【佛山陶瓷网】实行硅系、铬系、锰系合金自动化浇铸的必要性

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    实行硅系、铬系、锰系合金自动化浇铸的必要性

一、自动化浇铸的发展过程

高温液态物质连续浇铸的概念在19世纪中期就提出，1840年美国塞勒斯获得连铸铅管的专利，1846年转炉的发明者英国贝塞麦使用水冷旋转双辊式连铸机用于生产锡箔、铝板和玻璃板。1866年美国亚瑟最早提出以水冷底部敞口固定结晶为特征的常规连铸概念，1872年英国戴维尔提出移动结晶器连续浇铸的概念，1886年—1889年提出了垂直浇铸的立式连铸机的设计，1921年提出了结晶器振动概念，使铸坯与结晶壁之间作连续相对运动，1931年瑞典皮尔逊提出结晶器以可变的频率和振幅做往复振动的想法，1933年连铸的先驱者德国容汉斯真正将这想法付诸实施，建设了世界上第一台立式带振动结晶器的连铸机，用于浇铸铜铝合金获得成功。使有色金属连铸于30年代就已经应用生产于铜和铝的领域，在40年代容汉斯在德国建成第一台用于浇铸钢水的试验连铸机，随后期相续在美国、英国、奥地利、日本等国家建成了中间性试验连铸机。在50年代连续铸钢进入工业试验阶段有多个国家相续建成使用。其中（1951年在前苏联十月冶金厂建成了第一台不锈钢板坯连铸机，1952年在英国巴路钢厂建成了第一台小方型坯连铸机，1954年第一台浇铸圆坯的4流连铸机在原联邦德国建成，同年在加拿大阿特拉斯钢厂建成不锈钢坯连铸机，1956年在英国巴路钢厂建成了立弯式连铸机，同年瑞士冯莫斯获得弧形连铸机专利。1958年第一台8流小方坯连铸机在意大利钢厂投产使用，1958年中国第一台连铸机在重庆第三钢铁厂建成，在60年代连续铸钢进入工业应用阶段，不少国家的工厂都相续建设连铸机，其中（1961年第一台立弯式板坯连铸机在原联邦德国建成，1963年第一台弧形结晶器小方坯连铸机在瑞士建成投产用于钢铁的浇铸，根据当年调查数据统计全世界已有61台连铸机投产，44台连铸机在建设之中，1964年第一台全连铸钢厂在英国谢尔顿工厂投产，同年第一台弧形板坯连铸机在原联邦德国梯林根钢厂投产。1965年4流圆坯弧形连铸机在原联邦德国埃斯维特尔钢厂投产。1968年弧形结晶器板坯连铸机在美国钢厂投产，用于生产镀锡板，同年在加拿大钢厂投资一台工字梁连铸机。1969年第一台立式离心旋转连铸机在德国瓦卢埃克建成投产用于生产管坯。在70年代以后为连铸机大发展时期，连铸机已经具备与大型氧气转炉相配合进行工业生产的可能性。根据以上的发展过程，振动结晶器的构想和付诸实施，不仅使浇铸速度提到一个较高的水平，而且是连铸技术成为通向钢铁领域发展的基石。以上连铸机的种类有立式连铸机、立弯式连铸机，直弧形连铸机、方板连铸机、椭圆形连铸机，弧形连铸机和水平连铸机，而这几种连铸机均适用于冶炼有色金属钢铁和铜铝合金领域。有色金属钢铁和铜铝合金领域的连铸铸钢技术经历了“从本世纪30年代—40年代的提出了概念以及试验开发，50年代开始步入工业生产，60年代弧形铸机的出现，70年代由能源危机推动的大发展，到80年代日趋成熟的技术和90年代面临新的变革”的60年历史发展历程。

硅系、铬系、锰系合金（非金属）冶炼由于物料特性以及生产工艺与冶炼钢铁相比有着很大的区别，因此以上几种浇铸设备均不能使用到硅系、铬系、锰系合金冶炼产品的浇铸。冶炼硅系、铬系、锰系合金产品时下游使用企业对产品粒度有一定的规格要求。浇铸环节是衔接非金属产品冶炼完成后的最后一项工序，使高温液态直接浇铸一次成型能够达到客户要求的最终产品粒度的块状，在非金属硅冶炼行业中至今100多年来一直采用地模浇铸方法。（国内一般浇铸尺寸长约4000mm*宽2000mm*高300mm或者1000mm*1000mm*200mm,国外一般浇铸尺寸约1000mm*1000mm*150mm,通过冷却后再进行人工铁锤破碎或破碎机破碎成为约50mm-100mm范围内）。

