鋁合金熔鑄技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀及趨勢(shì)

戴有濤

(中色科技股份有限公司，河南 洛陽 471039)

熔鑄是鋁加工生產(chǎn)工序的第一步，為后續(xù)的壓延、擠壓、鍛造等加工工序提供坯料，其產(chǎn)品質(zhì)量在內(nèi)部組織形態(tài)和晶粒大小等微觀層面及外觀和表面質(zhì)量等宏觀層面均有特定要求，直接關(guān)系到后續(xù)加工產(chǎn)品的最終質(zhì)量，具有很強(qiáng)的遺傳性。尤其在高端鋁加工產(chǎn)品的生產(chǎn)中，熔鑄技術(shù)更為重要，熔鑄產(chǎn)品質(zhì)量的好壞直接關(guān)乎產(chǎn)品的成敗和生產(chǎn)效率。因此，研究熔鑄技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀及趨勢(shì)對(duì)鋁加工產(chǎn)品的質(zhì)量和效率的提高均有重要的指導(dǎo)意義。

1 鋁合金熔鑄技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀

經(jīng)過20多年的快速發(fā)展，熔鑄技術(shù)已經(jīng)涉及配料技術(shù)、熔煉技術(shù)、熔體處理技術(shù)、鑄造技術(shù)、均熱技術(shù)、鋸切技術(shù)、檢測(cè)技術(shù)、智能化及自動(dòng)化技術(shù)等多個(gè)方面。實(shí)際生產(chǎn)中，除一些鑄錠質(zhì)量要求特別高的產(chǎn)品全部采用重熔用鋁錠進(jìn)行配料外，其余多數(shù)熔鑄產(chǎn)品隨著熔體處理技術(shù)的發(fā)展，均可以直接采用電解鋁液進(jìn)行配料。電解鋁液配料技術(shù)省去了重熔錠二次重熔的過程，節(jié)省了能源，降低了燒損。

常規(guī)的燃?xì)夂腿加腿蹮捈夹g(shù)目前在設(shè)備熔化能力上均已較好的滿足了客戶需求，但是在環(huán)保和能源利用效率上仍需要進(jìn)一步提升；而電加熱的熔煉技術(shù)在環(huán)保和降低燒損上有較好表現(xiàn)，但在加熱和升溫能力上則需進(jìn)一步加強(qiáng)。目前燃?xì)夂腿加腿垆X爐大多采用可利用煙氣余熱的蓄熱式燒嘴，而無論是燃?xì)馊加蜖t還是電爐，在爐底配備電磁攪拌裝置已成為了基本配置。另外就是爐內(nèi)爐外的熔體處理技術(shù)，各種技術(shù)層出不窮，各有特點(diǎn)。

1.1 熔體處理技術(shù)

熔體處理是熔鑄技術(shù)中最重要的一個(gè)環(huán)節(jié)，鋁合金熔體內(nèi)氫含量、堿金屬含量和非金屬夾雜物含量的多少對(duì)產(chǎn)品質(zhì)量有著至關(guān)重要的影響。因此，為了從源頭上提高鋁合金產(chǎn)品質(zhì)量，人們開發(fā)出了多種鋁熔體凈化技術(shù)。根據(jù)鋁熔體處理位置不同可分為爐前預(yù)處理、爐內(nèi)處理和爐外在線處理；根據(jù)凈化機(jī)理不同可分為吸附凈化技術(shù)和非吸附凈化技術(shù)。吸附凈化技術(shù)主要是依靠精煉劑(精煉氣體)或其他介質(zhì)對(duì)鋁熔體中的氫和非金屬夾雜物進(jìn)行吸附，達(dá)到凈化鋁熔體的目的；非吸附凈化技術(shù)是除此之外依靠其他物理化學(xué)作用，達(dá)到鋁熔體凈化的目的。

