用電解鋁液生產(chǎn)3104鋁合金扁錠熔鑄工藝技術(shù)研究

劉民章，梁魯清，張志超，李 莉

（青海橋頭鋁電股份有限公司技術(shù)中心，青海 西寧 810100）

0 前言

隨著國民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和國民生活質(zhì)量的提高，鋁合金材料飲品包裝的需求量不斷增長。目前，市場上廣泛使用的碳酸飲料包裝罐材質(zhì)主要以3104鋁合金為主。在美國、日本等發(fā)達(dá)國家，以3104鋁合金作為啤酒、可樂等飲料的包裝罐已經(jīng)有很長的時間，而在中國使用鋁合金材料作為包裝罐的歷史則相對很短。近十幾年來，國內(nèi)相關(guān)研究機(jī)構(gòu)、學(xué)院和企業(yè)相繼進(jìn)行了3104罐用合金的研究，并取得了一定進(jìn)展。但是，這方面的研究大多集中于理論方面（如軋制織構(gòu)等）以及均熱處理對合金基體中第二相形貌、制耳率及斷罐率的影響方面，而關(guān)于用電解鋁液生產(chǎn)高品質(zhì)罐用3104鋁合金扁錠的研究卻鮮見報道。在目前電解原鋁產(chǎn)能過剩的情況下，研究用電解鋁液直接生產(chǎn)高品質(zhì)3104罐用鋁合金扁錠的生產(chǎn)工藝，對于高品質(zhì)罐料的軋制有著重要的意義。

1 軋制對3104鋁合金扁錠的基本要求

1.1 罐用3104鋁合金扁錠的化學(xué)成分

罐用3104鋁合金扁錠的化學(xué)成分要求見表1。

表1 罐用3104鋁合金扁錠的化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)/%）

1.2 罐用3104鋁合金扁錠的質(zhì)量要求

（1）鑄錠氫含量小于0.12 ml/t.Al;（2）鑄錠內(nèi)部晶粒度1級;（3）鑄錠內(nèi)部疏松缺陷1級；（4）鑄錠不允許有裂紋、氣孔、羽毛晶及夾渣缺陷。

2 罐用3104鋁合金扁錠的生產(chǎn)工藝

2.1 生產(chǎn)設(shè)備

3104鋁合金扁錠的主要生產(chǎn)設(shè)備包括德國Loi公司制造的55T熔鋁爐、55T液壓傾翻式保溫靜置爐、阿爾泰科公司生產(chǎn)的石墨轉(zhuǎn)子在線除氣裝置和雙級陶瓷泡沫過濾裝置、保溫爐爐內(nèi)熔體精煉載氬噴粉精煉裝置以及美國wagstaff公司制造的低液位鋁合金扁錠鑄造機(jī)。

2.2 生產(chǎn)用原輔材料

電解鋁液、99.70%重熔鋁錠、Al-Mn、Al-Fe、Al-Si、Al-Cu中間合金、重熔鎂錠。

2.3 3104鋁合金熔煉

（1）固液比：根據(jù)產(chǎn)品規(guī)格所需裝爐量，規(guī)定了固液比為40%的固體料+60%的電解鋁液[1]。

（2）裝爐順序：當(dāng)爐溫達(dá)到800℃以上時開始加料，先加固體料，然后加電解鋁液。

（3）熔煉要求：電解鋁液加完后啟動電磁攪拌器進(jìn)行攪拌，時間20 min，待鋁液全部熔化后，再啟動電磁攪拌器攪拌20 min，確保合金熔體成分和溫度均勻性；鋁液溫度升至730℃以上時，進(jìn)行人工攪拌，扒渣取原始樣進(jìn)行分析，根據(jù)分析結(jié)果進(jìn)行成分調(diào)整。

（4）熔煉爐內(nèi)熔體的預(yù)精煉：由于配料使用了60%的電解鋁液，而電解鋁液又具有溫度高、雜質(zhì)含量高以及氫含量高的特點(diǎn)[2]，為了確保保溫靜置爐內(nèi)熔體精煉以及在線處理效果，在熔煉爐內(nèi)用四氯化碳對熔體進(jìn)行預(yù)精煉，降低熔體中渣含量、氫含量和堿金屬（尤其是鈉）含量。

（5）取樣分析及轉(zhuǎn)爐：預(yù)精煉完成后靜置20min取樣分析，待成分合適且溫度達(dá)到740℃時轉(zhuǎn)爐，轉(zhuǎn)爐時保溫爐爐膛溫度必須要保證在800℃。

