大規(guī)格3104鋁合金扁錠的熔鑄工藝及表面偏析瘤缺陷的預(yù)防措施

白世森,劉民章

(青海橋頭鋁電股份有限公司，青海 西寧 810100)

隨著國民經(jīng)濟(jì)的迅速發(fā)展和人民生活水平的不斷改善,國內(nèi)市場對罐裝飲料的需求逐步增加。由于鋁質(zhì)易拉罐具有質(zhì)量輕和耐腐蝕等優(yōu)點(diǎn),已經(jīng)成為人們?nèi)粘Ｉ钪胁豢扇鄙俚娘嬈钒b形式。目前,用于深沖拉伸加工鋁質(zhì)易拉罐罐身的材料主要有3104和3004鋁合金。通常,3004鋁合金主要是通過熔煉和鑄軋工序得到6～8 mm厚的鑄軋板,經(jīng)過壓延加工和熱處理制成易拉罐生產(chǎn)所需的罐身材料;而3104鋁合金則是經(jīng)過熔煉、DC鑄造、銑面、均勻化熱處理、熱軋開坯加工成6～8 mm厚的熱軋板,然后經(jīng)過壓延加工和熱處理制成易拉罐生產(chǎn)所需的罐身材料。雖然采用鑄軋板加工易拉罐罐身材料的生產(chǎn)工藝和成本相對較低,但由于其在鑄軋和壓力加工過程中易出現(xiàn)冶金缺陷和加工缺陷,目前國內(nèi)在加工鋁質(zhì)易拉罐罐身深沖料時(shí),仍然多采用3104鋁合金扁錠。為了提高加工效率、材料利用效率并降低生產(chǎn)成本,加工廠家對熱軋開坯用3104鋁合金扁錠的規(guī)格也逐漸趨于大規(guī)格化。某公司熔鑄廠與用戶簽訂了鑄造1800 mm×630 mm×6000 mm 規(guī)格3104 鋁合金扁錠的供貨合同,為此進(jìn)行了大規(guī)格3104鋁合金扁錠的熔鑄工藝試驗(yàn)。

1 3104鋁合金扁錠的化學(xué)成分及質(zhì)量要求

3104鋁合金扁錠的化學(xué)成分由用戶提供,詳見表1。3104鋁合金扁錠的質(zhì)量要求見表2。

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

表2 3104鋁合金扁錠的質(zhì)量要求

2 3104鋁合金扁錠的熔鑄設(shè)備

1800 mm×630 mm×6000 mm 大規(guī)格3104鋁合金扁錠熔煉和鑄造的主要設(shè)備:

(1)裝備電磁攪拌裝置的蓄熱式55 t矩形燃?xì)馊蹮挔t;

(2)裝備有爐底透氣磚精煉裝置的55 t矩形燃?xì)獗貭t;

(3)自動(dòng)喂絲機(jī);

(4)載氬精煉裝置;

(5)Hycast I-60SIR 在線除氣裝置;

(6)國產(chǎn)深床過濾裝置;

(7)Wagstaff 低液位鑄造機(jī)組。

2.1 爐料選擇

由于該企業(yè)具有30萬噸電解鋁的年生產(chǎn)能力,為了在節(jié)能減排基礎(chǔ)上降低3104鋁合金扁錠的生產(chǎn)成本,采用以電解鋁液直接配料的“短流程”熔鑄工藝。所選用的爐料主要包括:品位為99.70%的電解鋁液;品位為99.70%的重熔鋁錠;本合金(3104)和/或其他Al-Mn合金扁錠優(yōu)質(zhì)工藝廢料(干燥、清潔、比表面積小);Al-Mn、Al-Fe、Al-Si中間合金;干燥、清潔并剪切成尺寸為50 mm×50 mm的電解銅板;重熔鎂錠(Mg-1);無鈉無改覆蓋劑;直徑為Ф9 mm的Al-5Ti-1B晶粒細(xì)化劑。

2.2 清洗爐、電解鋁液預(yù)處理及虹吸管轉(zhuǎn)注

為了將3104鋁合金熔煉及爐內(nèi)精煉過程中的合金交叉污染降到最低程度,采取了以下三項(xiàng)措施:

(1)在3104鋁合金熔煉與爐內(nèi)精煉前,對熔煉爐和保溫爐進(jìn)行徹底清爐與洗爐:因?yàn)樵谄渌辖鹑蹮捄途珶掃^程中,多使用含鈉精煉劑和覆蓋劑,而堿金屬鈉對爐襯具有極強(qiáng)的腐蝕性能,在熔煉過程中,它們或以離子形式或以蒸汽形式滲入耐火材料爐襯中。而當(dāng)熔煉3104鋁合金時(shí),因?yàn)楣に囈蟮拟c含量極低,很可能由于Na的濃度梯度原因,造成爐襯中的Na向熔體中擴(kuò)散,導(dǎo)致3104鋁合金的鈉污染。

