鑄軋工藝參數(shù)對(duì)改良型3102D鋁合金鑄軋板高倍組織的影響

劉建興，李彥勤，周建榮，王春陽(yáng)，王才生

(1.甘肅酒鋼天成彩鋁有限責(zé)任公司，甘肅 嘉峪關(guān) 735100；2.哈爾濱東盛金屬材料有限公司，黑龍江 哈爾濱 150060)

3102鋁合金屬于Al-Mn系變形鋁合金，主要用于生產(chǎn)空調(diào)散熱器用鋁箔[1]。隨著空調(diào)行業(yè)的迅速發(fā)展，空調(diào)散熱器用鋁箔市場(chǎng)需求量目前已超過(guò)300 kt/a。而3102鋁合金是空調(diào)散熱器鋁箔用量最大的鋁合金，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)1030B、8011等鋁合金的使用量。目前行業(yè)中普遍采用工藝流程短、生產(chǎn)成本低、能耗低的鑄軋法生產(chǎn)3102鋁合金空調(diào)散熱器用鋁箔坯料。

由于3102鋁合金的脆性小，箔材的力學(xué)性能完全可以滿足散熱片的沖制，使得3102鋁合金空調(diào)散熱器用鋁箔備受空調(diào)器生產(chǎn)廠家的青睞。近年來(lái)，空調(diào)器生產(chǎn)廠家大多以節(jié)能、環(huán)保為生產(chǎn)經(jīng)營(yíng)目標(biāo)，不斷追求超薄、高性能、高精度的空調(diào)散熱器用鋁箔，鋁箔厚度從開(kāi)始的0.10 mm～0.15 mm，到目前最常見(jiàn)的0.093 mm～0.10 mm，技術(shù)實(shí)力強(qiáng)的空調(diào)生產(chǎn)企業(yè)已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了0.083 mm厚的散熱片研發(fā)及推廣生產(chǎn)。在厚度減薄的同時(shí)，加工過(guò)程對(duì)于鋁箔的力學(xué)性能要求也在不斷地提高，常規(guī)的3102鋁合金空調(diào)散熱器用鋁箔坯料力學(xué)性能已無(wú)法滿足市場(chǎng)的需求，空調(diào)散熱器用鋁箔市場(chǎng)急需一種可以替代常規(guī)3102鋁合金空調(diào)箔坯料的新產(chǎn)品。目前，甘肅酒鋼天成彩鋁有限責(zé)任公司對(duì)于改良型3102D鋁合金空調(diào)散熱器用鋁箔坯料的生產(chǎn)工藝技術(shù)創(chuàng)新優(yōu)化已日漸成熟，甘肅酒鋼天成彩鋁有限責(zé)任公司生產(chǎn)的空調(diào)散熱器用鋁箔坯料經(jīng)下游客戶試軋，鋁箔的抗拉強(qiáng)度已提高至132 N/mm2，伸長(zhǎng)率提高至20%，客戶反饋良好。

由于空調(diào)器廠家對(duì)箔材的力學(xué)性能的要求不斷提高，鋁箔坯料生產(chǎn)廠家不斷提高生產(chǎn)技術(shù)水平，精細(xì)化控制生產(chǎn)工藝過(guò)程，進(jìn)而保證產(chǎn)品性能的穩(wěn)定性，以滿足下游客戶的使用要求。其中，坯料的化學(xué)成分控制就是最基本的要求，本文作者重點(diǎn)探討利用傾斜式雙輥連續(xù)鑄軋機(jī)生產(chǎn)改良型3102D鋁合金鑄軋板時(shí)鑄軋區(qū)長(zhǎng)度、鑄軋速度、冷卻強(qiáng)度對(duì)其高倍組織的影響。

