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年产量2.8万吨铝及铝合金板带材车间设计说明书



江西理工大学 2011 届本科生毕业设计


第一章



总论 ......................................... 1

1.1 车间设计的一般概论 ................................. 1 1.2 车间设计的可行性研究 .

.............................. 1 1.3 车间概况 .......................................... 4 1.4 厂址的选择 ........................................ 4

第二章

车间工艺设计 ................................. 6

2.1 生产方案的选择..................................... 6 2.2 生产工艺流程...................................... 11 2.3 工艺叙述 ......................................... 13 2.4 设备的选择 ....................................... 26 2.5 工艺计算 ......................................... 34 2.6 设备负荷计算...................................... 47 2.7 车间平面布置和立面尺寸 ............................ 50 2.8 车间劳动组织和经济指标 ............................ 57

第三章

车间厂房与辅助设施设计 ...................... 69

3.1 厂房设计 ......................................... 69 3.2 车间电力设施...................................... 73 3.3 车间供水与排水、供气、供热 ........................ 77 3.4 环境保护 ......................................... 78

参考文献 ............................................ 80 致谢 ................................................ 80

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第一章 总论
1.1 车间设计的一般概论 1.1.1 目的和任务
车间设计的目的是为了建立一个年产 2.8 万吨铝及铝合金板带材生产车间。 车间设计的任务是对需建设的企业做出技术与经济的详细规划, 确定出企业 的生产经济状况,技术经济指标及施工的组织方法。具体任务如下: (1) 技术任务 1) 确定产品品种、规格、质量标准及年产量。 2) 确定产品的生产方案及生产工艺过程,选取主要设备并确定其必要的数 量 3) 选择与计算辅助设备。 4) 计算完成年计划产量所需的原料,材料及动力消耗。 5) 提出动力、运输、照明、采暖、通风、供水、排水等各项设计要求。 6) 计算车间所需面积,车间内主要设备与辅助设备的布置。 7) 确定厂房形式和主要尺寸, 画出车间平面布置图, 提出安全环保等措施。 (2) 组织任务 研究车间的生产劳动组织,确定职工人数及编制,制订劳动定额等。 (3) 经济任务 计算及制订基本建设投资额,生产预算,计划单位产品成本和综合技术经济 指标。

1.1.2 车间设计的依据
车间设计的依据是设计任务书。 在进行车间设计之前,应从技术经济部分取得设计任务,而设计任务书是有 关部门根据国家计划经过充分讨论订出指定的,其基本内容有: (1) 车间的生产规模,生产品种; (2) 车间的生产方案; (3) 建厂地址,厂区范围和资源情况,水文地质,原材料、燃料、动力, 供水以及供电等供应情况,还有运输情况等; (4) 要求达到的经济效益和技术水平; (5) 投资以及劳动定员的控制数字; (6) 环保情况;

