杜志科 胡兆奇 王家峰

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制。如熔保爐熔體溫度和加熱體電源閉環(huán)，但是熔體溫度無法直接測量，且加熱響應時間長；由于鑄錠速度直接測量難度大，引錠機通常是引錠輥的線速度和驅動電機閉環(huán)；結晶器的冷卻強度通常根據(jù)經(jīng)驗設定，即使水量可以控制，控制曲線也是經(jīng)驗繪制，而不是根據(jù)鑄造區(qū)工況調(diào)整。

其次是鑄造過程中，人工操作或者人工干預很少，操作對減少輔助時間影響不大。

另外，熔鑄設備的運動速度受合金鑄造性能限制，鑄造速度通常不可能太高，也可以說是低速運行，現(xiàn)代化設備的性能可以輕松達到鑄造速度要求，速度不是制約點。

因此鑄造設備的自動化不能像其它設備一樣追求高速性能、操作的方便性、提高生產(chǎn)效率；而應該是提高設備運行的可靠性、可控性。

電氣自動化裝置通過測量、反饋及時響應調(diào)整達到鑄造工藝參數(shù)的要求，減少人工干預。當實際運行工況偏離設定值時，電氣系統(tǒng)自動糾正，如果無法糾正說明設備運行異常，采取及時報警，均可有效提高設備可靠性，可控性。

2.4 熔鑄機組的核心是實現(xiàn)合金的穩(wěn)定鑄造，機組中的每臺設備都要圍繞鑄造運行，后部設備應盡量減少對鑄造的影響

熔鑄機組設備的組成較復雜，通常包括完成冶金功能的熔鑄保溫爐組，簡稱熔保爐。鑄造核心工藝設備結晶器(包括冷卻水系統(tǒng))，稱作結晶器；為實現(xiàn)鑄造拉鑄工藝而設的牽引機或引錠機，統(tǒng)稱為引錠機；為了滿足后道工序要求增設在線后續(xù)帶坯處理設備，如銑面機、剪切機或鋸切機、卷取機等后部設備。

由于鑄造過程工藝復雜影響因素多(如冷卻溫度、冷卻強度、結晶器入口壓力、拉鑄速度、帶坯出口溫度等)，而上述因素又無法直接測量，不能實現(xiàn)閉環(huán)控制，因此達到穩(wěn)定的鑄造工況并非易事。為了鑄造合格帶坯，機組中的熔保爐、結晶器、引錠機都必須穩(wěn)定可靠，滿足鑄造工藝的的要求。

機組在線后部設備完成附加功能，它是鑄造機組的附加設備，在運行時，對鑄造的影響必須減少到最低。

2.5 結晶器結構、冷卻方式及配套鑄造工藝

銅合金結晶器種類繁多，結構各異，冷卻水室及冷卻水系統(tǒng)也各有千秋。概括講結晶器應熱傳導均勻，導熱系數(shù)要高。就具體結構來說結晶器總體強度要求高，尤其是在高溫環(huán)境下變形要?。粋鳠釋w的材料應選擇熱膨脹系數(shù)小的，受熱時形狀穩(wěn)定，即使受熱不均勻時局部變形要小，不能影響熱傳導的分布。常用材料有鍛造高銅合金、銀銅、銅鉻鋯合金、高強石墨等。零件的接觸面要求接觸嚴實，不能有局部空隙，如石墨與冷卻銅套之間的平面度要在5級以上；冷卻水室內(nèi)部分布均勻，且在不影響強度的情況下，盡量靠近結晶區(qū)；冷卻水分配裝置應控制冷卻水流在結晶器內(nèi)均勻，并且可以根據(jù)鑄造情況適當調(diào)整。

2.6 在熔鑄設備中降低單位產(chǎn)品的能耗，減少環(huán)境污染是永無止境的探索方向

熔鑄設備是有色金屬加工行業(yè)的耗能大戶，也是污染大戶，正說明節(jié)能減排技術在熔鑄領域大有發(fā)展?jié)摿Α，F(xiàn)在有的科技人員正在通過綜合治理，探索減少爐組單位產(chǎn)品能耗的方法，實踐中有一定的效果，希望盡快推廣。

3 銅合金熔鑄設備技術發(fā)展方向

上述總結了熔鑄設備的技術要點，以此為出發(fā)點探索分析其技術發(fā)展的方向。

3.1 突破現(xiàn)有鑄造工藝限制，探索高速鑄造的工藝和裝備

高速鑄造在鋁合金鑄造中已是成熟技術，其鑄造速度是傳統(tǒng)鑄造速度的數(shù)倍，且鑄坯的金相組織明顯改善，可避免合金的偏析，如超薄高速鑄軋、高硅鋁半連續(xù)鑄造等。但銅合金鑄造技術在這方面探索較少，首先應從結晶器內(nèi)部結構出發(fā)，創(chuàng)建全新的鑄造工藝和設備。比如探索新型結晶器的冷卻水路結構，提高冷卻強度和熱交換場的一致性，改善鑄坯的結晶組織，有效提高鑄造速度。國外試制的全石墨材料結晶器可提高鑄造速度兩倍，我們也應多方面探索。