(2)電解鋁液預(yù)處理,電解鋁液是一種非?！芭K”的鋁熔體,因?yàn)樗袑︿X合金熔鑄產(chǎn)品十分有害的Na、H2、Al2O3、氮化物、碳化物以及其他雜質(zhì)[1]。Na的存在不僅會(huì)影響鋁合金的鑄造性能[2],造成鋁合金(尤其是高鎂鋁合金)鑄錠開裂[3],而且還會(huì)降低鋁合金的壓延性能,造成鋁合金板材的軋制裂邊缺陷[4-5],導(dǎo)致產(chǎn)品成材率降低,甚至導(dǎo)致壓延產(chǎn)品報(bào)廢。雖然在其他系列鋁合金加工中,Na對鑄錠和壓延加工產(chǎn)品開裂的影響沒有那么明顯,但對熱軋+冷軋+深沖拉伸罐體用3104鋁合金扁錠的負(fù)面影響不容忽視,如果控制不當(dāng),也會(huì)造成軋制裂邊[6],影響罐體的深沖拉伸性能。而電解鋁液中的氫含量也很高,如果在后續(xù)處理不當(dāng),將會(huì)使其通過鑄造過程遺傳到鋁合金扁錠中,在扁錠中形成氣孔或氣體性疏松,并在后續(xù)軋制過程中形成孔洞,增加罐體料的斷帶幾率。電解鋁液中的各種夾雜物含量很高(主要是Al2O3),如果處理不當(dāng),將會(huì)在鑄錠中形成夾雜物,而夾雜物與合金基體的彈性模量相差很大,從而造成在后續(xù)軋制中夾雜物與基體界面因應(yīng)力集中而出現(xiàn)裂紋,裂紋的出現(xiàn)嚴(yán)重破壞了鋁基體的連續(xù)性[7],導(dǎo)致深沖拉伸過程中斷罐率增加。鑒于電解鋁液存在上述嚴(yán)重影響3104鋁合金扁錠冶金質(zhì)量的問題,為確保3104鋁合金扁錠的冶金質(zhì)量,在電解鋁液注入熔煉爐之前,對電解鋁液進(jìn)行預(yù)處理十分必要。目前較為有效的電解鋁液預(yù)處理是在電解鋁液預(yù)處理裝置中進(jìn)行[8-9]。通過電解鋁液預(yù)處理,不僅可以大大降低熔體中的夾雜物和溶解氫含量,而且還可以將電解鋁液中的Na、K、Li等堿金屬質(zhì)量分?jǐn)?shù)控制3×10-6以下,從而有效提高電解鋁液的清潔度。

(3)虹吸管轉(zhuǎn)注,通過預(yù)處理可以提高電解鋁液的純凈度,但是如果轉(zhuǎn)注方式不當(dāng)(即采用小瀑布轉(zhuǎn)注法),不僅會(huì)大大降低預(yù)處理效果,而且還會(huì)使熔體中的氫含量和夾雜物含量升高,為后續(xù)熔體處理帶來極大困難。因此,在3104鋁合金熔鑄過程中,對于經(jīng)過預(yù)處理的電解鋁液,應(yīng)采用虹吸管將電解鋁液由真空抬包轉(zhuǎn)注入熔煉爐中,從而有效抑制轉(zhuǎn)注過程中因“小瀑布”形成而導(dǎo)致大量氧化鋁膜的形成和氫氣卷入[10]。

2.3 爐料添加順序及方式

2.3.1 爐料添加順序

為了縮短3104鋁合金熔煉時(shí)間,減少金屬氧化燒損和降低氫、渣含量,采取合理的爐料添加順序和方式十分必要。具體添加順序如下:固體料(重熔鋁錠+工藝廢料+電解銅板)→中間合金(放置在固體料上方)→電解鋁液→金屬鎂錠。

