分析了铜结晶轮及铸造机钢带的失效原因和形式，采取了延长使用寿命的措施，使单根铸机钢带铝合金通过量由150t/根提升至600t/根，单个铜结晶轮铝合金通过量由1万t/只提升至2万t/只。关键词：轮带式铸机；成型铜结晶轮；铸机钢带；过铝量中图分类号：TG29 文献标识码：A 文章编号：1006-0308（2020）04-0143-05AnalysisandControlofDieFailureofAluminumAlloyCastingMoldingforTyreCastingSUNHai-yan1,ZANGYong-wei1,ZHAORui-min1,ZOUXue-tong1,YUANFeng1,JIPeng-hui1,DENGChun-ming2(1.YunnanAluminumYongxinAluminumIndustryCo.,Ltd.,Jianshui,Yunnan654300,China;2.GuangdongInstituteofNewMaterials,Guangdong,Guangzhou510000,China)ABSTRACT：Thereasonandformofsteelbeltfailureofcoppercrystallizingwheelandcastingmachine,theservicelifelengthenmeasureisadopted,thealuminumalloythroughputofsinglecastingmachinesteelbeltisincreasedfrom150t/steelbeltto600t/steelbelt,thealuminumalloythroughputofsinglecoppercrystallizingwheelisincreasedfrom10000t/wheelto20000t/wheel.KEYWORDS：tyrecasting;formingcoppercrystallizingwheel;castersteelbelt;aluminumthroughputAug.2020Vol.49.No.4（Sum283）2020年8月第49卷第4期（总第283期）云南冶金YUNNANMETALLURGY*收稿日期：2020-04-30作者简介：孙海艳（1987-），女，云南宣威人，金属压力加工工程师，主要从事铝加工生产技术工作。通讯作者：臧永伟 (1986-)，男，云南昭通人，机械工程师，主要从事机电一体化技术工作，E-mail：yxjsb2011@163.com。轮带铸造铝合金生产线主要由熔炼炉、静置炉、轮带式铸机及堆垛系统组成。轮带式铸机浇铸成型系统是整条生产线的核心组成部分，其中成型铜结晶轮和铸机钢带是成型部件，高温合金液进入腔体后，经过铜结晶轮和钢带的导热，合金液产生相变而凝固成型。经过生产实践，铸机钢带合金液通过量在（150~300） t/根，铜结晶轮合金液通过量在（1~1.5）万t/只，因此探索延长铜结晶轮及铸机钢带寿命，增加铸机钢带与铜结晶轮单位合金液通过量，对于提高设备运行率，降低生产成本十分必要。1 铸造机主要结构工艺轮带铸造机成型系统主要由铜结晶轮、五辊导轮、冷却水系统、铸机钢带等几部分组成，其中铸机钢带作为成型系统重要部件，连接在铜结晶轮和五辊导轮上，在五辊轮组的辅助下压紧轮和张紧轮定位钢带，使铸机钢带包裹铜结晶轮形成结晶腔，如图1所示。铸造铝合金液控流后平稳由小浇包流至结晶腔内，并在结晶腔内同铜结晶轮一同转动，在冷却水系统的间接冷却作用下凝固成型，成型后的铸胚脱离铜结晶轮转到下道工序。