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1、铝合金半连续铸造机冷却水量探讨冯安朝 【摘要】本文针对铝合金半连续铸造机冷却水量，从铸造机结晶器冷却供水的工作原理、理论计算、实例分析入手，探讨如何做到冷却水量既合理又节约。【期刊名称】有色金属加工 【年(卷)，期】2011(040)004 【总页数】3 【关键词】半连续铸造；结晶器；冷却水；节能 目前，随着铝加工项目的大量上马，国内新上铝合金半连续铸造机的台数及类 型也越来越多，从国产到进口，从小吨位到大吨位，其自动化控制程度越来越 高，然而，设备厂家、工程设计及用户对铸造机结晶器冷却水量的关注较少， 造成设备方所提条件越来越保守，冷却水的水量及进出水的温升也无端被提高， 似乎有一种越大越好
2、”的感觉。同时，在铸造生产时不能按需供水，造成大马拉小车”现象。例如，在某项目中，设备方将结晶器进出水的温差提高 到40 50C，使出水温度达到70 80C，比常规结晶器出水温度(45 60C) 高很多，且供水量并未减少，从而造成供回水泵、冷却塔等设备及循环水系统 等都要采取特殊措施来应对，造成系统复杂、浪费大、不节能。另外，受高温 影响，既不利于循环水系统的除油，也会造成管道及设备结垢倾向增大。鉴于 此，本文从铸造机结晶器冷却水的工作原理、理论计算、实例分析入手，探讨 如何做到冷却水量既合理又节约。1铸造机结晶器冷却供水的工作原理铝合金半连续铸造技术是当前铸锭的主要生产技术，其发展趋势是改善
3、铸锭质 量，提高生产效率，降低生产成本。该铸造技术分为普通模(直冷)铸造、电磁 铸造、热顶铸造。热顶铸造又分为普通热顶铸造、同水平热顶铸造、气体加压 热顶铸造、气滑(垫)热顶铸造。铝合金铸造的结晶器起成型作用。铸锭主要靠结晶器冷却。该冷却的热交换过 程分为三个阶段，首先是铝液浇入结晶器，与冷的器壁接触，形成一次冷却。 热量通过器壁传导给水并迅速致冷，使铝液凝固形成带硬壳的铸锭，此时带走 约10%15%热量，铸锭径向轻微收缩，在铸锭与器壁间形成气隙。由于气隙 中空气的导热率大大小于铝，热交换很快下降到最低。二次冷却是在已凝固的 铸锭与喷水之间进行，能带走约70% 80%热量。铸锭在水池中冷却为第
4、三次 冷却，带走热量不多，对铸锭的结晶效果影响不大【1】。其铸造原理图如图1。 2铸造机结晶器冷却供水量的理论计算铸造机结晶器供水量大小与铸造速度、铝液流量、铸锭的形状、大小、个数、 铸锭的合金成分、铸锭质量、结晶器的类型、供回水温差、排走铸井水蒸气的 量等条件相关，影响因素较多，其主要影响因素为水和铝锭的直接热交换。为 研究方便起见，按其主要影响因素考虑，在连续铸造条件下，其冷却水量可按(1) 式【2】估算：式中：W一单位重量金属的耗水量，m3/t ；C1金属在(t3 t2)温度区间的平均比热容，J/kg VC;C2金属在(t2t1)温度区间的平均比热容，J/kg -C;t1金属最终冷却温度
5、，C;t2金属熔点，C;t3进入结晶器的液体金属温度，C;t4一结晶器进水温度，。C;t5二次冷却水最终温度，C;c水的比热容，J/kg .C;L一金属的熔化潜热，J/kg .C。3实例计算及分析下面以含量99.99%的纯铝为例进行计算，式(1)中各参数取值如下：t1分别取 60C、100C、300C、400C、600C, t2 取 660C, t3 取 690C, t4 取 32C, t5取60C, C1取1178 J/KgC【3】,C2取t1及t2比热容的算术平 均值(此处本为函数关系，为简化计算)。固态纯铝在不同温度下的比热容见表1【3】。单位重量金属耗水量(W)的计算结果见表2。由以上
6、计算结果可以看出：1) 当进出结晶器的循环冷却水温差为28C(60-32C),纯铝温差630C(从690C 冷却至60C)时，每吨纯铝的最大小时计算耗水量为10.12 m3，其中未考虑水 变成水蒸汽的汽化吸热、伴随水蒸气的冷空气带走的热量以及水与铝锭的换热 效率(结晶器喷水效果好坏)等影响。2) 若为铝合金，因工艺需要，即使铝合金最初和最终冷却温差为50C时，考 虑熔化潜热在内，该温差对应热量占总热量的比例约5%，对结果无大影响。 另外，铝合金的比热容约在 0.87 -1.13k J/Kg-C之间，比纯铝平均比热容 1.26k J/Kg-C小1030%左右，这样，在循环冷却水温差为28C(60
7、-32C)时， 每吨铝合金的最大小时计算耗水量约为69 m3。3) 铝锭最终冷却温度(t1)变小，单位金属耗水量(W)亦等比例变大；铝液汽化潜 热耗水量为 398/(4.2x28) = 3.38 m3/t，约占总耗水量(10.12 m3/t)的 1/3。4）实际设计工作中，还应结合结晶器的耗水量的实测数据来确定结晶器的实际 耗水量，并根据现场实际情况进行调整。连续铸造时，结晶器实际耗水量也可 按（2）式估算：（2）式中，W为耗水量，m3/s ；u为流量系数，按试验确定，通常取0.6 ；F为出水孔口总面积，m2；g为重力加速度，m/s2 ；H为结晶器入口处水压，kPa ；5）用上述计算结果和几台
8、正在运行铸造机的实际耗水量相比，最大小时计算耗 水量和工厂铸造过程中的实际耗水量基本相当。举例1，某6063合金圆锭铸 造机：圆锭尺寸165mm，数量24根，最大铸造长度6500mm，铸造速度 140mm/min，铝液流量26.2t/h，温差28C时，工厂实际冷却水量约252 m3/h，折合每吨铝耗冷却水量为9.61 m3。举例2,某5系扁锭铸造机：扁锭 尺寸650x165x5000mm，数量3根，最大铸造长度5000mm，铸造速度 65mm/min，铝液流量33.87t/h，温差27C时，工厂实际冷却水量约209 m3/h，折合每吨铝耗冷却水量为6.17 m3。4结论通过以上探讨可以知道，在
9、铸造机订货时，用户应要求设备方提供结晶器耗水 量的计算书。用户可采用上述计算方法，根据铸造机的铸造参数、铸锭的产品 方案，计算出铝液的流量及对应进出水温差下的每吨铝液的理论最大耗水量， 参考该结果并结合设备厂家提供的水量及进出水温差，提出工程设计条件较为 合理。对超出计算耗水量或进出水温差较多的情况，要求设备厂家给出具体说明或实测数据。同时，2 兰利亚，李耀群，杨海云.铜及铜合金精密带材生产技术M.北京:冶金工业 出版社,2009.10.3 宋宝韫，樊志新.连续挤压技术在我国的发展及应用C. 2007年中国铜加工 技术与应用论坛.北京：中国有色金属加工工业协会，2007 : 182 -190.
