劉建興，李彥勤，周建榮，王春陽，王才生

(1.甘肅酒鋼天成彩鋁有限責(zé)任公司，甘肅 嘉峪關(guān) 735100；2.哈爾濱東盛金屬材料有限公司，黑龍江 哈爾濱 150060)

3102鋁合金屬于Al-Mn系變形鋁合金，主要用于生產(chǎn)空調(diào)散熱器用鋁箔[1]。隨著空調(diào)行業(yè)的迅速發(fā)展，空調(diào)散熱器用鋁箔市場需求量目前已超過300 kt/a。而3102鋁合金是空調(diào)散熱器鋁箔用量最大的鋁合金，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過1030B、8011等鋁合金的使用量。目前行業(yè)中普遍采用工藝流程短、生產(chǎn)成本低、能耗低的鑄軋法生產(chǎn)3102鋁合金空調(diào)散熱器用鋁箔坯料。

由于3102鋁合金的脆性小，箔材的力學(xué)性能完全可以滿足散熱片的沖制，使得3102鋁合金空調(diào)散熱器用鋁箔備受空調(diào)器生產(chǎn)廠家的青睞。近年來，空調(diào)器生產(chǎn)廠家大多以節(jié)能、環(huán)保為生產(chǎn)經(jīng)營目標(biāo)，不斷追求超薄、高性能、高精度的空調(diào)散熱器用鋁箔，鋁箔厚度從開始的0.10 mm～0.15 mm，到目前最常見的0.093 mm～0.10 mm，技術(shù)實(shí)力強(qiáng)的空調(diào)生產(chǎn)企業(yè)已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了0.083 mm厚的散熱片研發(fā)及推廣生產(chǎn)。在厚度減薄的同時，加工過程對于鋁箔的力學(xué)性能要求也在不斷地提高，常規(guī)的3102鋁合金空調(diào)散熱器用鋁箔坯料力學(xué)性能已無法滿足市場的需求，空調(diào)散熱器用鋁箔市場急需一種可以替代常規(guī)3102鋁合金空調(diào)箔坯料的新產(chǎn)品。目前，甘肅酒鋼天成彩鋁有限責(zé)任公司對于改良型3102D鋁合金空調(diào)散熱器用鋁箔坯料的生產(chǎn)工藝技術(shù)創(chuàng)新優(yōu)化已日漸成熟，甘肅酒鋼天成彩鋁有限責(zé)任公司生產(chǎn)的空調(diào)散熱器用鋁箔坯料經(jīng)下游客戶試軋，鋁箔的抗拉強(qiáng)度已提高至132 N/mm2，伸長率提高至20%，客戶反饋良好。

由于空調(diào)器廠家對箔材的力學(xué)性能的要求不斷提高，鋁箔坯料生產(chǎn)廠家不斷提高生產(chǎn)技術(shù)水平，精細(xì)化控制生產(chǎn)工藝過程，進(jìn)而保證產(chǎn)品性能的穩(wěn)定性，以滿足下游客戶的使用要求。其中，坯料的化學(xué)成分控制就是最基本的要求，本文作者重點(diǎn)探討利用傾斜式雙輥連續(xù)鑄軋機(jī)生產(chǎn)改良型3102D鋁合金鑄軋板時鑄軋區(qū)長度、鑄軋速度、冷卻強(qiáng)度對其高倍組織的影響。

1 試驗(yàn)過程

1.1 3102與3102D鋁合金空調(diào)箔化學(xué)成分及力學(xué)性能對比

3102鋁合金屬于Al-Mn系可熱處理不可強(qiáng)化鋁合金，室溫時主要相組成為α(Al)相和MnAl6相，其共晶體中含有較多的金屬間化合物，這些化合物呈骨骼狀、塊狀和片狀形態(tài)[2]。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。3102鋁合金的顯著特點(diǎn)在于熔融狀態(tài)下流動性較差，在鑄軋過程中，易出現(xiàn)鑄嘴堵塞和粘輥現(xiàn)象。因此，通過降低Fe含量，提高Si含量，降低w(Fe)/w(Si)比值，在一定程度有利于改善熔體的流動性。適當(dāng)調(diào)整Mn含量，可以提高產(chǎn)品的力學(xué)性能。3102與3102D鋁合金空調(diào)箔的化學(xué)成分和力學(xué)性能如表1和表2所示。

1.2 鑄軋機(jī)

試驗(yàn)采用電解鋁液直接鑄軋的方式生產(chǎn)，試驗(yàn)主體設(shè)備為Φ1 010 mm×1 900 mm傾斜式雙輥連續(xù)鑄軋機(jī)，輥縫由液壓伺服系統(tǒng)控制，前箱控流采用聲光報警系統(tǒng)，輥面潤滑采用火焰噴涂系統(tǒng)，軋制力和電機(jī)轉(zhuǎn)矩等監(jiān)控數(shù)據(jù)均采用液晶顯示，設(shè)備總體水平先進(jìn)，運(yùn)行狀況良好。鑄軋機(jī)主要技術(shù)參數(shù)見表3所示。