143Aug.2020Vol.49.No.4（Sum283）2020年8月第49卷第4期（总第283期）云南冶金YUNNANMETALLURGY浇铸系统主要部件尺寸如表1所示。2 成型部件工况分析2.1 铸机钢带工况分析由于铸机钢带在各轮组的辅助下与铜结晶轮配合形成结晶腔，并通过外部喷淋冷却水的方式冷却，最终得到铸造铝合金胚体。因此在轮带式铸机的生产过程中，为了能紧密的与铜结晶轮配合形成结晶腔，铸机钢带在使用过程中将受到来自五辊导轮组的拉力、剪切力、摩擦力，以及与铜结晶轮间的摩擦力及部分压应力；同时在连续生产的过程中，铸造机钢带还将承担大量导热，承受由高温铝液及冷却水带来的周期性热疲劳冲击，从而产生较大的热应力；复杂的工况直接缩短了铸造机钢带的使用寿命。在轮带式铸造铝合金生产线投产初期，单根铸机钢带过铝量仅能达到150t/根。2.2 铜结晶轮工况分析铜结晶轮在使用过程中，受到来自铸机钢带及压紧轮的压力，产生的压应力均匀分布在半圆结晶段上[1]；胚体脱离铜结晶轮的同时，还将给予铜结晶轮内腔一定的摩擦力及剪切力；在胚体冷却的过程中，铜结晶轮将承受高温铝液及冷却水带来的周期性热疲劳冲击所产生的热应力。轮带式铸造铝合金生产线投产初期，单个铜结晶轮过铝量仅能达到1万t。3 失效形式分析基于以往铜结晶轮及铸机钢带使用情况统计发现，复杂的工况导致其失效形式多种多样。单一失效形式可能对应一个或多个影响因素。从日常使用维护方式方面，对失效形式及原因进行分析。3.1 铸造机钢带失效形式及原因分析在实际生产过程中，铸机钢带失效主要有三种形式，即：铸造机钢带开裂、过度腐蚀、严重变形，如图2所示。影响铸机钢带失效的影响因素有很多，如：生产工艺、生产组织、设备调整、自身材质、操作方法等多个方面[2]，基于以往生产经验，设备调整及生产工艺直接影响着铸机钢带的使用寿命。2019年轮带合金1#线1~6月份的铸机钢带失效形式进行统计，其结果如表2所示。由表2数据可知，钢带开裂导致铸机钢带失效的数量最多，占钢带失效总数的82.1%；严重变形占钢带失效总数的10.4%；过度腐蚀占钢带失效失效分类 失效数量 百分占比合计 67 100钢带开裂 55 82.1严重变形 7 10.4过度腐蚀 3 4.5其他 2 31.压紧轮；2.上导轮；3.下导轮1；4. 下导轮2；5.张紧轮图1 浇铸系统各辅助轮示意图Fig.1 Theschematicdiagramofeachtrainingwheelincastingsystem表1 浇铸系统各部件尺寸Tab.1 Eachpartdimensionincastingsystem mm部件 尺寸张紧轮 准960*240*220铸机钢带宽度 173/180铸机钢带厚度 2铜结晶轮 准3100*104*85*55压紧轮 准520*240*220上、下导轮 准960*240*220铸机钢带开裂 严重变形 过度腐蚀图2 常见铸机钢带失效形式Fig.2 Thefailureformofcommoncastingmachinesteelbelt表2 铸机钢带失效形式统计表Fig.2 Thestatisticaltableforfailureformofcommoncastingmachinesteelbelt %144总数的4.5%。导致铸机钢带失效的主要原因即为钢带开裂。继续统计2019年1~6月份铸机钢带开裂的部位，如图3所示，其结果如表3。由表3可知，有44根开裂方式为边缘撕裂，8根为中部裂纹，3根为焊缝裂纹，铸机钢带开裂失效的部位主要集中在铸机钢带边缘。