1.2 车间设计的可行性研究 1.2.1 市场调查
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供应分析 : 在国民经济持续、快速增长的拉动下,我国铝板带、箔的消费量不断上升, 为全球第二大铝轧制产品消费国, 空调铝箔和包装用铝箔在中国有巨大的市场空 间。 行业专家预计,按照铝板带产品年均 8%和铝箔产品 10-12%的保守增长率估 算,到 2010 年,中国的铝板带产品的产量将达到 380 万吨以上,铝箔的产量有 望达到 110 万吨以上。专家提醒,短期内应防止产能扩展过快带来的投资风险。 目前,全球铝板带箔材生产总量已达到 1800 万吨,其中铝板带产量约 1500 万吨,铝箔产量约 300 万吨。在中国,铝板带箔行业发展势头良好,统计显示, 2006 年我国生产铝板带 283 万吨,铝箔 74 万吨,已经成为仅次于美国的第二大 铝板带生产国,全球最大的铝箔生产国,且产量年均增长率分别达到 8%和 10% 左右。 需求分析 : 影响铝板带箔的消费需求的因素有:一是产品的价格。二是下游行业的市场 需求量。三进口产品的价格。 2009 年,我国铝板带箔的产量为 470 万吨,而市场需求量为 500 万吨左右。 预计 2010 年全年,我国铝板带箔的市场供给量约为 500 万吨,市场需求量将达 到 535 万吨。 2010 年我国铝板带箔的市场需求量约为 500 万吨,预计到 2015 年我国铝板 带箔的市场需求量将达到 745 万吨。 近年来,我国经济增长带动了铝箔消费的持续快速增长,根据中国有色金属 工业协会的测算,我国铝材需求增长率达到 GDP 增长率的 1.65 倍。我国居民消 费结构升级将为我国铝箔工业提供广阔的市场空间。 消费特征分析 按照消费量等于产量加上净进口量计算,2009 年我国铝板带表观消费量达 到 360 万吨,铝箔的销量为 105 万吨。 由于世界各国经济发展水平不同, 人均铝板带箔消费量有很大的差别, 2009 年, 世界人均铝板带箔的消费量为 3.2 公斤, 其中人均消费量最多的国家是美国, 人均消费量达到 20 公斤,其次是意大利,人均消费量为 10 公斤。 2008 年,我国铝板带箔生产和消费增速明显放缓,主要是由于房地产新开 工面积和在建面积增速、汽车产量增速和铝制品出口增下降所致。随着房地产投 资增速的大幅放缓,固定资产投资增速也面临较大的下降压力,再加上铝价大幅 走低,消费者大多采取观望的态度。 2009 年,随着经济的恢复和发展,铝板带箔行业开始出现复苏的局面,市 场需求量不断增加,出口量也开始增加。到 2010 年,随着国家经济建设和区域

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经济发展规划的出台, 固定资产投资不断增加, 房地产行业出现快速发展的局面, 对铝板带箔的市场消费出现快速提升。 未来我国的铝板带生产应该向着规模化,技术化,科技化的方向发展,而作 为国家而言应该将生产设备落后,生产能力较低的铝板带生产企业给予取缔,作 为高耗能的加工项目,国家应该适当介入,将我国铝行业向国际先进水平靠拢。 2002 年,我国各类铝加工材总产量已超过德国和日本,跃居世界第二,成 为仅次于美国的世界铝加工生产大国和消费大国,但人均年消费量仍然较低, 2003 年铝材人均年消费量为 3.20 公斤,不仅远远低于美国 27.40 公斤、日本 19.40 公斤的水平,也低于 2000 年世界人均 3.30 公斤的年消费量。我国铝材消 费量若要达到世界平均水平,其产量应达到 400 万吨;若要达到美国、瑞士、日 本等国家的消费水平,铝材产量需达到 2,200 万吨,其中铝型材应约为 880 万吨 (资料来源:中国有色金属加工工业协会)。因此,随着国民经济的发展和居民 消费水平的进一步提高,尤其是住房条件的进一步改善,铝型材的消费量有望继 续增长,从而为我国铝型材行业的发展提供较大的发展空间。 根据我国国民经济发展三步走的战略,现在进入了全面建设小康社会的阶 段,2001 至 2050 年间将达到中等发达国家的水平。依据专家分析,我国制定的 "小康"目标的人均居住面积指标是 35 平方米/人,而现在只达到 20 平方米/人。 因此,这期间住宅建设将继续高速发展,其拉动国民经济增长总值将达 7%左右。 2000 年我国住宅建设面积 6.30 亿平方米,仅门窗生产规模达 16.10 亿平方米。 2050 年前我国将新建 250~300 亿平方米住宅,仅门窗约需 640~766 亿平方米。 其中 2010 年前,铝门窗一项所需铝型材的年均增量约 10 万吨,这里还不包括其 他建筑铝型材带来的大量需求。 发展存在的问题 近年来,随着我国国民经济的持续高速发展,对铝板带材的需求旺盛。虽然 我国铝板带生产有了长足的发展,但产品结构仍不够合理,普通产品生产能力的 过剩,高技术含量、高精度、高质量产品生产能力不足,因而也造成大量进口的 局面出现。 从总量上来看,我国铝板带材的生产与消费已进入世界前列,但人均消费仍 旧很低,与世界发达国家相比差距更大,不及美国人均消费量的 7.5%、日本的 14%,因此,随着国民经济的持续发展和人民生活水平的不断提高,我国铝板带 箔工业仍有较大的发展空间。 目前,我国铝板带箔市场存在的问题主要表现在:产品结构不合理,特别是 技术含量高、生产难度大的高精度产品供应不足的矛盾较为突出,而低档次产品 充斥市场。这些现象严重的阻碍着我国铝板带箔市场的健康发展,也是市场发展 亟需重点关注与解决的问题。 未来发展趋势:
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目前,我国铝材的消费结构与其他国家相比有较大的差异,压延材所占比例 低于挤压材,但从近几年市场需求的情况来分析,预计我国铝板带箔材的消费将 会有显着的增加,逐步趋向于世界铝材的消费结构,2010 年,我国铝板带材的 消费量预计达 300 万 t/a 以上,铝箔材的消费量将达到 85 万 t/a 以上