需要說明的兩點(diǎn)是:一是因?yàn)橹虚g合金的熔點(diǎn)相對比較高(Al-Fe中間合金:860～920 ℃,Al-Mn中間合金770～820 ℃,Al-Si中間合金630～770 ℃)[7],將它們放置在固體爐料上方,是因?yàn)槿細(xì)馊紵龝r(shí),火焰是以一定角度的射流方式由燃燒器中噴出,高溫火焰與上方爐料發(fā)生激烈碰撞,可加速高熔點(diǎn)中間合金熔化;二是最后加入金屬鎂錠,是因?yàn)榻饘冁V極為活潑,在空氣中極易氧化而形成具有多孔性質(zhì)的MgO膜,而MgO膜不僅對鋁熔體沒有保護(hù)作用,而且還會(huì)破壞熔體表面Al2O3膜的致密性,加速鋁熔體的氧化。

2.3.2 金屬鎂錠的添加方式

3104鋁合金熔煉時(shí),除了金屬鎂錠外,其他爐料的添加方式對熔體質(zhì)量并無大的影響。在所有爐料中金屬鎂錠的密度最小,如果直接加入鋁液中,必然會(huì)漂浮于熔體表面,造成Mg大量氧化燒損,不僅影響Mg元素含量的穩(wěn)定控制,而且還會(huì)因?yàn)閵A雜物和氫含量升高而惡化熔體質(zhì)量。因此,在3104鋁合金熔煉中,鎂錠要用鋁帶材包裹后,才能投入熔體中,并用涂刷了鈦白粉的鋼制工具將其壓入熔體中,直至其完全熔化[11]。由于3104鋁合金中的鎂含量較低,平均含量1.20%(質(zhì)量分?jǐn)?shù)),這種添加方式的效果良好;但當(dāng)鋁合金中的鎂含量較高時(shí),這種方式則不可取,因?yàn)樗M(fèi)時(shí)、費(fèi)料、勞動(dòng)強(qiáng)度大且操作環(huán)境差。

2.4 熔 煉

在裝備有電磁攪拌裝置的55 t蓄熱式矩形燃?xì)鉅t中進(jìn)行3104鋁合金熔煉。當(dāng)所有固體爐料全部熔化后,啟動(dòng)電磁攪拌裝置對熔體進(jìn)行15～20 min攪拌,使熔體溫度和化學(xué)成分均勻化。然后將事先用薄鋁板帶包裹的金屬鎂錠投入熔體,并用涂刷了鈦白粉的鋼制工具將其壓入熔體中直至完全熔化。再次啟動(dòng)電磁攪拌裝置進(jìn)行攪拌,攪拌時(shí)間不少于15～20 min。將用四氯化碳浸泡的耐火磚八塊均勻放置于熔池底部的不同位置,在熔煉爐內(nèi)對3104鋁合金熔體進(jìn)行預(yù)精煉,直至熔體表面再無氣泡逸出為止。對熔體進(jìn)行不少于15 min的靜置處理,以使熔體中的氫和夾雜物有充分的時(shí)間上浮和逸出熔體表面,隨后進(jìn)行扒渣并用無鈉無鈣覆蓋劑進(jìn)行覆蓋。取樣進(jìn)行爐前快速分析,確認(rèn)化學(xué)成分合格后進(jìn)行轉(zhuǎn)爐作業(yè)。在整個(gè)熔煉過程中,控制熔煉溫度在730～740 ℃。

2.5 熔體的爐內(nèi)精煉

3104鋁合金熔體轉(zhuǎn)入保溫爐內(nèi),在確保熔體溫度不低于735 ℃前提下進(jìn)行爐內(nèi)精煉。爐內(nèi)精煉分兩步同時(shí)進(jìn)行。首先將爐底透氣磚開啟至精煉模式,利用由爐底通入的高純氬氣對3104鋁合金熔體進(jìn)行物理精煉,其主要原理是吸附原理和分壓差原理。透氣磚精煉可以除去熔體中的大部分溶解氫和尺寸較大的夾雜物。與此同時(shí),利用精煉罐以高純氬氣為載體向熔體中通入四氯化碳(液體),對熔體進(jìn)行物理和化學(xué)精煉?；瘜W(xué)精煉主要是利用熔體中堿金屬元素及氫元素的化學(xué)活性,與四氯化碳分解所產(chǎn)生的Cl2進(jìn)行反應(yīng)生成堿金屬氯鹽和氯化氫氣體,從而達(dá)到除氫、除堿、除雜的熔體凈化目的。精煉完成后,靜置10 min左右,扒去熔體表面浮渣,并進(jìn)行覆蓋,同時(shí)取樣分析,成分符合要求后放流鑄造。