铸机钢带失效的主要原因有以下几点：1）铸机钢带在工作过程中所受的张力较大且不均匀；2）在极热急冷工况下频繁承受热疲劳冲击，从而产生较大的热应力，若工作过程中，部分冷却水嘴堵塞，导致冷却不均，将会增加热应力的产生，是导致钢带中部裂纹萌生与扩展的主要原因；3）在轮带式铸机运行过程中，因五辊导轮组与铜结晶轮间相对位置调整不当，铸机钢带在运行过程中跑偏，直接导致铸机钢带受力不均，其边缘与五辊轮组凸槽边缘剐蹭，剐蹭产生的细小缺口处出现应力集中，随后出现裂纹的萌生与扩展现象，导致铸机钢带边缘撕裂；4）铸机钢带在与五辊轮组接触部位弯折，在运行过程中产生弯曲疲劳应力，加速钢带中部裂纹的萌生与扩展；5）五辊轮组长久使用磨损及变形，导致铸机钢带变形；6）压紧轮与铜结晶轮间隙调整不合理，过小则铜结晶轮与压紧轮间形成的挤压力过大导致钢带变形，过大铸机钢带与铜结晶轮无法形成密闭的结晶腔，出现铝液喷溅，带来一定的安全隐患；7）清洗铜结晶轮时，部分酸性除垢剂淋到铸机钢带表面，未及时清除，钢带受腐蚀，导致其失效；8）铸机钢带本身质量缺陷，包括成分配比影响材质、钢带接头焊接工艺等。3.2 铜结晶轮失效形式及原因分析结合生产实际，铜结晶轮使用过程中其失效方式主要有三种，即底部开裂、外缘变形、机械损伤。导致铜结晶轮失效的因素主要有日常维护保养不当、装配不当、使用方式不合理等几点。统计工装管理记录，结果见表4。由表4数据可知，铜结晶轮失效形式主要是底部开裂，如图4所示，其占比达到69%，外缘变形及机械损伤占比分别为21%和10%。边缘撕裂 中部裂纹 焊缝裂纹图3 铸机钢带开裂部位示意图Fig.3 Theschematicdiagramofcrackingpartofcastingmachinesteelbelt表3 铸机钢带开裂部位统计Tab.3 Thestatisticsofcrackingpartofcastingmachinesteelbelt裂纹分类 失效数量/根 百分占比/%合计 55 100边缘撕裂 44 80中部裂纹 8 14.5焊缝裂纹 3 5.5表4 铜结晶轮失效数量统计Tab.4 Thequantitystatisticsofcoppercrystallizingwheelfailure失效形式 失效数量/个 百分占比%总计 29 100底部开裂 20 69外缘变形 6 21机械损伤 3 10图4 铜结晶轮底部开裂示意图Fig.4 Theschematicdiagramofbottomcrackingofcoppercrystallizingwheel孙海艳，等 轮带铸造铝合金成型用模具失效分析及控制145Aug.2020Vol.49.No.4（Sum283）2020年8月第49卷第4期（总第283期）云南冶金YUNNANMETALLURGY铜结晶轮失效的主要原因有以下几点：1）工作过程中所受热冲击次数过于频繁。在实际生产中，合金液浇铸温度控制范围为（630~680）益，铜结晶轮与铝液接触后，其温度将在极短的时间内升至600 益以上，在随后冷却水的作用下，内热外冷，外壁迅速降温至100 益以下。待铝合金胚体脱离结晶腔体后，铜结晶轮在冷却水的冷却下降至100 益以内。铜结晶轮每负载转动一周就需承受一次温度的急速变化。铜结晶轮在升温和降温的循环过程中，发生热胀冷缩，铜结晶轮就会出现热应变，产生热应力，随着循环次数的增加，热应力的循环次数也相应增加，从而出现热疲劳损伤。金属零件热疲劳损伤最直接的体现方式为热疲劳裂纹的萌生与扩展，当金属零件内部的热疲劳裂纹萌生与扩展积累到一定程度时，其整体就会断裂并失效。