何正夫，王榮莉

(云南鋁業(yè)股份有限公司,云南 昆明 650502)

2010年中國電解鋁產(chǎn)量達(dá)到1619.45萬噸，鋁材產(chǎn)量達(dá)到2026.05萬噸(1)。中國已經(jīng)成為世界最大的電解鋁生產(chǎn)國和鋁材加工大國。許多電解鋁企業(yè)充分利用資源優(yōu)勢(shì)，用電解鋁液直接生產(chǎn)鋁材坯料，達(dá)到了節(jié)能降耗、降本增效的良好效果。但用電解鋁液直接生產(chǎn)鋁材坯料時(shí)容易出現(xiàn)粗大晶粒，甚至造成晶粒度超標(biāo)而成為廢品。有時(shí)雖然晶粒度符合要求，但是晶粒不細(xì)小彌散、均勻一致，下游工序生產(chǎn)時(shí)也會(huì)出現(xiàn)產(chǎn)品表面缺陷，影響產(chǎn)品品質(zhì)。

1 生產(chǎn)工藝流程

配料→裝爐→熔煉→爐內(nèi)精煉→轉(zhuǎn)爐→靜置爐內(nèi)精煉→靜置→在線添加鋁鈦硼桿→在線除氣→在線過濾→鑄造。

2 粗大晶粒產(chǎn)生的原因分析

2.1 電解鋁液過熱，非自發(fā)晶核十分少

用電解鋁液直接生產(chǎn)鋁材坯料時(shí)，由于電解鋁液溫度在900℃左右，處于高溫狀態(tài)，熔體中非自發(fā)晶核十分少，其結(jié)晶晶粒尺寸較大，而枝晶網(wǎng)間距尺寸較小。

2.2 熔煉溫度高、時(shí)間長、熔池表面熔體溫度局部過高

熔煉溫度過高，熔煉時(shí)間過長，熔池表面熔體溫度局部過高等也會(huì)造成熔體過熱，減少熔體中非自發(fā)晶核的數(shù)量，從而造成晶粒粗大。

2.3 晶粒細(xì)化劑質(zhì)量差，添加不規(guī)范

晶粒細(xì)化劑細(xì)化效果，一方面取決于細(xì)化桿料質(zhì)量，即細(xì)化桿料內(nèi)部要有均勻細(xì)小的TiB2粒子和均勻分布的塊狀TiAl3相，使鋁液凝固結(jié)晶時(shí)有足夠多的形核核心。否則細(xì)化作用就不大。另一方面選擇合適的添加點(diǎn)，保證添加溫度、保持時(shí)間、均勻性等符合要求。如果添加點(diǎn)鋁液溫度低，桿料難于熔化、分散，就容易造成沉積失效，同時(shí)引起Ti含量波動(dòng)。如果添加點(diǎn)流程長，就容易造成保持時(shí)間長而使細(xì)化劑失效。如果添加量不夠、不穩(wěn)定，Ti含量少、Ti含量波動(dòng)等，細(xì)化效果也就不穩(wěn)定。

2.4 鑄造工藝的不平衡不穩(wěn)定

鑄造的重要工藝參數(shù)：鑄造溫度、鑄造速度、冷卻強(qiáng)度等，在鑄造過程中不平衡、不穩(wěn)定，組合不佳，造成結(jié)晶效果差，引起晶粒粗大和不均勻。

3 晶粒度控制措施

3.1 添加固體料

針對(duì)電解鋁液處于高溫狀態(tài)，熔體過熱，熔體中非自發(fā)晶核十分少的實(shí)際,配料時(shí)應(yīng)考慮有爐料總量20%以上的固體料，增加熔體中非自發(fā)晶核的數(shù)量，增大形核率，促進(jìn)晶粒細(xì)化，防止粗大晶粒的產(chǎn)生。同時(shí)，使電解鋁液溫度降到760℃以下。固體料可以是工藝廢料及其它成分合格無污染的冷料。

