本文關鍵詞：低液位鑄造技術在鋁合金扁錠生產(chǎn)中的應用，由筆耕文化傳播整理發(fā)布。

2007 , Vol . 35 , № 1

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低液位鑄造技術在鋁合金扁錠生產(chǎn)中的應用
孫繼陶 ,楊懷軍 ,蔡有萍
( 中國鋁業(yè)青海分公司 ,青海 西寧 810108)
摘要 : 介紹低液位鑄造技術的核心

,石墨內(nèi)襯對鑄造的扁錠提供了理想的表面 ,鑄造出的扁錠表面平滑無偏析瘤 ,偏 析深度僅 200 μ ～500 μ ,鑄錠殼區(qū)厚約 1 mm ,可減少銑面量 50 % ,兩大面只需銑削 2 mm～4 mm ,減少熱軋切邊量 m m
17 % ,大大提高了扁錠的成材率 。

關鍵詞 : 結(jié)晶器 ; 石墨環(huán) ; 低液位 ; 雙水道 ; 液穴 ; 微分激光傳感器 ; 鑄造速度 ; 液位高度 中圖分類號 :TG229 　　 文獻標識碼 :A 　　 文章編號 :1007 - 7235 (2007) 01 - 0025 - 06

Lo w head composite casting for ingot casting system
SUN Ji2tao , Y ANG Huai2jun ,CAI Y 2ping ou

( Qinghai Branch of CHALCO , Xining 810108 , China)

Abstract : This paper tells us the main point of LHC. The graphite liner supplied a smooth surface , the surface crack depth is only 200 μ - 500 μ ,the rime depth is 1 mm ,reduced 50 % mill work ,reduce 17 % roll edge work ,only need to mill 2 mm - 4 mm , m m greatly improved finished product rate. level Key words : mold ; graphite liner ; low head composite ; double waterway ; metal hole differential laser sensor ; casting speed ; metal

　　 使用傳統(tǒng)的結(jié)晶器 ( 結(jié)晶器高度 200 mm) 生產(chǎn)鋁 合金扁錠 ,由于結(jié)晶器內(nèi)液位較高 ,冷卻水水套和結(jié) 晶器不是一個整體 ,冷卻凝固時間長 ,冷卻水流量控 制難 ,生產(chǎn)的鑄錠常發(fā)生彎曲變形 、 裂紋 、 成分偏析 、 夾雜 、 、 氣泡 疏松等缺陷 ,鑄件表面不光滑 ,表面偏析 瘤較厚 。銑削面大約每端面 12 mm ,扁錠成品率只有 60 % 。我公 司 采 用 先 進 的 低 液 位 鑄 造 技 術 和 設 [1 ] 備 ,克服了以上弊端 , 大大提高了扁鑄錠的質(zhì)量和 成品率 。

1　 低液位鑄造技術
1. 1 　 低液位鑄造( LHC)

低液位鑄造是使用組合結(jié)晶器 , 控制結(jié)晶器內(nèi) 熔融金屬液位達到理想的液位高度 。在開始鑄造 后 ,結(jié)晶器內(nèi)的液面高度會逐漸降低 ,當鑄錠達到一 定長度后結(jié)晶器內(nèi)液位會保持在最低液面不變而完 成鑄造全過程 。不同的合金有不同的液位高度 , 一

般最低液位在 35 mm ～ 71 mm 范圍內(nèi) 。2 × × ×、 3 ××× 合金其最低液位可以達到 35 mm ;1 ×××、 4 ×××、 ×××合金液位較高 , 在 64 mm～ 71 mm 8 之間 。 低液位組合結(jié)晶器的結(jié)晶器和水套設計為一 體 。冷卻系統(tǒng)采用雙水道 ,在熔融金屬開始填充時 , 使用一級水道 , 低水流量冷卻 ; 當填充結(jié)束 , 正常鑄 造開始 ,液壓缸下降 , 第二級水道打開 , 冷卻水流量 會逐漸提高到正常冷卻水流量 。自動化系統(tǒng)會按照 程序控制金屬液位和冷卻水流量 。 1. 2 　 低液位鑄造中的液穴及熱量傳遞 液位高度對鑄錠的結(jié)晶特點和液穴形狀有影 響 ,因而對鑄錠的應力分布和裂紋傾向有影響 。液 位較低 ,鑄錠在結(jié)晶器內(nèi)停留的時間較短 ,對減輕二 次加熱程度 、 防止淬火性表面裂紋是有利的 。液位 過高 ,鑄錠在結(jié)晶器內(nèi)停留的時間較長 ,二次加熱程 度加劇 ,容易使鑄錠在脫離結(jié)晶器直接見水時 ,形成