对于铜结晶轮来说，与铝液接触的内腔表面所受的热疲劳损伤最为直接，因此通常情况下，裂纹的萌生总是从铜结晶轮内腔表面开始的，其底部表面最为明显，当热疲劳裂纹扩展至一定程度时，将击穿铜结晶轮底部，若铜结晶轮在使用过程中未及时清理水垢，将直接导致其冷却不均，增加其所受热应力，加速热疲劳裂纹的萌生与扩展；2）铸造铝合金胚体成型后，需从铜结晶轮内脱出，在此过程中，铜结晶轮内腔将受到一定的摩擦力及胚体冷却收缩对铜结晶轮圆周向表面上施加的均匀剪切力，铜结晶轮每转动一圈就经受一次应力循环，当应力积累到其疲劳极限后[3]，将导致裂纹的萌生与扩展；3）铜结晶轮在工作过程中，须与钢带紧密结合形成结晶腔，因此在其工作的整个过程中都将受到来自钢带与压紧轮的压应力，若此时压紧轮与张紧轮气缸压力较大，则来自钢带与压紧轮的压应力随之变大，高温长时间的压力下将导致铜结晶轮变形，其主要体现为铜结晶轮外缘变形；4）铜结晶轮在使用的过程中，与冷却水嘴、起胚器、压缩气管等装置间隙较小，若装配不当或胚体脱模前断裂脱离正常轨道，在铜结晶轮工作中极易与其剐蹭，造成机械损伤。4 铜结晶轮/铸机钢带使用寿命延长措施4.1 铸机钢带寿命延长措施根据对铸机钢带的失效分析可知，其失效形式为钢带开裂、严重变形及过度腐蚀，钢带开裂主要产生的部位为边缘撕裂；导致其失效的主要原因为所受张力过大、钢带跑偏及极热急冷带来的热冲击等，在实际生产中，可采取如下措施延长铸机钢带寿命。1）降低钢带跑偏次数铸机钢带跑偏是因为五辊导轮组与铜结晶轮相对位置调整不合理所导致，而五辊导轮组与铜结晶轮理想的相对位置即其圆周中心线在同一平面内，而铸机可通过调整五辊导轮组轴端的定位螺杆进行位置调整。在停机状态下，拆除铸造机钢带对铜结晶轮位置进行调整，基于铜结晶轮位置，以激光水平仪为辅助，依次调节压紧轮、上导轮、下导轮1、下导轮2及张紧轮，然后装上铸机钢带，运行铸机观察钢带实际跑偏情况，并针对实际情况进行调节，经过多次调节后钢带跑偏次数可降低至0.5次/d；调整钢带所受张力：轮带式铸机投产以来，张紧轮气缸气压均保持在0.6MPa，为探索出最优气压值，在钢带用量相同的情况下，使用同一牌号，同一生产线进行了试验，具体如表5所示。最终确定，张紧轮气缸压力值调整为0.4MPa。2）确保铸机钢带受力均匀开机前，确保冷却系统各水嘴无堵塞，五辊导轮组表面无杂物、轴及轴承运行正常，试水完毕后方可开机进行生产；规范浇铸操作，减少合金产品飞边的产生。4.2 铜结晶轮寿命延长措施根据对铜结晶轮失效的形式分析可知，其失效形式主要有：底部开裂、外缘变形及机械损伤，其主要原因是在铜结晶轮的使用过程中所受循环热冲击频繁，产生的热应力过大、所受压应力较大、易与辅助设备剐蹭，在实际生产中，可采取表5 张紧轮气缸气压试验数据统计表Tab.5 Thestatisticsoftestdataoftensioningwheel’scylinderpressure生产线张紧轮气缸气压/MPa铸造机钢带用量/根试验周期/d产量/t单根钢带过铝量/（t/根）轮带1#线 0.5 7 21 2856 408轮带1#线 0.3 气压过小，试验初期飞边严重，停止该气压值的实验轮带1#线 0.4 7 25 3157 451146分挖掘利用[1]。可以从经济、理论、实践和技术等角度来认识大数据驱动智能制造发展的动因，并从协同化、社会化、主动化、融合化、智慧化等方面分析大数据背景下智能制造的特征。为了实现《中国制造2025》提出的制造业转型升级战略目标，我国应采取积极实施制造大数据战略、加强对制造大数据的管理、广泛开展制造大数据服务、注重培养大数据科学家、不断推动大数据实践创新等措施促进大数据在制造领域的应用。