用電解鋁液生產(chǎn)大規(guī)格8079鋁合金扁錠的低液位鑄造工藝

劉民章

（青海橋頭鋁電股份有限公司，西寧 810100）

0 前言

鋁合金箔材已廣泛應(yīng)用于食品、藥品包裝以及空調(diào)生產(chǎn)等行業(yè)。生產(chǎn)箔材用的鋁合金有1×× ×系、3×× × 系和8×× × 系，但應(yīng)用最為廣泛的是1×× × 和8×× × 鋁合金。多年來，國(guó)內(nèi)生產(chǎn)雙零箔材主要使用1235 鋁合金，而歐美國(guó)家則主要采用8079 鋁合金。與1235 合金相比，8079 合金的Fe、Si含量較高，用于生產(chǎn)鋁箔坯料時(shí)具有更高的力學(xué)性能，軋制時(shí)可以采用較高的軋制速度而不至于斷帶，提高鋁箔生產(chǎn)效率，因此，國(guó)內(nèi)鋁箔加工企業(yè)逐漸開始使用8079 替代1235 進(jìn)行鋁箔生產(chǎn)[1]。某公司生產(chǎn)大規(guī)格8079 鋁合金扁錠，該扁錠用來軋制厚度為0.006 mm 的雙零鋁箔。為此，進(jìn)行了大規(guī)格8079鋁合金扁錠熔鑄工藝試驗(yàn)研究。

1 8079鋁合金的化學(xué)成分

8079鋁合金的化學(xué)成分見表1。

表1 8079鋁合金的化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)/%）

2 雙零箔軋制用8079 鋁合金扁錠的規(guī)格及質(zhì)量要求

（1） 8079 鋁合金扁錠的規(guī)格為380 mm×1 950 mm×6 000 mm。

（2）8079鋁合金扁錠的質(zhì)量要求如下：

①氫含量＜0.12 ml/100 g ?Al；

②晶粒度≤1 級(jí)，粗晶層厚度≤5 mm，疏松≤1級(jí)，鑄錠低倍組織中不得有夾渣、裂紋等影響使用性能的鑄造缺陷；

③為保證大面10 mm、小面5 mm 的銑面量，鑄錠表面不得有深度≥3 mm 的冷隔、拉痕及碰傷，不得有表面夾渣、漏鋁和外來壓入物等缺陷。

3 8079鋁合金扁錠的熔鑄難點(diǎn)

（1） 8079 鋁合金中Fe 含量高達(dá)0.7%～1.3%，由于Fe 元素比重大，在熔鑄過程中容易產(chǎn)生成分偏析。

（2）8079鋁合金中Fe含量高，造成合金熔體流動(dòng)性差，熔體的補(bǔ)縮性能差，合金鑄錠易產(chǎn)生疏松缺陷。

（3）8079 合金鑄錠規(guī)格大，特別是其寬厚比大，具有較大的裂紋傾向。

4 用電解鋁液生產(chǎn)大規(guī)格8079 鋁合金扁錠的鑄造工藝

4.1 8079鋁合金扁錠熔鑄所使用的主要設(shè)備

8079 鋁合金鑄錠熔鑄所使用的主要設(shè)備有：裝備有電磁攪拌裝置的55 t矩形燃?xì)馊蹮挔t，裝備有爐底透氣磚精煉裝置的55 t 矩形燃?xì)獗貭t，Hycast?I-60 SIR 在線除氣裝置，神創(chuàng)過濾裝置和Wagstaff 低液位鑄造機(jī)組。

4.2 8079鋁合金扁錠熔鑄用爐料

4.2.1 8079鋁合金鑄錠熔鑄所使用的主要爐料

品位為99.70%的電解鋁液；品位為99.70%的重熔鋁錠；8011鋁合金一級(jí)回爐料；Al-Si和Al-Fe中間合金。

4.2.2 對(duì)爐料的主要要求

（1）回爐料必須具有一定的塊度，不得使用銑面鋁屑和壓延加工產(chǎn)生的輕薄廢料。

（2）固體爐料必須干凈、無(wú)油污，避免使用因長(zhǎng)期露天存放表面有極厚氧化層的固體爐料。

（3）固體爐料必須具有明確的化學(xué)成分檢測(cè)分析報(bào)告，確保8079鋁合金配備料的準(zhǔn)確性。

（4）由于8079鋁合金扁錠最終加工的雙零箔材制品用于食品包裝，因此，對(duì)熔煉所使用的電解鋁液和各種固體爐料要提前進(jìn)行有害元素Pb 的含量分析。

