鋁合金熔體氫含量控制研究

劉勇純，楊 楊，周思根

(佛山三水鳳鋁鋁業(yè)，廣東 佛山 528133)

0 引言

鋁合金因其質(zhì)輕、綜合性能優(yōu)良已成為高速列車(chē)車(chē)體的首選材料。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，對(duì)鋁材的質(zhì)量要求越來(lái)越高，對(duì)材料內(nèi)部冶金質(zhì)量、綜合性能要求也極其嚴(yán)格，尤其是牽引梁，要求具有極高的斷裂韌性和疲勞性能。而決定鋁材優(yōu)劣的先決條件是鑄錠的冶金質(zhì)量，所以，如何提高鑄錠的冶金質(zhì)量是搶得先機(jī)的關(guān)鍵。

鋁合金生產(chǎn)的控制指標(biāo)中，最難降低的是氫含量和渣含量指標(biāo)。鋁材中氫含量和渣含量高代表著疲勞裂紋源多，在周期應(yīng)力作用下容易產(chǎn)生疲勞裂紋，降低合金的斷裂韌性和疲勞性能，對(duì)加工制品的使用壽命產(chǎn)生影響。要想獲得氫含量和渣含量低的高質(zhì)量產(chǎn)品，可通過(guò)優(yōu)化工藝、改進(jìn)設(shè)備等措施，在鑄錠熔鑄階段消除這些冶金缺陷，提高熔體的純凈度。

目前，國(guó)內(nèi)各生產(chǎn)企業(yè)要生產(chǎn)出氫含量低于0.12 ml/100 g的鑄錠非常困難。而要進(jìn)一步降低氫含量，使其低于0.10 ml/100 g則更加困難。即使偶爾能夠生產(chǎn)出來(lái)，但工藝參數(shù)不穩(wěn)定，無(wú)法實(shí)現(xiàn)量產(chǎn)化，原因是在熔鑄過(guò)程中很多問(wèn)題沒(méi)有得到根本解決。例如，由水引起的鑄錠中氫含量的增加，爐體的含水僅靠烘爐無(wú)法解決，必須連續(xù)生產(chǎn)幾十爐才能將爐體的水分除去；流槽的水分只能通過(guò)盡量縮短流槽的長(zhǎng)度和加強(qiáng)烘烤去除；空氣的濕度無(wú)法控制，等等。這些不利因素都會(huì)對(duì)鋁熔體造成二次污染，從而增加了鑄錠氫的含量。

1 熔體中氫含量的影響因素

A.熔體溫度。溫度越高，熔體越容易吸氣，吸氣的動(dòng)力越強(qiáng)，氫的溶解度越高。但溫度太低渣不好分離，所以熔體溫度要控制在720℃～750℃(方錠可控制在700℃左右)。對(duì)于7系超高強(qiáng)度高韌性難成型的合金可放寬到760℃，超過(guò)760℃氫含量很難達(dá)標(biāo)。B.熔體停留時(shí)間。時(shí)間越長(zhǎng)，吸氣的時(shí)間也越長(zhǎng)，即使對(duì)熔體進(jìn)行了覆蓋，熔體中的含氣量仍會(huì)增加，所以要盡量控制熔體的停留時(shí)間。C.加熱方式。所有燃燒方式加熱的最終產(chǎn)物都有水，水增加了熔體氫的含量。所有的加熱設(shè)備中，電加熱對(duì)熔體氫含量控制效果最好，所以生產(chǎn)高端鋁材盡量采用電爐。D.耐火材料。爐體、流槽、除氣過(guò)濾設(shè)備、模盤(pán)等盡量選用質(zhì)輕、透氣性好、易烘烤的耐火材料，以防止耐火材料吸潮?，F(xiàn)在有部分企業(yè)在選擇耐火材料時(shí)圖省事而選擇強(qiáng)度高、透氣性不好的耐火材料，這種材料雖然壽命長(zhǎng)，但里面的水分很難擴(kuò)散出來(lái)。有些熔鑄設(shè)備廠商也會(huì)選擇強(qiáng)度高、壽命長(zhǎng)的耐火材料，致使有些模盤(pán)用了一個(gè)月還在冒泡，這種模盤(pán)僅靠烘烤是不行的，必須用熔體將水分吸出來(lái)。E.鑄造速度。速度快可減少吸氣，但除氣率會(huì)下降，所以在設(shè)計(jì)工藝時(shí)要綜合考慮。F.合金元素。合金元素的影響主要分兩種情況：第1種與氫的親和力增大，如鎂；第二種破壞保護(hù)膜，如硅等。因熔煉過(guò)程中合金元素不可改變，所以要加強(qiáng)其他方面的工作，如覆蓋、烘烤、除氣過(guò)濾和減少二次污染等。G.氣候環(huán)境。選擇干燥的季節(jié)，避開(kāi)潮濕多雨季節(jié)。還可選擇一些干旱的地區(qū)生產(chǎn)高端鋁材，如大西北等。H.精煉氣體。效果最好的是氯氣，因?yàn)槁群蜌涞挠H和力非常強(qiáng)。但氯氣屬有毒有害氣體，國(guó)家控制非常嚴(yán)格。其次是氬氣，效果最差的是氮?dú)狻Ｄ壳皯?yīng)用最多的是氬氣。I.其他。如精煉、除氣用熔劑、氣體純度、覆蓋劑質(zhì)量等。