（6）保溫靜置爐內(nèi)鋁液的精煉：采用高純氬氣載六氯乙烷與無鈉精煉劑混合粉末對鋁合金熔體進(jìn)行噴粉精煉，精煉時間不少于20min。精煉完成后靜置20min并扒渣、取樣，對熔體化學(xué)成分進(jìn)行爐前快速檢測，成分合格后開始鑄造。

2.4 3104鋁合金熔體的在線處理

在線除氣：通過在線除氣箱對鋁熔體進(jìn)行在線除氣。使用前對在線除氣箱用天然氣進(jìn)行烘烤，以確保除氣箱耐火材料內(nèi)襯溫度不低于700℃，并使吸附于內(nèi)襯中的水分排出干凈。由于3104鋁合金中含有一定量的Mg，為了避免熔體處理過程中鋁與氮發(fā)生反應(yīng)生成氮化鎂，惡化熔體的流動性能，因此，在線除氣過程中使用氬氣而非氮?dú)?。要求氬氣壓力?50kPa～760kPa，純度在99.99%以上[1]。

在線除渣：使用40/60ppi配置的陶瓷過濾板進(jìn)行除渣。使用前對除渣箱用天然氣進(jìn)行烘烤，除渣箱耐火材料內(nèi)襯溫度不低于700℃，內(nèi)襯烘烤時間不得少于2h。

2.5 晶粒細(xì)化

鑄造過程中，采用國產(chǎn)φ9mm Al-5Ti-1B中間合金桿，以逆流加入方式對熔體進(jìn)行處理。

2.6 3104鋁合金扁錠的DC鑄造

結(jié)晶器的選擇及其要求：在3104鋁合金扁錠鑄造中，采用固定式結(jié)晶器。對結(jié)晶器的基本要求如下：

（1）鑄造前，必須要用細(xì)砂紙對結(jié)晶器內(nèi)壁進(jìn)行打磨，必須縱向打磨，不允許橫向進(jìn)行打磨，要求內(nèi)壁必須平整光滑無腐蝕和硬劃傷等缺陷并涂油。

（2）在鑄造之前必須對結(jié)晶器的水套進(jìn)行清理，保證水套內(nèi)無雜物，防止水孔堵塞，使冷卻不均勻。

（3）為了調(diào)整鑄錠大小面的冷卻強(qiáng)度，鑄造前安裝、檢查結(jié)晶器時，按照工藝規(guī)定對部分噴水孔用橡膠孔塞進(jìn)行封堵。

鑄造工藝參數(shù)的選擇：鑄造工藝參數(shù)的最佳搭配是確保鋁合金扁錠具有良好的成形性和符合內(nèi)在質(zhì)量要求的保證。生產(chǎn)高品質(zhì)3104鋁合金扁錠的最佳工藝參數(shù)，見表2。

表2 生產(chǎn)3104鋁合金扁錠的鑄造工藝參數(shù)

3 3104鋁合金扁錠DC鑄造常見的質(zhì)量缺陷及其控制

3.1 3104鋁合金扁錠DC鑄造常見的質(zhì)量缺陷及其形成原因

3.1.1 粗大晶粒

粗大晶粒的出現(xiàn)多與熔體長時間過熱、晶粒細(xì)化劑使用不當(dāng)、合金熔煉過程中使用了過量具有粗大晶粒的工藝廢料（組織遺傳）或鑄造工藝參數(shù)不當(dāng)有關(guān)。

3.1.2 夾雜

3104鋁合金扁錠組織中最常見的夾雜形式為氧化膜，見圖1。

圖1 鑄態(tài)3104鋁合金扁錠中的氧化膜夾雜

其原因有以下幾個方面：

（1）來自電解鋁液、爐料和各種加劑中的雜質(zhì)，鑄造后在鑄錠中則會產(chǎn)生夾雜。

（2）熔體精煉靜置時間不夠。使用高純氬氣載六氯乙烷噴粉精煉，從理論和實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)方面來講，應(yīng)該具有理想的精煉效果。但是，如果精煉后的靜置時間過短，那么，溶解和懸浮于熔體中的氧化渣就不能隨精煉氣泡充分上浮于熔體表面，可能有一部分氣和渣存在于熔體中，并在澆鑄過程中進(jìn)入鑄錠。

（3）晶粒細(xì)化劑質(zhì)量及加入量。晶粒細(xì)化劑桿溶解性能不理想或晶粒細(xì)化劑加入過量，造成扁錠中硼化鈦粒子富集，形成夾雜。

（4）源于耐火材料的夾雜。

（5）在線除渣箱使用的陶瓷過濾板目數(shù)選用不當(dāng)，沒有充分發(fā)揮擋渣功能，致使懸浮于熔體中部分尺寸較小的氧化膜隨液流進(jìn)入結(jié)晶器，最終在鑄錠中形成夾雜。

