0 前言
3102鋁合金屬于Al-Mn系變形合金，廣泛用于生產(chǎn)空調(diào)箔[1,2]。由于采用鑄軋板軋制比采用熱軋法軋制具有工藝流程短、生產(chǎn)成本低、能耗低等一系列優(yōu)點(diǎn)，因此，目前在3102鋁合金空調(diào)箔生產(chǎn)中普遍以鑄軋板為坯料進(jìn)行箔材軋制。而3102鑄軋板的生產(chǎn)多以電解鋁液為主要原料進(jìn)行生產(chǎn)，但由于電解鋁液具有金屬雜質(zhì)含量多、氫含量高、非金屬夾雜物含量多以及溫度高等一系列缺點(diǎn)[3]，容易導(dǎo)致鑄軋板產(chǎn)生晶粒粗大、氣和渣含量高等鑄造缺陷，直接影響鑄軋板的組織均勻性和后續(xù)軋制產(chǎn)品的性能，因此，用電解鋁液生產(chǎn)3102合金鑄軋板在工藝控制上難度較大。從現(xiàn)有資料來看[1,2]，目前國(guó)內(nèi)用電解鋁液生產(chǎn)3102合金鑄軋板的板寬均在1500mm左右，而對(duì)于寬幅大于1500mm鑄軋板的生產(chǎn)工藝研究探討的比較少。本文將重點(diǎn)探討利用電解鋁液生產(chǎn)寬板幅3102鋁合金鑄軋板的生產(chǎn)工藝。
1 3102合金的化學(xué)成分及合金特性
1)3102合金鑄軋板的化學(xué)成分
某公司與下游軋制企業(yè)簽訂了生產(chǎn)箔用3102合金鑄軋板的技術(shù)協(xié)議，其化學(xué)成分要求見表1。
表1 3102鋁合金的化學(xué)成分(wt.%)
Table 1 Chemical composition of 3102 aluminium alloy
2)3102合金的特點(diǎn)
3102合金屬于Al-Mn系熱熱處理不可強(qiáng)化鋁合金，室溫時(shí)主要相組成為α(Al)相和MnAl6相，其共晶體中含有較大的金屬間化合物，這些化合物呈骨骼狀、塊狀和片狀等形態(tài)[4]。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。合金的顯著特點(diǎn)在于融融狀態(tài)下流動(dòng)性較差，這就決定了合金在鑄軋過程中，如果溫度控制和熔體處理不當(dāng)，易出現(xiàn)鑄嘴內(nèi)部堵塞，極易出現(xiàn)粘輥缺陷。此外，由于寬板幅鑄軋板的寬度幅面大，從而造成鑄軋板的板形控制比較困難。
2 下游用戶對(duì)3102鋁合金鑄軋板的質(zhì)量要求
1)鑄軋卷外形尺寸：規(guī)格7.0 mm×1800 mm，卷外徑1860 mm±10 mm，鑄軋卷厚度允差±0.3 mm，板寬允差0 ～12 mm，中凸度0.1%
2)鑄軋板晶粒度為1級(jí);
3)化學(xué)成分：合金元素分布均勻，合金成分范圍符合表1規(guī)定;
4)氫含量：不大于0.13ml/100g-Al;
5)外觀質(zhì)量：鑄軋帶坯斷面整齊，斷面錯(cuò)層寬度不得超過5mm，頭尾5圈不得超過15mm。表面不允許出現(xiàn)熱帶、孔洞、氣泡、裂紋、腐蝕及非金屬壓入等缺陷;
6)邊部質(zhì)量：工藝裂邊≤5mm，邊部缺損≤5mm。
3 鑄軋生產(chǎn)線主要設(shè)備及其參數(shù)
主要生產(chǎn)設(shè)備包括1臺(tái)帶電磁攪拌裝置的50t矩形燃?xì)庑顭崾饺蹮挔t和2臺(tái)25t傾動(dòng)式矩形燃?xì)獗貭t，在線精煉設(shè)備采用ALPUR在線除氣箱和FBB串聯(lián)式雙級(jí)過濾箱。鑄軋機(jī)為涿神公司制造的水平雙輥式鑄軋機(jī)，其主要工藝參數(shù)見表2。
表2 水平雙輥鑄軋機(jī)的主要技術(shù)參數(shù)
Table 2 The main technical parameters for the horizontal double roller casting-rolling machine