高温浇铸成套设备发明人朱辛其先生，1962年出生于中国，长期研究高温浇铸设备，经努力探索研究于2014年、2015年、2016年、2017年、2018年分别发明创造了多种不同用途的自动化浇铸成型流水线设备并获得中国国家专利。高温浇铸脱模机构模具和高温浇铸成套设备专利成果在2017年第十四届中国科学家论坛、2018年第十五届中国科学家论坛被确定为优秀成果重点推介，并提名“发现2017、2018中国科技创新发明成果奖”。现将高温浇铸成套设备运用于实际生产中，填补了非金属产品冶炼行业中连续浇铸的难题。与传统地模浇铸相比较，使用高温浇铸成套设备极大地改善了劳动条件，节省了大量劳动力，为提高生产率和产品质量创造了有利条件，该设备机械化、自动化程度高，提高了浇铸能力和浇铸速度，有效的控制杂质元素偏析的现象。

高温浇铸成套设备实用于金属硅、硅铁、硅锰、镍铁、铬铁等高温冶炼一次性浇铸成型产品领域，使用高温浇铸成套设备能够有效的控制杂质元素含量的偏析，改变使用地模浇铸造成对产品的比表面积和冷却时晶体微观结构以及粒度大小无法控制的难题。由于比表面积、晶体微观结构以及粒度大小不均，对下游企业使用时造成原材料的浪费、成品率低、活性差、熔炼电耗高的不良影响。自动化浇铸流水线设备能够使产品一次性成为合格产品，淘汰了用地模浇铸冷却后使用人工铁锤破碎或破碎机破碎的方法，两种破碎方法同样都存在用人多、浪费大、成本高，粒度大小无法控制的缺点。高温浇铸成套设备的发明对整个冶炼行业设备的配置和浇铸工艺而言是一项重大的改革。高效率运作带来极为优质的产品结果。新的技术提供最佳的操作舒适性，多项安全设计保证了高温操作时具有极高的安全性，设备成套性强。高温浇铸成套设备从自动倾倒浇铸到自动称重包装能够独立完成生产体系，实现产品自动浇铸使产品一次性成型是冶炼行业发展中设备装备技术改革的必然趋势。

二、高温浇铸成套设备工艺流程

整个流水线操作实现自动化控制，高温浇铸成套设备工艺流程：台包倾倒装置平台→自动倾倒→倾倒流槽过滤→台包倾倒系统液压站→自动定时输送系统→块状合格产品一次成型→台包倾倒装置旋转扒渣→自动脱模装置→实现连续浇铸→模具喷涂保护装置→流水线系统液压站→自动称重吨袋包装系统→取样化验→按等级牌号入库。

三、浇铸时间的确定

在非金属硅产品浇铸时为了使台包内的硅液不致因散热太多而形成台包内硅液上面凝壳和凝固，又能充分发挥其允许的浇铸时间潜力，保证浇铸的顺利进行，必须适当地确定和控制不同容量的台包允许浇铸时间。推荐浇铸时间对于慢浇、中速浇铸和快速浇铸的工艺给出了明确时间范围，非金属产品的浇铸时间是从液态开始进入浇铸流槽到其完全被模具填充满的一段时间间断，它是浇铸工艺设计的重要工艺参数之一。浇铸系统阻流截面面积的计算就在于确定出保证模具在最佳时间内被填充满，控制液态填充速度和流动状态有利于填充模具使得凝固有序和足够的补缩。根据金属硅液态凝固特性，采用“大流量、快流速”的浇铸操作方法，以利于迅速而平稳地填充模具，顺利完成浇铸工序。目前用来确定浇铸时间的经验公式是根据流体力学和传热学的观念对液态填充和停止流动的过程作为依据，结合生产实际工作经验来确定的。液态填充模具过程实质上是该液态与模具发生作用并不断冷却只至凝固的过程。所述浇铸时间是允许的最长的浇铸时间与允许的最短的浇铸时间之间的一段间隔，是一个相对的时间段，在实际生产中应结合硅液温度和当地气候温度情况作适当调整。总之，铸造生产是一个多因素的工艺过程，浇铸温度及浇铸时间与浇铸设备的工艺参数密切相关，当各个参数处于不同的组合状态时，可以在一定范围内用浇铸时间的变动来调节。因此力图建立一个数学模型，推导出一个适合一切情况的包括所有影响因素的万能计算公式是不可能的，起码也是不实用的。在一定的生产条件下，即使某些参数处于基本稳定的情况，将其浇铸产品按其特殊要求分类，利用统计学方法建立影响浇铸温度和浇铸时间的主要变量与浇铸时间的关系曲线，回归为经验公式是可行的。浇铸经验公式：s=1min/2t，根据气温情况适当调整浇铸速度，以台包内的硅液不致因散热太多而形成台包内硅液上面凝壳和凝固。h=l(t)*s式中h-台包允许的最长倾倒浇铸时间(min)l(t)-台包的容量（t）s-浇铸2t用时1min。产品浇铸形状和尺寸根据用途来确定，浇铸形状有：方形、矩形、圆柱形、梯形、圆锥形、多边形等。根据用户要求任意调整硅块浇铸尺寸，常规尺寸：80mm*80mm*80mm。非金属产品浇铸是把出炉后台包中的液态进行浇铸成型固态，以备入库的一道生产工序。非金属产品杂质元素产生偏析，使得杂质元素含量分布不均匀直接影响产品质量。为了提高产品质量减少和避免杂质元素偏析必须从非金属产品浇铸工艺方法上进行改进。

