20Kg铝锭水平连续铸造机组冷却运输机三维造型设计

摘  要：本设计以国内外铝锭连铸生产实践为基础，结合我国近几十年来铝锭连铸生产的新工艺，对铝合金锭连铸整条生产线做的设计。金属型设计参考了加拿大锭型，同时也参照了日本锭型，并对锭的质量做了计算。机架的设计是参考了L D S—20—F型2 0 k g铝锭铸造机设计的，同时还配备有冷却池、机械手、码垛机等设备。主要设计金属型和部分生产线。

关键词：铝合金种类；生产线设计；发展趋势；

 

Abstract：The design of ingot casting and production practices at home and abroad, combined with the continuous casting of aluminum ingots produced in recent decades, new technology, continuous casting of aluminum ingots to do the entire production line design. Metal ingots of Canada-based reference design, but also with reference to the Japanese ingot type, and the quality of tablets was calculated. Reference frame is designed LDS-20-F-type 20kg aluminum ingot casting machine design, but also equipped with a cooling pond, manipulator, stacking machines and other equipment. Main design of metal type and part of the production line.

Key words：Aluminum species; production line design; development trends;

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1.1 铝合金的种类

铝合金可分为两大系列：加工铝合金和铸造铝合金；加工铝合金有1-7系列牌号，比如1100，2219，3003等。铸造铝合金按我国的分法，共分4类，如下：

铝硅系列：如ZL102，ZL104等，以1打头

铝铜系列：如ZL201，ZL205等，以2打头

铝镁系列：如ZL301，ZL303等，以3打头

铝锌系列：如ZL401，ZL402等，以2打头

ZL指的是铸造铝合金的汉语拼音缩写。

铸造铝合金简单铝硅合金Al-Si铸造性能好，不能热处理强化，力学性能较低ZL102

特殊铝硅合金Al-Si-Mg铸造性能良好，可热处理强化，力学性能较高ZL101 Al-Si-Cu ZL107 Al-Si-Mg-Cu ZL105,ZL110 Al-Si-Mg-Cu-Ni ZL109

铝铜铸造合金Al-Cu耐热性好，铸造性能与抗蚀性差ZL201。铝镁铸造合金Al-Mg力学性能高，抗蚀性好ZL301。铝锌铸造合金Al-Zn能自动淬火，宜于压铸ZL401

铝稀土铸造合金Al-Re耐热性能好。变形铝合金不能热处理强化铝合金防锈铝Al-Mn

抗蚀性、压力加工性与焊接性能好，但强度较低3A21 Al-Mg 5A05。可热处理强化铝合金 硬铝Al-Cu-Mg力学性能高2A11，2A12。超硬铝Al-Cu-Mg-Zn室温强度最高7A04，7A09。锻铝Al-Mg-Si-Cu锻造性能好耐热性能好2A14,2A50 Al-Cu-Mg-Fe-Ni 2A70，2A80。　

Al-Si系合金具有良好的铸造性能，故它是研究和应用最为广泛的铸造铝合金，适用于各种铸造方法。Si作为该类合金的主要合金元素加入，提高了合金的铸造性能，改善了流动性，降低了热裂倾向性，减少了缩松，提高了气密性，可获得组织致密的铸件，该类合金具有良好的抗蚀性，中等强度，但塑性较低。Si是该类合金组织中的第二相，它虽改善了合金的铸造性能，但Si对合金的基体强度与韧性等均有所削弱(WSi>7%)。因此，Al-Si合金的研究主要是如何通过合金元素强化、改变第二相组织、减少合金杂质含量等，以提高合金的力学性能。合金元素对Al-Si合金性能的影响。Mg是Al-Si合金中主要的强化元素，Mg与Si经热处理强化形成Mg2Si沉淀相，有效地提高了合金的性能。随着Mg含量的增加，合金强度增加，但延性下降。对于356合金，每增加0.01%的Mg,合金强度增加6.89 MPa,但对于357合金，却只增加一半。最新研究表明，Mg可抑制Fe相的有害作用。当Fe的含量较低时，Mg与Si仍形成Mg2Si相，当含Fe量增加时，可形成Al-Fe-Si-Mg化合物，从而减少Fe的危害。Fe是Al-Si合金中另一个十分重要的元素，Fe在合金中形成一些条状的脆性金属间化合物，如FeSiAl5等，即使是微量的Fe对合金的韧性与延性都有极大的影响。当Fe含量不超过0.5%时，可使合金的强度略有升高，但超过0.5%后，合金的强度缓慢下降。减少Fe相的有害作用，一方面可通过提高冷却速度，细化Fe相，另一方面主要通过合金元素“中和”。Mn能改变FeSiAl5的条状组织，形成(FeMn)3Si2Al15的细小颗粒，对合金韧性基本无损，但Fe和Mn的含量超过0.8%时，便形成六方晶球，合金性能便下降。与Mn相似，Cr在Al-Si合金中形成(Cr,Fe)Si4Al13的团状组织，可减少Fe相的危害，但Cr和Mn均不能改善合金的抗裂纹扩展性能。最近研究表明，微量的Be即WBe为(5～10)×10-6时可防止合金氧化并提高合金的延性,Be的加入，改变了含Fe相的长条状结构，使之形成短条状和立方晶体，从而提高了合金的韧性和延性。其他合金元素，如Cu,Zn等均对合金韧性有不利的影响，故一般作为杂质元素来控制。Ti和B是微合金化元素，可细化合金组织、改善合金性能，但过多会引起中毒现象。Ti含量的范围一般为0.05%～0.2%，过多的Ti对合金的力学性能有损。有些研究者指出，过剩的TiAl3阻止热处理过程中Mg2Si相的析出。

