目前最现代化的铝熔铸车间.doc

目前最现代化的铝熔铸车间 93-11美国G.J.Binczewski崔凤岐译范靖亚校1前言世界铝加工业中最现代化的熔铸车间最近在美国阿拉巴马州雷诺金属公司的李斯特海尔铝薄板厂建成并投入运行。该车间并非是将原先设备修整或改造实现现代化的，它完全是一个崭新的车间，耗资1.21亿美元。该车间的设计基于铝加工业发展的经验和教训，集最新技术装备之大成，并考虑了现在及将来市场的开发。新车间取代了已有50多年历史的李斯特海尔熔铸车间，旧车间曾为雷诺金属公司殷实服役了半个多世纪，其间虽经无数次的改造和维修，但现在仍显得过时了。新车间扁铸锭的产能为45500吨/月，产能提高了30%。从图1可知，新熔铸车间中只有5台熔炼炉，但其熔炼能力与旧车间23台相当；5台铸造机担任了原有16台的任务量；只有6台静置炉。图1雷诺金属公司铝合金薄板厂熔铸车间示意图2市场变化效应铝薄板市场变化是促使雷诺金属公司淘汰李斯特海尔铝薄板厂旧熔铸车间的主要原因。市场变化的效应确实加快铝合金薄板厂许多熔铸车间更新进程了吗？答案是明确的。近20年来，在铝板市场中，铝饮料罐用板异军突起。一些熔铸车间已面目全非，例如李斯特海尔铝薄板厂的熔铸车间装备已从原先的“配药柜式拥挤排列”(23台熔炼炉、20台静置炉和16台铸造机生产出为数众多的合金、不同规格的铸锭和系列产品)更新到图1的布局，以满足市场对铝饮料罐用板的需求。而在美国，铝饮料罐用板已占国内铝板市场总占有量的一半以上，并主要集中在极少数几家铝薄板厂生产，而铝饮料罐用板的产量要占其中每一厂家轧制产品总量的2/3以上。对铝薄板生产厂家来说，市场对饮料罐用板已完全标准化了，即用两种铝合金冷轧出合格厚度和宽度的薄板。雷诺金属公司审时度势，将精力集中在制定技术标准并从日益增长的重复规格定货量出发，对铸锭规格标准化。这种做法对雷诺金属公司尤为重要，因为该公司生产的60%铝饮料罐用板完全为自身所属的制罐厂所用。3经营设想新建这个熔铸车间的目标有4个，提高熔铸质量；降低生产成本；改善现场环境；提高生产能力。与旧车间相比，新车间产能将提高30%；能耗会降低40%；操作工人也相应减少；生产成本降低3040%。如此瞄准的目标需要生产经营者们付出巨大的努力才能达到。4铸锭尺寸通常情况下，熔铸车间生产的铸锭尺寸由下一道工序即轧板厂的需要所决定，新建的熔铸车间在短期内不会改变现有的状况，但它对将来更大尺寸铸锭的需求有适应能力。目前，每台铸造机可一次浇铸截面为0.66米1.68米、每块重量为13.6吨的铸锭6块，即总重量达81吨。5电磁铸造见图1所示，新车间的5个铸造机台中，有4个采用了电磁“结晶模”铸造，占整个熔铸车间铸造能力的80%以上；旧熔铸车间16个铸造机台中只有2个采用电磁“结晶模”铸造，仅占12.5%。这充分体现了雷诺金属公司对新熔铸车间赋以现代化的电磁铸造为主题的设想。6历史的回顾在铝加工业的发展进程中，电磁铸造方法的开发和推广颇具戏剧性。电磁铸造法由前苏联的ZNGctselev发明并于1969年获得美国专利，专利日期截止于1986年。它刚一问世时，颇引人注目，但在试用中，未能达到人们所期望的完全取代传统直接水冷铸造那样的目的。早期获得这项专利许可的一些铝业公司很快就发现，要推广用于铸造多种规格的铸锭还需开发新的工艺及设备，还有许多工作待做，它被“搁置”多年后才找到广泛的应用。