3.2 控制熔煉溫度和時(shí)間

裝爐過程中，應(yīng)協(xié)調(diào)好電解鋁液轉(zhuǎn)運(yùn)，盡量縮短裝爐時(shí)間；爐料裝完再進(jìn)行加熱，熔煉爐升溫速度要合適，保證生產(chǎn)連續(xù)性和熔煉時(shí)間不超過6小時(shí)。

在熔煉過程中，熔體溫度應(yīng)控制在760℃以內(nèi)。熔煉過程中應(yīng)加強(qiáng)熔體攪拌，固體料完全熔化后，每隔30分鐘攪拌一次，每次攪拌10-30分鐘，促進(jìn)成分和溫度均勻。熔體溫度達(dá)到要求即可進(jìn)行爐內(nèi)精煉，扒渣、靜置后轉(zhuǎn)入靜置爐。

根據(jù)生產(chǎn)實(shí)際，生產(chǎn)過程中對(duì)靜置爐鋁液定時(shí)進(jìn)行攪拌，防止表層熔體局部過熱。靜置超過4小時(shí)未生產(chǎn)，應(yīng)重新攪拌、精煉熔體。

3.3 控制Al-5Ti-1B桿料質(zhì)量及添加工藝

① 選擇質(zhì)量優(yōu)良的Al-5Ti-1B桿料

20世紀(jì)40年代,鋁合金晶粒細(xì)化劑的研制開發(fā)就已經(jīng)開始了。70年代中期,美國研制出Al-5Ti-1B中間合金桿料,用喂絲機(jī)連續(xù)加入到流槽中。經(jīng)過擠壓或軋制的Al-5Ti-1B桿料,第二相變得非常細(xì)小,分布均勻,因此細(xì)化作用快,細(xì)化能力強(qiáng)；而且鈦和硼利用率高,細(xì)化效果均勻、穩(wěn)定,易實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化。此后10余年中,美國的KBA公司、英國的LSM公司、SMC公司和荷蘭的KBM公司等,以及國內(nèi)的一些研發(fā)機(jī)構(gòu)都陸續(xù)開發(fā)出直徑為9-10mm的中間合金桿料,目前世界鋁工業(yè)75%以上使用此類產(chǎn)品[2]。

在桿料中包含著分布均勻的細(xì)小的TiB2粒子和均勻地分布于鋁基體中較大的塊狀TiAl3相。TiB2粒子的平均尺寸為0.8μm，90%在1μm以下；而TiAl3粒子的長度一般達(dá)80μm[3]。添加Al-5Ti-1B晶粒細(xì)化桿料是細(xì)化鋁材坯料最有效的措施之一。

選擇質(zhì)量優(yōu)良的Al-5Ti-1B桿料，對(duì)保證細(xì)化效果非常重要。目前國內(nèi)部分廠商生產(chǎn)的Al-5Ti-1B合金桿料已與國際水平相近。

表1 國際某知名公司與國內(nèi)某知名產(chǎn)商的細(xì)化桿化學(xué)成分對(duì)比表

圖1 國際某知名公司的細(xì)化桿顯微結(jié)構(gòu)

圖2 國內(nèi)某知名產(chǎn)商的細(xì)化桿顯微結(jié)構(gòu)

從表1可以開出，國內(nèi)某知名產(chǎn)商的細(xì)化桿Ti、B含量均比國際某知名公司的高，同時(shí)雜質(zhì)元素Si、Fe含量也高些?；瘜W(xué)成分均符合YS/T447.1-2002：鋁及鋁合金晶粒細(xì)化劑第1部分：鋁-鈦-硼合金線材的規(guī)定。圖1為國際某知名公司的細(xì)化桿顯微結(jié)構(gòu)，TiAl3粒子不均勻，有局部大于100μm的TiAl3粒子聚集團(tuán)。圖2為國內(nèi)某知名產(chǎn)商的細(xì)化桿顯微，TiAl3粒子小于50μm，尺寸均勻。從生產(chǎn)的鋁材坯料來看，國內(nèi)某知名產(chǎn)商的Al-5Ti-1B桿料細(xì)化效果要好一些，晶粒尺寸<350μm。

