晶胚借胀落而达到某一规定的临界尺寸以上，从此它就能够稳定地成长而不再缩小，这就是晶核，液体中出现晶核后，附近向四周液体中伸展长大，同时液相中又不断产生新的晶核并且长大。过冷度保证结晶时放出潜热不断散失，使温度不会回升，保证结晶不断进行，直至每个晶核都长大到互相接触，液相完全消失为止。4 铸锭的一般组织 金属或合金的结晶过程大多是在铸模中进行的，铸锭的一般组织由外向内可按组织特征分为三个区域：1）由许多细小的等轴晶粒所组成的细晶粒外壳；2）紧接细晶粒外壳出现的由相当粗大的长柱粒所组成的柱晶区。3）位于铸锭中部

10、由许多较粗长的，各方向尺寸几乎一致的晶粒所组成的等轴晶区。如图所示，铸锭的组织与合金成份和浇铸条件等因素有关，改变这些因素，就可改变这三层组织的相对厚度和晶粒大小，甚至可获得只由两个或一个晶区所组织的铸锭。除了特殊要求希望获得具有单一柱晶区的铸锭或铸件外，生产上一般都希望铸锭中柱晶区短些，等轴晶区宽些，晶粒细些。细晶组织具有如下优点：1） 各向同性。2） 组织致密，强度高，塑性好。3） 枝晶细，第二相分布均匀，有利于抑制铸造过程中产生的成分偏析，羽毛状晶，浮游晶和粗大金属间化合物的生成。4） 提高抗裂纹的能力。偏析与其它组织缺陷。铸锭内各部分化学成分不均匀的现象以及形成这种不均匀性的过程叫做偏

11、析，连续铸造的铝合金铸锭内，常见的偏析有枝晶偏析，区域偏析和局部偏析。枝晶偏析是属于一个晶粒范围内的显微偏析又叫晶内偏析。在实际铸造条件下所得的固溶体中，每一个树枝晶内各部分的化学成分是不均匀。区域偏析是指易熔组分在铸锭横截面上有规律性的不均匀分布，根据易熔组分在铸锭横截面上富集的部位，区域偏析可分为正偏析、反偏析、中间偏析三种类型，铸锭中心部分富集易熔组分的区域偏析叫正偏析；铸锭周边层富集易熔组分的区域偏析叫反偏析，易熔组分主要富集在铸锭中心和周边层之间的中间区域时的偏析则叫中间偏析；在连续铸造的铝合金铸锭内，区域偏析主要表现为易熔组分的反偏析。局部偏析是指铸锭内宏观体积上某些地方化学成份的

12、偶然不均匀性。铝合金棒连续铸锭内的局部偏析主要是由于光亮晶粒和金属化合物的偶然堆放造成的。铸锭在结晶过程中或是随后的冷却过程中，由于不同方向收缩受到阻碍产生的铸造应力的作用，并受合金成份、杂质等的影响形成裂纹；因体积收缩形成缩孔，熔体中的气体来不及逸出液面留在铸锭中形成的气孔，造成铸锭内疏松，严重影响了铸锭组织的连续性。1） 杂质的影响金属中非金属夹杂物的形态和大小，对金属性质有重要影响，细小、弥散均匀分布的夹杂颗粒，在金属凝固时，可以成为结晶的异质核心，同时也可阻碍晶粒的长大，起到细化晶粒的作用，聚结成粗大颗粒的杂质，与金属基体存在着明显的分界，破坏金属的整体、连续性，从而使铸锭和制品产生很

13、多缺陷。2） 铸造条件的影响。冷却速度对铸锭的结晶起决定性作用。冷却速度大，铸锭的结晶速度就提高，晶内结构细化，有利于柱状晶的发展，即获得细密的柱状组织，冷却速度小，是得到粗大的球状晶粒。冷却速度大，因相内的温度梯度愈大，晶内偏析愈严重，但达到一定程度时，反而抑制降低偏析程度。浇铸温度，提高浇铸温度，易获得粗大的晶粒组织，较低的浇铸温度，易获得细小的结晶组织。浇铸速度。铸造速度慢，铸锭冷却的方向性强。易获得细密的结晶组织，过快的铸造速度，由于热传导有一个极限，反而使中部分的温度升高而使晶粒变大变粗大。对于铸锭或铸件，常存在着内在的不均性，它包括：结晶组织方面的不均匀性（如三个晶区中的晶粒形状大

14、小和取向不同；化学成分方面的不均匀性（如各种类型的偏析的产生）物理方面的不均匀性（如各种缩孔、裂纹、气泡等的存在）。这些不均匀性产生是相互联系的，其存在使得铸件或铸锭不能充分发挥金属材料的性能。在现实生产条件下，完全消除上述不均匀性是难于实现的。所以在尽可能减小内在不均匀性的条件下，细化晶粒的基本途径在于尽可能地提高晶核的形成速率，并同时减小晶体的成长速度，以使大量晶核在没有显著长大的条件下便相互干扰而凝固。主要有以下几种方法：1 化学孕育法或变质法：向液态金属中加入孕育剂或变质剂，变质剂分两类：一是促进形核；一是阻止长大。一般以前者为主，常以钛、硼的一些盐类或中间合金的形式作为变质剂加入。2