4 寬板幅3102鋁合金鑄軋板生產(chǎn)工藝
寬板幅3102鑄軋板的生產(chǎn)工藝流程如下：
配料 → 裝爐 → 升溫熔化 → 攪拌 → 取樣 → 預(yù)精煉 → 扒渣 →添加中間合金 → 取樣分析 → 轉(zhuǎn)爐 → 爐內(nèi)精煉 → 扒渣 → 在線除氣 →在線過濾 →鑄軋 → 取卷
1)配料：電解鋁液70% + 30%重熔鋁錠(或工藝廢料)。由于電解鋁液溫度高于800℃，屬于過熱熔體，熔體中的非自發(fā)形核質(zhì)點(diǎn)數(shù)量少，全部用電解鋁液為爐料，很容易使得鑄軋板產(chǎn)生粗大晶粒組織。因此，加入固體爐料的目的是，一方面降低電解鋁液溫度，另一方面可以增加鋁熔體中的非自發(fā)形核質(zhì)點(diǎn)數(shù)量，有利于促進(jìn)晶粒細(xì)化。此外，在3102合金鑄軋板生產(chǎn)中，調(diào)整合金成分時(shí)，不使用各種金屬添加劑而使用各種中間合金(Al-Si、Al-Fe、Al-Mn和Al-Cu)，一方面是因?yàn)楦鞣N金屬添加劑中的雜質(zhì)含量要比中間合金高得多，而且金屬添加劑中的助溶劑在鋁熔體中發(fā)生反應(yīng)后發(fā)生局部放熱反應(yīng)，可以引燃鋁熔體周圍氧化鋁燒渣，而鋁燒渣的溫度可達(dá)2204℃[5]，會(huì)造成鋁熔體的局部嚴(yán)重過熱，對(duì)合金成分的精確控制和晶粒度控制都有負(fù)面影響;另一方面，中間合金錠的加入也有利于降低鋁液溫度和促進(jìn)晶粒細(xì)化。
2)熔煉爐內(nèi)3102合金熔體的預(yù)精煉
為了為保溫爐內(nèi)提供純潔度較高的合金熔體并減少對(duì)保溫爐的污染，在爐料熔化完成后，將8塊用四氯化碳浸泡的耐火磚分別用工具放置在熔煉爐的不同位置，利用四氯化碳在高溫下分解所產(chǎn)生的氯氣對(duì)鋁液進(jìn)行預(yù)精煉，以除去熔體中的部分夾雜、溶解氫和電解鋁液中的堿(土)金屬Na和Ca。
3)保溫爐內(nèi)熔體的精煉和除堿(土)金屬
轉(zhuǎn)爐后，對(duì)保溫爐內(nèi)鋁熔體進(jìn)行精煉處理。以高純氬氣微載體向熔體中通入四氯化碳的
方式精煉。采用這種方式，利用四氯化碳分解產(chǎn)生的氯氣與堿(土)金屬Na和Ca以及溶解氫的反應(yīng)除去堿金屬和氫，反應(yīng)生成的氯鹽隨氬氣泡上浮至熔體表面，通過扒渣而除去。如此，熔體中的Na和Ca含量可以控制在低于3×10-4%[6]。
4)鑄軋過程中轉(zhuǎn)爐鋁液的精煉
在3102鋁合金鑄軋板生產(chǎn)過程中，當(dāng)保溫爐中的停留鋁液尚有約10t左右時(shí)，要將熔煉爐鋁液轉(zhuǎn)入保溫爐中，在這種情況下，對(duì)保溫爐中的鋁液要進(jìn)行過流精煉[7]，來降低鋁熔體中的氫含量和夾雜物。
4)在線除氣：使用深圳阿爾泰科公司制造的ALPUR在線除氣箱進(jìn)行3102熔體除氣，除氣介質(zhì)為高純氬氣，控制石墨轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速，既保證能夠產(chǎn)生均勻細(xì)小且彌散的氬氣泡的除氣效果，同時(shí)又保證轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)過程中不發(fā)生鋁液飛濺，造成鋁液氧化造渣。經(jīng)檢測(cè)，在線除氣效果達(dá)到0.11ml/100g-Al～0.13ml/100g-Al。
5)在線除渣：使用FBB串聯(lián)式雙級(jí)過濾箱，過濾板的目數(shù)配置為30/50ppi。對(duì)鑄軋板進(jìn)行低倍分析，未發(fā)現(xiàn)有夾雜物的存在，下游軋制結(jié)果也表明了這一點(diǎn)。