② 控制添加工藝，保證細(xì)化效果

Al-5Ti-1B桿料的細(xì)化效果除了取決于其質(zhì)量外，還與添加工藝有非常大的關(guān)系。選擇合適的添加點(diǎn)，保證保持時(shí)間在10-15min,添加點(diǎn)鋁液溫度在720℃左右，同時(shí)連續(xù)、穩(wěn)定、均勻的添加0.02%Ti對(duì)Al-5Ti-1B桿料的細(xì)化效果也十分重要。因此，選擇添加點(diǎn)要綜合考慮。

(1)根據(jù)保持時(shí)間，選擇合適的添加點(diǎn)。保持時(shí)間，是指細(xì)化桿料加入熔體中后至最佳細(xì)化效果的時(shí)間。一般控制在10-15min,超過30min細(xì)化效果將衰減。

在確定添加點(diǎn)時(shí)，要充分考慮合適的保持時(shí)間?？梢愿鶕?jù)鑄造速度、澆注系統(tǒng)中各段儲(chǔ)蓄鋁液的量來計(jì)算、選擇添加位置。一般在除氣箱或過濾器入口處添加。

(2)控制添加溫度。Al-5Ti-1B桿料加入時(shí)造成熔體局部溫度降低，導(dǎo)致加入點(diǎn)附近變得黏稠，流動(dòng)性差，使TiB2粒子更容易聚集形成夾雜，影響凈化、細(xì)化效果。為使Al-5Ti-1B桿料能夠充分熔化并且在鋁液中均勻分布，將添加點(diǎn)的溫度控制在720℃左右是十分必要的。

(3)控制添加量。當(dāng)添加鈦含量分別為0.005%、0.01%、0.015%、0.02%和0.03%時(shí)，在730℃向99.7%Al中加入Al-5Ti-1B細(xì)化劑的結(jié)果表明，添加0.005%Ti就起細(xì)化作用，隨鈦含量增加細(xì)化效果提高，添加0.02% Ti時(shí)細(xì)化效果最好, 添加0.03% Ti時(shí)細(xì)化效果提高不大[3]。Al-5Ti-1B桿料可以使用喂絲機(jī)連續(xù)加入流槽中，添加速度根據(jù)鑄造速度、桿料含Ti量及直徑、Ti的目標(biāo)含量等進(jìn)行計(jì)算確定。如果需要添加的量大，可以考慮用一臺(tái)或兩臺(tái)喂絲機(jī)同時(shí)在兩段流槽分別加入，以便桿料能快速熔入鋁液中，防止桿料熔化不充分而富集在流槽底部造成損失，影響細(xì)化效果。

實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)表明，在生產(chǎn)開始時(shí)，向接近澆注點(diǎn)的尾部流槽中額外加入一定量的桿料，有助于整個(gè)生產(chǎn)過程的順利細(xì)化。因?yàn)?，如果生產(chǎn)一開始就出現(xiàn)粗大晶粒，以后加大喂桿量也難于克服，甚至整批無法扭轉(zhuǎn)。

(4)保證桿料添加的均勻性，減小沉積和損失。添加時(shí)桿料對(duì)準(zhǔn)流槽金屬流的中心，與金屬表面成45°圓錐角的范圍內(nèi)進(jìn)入熔體，最好逆著金屬流向引入。以利用這里的最大紊流取得良好的混合效果[4]。

