Al-Mn-Mg系鋁合金鑄軋表面夾渣缺陷的研究

池國(guó)明，文敏敏，朱靈斐，杜新偉，胡展奎

（乳源東陽(yáng)光優(yōu)艾希杰精箔有限公司，韶關(guān) 512721）

0 前言

鑄軋，又稱連續(xù)鑄軋，連續(xù)鑄軋過(guò)程就是在兩個(gè)相對(duì)旋轉(zhuǎn)的被水冷卻的軋輥輥縫間不斷輸入液態(tài)金屬，通過(guò)冷卻、鑄造、連續(xù)軋出板卷坯料。因其實(shí)現(xiàn)了鑄和軋生產(chǎn)的連續(xù)化，省去鑄錠及熱軋工序，可大幅減少工時(shí)、降低成本，同時(shí)因其擁有設(shè)備簡(jiǎn)單、占地少、投資小、建設(shè)速度快、工藝簡(jiǎn)單、方便維護(hù)等諸多優(yōu)點(diǎn)，自鑄軋工藝應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)以來(lái)，便得到了廣泛關(guān)注和運(yùn)用，并在不斷被改進(jìn)和完善[1]。

目前，隨著鋁合金應(yīng)用范圍的不斷擴(kuò)大，人們對(duì)鋁板、帶、箔的需求量和對(duì)其成品的質(zhì)量要求也越來(lái)越多和越來(lái)越高。相應(yīng)地，對(duì)鑄軋坯料的質(zhì)量也提出了更高要求。由于鑄軋料相對(duì)于熱軋料比，減少了銑面工序，因此，在鑄軋料表面出現(xiàn)的缺陷后續(xù)難以消除，會(huì)直接影響成品質(zhì)量。

我公司在生產(chǎn)一種應(yīng)用于食品包裝及裝飾等行業(yè)、成品厚度0.01～0.10 mm的Al-Mn-Mg系鋁合金鋁箔時(shí)發(fā)現(xiàn)，產(chǎn)品表面常會(huì)出現(xiàn)大量夾渣缺陷，導(dǎo)致嚴(yán)重的質(zhì)量損失。為了更好地提高產(chǎn)品質(zhì)量，減少這種鑄軋坯料表面夾渣缺陷，對(duì)缺陷的產(chǎn)生原因進(jìn)行了調(diào)查分析，并通過(guò)實(shí)際生產(chǎn)試驗(yàn)，提出了有效的解決方法。

1 缺陷調(diào)查及分析

用于生產(chǎn)此類鋁箔的Al-Mn-Mg系合金的化學(xué)成分見(jiàn)表1。采用直徑960 mm大輥徑軋機(jī)生產(chǎn)鑄軋卷坯料，鑄軋厚度6～8 mm，其它鑄軋參數(shù)也相對(duì)固定。生產(chǎn)中發(fā)現(xiàn)，鑄軋卷坯料上下表面經(jīng)常出現(xiàn)如圖1所示的夾渣缺陷。肉眼看，該缺陷大多時(shí)候?yàn)楹谏?，有時(shí)為銀白色。立板生產(chǎn)開(kāi)始時(shí)沒(méi)有，等生產(chǎn)一段時(shí)間后突然出現(xiàn)，并隨著生產(chǎn)過(guò)程的推移，夾渣缺陷出現(xiàn)的位置、頻次和大小不斷增加，如開(kāi)始每小時(shí)才能發(fā)現(xiàn)一處（長(zhǎng)3 mm、寬1 mm），到后續(xù)同一時(shí)間可能出現(xiàn)2～3處（長(zhǎng)20 mm、寬5 mm），越來(lái)越嚴(yán)重。該夾渣部位在后續(xù)冷軋時(shí)其長(zhǎng)度會(huì)被不斷延伸，且隨著厚度的不斷減薄，缺陷中間部位因硬度高于鋁基材而形成大面積的“孔洞”缺陷[2]。在此過(guò)程中，夾渣部位還會(huì)不時(shí)脫落碎鋁，直接傷害軋機(jī)工作輥。當(dāng)降至一定厚度軋制時(shí)，由于張力作用，鋁卷在“孔洞”缺陷附近撕裂造成斷帶（如圖2所示），使軋機(jī)因斷帶停機(jī)，嚴(yán)重時(shí)還會(huì)起火。