1 試驗(yàn)過(guò)程

1.1 3102與3102D鋁合金空調(diào)箔化學(xué)成分及力學(xué)性能對(duì)比

3102鋁合金屬于Al-Mn系可熱處理不可強(qiáng)化鋁合金，室溫時(shí)主要相組成為α(Al)相和MnAl6相，其共晶體中含有較多的金屬間化合物，這些化合物呈骨骼狀、塊狀和片狀形態(tài)[2]。Mn是主要的合金化元素，具有一定的固溶強(qiáng)化作用，MnAl6具有一定的彌散強(qiáng)化作用。3102鋁合金的顯著特點(diǎn)在于熔融狀態(tài)下流動(dòng)性較差，在鑄軋過(guò)程中，易出現(xiàn)鑄嘴堵塞和粘輥現(xiàn)象。因此，通過(guò)降低Fe含量，提高Si含量，降低w(Fe)/w(Si)比值，在一定程度有利于改善熔體的流動(dòng)性。適當(dāng)調(diào)整Mn含量，可以提高產(chǎn)品的力學(xué)性能。3102與3102D鋁合金空調(diào)箔的化學(xué)成分和力學(xué)性能如表1和表2所示。

1.2 鑄軋機(jī)

試驗(yàn)采用電解鋁液直接鑄軋的方式生產(chǎn)，試驗(yàn)主體設(shè)備為Φ1 010 mm×1 900 mm傾斜式雙輥連續(xù)鑄軋機(jī)，輥縫由液壓伺服系統(tǒng)控制，前箱控流采用聲光報(bào)警系統(tǒng)，輥面潤(rùn)滑采用火焰噴涂系統(tǒng)，軋制力和電機(jī)轉(zhuǎn)矩等監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)均采用液晶顯示，設(shè)備總體水平先進(jìn)，運(yùn)行狀況良好。鑄軋機(jī)主要技術(shù)參數(shù)見(jiàn)表3所示。

表3 傾斜式雙輥連續(xù)鑄軋機(jī)的主要技術(shù)參數(shù)

1.3 3102D鋁合金鑄軋板生產(chǎn)工藝流程

清爐→配料→裝爐→熔化扒渣→預(yù)配料→噴粉精煉→成分調(diào)整→二次精煉→倒?fàn)t→保溫爐精煉→在線加入Al-Ti-B絲→在線旋轉(zhuǎn)除氣→在線過(guò)濾→前箱液面控制→鑄軋。

1.4 主要工藝參數(shù)

1)熔煉爐固體料占比不小于35%；

2)預(yù)設(shè)輥縫：操作側(cè)5.33 mm，傳動(dòng)側(cè)5.34 mm；

3)預(yù)設(shè)嘴輥間隙0.3 mm；

4)預(yù)設(shè)鑄嘴開(kāi)口度9 mm；

5)前箱溫度695 ℃±2 ℃；

6)前箱液位差50 mm；

7)鑄區(qū)長(zhǎng)度60 mm、66 mm、72 mm;

8)鑄軋速度920 mm/min、980 mm/min、1 040 mm/min；

9)冷卻水入口水溫23 ℃～36 ℃，水壓0.45 MPa。

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

添加晶粒細(xì)化劑是控制鑄軋帶材晶粒度最主要的手段之一。甘肅酒鋼天成彩鋁有限責(zé)任公司生產(chǎn)的鋁合金產(chǎn)品采用的晶粒細(xì)化方法主要是依靠在線加入Al-Ti-B晶粒細(xì)化劑,以達(dá)到細(xì)化晶粒的效果。本次試驗(yàn)，Al-Ti-B晶粒細(xì)化劑添加量統(tǒng)一控制在2.5 kg/t Al的前提下，探索不同鑄軋工藝條件對(duì)鑄軋板組織的影響。

2.1 鑄軋區(qū)長(zhǎng)度

鑄軋區(qū)是指鑄嘴出口到軋輥中心線之間的距離。3102鋁合金固、液相線溫度相差約11 ℃～13 ℃。為了加快3102D鋁合金在鑄軋區(qū)內(nèi)的凝固速度，必須盡量延長(zhǎng)鑄軋區(qū)長(zhǎng)度，適當(dāng)降低冷卻強(qiáng)度，提高鑄軋速度，以創(chuàng)造良好的結(jié)晶環(huán)境。本試驗(yàn)在保持其他工藝參數(shù)恒定的前提下(前箱溫度695 ℃±2 ℃,預(yù)設(shè)輥縫操作側(cè)5.33 mm，傳動(dòng)側(cè)5.34 mm，預(yù)設(shè)嘴輥間隙0.3 mm，預(yù)設(shè)鑄嘴開(kāi)口度9 mm；預(yù)設(shè)鑄軋速度960 mm/min，預(yù)設(shè)循環(huán)水冷卻水溫30 ℃)，設(shè)置多個(gè)鑄軋區(qū)長(zhǎng)度進(jìn)行比較，圖1為不同鑄軋區(qū)長(zhǎng)度的3102D鋁合金帶坯的高倍組織。