四、产品质量的偏析与控制

所谓偏析是指浇铸成锭中的化学成分不均匀的现象。偏析有两种类型，宏观偏析和显微偏析。宏观偏析是大范围内成分不均匀，其范围涉及多个晶粒甚至更大区域，是长距离范围以厘米或米来计算，显微偏析是小范围内成分不均匀现象，其范围只涉及到晶粒尺度甚至更小区域，一般距离范围很小是几微米范围。典型的宏观偏析有几种情况：v形偏析、反偏析、反v形偏析。典型的显微偏析有：枝晶偏析、晶界偏析、胞状偏析。浇铸锭外部和内部的成分产生差异是与合金化学成分的物理性质和浇铸形状内液体金属的对流、游离晶体的行为以及晶体的成长形态等因素有关。随着这些因素的变化，偏析存在的范围和形状就有显著的差异，当熔质分配系数小于1的合金在凝固时，向凝固界面附近的熔体中排出部分熔质原子，使该区域溶质浓度逐渐增大，因此结晶出来的固体的溶质浓度也随着逐渐增大，所浇铸锭外层的溶质元素的含量比内层的溶质元素的含量低，而产生偏析。同样对熔质分配系数大于1的合金结晶后浇铸锭外层溶质元素的含量比内层的高，而产生偏析。偏析程度取决于固体中溶质的扩散程度和熔体中溶质的移动程度有很大关系。因此要尽量减少偏析情况提高浇铸锭的产品质量。

矿热炉内流到台包里的高温液体经过精炼通氧和压缩空气搅拌后，台包中任何位置的液体成分是均匀的，而凝固之后在板块从表面到中心化学成分是不一样的，有的差异很大，把这种成分不均匀性称为偏析。偏析产生的主要原因是：（1）杂质元素在液态和固态中的溶解度差异，也就是液相中元素溶度和固相中元素溶度的平衡的差异。在凝固产品中相等（平衡）说明无偏析，凝固产品中出现大于或小于说明有偏析。（2）冷却速度。冷却速度越快偏析程度越小，而冷却速度又与浇铸面积有直接的关系，浇铸面积小冷却速度快，浇铸面积大冷却速度慢。（3）元素在固相中扩散速度。元素在高温固体中扩散速度快可以减轻偏析程度。固相中的扩散速度也与浇铸面积有直接的关系，浇铸面积小扩散速度快，浇铸面积大扩散速度慢。（4）凝固前沿液相中的流动越强，宏观偏析越严重。液相中的流动与浇铸面积大小有着必然的联系。

在实际生产中浇铸锭体积小冷却快，可以显著地改善许多合金的性能并认为在快的冷却速度下得到非常细小的二次夹杂物，也是使性能得到改善的原因之一，所谓二次夹杂物是在主要相凝固期间或凝固后形成的，并且是由凝固期间向液相排出杂质或合金元素引起的。冷却速度越快，夹杂物尺寸越小，产品成分越均匀，有利于提高产品质量。

在非金属产品生产浇铸中，当浇铸的硅锭比较厚时，一般硅锭成馒头形，中间厚而四边薄，因硅锭厚薄不一，四边薄的部位散热快，冷却快，而中间厚的部位散热慢，冷却慢。当杂质元素分配系数小于1在凝固时，向凝固界面附近的熔体中排出部分原子，使该区域杂质元素浓度逐渐增大，即浇铸锭外层的杂质元素含量比内层的杂质元素含量低，由此而产生偏析现象。

通过研究和化验数据证明，目前现有工艺浇注长4000mm*宽2000mm*厚度200mm-320mm时，其中部最高部位断面中部的杂质元素含量可倍数地超过上部、下部的杂质元素含量，从而造成严重的偏析，使非金属产品中的杂质元素含量分布不均匀而严重影响产品质量。

随着浇铸产品厚度的增加，其中部杂质元素铁含量有明显增高趋势，偏析情况也更加严重。根据以上化验数据的研究，在浇注时尽量减少产品中杂质元素的偏析，首先应控制浇注产品的厚度，按此推断，产品越薄越好，但由于产品特性硬而脆，结合下游使用企业对产品粒度要求，产品粒度尺寸以50mm-90mm左右为宜。