在3104鋁合金熔體精煉過程中,有幾點(diǎn)應(yīng)引起高度重視:一是為避免精煉罐精煉時(shí)造成熔體劇烈氧化和吸氫,要嚴(yán)格掌控精煉槍在熔體中的浸入深度,同時(shí)注意調(diào)整氬氣的輸送壓力,保證液面上熔體的翻騰高度控制在50～60 mm;二是由于3104鋁合金中含有1.16%～1.24%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))的Mg元素,而Mg元素具有極強(qiáng)的化學(xué)活性,必然會(huì)與Cl2發(fā)生反應(yīng)生成MgCl2,造成一定的Mg元素?fù)p失,因此,在實(shí)際配料操作時(shí),為確保3104鋁合金扁錠的成分與性能符合要求,Mg元素應(yīng)按中上限配料;三是之所以不采用粉狀精煉劑進(jìn)行精煉,主要是由于精煉劑中含有一定量的發(fā)泡劑。

2.6 熔體的在線凈化處理

在線凈化處理是實(shí)現(xiàn)鋁合金熔體凈化的重要手段。由于3104鋁合金罐體深沖拉伸料對氫含量和夾雜物含量的要求極為嚴(yán)格,采用常規(guī)產(chǎn)品的凈化方式必然不能滿足罐體料的加工要求。因此,在對3104鋁合金熔體進(jìn)行在線凈化處理時(shí),須采取以下措施:

(1)提前做好各項(xiàng)生產(chǎn)準(zhǔn)備工作。首先,對鋁液轉(zhuǎn)注溜槽、在線除氣和除渣裝置的耐火材料內(nèi)襯進(jìn)行仔細(xì)清理和修補(bǔ),并按工藝規(guī)定的時(shí)間和溫度對其它們進(jìn)行烘干處理,涂刷氮化硼涂料備用。

(2)為了減緩放流鑄造過程種溜槽中鋁合金熔體波動(dòng)所引起湍流流動(dòng)造成的熔體氧化和吸氫,在溜槽中加裝孔目尺寸較大的泡沫陶瓷過濾板,不僅可以減緩鋁液流動(dòng)速度,而且還可以攔截熔體中尺寸較大的夾雜物,從而減輕后續(xù)在線處理的壓力。

(3)為了達(dá)到用戶提出的晶粒度,采用喂絲機(jī)以逆流方式將Ф9 mm的Al-5Ti-1B晶粒細(xì)化劑添加在保溫爐出鋁口與在線除氣箱中間的鋁液溜槽中。因?yàn)樵谶@一段溜槽中,鋁熔體的溫度比較高,加之逆流添加,鋁液對晶粒細(xì)化劑的沖刷力較大,有利于晶粒細(xì)化劑溶解;另一方面,溶解后的細(xì)化劑在很短的時(shí)間內(nèi)進(jìn)入在線除氣箱中,而除氣相中的石墨轉(zhuǎn)子以一定的速度旋轉(zhuǎn),對鋁熔體施加了攪拌作用,可有效防止細(xì)化劑中TiAl3和TiB2粒子的沉淀與聚集,達(dá)到提高晶粒細(xì)化效果的目的。

(4)采用Hycast I-60SIR 在線除氣裝置對3104鋁合金熔體進(jìn)行在線除氣,這是因?yàn)樵撗b置不僅除氣效率高,而且兼具良好的除渣效果。該裝置對于尺寸大于40 μm的夾雜物,除渣效率為98%,對于尺寸大于20 μm的夾雜物,除渣效率為50%;而對于初始?xì)浜看笥?.4 mL/(100g-Al)的鋁熔體,除氣效率可達(dá)70%,保證值為0.11 mL/(100g-Al)。因此,這種裝置非常適合于3104鋁合金罐體料的在線處理[12]。

(5)由于3104鋁合金罐體料對斷罐率的要求比較高,而夾雜物是影響其斷罐率的主要因素之一[13-14]。因此,在線除渣工序質(zhì)量控制極為重要。在陶瓷泡沫過濾板、管式過濾和深床過濾這三種主要過濾方式中,由于深床過濾具有過濾面積大、過濾效率高的特點(diǎn),對尺寸大于 5 μm 的夾雜物,過濾效率超過90%,且鋁熔體通過量大,適合于大批量生產(chǎn)等優(yōu)點(diǎn)[15],因此,在3104鋁合金扁錠工藝試驗(yàn)中選擇了深床過濾方試。