圖1 不同鑄軋區(qū)長(zhǎng)度下3102D鋁合金帶坯的高倍組織

在鑄軋區(qū)內(nèi)，液態(tài)金屬被兩個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)的軋輥冷卻，經(jīng)很短時(shí)間完成鑄造與軋制兩個(gè)過(guò)程。鑄軋區(qū)可分為冷凝區(qū)、鑄造區(qū)和變形區(qū)。鑄軋區(qū)長(zhǎng)度偏小時(shí)，勢(shì)必要減小鑄軋速度，各工藝參數(shù)調(diào)整的范圍較小，不利于提高生產(chǎn)效率；適當(dāng)增加鑄軋區(qū)長(zhǎng)度，不但可以提高鑄軋速度，而且有助于晶粒細(xì)化、增強(qiáng)性能，而且能使其他工藝參數(shù)的可調(diào)整范圍增加。

通過(guò)對(duì)比高倍組織，發(fā)現(xiàn)鑄軋區(qū)長(zhǎng)度控制在66 mm，鑄軋板的組織良好。

2.2 鑄軋速度

對(duì)鋁合金來(lái)說(shuō)，凝固區(qū)間越大，完全凝固所需的時(shí)間越長(zhǎng)，因此鑄軋速度應(yīng)相應(yīng)小些，反之亦然。3102D鋁合金熔體流動(dòng)性較好，鑄軋速度900 mm/min～1 100 mm/min左右，本試驗(yàn)在其他工藝參數(shù)保持恒定(鑄軋區(qū)長(zhǎng)度60 mm，循環(huán)水冷卻水溫30 ℃)時(shí)，選取多組鑄軋速度進(jìn)行對(duì)比。圖2為不同鑄軋速度下3102D鋁合金帶坯的高倍組織。

增大鑄軋區(qū)后，可以提高鑄軋速度，能夠改善熔體凝固狀態(tài)，提高鑄軋卷內(nèi)部組織致密度[3]，并且提高了生產(chǎn)效率，這就是所謂的低溫高速軋制。但鑄軋速度的提高也是限制在一定范圍內(nèi)，因?yàn)殍T軋速度太快，液穴深度不一致，液穴較深的部分來(lái)不及結(jié)晶被軋輥帶出而形成熱帶等缺陷；一般來(lái)說(shuō)，在其他條件不變的情況下，如果鑄軋速度過(guò)高，會(huì)使液穴加長(zhǎng)，而使得軋制變形區(qū)變短，造成結(jié)晶前沿的熔體溫度梯度增大，液相過(guò)冷度變小，形核率降低而晶粒長(zhǎng)大速度提高，導(dǎo)致晶粒粗大[4]。

由圖2可以看出，當(dāng)鑄軋速度在980 mm/min時(shí)，可以獲得組織細(xì)小且均勻的鑄軋板；鑄軋速度偏高或偏低均不利于獲得細(xì)小且均勻的晶粒，且伴有其他缺陷產(chǎn)生。

