大規(guī)格3003 鋁合金扁錠的熔鑄工藝及裂紋缺陷控制

(青海橋頭鋁電股份有限公司，青海 西寧 810100)

0 前言

某公司根據(jù)用戶需要，生產(chǎn)了一批規(guī)格為2 130 mm×630 mm×6 000 mm 的3003 鋁合金扁錠。在生產(chǎn)初期的幾個(gè)爐次中，3003 鋁合金扁錠的大面出現(xiàn)了嚴(yán)重的裂紋缺陷，甚至出現(xiàn)了通裂缺陷，從而導(dǎo)致合金扁錠成批報(bào)廢，給企業(yè)造成一定的經(jīng)濟(jì)損失。為此，公司組織技術(shù)人員對(duì)裂紋缺陷產(chǎn)生的原因進(jìn)行分析，并采取措施控制裂紋缺陷的產(chǎn)生。經(jīng)過(guò)多次生產(chǎn)試驗(yàn)，終于解決了裂紋缺陷產(chǎn)生的問(wèn)題，生產(chǎn)出用戶滿意的大規(guī)格3003 鋁合金扁錠。

1 3003 鋁合金扁錠的化學(xué)成分

3003 鋁合金扁錠的化學(xué)成分見(jiàn)表1。

從表1 可以看出，3003 鋁合金是Al-Mn-Cu 鋁合金。除了Mn 和Cu 是主要合金化元素外，Si、Fe和Zn 元素均以雜質(zhì)元素的形式存在。

表1 3003 鋁合金的化學(xué)成分 %

2 3003 鋁合金扁錠的熔鑄工藝

2.1 3003 鋁合金的化學(xué)成分優(yōu)化

3003 鋁合金中的Mn 含量較高(1.0%～1.5%)，容易導(dǎo)致后續(xù)軋制退火板材中出現(xiàn)FeMnAl6金屬間化合物一次晶缺陷；而Fe、Si 的含量及其相對(duì)含量(ω(Fe)/ω(Si))則關(guān)系到合金凝固過(guò)程β-Fe 相、α-Fe相以及游離Si 的產(chǎn)生。Fe、Mn 的含量及Fe +Mn 的總量則影響FeMnAl6金屬間化合物的生成。β-Fe 相、α-Fe 相以及FeMnAl6均為硬脆性金屬間化合物，游離Si 為初生硅，它們對(duì)合金凝固過(guò)程中裂紋的形成有很大的影響[1]。因此，為避免大規(guī)格3003 鋁合金扁錠產(chǎn)生裂紋和通裂缺陷，在配料熔煉之前對(duì)3003鋁合金進(jìn)行化學(xué)成分優(yōu)化很有必要。優(yōu)化后的3003 鋁合金化學(xué)成分見(jiàn)表2。

表2 優(yōu)化后的3003 鋁合金化學(xué)成分 %

2.2 3003 鋁合金熔煉控制

3003 鋁合金的熔煉在安裝有電磁攪拌裝置的25 t 矩形燃?xì)鉅t中進(jìn)行。熔煉用爐料包括電解鋁液、品位為99.70%的重熔鋁錠、3003 合金工藝廢料、電解銅板和Al-Mn 中間合金。裝料順序?yàn)?先將剪切尺寸為100 mm×100 mm 的電解銅板鋪于熔煉爐的熔池底部，再將重熔鋁錠和工藝廢料放置在電解銅板上方。由于Al-Mn 中間合金的熔化速度很慢，將其放置于所有固體料的最上方，最后用虹吸管裝置將電解鋁液轉(zhuǎn)注到熔煉爐內(nèi)。熔鑄時(shí)，采用的固液比為3∶7，熔煉溫度控制在720～740 ℃。在固體料全部熔化后，啟動(dòng)電磁攪拌裝置對(duì)熔體進(jìn)行攪拌。為確保3003 合金熔體化學(xué)成分和溫度的均勻性，攪拌溫度不得低于720 ℃[2]，攪拌時(shí)間不得小于15 min。然后靜置10 min，扒去熔體表面浮渣，取樣進(jìn)行爐前成分分析。成分達(dá)到規(guī)定要求后，即可將3003 合金熔體轉(zhuǎn)入安裝有爐底透氣磚精煉裝置的25 t 矩形燃?xì)獗貭t。