1.2.2 要求
在设计的过程中,秉着遵纪守法、注重环保的要求,设计出工艺先进、投资 少、利润高、成品率高、综合利用率高、环保简洁及节能的车间。

1.3 车间概况 1.3.1 车间设计年产量、品种、规格、范围
本设计为年产 2.8 万吨铝及铝合金板带材生产车间的设计。 采用带式法并结 合先进生产工艺和生产设备来生产各种规格的铝及铝合金板带材产品, 可以生产 1、2、3、5、7 系等合金牌号的产品,主要有 PS 版基卷材、飞机蒙皮板、幕墙 板、制罐料等多种产品。产品厚度最薄可达到 0.3mm,宽度为 550~1050mm,板 材长度可达 5m。本设计四个计算产品牌号为:1060、2A12、3A21、7A09。

1.3.2 车间面积、经济指标
本车间总面积为 15840m2,总投资 150387.45 万元,综合成品率达 87.48%,年 总产值 105112 万元,年利润 55843.168 万元,在册工人数为 381 人,车间建成 投产 46 个月后即可收回成本。

1.4 厂址的选择
一般来讲,大中型铝板带加工厂有两种厂址选择方案,一是靠近原材料(电 解铝)厂,二是靠近消费市场。 把加工厂建在靠近消费市场的地方,有利于开拓市场和提高服务质量,但对 大中型板带加工厂,其用户会遍及全国各地,因此把工厂建在某个消费相对集中 的地区,必然会存在原料和成品的运输问题。而厂址靠近原材料厂,其经济利益 是显而易见的。一些不利因素可以通过加强管理,在热点地区建立销售中心等方 式弥补。其优点主要有: (1) 可以尽可能地利用电解铝液;不需要长途运输铝锭,可节省运输成本 200 元/吨左右。 (2) 可得到一个较低的运行成本、仅电费就可节省 150~450 元/吨; (3) 避免了冶炼厂成品和铝加工的库存。 (4) 可减少电解铝厂和板带加工厂双方的铝锭供销人员和费用。 通过以上比较,选择第一种方案,即在原料厂附近建厂,我国主要产铝大省 有山东、河南、贵州、山西、青海、广西,其中河南铝工业发展的前景最广阔。 河南是全国的铁路和公路交通的枢纽,产品运输方便,相应可以节约大量运输成 本,提高利润。青海地处西部,距离消费市场较远,需每年运进、运出百万吨物
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料, 运价昂贵, 增高成本。 贵州省具有丰富的铝土矿, 但是埋藏较深开采成本高。 相比之下,河南发展铝工业优势十分明显,全国可供拜尔法工艺生产的铝土矿资 源 8 亿吨,其中一半以上在河南。河南还有丰富的水电资源。从以上不难看出, 从铝业的发展规律来看,依托河南的铝资源优势,和便利的交通运输条件,以及 强大的消费市场。在河南建厂是比较符合要求的。