爐前預(yù)處理，主要是指在電解鋁液加入熔鋁爐之前對(duì)鋁熔體進(jìn)行的凈化。目前國(guó)內(nèi)外有很多生產(chǎn)廠家均采用電解鋁液作為原料，電解鋁液雖然能大大減少配料和熔化時(shí)間，節(jié)約能源，但卻存在著“二多、一少、一高”的現(xiàn)象(即氫含量多、夾雜物多、活性晶核少、鋁熔體溫度高)，非常容易造成鑄坯的冶金缺陷，如氣孔、夾渣、晶粒粗大等，對(duì)最終產(chǎn)品質(zhì)量產(chǎn)生不良影響。為確保原料的純凈度，必須對(duì)電解鋁液提前采取凈化處理。目前常見的方法是，在鋁液包內(nèi)通過轉(zhuǎn)子或者鋼管直接通入惰性氣體或精煉劑(一般為氟化鋁粉末)對(duì)其進(jìn)行精煉。爐前預(yù)處理主要利用惰性氣體的表面吸附作用減少鋁熔體中的氫和氧化鋁，利用氟化鋁等精煉劑和鋁熔體中氫和堿金屬的物理化學(xué)作用減少鋁液中的氫含量和堿金屬含量。爐前預(yù)處理采用的常見設(shè)備是除堿裝置。

爐內(nèi)處理，主要是指在熔鋁爐或保溫爐內(nèi)對(duì)鋁熔體進(jìn)行凈化。爐內(nèi)的鋁及鋁合金熔體一般都要進(jìn)行精煉，精煉的過程主要有向爐內(nèi)液體表面直接拋灑精煉劑的方式，插入鋼管通入惰性精煉氣體(或同時(shí)通入精煉劑粉末)的方式，通過爐底透氣磚向爐內(nèi)通入惰性氣體的方式和通過轉(zhuǎn)子向爐內(nèi)通入惰性氣體(或同時(shí)通入精煉劑粉末)的方式。其中通過轉(zhuǎn)子向爐內(nèi)通入惰性氣體又有在爐頂加入可升降轉(zhuǎn)子的方式、在爐子側(cè)墻開洞伸入轉(zhuǎn)子的方式和直接打開爐門伸入轉(zhuǎn)子的方式。目前應(yīng)用最多的是直接采用鋼管向爐內(nèi)通入惰性氣體(或同時(shí)通入精煉劑粉末)的方式和通過爐側(cè)開洞伸入轉(zhuǎn)子通入惰性氣體的方式。此處加入的精煉劑粉末主要有氯化鈉、氯化鉀等，一般是利用物理化學(xué)作用減少鋁熔體中的夾雜；惰性氣體主要為氮?dú)饣驓鍤猓话闶抢枚栊詺怏w氣泡的吸附作用減少鋁熔體中的夾雜；有時(shí)為了進(jìn)一步除去鋁熔體中的堿金屬還會(huì)在惰性氣體中混入一定比例的氯氣(一般為5%～25%)或精煉劑粉末，同時(shí)利用吸附和物理化學(xué)作用對(duì)鋁熔體進(jìn)行綜合凈化。爐內(nèi)處理采用的常見設(shè)備有爐側(cè)旋轉(zhuǎn)除氣裝置，噴粉精煉機(jī)和爐底透氣磚。

爐外在線處理，主要是指在熔鋁爐或保溫爐至鑄造設(shè)備之間對(duì)鋁及鋁合金熔體進(jìn)行處理的方式。此處的熔體處理后，會(huì)直接進(jìn)入鑄造設(shè)備，因此，這一部分的鋁及鋁熔體處理是最重要的，也是各種鋁熔體處理技術(shù)最為密集的地方。一類是以轉(zhuǎn)子向箱體或者流槽中通入惰性氣體(或精煉劑)的方法，這一方法主要是利用吸附作用(如果在惰性氣體中加入四氯化碳、氟化鋁等精煉劑或氯氣則同時(shí)利用了物理化學(xué)作用)凈化鋁熔體。這種方式對(duì)非金屬夾雜物凈化要求較高的鋁熔體不能滿足要求，但通過對(duì)精煉介質(zhì)的控制可以對(duì)氫等氣體含量起到較好的控制，因此我們通常稱之為在線除氣。而通過吸附或其他物理手段對(duì)鋁熔體中非金屬夾雜物進(jìn)行去除的方法，我們通常稱之為在線過濾，其中陶瓷管、氧化鋁球/片、泡沫陶瓷板主要利用了吸附作用，而超聲波凈化處理法和電磁凈化處理法等則是利用其他物理手段。鋁熔體在線處理常用的設(shè)備有轉(zhuǎn)子式除氣裝置、真空除氣裝置、超聲除氣裝置、深床過濾裝置、管式過濾裝置、陶瓷板過濾裝置和電磁過濾裝置。

