自动油润滑扁锭结晶器设计理论探讨

赵朝杰

重庆西南铝机电设备工程有限公司，401326

摘要：结晶器是半连续铸造用的锭模，俗称冷凝槽，它是铸锭成型和决定铸锭质量的关键部件，要求结构简单、安装方便，有一定的强度、刚度、耐冲击性、耐热性，还应该具有良好的导热性和好的耐磨性。

关键字：铸造工装  结晶器  冷凝槽   模具 

前言：

半连续铸造技术，是现在各国铝加工厂普遍采用的一种变形铝合金铸造的技术，现今普遍采用直接水冷立式半连续铸造，也被叫做 DC 铸造。铝合金半连续铸造过程中，结晶器的设计质量决定了铸锭的质量及铸锭的成型率，其中结晶器侧壁的传热和结晶器的润滑情况对铝合金铸坯的表面质量具有重要的影响，结晶器收缩曲线决定了铸锭的厚差及铣面量的多少，较差的铸锭表面质量，需要较大的铣削量才能满足后续热变形的加工要求。

1、结晶器设计前基础数据的收集

    结晶器在开始设计前应和使用方进行详实的技术交流，了解清楚使用方铸造机形式，例如：内导式铸造机、外导式铸造机、钢丝绳铸造机以及铸造机的吨位，铸造（或控流）模式，常用的铸造铝合金牌号，期望的铸造速度。选定适合的合金系列、合金牌号和铸造速度来作为结晶器的设计基准。

2、结晶器材料的选择

    选择结晶器的材质应该具有良好的导热性，这是因为良好的导热性可以提高结晶器与溶体的热交换能力，防止结晶器工作表面被烧损、融化，提高铸锭的一次冷却强度，缩短表面结晶区的高度，减少偏析瘤尺寸，提高铸造速度。结晶器应具有足够的强度和刚度，确保结晶区在较高温度和压力下不变形，确保生产的铸锭不扭曲变形。同时还应该具有良好的耐磨性,可以防止表面粗糙的铸锭将结晶器表面和人工打磨把结晶器工作面磨损，降低使用寿命。

    通过以上分许我们可以选择锻件紫铜T2或铝合金锻件6061T652、轧制预拉伸板6061T651等材料作为我们的结晶器本体材料的选择，同时，还要选择相对较低的成本。

3、结晶器收缩曲线的确定

结晶器的收缩曲线是决定铸锭尺寸是否满足平直美观要求，是否达到名义设计尺寸要求的重要参数。由于结晶器的所有型腔尺寸都是在铸锭生产前就已经加工完成，在使用过程中无法对结晶器尺寸进行调整，因此，收缩曲线的设计尺寸决定了结晶器设计的成败。当然，好的结晶器还必须配备好的铸造工艺，包括溶体铸造温度、铸造水流量大小、铸造速度等，才能有好的铸锭。

结晶器内腔尺寸=铸锭实际尺寸+收缩尺寸。无论什么类型的结晶器，在结晶器的中部都是呈向外凸的弧形，这是因为铸锭宽面中部的收缩较大。通常，在设计中铸锭横截面宽度中心厚度方向上的收缩率a1取5%～8.1%，在横截面上两端沿厚度方向上的收缩率a2取2%～2.5%，在横截面沿宽度方向上的收缩率a3取1.7%～2%。在设计中a1、a2、a3的取值应结合铸锭的实际厚度B，铸锭的实际宽度L，铸造的合金系或合金牌号，期望的铸造速度V、以及结晶器本体材质等来选取。当结晶器本体材质、铸造合金、铸造速度等确定后，a1的取值与实际厚度B和铸造速度V成正比关系，而a2、a3的取值应参照铝合金系的物理性能进行。

则下图中L’=L+L×a3 ；B1=B+B×a1；B2=B+B×a2；在实际设计中我们应该把结晶器的型腔曲线设计成由直线和弧线组成样条曲线，而不能简单的设计成大圆弧或斜线。只有设计成直线和弧线组成样条曲线我们才能很好的控制铸锭上各点的平直度，以此满足客户的需求。

L’为结晶器内腔长度         B1为结晶器中心厚度尺寸

B2为结晶器两端宽度尺寸

图一

4、结晶器工作面和冷却水腔的设计

   结晶器冷却水腔的设计方式有单腔单排水，单腔双排水和双腔双排水几种结构。当选择单腔单排水时，结晶器出水孔角度应选择在20°～28°之间，孔间距从结晶器远端B2尺寸位置到中心点B1尺寸位置由12mm逐渐渐变成7mm，水孔直径一般选择3-6mm，其中B2尺寸位置附近选择较小的出水孔，结晶器中心点B1尺寸位置附近选择较大的出水孔。适合2、7系合金的铸造。