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第二章 车间工艺设计
2.1 生产方案的选择 2.1.1 产品方案的编制
产品方案是指所设计的工厂或车间拟生产的产品名称、品种、规格、状态及 年计划产量。产品方案是进行车间设计的主要依据,根据产品方案可以选择设备 和确定生产工艺。 编制产品方案的原则: (1) 国民经济发展对产品的要求 根据国民经济各部门对产品数量、质量和品种等方面的需要情况,既考虑当 前的急需,又要考虑将来发展的需要。 (2) 产品的平衡 考虑全国各地生产的布局和配套加以平衡。 (3) 建厂地区的条件、生产资源、自然条件、投资等的可能性。 本设计中所确定的产品方案表详见表 2-1。
表 2-1 产品方案表 序 号 1 2 3 4 制品名称 纯铝带 防锈铝板 硬铝板 超硬铝板 合金牌号 L2、L3 LF21、LF11、LF6 LY12、LY6、LY11 LC9、LC4 状态 M、Y、Y1、Y2、 Y3、Y4、T M、Y、Y1、Y2、 Y4、 M、CZ、CS、 CZY M、CS、 产品规格范围 mm 厚 0.3~4.0 0.3~4.0 0.3~4.0 宽 500~2500 500~2500 500~2500 2000~10000 2000~10000 2000~10000 长

0.3~4.0 500~2500

2.1.2 计算产品的选择
车间拟生产的产品品种、规格及状态组合起来可能有数十种、数百种以上。 但是,在设计中不可能对每种合金的每一个品种、规格及状态都进行详细的工艺 计算。为了减少设计工作量,加快进度,同时又不影响整个设计质量,可以将各 类产品进行分类编组,从中选择典型产品作为计算产品。 选择计算要注意以下几点: (1) 有代表性 这些计算产品从车间总体来说,在合金、品种、规格、状态、产量和工艺 特点等方面必须具有代表性。
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(2) 通过所有的工序 指所选的计算产品要通过各工序,但不是说每一种计算产品都通过各工序, 而是对所有计算产品综合来看的。 (3) 所选的计算产品要与实际相接近。 (4) 计算产品要留一定的调整余量。 根据计算产品进行工艺计算、选择设备、确定工艺、确定车间人力与物力的 消耗及技术经济指标等所获得的结果。 把计算产品按产品名称、合金牌号、状态、规格范围、产量等列成表,如表 2-2 所示。
表 2-2 计算产品表 制 序 号 品 名 称 纯 1 铝 带 防 2 锈 铝 板 硬 3 铝 板 超 4 硬 铝 板 LC9 1.25*950*3000 CS 7000 25 GB/T 3194-1998 LY12 1*1000*5000 CZ 7000 25 GB/T 3194-1998 LF21 0.5*1050*2000 Y2 7000 25 GB/T 3194-1998 L2 0.3*550 M 7000 25 GB/T 3194-1998 合金 牌号 产品规格 厚 (mm) (mm) (mm) 宽 长 状态 年产量 (t) 所占比例(%) 技术条件

2.1.3 加工产品的基本性质
加工产品的各类性质如表 2-3 到表 2-6 所示

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表 2-3 计算产品的化学成分 合金牌 号 1060 3A21 2A12 7A09 Si 0.25 0.6 0.5 0.5 Fe 0.35 0.7 0.5 0. 5 Cu 0.05 0.2 3.8~ 4.9 1.2~ 2.0 合 金 牌号 1060 3A21 2A12 7A09 密 度
3

Mn 0.03 1.0~ 1.6 0.3~ 0.9 0.15

Mg 0.03 0.05 1.2~ 1.8 2.0~ 3.0

Cr — — — 0.16~ 0.3 比热容

Zn 0.05 0.1 0.3 5.1~ 6.1

Ti 0.03 0.15 0.15 0.1

Ni — — 0.1 —

Al 99.6 余量 余量 余量

表 2-4 计算产品的物理性能 液相线 温 /℃ 2705 2740 2780 2800 657 654 638 635 度 固相线 温 /℃ 646 643 502 477 68×10 — 66×10 68×10 屈服强度 б
0.2 -6 -6 -6

体膨胀系数 /m (m *K)
3 3

热 导 率

室温电阻 率/欧姆* 毫米 27.8 34 73 43.1 疲劳强度 б -1/ MPa 20 30 35 45 45 90 140 — 140 — 50 55 60 70 70 — 160

/Kg/m



/J/(Kg*K) /W/(m*K) 900 1176 (200℃) 875 960 硬度 /HB 19 23 26 30 35 47 120 — 120 — 28 35 40 47 55 60 150 234 164 120 155 抗剪强度/ MPa 50 55 60 70 75 125 285 125 285 275 75 85 95 105 110 150 330