15、 快速冷却法。加快冷却速度可增加结晶时的过冷度t，一般来说，过冷度越大，晶核的形成速率与长大速率也增大，但前者比后者随过冷度的变大更大一些。因此，增大冷却速度可细化晶粒。3.加强液体运动法。应用电磁搅拌、机械振动、加压浇铸及离心浇铸可增强液体流动，使液体与产生的枝晶发生剪切作用，加快枝晶的剥落与繁殖而达到细化晶粒的作用。若铸锭整体组织细化而又均匀化了，则铸锭物理和化学的不均匀性也得到显著改善。 此外，可对铸锭进行热处理，即是把固态下的铝合金加热到一定温度，进行必要的保温，并以适当的冷却速度冷却到室温，以改变铝合金的内部组织和性能。第二单元 铝及铝合金生产工艺1、 铝及铝合金生产的基本工艺流程原

16、铝、冷材、合金元素 配料 熔炼 中间取样 铸造 锯切、包装 成品 配料配料的目的是控制铝或铝合金的成份。由于从不同电解槽取出的铝液品位不同，且各种杂质含量也不同，同时，生产过程中产生的残铝、废品，电解车间因停槽等原因产生的高铁铝都需要到生产过程消耗掉，所以为满足产品质量要求或提高铝液品位，配料是一项重要工作，对于铝合金生产，根据不同合金产品的要求，需加入合金元素，配料尤为重要。1 配料的一般计算式生产中一般是以计算铝液中的杂质或合金元素量来控制铝品位。 x=（x1q1+ x2q2+ x3q3+·····+ xnqn）/（q1+ q2+ q3+&

17、#183;····+ qn） x-混合后铝液的fe（或si、其它杂质）含量 x1 x2 x3 ···xn -各电解槽铝液的fe（或si、其它杂质）含量 q1 q2 q3···+qn-各电解槽取出的铝液重量对于需要进行质量调配的铝液计算式如下： q2=（x-x1）/（x2-x）×q1 q1-调配前铝液重量 q2-调配需要加入铝液重量 x1-调配前铝液含fe（或si、其它杂质）量 x2-调配加入铝液含fe（或si、其它杂质）量 x -调配后铝液含fe（或si、其它杂质）量例：有铝液25吨，

18、含铁量为0.22%，问需要加入多少吨含铁量0.10%的铝液，才能使调配后的铝液含铁量为0.20%。 解： q2=（0.002-0.0022）/(0.001-0.002)×25 =5吨即需要加入含铁量为0.10%的铝液5吨。2 合金元素的加入在金属中添加某些其它元素，改变金属的性质，以适应不同用途的需要，称为合金化。对于铝来说，合金化的目的首先是为了提高铝的强度，并改善加工性、抗蚀性、耐磨性、硬度、耐磨性、表面性能以及其它特殊性能，从而使形成的铝合金用途更为广泛。铸造铝合金共分为四大类：铝硅类、铝铜类、铝镁类、铝锌类。四种类型铸造合金的主要组元不同，使各类合金的性能也不一样。在合金化处

19、理工艺中，除温度，时间等工艺条件影响之外，合金元素的加入方式是至关重要的，一般来说，合金元素分三种方式加入：1）对于熔点较铝低的合金元素，如mg，可直接投入铝熔体中，2）对于熔点较高或较难熔金属，如mn、cu、ti、ni等，以中间合金形成加入；3）采用高纯金属（合金元素）粉末与助熔剂混合压制成型后，加入铝熔体中，无论采用何种加入方式，都必须保证合金元素在熔体中弥散且均匀分布。合金元素的加入量一般根据所需生产铝合金牌号中规定该元素的量用以下公式计算：q=q1×（x-x1）q1-原铝液重量x1-原铝液中合金元素含量q -加入合金元素重量x -调配后合金元素含量熔炼 熔炼是根据配料的要求，

20、将不同电解槽取出的铝液、冷材、合金元素混合，并进行熔体净化和温度控制，使混合后铝液满足铸造产品的要求。 铝熔体（或铝液）存在的气体杂质往往使金属铸锭产生气孔、夹杂、疏松、裂纹等缺陷，继而影响铸锭的加工性能及制品的强度、塑性、抗蚀性、阳极氧化性和外观质量。这些有害物质应设法在熔炼或铸造之前除去。传统的方法是熔炼中在炉内进行处理，称作“精炼”。随着冶金技术的发展，产生很多炉外处理方法。所以熔体净化包括了传统的炉内精炼和后来发展的炉外净化过程。所谓净化，即是利用物理化学原理和相应的工艺措施，除掉液态金属中的气体、杂质和有害元素以便获得纯净金属熔体的工艺方法。1 铝熔体的杂质种类1） 金属杂质：包括f