2.3 3003 鋁合金熔體爐內(nèi)精煉

爐內(nèi)精煉的目的是去除3003 合金熔體中的溶解氫和夾雜物，因?yàn)槿垠w中的溶解氫和夾雜物在鑄錠凝固過(guò)程中會(huì)成為氣孔、疏松和夾渣缺陷的起源，增加鑄錠的裂紋產(chǎn)生傾向。爐內(nèi)精煉分兩步進(jìn)行。首先，當(dāng)3003 合金熔體轉(zhuǎn)入保溫爐內(nèi)且溫度達(dá)到720～730 ℃后，將爐底透氣磚精煉裝置開(kāi)啟至常開(kāi)狀態(tài)。從保溫爐底部將高純氬氣通入透氣磚，利用透氣磚噴射出的氬氣氣泡對(duì)熔體進(jìn)行精煉。透氣磚精煉裝置不僅可以將熔體中的溶解氫和一部分氧化夾雜物帶出液面，而且還可以通過(guò)一直對(duì)熔體實(shí)施攪拌作用，防止3003 合金熔體中比重較大的金屬元素(如Fe 和Mn)發(fā)生沉降，從而改善熔體的化學(xué)成分均勻性，防止3003 合金在鑄造后期發(fā)生成分偏析。與此同時(shí)，采用精煉罐裝置，以高純氬氣為載體將精煉劑通入熔體中，精煉管在熔體不同部位和不同深度游弋，通過(guò)調(diào)整氬氣的壓力和流量，使精煉劑均勻分布于熔體中，然后利用精煉劑與熔體發(fā)生的化學(xué)反應(yīng)與物理反應(yīng)達(dá)到精煉目的。應(yīng)當(dāng)注意的是，精煉過(guò)程中要盡量控制熔體液面翻騰高度小于80 mm，盡量減少精煉過(guò)程中熔體的吸氫量和造渣量。爐內(nèi)精煉完成后，對(duì)熔體進(jìn)行10～15 min 的靜置處理，然后即可進(jìn)行放流鑄造。

2.4 3003 鋁合金熔體在線處理

2.4.1 在線添加晶粒細(xì)化劑

采用大容量熔煉爐熔煉3003 鋁合金時(shí)，需要的時(shí)間比較長(zhǎng)，在靜置爐內(nèi)調(diào)整熔體溫度和成分也要花費(fèi)較長(zhǎng)的時(shí)間，因此，熔體在靜置爐內(nèi)停留的時(shí)間也相對(duì)較長(zhǎng)，而較長(zhǎng)的停留時(shí)間必將造成熔體過(guò)熱。如果不對(duì)合金進(jìn)行細(xì)化處理，那么鑄造成錠后，其結(jié)晶組織中的晶粒必然粗大，導(dǎo)致晶粒間結(jié)合力減小，在鑄造應(yīng)力作用下鑄錠的裂紋產(chǎn)生傾向會(huì)增大。因此，添加晶粒細(xì)化劑是降低3003 鋁合金鑄錠裂紋傾向的重要途徑。