那些在直接水冷结晶模铸造中经证实是不太重要的某些参数，在电磁结晶模铸造中可能成为关键参数。使用直接水冷结晶模铸造的铸锭，轧制前必须铣面，而用电磁结晶模铸造的铸锭，表面质量有很大提高，不用铣面即可进行轧制。人们还注意到，用电磁结晶模铸造的铸锭，热轧时板材的边部质量也显著地提高了，这既减少了切除边部裂纹的废料，又降低了板带轧制过程中断头次数。由于电磁铸造提高了铸锭的表面质量，使得人们有可能对铸锭选用那些为适应随后轧制过程变形特性而设计的边缘形状，而在直接水冷结晶模铸造中，铸锭边缘形状是变化莫测的参数。众所周知，进一步提高畅销制品的销量是以每一块铸锭质量作保证的。7未全部用电磁铸造的原因李斯特海尔铝薄板厂新熔铸车间的投产，说明雷诺金属公司经过许多年的开发和生产实践后，已对电磁铸造有了充分信心。看一下图1就会注意到，新熔铸车间的5台铸造机中还有一台采用传统的直接水冷结晶模铸造。这是为什么？实践证明，电磁铸造工艺特别适用于标准合金、统一规格的铸锭和大批量的重复铸造任务，铝饮料罐用板的铸坯就满足这样的要求。然而，人们更熟悉的直接水冷结晶模铸造工艺相比之下有更大的灵活性，可生产多种规格、各种牌号合金铸锭，以满足不同用户的订货，而电磁铸造工艺这方面则不能胜任。另外，铸造可热处理强化合金的铸锭时，电磁铸造工艺也不适用，原因是难度大，铸锭很容易形成裂纹。为此，保留了一台直接水冷铸造机，以便针对性的使用。人们希望，随着更多的实践，电磁铸造的这些缺点将能被克服。8铸造机台来自倾斜式静置炉熔池的铝液量由安装在流槽上的不与液面接触的水平传感器的反馈，通过计算机来控制。流槽上的一个自动闭合装置保证同时浇注的每块铸锭的熔体供应量相同，每次铸造时临界初始条件一致。铸锭彼此之间金属液面水平的高低差最多是1/2。铸造机台上设有观察口，操作人员定时监视铸造过程中是否有熔体泄漏、铸锭表面有无条纹和裂纹等，如遇特殊情况，铸造机可随时紧急停车。与旧铸造车间相比，电磁铸造的整个铸造装备中，其零部件都有互换性，从而使备用零部件的库存量大大地减少。由统计程序控制(SPC)和电脑一起自动控制配料量，并省去了人工记录。定位在铸锭头部的一个条形码在其后过程中提供跟踪及识别。即使铸锭经过均热处理后，条形码仍是可读的。电磁结晶模的铸造平台比地面高出一膝，操作人员可在其上巡视。流槽的顶端又比铸造平台高出一膝。9巨型熔炼炉雷诺金属公司用圆形熔炼炉取代了旧的矩形熔炼炉，炉膛直径为9.75米，用蛤式装料斗从炉顶装料。熔池深0.5米左右，可容纳109吨的铝液。在炉床底部特意安装的多孔扩散喷头向炉膛内喷射起精炼和助熔作用的气体，这就省去了常用的、劳动强度大的外插式精炼杆。既保证了铝液的对流，又降低了铝液的温度梯度，同样，铝液的成分也均匀了。炉膛内装有6个燃烧喷嘴，提供从一个蓄热系统预热后来的537的燃烧空气。每个喷头的供热能力为3.78106千卡/小时。如果炉膛内需要继续添加固体炉料时，可将已熔液态金属通过一根虹吸管转注到备用“池”内，用虹吸管可避免由于暴露熔体的跌落和翻滚而形成的氧化物渣子。考虑到炉膛直径达9.75米，故整个熔池内去除浮渣的工作由一台类似重型履带车的机械装置来完成，该装置带有伸缩功能的机械臂，最大长度为9.75米。在熔炼炉的端面有一扇3.66米宽的炉门，便于炉膛内的扒渣操作，扒出炉外的渣子落入置于炉门下方的渣箱内。