21、e、si、cu、na、zn、ti、v、mn、cr、mg,其中以fe和si为主。原铝中的金属杂质除个别的需要采取净化方式消除外，有些金属杂质对改善铝锭的物理化学性能有一定的作用，但其含量必须控制在质量标准范围内，对于合金生产，还需根据产品需要加入一定量的某种金属元素。2） 非金属杂质（或非金属夹杂物）：有氧化铝、氟化盐、炭渣、碳化铝、氟化铝等，主要以氧化铝为主，细小、均匀分布的夹杂颗粒，可为结晶的异质核心，并起到细化晶粒的作用，夹杂物的尺寸越大，对铸锭性能的影响越大，铸锭的质量缺陷及降低产品工艺性能，使用性能等主要发生在非金属夹杂处。3） 气体杂质：气体杂质一般有h2、co2、co、n2，以h2

22、为主，气体在金属中以下述三种形态存在，1）以气体夹杂或气泡形态。2）以氢化物等固态化合物形态，3）以液态或固态溶液，即以原子或离子形态分布于金属原子间或晶格中。在熔炼过程中，气泡，固态化合物和吸附在金属表面的气体，一般便于除去，而溶解于金属中形成均匀固溶体的气体就较难除去，往往易于造成铸锭缺陷，严重影响铝合金制品的性能与质量。2 杂质的来源1） 矿石中带来，由于氧化铝生产不可能将杂质全部除去，在电解生产时，与铝同时在阴极放电析出，主是要si、fe、cu、mn、ti、na。2） 电解生产过程中带入的杂质，主要是氧化铝、碳渣、炭化铝、氟化盐、氮化铝。3） 炉料中带入的杂质，回炉废料，配制合金用的中

23、间合金或其它金属，以及熔剂，覆盖剂等带入氧化物、水分、油污、砂土等，并在入炉后产生气体。4） 大气中的水分，燃料中吸附的水分，燃料中含氢物质燃烧后生成水分蒸气，氧化物结晶水，炉衬耐火材料及工具吸附的水分均会与铝液反应生成h2。3 铝熔体的净化方法1） 惰性气体净化法这里所说的惰性气体，是指不与熔融铝和溶解在熔融铝中的气体及杂质起化学反应，又不溶解于熔融铝中的气体。通常使用氮气和氩气。氮气被吹入铝液后，形成许多细小的气泡，气泡在铝熔体中通过的过程中，氧化物夹杂被吸附在气泡的表面，氢不断吸入气泡中，随气泡上浮到熔体表面，氧化物夹杂停留在熔体表面，h2逸出而进入大气中，使用氮气精炼时除气速度较慢，也

24、不可能将金属内的气体完全除净，对于非金属杂质的净化作用很小，且在高温下与铝反应形成氮化铝，因此氮气净化法只适用于对铸锭的含氮量，要求不太高的铸造生产。2） 活性气体净化法 对铝来说，活性气体主要是氯气，活性气体能与溶解在金属中的气体及夹杂物发生化学反应，生成不与金属起反应也不溶于金属的气体和化合物。或者活性气体与金属反应生成另一种气体，它不再溶于金属中只吸收氢气，并上浮将金属中的氢原子带出。 氯气本身不溶于铝中，但氯与铝及溶解于铝液中的氢迅速发生化学反应。 cl2 + h 2hcl 3cl2 + 2al 2alcl3 反应生成物alcl和alcl3（沸点183度）都是气态，不溶于铝液，和未参加

25、反应的氧一起都能起净化作用，净化效果比氮气要好得多，但氯气有剧毒，对人体有害，污染环境易腐蚀设备及加热元件，且易使合金铸锭组织粗大，使用时应注意通风及防护。3）混合气体净化法单纯用氮精炼效果差，用氯又对环境及设备有害，所以多采用混合气体精炼，以提高精炼效果，减少其有害作用。混合气体有两种气体混合，n2-cl2，混合比例多采用9:1或8:2效果好；也有三种气体混合n2-cl-co，混合比例一般为8:1:1。混合气体在铝液中反应如下：al2o3 + 6cl2 4alcl3 +3o2 3o2 + 6co 6co2 al2o3 + 3cl2 + 3co 2alcl3 + 3co2 生成的alcl3和c

26、o2都有精炼作用，又能部分分解氧化铝，所以明显地提高精炼效果。4）熔剂净化法熔剂的精炼作用主要是靠其吸附和溶解氧化夹杂的能力，铝及铝合金的熔剂一般由碱金属及碱金属的氯化物和氟化物组成，熔剂除渣作用主要是利用熔剂对熔体中的氧化铝渣发生吸附来实现的，实践证明熔剂除气效果比气体净化除气的效果要差，而除渣效果比气体净化要好得多。铝及铝合金在铸造过程中所使用的熔剂主要有三大类：精炼剂、覆盖剂、打渣剂。常用的熔剂成份及用途熔剂种类主要成分主要用途精炼剂kcl nacl na2sif6 naalf6 cacl6对铝熔体内部除气、除渣覆盖剂kcl nacl na3alf3 caf2防止熔体氧化烧损和防止吸气打