表 2-5 计算产品的典型室温机械性能 合金牌号 状态 M Y4 Y2 1060 Y1 Y M CS JM 2A12 CYZ JCS M Y4 Y2 3A21 Y1 Y 7A09 M CS 抗拉强度 б b/MPa 70 85 100 115 130 185 470 180 485 440 110 130 150 175 200 230 570 延伸率δ /% 43 16 12 8 6 20 20 20 18 19 30 10 8 5 4 17 11 / MPa

30 75 90 105 125 75 325 75 345 290 40 125 145 170 185 105 505

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表 2-6 计算产品的典型用途 合金牌号 1060 2A12 3A21 7A09 典 型 用 途 要求抗蚀性与成形性均高的场合,但对强度要求不高,化工设备时典型用途。 航空器蒙皮、隔框、翼肋、翼梁、铆钉等,建筑与交通运输工具结构件等 飞机油箱、油路导管、铆钉线材等,建筑材料与食品工业装备等。 飞机结构件用中厚板、挤压件、自由锻件与模锻件、制造这类零件对合金的要 求是:抗剥落腐蚀、应力腐蚀、开裂能力、断裂韧性与抗疲劳性能都高。

2.1.4 产品质量的要求
(1) 规格标准 (2) 性能标准 (3) 试验标准 及试验方法等。 (4) 交货标准 规定产品交货、验收时的包装、标志方法及部位等。 本设计中成品性能标准是 GB/T 3194-1998。 规定产品的牌号、形状、尺寸及表面质量,并且附有供使 规定产品的化学成分、物理机械性能、热处理性能、晶粒 规定做实验时的取样部位、试样形状和尺寸、实验条件以 用参考的有关参数等。 度、抗腐蚀性、工艺性能及其他特殊性能要求等。

2.1.5 生产方案的选择
(1)生产方案的定义 所谓生产方案是指为完成设计任务书中所规定的产品的生产任务而采取的 生产方法。根据设计规模、产品质量及技术经济指标的要求,考虑当时当地的具 体条件、找出合理的生产方案。 (2)生产方案选择的依据 生产方案的选择与设备的选择密切相关,二者应同时加以考虑,确定生产方 案时主要考虑以下几点: 1) 金属与合金的品种、规格、状态及质量要求。 品种和规格不同,所采用的生产方案就不同,那么设计的车间就有很大的差 别。 2) 年产量的大小 产量不仅决定工艺过程的特点,同时也对设备选择、铸锭尺寸、产品规格有 着直接的影响。 3) 投资、建设速度、机械化与自动化程度、劳动条件、工人与管理人员的 数量以及将来的发展。 主要考虑经济效果,采用那种方案合理,适合建厂原则,在设计时可比照一 个厂,特别是比较成熟的工艺。 (3)生产方案的比较
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常用的生产方案按轧制方式可分为块式法和带式法。按铸锭的开坯方式分, 有热轧法和冷轧法。 1) 块式法 这是一种老式的生产方法。它是将锭坯经过热轧或冷轧,再剪切成一定长度 的板坯,直至冷轧出成品的方法。其特点是设备简单,投资少,操作方便,灵活 性大,调整容易;其缺点是生产效率低,劳动强度大,中间退火次数多,生产周 期长,耗能大,金属工艺损失大,成品率低,产品品质不易控制。可以在产量小、 品种多、建设周期短的中、小型工厂中采用的。 2) 带式法 这是一种近代的大生产方式, 它是将锭坯经过热轧开坯, 卷取成卷进行冷轧, 最后剪切成板或分切成带的生产方法。特点是采用大铸锭,进行高速轧制,易于 连续化、机械化的大生产,劳动生产效率高,单位产品能耗少,可采用高度自动 化控制产品品质好, 劳动强度小, 生产条件好; 缺点是设备复杂, 一次性投资大, 建设周期长,灵活性差。适合于产量大、规格大,品质要求高的生产,是大型工 厂所采用的生产方法,虽然投资大、建设周期长。特别是由于技术的高度进步, 坯料和带材可以通过焊接,卷重可达 2 吨以上。带式法正向连续化、自动化、大 型化、高精度化发展。 带式法生产主要采用二辊或四辊可逆式轧机、多机架连轧机进行成卷的轧 制。 近年来许多国家还采用了行星轧机、 摆式轧机、 多辊轧机等生产带材、 箔材。 而为了控制板形,70 年代初相继开发了各种新轧机与新技术,其辊系结构、辊 形及调节方式各有特色,主要采用的是移辊技术、对辊交叉等技术,这新轧机主 要有:HC 轧机、CVC 轧机、UPC 轧机、PC 轧机、FFC 轧机等。 3) 连铸连轧法 板带连铸连轧设备由连铸机和冷轧机组成。目前我国生产厚度为 6~7mm 的 铸轧铝板, 直接供给冷轧机和铝箔轧机, 实现连铸连轧生产线。 此法废料损失少, 成品率高;生产工序少,周期短,生产效率高。连铸连轧法生产的带材可以做箔 材坯料、建筑材料及日用器皿等。 通过对以上生产方案的比较,并结合实际年产量,本设计采用带式法生产。