4.3 電解鋁液及其預(yù)處理

由于8079 鋁合金中的Si 含量為ω（Si） =0.05%～0.3%，ω（Fe）=0.7%～1.3%，因此，品位為99.70%的電解鋁液可滿足8079 合金的配料要求。然而，由于電解鋁液中含有Na、Li、Ca 等有害于8079 鋁合金雙零箔材軋制質(zhì)量的雜質(zhì)元素，因此，在裝爐前必須對(duì)其進(jìn)行預(yù)處理，以降低電解鋁液中的Na、Li、Ca等堿（土）金屬含量。

預(yù)處理方法為：在盛裝有電解鋁液的真空抬包到達(dá)熔鑄車間并放置于固定工位后，將其包蓋除去，更換并緊固上具有同樣尺寸規(guī)格且設(shè)計(jì)安裝有精煉劑加料口、排塵口和石墨轉(zhuǎn)子的新包蓋。接通電源使石墨轉(zhuǎn)子高速旋轉(zhuǎn)。將無(wú)水AlF3按每噸鋁液2 kg的添加量由加料口加入包內(nèi)，同時(shí)將高純氬氣經(jīng)石墨轉(zhuǎn)子主軸控通入鋁液中。在石墨轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)力作用下，AlF3和高純氬氣均勻分布于鋁液中，AlF3與鋁液中的Na、Ca、Li 等堿（土）金屬反應(yīng)，生成堿（土）金屬氟鹽，而高純氬氣則形成大量彌散分布于鋁液中的小氣泡。在氣泡長(zhǎng)大和上浮過程中，熔體中的氫在分壓差原理作用下進(jìn)入氣泡中，而Al2O3、NaF、LiF、CaF2以及其他非金屬夾雜物則吸附于氣泡表面被帶至熔體表面而被除去[2]。電解鋁液預(yù)處理不僅可以達(dá)到初步除堿除氫的目的，也達(dá)到了初步除渣的目的。

4.4 8079鋁合金的合金元素控制

8079 鋁合金中，F(xiàn)e、Si 是主要合金元素。Fe元素對(duì)材料強(qiáng)度影響很大，并且隨Fe 含量的增加而增大。此外，F(xiàn)e 元素在一定程度上可以細(xì)化8079 鋁合金的晶粒組織，改善其力學(xué)性能。Si 對(duì)8079 鋁合金箔材的直接影響比較小，通常與Fe 元素結(jié)合起到一定作用。8079合金中的二元相是θ相FeAl3相，F(xiàn)eAl3相也是8079 鋁合金中唯一的平衡相，其形狀為針片狀。合金中還存在三元相，主要為α（AlFeSi）相和β（AlFeSi）相。α（AlFeSi）相的形貌為骨骼狀（漢字狀），β（AlFeSi）相的形狀為長(zhǎng)針狀或盤片狀。β（AlFeSi）相為硬脆相，具有小面特征，它的存在會(huì)對(duì)基體形成割裂作用，極易造成應(yīng)力集中而導(dǎo)致合金材料出現(xiàn)裂紋，增加8079鋁合金箔材軋制過程中的斷帶率和針孔率。因此，應(yīng)通過控制合金元素含量，使8079 合金在凝固過程中形成α（AlFeSi）相，而避免β（AlFeSi）相的形成。在實(shí)際生產(chǎn)中，一般通過控制ω（Fe）/ω（Si）的比值來減小對(duì)8079合金組織和性能有害的金屬間化合物β（AlFeSi）相的形成。當(dāng)ω（Fe）/ω（Si）比值控制在2.75～5.5范圍時(shí)，形成α（AlFeSi）相；而當(dāng)ω（Fe）/ω（Si）比值控制在1.6～2.25范圍時(shí)，形成β（AlFeSi）相。因此，當(dāng)ω（Fe）=1.25%左右、ω（Si）=0.25%左右時(shí)，可以將ω（Fe）/ω（Si）比值控制在5.0左右。

Cu、Zn 是8079 合金中的雜質(zhì)元素，在不超過標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的前提下，其含量越低越好。

由于在熔鑄過程中要通過添加Al-5Ti-1B中間合金來細(xì)化晶粒，合金熔體中可以含有一定量的Ti元素，通常控制Ti 元素含量為0.03%左右。因此，在實(shí)際生產(chǎn)中，8079合金的化學(xué)成分按表2控制和分析檢測(cè)。