27、渣剂kcl nacl naclf6铝粉用于烘炉及清除熔体表面浮渣，减少渣中含铝 5）气体熔剂混合净化法惰性气体（氮氩）中，常含有一定量的氧和水分。净化铝熔体时，在吹入的气泡表面形成很薄但很致密的氧化膜，往往覆盖全部气泡表面阻碍从熔体中析出的氢进入气泡，降低净化效果，在净化气体中加入少量细粉溶剂，夹带熔剂的气泡进入熔体后，粉状熔剂熔化，以液体熔剂膜形成包围着气泡表面，将气泡表面的氧化膜溶解，吸附使其瓦解，这时氢从熔体中经熔剂膜扩散进入气泡中，要比经过氧化膜的速度快得多，同时也防止了熔体与净化气体中的水分直接接触，此法净化效果突出，能达到较低的含氢量，且由于熔剂膜提高了气泡表面的活性，加强了吸附除

28、渣的能力，除渣效果也好。6）炉外连续处理因炉内处理不仅除渣效果不佳，而且熔体又有二次污染的可能，为了提高净化处理的效果和保证熔体质量的稳定可靠，炉外连续净化处理得到迅速发展，炉外连续净化处理是在金属熔体从熔炼炉放出，铸造成型之 前进行，也称熔体在线处理或联机处理，主要是采用过滤和通入气体并使之在熔体中快速旋转等方法等实现。此外，熔体净化还有动态真空处理，静置法，振动法等，一般在工厂中常用的净化方法主要是通入氮气和加入熔剂。中间取样炉内铝液经过净化，将浮在液面的渣清除后，应先取样分析，以确定铝液的杂质含量，合金元素量等是否在规定的范围内，如不在规定范围内，按配料要求作调整。铸造将熔融状态的金属或

29、合金浇入到一定形状的铸模内，经冷却后得到一定形状和尺寸的期待锭，这种生产方法称为铸造。金属或合金的铸锭质量的好坏，决定于液态金属的质量，也取决于铸造方法和铸造成型工艺。铸锭的生产方法很多，常用的主要有：重熔锭铸造、垂直铸造、水平铸造和连铸连轧。1 重熔锭铸造这是一种传统的铸造方法，主要用于生产重熔铝锭，随着铸造技术的发展，其机械化自动化程度也越来高，铝液从炉内经流槽、分配器、连续不断地注入铸造机的铸模内，铸模的底部浸在水中，使铝液冷却、凝固成型。二次冷却、整列、堆垛、打捆均可铸造机组的配合运转下完成。2 垂直铸造垂直铸造也称立式铸造、竖井铸造，这种铸造方法的特征是铸造时铸锭以垂直方向拉出。铝熔

30、体沿流槽和流盘注入结晶器中，铝熔体与结晶器内壁接触，受结晶器冷却水套的一次水冷却作用，开始结晶形成一层坚固的外壳，中间包着还未凝固的熔体，当它向下拉出脱离结晶器后，立即受到结晶器下缘喷射的二次水冷却作用，热量迅速被冷却水带水，结晶不断向铸锭中心生长，直到完毕，用这种铸造方法可以铸造扁锭、方锭、圆锭、空心锭。3 水平铸造水平铸造又称卧式铸造、横向铸造，其特征是铸坯与结晶器之间沿水平方向作相对运动，从炉子流出的铝熔体，经流槽、中间包进入结晶器，沿水平方向拉出，其冷却方式与垂直铸造相同。如果配备同步锯进行同步锯切，就能实现连续铸造，否则就是半连续铸造。水平铸造在应用范围上比垂直铸造更为广泛，能铸造带

31、、线、棒、圆锭、空心、板状、方锭等多品种。4 连铸连轧 连铸连轧的铸造部分实际上也是水平铸造，从结晶器拉出的铸坯一般为梯形，再经过与铸机相连在一起的轧机对梯形铸坯进行轧制，使之形成一定直径的圆杆，常用于生产电工圆铝杆。 新工艺、新技术。目前，铝及铝合金熔铸工艺的发展趋势是注重节能环保，与提高产品质量。围绕节能，一是改造和设计新型的熔炼、铸造设备，重点是熔炼炉，使之向大型、快速、高效方向发展，二是采用和发展连铸连轧技术，三是利用电解原铝直接生产铸锭。降低能源消耗，可减少废气、废水的排放，起到环保的效果。在提高产品质方面，一是研究更为完善的熔体净化方法。二是对变质剂的机理、生产方法，使用及加入方式

