鋁合金扁錠熔鑄生產過程中合金轉組工藝的研究

吳超峰,曹磊磊

(河南中孚實業(yè)股份有限公司,河南 鞏義 451200)

鋁合金產品由于其輕量化等諸多優(yōu)點被廣泛運用于人們生活的各個領域,鋁合金產品根據其合金特性可分為1xxx～8xxx系,每種系別產品使用的合金比例差異較大。為了適應市場需求的多樣性,在熔鑄生產過程中不可避免的要頻繁切換合金牌號,如何用最短的時間,最少的工藝廢料實現(xiàn)合金牌號的切換是制約各個熔鑄生產線產能釋放的關鍵因素。切換合金牌號主要考慮的是舊成分和目標成分如何最快最好的過渡,這就需要我們對合金轉組工藝進行深入的研究,探索出最合理的生產工藝,以實現(xiàn)最優(yōu)化目標。

目前民用產品比例最高的鋁合金牌號系別為1xxx、3xxx、5xxx、8xxx四個系別,我們主要針對這4個系別的相互切換進行工藝研究。

1 合金轉組順序工藝的研究

通過對合金成分的對比發(fā)現(xiàn),鎂成分的高低要求對于合金轉組來說最為關鍵,含量差異大,基本上鎂成分能夠順利切換就能實現(xiàn)正常轉組,其中1xxx、8xxx系屬于不含鎂系列產品,3xxx系有的含鎂有的不含鎂,5xxx系均含鎂。由于每種系別產品的目標要求及生產特點對鎂的要求不一樣,有的嚴格,有的寬松,比如8xxx系產品對鎂含量要求較為嚴格,鎂含量要求小于0.0003%,1xxx系及不含鎂的3xxx系產品稍微寬松點,只要求小于0.05%即可,因此需要根據鎂的含量來研究最佳的合金生產轉組順序。

經過大量的生產實踐及合金工藝探索發(fā)現(xiàn)[1],最好的生產順序是低成分往高成分轉組,比如1xxx、3xxx、5xxx、8xxx系都生產的話,最佳的生產先后順序為1xxx系、8xxx系、3xxx系(不含鎂)、3xxx系(含鎂)、5xxx系。按照這樣的順序,不僅能夠實現(xiàn)最小的工藝廢料安全轉組,還能提高轉組效率,并且可以循環(huán)式轉組,即從5xxx系重新轉組回到1xxx系,如果中間缺少某個系別可以直接過渡轉組。

2 熔保爐合金轉組工藝的研究

合金成分的過渡,首先必須從熔化爐內部余留的鋁液及爐體內襯殘留的成分入手,將里面的成分充分稀釋才能實現(xiàn)。一般都是盡可能的減少爐內上一爐合金產品殘留的鋁量,然后大量使用鋁錠或者鋁液填充,但是怎么用最少的鋁液或鋁錠以最短的轉組時間實現(xiàn),這就是我們研究的關鍵。

首先為了避免爐體內襯上粘附的合金元素對新產品成分的影響,需要倒爐或鑄空后清爐,將爐體上的粘附雜質清理下來扒出爐子,清理務必做到爐體內襯覆蓋到位,盡可能的清理干凈爐體上粘附的鋁渣。其次就是稀釋爐內余鋁的成分,稀釋余鋁成分首先需要控制余鋁中含有的高合金成分的總合金量。為了最少的原鋁沖淡和放廢,也為了提高轉組效率,需要提前兩爐控制余鋁量,最后兩爐必須盡可能的倒空熔化爐,最后一爐必須在熔化爐添加原鋁及鋁錠,不添加含有高合金成分的廢料。同時在保溫爐爐內調配高合金的成分,通過正常的投料稀釋高合金成分含量,一般同種合金轉組可以通過這種方法實現(xiàn)。不同合金,合金成分差異較大,通過正常的投料無法稀釋的,需要洗爐。

洗爐分兩種洗爐方法[2],一種是熔化爐入鋁,然后倒到保溫爐,然后放廢;一種是直接在保溫爐入爐稀釋余鋁放廢。依據實際的余鋁量以及切換合金的成分差異來調整洗爐的辦法,比如5052合金轉組1100合金,鎂成分差距50倍,需要入鋁保溫爐然后再放廢;5052合金轉組8079合金鎂成分差距800倍,需要熔化爐洗爐后,倒入保溫爐洗爐,然后放廢。洗爐料少的可以直接通過在線渣箱放廢,但是多的,放廢就會造成很多問題,需要想辦法鑄造出來,這樣的話省時省力,但是鑄造的話,由于成分過渡,以及保溫爐內鋁液較少溫度不易控制,需要有針對性開發(fā)鑄造工藝參數(shù),才能安全的生產出來。

洗爐廢料的工藝參數(shù)一般采用在線箱體內成分相對應的參數(shù),然后經過簡單優(yōu)化后使用,由于洗爐料較少,升溫降溫都快。其次生產過程是成分過渡的過程,起始階段液穴不穩(wěn)定,成分過渡更容易導致異常失敗。所以洗爐料鑄造生產時需要首先控制保溫爐余鋁溫度,溫度適當高一點,最好按照工藝要求的上線控制,同時優(yōu)化開頭的鑄造參數(shù)斜線,盡可能的減少開機冷漏失敗。