表2 8079鋁合金的內(nèi)控化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)/%）

4.5 裝爐及熔煉

先將重熔鋁錠和固體8011 合金回爐料裝入熔池中，再將Al-Fe 和Al-Si 中間合金放置在固體爐料上方，然后再用虹吸裝置將預(yù)處理后的電解鋁液轉(zhuǎn)注入熔池中，以減少電解鋁液轉(zhuǎn)注過程中鋁液的燒損、氧化夾渣的生成和大氣的卷入[3]。裝爐時(shí)，電解鋁液用量為總?cè)刍康?0%，其余為固體爐料。

裝爐完成后，啟動(dòng)燃燒裝置進(jìn)行8079 鋁合金熔煉。由于Al-Fe 中間合金的熔點(diǎn)比較高（860～920 ℃）[4]，在熔煉過程中，將熔煉溫度控制在740～760 ℃間。為加速固體爐料熔化，縮短熔煉時(shí)間，在電解鋁液注入和燃燒系統(tǒng)開啟后，啟動(dòng)電磁攪拌裝置對(duì)電解鋁液進(jìn)行攪拌，加速電解鋁液在熔池內(nèi)流動(dòng)，將其儲(chǔ)存的熱量盡快傳遞給固體爐料。當(dāng)固體爐料完全熔化后，再次啟動(dòng)電磁攪拌裝置進(jìn)行15～20 min 的攪拌，使8079 合金熔體的化學(xué)成分和溫度均勻化。

為了將純凈度較高的8079 合金熔體導(dǎo)入保溫爐，在熔煉爐內(nèi)對(duì)熔體進(jìn)行預(yù)精煉。其方法是：將八塊用四氯化碳浸泡的耐火磚放置在熔煉爐熔池底部不同位置。四氯化碳受熱分解產(chǎn)生Cl2，而Cl2與熔體中的Na、Li、Ca 等堿（土）金屬和溶解氫反應(yīng)，生成NaCl、LiCl 和CaCl2等氯鹽和HCl 氣體，同時(shí)Cl2還與Al 發(fā)生反應(yīng)生成氣態(tài)AlCl3（沸點(diǎn)183 ℃）。Cl2和AlCl3均為氣體，在鋁熔體中以氣泡形式存在，氣泡在上浮過程中，將形成的氯鹽和其他非金屬夾雜物吸附于其表面之上帶出液面而被除去，從而達(dá)到預(yù)精煉的目的。

預(yù)精煉完成后，靜置15 min～20 min，扒去熔體表面浮渣，對(duì)合金熔體進(jìn)行取樣分析，并用無(wú)鈉覆蓋劑對(duì)熔體進(jìn)行覆蓋，化學(xué)成分和溫度達(dá)到工藝規(guī)定要求后進(jìn)行轉(zhuǎn)爐。轉(zhuǎn)爐溫度控制在740 ℃左右。

4.6 8079鋁合金熔體的爐內(nèi)精煉

爐內(nèi)精煉對(duì)于雙零箔用8079 鋁合金扁錠的冶金質(zhì)量非常重要。選擇高純氬氣為8079 合金熔體的精煉氣體，要求其純度不低于99.99%。為提高精煉效果，對(duì)高純氬氣進(jìn)行了預(yù)熱處理[5]。8079鋁合金熔體的爐內(nèi)精煉分為兩部分進(jìn)行。一方面是利用爐底透氣磚精煉裝置進(jìn)行精煉[6]，即將高純氬氣由安裝在熔池底部的透氣磚通入8079 合金熔體中，形成大量細(xì)小而彌散的Ar 氣泡分布于熔體中。氣泡在長(zhǎng)大和上浮過程中，在分壓差原理和吸附原理的雙重作用下，使熔體中的氫進(jìn)入Ar 氣泡中，而熔體中的非金屬氧化物則吸附于氣泡表面，隨氣泡上浮至熔體表面而被除去；另一方面，以高純氬氣為載體將四氯化碳通入合金熔體中，在兼具上述熔體凈化作用的前提下，四氯化碳分解產(chǎn)生的Cl2與熔體中的Na、Li、Ca 等堿（土）金屬元素和氫發(fā)生氯化反應(yīng)，生成Na、Li、Ca 等堿（土）金屬氯鹽和HCl氣體。同時(shí)，Cl2、HCl和AlCl3氣泡在上浮過程中也能夠?qū)⑷垠w中的夾雜物吸附于氣泡表面而被除去。這兩部分精煉的結(jié)合對(duì)熔體起到了很好的凈化作用。