　　 收稿日期 :2006 - 09 - 18 　　 第一作者簡介 : 孫繼陶 ( 1962 - ) ,男 ,陜西耀縣人 ,工程師 。

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淬火性表面裂紋 。 1. 3 　 傳統(tǒng)鑄造和低液位鑄造液穴高度與熱量傳遞比較 傳統(tǒng)鑄造結(jié)晶器和水套是分離的 , 水套只有一 級水眼 ,水流量是靠人工手動調(diào)節(jié)管路水壓完成 ,流 量控制不科學 。結(jié)晶器很高 , 結(jié)晶器內(nèi)液位也比低 液位鑄造的液位高 , 液穴也較深 。低液位鑄造由于 結(jié)晶器結(jié)構(gòu)的特點 , 采用逐級冷卻 , 所以不僅液位 低 ,液穴淺 ,而且熱量傳遞更加科學合理 。 傳統(tǒng)鑄造結(jié)晶器高度為 120 mm～200 mm ; 低液 位鑄造組合結(jié)晶器高度僅為 80 mm ,正常鑄造時液位 只有 40 mm 左右 ,液面到結(jié)晶器石墨環(huán)高度 10 mm～ 20 mm ,且液面波幅只有 2 mm 。見圖 1 和圖 2 。

圖3　 蒸汽屏障示意圖

隨著鑄錠表面溫度降低 , 冷卻水將開始間歇地 接觸鑄錠表面 。在這個階段熱傳導率開始增加 , 由 于熱傳導機制正在發(fā)生變化 , 這個階段被稱為過渡 狀態(tài) 。冷卻水的性質(zhì)決定了過渡點 ( 稱為臨界熱流 通量或 CHF) ,它是最大程度的熱傳導點 。 ( 3) 泡核沸騰 鑄錠表面溫度最后降到臨界點 , 在這個臨界點 冷卻水可以保持完全與鑄錠表面的接觸 。在這種情 況下 ,熱傳導率非常大 ( 是膜沸騰中傳導率的 10 ～ 100 倍) 。 蒸氣泡在鑄錠表面上形成并被冷卻水流帶走 。 泡核沸騰是基本的冷卻機制 , 通過它在鑄造運行中 實現(xiàn)快速結(jié)晶 。 ( 4) 傳導Π 對流 當鑄錠表面溫度降到更低而不能進行泡核沸騰 后 ,通過傳導和對流實現(xiàn)熱量傳遞 。這時從鑄錠到 冷卻水的熱傳導率相對低于對流的 , 鑄錠內(nèi)部的熱 量必須首先通過逐漸增厚的鑄錠殼傳導到表面 , 然 后熱量通過冷卻水的對流從鑄錠表面帶走 。見圖 4 。

圖1　 傳統(tǒng)鑄造液穴示意圖

圖2　 低液位鑄造過程液穴及熱量傳遞示意圖

1. 4 　 低液位鑄造的冷卻及凝固過程 1. 4. 1 　 從膜沸騰到泡核沸騰的冷卻機制 ( 1) 膜沸騰

膜沸騰在鑄錠的表面溫度比冷卻水的沸點高得 多的時候出現(xiàn) 。一般是發(fā)生在鑄錠從結(jié)晶器出來 時 ,冷卻水首先沖擊它的表面使冷卻水蒸發(fā) ,在鑄錠 表面形成一個連續(xù)的蒸汽膜或?qū)?。這個蒸汽屏障阻 止了冷卻水直接接觸鑄錠表面 。冷卻水和熱鑄錠之 間失去接觸 , 極大地降低了熱傳導率 。引發(fā)膜沸騰 被廣泛地用在鑄造開始的時候控制錠尾翹曲 。如圖
3 所示 。 ( 2) 臨界熱流通量 ( CHF)
圖4　 冷卻水直接冷卻鑄錠示意圖