3 在線箱體合金轉組工藝的研究

轉組除了洗爐外,還要考慮在線箱體內的鋁熔體怎么稀釋過渡,如果成分差異大,鑄造長度不能滿足成分的過渡,需要采取兩次鑄造的方法,第一次鑄造將在線箱體內的成分調整成目標成分,第二次鑄造按照新合金的生產工藝鑄造。如果成分差異沒有那么大,鑄造長度也允許情況下,最好一次性直接鑄造出來,這樣效率更高。

在線箱體稀釋一般最好最直接的辦法就是直接將在線箱體內的鋁熔體放掉,但是隨著社會的發(fā)展,鋁精深加工產品越來越多,對鋁熔體的要求也越來越高。鋁熔體的高潔凈度就需要更加精細的過濾裝置,精過濾目前世界上應用最廣泛的有管式過濾和深床過濾,由于精過濾精度高,過濾介質成本較高,需要通過一定量的鋁熔體才能報廢,提前報廢浪費極大。一般精過濾轉組還不能直接放鋁,那樣會損壞過濾介質,也會加快過濾介質堵塞,降低使用壽命,最佳的方法是使用鋁熔體沖刷或鑄造出來。

沖刷后在線箱體內成分就會變得比較復雜,開機鑄造給工藝參數(shù)[3]設定造成很大障礙,同時鑄造起始階段是成分過渡階段,成分在鑄造時動態(tài)變化,造成鑄造過程中液穴變化更難控制,容易出現(xiàn)意想不到的問題,造成鑄造失敗。因此一般采用的方式就是直接鑄造,不再沖刷,充分利用在線箱體內殘留的鋁熔體成分的穩(wěn)定性在穩(wěn)態(tài)前實現(xiàn)平穩(wěn)過渡。這樣能夠充分利用在線箱體的鑄造工藝參數(shù),確保平穩(wěn)過渡,穩(wěn)態(tài)后液穴趨于穩(wěn)定,微調鑄造速度或結晶器液位就能確保后續(xù)生產正常。

4 特殊合金的轉組工藝

便于生產的合金一般采用的轉組工藝盡量稀釋熔爐和在線箱體內成分,以最快的速度,最少的鋁熔體轉組。但是對于難于生產,失敗率高的合金需要充分利用轉組前的合金熔體鋪底生產,減少出現(xiàn)報廢或失敗概率,用以提高生產效率,這也就是我們經常說的鋪底鑄造法。

一般鋪底鑄造的合金都是鑄造生產時不容易控制錠尾裂紋和翹曲量,找不到完美契合點的產品,如果常規(guī)生產,很容易出現(xiàn)各種問題,無法確保開機成功率和成品率,需要借用容易生產的合金工藝鋪底生產。當然鋪底生產的工藝也需要考慮成分過渡,鋪底料如何流入在線箱體,用什么樣的鋪底料生產等。目前為止,1xxx、3xxx、5xxx、6xxx、8xxx系合金中我們經常生產比較困難的合金有1A50、5083、6061等合金。1A50合金由于純度高,銅含量高,形核核心少,易出現(xiàn)內應力,鑄造生產過程中很容易出現(xiàn)裂紋,通過大量的生產實踐研究發(fā)現(xiàn), 我們把在線箱體內的成分增加高鐵的合金成分,提高形核核心后,形核能力增強,能有效的降低裂紋傾向。5083[4]合金、6061[5]合金由于固液相過渡區(qū)域大,在凝固過程中極易出現(xiàn)應力集中點,同時5083屬于高鎂合金,翹曲非常敏感,很容易出現(xiàn)翹曲過渡漏鋁情況。我們試驗了很多方法,發(fā)現(xiàn)用最簡單的1xxx、3xxx合金鋪底,由于成分過渡太快,成分不容易控制,經常出現(xiàn)突然的莫名裂紋和漏鋁現(xiàn)象。后期我們嘗試用5xxx系中比較容易生產的5052合金鋪底,發(fā)現(xiàn)成分過渡受到了限制,過渡過程中鑄錠出現(xiàn)缺陷的概率明顯降低,所以對于這兩種合金我們采用5052合金鋪底生產取得了較好的結果。

5 結論

通過對熔鑄生產轉組過程中的熔煉和鑄造工序相關工藝的實踐研究發(fā)現(xiàn):

(1)的生產先后順序為1xxx系、8xxx系、3xxx系(不含鎂)、3xxx系(含鎂)、5xxx系;

(2)熔保爐洗爐先徹底清爐,然后依據實際成分比例關系制定分別的洗爐工藝進行針對性洗爐,能有效的提高洗爐效率,確保一次性洗爐成功;

(3)洗爐后的洗爐料及轉組的在線箱體成分過渡的鑄造工藝參數(shù)設置,最好參考在線箱體成分的工藝參數(shù)優(yōu)化后使用,才能保證一次成功率和效率最大化;

(4)特殊合金轉組需要借助其他相關合金鋪底鑄造,設置合理的鋪底合金及工藝是關鍵。