32、等进行深入广泛的研究。三是研究新的铸造方法和装置。四是研究和发展熔体和铸锭质量的控制和检测技术。上世纪七十年代开始进行研究的一种新工艺半固态金属铸造工艺，其原理是在液态金属从液相到固相的冷却过程中进行强烈搅拌，使普通铸造成形时易于形成的树技晶网络骨架被打碎而保留分散的颗粒状组织形态，悬浮于剩余液相中，从而得到细晶粒组织，采用该技术的产品具有高质量，高性能和高合金化的特点，当前，在美国和欧洲该项工艺技术的应用较为广泛，半固态金属铸造工艺被认为是21世纪最具发展前途的近净成型和新材料制备技术之一。制备半固态合金的方法很多，除机械搅拌法外，近几年又开发了电磁搅拌法，电磁脉冲加载法、超声振动搅拌法、外

33、力作用下合金液沿弯曲通道强迫流动性、应变诱发熔化激活法（sima）、喷射沉积法（ospray）、控制合金浇注温度法等。其中，电磁搅拌法、控制合金浇注温度和sima法，是最具工具应用潜力的方法。 第二节：铝及铝合金生产的主要设备第一单元：铸造炉 由电解槽生产出来的铝液，称为原铝液。原铝液取出后经过处理，铸成各种不同品位和形状的铝锭，然后经过检验和打捆，再过秤入库，作为下一步加工的半成品或原料，供应国家在各个方面的需要。将原铝液铸成各种铝锭，由铸造车间来完成。为了全面地节省能源和减少铝的损失，目前原铝的铸造工作，由原来的重熔用铝锭（即普通铝锭）和铝线锭的生产，逐渐向铝线坯、板坯和铝合金锭发展的趋势

34、，特别对生产铝、镁、硅和的综合性有色金属冶炼厂来说，更具备生产铝合金锭的条件。不论生产重熔用铝锭还是生产坯料或合金锭，电解原铝都须进行必要的熔制处理。要得到希望成分的铝锭或合金，通常还要对原铝进行配料。熔制或配料的过程在铸造炉中完成。铸造炉的加热方式有燃油加热、燃气加热和电加热等，多属冶金炉中的反射炉类型。按其加热能力的大小分为保持炉和熔炼炉。一般来说，保持炉的加热能力较小，入炉原料通常为液态原铝。而熔炼炉则有较大的加热能力，入炉原料除液态原铝外，可以是重熔用铝锭、各种回炉冷材及各种中间合金等固体原料。1.1 保持炉1.1.1. 保持炉的功用和构造保持炉是铝铸造的主要生产设备之一，它的用途是混

35、合各种不同品位的原铝液，以获得一定化学成分的铝液，并可进行适当精炼和保温静置之用，也可进行熔化少量废铝锭。电加热式的保持炉，容量一般为7.5吨或10吨；而当代的燃油式保持炉已达到40吨甚至更高的容量。电加热式保持炉的炉顶有异形耐火砖，供加热元件导入。加热元件一般为镍-铬电阻线圈或扁带，也有用硅炭棒作电阻元件的。炉顶中部留有一个小孔，用以插入热电偶来检测和控制炉膛温度，炉子端部各有一个炉门和流槽口铝液用台包经过溜槽倒入炉膛。这种保持炉的两个侧面各有两个铝液流出孔，作为浇铸或其他需要时放出铝液之用。保持炉的一侧或两侧靠近铸造机。铸造重熔用铝锭的流出孔炉壳上，装有手动螺杆调流器，以控制铝液流量。图一

36、为7.5吨电加热保持炉结构剖面示意图。 贴图一（电加热保持炉）图二是40吨燃油式保持炉的示意图。炉体是由钢结构焊接框架和耐火材料砌筑而成，在炉的左右两侧壁上设有三组向下倾斜50角安装的烧嘴，在炉的后面侧壁上设有三处放出口，两处为放出铝液口，一处为排泄孔，并设有两处检查孔，氮气管孔，温度测孔和进铝口，保持炉前面用三扇炉门组合而成，并由设在炉上部的对应油压缸进行开闭控制。 贴图二（40吨燃油保持炉）表一：40吨燃油保持炉参数序号项目内容1名称保持炉2型式固定式反射型3用途铝溶液的温度保持及冷材熔化4容量40吨5升温能力500/h6主燃料重油7控制用燃料轻油8保持温度7000c-8000c9炉内最高

37、温度11000c1.1.2. 新保持炉的烘炉新砌的或刚完成大修的保持炉必须进行烘炉，其目的是排除炉体结构内衬的水分，使整个内衬充分干燥，并使炉膛砖缝的耐火泥表面烧结。烘炉温度，起始宜低，以后逐渐升高，最后达到800-8500c，烘炉的时间应根据炉况确定。对于新砌的保持炉，由于炉子内衬含有较多的水分，炉子外壳由钢板包着，水分不易蒸发。炉底衬里很厚，热的传导很慢，因此，烘炉时间长一点为好。如果烘炉温度上升过快（尤其在烘炉初期），大量水蒸气从炉底和侧墙冒出，会使炉膛表面砖缝的耐火泥松动使铝液易于进入缝隙降低炉子的保温性能。如果炉子焙烧不干，急忙使用，会使铝液长期含气，影响铝锭质量。新砌的电加热保持炉