变质处理：Al-Si合金的力学性能与其组织中第二相——共晶硅的形态与分布紧密相关。改变共晶Si的形态，减小其对基体性能的削弱作用，是提高合金性能的有效途径。自1920年Pacz发现Na对Al-Si合金有变质作用以来，众多学者在此方面进行了大量的试验研究，Al-Si合金的变质机理，已逐渐被人们所认识，并已研制出多种变质剂，且可对变质效果进行控制。Al-Si合金的变质机理有两种说法，核心说与生长抑制说。现在一般倾向于后者。许多学者研究了Al-Si合金中共晶Si的生长机制,共晶硅在生长时存在内部缺陷，并沿〈211〉方向择优生长成板片状，板片状的共晶硅可通过小角度机制及大角度机制生成孪晶。变质元素的加入，消除了共晶Si生长的固有台阶，产生大量高密度孪晶，变为TPRE(Twin Plan Reentrant-Edge)生长机制，择优方向为〈100〉，共晶硅呈纤维状。抑制共晶Si的生长，需要有外来质点封锁其固有台阶，这些外来质点的最佳原子半径为0.196 nm。原子半径与此值相近的元素可作为Al-Si合金的变质剂，经试验研究，这类元素主要有：Na,Sr,Te,Ba,Sb,K,RE,Y,B,S等。而目前应用较广泛的是Na和Sr。Sr变质与Na变质比较起来有许多的优点，同时也是国际上研究和应用的趋势。Sr变质可使Al-Si合金的强度提高20%左右，伸长率可提高2～3倍。气体精炼与加Sr变质是Al-Sr合金生产的主要趋势。此外，与铸铁中改变石墨形态类似，即石墨球化后，铸铁性能大幅度提高。最近，已有学者从事Al-Si合金共晶硅球化研究工作，通过液态处理与热处理相结合，可使共晶硅团球化，但尚未见详细报道。

1.2铝合金的加工

铝合金按加工方法可以分为变形铝合金铸造铝合金。变形铝合金又分为不可热处理强化型铝合金和可热处理强化型铝合金.不可热处理强化型不能通过热处理来提高机械性能，只能通过冷加工变形来实现强化。在纯铝中加入一些金属或非金属元素所熔制的铝合金是一种新型的合金材料,由于其比重小,比强度高,具有良好的综合性能,因此被广泛用于航空工业、汽车制造业、动力仪表、工具及民用器具制造等方面。随着国民经济的发展以及经济一体化进程的推进，其生产量和耗用量大有超过钢铁之势。加强对铝合金材料性能的研究,保证铝合金铸件具有优良品质,是我们的日常生活息息相关的头等大事。铝合金型材基本上没什么国标非标之说，但是国家对建筑铝型材有专门的行业规范，主要对型材的厚度、材质等做出要求。每家铝合金型材生产企业所生产的产品基本上大同小异，只不过在具体的结构上有所出入。但是像比较通用的系列，例如国标50、868、90，这些基本上都一样。80系列、60系列指的是铝合金型材边框的宽度分别是80毫米、60毫米。根据型材挤压后的加工工艺，基本上可以分为氧化、电泳、静电粉末喷涂、氟碳喷涂这几种，也就是说涂装方法不同。目前市场上消费的85％为静电粉末喷涂型材，即彩铝型材。

  随着工业化进程的加快，一方面追求合金本身高的性能；另一方面对铸件的要求也日益提高。现在铝合金铸件的发展趋势是：规模化的工业生产和良好的复杂铸件整体性能。铸造形状复杂，尺寸精密，大型薄壁整体无余量铸件是将来一段时期铸铝件的发展方向。与此相对应的，研制将若干个铸件组合成一个整体，提高铸件的整体结构性能，如刚性、强度等，同时也提高了铸件的可靠性。

近50年来，铝连续铸造在世界铝工业中的地位变得越来越重要，铝连续铸造发展的驱动力是,与传统铸块热轧工艺相比,铝连续铸造工艺在经济上占优势；连续铸造工艺技术投资较低;耗能低；劳动力成本低; 因此加工成本也低。许多年来，人们一直认为铝连续铸造工艺技术在经济上的优势仅适用于那些产量低的工厂，但最近的较精确的研究结果表明,铝连续铸造工艺技术的成本节省适用于各类工厂，铝连续铸造工艺技术的投资成本总是比传统的铸块热轧工艺技术低，这是已经经过实践证明了的。

  由于长期以来缺乏对引进技术的进一步消化、吸收、提升和再创新，并且对国外先进铝锭连铸技术的发展跟踪不够，国内铸造机的技术水平长期滞留在国外20世纪80年代的水平上。而发达国家，如法国、德国、澳大利亚、奥地利、日本等已经研制开发并生产了高效全自动铝锭连铸生产线，其生产能力最高可达28t／h，生产效率是目前国内的2倍，仅需3-4名操作人员，自动化程度高，但售价高达1300万元人民币／套。我国如果不进一步对铝锭连铸生产线的关键技术进行深入研究，加快国产化的进程将会使国产化铝锭连铸生产线丧失市场竞争力，有可能导致大多数铝厂不得不采用国外全套高价铸造生产线来替代国内铸造生产线。使我国铝业生产蒙受损失，并受制于人，而且将完全丧失赢得中东、美洲和非洲等发展中国家市场主动权的机会。因此，新型高效铝锭连铸生产线的研制成了目前国内迫切需要解决的问题。

  随着现代工业的发展，传统铸造铝合金的研究和应用也得到飞速发展，并日趋成熟。但铸造铝合金铸件的需求将越来越大，因此铸造铝合金的研究和应用将会进一步完善和发展。面对21世纪的挑战，传统的铸造合金和先进的制造技术、工艺技术等相结合，将会焕发出新的光彩。同时特种性能的铸造铝合金的研究也亟待不断开发和应用。

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