2.7 大規(guī)格3104鋁合金扁錠的低液位鑄造工藝

選擇低液位鑄造工藝進(jìn)行大規(guī)格3104鋁合金扁錠鑄造,是因?yàn)榈鸵何昏T造結(jié)晶器內(nèi)金屬液面遠(yuǎn)低于傳統(tǒng)DC鑄造的金屬液位,結(jié)晶器有兩套獨(dú)立的噴水裝置,在鑄造過程中可以通過計(jì)算機(jī)自動(dòng)控制結(jié)晶器內(nèi)的液位水平、石墨襯板潤滑、冷卻水流量與強(qiáng)度等鑄造工藝參數(shù)。低液位鑄造具有鑄造過程穩(wěn)定,工藝參數(shù)波動(dòng)小,所生產(chǎn)的鑄錠組織致密,表面光滑,粗晶層和表面偏析層厚度薄,鑄錠底部翹曲量小等優(yōu)點(diǎn)[16],因此適合高品質(zhì)的大規(guī)格制罐用3104鋁合金扁錠生產(chǎn)。

低液位鑄造結(jié)晶器有兩種主要形式,即固定式結(jié)晶器和可調(diào)式(組合式)結(jié)晶器?？烧{(diào)式結(jié)晶器因其尺寸可以靈活調(diào)整、同一個(gè)結(jié)晶器可以生產(chǎn)多種規(guī)格鑄錠而在DC鑄造中得到廣泛應(yīng)用。但是,由于這種結(jié)晶器是由幾部分組合裝配而成,其四個(gè)角部均鑲嵌了鋁合金材料,鋁合金材料與石墨質(zhì)材料之間存在明顯的組裝接縫,加之長時(shí)間使用而產(chǎn)生的熱應(yīng)力變形,用手觸摸可以感覺到材質(zhì)的不同和鑲嵌的感覺。在鑄造過程中可能會(huì)因?yàn)榻遣拷涌p對扁錠的刮擦造成漏鋁而導(dǎo)致鑄造過程失敗;而且,在鑄造過程中,由于冷卻水與高溫鋁錠接觸,要產(chǎn)生大量的水蒸氣盤旋于鑄井上方,當(dāng)水蒸氣進(jìn)入結(jié)晶器角部縫隙中時(shí),便會(huì)以汽膜的形式存在,這種汽膜會(huì)降低結(jié)晶器壁的熱傳導(dǎo)效果。固定式結(jié)晶器的四面均為石墨質(zhì)材料,四塊石墨質(zhì)材料之間結(jié)合緊密,因此,鑄造過程中傳熱性能較好,而且傳熱比較均勻;結(jié)晶器四個(gè)角部不會(huì)因?yàn)榻涌p造成鑄造初期因刮擦鑄錠造成漏鋁而導(dǎo)致鑄造過程失敗?？紤]到上述影響,在大規(guī)格3104鋁合金扁錠鑄造時(shí),選用固定式結(jié)晶器。

在本工藝試驗(yàn)中,3104鋁合金扁錠的鑄造參數(shù)是以同規(guī)格3003鋁合金扁錠工藝參數(shù)為基礎(chǔ),考慮Mg元素影響而確定的。在確保鑄錠成形性的前提下,經(jīng)過多次試制和調(diào)整,確定3104鋁合金扁錠的低液位鑄造工藝參數(shù),如表3所示。

表3 3104鋁合金扁錠的鑄造工藝參數(shù)

對低液位工藝所生產(chǎn)1800 mm×630 mm×6000 mm 規(guī)格3104鋁合金扁錠進(jìn)行了低倍分析,結(jié)果見表4。

表4 3104鋁合金扁錠的低倍分析結(jié)果

由表4可以看出,上述指標(biāo)均符合用戶要求。所生產(chǎn)1800 mm×630 mm×6000 mm 規(guī)格3104鋁合金扁錠的外觀如圖1所示?？梢钥闯?該鑄錠具有良好的外觀質(zhì)量。

圖1 表面質(zhì)量良好的3104鋁合金扁錠

對3104鋁合金中各元素含量進(jìn)行了化學(xué)分析,結(jié)果如表5所示。

表5 3104鋁合金扁錠化學(xué)成分分析結(jié)果(質(zhì)量分?jǐn)?shù)/%)

由表5可以看出,3104鋁合金扁錠中各元素含量均符合用戶提出的化學(xué)成分要求(有害元素含量檢測是委托通標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)服務(wù)有限公司進(jìn)行的)。

為了確定3104鋁合金扁錠截面上不同部位的元素分布(偏析)情況,取鑄錠截面的1/4進(jìn)行分析檢測。所有檢測點(diǎn)均處于鑄錠截面上厚度和寬度的中心線上,各檢測點(diǎn)分別為扁錠截面中心點(diǎn)(O點(diǎn))、寬度W方向1/4處(B點(diǎn))及表層下方20 mm(A點(diǎn))和厚度方向1/4處(C點(diǎn))和表層下方20 mm處(D點(diǎn)),各檢測點(diǎn)分布如圖2所示。各部位Fe、Si元素含量分布情況如表6所示。