( 5) 從膜沸騰到泡核沸騰的過程

從圖 5 所示膜沸騰到泡核沸騰的過程可以看 出 ,當鑄錠開始下降 , 首先出現(xiàn)膜沸騰 , 這時產(chǎn)生很 大的蒸汽屏障 。當鑄錠長度達到 100 mm 以后 ,錠尾


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圖6　 開始結(jié)晶時凝固狀態(tài)圖

圖5　 從膜沸騰到泡核沸騰過程示意圖

出現(xiàn)翹曲 , 翹曲隨著鑄錠長度增加而變大 。當鑄錠 長度達到 150 mm～200 mm 時 ,膜沸騰逐漸被泡核沸 騰所取代 ,長度到 200 mm 以后鑄錠完全處在泡核沸 騰之下 。 1. 4. 2 　 低液位鑄造凝固過程 低液位鑄造凝固可分為三個階段 ( 參見圖 6 和 圖 7) : 第一階段是最初的結(jié)晶器激冷 ( IMC) 區(qū) : 在這個 階段 ,隨著熔融鋁與結(jié)晶器壁接觸 ,一個固態(tài)的殼快 速形成 。由于與組合結(jié)晶器中石墨環(huán)的接觸面積小 以及石墨比鋁有較低的熱傳導率 , 所以這個 IMC 區(qū) 域很小 。 第二階段是慢激冷 ( SC) 區(qū) : 這時凝固的殼收縮 離開結(jié)晶器壁 ,極大地降低了熱傳導 ,使得凝固殼再 被加熱而部分被重熔 ( 熔析) 。但在低液位鑄造情況 下 ,慢激冷區(qū)實際上被排除 ,這就極大地減少了反偏 析層 ( 殼區(qū)) 。 第三階段是超前冷卻距離 ( ACD) : 在第三階段 , 冷卻水沖擊鑄錠的表面 , 鑄錠被快速固化并改變結(jié) 晶剖面的形狀 。ACD 就是被直接水冷卻影響的水沖 擊點以上的距離 ,在那里由于被水直接冷卻而結(jié)晶 。 在低液位組合結(jié)晶器里 ,ACD 事實上足夠消除 SC 區(qū) ( 由于低金屬液位和增強的冷卻 ) 。SC 區(qū)大量 的縮小 , 形成在 LHC 里見到的凝固殼層厚度很小 ( 通常少于 1 mm) 。

圖7　 正常鑄造時凝固狀態(tài)圖

2　 低液位組合結(jié)晶器結(jié)構(gòu)特點
低液位組合 (LHC) 結(jié)晶器本體是由一塊鋁精密 機加工制成的 。本體包括全螺紋卡盤 、 一個對水密 封、 對稱性上Π 下水腔和機加工的擋水板 ( 圖 8) 。擋 水板能很好地分配冷卻水 ,使流量均勻 。 LHC 結(jié)晶器石墨內(nèi)襯有四片石墨 , 在鑄造過程 中 ,石墨為結(jié)晶器提供一個非濕潤表面 ,石墨是多孔 的 ,可以作為鑄造潤滑油的容器 。石墨內(nèi)襯片兩面 是對稱的 ,如果一面損壞 ,可以將石墨片倒轉(zhuǎn)使用 。 頂蓋緊緊夾持石墨內(nèi)襯保持在結(jié)晶器腔內(nèi)的位 置 ,底蓋內(nèi)導端口用于空氣通道 ( 用于自動對中液壓 缸與結(jié)晶器水閥門) 。 在 LHC 結(jié)晶器中的兩個水腔各有自己的成套 噴水孔 ,隨著鑄造的進行 , 打開內(nèi)部總水閥 , 向一個 水腔供水 , 允許兩套噴水孔同時噴水 。對于鑄造不 同合金 , PLC 程序中設定不同的冷卻水量 。閥門設 有滑動式密封 , 不會有機械磨損產(chǎn)生泄漏現(xiàn)象 �？� 制系統(tǒng)可實現(xiàn)精確的可重復的閥門定位 , 可以同步 操作打開多個閥門 ,閥門通常處于打開狀態(tài) 。 結(jié)晶器入水口設有過濾網(wǎng) , 防止外來物質(zhì)破壞


