20 kg 铝锭铸造机改造为A356 生产线的实践

李国林

（河南神火集团，河南 永城 476600）

当前，电解铝行业过剩现象愈发严重。2013年全国电解铝产量约2500 万t，较2012年增加600 万t；产能利用率80%左右。路透社分析师预计2014年铝市供应仍将过剩56.84 万t. 铝现货平均价为1840美元/t，比2013年还低，2013年为1844.95 美元/t.如此严重的产能过剩情况，以及充分甚至混乱的竞争，让电解铝的价格与生产成本出现了倒挂现象。面临这种形势，各大铝企都在为增加企业竞争力，从企业内部挖潜，或加强管理、节支降耗；或技术改造，降低成本，或调整结构，提高产品档次。本文正是基于这一目的，围绕某电解铝厂普通铝锭生产线升级为A356.2 铝合金锭生产线，进行研究、分析，组织技术改造，取得了圆满成功，实现了产品规模性生产，较普通铝锭相比吨铝增加利润500 元，年创效200 万元。

1 原有普通铝锭生产线

原有普铝生产线有40 t 电阻反射式混合炉、16 t水平连续铸造机和一些辅助设施组成，液铝注入混合炉通过人工搅拌除渣后，经液铝溜槽、分配器转入铸造机铸模，实现连续铸锭[1]。具体示意见图1.

图1 铝锭生产线

2 铝合金生产工艺及生产线组成

2.1 生产工艺

A356.2 属铝一硅系合金。其铸造性能、焊接性能和耐腐蚀性能很好；具有较好的气密性、流动性和抗热裂性能；容易熔炼和铸造。工艺流程如图2，生产工艺并不复杂，但作为飞机配件、汽车和摩托车轮毂等产品的原料质量标准很高[2]。

图2 工艺流程

2.2 生产线组成

由工艺技术要求确定配套生产线的主要组成为：高位熔炼炉和低位静止炉，电磁搅拌器或永磁搅拌器；在线除气；过滤箱；水平连续铸锭机（结构组成见图1）；制氮机；相应土建基础。

要求高位熔炼炉、低位静止炉和水平连续铸锭机三者之间，依次有一定的落差；混合炉与铸造机之间有合适的水平距离。

3 技改思路

对普通铝锭生产线实地测量，混合炉与铸造机的高度落差为85 cm，水平距离为6 m.为实现连续生产的目的，本着既改造成功，又减少投资的原则，制定改造方案。将原40 t 混合炉定位为高位熔炼炉，主要用于金属硅和次品铝锭的熔化，并充入高纯氮气促进成分均匀；生产线两侧布置两台15 t 低位静止炉，同时在低位炉炉底增加永磁搅拌器，与上述2 中介绍的生产工艺相比，将搅拌工序安排在液铝转炉后，在低位炉进行；溜槽增加溜槽式在线精炼和过滤箱，来进一步除气和除渣，提高金属熔体质量；再根据合金锭定型尺寸的要求，对水平铸造机的铸模、翻转结构和码垛机械手等作相应改造。具体技改设计思路示意图见图3.

图3 合金铝锭生产线技改图

3.1 高位熔炼炉炉体改造

原混合炉熔池容积15.5 m3，盛装液铝吨位40 t.结合生产现场综合情况及投产后生产线连续运行的需要，低位静止炉定位熔池容积6 m3，盛装液铝15 t.同时从高位熔炼炉与铸造机的高度落差85 cm的角度考虑，落差偏小，不能很好的满足低位静止炉、在线精炼和过滤箱的安装，需增加落差20 cm，因而对高位熔炼炉熔池改造。