单腔双排水结晶器在水腔的底部设计有两排冷却水孔，两排冷却水出水孔角度不一样，其中第一排采用20°—25°左右的出水孔角度，孔径2.5-4mm，第二排采用38°—45°左右的出水孔角度，孔径3-5mm，两排水的孔间距一致，均为8至16mm左右，两排水呈交错设计，具有冷却更均匀，出水比较柔软的特性，适合各系软合金铸造需要。      

双腔双排水结晶器本体设有上下两个独立水腔，即上水腔和下水腔，上水腔开有独立的进水口，下水腔由气动水阀控制进水口，上水腔内设计有与挡水板相当结构的进水小孔，进水小孔直径一般设计成2-5mm，下水腔内也设计有与挡水板相当结构的进水小孔，进水小孔直径一般设计成2-5mm。在上水腔的底部设一排喷水孔，上水腔喷水孔的角度范围在20°〜28°，孔径3-6mm；在下水腔的底部也设一排喷水孔，下水腔喷水孔角度范围在38〜50°，孔径3-6mm，上水腔喷水孔的角度和下水腔喷水孔的角度呈交错设计。通常，所有进水孔的面积要比出水孔面积小5%—10%左右，以此来降低结晶器喷水压力，减少铸锭的裂纹倾向。

不同牌号的铝合金铸造工艺不同，在铸造开始阶段，对于比较容易开裂的硬铝合金，如2xxx和7xxx，可选择只打开上水腔，减小铸锭的二次冷却强度，在铸锭进入稳定阶段后再打开下水腔，实现两个水腔供水。 而对于铸造性能较佳的铝合金，如lxxx和3xxx，则可以在铸造的开始阶段即打开两个水腔，实现两个水腔的同时供水。与传统的单腔单排水结晶器相比，当两个水腔同时供水时，下水腔冷却水冲击到铸锭表面形成的喷溅（反射喷溅）可以大部分被上水腔的冷却水消除，铸锭的二次冷却效果明显增强。在二次冷却强度增强的前提下，铸锭液穴的形貌更加平滑，可以保证结晶器内即使具有较低的熔体液面也不发生拉漏现象。适合铸造开头对水敏感性较强的硬质合金的铸造需要。

结晶器工作面根据铸造合金的不同，设计成不同的斜度，通常1xxx，3xxx，6xxx，8xxx合金可设计成0°工作面，5xxx，2xxx，7xxx合金可设计成0.5°工作面，以此降低铸锭与结晶器之间的摩擦力；在一次冷却壁厚的设计中，通常软合金采用较薄的冷却壁；硬质合金采用较厚的冷却壁，以此降低一次冷却强度。

5、结晶器储油槽及出油孔的设计

   结晶器储油槽的设计是关系整个结晶器出油均匀性是否一致的关键。为保证出油的均匀性结晶器使用两端供油，进入主油槽，主油槽沿结晶器型腔一周开槽，在主油槽内部开有一圈副油槽，主油槽与副油槽之间每隔500左右开有分油槽，保证润滑油从主油槽进入副油槽的均匀性。在副油槽沿工作面一周上，每隔20mm左右钻有一个约1mm左右的出油毛细孔，润滑油在压力作用下均匀渗出。

   结论：

1、在结晶器的设计中，设计基础数据的收集包含有期望的铸造速度、铸造合金以及现场水质情况。

2、根据设计基础数据，确定结晶器材料的选择和结晶器型腔收缩曲线设计，收缩曲线由N段不同角度的直线或曲线组成的样条曲线，不能简单的设计成大圆弧或一根斜线。

3、确定结晶器的结构类型，采用单腔单排水，单腔双排水或双腔双排水结构，同时确定水孔的间距和大小。通常，进水孔的总面积要比出水孔总面积小5%—10%左右，以此来降低结晶器喷水压力，减少铸锭的裂纹倾向。

4、结晶器工作面冷却壁厚度一般选用15-30mm，工作面设计成具有一定拔模斜度的面，通常，拔模斜度小于1°斜面。

参考文献

1、肖亚庆、谢水生、刘静安等，铝加工技术实用手册，冶金工业出版社。

2、张珺玲、腾志贵、曹玉锋等，2124铝合金255mm×1500mm铸锭专用铸造工具的设计，轻合金加工技术，2009，Vol.37，No8。

3、李海仙、腾志贵、殷云霞等，可调结晶器的设计及工艺研究，有色设备，2016第5期。

4、腾志贵、黄岩超、张维林、刘晓辉等，一种新规格结晶器的设计研究，有色设备，2013年第3期。

作者简介：赵朝杰  1986年9月  男  云南墨江  大学本科   机械工程师   从事铝合金铸造工装方面的设计工作。