38、，烘炉时间约须10-15天，而40吨燃油保持炉的烘炉时间需要58天。烘炉最重要的是制定好烘炉升温曲线，严格按升温曲线来进行烘炉。升温曲线的制作是一项比较复杂的工作，它要考虑以下几个方面的问题： 耐火材质：各种耐火材料的理化性能指标是不一样的，因而在制作升温曲线时要区别对待； 要掌握在各温度上耐火材质的转变过程，以确定升温时间和保温时间； 要考虑炉膛的大小； 要考虑供热系统的升温能力。表二、表三分别为7.5吨电加热保持炉和40吨燃油保持炉的烘炉升温曲线示意。9008007006005004003002001000c1234567891011天 表三：40吨燃油保持炉烘炉升温曲线900800700

39、6526005004124003002001000c3691215182124273033363942454851545760天 对刚完成大修的炉子，烘炉时间可相应缩短，但也必须达到烘炉的基本目的。1.1.3. 保持炉的使用和维护1.1.3.1 使用保持炉的注意事项（1） 电加热保持炉生产时要避免炉顶溅上铝液：因为铝液容易把炉顶的加热元件损坏；还可能使相邻的两组电阻圈（带）造成短路。（2） 要及时扒渣或清炉，每熔炼一炉铝液，需扒渣一次，一般连续熔炼7-10天，须进行清炉。如果不及时扒渣和清炉，渣子与炉壁结成坚硬的一体，最后造成炉膛缩小甚至流孔堵塞。（3） 要避免将保持炉当熔炼炉使用。首先是未经

40、改造的电加热炉不能直接装上烧嘴进行燃油或燃气加热，另外保持炉的加热能力有限，入炉原料中，固体冷材有严格的数量限制。（4） 要避免剧烈震打炉眼（流出孔），以免打坏炉眼或造成砖缝松动而漏铝。1.1.3.2 保持炉的清炉 保持炉在使用一段时间（7.5吨电加热炉熔炼过300吨铝；40吨燃油炉熔炼过1000吨铝）后需要进行清炉。清炉以前，先在炉膛表面撒上一层熔剂，把炉温升到800-8500c，放尽铝液，保持温度30-40分钟，然后用长柄铲子和耙子（有条件的可联合使用扒渣车），把炉膛四周和底部的铝渣清除干净，再撒上一层冰晶石粉。清炉时要特别注意把流出孔的渣子清除干净，并尽量保持孔眼原设计的形状和大小。在流

41、孔里和流道上撒上一些冰晶石粉或熔剂或滑石粉，有助于渣子或凝铝的清除。1.1.3.3 日常维护（以下以40吨燃油保持炉为例）。（1） 日常检查的内容及要求表四：保持炉日常检查内容及要求序号项目名称要求1炉门升降炉门升降平稳，无爬行抖动，无异音，炉门完全下降后链条应保持适当张紧。2轻、重油系统压力在0.2-0.3mpa之间，烧嘴调节阀门灵活、灵敏，管道无泄漏，烧嘴燃烧良好，火焰无开花、无黑烟。3助燃及排烟系统各调节阀门运转平稳、无振动。4操作控制盘按扭灵活，有效；指示灯工作标识无脱落（2） 保持炉的清洁 表五：保持炉清洁内容及要求序号设备部位方式维护要求周期1炉门、钢构架轴承座、油缸、链条、链轮清

42、扫无积尘每周2轻重油管道、阀门、油泵擦拭无油迹、无积尘每周3助燃排烟管道擦拭无油迹、无尘、无渣屑每周4液压系统擦拭表面无油迹、无尘、无垢，压力表、油标清晰醒目每周5配电盘控制台擦拭无油迹、无积尘每周6炉膛清炉车扒渣无厚积渣垢，炉眼通畅无阻10天（3） 润滑表六：保持炉润滑制度序号润滑部位润滑油脂牌号加油量润滑方式润滑周期备注1炉顶链轮轴承zfg-3e适量油枪3个月2摆动油缸座zfg-3e适量油枪1个月3缸头、联接器zfg-3e适量油枪1个月4链条、链轮zfg-3e适量油枪1个月1.2. 熔炼炉熔炼炉一般使用燃油加热炉或工频感应炉。燃油熔炼炉的构造基本与保持炉相同，其安装燃烧器的数量较保持炉多；