常見的熔體處理技術(shù)按其在安全、環(huán)保和節(jié)能方面的表現(xiàn)可以歸納如表1所示。

表1 鋁熔體處理效果對(duì)比表

一般在實(shí)際應(yīng)用中，爐前預(yù)處理、爐內(nèi)處理和爐外在線熔體處理根據(jù)產(chǎn)品的需求不同可搭配使用，吸附和物理化學(xué)作用也是根據(jù)鋁液的品級(jí)要求綜合運(yùn)用，最終以得到滿足鑄造要求的鋁及鋁合金熔體為目的。目前一般的高質(zhì)量鋁合金熔體均可以通過在爐前對(duì)電解鋁液進(jìn)行預(yù)處理，熔煉爐內(nèi)采用精煉劑或精煉氣體精煉，保溫爐內(nèi)采用爐側(cè)旋轉(zhuǎn)除氣裝置除氣精煉，再結(jié)合在線晶粒細(xì)化、除氣和過濾的方法獲得。得到高質(zhì)量的熔體之后，下一個(gè)關(guān)鍵技術(shù)就是熔體的鑄造成型。

1.2 鑄造技術(shù)

鑄造階段關(guān)系到鑄坯的成型，其結(jié)晶后的表面質(zhì)量、組織結(jié)構(gòu)及力學(xué)性能直接關(guān)系到鑄坯質(zhì)量的高低，因此是另一個(gè)至關(guān)重要的的環(huán)節(jié)。目前鑄造技術(shù)的發(fā)展主要集中在鑄造質(zhì)量的提升和鑄造安全性的提升兩個(gè)方面。鑄造質(zhì)量的提升集中在表面質(zhì)量的改善，錠尾膨脹翹曲的減小，內(nèi)部組織的細(xì)化和成分的均勻等。常規(guī)鑄造中大部分鑄造技術(shù)主要是針對(duì)改善表面質(zhì)量和減少錠尾膨脹、翹曲而開發(fā)出來的。以國(guó)內(nèi)目前引進(jìn)最多的Wagstaff的各種鑄造技術(shù)為例，如LHC鑄造技術(shù)，Epsilon鑄造技術(shù)，可調(diào)結(jié)晶器鑄造技術(shù)，Air-slip氣滑鑄造技術(shù)，ARC大棒鑄造技術(shù)等，分別通過改善起鑄階段的冷卻速率，降低液穴高度，鑄造前調(diào)節(jié)結(jié)晶器斷面尺寸以適應(yīng)不同規(guī)格不同合金的鑄造收縮，通過油氣潤(rùn)滑，結(jié)晶器內(nèi)增加石墨環(huán)增加潤(rùn)滑等方式來改善鑄錠表面質(zhì)量和錠尾膨脹和翹曲。常見的鑄造技術(shù)按其產(chǎn)品和質(zhì)量控制方式歸納總結(jié)見表2。

表2 鑄造技術(shù)及其對(duì)應(yīng)的控制方式一覽表

目前扁錠和圓錠的鑄造設(shè)備主要以立式半連續(xù)鑄造機(jī)為主，部分要求不高的也采用水平連續(xù)鑄造；鑄軋帶材的生產(chǎn)設(shè)備主要是普通兩輥鑄軋機(jī)。鑄造完成后部分扁錠或圓錠根據(jù)需要要進(jìn)入均熱工序。目前的均熱技術(shù)主要有批次式均熱技術(shù)和連續(xù)均熱技術(shù)。批次式均熱技術(shù)一般采用箱式均熱爐來實(shí)現(xiàn)，適用于扁錠和圓錠的均熱，連續(xù)均熱技術(shù)一般采用連續(xù)均熱爐來實(shí)現(xiàn)，適用于牌號(hào)和規(guī)格單一的大批量圓鑄錠的均熱。