爐底透氣磚精煉裝置不僅能夠?qū)Χ嗳垠w起到凈化作用，還可以對(duì)熔體起到攪拌作用，對(duì)減小熔體溫度的不均勻性和Fe 元素的偏析起到了很好的作用。因此，在后續(xù)扁錠鑄造過程中，爐底透氣磚一直處于常開狀態(tài)，并隨著爐內(nèi)合金熔體深度變化而隨時(shí)調(diào)整高純氬氣的壓力和流量，在保證不破壞熔體表面Al2O3氧化膜完整性的前提下，一直對(duì)合金熔體實(shí)施攪拌。爐內(nèi)精煉過程中熔體溫度控制在（725±5）℃。

4.7 8079鋁合金鑄錠的低液位鑄造

精煉完成后對(duì)熔體進(jìn)行約15 min 的靜置處理，扒去熔體表面浮渣并進(jìn)行覆蓋，待調(diào)整熔體溫度并保持在（725±5）℃時(shí)進(jìn)行放流鑄造。

4.7.1 8079鋁合金熔體的晶粒細(xì)化

晶粒細(xì)化對(duì)于獲得組織細(xì)密的8079 鋁合金鑄錠結(jié)晶組織和減小鑄錠偏析十分重要。用Al-5Ti-1B 中間合金絲作為8079 合金熔體的晶粒細(xì)化劑，采用鋁液流槽在線逆流加入的方式進(jìn)行添加，添加位置位于保溫爐出口和在線除氣裝置入口之間的鋁液流槽中。因?yàn)樵诖颂砑蛹?xì)化劑，在其溶解后能迅速流入除氣裝置中，而除氣裝置中石墨轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)攪拌能使TiAl3和TiB2粒子均勻分布于熔體中，從而獲得良好的細(xì)化效果。應(yīng)當(dāng)注意的是，在放流鑄造前，應(yīng)提前對(duì)鋁液流槽進(jìn)行修補(bǔ)、涂刷鈦白粉或氮化硼涂料并預(yù)熱至700 ℃左右，防止8079合金熔體流經(jīng)流槽時(shí)，由于降溫幅度過大而造成溶體流動(dòng)性降低，影響合金的鑄造性能。

4.7.2 8079合金熔體的在線除氣

為了降低8079 鋁合金箔材成品的針孔率和斷帶率，必須對(duì)合金熔體進(jìn)行在線除氣處理。采用挪威海德魯鋁業(yè)公司設(shè)計(jì)制造的Hycast?I-60 SIR 在線除氣裝置[7]。除氣介質(zhì)為預(yù)熱高純氬氣。其除氣原理為旋轉(zhuǎn)噴吹。采用此裝置在線除氣可以將熔體中的氫含量降低至0.11 ml/100 g ?Al 以下。應(yīng)當(dāng)注意的是，在放流鑄造前，應(yīng)提前將除氣裝置的耐火材料內(nèi)襯預(yù)熱至700 ℃左右，防止8079合金熔體流經(jīng)該裝置時(shí)因降溫幅度過大而造成溶體流動(dòng)性降低，影響合金的鑄造性能。

4.7.3 8079合金熔體的在線除渣

采用深床過濾裝置對(duì)8079 鋁合金熔體進(jìn)行在線過濾。這是由于深床過濾的過濾效果遠(yuǎn)高于常用的雙級(jí)泡沫陶瓷過濾[8]，其對(duì)大于5 μm 的夾雜物，過濾效率大于90%[9]，是8079鋁合金雙零箔材用鑄錠的理想過濾裝置。加之該裝置頂部裝有加熱裝置，在整個(gè)鑄造過程中可以一直對(duì)熔體加熱，不僅有利于夾雜物與熔體分離，而且可以保證熔體溫度不降低，使合金熔體保持良好的鑄造性能。

4.7.4 8079鋁合金扁錠的低液位鑄造

由于低液位鑄造鋁合金扁錠的鑄造顯微組織細(xì)密，表面光滑，粗晶層和偏析區(qū)較薄，鑄錠底部翹曲量小[10～11]，是0.006 mm 厚8079 鋁合金雙零箔用扁錠的理想鑄造方法。

通過對(duì)鑄造溫度、鑄造速度、冷卻強(qiáng)度、結(jié)晶器內(nèi)液位高度以及熔體填充速度等工藝參數(shù)的研究，在大量工藝試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，確定了380 mm×1 950 mm×6 000 mm 規(guī)格8079 鋁合金扁錠的低液位鑄造工藝參數(shù)，見表3。

表3 380 mm×1 950 mm 8079鋁合金扁錠的低液位鑄造工藝參數(shù)