表3 傾斜式雙輥連續(xù)鑄軋機(jī)的主要技術(shù)參數(shù)

1.3 3102D鋁合金鑄軋板生產(chǎn)工藝流程

清爐→配料→裝爐→熔化扒渣→預(yù)配料→噴粉精煉→成分調(diào)整→二次精煉→倒?fàn)t→保溫爐精煉→在線加入Al-Ti-B絲→在線旋轉(zhuǎn)除氣→在線過濾→前箱液面控制→鑄軋。

1.4 主要工藝參數(shù)

1)熔煉爐固體料占比不小于35%；

2)預(yù)設(shè)輥縫：操作側(cè)5.33 mm，傳動側(cè)5.34 mm；

3)預(yù)設(shè)嘴輥間隙0.3 mm；

4)預(yù)設(shè)鑄嘴開口度9 mm；

5)前箱溫度695 ℃±2 ℃；

6)前箱液位差50 mm；

7)鑄區(qū)長度60 mm、66 mm、72 mm;

8)鑄軋速度920 mm/min、980 mm/min、1 040 mm/min；

9)冷卻水入口水溫23 ℃～36 ℃，水壓0.45 MPa。

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

添加晶粒細(xì)化劑是控制鑄軋帶材晶粒度最主要的手段之一。甘肅酒鋼天成彩鋁有限責(zé)任公司生產(chǎn)的鋁合金產(chǎn)品采用的晶粒細(xì)化方法主要是依靠在線加入Al-Ti-B晶粒細(xì)化劑,以達(dá)到細(xì)化晶粒的效果。本次試驗(yàn)，Al-Ti-B晶粒細(xì)化劑添加量統(tǒng)一控制在2.5 kg/t Al的前提下，探索不同鑄軋工藝條件對鑄軋板組織的影響。

2.1 鑄軋區(qū)長度

鑄軋區(qū)是指鑄嘴出口到軋輥中心線之間的距離。3102鋁合金固、液相線溫度相差約11 ℃～13 ℃。為了加快3102D鋁合金在鑄軋區(qū)內(nèi)的凝固速度，必須盡量延長鑄軋區(qū)長度，適當(dāng)降低冷卻強(qiáng)度，提高鑄軋速度，以創(chuàng)造良好的結(jié)晶環(huán)境。本試驗(yàn)在保持其他工藝參數(shù)恒定的前提下(前箱溫度695 ℃±2 ℃,預(yù)設(shè)輥縫操作側(cè)5.33 mm，傳動側(cè)5.34 mm，預(yù)設(shè)嘴輥間隙0.3 mm，預(yù)設(shè)鑄嘴開口度9 mm；預(yù)設(shè)鑄軋速度960 mm/min，預(yù)設(shè)循環(huán)水冷卻水溫30 ℃)，設(shè)置多個鑄軋區(qū)長度進(jìn)行比較，圖1為不同鑄軋區(qū)長度的3102D鋁合金帶坯的高倍組織。

圖1 不同鑄軋區(qū)長度下3102D鋁合金帶坯的高倍組織

在鑄軋區(qū)內(nèi)，液態(tài)金屬被兩個轉(zhuǎn)動的軋輥冷卻，經(jīng)很短時間完成鑄造與軋制兩個過程。鑄軋區(qū)可分為冷凝區(qū)、鑄造區(qū)和變形區(qū)。鑄軋區(qū)長度偏小時，勢必要減小鑄軋速度，各工藝參數(shù)調(diào)整的范圍較小，不利于提高生產(chǎn)效率；適當(dāng)增加鑄軋區(qū)長度，不但可以提高鑄軋速度，而且有助于晶粒細(xì)化、增強(qiáng)性能，而且能使其他工藝參數(shù)的可調(diào)整范圍增加。

通過對比高倍組織，發(fā)現(xiàn)鑄軋區(qū)長度控制在66 mm，鑄軋板的組織良好。

2.2 鑄軋速度

對鋁合金來說，凝固區(qū)間越大，完全凝固所需的時間越長，因此鑄軋速度應(yīng)相應(yīng)小些，反之亦然。3102D鋁合金熔體流動性較好，鑄軋速度900 mm/min～1 100 mm/min左右，本試驗(yàn)在其他工藝參數(shù)保持恒定(鑄軋區(qū)長度60 mm，循環(huán)水冷卻水溫30 ℃)時，選取多組鑄軋速度進(jìn)行對比。圖2為不同鑄軋速度下3102D鋁合金帶坯的高倍組織。

增大鑄軋區(qū)后，可以提高鑄軋速度，能夠改善熔體凝固狀態(tài)，提高鑄軋卷內(nèi)部組織致密度[3]，并且提高了生產(chǎn)效率，這就是所謂的低溫高速軋制。但鑄軋速度的提高也是限制在一定范圍內(nèi)，因?yàn)殍T軋速度太快，液穴深度不一致，液穴較深的部分來不及結(jié)晶被軋輥帶出而形成熱帶等缺陷；一般來說，在其他條件不變的情況下，如果鑄軋速度過高，會使液穴加長，而使得軋制變形區(qū)變短，造成結(jié)晶前沿的熔體溫度梯度增大，液相過冷度變小，形核率降低而晶粒長大速度提高，導(dǎo)致晶粒粗大[4]。