3.1.3 疏松

通常，在大截面3104鋁合金扁錠DC鑄造中不可避免地會出現(xiàn)疏松缺陷，但是，對疏松程度有著嚴(yán)格的限制，罐料軋制廠家允許3104扁錠中存在輕微疏松（如圖2），因?yàn)檩p微疏松可以通過高速軋制得到焊合，對3104罐料的軋制及深沖拉伸斷罐率沒有明顯的影響。

造成3104鋁合金疏松缺陷形成的原因有以下幾個方面：

（1）合金熔體凈化程度不高。合金熔體中存在大量的電解質(zhì)、炭渣、氧化物等雜物，會引起夾雜性疏松。

圖2 鑄態(tài)3104鋁合金扁錠中的輕微疏松

（2）保溫爐內(nèi)熔體靜置時間不夠。合金熔體精煉后，熔體中的雜質(zhì)需要一定時間隨精煉氣泡向上漂浮，靜置時間過短會導(dǎo)致夾雜不能充分上浮，會產(chǎn)生夾雜性疏松。

（3）生產(chǎn)環(huán)境相對濕度大。經(jīng)測試分析表明，當(dāng)環(huán)境相對濕度大于85%時，極易引起夾雜性疏松[4]。

3.1.4 裂紋

罐用3104鋁合金扁錠中不允許出現(xiàn)裂紋。在高度自動化罐身料的深沖拉伸過程中，裂紋直接影響罐料的斷罐率。

（1）冷卻強(qiáng)度大小決定著單位時間內(nèi)的降溫速度。冷卻強(qiáng)度提高，鑄造液穴變淺，過渡帶縮小，金屬的補(bǔ)縮條件得到改善，有利于減小鑄錠中的疏松、氣孔等缺陷，鑄錠的致密度提高，晶內(nèi)結(jié)構(gòu)更細(xì)化。但是，隨著冷卻強(qiáng)度的提高，鑄錠內(nèi)的溫度梯度增大，熱應(yīng)力值相應(yīng)提高，鑄錠的裂紋傾向增大。

（2）化學(xué)成分決定著3104合金扁錠凝固過程中第二相金屬化合物的類型和形貌。3104合金是添加了一定Mg含量的Al-Mn合金。凝固過程中形成種類繁多的第二相，如MnAl6、（FeMn）Al6、β-Al6(FeMn)、β-（FeMnSi）Al、α-Al12(FeMn)3Si相等[5～11]。在眾多第二相中，α相以鈍化圓潤的形貌分布于基體組織中，在強(qiáng)冷卻條件下不會產(chǎn)生應(yīng)力集中割裂基體組織；而β相多呈骨骼狀、大片狀以及有尖角的的塊狀，具有小面特征，割裂基體，在強(qiáng)烈冷卻條件下，極易產(chǎn)生應(yīng)力集中，而產(chǎn)生裂紋，如圖3所示。

圖3 鑄態(tài)3104鋁合金扁錠中的裂紋

3.2 DC鑄造3104鋁合金扁錠質(zhì)量缺陷的控制措施

3.2.1 粗大晶?？刂?/p>

（1）控制電解鋁液的配料比例。電解槽內(nèi)鋁液的溫度在930℃左右，用真空抬包吸出并運(yùn)輸?shù)借T造車間后，鋁液的溫度仍然保持在860℃～900℃[2]，屬于過熱熔體。在實(shí)際生產(chǎn)中，電解鋁液的配料量控制在60%以內(nèi)。

（2）盡可能實(shí)現(xiàn)快速熔煉與爐內(nèi)精煉處理。熔化、精煉時間長，必定造成熔體過熱，導(dǎo)致粗大晶粒產(chǎn)生。因此，控制熔煉和精煉時間是消除粗大晶粒的重要途徑。

（3）控制具有粗大晶粒組織的爐料用量。金屬爐料具有組織遺傳性[5]。實(shí)踐證明，在3104合金熔煉中，具有組織遺傳爐料的添加量不能超過15%。

（4）鑄造工藝參數(shù)控制。在3104鋁合金扁錠DC鑄造時，在確保合金扁錠具有良好的成形性的前提下，采用較大的冷卻強(qiáng)度控制粗大晶粒很有必要。

（5）添加晶粒細(xì)化劑。添加晶粒細(xì)化劑要保證細(xì)化劑有效化學(xué)元素的含量和良好的溶解性能。因?yàn)橛行г氐娜芙庑阅芎?，則實(shí)收率高，細(xì)化效果就好。實(shí)踐證明，在溜槽中通過自動喂絲機(jī)逆流添加晶粒細(xì)化劑桿細(xì)化效果好。