圖2 不同鑄軋速度下3102D鋁合金帶坯的高倍組織

2.3 冷卻強(qiáng)度

在鑄軋過(guò)程中，鋁及鋁合金凝固時(shí)所釋放的熱量及帶坯在出輥縫前溫度下降所放出的熱量經(jīng)鑄軋輥套快速傳遞，為輥內(nèi)循環(huán)冷卻水吸收而排出。因此單位時(shí)間內(nèi)鑄軋輥輥套單位面積上所導(dǎo)出的熱量被稱為冷卻強(qiáng)度。冷卻強(qiáng)度大小直接影響輥套表面溫度，也直接影響鑄軋速度。在使熔體接觸鑄軋輥表面前的溫度不變的前提下，冷卻強(qiáng)度越大，鑄軋速度也越大[5]。由于冷卻強(qiáng)度大，對(duì)熔體凝固速度有明顯影響，創(chuàng)造了提高鑄軋速度的條件，有利于提高生產(chǎn)效率。表4為在不同進(jìn)水冷卻水溫鑄軋帶坯生產(chǎn)的3102D空調(diào)箔產(chǎn)品高倍組織判定結(jié)果。圖3為不同進(jìn)水冷卻水溫鑄軋3102D鋁合金帶坯的高倍組織(預(yù)設(shè)鑄軋區(qū)長(zhǎng)度60 mm，預(yù)設(shè)鑄軋速度960 mm/min)。

表4 不同冷卻水溫鑄軋帶坯生產(chǎn)的3102D空調(diào)箔產(chǎn)品高倍組織判定結(jié)果

圖3 不同進(jìn)水冷卻水溫鑄軋3102D鋁合金帶坯高倍組織

晶粒的成核速率、晶粒的長(zhǎng)大速率與熔體的過(guò)冷度有明顯的關(guān)聯(lián)性，即：當(dāng)過(guò)冷度較大，形核速率大于晶粒的長(zhǎng)大速率，可獲得較細(xì)的晶粒組織；而當(dāng)冷卻速度較慢時(shí)，晶粒的長(zhǎng)大速率大于成核速率，鑄軋板的晶粒組織較粗。

實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中，冷卻強(qiáng)度大，有利于凝固結(jié)晶、有利于軋速的提高，在確保結(jié)晶前沿溫度梯度的前提下，擴(kuò)大過(guò)冷帶和兩相區(qū)的寬度，增大過(guò)冷度可以增加形核速率，獲得細(xì)小均勻的等軸晶。

本試驗(yàn)中，冷卻強(qiáng)度對(duì)晶粒度的影響程度較鑄軋速度、鑄軋區(qū)長(zhǎng)度對(duì)晶粒的影響程度小，結(jié)合高倍組織，循環(huán)水入口水溫在28 ℃～32 ℃時(shí)，晶粒細(xì)小均勻。

3 結(jié) 論

本試驗(yàn)中，為避免其他因素對(duì)試驗(yàn)結(jié)果產(chǎn)生影響，熔煉爐冷料加入量統(tǒng)一控制在36%；為避免熔體在保溫爐內(nèi)停留的時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，倒?fàn)t時(shí)間嚴(yán)格控制在16 h內(nèi)；在線晶粒細(xì)化劑選用品質(zhì)優(yōu)良的Al-Ti-B線狀晶粒細(xì)化劑，通過(guò)喂絲機(jī)在除氣箱上游進(jìn)行逆流在線添加，晶粒細(xì)化劑添加統(tǒng)一按照2.5 kg/t進(jìn)行，前箱溫度控制在695 ℃±2 ℃，鑄嘴開(kāi)口度為9 mm，嘴輥間隙為0.3 mm。試驗(yàn)的主要結(jié)論如下：

1)適當(dāng)增加鑄軋區(qū)長(zhǎng)度，有助于晶粒細(xì)化，而且其他工藝參數(shù)的可調(diào)整范圍增加,3102D鋁合金空調(diào)箔帶坯適宜的鑄軋區(qū)長(zhǎng)度為66 mm。

2)低溫高速軋制有利于晶粒細(xì)化，適宜的鑄軋速度為980 mm/min。

3)冷卻強(qiáng)度大，有利于凝固結(jié)晶、有利于軋速調(diào)高，在確保結(jié)晶前沿溫度梯度的前提下，擴(kuò)大過(guò)冷帶和兩相區(qū)的寬度，增大過(guò)冷度可以增加形核速率，獲得細(xì)小均勻的等軸晶，3102D鋁合金空調(diào)箔帶坯適宜的鑄軋入口水溫28 ℃～32 ℃，冷卻水壓0.45 MPa。