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1 - 頂蓋 ;2 - 石墨 ;3 - 二級水道 ;4 - 一級水道 ; 5 - 底蓋 ;6 - 結(jié)晶器本體 ;7 - 過濾網(wǎng)

圖9　 傳統(tǒng)鑄造偏析層與低液位鑄造偏析層的比較

圖8　 結(jié)晶器斷面圖

4　 低液位鑄造技術在鋁合金大扁錠生

水的分配量 。

產(chǎn)中的應用
4. 1 　 低液位鑄造設備及平面布置

3　 低液位鑄造的實現(xiàn)及對偏析層的影響
3. 1 　 低液位鑄造的實現(xiàn)

在傳統(tǒng)的 DC 鑄造結(jié)晶器內(nèi)采用低液位鑄造的 目的 ,是要在鑄錠表面生成薄的偏析區(qū) ( 殼區(qū) ) 。它 要求利用結(jié)晶器里非常低的金屬液面來進行鑄造 , 從而獲得低液位狀態(tài) 。在傳統(tǒng)的 DC 鑄造結(jié)晶器中 , 由于直接水冷淬火的低沖擊角 , 結(jié)晶器中的超前冷 卻不足以高到在一個安全和可接受的金屬液面上生 成薄的殼層 。在這種低液位情況下 , 鋁液泄漏出現(xiàn) 之前金屬液面變化的余地非常小 , 如果沒有精確自 動的金屬液面控制 ,低液位鑄造是難實現(xiàn)的 。 采用低液位組合結(jié)晶器鑄造 , 結(jié)晶器的出口使 用了雙配置的冷卻水噴射裝置 。LHC 采用高沖擊 角 ,把冷卻水噴到鑄錠上來提高冷卻強度 ,提升了結(jié) 晶器中的超前冷卻區(qū) 。
LHC 結(jié)晶器中有較大的超前冷卻區(qū) , 使結(jié)晶器

利用低液位鑄造技術生產(chǎn)鋁及鋁合金大扁錠 , 采用 50 t 熔煉爐 、 t 傾動式保溫爐 、 50 在線精煉設備 、 爐內(nèi)精煉系統(tǒng) 、 立式內(nèi)導鑄造機 、 帶激光液位監(jiān)測流 量控制的分配流槽 、 組合結(jié)晶器 、 引錠頭以及自動化 控制系統(tǒng) , 自動化操作系統(tǒng)等 。其主要設備布置如 圖 10 所示 。 4. 2 　 低液位鑄造控制設備及技術 要實現(xiàn)低液位鑄造 , 首先要實現(xiàn)熔融金屬在結(jié) 晶器內(nèi)的液位高度控制 。在鑄造時保持很低的金屬 液位 ,從而達到低溫澆注 、 高效率冷卻 、 快速凝固 。
4. 2. 1 　 流槽金屬液位控制

激光流槽液位監(jiān)測器用來監(jiān)測流槽液位高度 , 并在流槽上安裝有兩個擋板 , 在擋板處各安裝一個 限位開關 , 當 ACD 流槽金屬液位達到一定高度后 , 第一個擋板打開 ,熔融金屬快速填充過濾箱 ,當過濾 箱液位達到設定高度時 ,CFF 擋板自動打開 , 流槽中 的金屬快速填充分配流槽 。 4. 2. 2 　 分配流槽金屬分配 低液位鑄造中結(jié)晶器金屬液位高度 , 主要靠安 裝在分配流槽內(nèi)的激光液位檢測器和導流銷執(zhí)行器 來控制每個導流口的金屬流量 , 從而保證每個結(jié)晶 器內(nèi)的金屬液位高度相等 。如果某個結(jié)晶器內(nèi)金屬 液位 “低” “高” 激光監(jiān)測器就會發(fā)出信號給導流 或 , 銷執(zhí)行器 ,執(zhí)行器就會 “升高” “降低” 或 導流銷來調(diào) 節(jié)金屬流量 。導流銷執(zhí)行器見圖 11 。
4. 2. 3 　 導流銷間隙預設定