流槽中適當(dāng)而且穩(wěn)定的鋁液深度和流速可以保持鋁液溫度穩(wěn)定，減少鋁液中Ti含量波動(dòng)?？梢圆捎米詣?dòng)控流裝置控制流槽中鋁液面高度。同時(shí)可在流槽中設(shè)置局部擋流壩，以提高金屬流速，避免在桿料進(jìn)入點(diǎn)由于金屬緩慢流動(dòng)而帶來的分散不佳。

TiB2顆粒對(duì)氧化鋁有很大的親合力，阻礙其發(fā)揮細(xì)化作用，因此桿料必須插入不含表面氧化膜的潔凈金屬流中。可以安裝一個(gè)簡單的擋板擋住氧化膜[4]。

3.4 控制鑄造工藝的平衡穩(wěn)定

鑄造溫度、鑄造速度、冷卻強(qiáng)度是鑄造的三個(gè)重要工藝參數(shù)，在鑄造過程中要保持三者的平衡和穩(wěn)定，嚴(yán)格按工藝操作規(guī)程進(jìn)行操作，認(rèn)真控制鑄造工藝參數(shù)。穩(wěn)定的鑄錠質(zhì)量是鑄造工藝參數(shù)最佳組合的結(jié)果。

鑄造溫度通常是指澆包內(nèi)鋁液的溫度，即注入結(jié)晶器內(nèi)的液體溫度。應(yīng)考慮鋁液具有良好流動(dòng)性所需要達(dá)到的溫度和鋁液體在結(jié)晶器內(nèi)的氣體析出情況。1×××系合金在鑄造過程中過渡帶較窄，鑄造溫度宜偏高[5]，鑄造溫度比實(shí)際結(jié)晶溫度高30℃～50℃，實(shí)際生產(chǎn)中鑄造溫度控制在690℃～710℃。

鑄造速度的快慢對(duì)鑄錠裂紋、鑄錠表面質(zhì)量、鑄錠組織和性能有很大影響。在保證鑄錠質(zhì)量的前提下，應(yīng)采用最高的鑄造速度。

冷卻強(qiáng)度取決于冷卻水的流量、壓力、溫度。冷卻強(qiáng)度對(duì)鑄錠的組織影響較大，應(yīng)根據(jù)鑄造工藝、鑄造速度，綜合考慮冷卻水流量、壓力、溫度的控制，以期最佳冷卻效果，獲得較好的結(jié)晶組織。

4 結(jié)束語

用電解鋁液直接生產(chǎn)鋁材坯料，熔煉時(shí)添加總爐料20%以上的固體料；控制熔煉溫度在760℃以下和熔煉時(shí)間不超過6小時(shí)，靜置時(shí)防止熔體局部過熱；鑄造時(shí)在澆注溜槽中在線連續(xù)添加質(zhì)量穩(wěn)定良好Al-5Ti-1B桿料，控制添加量、添加溫度、保持時(shí)間和均勻性；嚴(yán)格控制鑄造溫度、鑄造速度、冷卻強(qiáng)度等工藝參數(shù)。通過優(yōu)化生產(chǎn)工藝控制，坯料內(nèi)部組織得到改善，坯料晶粒度可以優(yōu)于2級(jí)。

[1] 郎大展.2010年中國鋁冶煉行業(yè)回顧及2011年展望[J].中國鋁業(yè)，2011，(2)：2-6.

[2]陳亞軍,許慶彥,黃天佑.鋁合金晶粒細(xì)化劑研究進(jìn)展[J].材料導(dǎo)報(bào)，2006，20(12)：57-61.

[3]向凌霄.原鋁及其合金的熔煉與鑄造[M].北京：冶金工業(yè)出版社，2005，182-191.

[4]高澤生編譯. 線狀中間合金的加入方法和計(jì)算[J]. 輕合金加工技術(shù)，1987，(5)：5-10，40.

[5]邵正榮，邵海霞，呂讓濤，謝一舟，高鑫等. 鋁合金鑄造工藝與鑄錠質(zhì)量的關(guān)系[J].輕合金加工技術(shù),2006,(4):16～17.