非金属产品浇铸过程中杂质元素的偏析，除与浇铸厚度有关外，还与浇铸速度和浇铸面积的大小以及冷却时间有关，在浇注时尽量使硅液尽快散热凝固，减少杂质元素的偏析程度，使产品中的杂质元素分布均匀，从而提高产品质量有着非常重要的意义。

五、实现自动化浇铸的特点

（1）通过建立合理的控制模型，结合非金属产品物料的特性，保证工艺的最佳状态，以保证产品质量。

（2）通过生产过程的自动控制，使连续浇铸设备处于最佳运行状态，以提高生产率。

（3）通过非金属产品连续浇铸设备自动化的实现，减少了人为因素对产品规格质量的影响。

（4）实行非金属产品冶炼设备的先进性、完整性，便于进行现代化管理。

（5）改善操作人员的工作环境和安全环境，减低劳动强度。

（6）使用地模浇铸的缺点（a）使用地模浇铸操作很不安全，产品凝固时热量扩散冷却时间慢长。非金属液态浇入地模后边传热，边凝固，边运行，形成了液相穴相当长的板块，一般情况尺寸范围大约长4000mm*宽2000mm*高300mm，有的为使加速凝固冷却和保护地模的使用寿命，使用通水地模，存在极大的安全隐患。（b）使用地模凝固是沿液相在凝固温度区间把液体转变为固体的过程，地模浇铸是液相很长的产品板块以一个不固定速度在地模内沿着该地模尺寸面积运动。产品板块在运动中凝固，实质上是沿液相固液界面的潜热释放和传递过程，而在凝固界面的晶体不断在浇铸时受到传热冲击，使得该凝固界面的凝固时间延长。（c）地模在凝固过程中，非金属产品液相引起的流动和混合对产品板块凝固有着十分重要的影响。经过研究实验证明，液相上部为强制对流区，对流区高度取决于注流方式和浇铸产品板块断面。在液相下部液体流动主要是产品板块面收缩。流动对产品板块结构以及溶质元素偏析有着很大影响。因此只有充分认识到其凝固过程，是相互联系和相互制约的规律，才能在设备和工艺上制订正确的方案和对策，使非金属产品自动连续浇铸生产线设备达到生产效率高和浇铸产品质量好的目的。

（7）高温浇铸成套设备必须适应高温液体由液态变成液—固态，又变成固态的全过程。其过程进行着一系列比较复杂的物理与化学变化，显然自动化连续浇铸成型具有连续性强，工艺难度大和工作环境条件差等因素，因此生产工艺对机械设备提出了较高的要求，设备应具有抗高温、抗疲劳强度的性能和足够的刚度，制造和安装精度要高，易于维修和快速更换。

传统地模浇铸后产品板块加工工艺流程：采用行吊将台包里硅液→倒入地模→台包除渣→冷却后将地模里的硅板运至包装车间→进行取样化验→化验后进行人工铁锤破碎或用破碎机破碎→破碎后进行人工称重吨袋包装→按等级牌号入库。整个生产过程采用众多人工操作。

高温浇铸成套设备工艺流程：实现自动化控制，台包倾倒装置平台→自动倾倒→倾倒流槽过滤→台包倾倒系统液压站→自动定时输送系统→硅块一次成型→台包倾倒装置旋转扒渣→自动脱模装置→实现连续浇铸→模具喷涂保护装置→流水线系统液压站→自动称重吨袋包装系统→取样化验→按等级牌号入库。

六、高温浇铸成套设备与地模浇铸比较主要优势：

（1）使连续浇铸工艺科学化，安全可靠，实现了自动化浇铸是提高产品质量的重要途径之一，改善了工作环境。

（2）提高了生产效率，减少劳动力，降低了生成成本。

（3）使产品粒度能够达到使用标准，满足产品使用要求。

（4）有效的控制了杂质元素的偏析。

（5）使非金属产品冶炼、浇铸、直至产品自动称重包装整个生产工序能够实现完整的工艺衔接和设备机械化、自动化的衔接。

三、实现自动化浇铸所带来的经济效益

综上所述，实现自动化浇铸主要优点体现在以下几个方面：

（1）实行自动化浇铸不需要众多人工破碎或破碎机破碎，一次性浇铸成合格产品。

（2）实行生产过程的优质、高产、低消耗有着十分重要的意义，从而达到

提高社会效益和经济效益。

（3）实现自动化浇铸，可控产品粒度，减少因破碎产生的细粉浪费。

（4）实现自动化浇铸安全可靠，整套浇铸设备自动化程度高，减少劳动强度，节约生产成本。

（5）解决产品偏析，稳定产品质量，提高经济效益，有十分重要的意义。

2018年10月10日

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