43、通常设置有便于冷材加入的装置。熔炼炉的使用维护也与保持炉完全相同。工频感应炉是靠电磁转换作为热源的。它由炉体、炉架、液压和冷却系统四个部分组成。容量一般为0.25-1.5吨。这种炉子有结构简单，维修方便，熔化速度快，金属化学成分均匀等优点，但其容量极为有限，铝及铝合金熔炼中已很少使用。凡熔炼炉可单独作为保持炉使用。1.3. 其它铸造炉（1） 上开盖式熔炼炉；为便于一次性加入大量不同形状的固体冷材,这种熔炼炉的整个顶部设计成一个可移动的盖子。固体冷材放进一个底部可开闭的圆形料桶后，用天车吊运到炉体上方，再打开桶底将冷材放入炉内。炉体通常为圆形，周侧设置有数个烧嘴，并以炉子中心为对称中心。在适当的

44、方向设有液态原料入口和熔体放出口，以及两个相对的炉门。为了提起并移动巨大的炉盖，还要设置专门的开盖机构。（2） 倾翻式保持炉这是为了使熔体能均衡稳定地大量流出，并可根据需要对流量快速进行调整而设计的保持炉。矩形炉体的四个侧面各有不同的功用：一个大的侧面设置一到两个炉门，另一个大面是铝液流出口；两个小的侧面，一个用来安置燃油烧嘴，另一面则是液态原料入口。炉子在平置（非浇铸）状态时铝液平面底于流出口，进行浇铸时，整个炉体由液压缸顶起沿流出口与外部溜槽的接触线翻转（炉门一侧升高），熔体平面逐渐升高而从流出口流出。监测溜槽中液体平面的高度，控制液压缸调整炉体的倾斜程度，就可对熔体流量进行线性调整，快速

45、达到希望的熔体流量。（3） 炉组所谓炉组是指熔炼炉与保持炉的组合。目的是在保持炉进行浇铸时，熔炼炉可同时进行熔炼，当保持炉浇铸完成时就可及时补充合格的熔体，快速进入下一个铸次的浇铸，从而提高铸造生产的连续性，提高产量。当使用大量的固体冷材为原料时，所需的熔炼时间相应较长（合金生产还须进行配料），这种情况可设计两台熔炼炉与一台保持炉组合。将熔体从熔炼炉转移到保持炉的过程叫做转注。一般炉组的设计使熔炼炉的炉底平面高于保持炉，这样的组合在转注时可依靠液面落差，使用连接溜槽进行转注。另外，转注还可使用虹吸管进行。图三为虹吸管工作原理示意图：虹吸管采用真空喷射器不断地把管内的空气排出，使管内形成负压，铝

46、水在大气压强的作用下，沿管从下而上被抽出。 贴图三（虹吸原理图）第二单元 重熔用铝锭铸造机学习目标：学习重熔用铝锭铸造机的基本工作原理，主要的组成结构和工作方式。连续铸造机用于电解铝厂的铸造部门，以浇铸各种品位的重熔用工业纯铝锭、铸造铝合金锭和中间合金锭等。它一般由数十个到一百多个模子由链板穿成环状，装在倾斜或水平的支架上作回转运动。浇铸时，铝液通过分配器注入铸模内，经水槽冷却后，凝固的铸锭由铸造机另一端脱模后进入自动堆垛机进行堆垛，或直接掉落在地上由人工堆垛。由于机械化程度不一，铸模的大小和个数以及浇铸速度也不相同。通常铸锭有15公斤的，有20-22公斤的，也有10公斤的等等。下面就对中铝贵

47、州分公司电解铝厂的重熔铸造机做简单介绍。20公斤铝锭铸造设备年产8万吨铝，设计能力为16t/h。本设备把保持炉内的金属液，连续的经过流槽进入分配器，等量的流入铸模内，经间接冷却后等到充分凝固，才能脱模，再经冷却运输机到自动堆垛机上进行堆垛。生产20kg±2kg铝锭产品的浇铸设备，主要包括：1 流槽由一般钢材做成的槽，内敷耐火材料，起到一定的保温作用。2 浇铸装置主要由浇包、天秤和分配器组成。浇包是盛铝液用设备，紧急情况时，可翻转将铝液倒入残铝箱内。天秤是用来调节流槽流向浇包内铝液流量的大小。分配器安装在铸造机的框架上，上有12个流出管，将铝液均匀地分配到铸模内。3 铸造机 铸造机的冷

48、却方式采用循环间接水冷式，设备主要包括铸模、运输、冷却、打印及脱模装置。如图四所示 此设备共有铸模162具，铸造铝锭重量为20kg±2kg,，最大铸造速度为16t/h。 铝锭打印机安装在铸造机框架上，可将批号、日期等记号打印在铝锭表面上，采用空气缸作为动力。 脱模装置是用铸造机驱动轴的动力使凸轮旋转，凸凹面使锤子升降，下降时用锤子自重敲打铸型，辅助铝锭从铸模内脱出。4 二次冷却机二次冷却机大体上可分为铝锭接收、直接水冷却及运输三部分。铝锭接收装置安装在冷却运输机的前端，为使铝锭脱模时不直接跌落，使用了滚式平衡顶架。滚式平衡顶架脱离时，铝锭由支承托架的下落移放到冷却运输机上。5 堆垛机

