淺談連鑄連軋生產(chǎn)工藝特點(diǎn)及其對鋁合金成分添加劑質(zhì)量的特異性要求

劉志文,王倩雅,劉雪梅,趙志隆

(洛陽龍鼎鋁業(yè)有限公司,河南 洛陽 471300)

目前工業(yè)上生產(chǎn)鋁板帶箔主要有三個(gè)途徑:傳統(tǒng)鑄錠熱軋法、連續(xù)鑄軋法和連鑄連軋法。由于傳統(tǒng)鑄錠熱軋法存在投資大、生產(chǎn)成本高、生產(chǎn)工序長而復(fù)雜等特點(diǎn),連續(xù)鑄軋法和連鑄連軋法在許多鋁板帶箔產(chǎn)品生產(chǎn)領(lǐng)域逐漸成為主流生產(chǎn)模式[1]。

連續(xù)鑄軋法和連鑄連軋法在生產(chǎn)工藝上存在很多相似之處,均需要經(jīng)歷裝爐—熔化—成分調(diào)整—爐內(nèi)熔體凈化—在線熔體凈化,連續(xù)向軋制工序供應(yīng)合格的鋁熔體。目前行業(yè)內(nèi)兩種生產(chǎn)工藝使用的鋁合金成分添加劑是通用的,實(shí)收率是最重要的質(zhì)量指標(biāo)。我公司擁有22條連續(xù)鑄軋生產(chǎn)線和1條連鑄連軋生產(chǎn)線,積累了大量連續(xù)鑄軋和連鑄連軋的生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn),通過對比發(fā)現(xiàn)二者在生產(chǎn)工藝上存在許多差異,進(jìn)而影響到鋁合金成分添加劑的選擇。本文結(jié)合公司生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn),以8011合金空調(diào)箔生產(chǎn)為例,從合金化溫度、通過量、生產(chǎn)節(jié)奏和鋁熔體潔凈度等方面研究了連鑄連軋和連續(xù)鑄軋生產(chǎn)工藝之間的差異,探究了兩種生產(chǎn)工藝對鋁合金成分添加劑質(zhì)量的不同要求。

1 連鑄連軋和連續(xù)鑄軋生產(chǎn)工藝對比

公司分別采用連續(xù)鑄軋和連鑄連軋工藝生產(chǎn)8011合金空調(diào)箔坯料,使用鐵劑(Fe75)、速溶硅(Si95)和鈦劑(Ti75)進(jìn)行合金化。8011合金空調(diào)箔化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù),%)為,Si 0.55～0.61,Fe 0.87～0.93,Cu 0.02,Mn 0.02,Mg 0.01,Zn 0.02,Ti 0.01～0.04,其它雜質(zhì)≤0.03,Al余量。

1.1 合金化溫度

連鑄連軋和連續(xù)鑄軋?jiān)谏a(chǎn)工藝上存在很多相似之處,均需要經(jīng)歷裝爐—熔化—成分調(diào)整—爐內(nèi)熔體凈化—在線熔體凈化等工序,連續(xù)向軋制工序供應(yīng)合格的鋁熔體。但是連續(xù)鑄軋使用熔煉爐進(jìn)行鋁熔體的熔化、成分調(diào)整和爐內(nèi)熔體凈化,使用保溫爐進(jìn)行鋁熔體的保溫靜置和爐內(nèi)熔體凈化,連續(xù)向鑄軋機(jī)供應(yīng)合格的鋁熔體;而連鑄連軋卻是熔煉爐和保溫爐一體化,使用3～4臺熔煉爐進(jìn)行鋁熔體的熔化、成分調(diào)整和爐內(nèi)熔體凈化,直接向連鑄機(jī)供應(yīng)合格的鋁熔體。相對鑄軋20t的小熔煉爐,連鑄連軋使用120t的大熔煉爐,加熱熔體升溫比較緩慢,所以在爐料熔化階段終了溫度有很大差異。連鑄連軋?zhí)砑愉X合金成分添加劑進(jìn)行合金化的溫度一般控制在760～780℃,隨后逐漸降低溫度;連續(xù)鑄軋?zhí)砑愉X合金成分添加劑進(jìn)行合金化的溫度一般控制在720～735℃,隨后逐漸升高溫度,二者溫度控制之間的差異如圖1所示。

圖1 連續(xù)鑄軋和連鑄連軋鋁熔體溫度控制Fig.1 Temperature control of aluminum melt for continuous casting and rolling and continuous casting and direct rolling