鑄造完成或者均熱完成后的圓錠或者扁錠需要進(jìn)行鋸切頭尾或者中斷工序，一般采用鋸切機(jī)來實(shí)現(xiàn)。鋸切技術(shù)目前常采用的設(shè)備有帶鋸和圓盤鋸兩種。帶鋸可以用來鋸切圓錠和扁錠，其鋸帶薄，產(chǎn)生的碎屑量少，噪音小，目前在鑄錠的鋸切中廣泛使用。圓盤鋸可以用來鋸切規(guī)格較小的扁錠和圓錠，尤其是對(duì)規(guī)格小、數(shù)量多的圓錠產(chǎn)品，其鋸切速度快，投資占地小，相對(duì)于帶鋸碎屑量也不會(huì)有顯著的增加。但圓盤鋸在鋸切扁錠或大規(guī)格的圓錠時(shí)有顯著的缺點(diǎn)，圓盤鋸的鋸片厚度隨鋸切鑄錠的變大需要相應(yīng)的增加，到達(dá)一定程度就不能實(shí)現(xiàn)，同時(shí)，相對(duì)于帶鋸，其鋸屑產(chǎn)生量在鑄錠斷面較大時(shí)將顯著提高，金屬損失嚴(yán)重，成品率較低，因此在扁錠和大規(guī)格圓錠鋸切時(shí)不宜采用。

1.3 自動(dòng)化集成技術(shù)

鑄造完成之后短流程生產(chǎn)的鑄軋帶材根據(jù)產(chǎn)品直接進(jìn)入軋制階段，而扁錠和圓錠根據(jù)需要會(huì)進(jìn)入到均熱、探傷、鋸切等工序。鑄造之后的均熱、探傷、鋸切、打標(biāo)、稱重及圓錠特有的堆垛、碼料、打捆等工序傳統(tǒng)上一般均是由均熱爐、鋸切機(jī)、探傷儀及各種輔助設(shè)備各自獨(dú)立完成的，近些年隨著設(shè)備自動(dòng)化、智能化程度的提高及人力成本的增加，鑄錠的生產(chǎn)及處理越來越向集成的方向發(fā)展。通過自動(dòng)化集成，車間各工序周轉(zhuǎn)時(shí)間可以大大縮短，操作工人顯著減少，生產(chǎn)的安全性和可靠性能大大提高。各設(shè)備廠家正在積極研發(fā)可靠的自動(dòng)化智能化系統(tǒng)，而目前的自動(dòng)化和智能化集成主要集中在鑄造工序之后的均熱、鋸切、探傷等工序，采用輥道、小車、機(jī)械臂、智能天車等實(shí)現(xiàn)具體操作。

綜上，目前的鋁加工熔鑄技術(shù)現(xiàn)狀是多種熔鑄技術(shù)并存，產(chǎn)品質(zhì)量、環(huán)保、節(jié)能及安全性的要求進(jìn)一步提高，新技術(shù)不斷呈現(xiàn)，落后技術(shù)逐步淘汰的全新發(fā)展階段。

2 熔鑄技術(shù)的最新發(fā)展趨勢(shì)

在過去的20年里，中國(guó)的鋁加工業(yè)發(fā)生了翻天覆地的變化，鋁加工產(chǎn)品的需求不僅在體量上有了爆發(fā)式的發(fā)展，在產(chǎn)品質(zhì)量的需求上也有了顯著提高，但快速發(fā)展的同時(shí)導(dǎo)致目前國(guó)內(nèi)鋁加工產(chǎn)品同質(zhì)化競(jìng)爭(zhēng)更加嚴(yán)重。大宗常規(guī)產(chǎn)品過剩引起的低價(jià)競(jìng)爭(zhēng)和定制產(chǎn)品高價(jià)卻往往供應(yīng)不足同時(shí)并存。因此，可以預(yù)見，企業(yè)為了降低成本，以后大宗的鋁加工產(chǎn)品將越來越向?qū)I(yè)化方向發(fā)展，而定制鋁加工產(chǎn)品將越來越向滿足客戶需求的精細(xì)化方向發(fā)展。熔鑄技術(shù)作為鋁加工鑄造坯料生產(chǎn)的核心，其發(fā)展也將追隨這一大趨勢(shì)。不斷提升熔鑄產(chǎn)品的質(zhì)量，滿足大宗產(chǎn)品量大質(zhì)優(yōu)提升生產(chǎn)效率的需求和定制產(chǎn)品質(zhì)量?jī)?yōu)中取優(yōu)的特殊要求將是在質(zhì)量和效率方面的一大趨勢(shì)。