6)晶粒細(xì)化：電解鋁液對(duì)鋁合金鑄軋板質(zhì)量的主要影響之一，是由于熔體過熱易產(chǎn)生粗大晶粒。雖然在合金熔煉中添加約30%的固體料來降溫和增加非自發(fā)形核質(zhì)點(diǎn)數(shù)量，但由于鑄軋速度較慢，熔體在保溫爐內(nèi)停留的時(shí)間過長(zhǎng)，鑄軋板產(chǎn)生粗大晶粒的傾向仍然很大。為此，采取以下幾方面措施來控制鑄軋板的晶粒度：① 控制前箱鋁液溫度在695～700℃;② 確保軋輥冷卻強(qiáng)度，控制冷卻水壓不小于0.25Mpa;③ 在冷卻強(qiáng)度一定的情況下，控制鑄軋速度適當(dāng)?shù)鸵恍?，將鑄軋速度控制在800～850℃;④ 選用品質(zhì)優(yōu)良的Al-Ti-B現(xiàn)狀晶粒細(xì)化劑通過喂絲機(jī)在除氣箱上游進(jìn)行逆流在線添加，并確保合適的速度與添加量。Ti添加量以不超過鋁熔體量的0.05%為準(zhǔn)。對(duì)采取上述措施生產(chǎn)的3102合金鑄軋板進(jìn)行低倍分析，結(jié)果表明，鑄軋板的晶粒大小均勻，均達(dá)到1級(jí)標(biāo)準(zhǔn)。
7)鑄嘴結(jié)構(gòu)的選擇：按鋁熔體的分配級(jí)別，鑄嘴結(jié)構(gòu)可分為一級(jí)分配、二級(jí)分配和三級(jí)分配三種。鑄嘴的分配級(jí)別決定著鋁熔體的分配效果，對(duì)鑄嘴內(nèi)合金化學(xué)成分、流場(chǎng)和溫度場(chǎng)的均勻性起著決定性的作用。由于3102鋁合金鑄軋板寬度大，溫度場(chǎng)和流場(chǎng)對(duì)于鑄嘴的均勻填充非常重要，因此，在寬板幅3102合金鑄軋時(shí)，選用三級(jí)鑄嘴結(jié)構(gòu)。三級(jí)分配的鑄嘴，其整個(gè)嘴腔內(nèi)的鋁液溫度、鋁液分配和鋁液流動(dòng)比一級(jí)和二級(jí)均勻得多，流入鑄嘴內(nèi)的鋁液受到近乎相同的靜壓力作用，流動(dòng)速度一致，能夠較快并且均勻地充滿整個(gè)鑄嘴[8]。3102鋁合金鑄軋所采用的三級(jí)鑄嘴結(jié)構(gòu)如圖1所示。
圖1 3102鋁合金鑄軋板生產(chǎn)用的三級(jí)分配鑄嘴
Figure 1 Level 3 distribution casting nozzle used for production of 3102 aluminium alloy plate
8)前箱液位控制：在3102鋁合金鑄軋過程中，對(duì)前箱液位控制采取了兩個(gè)主要措施。一是在溜槽中加裝了數(shù)道30ppi陶瓷泡沫過濾板，不僅可以減緩鋁液液面波動(dòng)，有利于前箱液面穩(wěn)定，還可以攔截較大尺寸的非金屬氧化物和其他外來雜物，從而改善在線過濾裝置的運(yùn)行效果;二是采用自行設(shè)計(jì)的絲杠式前箱液位控制裝置，將前箱液位精確控制在40±0.5mm。絲杠式前箱液位控制裝置如圖2所示。
圖2 絲杠式前箱液位控制裝置
Figure 2 Headbox liquid level control device with screw rod
9)鑄軋板板形控制：鑄軋板的板形對(duì)于后續(xù)箔材軋制有著至關(guān)重要的影響。鑄軋板的板形主要包括縱向厚差、中凸度、相鄰兩點(diǎn)差、兩邊厚差和同板差。而影響鑄軋板板形的因素很多，如鑄軋輥凸度、輥套裝配與安裝精度以及鑄軋工藝參數(shù)設(shè)置等[8]。在寬板幅3102鋁合金鑄軋板生產(chǎn)過程中，通過以下板形控制措施獲得了良好的鑄軋板板形：
a 盡可能選用新鑄軋輥或加工去除表面龜裂少的鑄軋輥生產(chǎn)寬板幅鑄軋板，因?yàn)檩亸皆酱?，板坯尺寸精度越好，板形越好。在寬?102合金鑄軋時(shí)，鑄軋輥的輥徑不得小于998mm;