1.2 通過量和生產(chǎn)節(jié)奏

采用連續(xù)鑄軋和連鑄連軋生產(chǎn)1 600 mm寬的8011合金空調(diào)箔坯料,通過量和生產(chǎn)節(jié)奏見表1。從表1可知,連鑄連軋的通過量約為連續(xù)鑄軋的19倍,這使得連鑄連軋熔煉工序生產(chǎn)節(jié)奏非?？?需要在7.5 h內(nèi)完成120 t爐料的熔化、成分調(diào)整和熔體凈化。

表1 連續(xù)鑄軋和連鑄連軋通過量和生產(chǎn)節(jié)奏

1.3 鋁熔體潔凈度

由前面可知,連鑄連軋熔煉工序生產(chǎn)節(jié)奏很快,所以為了保證生產(chǎn)穩(wěn)定,爐料一般為80%～90%的電解鋁液+(10%～20%)的固體料(鋁錠或者廢料),依靠高溫電解鋁液進(jìn)行輔助熔化固體爐料,從而騰出更多時(shí)間進(jìn)行成分調(diào)整和爐內(nèi)熔體凈化。而連續(xù)鑄軋對爐料無明顯要求,電解鋁液比例控制在0～80%之間,一般為60%左右。眾所周知,電解鋁液是采用冰晶石-氧化鋁熔鹽高溫電解得到的,具有溫度高、氫含量高、氧化夾雜多等缺點(diǎn)[2],所以連鑄連軋鋁熔體的潔凈度要遠(yuǎn)低于連續(xù)鑄軋法,需要耗費(fèi)更多的時(shí)間去進(jìn)行熔體凈化作業(yè)(表2)。

表2 連續(xù)鑄軋和連鑄連軋爐內(nèi)熔體凈化

從表2可知,連續(xù)鑄軋熔煉工序生產(chǎn)節(jié)奏較慢,可用熔體凈化時(shí)間長達(dá)5 h,實(shí)際熔體凈化時(shí)間占比只有17%。由于連鑄連軋的通過量約為連續(xù)鑄軋的19倍,熔煉工序生產(chǎn)節(jié)奏非?？?可用熔體凈化時(shí)間只有3.5 h,實(shí)際熔體凈化時(shí)間占比達(dá)到57%;同時(shí)除了在線除氣箱和過濾箱,連鑄連軋還需添加深床過濾裝置進(jìn)行在線熔體凈化,因此連鑄連軋對各個(gè)熔體凈化工序的容錯(cuò)能力變差,極易出現(xiàn)鑄嘴結(jié)渣而導(dǎo)致鑄板質(zhì)量變差甚至停機(jī)的現(xiàn)象。通過對比分析連續(xù)鑄軋和連鑄連軋的生產(chǎn)工藝,發(fā)現(xiàn)雖然二者均需要進(jìn)行裝爐—熔化—成分調(diào)整—爐內(nèi)熔體凈化—在線熔體凈化,連續(xù)向軋制工序供應(yīng)合格的鋁熔體,但二者生產(chǎn)工藝存在很大不同(表3)。

表3 連續(xù)鑄軋和連鑄連軋生產(chǎn)工藝差異性

2 鋁合金成分添加劑在連鑄連軋和連續(xù)鑄軋生產(chǎn)中的表現(xiàn)

2.1 鋁合金元素添加劑實(shí)收率

近十年來,我公司和國內(nèi)知名的鋁合金成分添加劑生產(chǎn)企業(yè)均有合作,積累了豐富的生產(chǎn)數(shù)據(jù)和經(jīng)驗(yàn)。起初,鋁合金成分添加劑在連續(xù)鑄軋和連鑄連軋兩種生產(chǎn)工藝上是通用的,但是經(jīng)過長期實(shí)踐發(fā)現(xiàn),鋁合金成分添加劑在兩種工藝中的表現(xiàn)是有明顯差異的。實(shí)收率作為鋁合金成分添加劑的最重要指標(biāo),可以作為指標(biāo)來衡量鋁合金成分添加劑在兩種工藝生產(chǎn)中的表現(xiàn)。選擇3種長期使用的鐵劑(Fe75)在連續(xù)鑄軋和連鑄連軋生產(chǎn)中的實(shí)收率數(shù)據(jù)進(jìn)行對比,如圖2所示。可見Fe75-1和Fe75-2的實(shí)收率大于95%,符合YS/T 492-2012《鋁及鋁合金成分添加劑》標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定,可以滿足連續(xù)鑄軋的生產(chǎn)要求;Fe75-3實(shí)收率偏低,熔化非常慢,在生產(chǎn)過程中需要多次補(bǔ)加鐵劑,成分控制存在一定難度。但是三種鐵劑均滿足連鑄連軋的生產(chǎn)要求,且實(shí)收率均高于連續(xù)鑄軋。