里的金屬液面保持在相當高的水平 , 同時仍能獲得 低液位鑄造所要求達到的狀態(tài) 。隨著凝固的表面接 觸 ,并離開結(jié)晶器壁 , 表皮只有一點點重熔 , 保持了 原有固化的光滑表面 。
3. 2 　 傳統(tǒng) DC 鑄造技術和低液位鑄造技術生產(chǎn)的鑄

錠質(zhì)量比較 　　 在傳統(tǒng)的 DC 鑄造中 , 在鑄錠表面的偏析區(qū) ( 殼 區(qū)) 的結(jié)晶結(jié)構(gòu)和成分與鑄錠的其他部分的不同 ,如 圖 9a 所示 。而用 LHC 結(jié)晶器鑄造的鑄錠的顯微結(jié) 構(gòu)比傳統(tǒng)鑄造的更均勻 ,并接近用電磁 ( EM) 鑄造可 能得到的結(jié)果 ; 鑄錠表面的偏析區(qū) ( 殼區(qū)) 比傳統(tǒng) DC 鑄錠的薄得多 ( 圖 9b) ; 并減少熔融金屬泄漏的次數(shù) , 防止重熔金屬溢出到鑄錠表面 。

導流銷間隙預設定是在低液位鑄造前 , 確定第 一個到最后一個導流銷和分流口之間的合理間隙 , 以保證金屬從分配流槽流進結(jié)晶器時 , 每個結(jié)晶器 流入相同的金屬流量 。


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100 - 傾翻架 ;200 - 分配流槽 ;240 - 冷卻水控制閥架 ;265 - CFF 過濾箱 ;280 - ACD 除氣裝置 ; 300 - 鑄造平臺 ;400 - 結(jié)晶器 ;405 - 引錠頭 ;500 - 鑄造速度控制閥架 ;600 - 鑄造機操作臺

圖 10 　 鋁及鋁合金大扁錠鑄造設備平面布置圖

圖 11 　 激光控制導流銷示意圖

圖 12 　 微分激光器監(jiān)測示意圖

4. 2. 4 　 流槽 、 結(jié)晶器金屬液位監(jiān)控

使用激光模擬液面高度傳感器來監(jiān)測流槽內(nèi)的 金屬液位 ,在液位高或低時發(fā)出信號 ,由控制保溫爐 的液壓缸的液壓比例閥來調(diào)整保溫爐的角度 , 從而 調(diào)整流槽中的液面高度 。 用結(jié)晶器微分激光傳感器來測量結(jié)晶器內(nèi)的熔 融金屬液面高度 ,維持穩(wěn)定的金屬流量 ,使鑄造過程 處在安全可靠的電子控制之下 , 實現(xiàn)鑄造時間和速 度的精確控制 , 使扁錠底部在進入冷卻水之前就已 經(jīng)凝固 ,減少鑄錠底部翹曲 。當金屬液面達到規(guī)定 液面時自動開始鑄造 ,在鑄出底部翹曲后 ,結(jié)晶器中 的金屬液面自動降低到最佳鑄造液面 , 可以獲得最 佳鑄錠表面質(zhì)量 , 并減少翹曲 。激光監(jiān)測示意圖見 圖 12 和圖 13 。 4. 2. 5 　 低液位鑄造自動化系統(tǒng)控制 利用 PLC 系統(tǒng)將低液位鑄造的各個設備連接起 來 ,SCADA 采集信號并處理這些信號 ,同時根據(jù)程序

圖 13 　 微分激光監(jiān)測原理圖

來監(jiān)測鑄造過程 ,如果設備運轉(zhuǎn)或鑄造速度 、 冷卻水 流量 、 鋁液溫度 、 在線精煉 、 在線過濾 、 喂絲機 、 鑄造 機系統(tǒng) 、 激光傳感器 、 壓縮空氣壓力 、 氬氣壓力 、 氮氣 壓力等發(fā)生變化 ,流槽或結(jié)晶器液位偏高或偏低 ,系 統(tǒng)都會自動更正或發(fā)出警報來提醒操作人員進行維 護 。在出現(xiàn)異常情況時 ,系統(tǒng)會自動終止鑄造 ,防止 發(fā)生事故 。