40 t 高位熔炼炉长期使用后，由于各种积渣造成熔池容积明显变小，在改造前期的一段时间内，有意识的不清整或少清整，待只能盛装液铝20 t 左右时停炉整修熔池，针对坚硬的炉内积渣，利用切割、修补、整形等手段，确保熔池底部升高20 cm，使整个熔池尺寸约为3 m×8 m×0.5 m，炉眼安装高度一并升高20 cm，使原来85 cm 的落差增加到105 cm.即充分利用长期积存的各种盐类杂物、氧化物等来增加熔池边部和底部的厚度，缩小熔池容积，从而增加整条生产线的高度落差。此方案不存在任何安全隐患，可以试验进行，后经实践证明也比较成功地满足了使用要求，但日常清理炉膛操作需多加注意，避免对熔池的破坏。

与通常铝合金生产线相比，由于该高位炉炉体底部没有安装搅拌器，熔解大量金属硅时，需通高纯氮气20 min～30 min，压力一般高于2.5 MPa，目的是充分溶解并均匀金属硅的成分。

3.2 低位静止圆炉设计

根据生产现场空间实际，低位静止炉采用圆炉，投资成本约15 万元/台，熔池高度h 为0.65 m，熔池半径r 为1.7 m，即可满足盛装15 t 的液铝。安装时布置在生产线两侧的合适位置，具体位置定位依据现场空间和满足后序设备在线精炼、过滤箱的安装。

圆炉液铝入口与高位熔炼炉炉眼落差控制在10 cm，与水平铸造机之间剩余落差：

即为在线精炼和过滤箱安装留下约30 cm 的高度落差，满足生产工艺要求。

A356.2 合金生产针孔度的控制最为困难，是产品质量好坏的关键，而针孔度是因为含有水分造成的。所以结合笔者经验，低位静止圆炉底部采取悬空结构，尤其是在地下水较浅的地区，避免炉子水泥基础浸泡在水里，造成炉体底部长期含水量偏大，为生产组织带来无法整改的困难。同时根据生产工艺需要，也便于安装永磁搅拌器，来充分保证炉内各元素成分的均匀性。

3.3 在线精炼注意要点

A356.2 铝合金熔体有较强的吸气性，氢是铝合金熔体中最易溶解的气体，其气体的溶解能力顺序为H2、CmHn、CO2、O2、CO、N2.在溶解的气体中，氢占90%左右。

铝与炉气中的水蒸气的反应为：

铝液与炉气中的油污及有机物气体的反应为：

在含有水蒸气的炉气中，即使其含量甚微，也足以使铝合金中的氢含量增加。水蒸气很易与铝反应，这不仅使铝氧化造渣，更重要的是使铝液中的氢以吸附、溶解和化合状态存在于铝合金熔体中，对铝合金的性能和铸锭质量有不良影响，是使铸锭产生气孔、疏松及板带材起泡和分层的主要原因，甚至使材料发生氢脆[3]。要使在线精炼除氢达到理想的效果，结构配置需注意：（1）采用双转子液压自动升降结构；（2）石墨转子转头部分尺寸大于φ15 cm，透气孔数量不低于12 个，小孔孔径不小于φ5 mm；（3）转子转柄部分表面增加5 mm 厚的氧化镀层，以提高抗液铝侵蚀能力加强。

3.4 实现连续过滤的过滤箱

以30 t 混合炉为例，一炉产品铸锭完成需要3 h，一般过滤板的过滤铝量为15 t 或1.5 h 左右，因而生产过程面临以下问题：（1）每炉产品生产过半时需停机更换过滤板；（2）更换不及时，过滤效果不好影响产品质量；（3）两炉产品不能连接生产，需停机更换过滤板；（4）生产线起停增加产品次品量和工人劳动量。

因而设计并制作了一个实现连续过滤液铝的过滤箱，如图4 所示。该装置包括箱体1，移动挡板2、3，溜槽4 等。箱体选用耐火材料烧制成，一般厚度δ 为50 mm，两端敞开的槽形结构，由外壁5（含底板）、凸台6、隔板7 和挡板9 组成，是整体烧制的。凸台6 是生产时安装过滤板的，隔板7 是分开M 和N 两个半部（或者称为是两个通道）的。

移动挡板2、3 的材料可以是石墨，也可以是陶瓷，主要作用是：使用通道M 时，挡板2 安装，阻止液铝从通道N 通过；使用通道N 时，挡板3 安装，阻止液铝从通道M 通过。