圖2 3104鋁合金扁錠橫截面上各元素分布檢測點(diǎn)

由表6可以看出,各檢測點(diǎn)的Fe、Si、Cu、Mn、Mg元素含量分布是比較均勻的,其最大偏差分別為0.04%、0.03%、0.02%、0.04%和0.02%。其原因可能有以下三點(diǎn):一是在熔煉過程中電磁攪拌發(fā)揮了有利作用;二是在鑄造過程中,高純氬氣一直通過爐底透氣磚對熔池內(nèi)的熔體實(shí)施攪拌;三是由于鑄錠規(guī)格比較大,能夠在較短的時(shí)間內(nèi)完成合金鑄錠的半連續(xù)鑄造。它們的共同作用,使得鑄錠中各元素具有較為理想的分布均勻性。

表6 8079鋁合金扁錠斷面上不同部位各元素含量(質(zhì)量分?jǐn)?shù)/%)

上述分析結(jié)果表明,在1800mm×630 mm×6000 mm 規(guī)格3104鋁合金扁錠熔鑄過程中,所采用的熔煉、精煉和鑄造工藝是合適的。

3 3104鋁合金扁錠表面偏析瘤產(chǎn)生的原因及其控制措施

在1800 mm×630 mm×6000 mm 規(guī)格3104鋁合金扁錠熔鑄工藝試驗(yàn)中,在鑄錠表面出現(xiàn)了較為嚴(yán)重的偏析瘤缺陷,偏析瘤分布在鑄錠的整個(gè)大面上(小面上的偏析瘤較輕),其高度在3～6 mm,如圖3所示。偏析瘤的出現(xiàn),不僅對扁錠的化學(xué)成分造成一定影響,而且可能會(huì)影響扁錠的銑面深度,降低材料利用率,增加生產(chǎn)成本,因此必須認(rèn)真分析其產(chǎn)生的原因,并制訂切實(shí)可行的工藝措施加以控制。

圖3 3104鋁合金扁錠表面偏析瘤缺陷

3.1 扁錠表面偏析瘤缺陷形成的原因

3.1.1 表面偏析瘤的形成機(jī)理

放流鑄造后,當(dāng)鋁合金熔體進(jìn)入結(jié)晶器并與結(jié)晶器壁(石墨片)接觸后,由于激冷作用而形成凝殼。液體凝固成固體后會(huì)發(fā)生體積收縮,在結(jié)晶器壁與鑄錠表面之間形成間隙。隨著該間隙的形成,結(jié)晶器壁對鑄錠的冷卻強(qiáng)度降低,而金屬內(nèi)部的熱量通過熱傳導(dǎo)方式使鑄錠表面凝殼溫度升高,當(dāng)鑄錠表面凝殼溫度升高至導(dǎo)致凝殼熔化的溫度時(shí),凝殼就會(huì)發(fā)生重熔現(xiàn)象,造成局部軟化或熔化。而低液位鑄造是在大氣壓條件下進(jìn)行的,這時(shí),在大氣壓和熔體靜壓力的聯(lián)合作用下,含有大量低熔點(diǎn)共晶的熔體,會(huì)沿著晶間及枝晶間的縫隙,沖破凝殼的軟化或熔化部位擠入鑄錠表面與結(jié)晶器壁之間的間隙中,并凝結(jié)成偏析瘤[17]。偏析瘤的存在嚴(yán)重影響鑄錠的表面質(zhì)量及表層金屬的內(nèi)在結(jié)晶質(zhì)量,在軋制時(shí)容易產(chǎn)生開裂。增加了軋制前銑面時(shí)的銑面厚度,造成用戶的金屬損失及生產(chǎn)成本增加。

3.1.2 扁錠表面偏析瘤的形成原因

一般來說,鋁合金DC鑄造扁錠表面偏析瘤的產(chǎn)生主要與結(jié)晶器高度、結(jié)晶器形狀、結(jié)晶器內(nèi)液面高度、鑄錠冷卻強(qiáng)度等因素有關(guān)[18]。在傳統(tǒng)DC鑄造中,由于結(jié)晶器的高度比較大,結(jié)晶器內(nèi)的熔體液面比較高,即使在與低液位鑄造相同的冷卻強(qiáng)度下,也極易出現(xiàn)較為嚴(yán)重的表面偏析瘤缺陷。本工藝試驗(yàn)采用的是低液位鑄造技術(shù)及低液位結(jié)晶器,結(jié)晶器內(nèi)的液面高度(35 mm)比傳統(tǒng)DC鑄造的液面高度(60 mm)小得多,因此可以排除結(jié)晶器高度和液位高度因素。那么,在結(jié)晶器結(jié)構(gòu)、形狀和液位高度確定的情況下,造成鑄錠表面偏析瘤缺陷的原因應(yīng)重點(diǎn)放在冷卻強(qiáng)度的分析上。