2 生產(chǎn)高質(zhì)量鑄錠的措施

2.1 爐體結(jié)構(gòu)

熔煉爐在建造時(shí)一定要脫離地面，防止地下的水汽通過(guò)毛細(xì)現(xiàn)象滲入爐體。工字鋼上面是鋼板，在其上建造熔煉爐，如圖1所示。

圖1 爐體結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Schematic diagram of furnace structure

2.2 爐體水含量

要生產(chǎn)0.12 ml/100 g以下的鑄錠，爐內(nèi)精煉必須達(dá)到0.2 ml/100 g以下。一臺(tái)新?tīng)t爐體的水分靠烘爐無(wú)法去除，必須靠洗爐將爐體的水分洗掉。洗爐的數(shù)量與氫含量的關(guān)系是雙曲線，拐點(diǎn)在5～6爐之間，所以要想生產(chǎn)高質(zhì)量的鑄錠，必須將熔煉爐爐體的水分處理掉，如圖2所示。

圖2 爐數(shù)與氫含量關(guān)系圖Fig.2 Relationship between furnace quantity and hydrogen content

2.3 除氣箱和過(guò)濾箱的箱體水含量

理論上，除氣箱和過(guò)濾箱箱體的水含量符合熔煉爐的洗爐數(shù)據(jù)規(guī)則。但實(shí)際上，過(guò)濾箱和除氣箱因外界因素的影響，水含量會(huì)增加。所以，在生產(chǎn)高端鋁材時(shí)，也要將過(guò)濾箱和除氣箱的水分處理掉。所有流槽要采用輕質(zhì)材料，使用一段時(shí)間后再用于生產(chǎn)高端鋁材，并且生產(chǎn)前要使用專(zhuān)用的烘烤設(shè)備烘烤12 h以上。

2.4 合理布局

空氣中有大量的水蒸氣，熔體溫度越高，流道越長(zhǎng)，吸氣越嚴(yán)重。因此，設(shè)備布局要緊湊，除氣爐和過(guò)濾爐必須設(shè)計(jì)在一個(gè)爐子中。高端鋁材大多是7系高強(qiáng)高韌和2系硬鋁合金，這些合金流量非常小，如果流道過(guò)長(zhǎng)，鑄造時(shí)就要提高澆鑄溫度，而熔體溫度不能超過(guò)760℃。由于流道過(guò)長(zhǎng)，很多生產(chǎn)線不能生產(chǎn)高端鋁材，這是很多企業(yè)的通病。

生產(chǎn)高端鋁材的設(shè)備結(jié)構(gòu)必須緊湊，整個(gè)流道長(zhǎng)度熱頂鑄造不超過(guò)2 m，浮漂漏斗鑄造不超過(guò)1 m。過(guò)濾箱要和除氣箱組合在一起減少流槽的有效長(zhǎng)度。東北某科研所曾設(shè)計(jì)的電加熱流槽、雙轉(zhuǎn)子除氣等設(shè)備，因?yàn)榱鞑圻^(guò)長(zhǎng)，最終鑄造溫度要800℃以上才可以生產(chǎn)出7075鑄棒，但溫度過(guò)高會(huì)影響鋁棒的質(zhì)量。

2.5 鑄造方式與二次污染的控制

變形鋁合金的鑄造方式有兩種：一種是浮漂漏斗式半連續(xù)鑄造，一種是熱頂同水平半連續(xù)鑄造。前者生產(chǎn)效率低但冶金質(zhì)量易控制，后者生產(chǎn)效率高但冶金質(zhì)量難以控制。

二次污染是指鋁液流出除氣設(shè)備后，進(jìn)入結(jié)晶器前吸氣的過(guò)程。如果二次污染得不到控制，則很難生產(chǎn)出高冶金質(zhì)量的鑄錠?？s短流槽的長(zhǎng)度可減少熔體二次污染。如果流槽的長(zhǎng)度過(guò)長(zhǎng)，則二次污染不可避免。

模盤(pán)、流槽需采用輕質(zhì)、透氣性好的耐火材料。用專(zhuān)用烘烤工具烘烤，時(shí)間大于12 h。如果耐火材料透氣性差，要延長(zhǎng)使用和烘烤時(shí)間。

2.6 精煉劑、覆蓋劑的使用

熔爐內(nèi)精煉時(shí)，要按規(guī)定使用精煉劑，精煉要徹底不留死角。所有暴露在空氣中的熔體表面都要使用覆蓋劑覆蓋，熔煉爐內(nèi)也要覆蓋。覆蓋劑可延緩熔體吸氣，減少熔體的氫含量。使用覆蓋劑時(shí)要注意，在有透氣磚的地方要減少覆蓋劑的用量，避免鑄造過(guò)程中黏液流入透氣磚中。

3 結(jié)語(yǔ)

如果要生產(chǎn)出符合要求的氫含量低的高端鋁材，就要對(duì)設(shè)備合理布局，縮短流槽長(zhǎng)度。爐襯、流槽、模盤(pán)要選用質(zhì)輕、透氣性好、易烘烤的耐火材料。所有的工序及所用的原輔材料都要嚴(yán)格按照工藝要求執(zhí)行。