3.2.2 夾雜缺陷控制

（1）加強(qiáng)爐料管理，防止?fàn)t料污染。

（2）盡可能不要采用人工攪拌或機(jī)械攪拌，最大程度利用電磁攪拌、永磁攪拌或爐底透氣磚攪拌。

（3）采用虹吸裝置從真空抬包向熔煉爐轉(zhuǎn)注鋁液，將鋁液轉(zhuǎn)注過程中氧化膜形成的可能性降低到最低程度。

（4）選擇最佳的固液比，減小高雜質(zhì)含量電解鋁液對夾雜形成的不利影響。

（5）確保合適的精煉溫度和靜置時間，使夾雜有充足的時間隨精煉氣體上浮至熔體表面。

（6）確保精煉用氣純度不小于99.90%。

（7）采用高質(zhì)量雙級或復(fù)合過濾板。

3.2.3 疏松缺陷控制

（1）電解鋁液的凈化處理：將原鋁液用虹吸管轉(zhuǎn)入熔煉爐轉(zhuǎn)注入熔煉爐，添加適量的除渣劑，電磁攪拌20～30 min，將液面浮起的渣子扒干凈；靜置爐內(nèi)的熔體凈化，用氣體（Cl、 Ar、N或兩種氣體的混合）精煉為宜。在線凈化采用三級在線除渣系統(tǒng)，過濾板以40/60ppi為宜。

（2）嚴(yán)格控制保溫爐內(nèi)熔體的靜置時間：確保熔體靜置不少于30 ～40 min；

（3）降低環(huán)境濕度： 在鑄造平臺側(cè)旁增設(shè)抽風(fēng)機(jī)，消除鑄造平臺上方聚集的水蒸汽，使生產(chǎn)環(huán)境相對濕度小于40%；

（4）控制爐內(nèi)合金液溫度 ：爐內(nèi)溫度達(dá)到工藝要求(733～742℃)。

3.2.4 裂紋控制

（1）在3104合金化學(xué)成分給定的情況下，通過在成分范圍內(nèi)調(diào)整Fe、Si含量和Fe/Si比值，使鑄態(tài)3104鋁合金中出現(xiàn)盡可能多的α相和盡可能少的β相，減小β相對合金基體割裂。

（2）選用更加有效地晶粒細(xì)化劑，以改善合金組織中第二相的尺寸和形貌。目前3系鋁合金扁錠生產(chǎn)通常采用Al-5Ti-1B中間合金桿作為晶粒細(xì)化劑，雖然細(xì)化效果較好，但是對于第二相的形貌和尺寸沒有明顯的作用。使用Al-5Ti-0.25C-2RE[13～15]增加碳原子與熔體的潤濕性，增加TiC粒子的生成量，為細(xì)化過程提供更多的異質(zhì)形核粒子，提高TiC粒子的表面活性，細(xì)化晶粒，并使富鐵相呈短小骨骼狀、小球狀、短桿狀、顆粒狀，降低由于第二相形貌原因造成的應(yīng)力集中，減小合金凝固過程中產(chǎn)生熱裂紋的傾向。

（3）根據(jù)鑄錠規(guī)格選擇合適的鑄錠冷卻強(qiáng)度，適當(dāng)調(diào)整鑄錠大小面的冷卻水流量，消除凝固過程中由于冷卻不均勻所造成的應(yīng)力集中。

4 結(jié)束語

用電解鋁液生產(chǎn)高品質(zhì)罐用3104鋁合金扁錠在工藝操作上存在很大難度，廣大鋁合金熔鑄技術(shù)人員面臨機(jī)遇也面臨挑戰(zhàn)。作者認(rèn)為，只要我們認(rèn)真研究3104合金的特性、電解鋁液的特點(diǎn)，從理論和實(shí)踐上研究探索適合于罐用3104合金扁錠生產(chǎn)的熔體處理工藝和鑄造工藝參數(shù)的合理配置，就一定能生產(chǎn)出滿足罐體日益減薄所需要的高品質(zhì)合金扁錠，從而擺脫我國罐料長期依賴進(jìn)口的困局，開創(chuàng)中國鋁加工行業(yè)的新局面。

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