通常,在鋁合金DC鑄造過程中,在工藝允許并保證鑄錠質(zhì)量的前提下,盡可能采用較大的冷卻強(qiáng)度。因?yàn)槔鋮s強(qiáng)度越大,鑄錠的內(nèi)在阻止越好,晶粒度越小。在鋁合金扁錠鑄造過程中,冷卻水的水溫與流量、結(jié)晶器水套噴水孔的設(shè)計(jì)及供水均勻性、水質(zhì)等都會(huì)影響結(jié)晶器與鑄錠之間的熱交換,進(jìn)而影響鑄錠的表面質(zhì)量。如果在扁錠鑄造中存在局部冷卻不足現(xiàn)象,則金屬結(jié)晶速度就會(huì)減慢,晶粒生長過程延長,結(jié)晶器內(nèi)已凝固金屬表面的凝固收縮與結(jié)晶器內(nèi)壁之間間隙中的溫度就會(huì)升高,造成液穴溫度的較快回升,從而使得凝殼產(chǎn)生局部軟化和熔化的速度加快,進(jìn)而導(dǎo)致鑄錠表面出現(xiàn)嚴(yán)重的偏析瘤缺陷。

根據(jù)上述分析,對3104鋁合金扁錠鑄造中所使用冷卻水的水質(zhì)(Mg2+和Ca2+濃度及含油量)進(jìn)行了分析。分析結(jié)果表明,所使用冷卻水的水質(zhì)完全符合wagstaff低液位鑄造工藝要求;同時(shí)對冷卻水的水溫進(jìn)行了監(jiān)控,水溫較為穩(wěn)定地保持在21～23 ℃,符合工藝要求;按照正常鑄造階段工藝規(guī)定的冷卻水流量220 m3/h對水幕的均勻性進(jìn)行了測試,測試結(jié)果表明,水幕分布均勻,這說明鑄造過程中對鑄錠的冷卻是均勻的。查閱試制過程的公益記錄發(fā)現(xiàn),并非所有鑄錠表面都有較嚴(yán)重的偏析瘤缺陷,有些鑄次所鑄造鑄錠的偏析瘤較輕,有些表面質(zhì)量良好。由此,排除了水質(zhì)、水溫、水流量和水幕分布因素對3104鋁合金扁錠偏析瘤缺陷的影響。

除了上述因素外,低液位結(jié)晶器石墨襯板與結(jié)晶器主體之間的接觸也是影響結(jié)晶器對鑄錠冷卻強(qiáng)度的一個(gè)因素,但在實(shí)際生產(chǎn)中,這一因素往往被人們所忽視。為了探查這一判斷是否正確,對3104鋁合金扁錠低液位鑄造結(jié)晶器進(jìn)行了拆卸檢修。檢修結(jié)果表明,鑄造3104鋁合金扁錠所使用的低液位結(jié)晶器,石墨板背面及結(jié)晶器主體表面清潔度不高,存在一些尺寸較小的雜物。這些雜物的存在造成石墨襯板與結(jié)晶器主體的貼合度不高,這種現(xiàn)象的出現(xiàn)完全是由于設(shè)備檢修人員責(zé)任心不強(qiáng)造成的。