通过两个直径为11.33厘米的放流孔，将铝液转注到静置炉内，额定流量为4吨/分，放流操作完全是自动的。在这样高的转注速度下连续输送20分钟就可使静置炉内衬热蚀和磨损很严重。很显然，雷诺金属公司已解决了这个使熔铸车间较长时间内感到很棘手的技术难题。10静置炉新熔铸车间内6台容量为120吨的矩形静置炉，全被设计为如图2所示的可倾斜式(图略)，这样，在每一熔次铸造操作时可倾斜炉体采用顶部浇注。熔池内铝液深1.22米，其熔池横截面不到熔炼炉的一半。与熔炼炉一样，静置炉炉膛底部也有多孔扩散喷头喷射精炼气体，同样也省去了炉外用精炼杆精炼的操作。从静置炉内流出的熔体要通过装有旋转喷嘴系统的外置精炼除气室。接着，可铸造6块铸锭的90吨铝液再流过一个多孔泡沫陶瓷过滤器。该过滤器先用电加热，以保证其在铸造开始时能顺利地过滤熔体。在逐次铸造的空隙期间，除气精炼室起备用静置炉的作用，它将每一次刚开始铸造时的温度精确控制得几乎一样。每次初始铸造时铝液温度的一致性对于自动铸造过程中程序控制参数的确定是非常重要的。若有需要，可用一根虹吸管将熔炼炉内金属液转注到静置炉内。11对电磁搅拌器的争论新熔铸车间的5个熔炼炉内，尽管已为每个炉膛都设计了一个电磁搅拌器，但现在只有一个熔炼炉膛安装了电磁搅拌器。雷诺金属公司的设想是，比较一下都固定在炉床底下的电磁搅拌器和多孔扩散喷头，看看哪个使用效果更好。众所周知，自从电磁铸造法问世以来，铝加工业界对炉底下的电磁搅拌器的功过一直争论不休。赞同电磁搅拌的认为，电磁搅拌消除了炉内铝液的温度梯度和浓度梯度；使熔炼炉内铝液在较短时间内达到温度一致，降低了能耗；由于金属表面层不过热，使浮渣量大为降低(尽管由于电磁搅拌的作用，不断形成新液面，但在炉内不存在激烈氧化的气氛)。电磁搅拌的赞同者或反对者通常都以炉内配料的类型为理由证明各自的观点是正确的，赞同者认为，电磁搅拌在炉内合金化方面有优点，如合金含Si、Cu、Zn、Mg等各种合金化元素时，既可以纯金属加入，也可以中间合金形式加入；反对者则强调，当固体炉料都是一种合金(如废饮料罐料)或者液体炉料时，电磁搅拌则无长处。或许，雷诺金属公司的做法在今后能为我们提供其实践的结果。12铸造现场可不在线配置熔炼炉图1左边的铸造机由两台静置炉供料，但未在线配置熔炼炉。铝液来自邻近的雷诺金属公司所属的两个铝废料回收重熔厂，再生重熔厂为李斯特海尔铝薄板厂的新熔铸车间，每天运送454吨液态合金。作者以为，雷诺金属公司利用回收再生金属厂直接熔炼的液态合金，故在熔铸车间内省去了熔炼炉，此举的确值得推广，作者很早就赞同改变铝加工工业传统的二重炉模式，即熔炼炉加静置炉，不将熔炼炉设置在熔铸现场。13金属供应的捷径利用再生的重熔金属对李斯特海尔铝薄板厂来说意义深远，也颇受称赞。当半个多世纪前建成综合规模时，其现场的电能供应影响了铝厂。1980年，这家铝厂鼎盛时期产量达到20万吨/年的额定值。以后，产量逐年递减，到80年代中期，由于成本太高的原因，这家铝厂不得不关闭。在这一时期，美国很多铝厂也都处于限产和关闭的窘境。失去如此巨大的原铝来源的李斯特海尔铝合金薄板厂若不是从再生重熔铝厂获得18万吨/年的铝液做补充，其处境将不可想象。但是，在美国这并不是唯一体现金属回收再生重要意义的例子。14人的因素人