短流程熔鑄技術(shù)的發(fā)展跳出了傳統(tǒng)熔鑄技術(shù)在既定工藝下提升質(zhì)量和效率的思路，通過不斷擴(kuò)展其適用范圍，逐步滿足了更多產(chǎn)品的生產(chǎn)，為熔鑄技術(shù)的進(jìn)步開辟了另一條道路。在更多產(chǎn)品和更多合金牌號(hào)上利用短流程的生產(chǎn)工藝替代現(xiàn)有工藝將是另一個(gè)重要趨勢(shì)。

快速發(fā)展的中國(guó)鋁加工業(yè)，一方面促進(jìn)了經(jīng)濟(jì)發(fā)展，另一方面也帶來了安全、環(huán)保和能源方面的壓力。近年來，國(guó)家在安全、環(huán)保、節(jié)能方面提出了越來越嚴(yán)格的要求，淘汰落后產(chǎn)能，限制或關(guān)停這方面不達(dá)標(biāo)的企業(yè)已是大勢(shì)所趨。熔鑄車間作為鋁加工產(chǎn)品生產(chǎn)中安全問題最為凸顯、環(huán)境污染最為嚴(yán)重、能耗考核最為關(guān)鍵的一環(huán)，各項(xiàng)新技術(shù)的興起和發(fā)展都應(yīng)該以滿足這些方面的準(zhǔn)入和要求為前提。因此，更加安全、節(jié)能、環(huán)保的發(fā)展熔鑄技術(shù)是又一大趨勢(shì)。

為響應(yīng)“中國(guó)制造2025”的號(hào)召，同時(shí)借鑒國(guó)外鋁加工業(yè)的發(fā)展模式，提升鋁熔鑄車間的信息化和自動(dòng)化程度，減少人員的操作，增加生產(chǎn)運(yùn)行的穩(wěn)定性、可靠性和安全性是熔鑄技術(shù)與信息技術(shù)結(jié)合的必然趨勢(shì)。

以上這些來自各個(gè)方面不同的發(fā)展趨勢(shì)必將引導(dǎo)熔鑄技術(shù)向著更加高質(zhì)、高效、健康、持續(xù)，更加滿足社會(huì)需求的方向發(fā)展。

3 結(jié)束語

熔鑄技術(shù)在不斷獲得更高質(zhì)量鋁合金熔體及坯料的基本要求下，需要進(jìn)一步滿足大宗產(chǎn)品生產(chǎn)效率和定制產(chǎn)品質(zhì)量上的要求。擴(kuò)大短流程熔鑄技術(shù)的應(yīng)用及普及車間自動(dòng)化智能化的生產(chǎn)可大大提高生產(chǎn)效率，滿足大宗產(chǎn)品產(chǎn)量上的需求，同時(shí)加快推廣最新的熔體凈化技術(shù)、鑄造技術(shù)可有效提升定制產(chǎn)品質(zhì)量上的要求，最后再輔以智能化和自動(dòng)化集成技術(shù)，充分提高車間生產(chǎn)的穩(wěn)定性、安全性和可靠性，保障車間在環(huán)保、節(jié)能方面的先進(jìn)性。

熔鑄技術(shù)最新發(fā)展趨勢(shì)最終可總結(jié)為四句話：提升大宗產(chǎn)品生產(chǎn)效率；滿足定制產(chǎn)品質(zhì)量要求；滿足生產(chǎn)穩(wěn)定、安全、可靠；確保生產(chǎn)環(huán)保、節(jié)能、高效。