低液位結(jié)晶器主要是由石墨襯板與鋁質(zhì)結(jié)晶器主體(水套)組成,石墨襯板緊密貼合在鋁質(zhì)主體上。石墨襯板為鑄造鋁合金扁錠時(shí)與扁錠接觸的工作面。在鑄造過程中,石墨襯板與高溫鋁熔體接觸,石墨襯板的微孔內(nèi)儲(chǔ)存的油脂自動(dòng)滲出實(shí)現(xiàn)自潤滑功能。石墨襯板緊密貼合在鋁質(zhì)主體上,而主體又是冷卻水的流動(dòng)通道。在冷卻水流動(dòng)過程中,通過鋁主體-石墨襯板-鑄錠之間的熱傳導(dǎo),對鑄錠進(jìn)行冷卻,促使鑄錠表面凝殼的形成。當(dāng)石墨襯板與結(jié)晶器鋁質(zhì)主體貼合不嚴(yán)時(shí),就會(huì)在主體與石墨襯板之間產(chǎn)生氣隙,使得二者之間的換熱系數(shù)極大減小,從而大大減小了二者之間的熱交換,導(dǎo)致石墨襯板因得不到充分冷卻而使其表面溫度升高。劉金炎等人[19]研究了3104鋁合金扁錠低液位鑄造質(zhì)量,他們的試驗(yàn)表明采用石墨內(nèi)襯結(jié)晶器進(jìn)行鑄造時(shí),必須確保石墨內(nèi)襯與結(jié)晶器壁貼合嚴(yán)密,從而將石墨內(nèi)襯的溫度控制在200 ℃以下,才能獲得具有高表面質(zhì)量的3104鋁合金扁錠;一旦石墨內(nèi)襯與結(jié)晶器壁之間存在氣隙,就會(huì)造成石墨內(nèi)襯冷卻不足,其表面溫度就會(huì)升高。而石墨襯板表面溫度升高的直接結(jié)果,是造成鑄錠表面與石墨襯板之間更大氣隙的形成,較大氣隙的形成反過來使鑄錠液穴溫度升高,加劇鑄錠表面凝殼的軟化和熔化,最終導(dǎo)致鑄錠表面偏析瘤的形成。

根據(jù)上述分析可以得出結(jié)論,造成1800 mm×630 mm×6000 mm 規(guī)格3104鋁合金扁錠表面偏析瘤缺陷的主要原因是低液位結(jié)晶器的石墨襯板與鋁質(zhì)主體貼合不嚴(yán)密所致。

3.2 控制扁錠表面偏析瘤缺陷的措施

(1)加強(qiáng)冷卻水水質(zhì)檢查與控制。定期對冷卻水進(jìn)行硬度和雜質(zhì)含量分析,一旦出現(xiàn)硬度升高和雜質(zhì)含量超標(biāo)現(xiàn)象,應(yīng)及時(shí)進(jìn)行軟化處理,必要時(shí)對冷卻水進(jìn)行更換。

(2)定期對冷卻塔水池和管道進(jìn)行清理,及時(shí)處理沉積物和結(jié)垢問題。

(3)定期對低液位鑄造結(jié)晶器進(jìn)行檢修,確保石墨襯板與結(jié)晶器鋁質(zhì)主體貼合緊密,消除或?qū)⒍咧g的氣隙控制在最小程度,以確保鑄造過程中二者之間的有效傳熱。

(4)定期對低液位鑄造結(jié)晶器的水道和噴水孔進(jìn)行檢查和疏通,及時(shí)調(diào)節(jié)循環(huán)冷卻水的水溫,確保工藝規(guī)定的冷卻強(qiáng)度的實(shí)現(xiàn)。

(5)低液位鑄造前,對空載運(yùn)行的冷卻水水幕分布進(jìn)行測試,通過水幕分布的均勻性來確保鑄錠冷卻均勻性。

通過上述措施的實(shí)施,有效控制了3104鋁合金扁錠表面的偏析瘤缺陷,所生產(chǎn)3104鋁合金扁錠的表面質(zhì)量良好,偏析瘤高度穩(wěn)定保持在0.5～ 1 mm(見圖1),滿足用戶的質(zhì)量要求。

4 結(jié) 論

(1)電解鋁液預(yù)處理、用虹吸管進(jìn)行電解鋁液轉(zhuǎn)注、熔煉爐內(nèi)預(yù)精煉和保溫爐內(nèi)兩步式精煉以及可靠的熔體在線處理工藝,是確保短流程3104鋁合金熔體質(zhì)量的關(guān)鍵。

(2)1800 mm×630 mm×6000 mm 規(guī)格3104鋁合金扁錠合適的低液位熔鑄工藝參數(shù)為:澆注溫度695～700 ℃;正常鑄造速度55 mm/min;正常冷卻水流量220 m3/h;正常鑄造階段結(jié)晶器內(nèi)液面高度35 mm;冷卻水溫22～25 ℃。

(3)造成3104鋁合金表面偏析瘤缺陷的主要原因是由于低液位鑄造結(jié)晶器石墨襯板與鋁質(zhì)主體貼合不嚴(yán)密而導(dǎo)致的冷卻強(qiáng)度下降所致。通過提高檢修質(zhì)量、對冷卻水進(jìn)行軟化處理和水幕測試等一系列手段,可以改善冷卻強(qiáng)度及其均勻性,將鑄錠表面偏析瘤缺陷控制在最小程度。