表1 生產(chǎn)用Al-Mn-Mg鋁合金的化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)/%）

圖1 鑄軋夾渣缺陷形貌

圖2 孔洞缺陷造成的斷帶

為了探究鑄軋表面原始缺陷產(chǎn)生的原因，我們首先對(duì)原始鑄軋板上夾渣缺陷部位和正常部位進(jìn)行取樣，檢測(cè)缺陷部位和正常部位的SEM形貌和EDS成分，并進(jìn)行對(duì)比。為方便對(duì)比觀察，缺陷部位和正常部位在同一鏡頭下觀察，其結(jié)果如圖3所示。

圖3 鑄軋正常部位+缺陷部位的SEM形貌和EDS成分結(jié)果

從圖3（a）和圖3（b）可以看出，鑄軋板表面缺陷部位（右邊，下同）明顯發(fā)生表面破損現(xiàn)象，缺陷部位凹凸不平，無(wú)規(guī)律，呈坑洼狀，正常部位（左邊）的表面無(wú)破損較平整。

從圖3（c）、圖3（d）、圖3（e）和圖3（f）可以看出，鑄軋板表面缺陷部位的元素分布存在明顯不均勻現(xiàn)象，尤其是缺陷部位存在較多的Al、Mg和O，這可能是因?yàn)楹琈gO和Al2O3氧化物較多所致。從這個(gè)角度看，造成夾渣的原因可能是氧化膜破裂被卷入鋁材中。

綜上所述，缺陷部位夾渣產(chǎn)生原因可能為：（1）嘴輥間隙處氧化膜破裂；（2）鑄嘴破損；（3）熔體不夠純凈。進(jìn)一步通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)情況跟蹤，在鑄軋卷表面出現(xiàn)夾渣后，馬上停機(jī)檢查鑄嘴情況，發(fā)現(xiàn)鑄嘴完好，上下嘴唇并沒(méi)有缺損或摩擦痕跡，排除鑄嘴破損原因；另外對(duì)鑄軋卷上下表面出現(xiàn)夾渣前后的氫含量值進(jìn)行對(duì)比，夾渣出現(xiàn)前熔體氫含量值為0.122 mL/100 gAl，出現(xiàn)夾渣后氫含量值為0.115 mL/100 gAl，前后氫含量值未有明顯差異。且對(duì)比缺陷處EDS能譜，未發(fā)現(xiàn)聚集性異物元素，因此排除熔體不夠純凈因素。從上述分析可知，鑄軋板表面夾渣缺陷基本為嘴輥間隙處氧化膜破裂導(dǎo)致，簡(jiǎn)稱氧化膜破裂。根據(jù)公司設(shè)備及現(xiàn)場(chǎng)控制能力數(shù)據(jù)，前箱液面波動(dòng)全程可控，幅度為±2 mm，且出現(xiàn)表面夾渣缺陷時(shí)前箱液面波動(dòng)未有明顯變化；設(shè)備機(jī)械振動(dòng)、鑄嘴材質(zhì)及鑄嘴裝配平行度也處于可控并相對(duì)固定狀態(tài)，因此我們著重從前箱液面與鑄嘴出口前沿位置的高度差、嘴輥間隙和鑄嘴結(jié)構(gòu)3個(gè)方面進(jìn)行分析及改善。

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

試驗(yàn)按照單一變量原則，在保證其它設(shè)備條件及工藝參數(shù)一致情況下，分別從前箱液面與鑄嘴出口前沿位置的高度差、嘴輥間隙和鑄嘴結(jié)構(gòu)3個(gè)方面進(jìn)行工藝試驗(yàn)及分析，全程在線跟蹤鑄軋板表面夾渣情況，對(duì)比其表面夾渣出現(xiàn)概率以及出現(xiàn)時(shí)的缺陷程度。

2.1 前箱液面與鑄嘴出口前沿位置的高度差的影響

在鑄軋工藝中，供料嘴出口的壓力是靠前箱液面與鑄嘴出口前沿位置的高度差產(chǎn)生的。供料嘴出口壓力（氧化膜表面張力）的大小和穩(wěn)定是保證連續(xù)鑄軋正常進(jìn)行的前提，實(shí)際生產(chǎn)中控制的就是金屬熔體靜壓強(qiáng)P靜和氧化膜表面張力附加壓強(qiáng)P膜的相對(duì)大小和穩(wěn)定性，其示意圖如圖4所示。