b 定期清理鑄軋輥輥芯冷卻水槽，確保鑄軋過程中的冷卻強(qiáng)度。某公司地處青藏高原，鑄軋所使用的冷卻水水質(zhì)較硬，礦物質(zhì)含量很高，在鑄軋溫度下水槽極易形成結(jié)垢，使得冷卻水槽局部堵塞，導(dǎo)致不良的鑄軋輥熱傳導(dǎo)，嚴(yán)重影響鑄軋板的板形控制。通過采用以少量稀鹽酸、緩蝕劑和鈍化劑配置的清洗液對(duì)輥芯水槽進(jìn)行清洗，消除了輥芯水槽結(jié)構(gòu)問題，改善了鑄軋輥的熱傳導(dǎo)，使得鑄軋輥進(jìn)出口循環(huán)冷卻水溫度穩(wěn)定控制在23～25℃，從而確保了鑄軋板板形的穩(wěn)定控制;
c 合理選擇鑄軋工藝參數(shù)。在鑄軋輥輥型確定的前提下，鑄軋工藝參數(shù)的調(diào)整與控制對(duì)鑄軋板板形的控制尤為重要。在寬板幅3102合金鑄軋板生產(chǎn)中，通過溜槽保溫改造和自制絲杠式液位控制器的應(yīng)用，前箱液位穩(wěn)定穩(wěn)定控制在40±0.5mm;前箱鋁液溫度穩(wěn)定控制在695～700℃;控制鑄軋區(qū)長(zhǎng)度在55～60mm;輥?zhàn)扉g隙控制范圍為0.45～0.50mm;鑄軋輥的輥凸度和表面粗糙度分別為0.48mm和0.80μm。
d 板形控制效果：板凸度0～1%(即0～0.07mm);同板差≤0.04mm;縱向厚差≤0.08mm;相鄰兩點(diǎn)差≤0.04mm;兩邊厚差≤0.04mm。
5 寬板幅3102鑄軋板的質(zhì)量檢測(cè)結(jié)果
用上述措施和工藝參數(shù)生產(chǎn)的寬板幅3102鋁合金鑄軋板的質(zhì)量檢測(cè)結(jié)果如下：
1)3102鑄軋板化學(xué)成分均勻，內(nèi)部組織優(yōu)良，無夾雜和氣孔出現(xiàn);
2)鑄軋板上下表面的晶粒度均達(dá)到一級(jí)，且晶粒度大小均勻;
3)氫含量穩(wěn)定控制在0.12ml/100g-Al以下;
4)下游軋制結(jié)果反饋驗(yàn)證了上述檢測(cè)結(jié)果，且軋制板形良好，軋制工藝裂邊穩(wěn)定控制在≤5mm。
6 結(jié)論
1)用電解鋁液生產(chǎn)寬板幅3102鋁合金鑄軋板的固液比為3:7;
2)為了會(huì)的良好的3102鋁合金熔體質(zhì)量，采用熔煉爐內(nèi)四氯化碳浸泡磚預(yù)精煉、以高純氬氣為載體向保溫爐內(nèi)鋁熔體中通入四氯化碳進(jìn)行爐內(nèi)精煉、以高純氬氣為除氣介質(zhì)的在線FBB除氣以及采用30/50ppi目數(shù)配置的在線除渣措施，可以獲得良好的3102鋁合金熔體冶金質(zhì)量;
3)通過選擇合適的鑄軋輥輥型、清理鑄軋輥輥芯以確保鑄軋過程中的冷卻強(qiáng)度以及合理的鑄軋工藝參數(shù)搭配，可以獲得良好的鑄軋板板形;
4)寬板幅3102鋁合金鑄軋板生產(chǎn)的最佳工藝參數(shù)配置：鑄軋輥的凸度及表面粗糙度分別為0.48mm和0.80μm;鑄軋區(qū)長(zhǎng)度為55～60mm;鑄軋溫度為695～700℃;前箱液面高度為40±0.5mm;鑄嘴結(jié)構(gòu)為三級(jí)分配;輥?zhàn)扉g隙控制范圍為0.45～0.50mm。
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聲明：
“寬幅3102鋁合金鑄軋板生產(chǎn)工藝研究” 該技術(shù)專利(論文)所有權(quán)利歸屬于技術(shù)(論文)所有人。僅供學(xué)習(xí)研究，如用于商業(yè)用途，請(qǐng)聯(lián)系該技術(shù)所有人。
我是此專利(論文)的發(fā)明人(作者)
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編輯：中冶有色技術(shù)網(wǎng)
來源：青海橋頭鋁電股份有限公司
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