圖2 三種鐵劑實(shí)收率Fig.2 Actual yield of three iron agents

2.2 通過量

連續(xù)鑄軋和連鑄連軋生產(chǎn)中分別使用3種鐵劑后的通過量數(shù)據(jù)如圖3所示?？梢娙N鐵劑對連續(xù)鑄軋的通過量無明顯影響,均在15天左右;但是三種鐵劑對連鑄連軋的通過量有明顯影響,Fe75-3>Fe75-2>Fe75-1,在連鑄連軋生產(chǎn)中使用Fe75-1,生產(chǎn)周期短,極易出現(xiàn)鑄嘴堵塞現(xiàn)象,導(dǎo)致鑄板夾渣而停機(jī)。

圖3 三種鐵劑對通過量的影響Fig.3 Effect of three iron agents on passage volume

綜合三種鐵劑的實(shí)收率及其對通過量的影響,目前連鑄連軋生產(chǎn)專用Fe75-3,連續(xù)鑄軋生產(chǎn)可以使用Fe75-1和Fe75-2。

3 分析與討論

綜上所述,連鑄連軋熔煉工序生產(chǎn)節(jié)奏很快,所以為了保證生產(chǎn)穩(wěn)定,爐料一般為80%～90%的電解鋁液+10%～20%的固體料(鋁錠或者廢料),而連續(xù)鑄軋對爐料無明顯要求,電解鋁液比例控制在0～80%之間,一般為60%左右。這樣進(jìn)行成分調(diào)整時(shí),連鑄連軋需要添加更多的鋁合金成分添加劑(表4)。合金添加劑的質(zhì)量,尤其是助熔劑對熔體質(zhì)量影響更大。

表4 連續(xù)鑄軋和連鑄連軋助熔劑添加量

從表4可知,對于連續(xù)鑄軋,助熔劑理論添加量與爐內(nèi)精煉時(shí)精煉劑用量相當(dāng),前者在開啟電磁攪拌的情況下從兩個(gè)爐門加入,后者是人工在20 min內(nèi)依靠氬氣作為載體均勻噴入鋁熔體中,二者加入量和加入時(shí)間相差不大,所以助熔劑質(zhì)量對熔體質(zhì)量影響較小,表現(xiàn)為鐵劑對連續(xù)鑄軋的通過量無明顯影響。對于連鑄連軋,助熔劑理論添加量約為爐內(nèi)精煉時(shí)精煉劑用量的2倍,前者是在開啟電磁攪拌的情況下一次性加入鋁熔體中,后者是在開啟電磁攪拌的情況下分兩次在50 min內(nèi)依靠氬氣作為載體均勻噴入鋁熔體中,二者加入量和加入時(shí)間相差很大。這些助熔劑集中加入鋁熔體后會(huì)與鋁熔體發(fā)生一系列的物理化學(xué)反應(yīng),助熔劑及其反應(yīng)產(chǎn)物滯留在鋁熔體中,會(huì)對鋁熔體潔凈度產(chǎn)生明顯的影響。

根據(jù)YS/T 492-2012《鋁及鋁合金成分添加劑》標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定,鐵劑(Fe75)由75%活性較高的鐵粉和25%具有一定特性的助熔劑組成。當(dāng)鋁合金成分添加劑投入熔體后,由于鋁合金成分添加劑的密度比鋁液的大,逐漸向爐底慢慢移動(dòng),鋁合金成分添加劑中的助熔劑與鋁熔體中的氧化物(Al2O3)發(fā)生反應(yīng),并存在放熱和輕微爆炸性分解。這種反應(yīng)使添加劑團(tuán)塊逐漸向鋁熔體中擴(kuò)散,這時(shí)經(jīng)過活化處理、具有非常大比表面積的純金屬粉末在鋁熔體中迅速熔解和擴(kuò)散。金屬粉末表面開始與鋁熔體接觸時(shí),該元素在鋁熔體各處有濃度差,促使其在鋁熔體中的濃度有趨于平衡的傾向,這就使很細(xì)的金屬粉末能很快溶解,達(dá)到合金化的原理[3]。

鋁及鋁合金成分添加劑中的助熔劑和鋁熔體凈化使用的精煉劑成分相似,均為鹵化物鹽類,大致分為以下幾類:氯鹽(NaCl、KCl、MgCl2等)、氟鹽(NaF、KF、MgF2、Na3AlF6等)、碳酸鹽(Na2CO3、K2CO3、CaCO3等)、硫酸鹽(Na2SO4、K2SO4等)、硝酸鹽(NaNO3、KNO3等)等[4]。