圖4 前箱液面與鑄嘴出口前沿位置的高度差示意圖

其數(shù)學(xué)原理為：

式中，P膜為氧化膜表面張力附加壓強(qiáng)，Pa；P靜為金屬熔體靜壓強(qiáng)，Pa；R膜為液膜的曲率半徑，cm；σbz為表面張力系數(shù)，N/cm；H為前箱熔體水平面與氧化膜之間的高度差，cm；ρ為熔體密度，kg/cm3；g為重力加速度，m/s2。

一般而言，當(dāng)正常鑄軋時(shí)，氧化膜表面張力附加壓強(qiáng)P膜與金屬熔體靜壓強(qiáng)P靜是相互平衡的，此時(shí)氧化膜不會(huì)破裂，鑄軋可連續(xù)進(jìn)行，鑄軋卷表面質(zhì)量良好；當(dāng)氧化膜表面張力附加壓強(qiáng)P膜＞金屬熔體靜壓強(qiáng)P靜時(shí)，此時(shí)前箱熔體水平面與氧化膜之間的高度差H值較小，氧化膜受到的靜壓力較低，不易破裂，鑄軋卷表面質(zhì)量也良好；但當(dāng)前箱熔體水平面與氧化膜之間的高度差H值低到一定程度時(shí)，熔體就會(huì)出現(xiàn)供流不足，鑄軋卷易出現(xiàn)孔洞和“熱帶”等缺陷；當(dāng)氧化膜表面張力附加壓強(qiáng)P膜＜金屬熔體靜壓強(qiáng)P靜時(shí)，此時(shí)前箱熔體水平面與氧化膜之間的高度差H值較大，氧化膜極易破裂，從而被帶入鑄軋卷表面，導(dǎo)致鑄軋卷表面夾渣[3]。

綜上所述，為了保證氧化膜不易破裂，帶材表面質(zhì)量良好，在其它條件一致下，可適當(dāng)降低H的值，即降低前箱液面到鑄嘴出口前沿位置的高度差。為此我們特意設(shè)計(jì)了測(cè)量和控制前箱液面到鑄嘴出口前沿位置的高度差試驗(yàn)，并進(jìn)行實(shí)際生產(chǎn)，跟蹤情況如表2所示。

表2 前箱熔體水平面與氧化膜之間的高度差H與氧化膜破裂情況匯總

實(shí)際生產(chǎn)結(jié)果表明：適當(dāng)降低前箱液面與鑄嘴出口前沿位置的高度差至11～14 mm，對(duì)降低鑄軋卷表面夾渣有明顯效果。

2.2 嘴輥間隙大小的影響

鑄嘴和軋輥之間的間隙稱為嘴輥間隙，嘴輥間隙是鑄嘴中鋁水出來(lái)到與軋輥接觸開(kāi)始結(jié)晶前所必須經(jīng)過(guò)的一段空隙。因?yàn)檫@部分直接與空氣接觸，與空氣接觸部分會(huì)形成一層薄薄的呈弧形的氧化膜。氧化膜厚度薄、質(zhì)量小，主要受力于氧化膜表面張力附加壓強(qiáng)P膜和金屬熔體靜壓強(qiáng)P靜（自身重力不計(jì)）。曲率半徑與嘴輥間隙大小的關(guān)系如圖5所示。

圖5 嘴輥間隙大小與氧化膜曲率半徑的關(guān)系

由圖5可見(jiàn)：嘴輥間隙增大，氧化膜的曲率半徑R膜也變大，氧化膜表面張力附加壓強(qiáng)P膜就要相應(yīng)減小。在氧化膜曲率半徑循環(huán)變化中極易出現(xiàn)P膜＜P靜的情況，即氧化膜極易破裂[4]。因此采用較小的氧化膜曲率半徑R膜，即較小的嘴輥間隙，便可降低氧化膜破裂概率。但過(guò)小的嘴輥間隙也有導(dǎo)致鑄嘴與軋輥接觸的風(fēng)險(xiǎn)，因此嘴輥間隙應(yīng)適中。嘴輥間隙大小及跟蹤料卷生產(chǎn)情況如表3所示。