5 380 mm×1 950 mm×6 000 mm規(guī)格8079鋁合金扁錠的熔鑄結(jié)果

用表3 工藝參數(shù)鑄造的380 mm×1 950 mm×6 000 mm 規(guī)格8079 鋁合金扁錠的外觀質(zhì)量符合要求。

8079 鋁合金扁錠低液位鑄造過程中在線測(cè)得的氫含量在0.08 ml/100 g ?Al～0.108 ml/100 g ?Al，滿足用戶要求。

對(duì)8079 鋁合金扁錠進(jìn)行了切片分析，其化學(xué)成分和堿（土）金屬含量及有害元素含量分別見表4和表5。

表4 8079鋁合金扁錠化學(xué)成分的分析結(jié)果（質(zhì)量分?jǐn)?shù)/%）

表5 8079鋁合金扁錠中堿（土）金屬和有害元素含量的分析結(jié)果

與表1 的成分范圍相比較，表4 中各元素的分析結(jié)果符合表1規(guī)定。

與表1所給出的堿（土）金屬和有害元素Pb含量要求相比較，表4中堿（土）金屬Na、Li、Ca及有害元素Pb含量的分析結(jié)果符合要求。

為了確定鑄錠不同部位Fe、Si 元素的偏析情況，取鑄錠截面的1/4 進(jìn)行分析檢測(cè)。所有檢測(cè)點(diǎn)均處于鑄錠截面上厚度和寬度的中心線上，各檢測(cè)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)）、表層下方20 mm（A點(diǎn)）、厚度方向1/4處（C點(diǎn)）和表層下方20 mm處（D點(diǎn)），各檢測(cè)點(diǎn)分布如圖1所示。各部位Fe、Si元素含量分布情況如表6所示。

圖1 8079鋁合金扁錠Fe、Si元素分布檢測(cè)點(diǎn)

表6 8079鋁合金扁錠的晶粒度測(cè)量結(jié)果（晶粒尺寸/μm）

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

由表6可以看出，各檢測(cè)點(diǎn)的Fe、Si元素含量分布是比較均勻的，其最大偏差分別為0.003%和0.009%。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(duì)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8079 鋁合金鑄錠的半連續(xù)鑄造。它們的共同作用是使鑄錠中Fe、Si元素具有較為理想的均勻性。

對(duì)8079 鋁合金扁錠進(jìn)行了低倍檢測(cè)，其低倍組織如圖2所示。

圖2 8079鋁合金扁錠的低倍組織

8079鋁合金扁錠的晶粒度測(cè)量結(jié)果見表6。

由表6可以看出，所生產(chǎn)3爐次8079鋁合金扁錠的晶粒度全部為1級(jí)，有輕微疏松缺陷但其程度小于1級(jí)，符合雙零箔材軋制要求。

由圖2可以看出，8079鋁合金扁錠低倍組織中未發(fā)現(xiàn)裂紋、夾渣等缺陷，鑄錠表面質(zhì)量良好，沒有冷隔、拉痕、碰傷、表面夾渣、漏鋁和外來壓入物等缺陷。

用戶對(duì)8079 鋁合金進(jìn)行了0.006 mm 雙零箔軋制，反饋結(jié)果表明，軋制過程中平均每噸產(chǎn)品的斷帶率為0.191 次～0.44 次，0.006 mm 雙零鋁箔的平均針孔數(shù)為（50～80）個(gè)/m2，達(dá)到國(guó)內(nèi)同行業(yè)的中上等水平。

6 結(jié)論

根據(jù)8079 鋁合金扁錠的鑄造過程和檢測(cè)分析結(jié)果可以得出以下結(jié)論：

（1）電解鋁液預(yù)處理、熔煉爐內(nèi)預(yù)精煉、爐底透氣磚與四氯化碳精煉、Hycast?I-60 SIR 裝置在線除氣以及深床過濾裝置在線過濾是確保8079鋁合金熔體質(zhì)量的重要措施。

（2）當(dāng)控制ω（Fe）含量在1.25%左右、ω（Si）含量在0.25%左右時(shí)可將ω（Fe）/ω（Si）比值控制在5.0左右，這是確保8079鋁合金化學(xué)成分符合用戶要求的主要手段。

（3）大規(guī)格8079鋁合金扁錠正常鑄造階段較為合適的低液位鑄造參數(shù)為：鑄造溫度720 ℃～740 ℃，冷卻水流量168 m3/h，鑄造速度64 mm/min，結(jié)晶器內(nèi)液位高度51 mm。

（4）采用上述工藝措施所鑄造的大規(guī)格低液位8079 鋁合金扁錠具有良好的表面質(zhì)量和內(nèi)在質(zhì)量，完全滿足0.006 mm雙零鋁箔軋制的質(zhì)量要求。