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力拓公司具有里程碑意义的低压圆锭铸造工艺

发布时间:2020-06-28 | 浏览次数:706 | 来源:中国有色金属工业协会 | 作者:匿名 | 分享:
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2019年,全世界挤压铝材产量约2800万t,其中中国的产量约2000万t,占世界总产量的71.3%,如果成材率按70%匡算,那么生产这些挤压材需要的铸锭数量分别为3857万t和2857万t。如果能提高挤压圆锭质量与产量、降低能耗与温室气体排放的铸造工艺铸造,将会产生巨大的经济效益与社会效益。


而力拓公司(Rio Tinto)加拿大魁北克阿尔维达铝厂铸造车间(Arvida casthouse)研发和首次采用的圆锭低压铸造工艺正是一种可显著提高铸锭品质、改善铸造操作环境与安全条件的先进铝合金圆锭半连续铸造法,具有里程碑式的发展意义。


该厂生产的铸锭60%销往美国,用于挤压建筑与结构材料、汽车材料与日用品材料,近些年在汽车铝材市场应用广泛,且未来用量将会持续增长。

力拓公司是一个跨国性的金属产品与矿业企业,在全球有7个铝厂、19个铸造厂(车间)、5个铝土矿、4个氧化铝厂、8个自备发电厂,员工12万人,在全球35个城市有生产企业与营销网点。

位于萨盖奈的阿尔维达铝厂是一个大型原铝生产联合体,由AP60工艺中心与阿尔维达研发中心(ARDC)组成。

2016年,力拓公司向市场推出了一种商标为RenewAITM(再生能源铝)的重溶铝锭,是全世界首次认定低CO2的铝,它的生产全过程均是水电,CO2足迹低,用先进的美国专利(AP)工艺提取,并经过环保部门认证,达到美国绿色建筑协会(U.S.Green Building Council)LEEDV4认证标准。

该商标的认证为力拓后续的发展和新铸造工艺的成功建设提供了基础。

阿尔维达铝厂铸造车间生产1XXX、2XXX、3XXX及6XXX系列合金(直径178mm~254mm)的圆锭,该车间内有1台保温炉、2台铸造炉、1个铸造井,用抬包运输原铝。

铸造好的圆锭经过表面检查与超声探伤后送去均匀化处理,该厂有4台均匀化炉、2台冷却平台和2条锯切线,其中457mm~1346mm短锭由自动化设备包装,6172mm长锭由人工绑捆。

为了抓住当前汽车用铝上升期的广阔市场,力拓公司率先对阿尔维达铝厂铸造车间进行了升级改扩建,建成了先进的圆锭低压铸造(LPC)系统,这是北美铝工业首套此类别装备,是从海德鲁铝业公司引进,Hycast法的改进型,其优点是:拓宽了铸锭的品种,提高了铸锭的质量,增加了产量,加强了生产的安全性;同时,该套装备还增加了一台在线除气机,可进一步降低其氢与夹杂含量。

LPC铸造法是一种圆锭气体缓冲(GC,gas cushion)铸造法,可以减少铝锭的偏析带,因为可使铸膜内的压力降至最小,可称得上是一种真空铸造。

该套系统由铸造台、启动块(starter block)、模型组成,都是由Hycast公司气垫铸造系统发展而来,并采纳了低压铸造法原理。

低压铸造如图所示,铸造时铝熔体处于真空之下,利用通风和喷射系统控制压力,以确保熔体稳定。

机盖关好后,既可调节铸膜高度,使其与流盘内的铝熔体处于同一水平线上,让虹吸溶体流入模内,还可使熔体水平由控制阀和激光器调控,保持在精准位置上。

由于铝熔体静压力接近零,因而稳定流入模内,合金元素不会偏析,氧化也会减至最低;同时铸造参数如温度、水的流量都被平稳控制,使模内冷却度进一步减弱;此外,急冷壳很薄,也可以更大程度上减少偏析。

因此,经过低压铸造的圆锭表面偏析小且又薄又轻还光滑平整。

低压铸造操作人员很少,对工作安全很有利,一切控制系统都在地坪上,操作人员均远离铝熔体。

控制系统可以精准地控制铸造每个阶段的参数,如果需要也可以编入特殊合金的专用参数。在铸造场地四周装有7台照相机,可以随时观看铸造情况。

控制系统内还含有紧急控制器,一旦出现危险情况,便会紧急停车,并指出问题所在。

铸造系统的模板装于平台与导轨上,吊出锭时可自动移动到侧面,还可以翻转到垂直位置,以便清理,同时还能通过轨道进入装模间。

同时,铸造设备和铸造工艺都是按最高安全标准设计的(包括《美国铝业协会铝熔体装卸运输指南》),并对有关不够完善的安全之处进行了全面地改正和完善,最大程度抑制了安全漏洞。

此外,阿尔维达铝厂还对铸造车间均匀化处理炉进行了自动化升级改造,装上了自动控制器,如新的PLCs和监控系统,监控均匀化全过程,这对生产汽车铝材尤显重要,这些系统可对每一根铸锭的全过程进行追溯。

按照力拓公司提供的数据与资料,阿尔维达铝厂由于采用了PLC铸造工艺,并改进了许多自动化设施,其铸锭质量得到了全面提升,表面偏析最少,激冷外壳层最薄,晶粒组织细小均匀,表面光滑,挤压材质量也普遍提高,生产效率与成品率上升。

阿尔维达铝厂铸造车间低压铸造圆锭系统的建成与顺利投产,主要归功于力拓公司的阿尔维达研发中心。

阿尔维达研发中心是一个综合性的研究院,是力拓公司的直属单位,负责从采矿到生产铝材的各种工艺、新合金的研究,但不涉及航空航天铝材的有关生产技术。

研究中心组建于1946年,在过去的几十年中,共获得65项发明专利和365项新型实用专利,多项重大技术专利,如TAC、ACD、Alscan、Limcal等均在铝工业中获得了卓有成效的应用,创造了较大价值。

研发中心的主要服务对象是公司遍布于加拿大和世界各地的厂矿企业,当然也与世界知名的30多个企业、大专院校、政府组织、原装设备厂(OEMs)等有着紧密的业务往来。

2018年,该研发中心扩建了其金相实验室与光谱分析室,以加强新合金的研发,还对铸造与挤压中试生产和试验设备作了相当大的完善,以便更好地为生产单位服务。

据了解,研发中心近期的工作重点是研发性能更好的交通运输装备材料,特别是汽车、电动汽车铝合金及其半成品加工工艺。

用低压铸造法批量铸造铝合金挤压用圆锭是一种先进的高档铸造工艺,用其生产的圆锭具有氢含量低、无缩松、显微组织细密、皮(指锭表面偏析层与急冷层)薄等特点,用其挤压型材时成品率可提高1%以上(笔者估计),2019年,中国生产了约2000万t挤压材,若成品率提高1%,就可多生产出20万t,同时用这种铝锭生产的挤压材的各项性能均优于用传统铸造法铸造的铝锭。

此外,还需要提出的是,在铝工业与媒体上不宜把挤压用的圆锭(billet)说成棒(rod/bar)。

前者是用于挤压半成品的坯料,而后者为半成品,是用billet通过挤压或挤压后拉伸(冷拔)获得的实心压力加工产品。


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