49、堆垛机分铝锭导入装置，翻转装置，对正装置和堆垛装置四大部分。它的主要作用就是将冷却好的铝锭按一定形状（11层，共54块）堆放起来。6 成品运输机就是将堆垛好的铝锭运输到堆垛机外面，并由打捆机进行“#”型的打捆操作。此外，不管对于何种型号的重熔用铝锭铸造机，在使用前都必须要预热铸模，新换的铸模也应预热。如果不充分预热，一旦铸模砂眼里含有水份，注入铝液后会引起飞溅，伤及人身。在生产作业前，必须做好设备的检查工作，发现铸模裂纹及时更换，铸模轨道上不应有凝铝，否则造成铸模晃动太大，影响产品外观质量，或发生阻卡现象，影响浇铸进行。第三单元：立式半连续铸造机2.1 立式半连续铸造机的用途和构造这种铸造机是

50、用于铸造铝线锭（又称拉丝铝锭）及变形铝合金之用。铸模是一个铝合金或纯铜制的无底冷却器，一般称之为结晶器。铝液注入结晶器后，经过间接水冷和直接水冷形成铸锭并以一定速度退出结晶器。铸锭至一定长度后不能再继续进行浇铸，重新进行另一次浇铸。立式半连续造机由下列几个部分组成：结晶器和冷却系统，竖井，升降机构和底座等。关键部位是结晶器，变换结晶器的尺寸和形状可以铸出各种不同的铸锭。铸锭的形状有方的、圆的、管状的和板状。铸锭的质量可以是纯铝或合金。一次铸造的数量有单根或数根，甚至几十根。铸造的长度可达6米。目前半连续铸造已发展到同水平热顶铸造法和气幕铸造法，铸造的质量得到了进一步提高。图五为立式半连续铸造机

51、示意图。 贴图五（立式半连续铸造机）2.2 结晶器和冷却系统 一般用于铸造方锭、圆锭的结晶器由铝合金ly和ld以及由纯铝制成的，壁厚为810毫米，直径162毫米的以下铸造结晶器高为80毫米，直径大于162毫米的高为150毫米。结晶器下口四周每隔5毫米钻有直径3毫米的冷却水出孔。图六为铝线锭（小方锭）结晶器形状。 贴图六（结晶器） 结晶器嵌在水箱中（或水套），直溜上口和小口在外面，一个水套一般有多个结晶器。整个水套可以移动。叫大的结晶器做成各自的的水套，有的在结晶器外壁周围以带孔的水管，喷射冷却水来冷却铸锭。1公斤之间。由于冷却水中可能带有泥砂等杂物，使用前要进行过滤。过滤器可用黄铜板钻上小孔制

52、成，定期冲洗。水源缺少的地方，冷却水可循环使用，但要经过冷却。2.3 升降机构和底座 结晶器是无底铸模，浇铸之前，把底座重下口插入结晶器内作为摸底。底座由纯铝或铝合金制成，周围形状和尺寸与铸锭横断面一样，高度比结晶器的高度捎高一点，插入结晶器的一端面带着一个凹穴或小孔，以便托住铸锭或拉住铸锭，在底座的另一端一升降机的重锤平台相连接，靠升降机构底座在结晶器下放作上升或下降运动。升降机有卷扬、丝杠和液压传动等形式，但以卷扬传动较为方便。液压传动由于密封易损坏多已废弃不用。2.4 竖井竖井为混凝土制成的井简，深度按实际需要而定，一般在9米左右以足够应用。井简壁上装四根话杆作为升降平台的滑道。井简的中

53、上部有下水道孔。井简使用日久会堆积铝渣或凝铝，影响下降深度，因此要及时清理。第四单元 水平铸造机水平连铸技术水平连铸技术是在二十世纪六十年代开始得到广泛应用的，其特点在于铸坯与结晶器之间沿水平方向作相对运动。目前世界上许多国家采用水平连铸生产铸铁和有色金属棒型坯、管坯、坯、线坯和带坯。目前，水平连铸设备可生产直径10-400mm的圆坯；外径20-300毫米，壁厚大于4毫米的管坯；边长20-300毫米的方坯和宽度20-650毫米，厚度大于5毫米的带坯。水平连铸技术的优点在于：1 水平连续设备不需要高在厂房和深井，机械化程度高，操作方便。2 可铸造不同规格的铸件，且可将铸件铸得很长，对于配置同步锯的水平铸造机可实现也锯切，边生产。3 对某些将结晶器安装在保温炉下，金属液在浇铸过程中不接触空气，被污染的可能小，可保证铸坯质量。4 在冷却强度和出坯速度配合得恰当的情况下，可得到良好的表面质量和无偏析的内部组织。水平铸造机水平连铸机组一般由熔炼系统，连铸系统和精整系统。但随着浇铸金属产品的不同，上述三系统包括的设备也不同，熔炼系统已在第一单元