为保证过滤箱前后液铝压力，进出口落差要达到20 cm 以上。同时根据合金熔体内在质量及每炉过滤时间的要求，过滤板目数以23 目较为适宜，过滤板尺寸以不小于508 mm×508 mm 较为理想。避免发生过滤板不合适起不到过滤作用，或因目数、面积偏小阻碍液铝通过，员工操作困难，发生人为破坏过滤板的现象。

图4 过滤箱

过滤箱的过滤过程：铸锭前，在过滤箱M 和N两半部分均安装就位过滤板。液铝经炉子溜槽11流到过滤箱时，若开始从N 通过，则需提起移动挡板2，安装移动挡板3，沿着图4 中实线所示，液铝通过溜槽、过滤板、盛铝箱体、箱体出口和后部溜槽进入生产线铸模，完成铸锭；当过滤板过滤能力不足时，需提起移动挡板3，安装移动挡板2，沿着图4中虚线所示（M 方向），液铝通过溜槽、过滤板、盛铝箱体、箱体出口和后部溜槽进入生产线铸模，完成铸锭。

连续过滤过滤箱的优点：（1）体积小、重量轻、结构简单、操作方便；（2）实现24 h 甚至更长时间的连续过滤液铝；（3）生产线实现24 h 甚至更长时间的连续生产，减少次品，提高产量；（4）降低工人劳动强度。

3.5 铸造机改造

按照国家标准的要求，A356.2 铝合金锭为单块15 kg，与普通铝锭相比长度减少约8 cm，宽度减少约2 cm，厚度减少约3 cm。基于上述变动，需对水平连续铸造机相关部件进行局部改造。

铸模长度尺寸主要是耳朵（与链条连接的部位）两侧分别增加4 cm，便于在铸造机上安装；宽度方向上口尺寸不变，主要是保证模具相互之间的衔接，底口尺寸稍微缩小。

铸造机翻转机构，将压紧气缸的轴径均加长4 cm，保证铝合金锭夹紧和翻转动作的完成。

码垛机械手的改造目的与翻转机构相同，夹紧时将两侧夹板的最小距离缩小4 cm，同时考虑到包带的节约，可将码垛程序重复一次循环，整捆铝锭的层数由10 层变为11 层。

4 改造线与新建线对比

改造生产线正式投产后，各机构运转性能良好，产品产能较为稳定，产品质量完全达标。笔者又与新建一条生产线进行了多方面的对比，如表1.

表1 改造线与新建线对比

从表1 对比可以明显看出，二者均能实现连续生产，且年产能相同高达4 万t/a；与新建生产线投资340 万元相比，原普铝生产线有效利用了原有混合炉、水平铸造机，改造投资仅需80 万元，属于少有的低投入高回报项目成果，具备明显的优点。

5 投资回收期

改造后生产线顺利投产，月产合金3500 t，吨铝创效500 元，投资回报期为：

（80×10000）/（3500×500）×12≈5.5月

即大约通过5.5 个月（半年）的时间，即可收回改造投资，在整个行业里都是比较少见，非常理想。

6 结束语

本着提高企业经济效益的目的，将原普通铝锭生产线升级改造为A356.2 合金生产线，在仅仅投80 万元的情况下，调整了产品结构，增强了产品市场竞争力，为企业增加效益收入200 万元/a，体现了技术改造在企业管理中的关键地位，以及在提高产品附加值等方面的重要作用。在企业减少设备投资和调整产品结构方面是比较成功的典范，是工程技术人员智慧的结晶，有着较强的推广和借鉴意义。

[1]李清主.大型预焙槽炼铝生产工艺与操作实践[M］.长沙：中南大学出版社.

[2]邱孟书.低压铸造使用技术[M］.北京：机械工业出版社.

[3]谷文明，杜科选.A356.2 铸造铝合金铸锭内针孔缺陷的控制[J］.轻合金加工技术，2005（4）：26-30.