参考文献：[1] 肖静华，毛蕴诗，谢康，等. 基于互联网及大数据的智能制造体系与中国制造企业转型升级[J]. 产业经济评论，2016（3）：5-16.[2] 刘强，丁德宇，符刚，等. 智能制造之路[M]. 北京：机械工业出版社，2018.[3] 姚锡凡，周佳军，张存吉，等. 主动制造———大数据驱动的新兴制造范式[J]. 计算机集成制造系统，2017（1）：172-185.[4] 许旭，姚磊，鲁金萍. 新一轮产业变革背景下我国制造企业数字转型问题及策略[J]. 中国经贸导刊，2019（4）：31-33.[5] 张勇进，王景璇. 主要发达国家大数据政策比较研究[J]. 中国行政管理，2014（12）：113-117.[6] 李杰，倪军，王安正，等. 从大数据到智能制造[M]. 上海：上海交通大学出版社，2016.[7] 刘强. 探索智能制造发展之路[J]. 数字印刷，2019（1）：16-25，105.[8] 张映锋，张党，任杉. 智能制造及其关键技术研究现状与趋势综述[J]. 机械科学技术，2019（3）：329-338.[9] 连玉明.重新定义大数据[M].北京：机械工业出版社，2017.[10] 张礼立. 工业制造中的大数据分析[J]. 中国工业评论，2017（1）：12-17.如下措施延长铜结晶轮寿命：1）在使用工况下，稳定浇铸温度，冷却强度，减少热疲劳强度；2）每次停机后用酸性除垢剂清洗铜结晶轮外圈水垢，保证其工作过程中散热均匀；3）根据铸造机钢带厚度将压紧轮与铜结晶轮间隙调整为3.0mm；4）出现胚体不脱模的情况及时使用角磨机、砂纸进行铜结晶轮内腔修整；5）持续关注铜结晶轮材质及工艺。5 结 语通过本次轮带式铸机钢带、铜结晶轮失效形式分析及控制措施的初探索可得出以下几点结论：1）铸机钢带失效的主要原因是铸机钢带所受张力过大且不均匀、钢带跑偏其边缘与五辊导轮组发生剐蹭导致应力集中所致。因此通过调整钢带张力和导轮中心线，降低钢带跑偏次数，保持钢带受力均匀提高钢带使用寿命；2）铜结晶轮主要失效形式为结晶腔底部的热疲劳裂纹的萌生与扩展；导致其失效的主要原因是铜结晶轮在工作的过程中受到循环的热冲击，产生较大的热应力导致热疲劳裂纹的萌生与扩展；因此强化结晶轮的日常维护，减少裂纹发生和扩展，延长铜结晶轮使用寿命；3）通过正确的使用与维护保养，可延长铸机钢带、铜结晶轮的失效时间，减少因铸机钢带开裂、跑偏等造成的产品质量不合格，减少因更换铸机钢带及结晶轮频次所产生的开停机工艺废料，提高产品质量。结合生产实际对铜结晶轮、铸机钢带进行了失效形式和原因分析，制定控制措施实施后，单根铸机钢带铝合金通过量由原来150t/根提升至600t/根，单个铜结晶轮铝合金通过量由1万t/只提升至2万t/只。参考文献：[1] 洪尧，孙淑红. 轮带式铸造机失效原因及改进措施[J]. 轻合金加工技术，2014，42（5）：17-20.[2] 汪兴. 延长SCR生产线铸造机钢带使用寿命的工艺措施[J].有色金属加工，2006，35（5）：27-28.[3] 山泉. 碳化钨颗粒/钢基表层复合材料热疲劳行为研究[D].昆明：昆明理工大学，2013.[4] 韩增祥. 金属热疲劳试验方法的探索[J]. 理化检验-物理分册，2008，44（5）：250-254.（上接第142页）孙海艳，等 轮带铸造铝合金成型用模具失效分析及控制147
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