在其他鑄造工藝參數(shù)一定的情況下，通過(guò)添加晶粒細(xì)化劑，可獲得細(xì)小、均勻、致密的鑄錠凝固組織，從而增強(qiáng)鑄錠抵抗裂紋產(chǎn)生的能力。由于鑄錠規(guī)格很大，鑄造過(guò)程需要的時(shí)間很長(zhǎng)(2 h 左右)，為避免晶粒細(xì)化效果減弱，不宜在保溫爐內(nèi)添加晶粒細(xì)化劑。采用在在線除氣箱入口前通過(guò)喂絲機(jī)將Φ9 mm 的Al-5Ti-1B 絲逆流加入溜槽的方式添加細(xì)化劑。要控制Al-5Ti-1B 絲的添加量，通常以ω(Ti)=0.03%為宜。否則，過(guò)量添加細(xì)化劑可能會(huì)造成熔體中TiB2粒子富集，形成TiB2夾雜物，反而增大鑄錠的裂紋產(chǎn)生傾向。

2.4.2 在線除氣

在線除氣是3003 鋁合金扁錠熔鑄過(guò)程中的重要工序之一。通過(guò)雙石墨轉(zhuǎn)子在線除氣裝置，利用分壓差原理可以將爐內(nèi)精煉后的熔體中的殘留溶解氫降至0.15 mL/100 g-Al 以下，同時(shí)利用吸附原理可以除去一部分懸浮于熔體中的夾雜物。為確保除氣效果，除氣介質(zhì)采用高純氬氣，氬氣純度不低于99.996%[3]，氬氣流量為1.5～2 m3/h，工作壓力為0.15 MPa，石墨轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速為340 r/min。如果能夠在氬氣通入之前對(duì)其進(jìn)行預(yù)熱處理，則會(huì)取得更好的除氣效果[4]。

2.4.3 在線除渣

由于爐內(nèi)精煉只能除去尺寸大于30 μm 的夾雜物[5]，在鑄造前必須對(duì)3003 鋁合金熔體進(jìn)行在線過(guò)濾。選擇30ppi/50ppi 孔目配置的雙級(jí)泡沫陶瓷過(guò)濾板，可以除去懸浮于熔體50%以上的尺寸為5 μm的夾雜物和吸附在夾雜物上的氫，因?yàn)樵阡X熔體中，氫和夾雜物存在寄生關(guān)系[6]，夾雜物含量減少了，氫含量就會(huì)相應(yīng)降低。

在線處理不僅使鋁合金鑄錠的晶粒組織得到細(xì)化，而且大大降低了熔體中的夾雜物含量和氫含量，從而有效降低了大規(guī)格3003 鋁合金鑄錠的裂紋產(chǎn)生傾向。

2.5 大規(guī)格3003 鋁合金扁錠的鑄造工藝參數(shù)研究

大規(guī)格3003 鋁合金扁錠在Wagstaff 低液位鑄造機(jī)上進(jìn)行鑄造，其鑄造工藝參數(shù)主要包括鑄造溫度、鑄造速度和冷卻強(qiáng)度。在合金種類確定的情況下，只有合理匹配鑄造溫度、鑄造速度和冷卻強(qiáng)度三者，才能獲得外觀質(zhì)量?jī)?yōu)良、晶粒尺寸細(xì)小、無(wú)冶金缺陷和裂紋產(chǎn)生傾向小的3003 合金扁錠。

2.5.1 鑄造溫度

鑄造溫度對(duì)大規(guī)格3003 合金鑄錠的成形性、晶粒度和裂紋產(chǎn)生傾向都有很大的影響。較低的鑄造溫度有利于形成細(xì)小的晶粒組織；而較高的鑄造溫度則容易形成粗大晶粒。晶粒尺寸越大，晶粒間的接觸面積越小，鑄錠的抗裂能力就越低，其裂紋產(chǎn)生傾向就越大。同時(shí)，如果鑄造溫度較高，鑄錠內(nèi)部的溫度梯度增加，會(huì)導(dǎo)致鑄錠的抗裂能力降低，裂紋產(chǎn)生傾向增大。但是由于3003 合金中含有約1.4%的Mn，其鑄造溫度也不能過(guò)低，否則，會(huì)使3003 合金熔體的流動(dòng)性下降，容易造成夾渣等鑄造缺陷。生產(chǎn)實(shí)踐表明，鑄造溫度控制在710～720 ℃時(shí)，大規(guī)格3003 鋁合金扁錠的裂紋產(chǎn)生傾向極小。