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2.2 生产工艺流程 2.2.1 生产工艺流程的定义
所谓生产工艺流程就是把产品的生产工序按次序排列起来。 确定车间生产工 艺流程是工艺设计中的一项重要工作, 它直接关系到整个设计能否满足设计任务 书的要求。 合理的生产工艺流程应该是在保证完成设计任务书中规定的产量和质 量的前提下, 具有最低的消耗、 最少的设备、 最小的车间面积、 最低的产品成本, 并且有利于产品质量的不断提高和将来的发展, 具有最好的经济效果和较好的劳 动条件。

2.2.2 生产工艺流程制订的主要依据
制定生产流程总的主要依据有以下几点: (1)根据产品方案的要求 由于产品的产量、品种、规格和质量的不同,所采用的生产方案就不同,那 么主要工序就有很大的差别。因此,生产方案是编制生产工艺流程的依据。 (2)根据产品的质量要求 为了满足产品技术条件要求,就要有相应的工序给以保证。因此,满足产品 标准的要求是设计生产工艺流程的基础。 (3)根据车间生产率的要求 由于车间的生产规模不同,所要求的工艺过程复杂程度也不同。在生产同一 产品情况下,生产规模越大的车间,其工艺过程也越复杂。因此,设计时生产率 的要求是设计工艺过程的出发点。

2.2.3 计算产品的生产工艺流程
带式法生产铝及铝合金板带材的一般生产工艺流程如图 2-1 所示, 各计算产 品的具体生产工艺流程归结如表 2-7 所示。

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半连续铸锭 铣面、蚀洗 包铝 加热 热轧 切头尾边 卷取 预先退火 冷轧 中间退火 预先剪切

淬火 成品退火 人工时效

精整 检验 涂油包装 入库 图2-1 带式法生产铝及铝合金板带材的一般生产工艺流程

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表 2-7 产品的生产工艺流程 流程号 工 序 合金牌号 产品规格 供货状态 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 供锭 铣面 蚀洗(擦净表 面) 包铝 加热 热轧 切头、尾、边 卷取 预先退火 冷轧 中间退火 预先剪切 成品退火 淬火 时效 矫直 剪切 检验 涂油、包装 入库 Ο Ο Ο Ο Ο Ο Ο Ο Ο Ο Ο Ο Ο Ο Ο Ο Ο Ο Ο Ο Ο Ο Ο Ο Ο Ο Ο Ⅰ 1060 0.3×550 M Ο Ⅱ 2A12 1×1000×5000 CZ Ο Ο Ο Ο Ο Ο Ο Ο Ο Ο Ο Ο Ο Ο Ο Ο Ο Ο Ο Ο Ο Ο Ο Ο Ο Ο Ο Ο Ο Ο Ο Ο Ο Ο Ο Ο Ο Ⅲ 3A21 0.5×1050× 2000 Y2 Ο Ο Ⅳ 7A09 1.25×950×3000 CS Ο Ο

2.3 工艺叙述 2.3.1 锭坯的选择
有色金属熔炼与铸锭车间广泛采用半连续与连续铸造法生产铸锭, 铸锭经去 除头尾、切断,有的需表面机械加工,作为加工车间的锭坯。 (1)锭坯选择的原则

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锭坯尺寸与形状的确定对选择设备,确定工艺,提高产品产量与