3.2 延長鑄造周期，尤其是連續(xù)鑄造

要提高結晶器使用壽命，減少結晶器內(nèi)腔或石墨模的損耗，提高結晶器單周期使用壽命，同時要優(yōu)化與設備相適應的鑄造工藝。

3.3 通過建立鑄造控制數(shù)學模型，實現(xiàn)鑄造工藝全自動控制

由于現(xiàn)有設備只能實現(xiàn)機械設備自身的閉環(huán)控制，因此鑄造設備的自動化大有可為，自動化的研究可以從下面幾點突破。

首先要探索直接檢測測量的方法，檢測元件和檢測系統(tǒng)必須變間接測量為直接測量。如爐溫測量現(xiàn)采用熱電偶通過保護套測量，測量誤差大，需要周期性人工快速熱電偶矯正，如果有一種熱電偶可以長期與熔體接觸，連續(xù)輸出測量溫度，才能真正實現(xiàn)爐溫控制；帶材出口溫度多為手動測量，由于帶材表面氧化層不均勻，顏色變化大，激光測量也無法做到高精度測量，同樣需要直接測量帶溫的方法；再深入探討應該解決在線檢測鑄造帶坯質(zhì)量的理論和方法，通過檢測帶材質(zhì)量參數(shù)即時調(diào)整工藝，目前這方面應該說是技術空白。

再則建立機組數(shù)字化、系統(tǒng)化的控制理論?，F(xiàn)在機組各個控制點自成系統(tǒng)，參數(shù)單獨控制，如爐溫、冷卻水流量、拉鑄速度等均是單項控制，需要建立機組統(tǒng)一系統(tǒng)，根據(jù)鑄造情況系統(tǒng)控制。前提是數(shù)字化控制，這方面最迫切的是爐溫的檢查和控制。熔鑄控制系統(tǒng)不像軋制工藝響應頻率越高越好，而要考慮鑄造響應速度低的特點，即鑄造滯后時間長，當參數(shù)調(diào)整后其效果往往數(shù)分鐘，甚至十幾分鐘后才能顯現(xiàn)。因此控制系統(tǒng)必須考慮滯后現(xiàn)象。

最后建立與軋制類似的自適應二級系統(tǒng)。由于銅加工合金品種繁雜，類似系統(tǒng)比鋁加工更有實際意義。首先要建立各個合金的模擬鑄造數(shù)學模型，通過不斷實踐矯正，優(yōu)化工藝參數(shù)，通過爐溫、冷卻水流量、拉鑄速度等系統(tǒng)控制提高鑄造質(zhì)量和效率。

3.4 輔助鑄造技術的應用

如電磁輔助鑄造技術已在個別銅加工廠試驗，取得了不少成功經(jīng)驗，目前要做好推廣工作。爐組和結晶器氮氣保護鑄造，可以減少氧化，降低含氧量，提高鑄坯質(zhì)量。

3.5 大力推廣節(jié)能減排技術

熔鑄生產(chǎn)是銅加工工業(yè)的能耗大戶、污染大戶，應大力加強減排增效措施。如提高爐組的熱效率、科學加蓋熔體覆蓋劑減少金屬損耗、有效的煙塵收集系統(tǒng)、冷卻水閉式循環(huán)重復使用等，這些措施簡單易行，效果明顯。

4 銅帶水平連鑄典型技術參數(shù)及說明

銅帶水平連鑄機組見圖2。

某銅帶水平連鑄幾種典型技術參數(shù)：

合金：黃銅、青銅、錫磷青銅等銅合金帶坯卷材

同時生產(chǎn)兩條帶坯：每條寬450mm-330mm,厚14mm-16mm(未銑面)

成品卷規(guī)格

卷材內(nèi)徑： φ500-800mm

卷材外徑： φ1800mm

最大卷重： 6000kg

成品厚度及偏差

厚度： 14-16mm

圖2 銅帶水平連鑄機組

橫向公差： 0.10mm

縱向公差： 0.15mm

生產(chǎn)能力： 1-1.5t/h

熔化爐熔化能力：1.65t/h

保溫爐熔化能力：1t/h

保溫爐溫度控制范圍±10℃

最大推拉力： 50KN

推拉速度： 1.5-70mm/sec

平均最大鑄造速度： 300mm/min

最小行程范圍： 0.1mm

最短停歇時間： 0.01sec

帶坯上下面各銑削深度： max=1.5mm

銑刀的切削速度： 150、200、250mm/min 三種

該機組參數(shù)的確定充分體現(xiàn)了鑄造設備的技術要點。為了保證機組可靠運行，正常鑄造最大推拉力在10KN左右，設計值達到50KN；引錠機最小行程范圍0.1mm和最短停歇時間0.01sec滿足了鑄造工藝精確要求；受工藝限制實際平均最大鑄造速度不可能達到200 mm/min，而設備確定為300mm/min；銑面機正常銑削深度0.5 mm，而設備能力選擇1.5mm且有三種速度選擇。熔煉爐綜合考慮熔煉能力和能耗，熔化能力選擇1.65t/h，是最大鑄造要求1.1 t/h的的1.5倍。保溫爐熔化能力1t/h體現(xiàn)了保溫爐要求控制熔體溫度，需要小功率連續(xù)加熱的特性。

[1] 肖文奎 李耀群《銅及銅合金熔煉與鑄造技術》冶金工業(yè)出版社 2007

[2] 杜志科《450mm鋅白銅帶坯水平連鑄機組技術特點》《有色金屬加工》2005年第06期

[3] 杜志科，趙明, 朱學北, 《銅板帶加工設備研發(fā)概述》《2005中國首屆國際銅板帶研討會文集》 冶金工業(yè)出版社 2005