表3 嘴輥間隙大小與氧化膜破裂的關(guān)系

實(shí)際生產(chǎn)結(jié)果表明：適當(dāng)減小嘴輥間隙大小至0.6～0.8 mm，對(duì)降低鑄軋卷表面夾渣效果明顯。

2.3 鑄嘴結(jié)構(gòu)的影響

鑄嘴作為鑄軋過(guò)程重要的設(shè)備工裝之一，其結(jié)構(gòu)的合理性直接影響鑄軋卷的質(zhì)量。良好的鑄嘴結(jié)構(gòu)在改善鑄嘴內(nèi)部分流情況，進(jìn)而改善鑄軋卷組織和表面質(zhì)量方面發(fā)揮著重要的作用。現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際生產(chǎn)情況表明：現(xiàn)行鑄軋通過(guò)量不穩(wěn)定，高時(shí)可以達(dá)到18卷左右，低時(shí)僅僅為9卷左右。為了驗(yàn)證鑄嘴結(jié)構(gòu)與鑄軋表面夾渣的關(guān)系，停機(jī)時(shí)，對(duì)嘴腔冷凝鋁進(jìn)行了取樣檢測(cè)，結(jié)果見(jiàn)圖6與表4。嘴腔冷凝鋁檢測(cè)分析結(jié)果與缺陷樣品成分分布特征高度吻合，而且發(fā)現(xiàn)隨著鑄軋生產(chǎn)通過(guò)量的增加，MgO、Ti等夾雜聚集物逐漸在鑄嘴內(nèi)聚集和沉積，其含量和濃度越來(lái)越高，推測(cè)當(dāng)氧化膜平衡條件被打破后，會(huì)逃逸或者殘留至鑄軋板表面或者淺層，從而形成本文所研究的這種特有缺陷[5]。

表4 不同通過(guò)量停機(jī)檢測(cè)鑄嘴嘴腔冷凝鋁中Ti的含量

圖6 嘴腔冷凝鋁檢測(cè)結(jié)果

經(jīng)過(guò)研討，認(rèn)為通過(guò)優(yōu)化鑄嘴結(jié)構(gòu)[6]，即通過(guò)將實(shí)際的一級(jí)分流改為二級(jí)分流、增加底部通道空間、減少邊部擋塊轉(zhuǎn)角數(shù)量來(lái)提升鑄嘴內(nèi)部鋁水流動(dòng)的穩(wěn)定性和順暢性，可以有效避免鋁水在鑄嘴內(nèi)局部位置長(zhǎng)時(shí)間停留而大量積聚夾雜物。改善前后的鑄嘴結(jié)構(gòu)示意見(jiàn)圖7。后續(xù)生產(chǎn)結(jié)果也表明，良好的鑄嘴結(jié)構(gòu)有助于減少異物在嘴腔內(nèi)的聚集和沉積，有效降低該類夾渣缺陷出現(xiàn)的概率和程度，可以大幅提高一次立板鑄軋良品的通過(guò)量。

圖7 改善前后的鑄嘴結(jié)構(gòu)對(duì)比

實(shí)踐證明，通過(guò)優(yōu)化完善后，嘴腔冷凝鋁檢測(cè)分析方法可以推廣應(yīng)用于對(duì)陰極箔、電池鋁箔、雙零鋁箔、CTP鋁版基等有較高熔體質(zhì)量要求的鑄軋產(chǎn)品的評(píng)價(jià)，為鑄軋品質(zhì)的進(jìn)一步改善提供依據(jù)和方向。

3 結(jié)論

（1）合理的鑄軋工藝是保障鑄軋料卷表面質(zhì)量的基礎(chǔ)，不同的合金應(yīng)采用不同的生產(chǎn)工藝。較低且穩(wěn)定的前箱液面高度（11～14 mm）以及較小的嘴輥間隙（0.6～0.8 mm），可以基本消除表面氧化膜破裂帶來(lái)的夾渣問(wèn)題，確保鑄軋坯料的質(zhì)量。

（2）良好的鑄嘴結(jié)構(gòu)有助于減少異物在嘴腔內(nèi)的聚集和沉積，可以大幅提高一次立板鑄軋良品的通過(guò)量。

（3）鑄軋鋁熔體的凈化工作也是非常重要的，做好精煉、扒渣、除氣、過(guò)濾等工作，確保熔體質(zhì)量，是解決工藝原因?qū)е妈T軋坯料夾渣和孔洞等問(wèn)題的前提和基礎(chǔ)。