氯鹽的表面張力小,有較強(qiáng)的潤濕Al2O3的作用,氯鹽有利于氧化物夾雜與熔體的分離,有利于鋁熔體與渣的分離。KCl和NaCl在共晶成份時(shí)(45%NaCl+55%KCl),其熔點(diǎn)僅為650℃左右。MgCl2和KCl在共晶成份時(shí),其熔點(diǎn)僅為424℃。目前鋁熔體凈化使用的精煉劑的主要成分就是KCl和NaCl,或者M(jìn)gCl2和KCl。但氯化物的特點(diǎn)是吸濕性強(qiáng),尤其是氯化鎂、氯化鈣、氯化鋅有顯著的吸濕性[5]。

氟鹽能提高精煉劑與合金液之間的表面張力,使精煉劑和合金液容易分開,加速精煉劑吸附合金液中氫和氧化物夾雜的過程,減少熔渣中粘夾鋁等金屬所造成的金屬損耗;氟鹽可與鋁合金液的Al和A1203發(fā)生化學(xué)反應(yīng)生成氣態(tài)的A1F、AlF3、AlF6、SiF4等,這些氣體起到除氣除渣的精煉作用[6],化學(xué)反應(yīng)為:Na2SiF6+2Al→2Na+Si+2A1F6;6NaF+Al203→2AlF3+3Na20。這些化學(xué)反應(yīng)都是放熱反應(yīng),放出的熱量可以幫助金屬鐵粉更快的熔化進(jìn)入鋁熔體,這也是助熔劑的名稱由來。氟化物還有一特點(diǎn)是吸濕性小。

碳酸鹽、硫酸鹽和硝酸鹽等化合物可以和鋁反應(yīng)生成Al203和CO2等氣體,并釋放出大量的熱。CO2等氣體起到除氣除渣的精煉作用,放熱反應(yīng)放出的熱量可以幫助金屬鐵粉更快的熔化進(jìn)入鋁熔體[7]。

由于YS/T 492-2012《鋁及鋁合金成分添加劑》標(biāo)準(zhǔn)對助熔劑的成分未作強(qiáng)制要求,國內(nèi)鋁及鋁合金成分添加劑生產(chǎn)企業(yè)采用的助熔劑配方也各不相同。三種鐵劑化學(xué)成分、密度和水分檢測結(jié)果見表5。

表5 三種鐵劑化學(xué)成分、密度和水分檢測結(jié)果

從表5可知,Fe75-1助熔劑成分以氟鹽為主,為發(fā)熱型熔劑,這些氟鹽進(jìn)入鋁熔體后,與鋁熔體中的Al和A1203發(fā)生一系列化學(xué)反應(yīng),局部化學(xué)反應(yīng)集中放熱,引燃鋁熔體周圍氧化鋁燒渣,鋁燒渣溫度可達(dá)2 204℃[8],達(dá)到局部增溫的效果,幫助金屬鐵粉更快的熔化進(jìn)入鋁熔體,從而保證其實(shí)收率合格,Fe75-1實(shí)收率在三種鐵劑中是最高的。但是這些氟鹽及其反應(yīng)產(chǎn)物集中滯留在鋁熔體中,極大地削弱其凈化熔體的作用,易形成熔劑夾雜物,污染鋁熔體。所以使用Fe75-1會(huì)縮短連鑄連軋通過量,易堵塞鑄嘴造成停機(jī)。

Fe75-3助熔劑成分以氯鹽為主,NaCl和KCl成分接近共晶成分,熔點(diǎn)低,為非發(fā)熱型熔劑,這些氯鹽進(jìn)入鋁熔體后,快速熔化,由于氯鹽的表面張力小,有較強(qiáng)的潤濕A1203等夾雜物的作用,吸附夾雜物的能力強(qiáng),除雜效果好。但是這些助熔劑進(jìn)入鋁熔體后無法放出熱量,助力金屬鐵粉熔化,所以實(shí)收率在三種鐵劑中是最低的,連續(xù)鑄軋法由于合金化溫度偏低,所以Fe75-3的實(shí)收率低于95%,不合格。

Fe75-2助熔劑成分既含有氟鹽又含有氯鹽,發(fā)熱、除雜均衡,所以其實(shí)收率和對通過量的影響居中。

4 結(jié)論

(1)對比研究了連鑄連軋和連續(xù)鑄軋生產(chǎn)工藝之間的差異,得出連鑄連軋生產(chǎn)工藝具有合金化溫度高、高通過量、生產(chǎn)節(jié)奏緊、熔體凈化難度大的特點(diǎn),這些特點(diǎn)使得連鑄連軋對鋁合金成分添加劑的質(zhì)量存在特異性要求。

(2)鋁合金成分添加劑中的助熔劑可分為發(fā)熱型助熔劑和非發(fā)熱型助熔劑,連鑄連軋更適合使用非發(fā)熱型助熔劑以保證熔體質(zhì)量,連續(xù)鑄軋更適合使用發(fā)熱型助熔劑以保證實(shí)收率。