由圖2可以看出，當(dāng)鑄軋速度在980 mm/min時，可以獲得組織細(xì)小且均勻的鑄軋板；鑄軋速度偏高或偏低均不利于獲得細(xì)小且均勻的晶粒，且伴有其他缺陷產(chǎn)生。

圖2 不同鑄軋速度下3102D鋁合金帶坯的高倍組織

2.3 冷卻強(qiáng)度

在鑄軋過程中，鋁及鋁合金凝固時所釋放的熱量及帶坯在出輥縫前溫度下降所放出的熱量經(jīng)鑄軋輥套快速傳遞，為輥內(nèi)循環(huán)冷卻水吸收而排出。因此單位時間內(nèi)鑄軋輥輥套單位面積上所導(dǎo)出的熱量被稱為冷卻強(qiáng)度。冷卻強(qiáng)度大小直接影響輥套表面溫度，也直接影響鑄軋速度。在使熔體接觸鑄軋輥表面前的溫度不變的前提下，冷卻強(qiáng)度越大，鑄軋速度也越大[5]。由于冷卻強(qiáng)度大，對熔體凝固速度有明顯影響，創(chuàng)造了提高鑄軋速度的條件，有利于提高生產(chǎn)效率。表4為在不同進(jìn)水冷卻水溫鑄軋帶坯生產(chǎn)的3102D空調(diào)箔產(chǎn)品高倍組織判定結(jié)果。圖3為不同進(jìn)水冷卻水溫鑄軋3102D鋁合金帶坯的高倍組織(預(yù)設(shè)鑄軋區(qū)長度60 mm，預(yù)設(shè)鑄軋速度960 mm/min)。

表4 不同冷卻水溫鑄軋帶坯生產(chǎn)的3102D空調(diào)箔產(chǎn)品高倍組織判定結(jié)果

圖3 不同進(jìn)水冷卻水溫鑄軋3102D鋁合金帶坯高倍組織

晶粒的成核速率、晶粒的長大速率與熔體的過冷度有明顯的關(guān)聯(lián)性，即：當(dāng)過冷度較大，形核速率大于晶粒的長大速率，可獲得較細(xì)的晶粒組織；而當(dāng)冷卻速度較慢時，晶粒的長大速率大于成核速率，鑄軋板的晶粒組織較粗。

實(shí)際生產(chǎn)過程中，冷卻強(qiáng)度大，有利于凝固結(jié)晶、有利于軋速的提高，在確保結(jié)晶前沿溫度梯度的前提下，擴(kuò)大過冷帶和兩相區(qū)的寬度，增大過冷度可以增加形核速率，獲得細(xì)小均勻的等軸晶。

本試驗(yàn)中，冷卻強(qiáng)度對晶粒度的影響程度較鑄軋速度、鑄軋區(qū)長度對晶粒的影響程度小，結(jié)合高倍組織，循環(huán)水入口水溫在28 ℃～32 ℃時，晶粒細(xì)小均勻。

3 結(jié) 論

本試驗(yàn)中，為避免其他因素對試驗(yàn)結(jié)果產(chǎn)生影響，熔煉爐冷料加入量統(tǒng)一控制在36%；為避免熔體在保溫爐內(nèi)停留的時間過長，倒?fàn)t時間嚴(yán)格控制在16 h內(nèi)；在線晶粒細(xì)化劑選用品質(zhì)優(yōu)良的Al-Ti-B線狀晶粒細(xì)化劑，通過喂絲機(jī)在除氣箱上游進(jìn)行逆流在線添加，晶粒細(xì)化劑添加統(tǒng)一按照2.5 kg/t進(jìn)行，前箱溫度控制在695 ℃±2 ℃，鑄嘴開口度為9 mm，嘴輥間隙為0.3 mm。試驗(yàn)的主要結(jié)論如下：

1)適當(dāng)增加鑄軋區(qū)長度，有助于晶粒細(xì)化，而且其他工藝參數(shù)的可調(diào)整范圍增加,3102D鋁合金空調(diào)箔帶坯適宜的鑄軋區(qū)長度為66 mm。

2)低溫高速軋制有利于晶粒細(xì)化，適宜的鑄軋速度為980 mm/min。

3)冷卻強(qiáng)度大，有利于凝固結(jié)晶、有利于軋速調(diào)高，在確保結(jié)晶前沿溫度梯度的前提下，擴(kuò)大過冷帶和兩相區(qū)的寬度，增大過冷度可以增加形核速率，獲得細(xì)小均勻的等軸晶，3102D鋁合金空調(diào)箔帶坯適宜的鑄軋入口水溫28 ℃～32 ℃，冷卻水壓0.45 MPa。