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4. 3 　 低液位鑄造鋁及鋁合金扁錠工藝

輕　 　 　 　 　 　 合 金 加 工 技 術 表 1。

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3 ××× 鋁合金扁錠低液位鑄造工藝參數(shù)實例見

表 1 　 ××× 3 鋁合金扁錠低液位鑄造工藝參數(shù)
鑄造長度
mm 0 51 280

　　 : 基本參數(shù) : 開始澆注溫度 690 ℃ 699 ℃,穩(wěn)定鑄造溫度 688 ℃ 695 ℃,引錠頭填充時間 90 s ,過熱區(qū)域 285 mm ,鑄錠底部翹曲 35 mm ,過渡 注 ～ ～ 區(qū) 175 mm～225 mm 。

低液位鑄造工藝流程參見圖 14 。

1 - 傾動式保溫爐 ;2 - 流槽激光監(jiān)測器 ;3 - ACD 在線除氣裝置 ;4 - CFF 在線過濾裝置 ;5 - 分配流槽 ;6 - 結(jié)晶器 ; 7 - 熔融鋁液 ;8 - 出鋁液口回轉(zhuǎn)機構(gòu) ;9 - 渣箱 ;10 - 渣箱 ;11 - 鑄造平臺 ;12 - 鑄造機頂板 ;13 - 鑄造機液壓缸

　　 低液位鑄造工藝流程 : 選料 → 配料 → 電磁攪拌 → 扒渣 → 取樣 → 轉(zhuǎn)爐 → 精煉 → 扒渣 → 取樣 → 靜置 → 參數(shù)控制 → 除氣 → 過濾 → 鑄造 → 吊出鑄錠 → 檢查 → 鋸切 → 稱重 → 打印 → 交庫 。

5　 低液位鑄造的鋁合金大扁錠

扁錠厚度 :330 mm 、 mm 、 mm 、 mm ( 銑 410 520 620 面前) ; 寬度 : 900 mm～ 1 800 mm ; 長度 : 3 500 mm ～ 7 200 mm ( 鋸切后 ) 。鑄錠底部鋸切量小于 200 mm , 澆口部鋸切量小于 80 mm 。 扁錠沒有表面裂紋、 通裂、 氣孔、 夾渣等缺陷 ,表面 [2] 偏析瘤小于 4 mm ;疏松小于一級 ;晶粒度小于二級 。 鑄錠氫含量 :1 ××× 系合金扁鑄錠的氫含量小

鑄造速度 mmΠ min
41 41 64

鑄造長度
mm 0 76 280 400

圖 14 　 鋁合金扁錠鑄造工藝流程圖

水流量 m3Π h
17. 0 17. 0 50. 0 56. 8

鑄造長度
mm 0 25 125 200 400

金屬液位
mm 43 56 61 61 41

鑄造長度
mm 0 150 175

LHC 閥門壓力 MPa 0. 28 0. 28 0. 00

6　 結(jié)束語

生產(chǎn)高附加值鋁合金扁錠 , 并且是生產(chǎn) 1100 、 、 3104 5182 合金大規(guī)格 ( 330 mm～ 620 mm 厚 ) 扁錠 。成品 率由原來的 60 %提高到 85 % ,采用低液位鑄造的扁 錠底部翹曲小 , 獲得光滑表面與較高冶金特性的鑄 錠 。金屬燒損減少 ,工人勞動強度降低 ,有很好的經(jīng) 濟效益和社會效益 。

參 考 文 獻:
[1 ] 　 美國 WAGSTAFF 公司鑄造技術設備說明書 [ Z] . [2 ] 　 中國鋁業(yè)青海分公司扁錠技術標準 [ S] .

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( 于 0. 15 mLΠ 100 gAl ) ( 1235 合金扁鑄錠氫含量不大 ( 于 0. 12 mLΠ 100 gAl ) ) ;3 ××× 合金扁鑄錠的氫含 ( 量小于 0. 18 mLΠ 100 gAl ) ;5 ××× 系合金扁鑄錠的 ( 氫含量小于 0. 20 mLΠ 100 gAl ) 。

我公司使用低液位鑄造技術用電解原鋁液直接





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