2.5.2 鑄造速度

鑄造速度的快慢直接影響3003 鋁合金扁錠的凝固結(jié)晶速度、液穴深度及過(guò)渡帶的寬窄，是決定鑄錠質(zhì)量的重要參數(shù)。如果鑄造速度慢，鑄錠的液穴深度小，液穴相對(duì)比較平坦，鑄錠自下而上冷卻的方向性就強(qiáng)，易于獲得致密細(xì)小的結(jié)晶組織；如果鑄造速度快，鑄錠的液穴就會(huì)變深，鑄造凝固過(guò)程中鑄錠中心部位的溫度相對(duì)周邊部位要高得多，會(huì)使結(jié)晶組織變得粗大，從而導(dǎo)致鑄錠抵抗裂紋的能力大大降低，這對(duì)于大規(guī)格鑄錠尤為突出。采用Wagstaff低液位鑄造技術(shù)可以有效降低鑄錠的液穴深度，從而有效減小大規(guī)格3003 鋁合金扁錠的裂紋產(chǎn)生傾向。鑄造速度的控制分為三個(gè)階段:1)鑄造初期(啟車階段，鑄造長(zhǎng)度200～400 mm)，以相對(duì)較小的鑄造速度為宜，速度通?？刂圃?0～45 mm/min；2)正常鑄造階段，鑄造速度相對(duì)較高，一般控制在50～60 mm/min；3)鑄造結(jié)束前的收尾階段，相比正常鑄造階段，收尾階段的鑄造速度有所下降，通?？刂圃?5～50 mm/min。

2.5.3 冷卻強(qiáng)度

冷卻強(qiáng)度較小時(shí)，鑄錠的晶粒度會(huì)變大，晶粒間的結(jié)合力就會(huì)變小，鑄錠的裂紋產(chǎn)生傾向會(huì)增大；冷卻強(qiáng)度較高時(shí)，凝固過(guò)程中鑄錠內(nèi)外層的熱應(yīng)力會(huì)增大，使鑄錠的裂紋產(chǎn)生傾向增大。正常情況(冷卻水溫控制在25～30 ℃)下，保證大規(guī)格3003 鋁合金鑄錠正常成形的冷卻強(qiáng)度應(yīng)控制在240～320 m3/h，冷卻水壓應(yīng)控制在0.015～0.035 MPa。由于鑄造過(guò)程中冷卻水的水溫處于由低向高的動(dòng)態(tài)變化過(guò)程之中(通常，鑄造中后期水溫會(huì)升高3～5 ℃)，鑄錠的冷卻強(qiáng)度也會(huì)由大變小，最終有所降低，此時(shí)應(yīng)適當(dāng)加大冷卻水壓和流量。此外，經(jīng)過(guò)一段時(shí)間的使用，冷卻水中的雜質(zhì)(鈣離子、鎂離子及油脂)含量會(huì)明顯增加，大大降低冷卻水的冷卻能力，因此，要定期清理冷卻塔的蓄水池，并對(duì)冷卻水進(jìn)行凈化處理或更換冷卻水，以確保達(dá)到大規(guī)格鋁合金鑄錠所需要的冷卻強(qiáng)度。

3 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)對(duì)3003 合金進(jìn)行成分優(yōu)化、熔煉工藝過(guò)程控制、爐內(nèi)精煉處理和在線熔體凈化，以及低液位鑄造工藝參數(shù)研究與控制，消除了規(guī)格為2 130 mm ×630 mm×6 000 mm 的3003 鋁合金扁錠的裂紋缺陷(尤其是通裂缺陷)，大幅提高鑄錠的表面質(zhì)量，表面偏析層厚度僅為3～5 mm。經(jīng)過(guò)后續(xù)銑面和壓延加工，板材質(zhì)量?jī)?yōu)良，獲得用戶好評(píng)。